倒掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓系統(tǒng)振動(dòng)故障分析

潘志軍，張 浩，周益安，楊曉霞

（杭州市南排工程建設(shè)管理處，浙江 杭州 310020）

倒掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓系統(tǒng)振動(dòng)故障分析

潘志軍，張 浩，周益安，楊曉霞

（杭州市南排工程建設(shè)管理處，浙江 杭州 310020）

倒掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟動(dòng)調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)啟閉機(jī)運(yùn)行過程中伴有振動(dòng)噪聲，通過分析振動(dòng)產(chǎn)生的原因并消除，總結(jié)提出液壓?jiǎn)㈤]機(jī)安裝、運(yùn)行、維護(hù)中減少產(chǎn)生故障隱患的措施。

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)；振動(dòng)故障；分析

1 問題的提出

某大型排水泵站建在城市新區(qū)核心位置，主要功能為減輕流域防洪壓力，同時(shí)解決城市區(qū)域排澇問題。城區(qū)河道排澇通過新建控制閘把洪水接入排水泵站進(jìn)水前池，通過泵排一并解決排洪問題?？刂崎l啟閉機(jī)建在城市核心區(qū)，兼顧周邊建筑美學(xué)選用倒掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，利用閘門啟閉中低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，閘門孔口覆蓋鋼制蓋板，通過景觀美化較好處理周邊環(huán)境的美觀問題，但若在閘門啟閉過程中出現(xiàn)不正常的振動(dòng)聲并被放大，將影響閘門的安全運(yùn)行，同時(shí)帶來(lái)噪聲污染。

液壓系統(tǒng)故障與電氣故障不同，故障檢測(cè)較為困難，因液壓管路內(nèi)油流的流動(dòng)狀態(tài)、液壓件內(nèi)部的零件動(dòng)作及密封件的損壞等情況，很難直觀檢測(cè)，寧辰校等提出液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓系統(tǒng)振動(dòng)與噪聲研究[1]，提供了故障分析的思路，但查找故障并不容易。本工程倒掛式閘門啟閉機(jī)安裝調(diào)試中出現(xiàn)振動(dòng)噪聲，通過查找文獻(xiàn)、查閱設(shè)計(jì)圖紙、召開專家會(huì)議等多角度故障分析，希望盡快找到故障點(diǎn)，但液壓系統(tǒng)故障往往比較復(fù)雜，花很大精力才能最終找到問題根源，排除故障，本文通過故障分析可以為同類液壓系統(tǒng)查找故障供參考。

2 工程概況及故障現(xiàn)象

某泵站設(shè)單機(jī)流量50 m3/s水泵4臺(tái)，總排澇流量200 m3/s，Ⅰ等工程，規(guī)模位列全國(guó)大型泵站前列。根據(jù)工程結(jié)合城市區(qū)域排澇設(shè)計(jì)，在河道接入泵站進(jìn)水池前設(shè)潛孔式平面滑塊鋼閘門，孔口尺寸4.0 m×3.0 m，設(shè)計(jì)水頭5.50 m，閘門單重約5.2 t，采用倒掛式QPPY - D - 2×160 kN型液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，工作行程3.65 m，啟閉速度大于0.5 m/min，在啟閉機(jī)液壓站及控制設(shè)備單獨(dú)設(shè)置在閘門控制室，閘門布置簡(jiǎn)圖見圖1，啟閉機(jī)工作特性見表1。

圖1 閘門布置簡(jiǎn)圖

表1 啟閉機(jī)工作特性表

工程機(jī)電安裝專業(yè)施工單位根據(jù)潛孔式閘門、啟閉機(jī)設(shè)計(jì)圖紙、安裝規(guī)范安裝完成，開始現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試機(jī)、電、液系統(tǒng)。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在出廠前進(jìn)行液壓泵站、油缸單體廠內(nèi)調(diào)試正常，現(xiàn)場(chǎng)規(guī)范施工，基本上能保證帶載動(dòng)態(tài)調(diào)試順利。該閘門啟閉機(jī)無(wú)水調(diào)試完成，雙缸同步性能較好，在自動(dòng)運(yùn)行中糾偏次數(shù)符合規(guī)范要求。工程通水驗(yàn)收完成后，閘門投入使用，河道水位上漲根據(jù)運(yùn)行原則進(jìn)行啟門排水。當(dāng)運(yùn)行1個(gè)星期后發(fā)現(xiàn)該閘門運(yùn)行過程中產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象并伴有陣陣噪聲，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)振動(dòng)時(shí)并非在糾偏運(yùn)行時(shí)，且閘門啟閉機(jī)每次啟閉過程中左缸產(chǎn)生的噪聲大小不一致。啟閉機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生振動(dòng)會(huì)影響液壓系統(tǒng)工作性能，長(zhǎng)此以往會(huì)縮短液壓系統(tǒng)元器件的使用壽命，這勢(shì)必會(huì)造成閘門啟閉機(jī)運(yùn)行可靠性下降，必須查明故障源頭，排除設(shè)備事故隱患。

3 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)故障分析

液壓系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲一般原因來(lái)自2方面：機(jī)械振動(dòng)和流體振動(dòng)產(chǎn)生噪聲。但在閘門啟閉過程中, 機(jī)械因數(shù)與流體因數(shù)2部分是相互影響的，有機(jī)械不平衡力、慣性力、摩擦阻力引起的機(jī)械振動(dòng)[2-3]，也有可能是液壓油運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生壓力沖擊、脈動(dòng)、氣穴等引起的振動(dòng)[1，4-5]，振動(dòng)是在動(dòng)態(tài)過程中產(chǎn)生的，又互相影響，往往是多種因數(shù)夾雜在一起，在分析振動(dòng)故障產(chǎn)生原因時(shí)首先從機(jī)械因數(shù)與流體因數(shù)2方面來(lái)考慮。

3.1 機(jī)械因數(shù)方面振動(dòng)原因分析

（1）工廠制造裝配因數(shù)。故障出現(xiàn)后一般考慮工廠制造或者現(xiàn)場(chǎng)安裝因數(shù)。查閱該潛孔式平面滑塊鋼閘門工廠制造質(zhì)量檢驗(yàn)記錄，閘門平面度、直線度、垂直度、厚度、高度、寬度、對(duì)角線等各控制尺寸數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，平衡度試驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)要求，閘門質(zhì)量均勻。倒掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)查閱在工廠裝配時(shí)對(duì)零部件裝配精度、活塞桿與缸體同心度、液壓油管裝配等測(cè)量數(shù)據(jù)記錄均符合規(guī)范要求，而且在工廠內(nèi)液壓站、液壓油缸機(jī)、電、液聯(lián)動(dòng)調(diào)試，單油缸活塞桿空載全行程運(yùn)動(dòng)測(cè)試，情況均良好。

（2）現(xiàn)場(chǎng)安裝因數(shù)。潛孔式平面滑塊鋼閘門工廠整體制造出廠，閘門滑塊、止水均在工廠內(nèi)安裝完成，而且在現(xiàn)場(chǎng)安裝前對(duì)閘門和閘門門槽控制尺寸均在監(jiān)理工程師旁站下復(fù)核，各數(shù)據(jù)符合要求，閘門安裝中心與門槽中心一致，在用汽車吊入閘門門槽后靜平衡試驗(yàn)各控制尺寸數(shù)據(jù)滿足要求，現(xiàn)場(chǎng)不需要閘門配重。閘門單體安裝不存在產(chǎn)生振動(dòng)的可能。倒掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)與閘門的連接是把液壓油缸缸體固定在門體內(nèi)，活塞桿末端與啟閉機(jī)基座相連接，安裝啟閉機(jī)時(shí)，閘門已經(jīng)先安裝好，液壓油缸從上到下插入閘門門體2個(gè)設(shè)計(jì)預(yù)留孔內(nèi)，調(diào)整完成通過油缸上法蘭面與門體螺栓孔連接后，再?gòu)纳系较碌跞胗透谆惭b在閘門孔口預(yù)埋板上，調(diào)整中心后連接固定。閘門與液壓?jiǎn)㈤]機(jī)連接有可能存在中心不正引起的運(yùn)行振動(dòng)。油缸穿入門體的預(yù)留孔若與油缸中心不正，會(huì)造成缸體機(jī)架與缸體的中心不正，所以在閘門、啟閉機(jī)制造設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)已明確閘門廠預(yù)制缸體外殼來(lái)制造定閘門體內(nèi)安裝油缸的中心，來(lái)保證連接時(shí)中心重合，這在前期已經(jīng)考慮且現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)復(fù)核中心較好。這樣閘門與啟閉機(jī)連接后，以閘門中心為控制中心來(lái)調(diào)整液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油缸機(jī)架孔口中心與閘門中心一致，水平度和垂直度滿足要求后固定基座螺栓，固定基座與活塞缸端頭大螺母，這樣的安裝控制能保證閘門啟閉機(jī)啟閉運(yùn)行中的穩(wěn)定，一般不存在因基座不穩(wěn)、安裝軸線不正、閘門門槽間隙不夠等可能產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)。

3.2 流體方面振動(dòng)因素分析

（1）液壓油方面的因數(shù)。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)機(jī)、電、液是個(gè)整體系統(tǒng)，產(chǎn)生振動(dòng)故障的閘門啟閉機(jī)液壓站設(shè)在獨(dú)立啟閉機(jī)控制室內(nèi)，產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲是在閘門孔中，故在排除機(jī)械方面因數(shù)后考慮液壓流體方面因數(shù)，先考慮的是液壓油因數(shù)。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的執(zhí)行液壓閥、溢流閥、電磁換向閥、單向閥等各種閥件都是制造精密的元件，液壓油的潔凈度高，且該工程選用PARK等高質(zhì)量閥件，尚若高壓油中微小的污染物劃傷元件表面，則會(huì)加劇磨損、出現(xiàn)節(jié)流孔堵塞，閥芯發(fā)卡等，進(jìn)而引起泄漏、竄動(dòng)[2，5-6]。該工程安裝完成調(diào)試前，首先對(duì)液壓油進(jìn)行過濾，再外送專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)達(dá)到NAS 9級(jí)，經(jīng)監(jiān)理確認(rèn)后再加油，靜止24 h后打開出油箱、油缸排氣孔排出空氣，防止空氣在高壓油運(yùn)行中產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲。由此分析基本排除因液壓油因素產(chǎn)生的振動(dòng)。

（2）流體方面的因數(shù)。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)系統(tǒng)原理見圖2。由圖1及圖2可知閘門采用倒掛式雙缸同步啟閉控制閘門運(yùn)行。雙缸同步控制采用閉環(huán)控制旁路放油糾偏達(dá)到同步控制。譚宗柒等分析閘門啟閉過程中雙缸存在偏載和液壓系統(tǒng)不對(duì)稱的客觀因數(shù)[2，4-5]，實(shí)際啟閉中通過糾偏達(dá)到近似的同步，從理論上看會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲因數(shù)，只要偏差控制在規(guī)定范圍內(nèi)，那么振動(dòng)和噪聲即可控和可接受。

圖2 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)系統(tǒng)原理圖

從圖2可知，閘門開啟操作時(shí)先啟動(dòng)1臺(tái)油泵電機(jī)，先導(dǎo)電磁溢流閥卸荷，延時(shí)10 s左右，電磁溢流閥電磁鐵YV2.*通電，壓力油經(jīng)25.*精密調(diào)節(jié)后分2路進(jìn)入流液壓缸有桿腔，無(wú)桿腔的油經(jīng)過單向順序閥件24.*，磁換向閥21.*流回 回油箱，實(shí)現(xiàn)啟門動(dòng)作。在閘門啟門過程中，開度及行程控制裝置連續(xù)檢測(cè)2只液壓缸行程偏差，當(dāng)2只液壓缸的行程偏差值＞20 mm時(shí)，通過PLC控制程序自動(dòng)發(fā)出糾偏令，相應(yīng)的糾偏閥YV4.* 或YV5.*自動(dòng)通電，電磁球閥旁路泄油糾偏，使偏差值≤20 mm閘門同步后停止糾偏調(diào)節(jié)，這樣實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)液壓缸的同步精度。在閘門運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)時(shí)啟動(dòng)糾偏，響應(yīng)及時(shí)，同樣閘門關(guān)閉過程中同步執(zhí)行程序相同，正常的閘門啟閉不至于產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲，而且前面已概述故障噪聲發(fā)生時(shí)未執(zhí)行糾偏程序，不存在糾偏過程中產(chǎn)生的噪聲?，F(xiàn)場(chǎng)把左缸和右缸互換安裝后，執(zhí)行啟門時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲發(fā)生在右缸，只是產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的行程范圍與上一次不是完全一致。至此閘門啟門過程中的產(chǎn)生不明振動(dòng)和噪聲的原因經(jīng)過多次專家現(xiàn)場(chǎng)查看分析，均找不到原因，只是可以確定問題出現(xiàn)在左缸上。經(jīng)分析只有把左邊的液壓油缸返廠解體查找原因。

4 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)故障解決

4.1 返廠解體檢查

液壓油缸返廠后，上工廠平衡試驗(yàn)臺(tái)檢查動(dòng)平衡，發(fā)現(xiàn)平衡性較好，不存在油缸中心偏差的問題。再把油缸安裝到工廠聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行單油缸活塞桿升縮操作，發(fā)現(xiàn)依然出現(xiàn)類似工地現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的振動(dòng)和噪聲，這樣只有在工廠拆卸進(jìn)一步診斷。油缸、活塞桿解體后發(fā)現(xiàn)在活塞桿端頭有一處長(zhǎng)80 mm、寬10 mm的表面細(xì)裂紋（見圖3），缸體內(nèi)部存在幾處直徑為6 mm左右的潔質(zhì)（見圖4）。經(jīng)過分析認(rèn)為應(yīng)該在工地安裝時(shí)有不當(dāng)焊接施工，焊接施工時(shí)活塞桿端頭有接地電流流過擊穿桿子金屬引起裂紋，具體原理見故障接地破壞示意圖5。

圖3 活塞桿端頭裂紋圖

圖4 油缸內(nèi)表面潔質(zhì)圖

圖5 故障接地破壞示意圖

4.2 活塞桿修復(fù)處理

找到問題后需對(duì)活塞桿上磨床進(jìn)行缺陷修復(fù)，再動(dòng)平衡校驗(yàn)，油缸組裝后安裝到工廠聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，再進(jìn)行單油缸活塞桿升縮操作，此時(shí)全行程伸縮操作不再產(chǎn)生上述振動(dòng)和噪聲。這樣困擾多時(shí)的故障徹底排除，可以確定油缸活塞桿端頭存在的表面黑色細(xì)裂紋和潔質(zhì)使得啟閉機(jī)運(yùn)行時(shí)高壓高速油流在通流截面突變產(chǎn)生紊流，并產(chǎn)生湍動(dòng)，使得缸體振動(dòng)，發(fā)出噪聲。

4.3 油缸現(xiàn)場(chǎng)安裝并進(jìn)行調(diào)試

返廠啟閉機(jī)設(shè)備運(yùn)輸?shù)焦さ睾螅瑖?yán)格按照施工圖紙和相關(guān)規(guī)范確保安裝精度，并檢查缸筒安裝就位后是否受到閘門主梁的干涉使得缸筒出現(xiàn)彎曲變形。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試首先排除油缸內(nèi)的空氣，接著對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試檢查，發(fā)現(xiàn)所有液壓閥均能正常工作，并調(diào)定所有閥件的油口開度、控制壓力值。開機(jī)后通過速度控制發(fā)現(xiàn)閘門及啟閉機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)倒掛式雙缸同步的閘門液壓?jiǎn)㈤]運(yùn)行中產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲的因數(shù)分析，排查故障的過程梳理。得出3點(diǎn)建議可供排除類似液壓?jiǎn)㈤]機(jī)故障參考。

（1）閘門、液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的安裝、調(diào)試必須按照施工規(guī)范，工藝要求，調(diào)試大綱按部就班，嚴(yán)控程序，保證分部質(zhì)量，才能降低出現(xiàn)疑難故障的概率。查找問題應(yīng)先簡(jiǎn)單后復(fù)雜，先機(jī)械因素后流體因素，逐一排查，直至找到問題根源并解決。

（2）液壓?jiǎn)㈤]機(jī)尤其是高油壓大型啟閉機(jī)，閘門液壓?jiǎn)㈤]過程中油流的流動(dòng)狀態(tài)、液壓件內(nèi)部的零件動(dòng)作，活塞桿體及密封件的損壞等情況是較難直觀檢查，平常在運(yùn)行維護(hù)中需要嚴(yán)密監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常及早排查根源，徹底解決問題，才能保證液壓?jiǎn)㈤]機(jī)運(yùn)行的高性能。

（3）要保證液壓設(shè)備的高性能運(yùn)行，選用高質(zhì)量的機(jī)、電、液產(chǎn)品是發(fā)揮整體設(shè)備使用穩(wěn)定性的關(guān)鍵因數(shù)。

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（責(zé)任編輯 黃 超）

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2016-05-08

潘志軍(1976 - )，男，高級(jí)工程師，主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。E - mail：pzj1015@163.com