取料機(jī)斗輪閉式液壓系統(tǒng)故障研究

韓 斌

（神華黃驊港務(wù)公司，河北滄州 061113）

0 引言

取料機(jī)是用于散料碼頭裝船時使用的大型散料機(jī)械，主要由大車行走機(jī)構(gòu)、臂架俯仰機(jī)構(gòu)、斗輪機(jī)構(gòu)、懸皮機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)及輔助機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)組成。其中，斗輪機(jī)構(gòu)包括斗輪及斗輪驅(qū)動裝置，斗輪驅(qū)動裝置可分為機(jī)械傳動和液壓傳動2種形式。黃驊港四期R12斗輪取料機(jī)斗輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置是由赫格隆公司設(shè)計生產(chǎn)的整套液壓系統(tǒng)解決方案，由2臺液壓主泵和1臺低速大扭矩液壓馬達(dá)組成驅(qū)動裝置直接驅(qū)動斗輪旋轉(zhuǎn)。

R12斗輪取料機(jī)在作業(yè)過程中出現(xiàn)3#泵補油壓力低故障報警，此報警造成斗輪液壓系統(tǒng)停機(jī)。R12斗輪取料機(jī)斗輪液壓系統(tǒng)采用閉式系統(tǒng)，由2臺SP355液壓泵并聯(lián)同時驅(qū)動斗輪部位的低速大扭矩液壓馬達(dá)（圖1）。

1 故障現(xiàn)象

R12斗輪取料機(jī)在啟動之初Spider控制器發(fā)出3#主泵補油壓力低報警故障，系統(tǒng)停機(jī)。此時主泵電機(jī)剛剛運行，控制斜盤控制活塞移動的比例電磁閥還未動作，主泵斜盤角度未變，主泵無輸出。3#主泵補油壓力低警報由圖1中3#主泵19.039壓力繼電器輸出。從R12取料機(jī)斗輪液壓站Spider控制器中可以直接看到，1#主泵補油壓力為1.4 MPa，3#主泵補油壓力為0.8 MPa。

R12斗輪取料機(jī)液壓系統(tǒng)由赫格隆公司設(shè)計，采用閉式液壓系統(tǒng)。1#和3#兩臺SP355主泵并聯(lián)后同時驅(qū)動斗輪處低速大扭矩馬達(dá)，2臺泵的供油管路通過設(shè)置在泵出口處的集流閥塊合流后向馬達(dá)供油。SP355主泵內(nèi)部集成補油泵標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為80 cm3。主泵2個先導(dǎo)溢流閥通過壓力限制防止主泵因壓力過高而損壞，A口側(cè)、B口側(cè)均分配有溢流閥，通過將高壓油溢流至低壓側(cè)來提供保護(hù)（圖1中2），此先導(dǎo)溢流閥的調(diào)整壓力為39 MPa。圖1中4為控制壓力溢流閥，其調(diào)整壓力為3 MPa，主要作用是在系統(tǒng)建立起壓力之前為主泵斜盤控制活塞換向提供一個穩(wěn)定的壓力油源，保障斜盤控制活塞順利動作。當(dāng)斜盤擺動完成，主泵系統(tǒng)壓力建立起來之后，工作壓力超過補油泵壓力，則斜盤控制壓力通過工作高壓進(jìn)行控制。與此同時，工作壓力的提高將導(dǎo)致控制壓力溢流閥4泄壓，補油泵壓力降至補油壓力溢流閥1設(shè)定壓力，油壓力溢流閥1設(shè)定壓力為1.5 MPa。補油泵輸出的液壓油用于主泵系統(tǒng)沖洗，置換做完功的高溫液壓油進(jìn)行冷卻。

圖1 取料機(jī)斗輪液壓系統(tǒng)工作原理

2 故障原因分析

由圖1可知，R12取料機(jī)斗輪液壓系統(tǒng)主泵各自單獨集成1臺補油泵，2臺主泵的補油系統(tǒng)相互獨立。通過以上故障現(xiàn)象分析原因：

（1）3#主泵補油壓力溢流閥1損壞。3#泵補油泵輸出的液壓油經(jīng)過損壞的補油壓力溢流閥1、過濾器13.049及散熱器10.004后回到油箱，補油泵輸出的液壓油不能在補油壓力溢流閥1處建立起有效壓力壓力。

（2）3#主泵內(nèi)部集成補油泵損壞，集成補油泵無輸出。3#主泵補油泵損壞，導(dǎo)致補油泵無液壓油輸出，造成補油壓力溢流閥1處不能建立起有效壓力。

3 解決過程

針對上述第一項故障原因，首先對3#主泵補油壓力溢流閥1進(jìn)行壓力調(diào)整，并在調(diào)整過程中觀察Spider控制器中1#主泵補油壓力變化情況，在3#主泵調(diào)整補油壓力溢流閥1調(diào)整彈簧過程中，發(fā)現(xiàn)Spider控制器顯示壓力并無明顯變化。懷疑3#主泵補油壓力溢流閥損壞，將此溢流閥拆開后發(fā)現(xiàn)閥套輕微磨損，彈簧等其余部分均正常。為保險起見更換新補油溢流閥，更換新溢流閥后啟動斗輪液壓系統(tǒng)，故障依舊，3#主泵補油壓力也沒有變化。由此斷定，3#主泵補油壓力低報警故障不是由補油壓力溢流閥1引起，3#主泵補油壓力溢流閥并未損壞。

針對3#主泵內(nèi)部集成補油泵是否損壞判斷分兩步進(jìn)行：

（1）檢查沖洗回路回油過濾器。首先拆解沖洗回路過濾器13.073，檢查過濾器濾芯中是否存在雜質(zhì)。將13.073過濾器拆開后肉眼觀察過濾器濾芯，未發(fā)現(xiàn)明顯雜質(zhì)。

（2）用壓力表檢測3#主泵各個測壓點壓力。關(guān)閉主回路A口、B口截止閥，使主回路關(guān)閉。在Spider控制器中就地啟動主泵，并將速度信號通過操作面板按鈕設(shè)置成0，使主泵零排量輸出。用壓力表檢測3#主泵各個測壓點的壓力。測試結(jié)果為：02.166測壓點壓力為2.2 MPa；02.164測壓點壓力為0.8 MPa；19.035測壓點壓力為0.25 MPa；B口壓力02.162測壓點壓力為0.8 MPa；A口壓力02.160測壓點壓力為2.1 MPa。

從以上測壓點測試的壓力情況，經(jīng)過分析可得出如下結(jié)論：①3#主泵集成補油泵能正常工作，并未損壞。3#主泵集成補油泵出口測壓點02.166測試壓力為2.2 MPa，證明此集成補油泵能輸出2.2 MPa壓力油，能正常工作。②分析3#主泵集成補油泵排出液壓油流向。經(jīng)查看主泵樣本資料可知355標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的主泵其集成補油泵標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為80 cm3，排量為118 L/min。集成補油泵排出的液壓油并未通過3#主泵補油溢流閥返回油箱，而是通過其他油路返回油箱。

通過分析原理圖可知，R12取料機(jī)斗輪液壓系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，2臺主泵同時向液壓馬達(dá)供油，主泵內(nèi)部集成補油泵相互獨立，補油油路互不聯(lián)通。檢查現(xiàn)場管路，R12取料機(jī)液壓系統(tǒng)2臺液壓主泵由兩進(jìn)兩出4根管路通過閥塊合流成一進(jìn)一出2根管路與馬達(dá)聯(lián)通。在靠近馬達(dá)端A、B兩根管路各安裝1個截止閥。實際上關(guān)閉截止閥后，1#和3#主泵油口并沒有被截止，1#主泵與3#主泵的A口、B口通過泵出口的合流閥塊相互聯(lián)通。3#主泵補油壓力異常故障可能由1#主泵的故障引起。

2臺主泵相互聯(lián)通的地方只有主管路A口、B口在泵出口處的合流閥處聯(lián)通。3#主泵集成補油泵與1#主泵油路聯(lián)通只能通過1#主泵沖洗閥。查閱赫格隆液壓泵樣本資料得知：只有主泵A口、B口壓差>2.2 MPa時，沖洗閥才能動作[4]。從以上壓力測試結(jié)果來看，A口、B口壓差為1.3 MPa，<2.2 MPa。過低的壓差并不能引起1#主泵沖洗閥閥芯換位，只有在1#主泵沖洗閥出現(xiàn)閥芯卡死、閥芯對中彈簧損壞等情況下能導(dǎo)致閥芯不在中位，處于開啟狀態(tài)。

3.3 檢查、拆解1#主泵補油溢流閥及沖洗閥

（1）首先拆解1#主泵補油溢流閥進(jìn)行檢查。1#主泵補油溢流閥拆卸后在補油溢流閥閥套內(nèi)部發(fā)現(xiàn)多塊形狀不規(guī)則的白色塑料塊，最大長度約10 mm，經(jīng)分析此種物質(zhì)為聚四氟乙烯（此種材料在液壓系統(tǒng)中常作為密封材料使用）。補油溢流閥閥套及閥芯狀態(tài)良好。由此可斷定1#主泵補油溢流閥被聚四氟乙烯塊卡死，一直處于打開狀態(tài)。

（2）繼續(xù)拆解檢查1#主泵沖洗閥。1#主泵沖洗閥左側(cè)絲堵拆開后，檢查發(fā)現(xiàn)1#主泵沖洗閥閥芯被卡死不能移動。拆卸右側(cè)絲堵后，抽出沖洗閥閥芯發(fā)現(xiàn)，沖洗閥閥芯密封環(huán)處被大塊聚四氟乙烯卡死，造成1#主泵沖洗閥閥芯卡死在一側(cè)，一直處于打開狀態(tài)。

（3）檢查、分析聚四氟乙烯來源。經(jīng)查看液壓泵、液壓馬達(dá)樣本資料及向廠家咨詢，液壓泵、液壓馬達(dá)內(nèi)部使用材料均未涉及聚四氟乙烯材質(zhì)；檢查液壓管路及郵箱也未發(fā)現(xiàn)使用聚四氟乙烯材料的地方。唯一可能使用聚四氟乙烯材料進(jìn)行密封的位置就是馬達(dá)前端安裝的主管路截止閥。

（4）對A口、B口2根主管路截止閥進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)此截止球閥使用了聚四氟乙烯作為密封材料。A管路截止球閥一側(cè)聚四氟乙烯密封材料已經(jīng)缺失近1/2。

4 解決方案

（1）更換2臺主泵及馬達(dá)。由于1#泵內(nèi)部已經(jīng)被截止閥密封材料聚四氟乙烯污染，且無法斷定1#和3#主泵、馬達(dá)內(nèi)部及管路內(nèi)是否還遺留聚四氟乙烯污染物，小顆粒污染物易堵塞液壓泵、液壓馬達(dá)內(nèi)部節(jié)流孔，造成故障、損壞液壓泵及液壓馬達(dá)。對2臺主泵及液壓馬達(dá)進(jìn)行整體更換。被污染的2臺主泵及液壓馬達(dá)送至專業(yè)檢修廠家進(jìn)行拆解、清洗。

（2）清洗液壓站管路、閥塊。將整個液壓站整體拆至車間，在車間內(nèi)部對液壓站內(nèi)部所有管路、閥塊及2#輔助泵進(jìn)行拆解、清洗。所有管路、閥塊用清洗劑清洗，并用高壓空氣進(jìn)行吹空。清洗完畢的液壓站安裝至R12取料機(jī)原安裝位置。

（3）拆除損壞的截止閥。為防止截止閥繼續(xù)損壞，污染液壓系統(tǒng)，拆除馬達(dá)前端2只截止閥。在未找到截止閥聚四氟乙烯密封損壞原因之前，該截止閥不能進(jìn)行恢復(fù)。

（4）沖洗液壓系統(tǒng)主管路。利用主泵對主管路、馬達(dá)沖洗管路進(jìn)行沖洗，在2臺主泵A口、B口各接一個5m的高壓過濾器，防止管路內(nèi)的雜質(zhì)進(jìn)入液壓泵內(nèi)，注意過濾器選擇與主泵排量相匹配的過濾器；回油管路安裝一個5m過濾器，預(yù)防污染物由回油管路進(jìn)入油箱；在馬達(dá)入口處將主管路利用閥塊進(jìn)行A口與B口短接，馬達(dá)沖洗管路D口、F口利用閥塊進(jìn)行短接，使主泵排出的液壓油在管路內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)。沖洗時將主泵排量設(shè)置成最大的沖洗時間2 h[3]，總沖洗時間8 h。

（5）斗輪液壓站沖洗完畢后，將液壓管路恢復(fù)原狀。新液壓泵殼體內(nèi)加注滿液壓油后進(jìn)行就地啟動試車，在Spider控制器將速度信號通過操作面板按鈕設(shè)置成0，使主泵零排量輸出。Spider控制器中查看1#主泵、3#主泵補油壓力，均穩(wěn)定在1.5 MPa左右。從遠(yuǎn)程啟動液壓泵及斗輪，各部分運行正常，故障排除。

5 故障還原

5.1 液壓馬達(dá)前端主管路截止閥聚四氟乙烯密封損壞原因分析

在高壓、大流量液壓系統(tǒng)中，液壓管路內(nèi)流體的流速是一個重要參數(shù)，直接影響流體的流動狀態(tài)（不論是層流還是紊流）、能量損失以及管道、閥件對流體的阻力等。為保證液壓系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，流體在管路內(nèi)的流速要盡可能的低，流動狀態(tài)最好處于層流狀態(tài)。查閱油管設(shè)計手冊、教科書中給出了流體在液壓管道流速的推薦值，一般情況下壓力管路流速：當(dāng)壓力p205 MPa時，取流速時，??；p10 MPa 時，取。這里取最大流速為 6 m/s，回油管路最大流速。對于橡膠軟管，允許的最大流速為5.0 m/s[1]。

（1）計算R12取料機(jī)斗輪液壓系統(tǒng)主管路油管流速。

R12斗輪液壓站主泵型號為SP355SR-V-EP，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1485 r/min時主泵最大排量為529 L/min。2臺主泵合流后排量Q=1058 L/min。

從以上計算結(jié)果可知，現(xiàn)有液壓主管路內(nèi)液壓油流速已經(jīng)超出液壓設(shè)計手冊推薦值的62.5%，不符合設(shè)計要求，應(yīng)對液壓主管路進(jìn)行改造，降低主管路內(nèi)液壓油流速。

式中l(wèi)——直管長度，m

v——流速，m/s

d——管路內(nèi)徑，m

從以上計算結(jié)果可知，在取料機(jī)取料過程中沿程壓力損失為1.25 MPa，功率損失為22 kW，損失較大。此部分損失功率全部轉(zhuǎn)換為熱能進(jìn)入系統(tǒng)。在夏季易造成液壓系統(tǒng)油溫異常升高，造成高溫停機(jī)，且液壓油溫度過高使液壓油潤滑性能下降，增加液壓泵、馬達(dá)磨損；加速密封件、液壓油老化，增加運行成本。

5.2 R12取料機(jī)Spider控制器3#主泵補油壓力低報警分析

3#主泵集成補油泵正常情況下油路流向為：集成補油泵寅控制制壓力溢流閥4背壓單向閥補油溢流閥13#泵回油過濾器9散熱器油箱。主泵在0排量的狀態(tài)下，19.035測壓點壓力應(yīng)為1.5 MPa左右。由于1#主泵補油溢流閥1和沖洗閥同時被卡死，1#主泵沖洗閥不能在對中彈簧的作用下對中，處于常開狀態(tài)。此時3#主泵集成補油泵的油路流向為：3#主泵集成補油泵3#主泵控制壓力溢流閥43#主泵B口沖洗單向閥B口合流閥塊1#主泵沖洗閥1#主泵補油溢流閥11#主泵回油過濾器9散熱器油箱。3#主泵集成補油泵排除的液壓油全部通過1#主泵補油溢流閥流回油箱，造成1#主泵補油溢流閥1處無壓力。

雖然1#主泵補油溢流閥1被聚四氟乙烯密封材料卡死，由于1#和3#主泵集成補油泵排除的液壓油同時通過1#主泵補油溢流閥1返回油箱，至使通過1#主泵補油溢流閥1的流量增加1倍，形成1.3 MPa左右的壓差。此種原因造成Spider控制器報警為3#主泵補油壓力低的假象。

6 存在問題及整改方案

6.1 R12取料機(jī)斗輪液壓系統(tǒng)存在問題

（1）R12取料機(jī)斗輪液壓系統(tǒng)主管路設(shè)計不合理。2臺液壓泵A口、B口合流后，一進(jìn)一出2根主管路導(dǎo)致主管路液壓油流速過高，損壞截止閥聚四氟乙烯密封，造成較大沿程壓力損失及系統(tǒng)發(fā)熱，易造成系統(tǒng)振動、降低液壓油、泵、馬達(dá)使用壽命。

（2）主管路截止閥安裝位置不合理。主管路截止閥安裝在馬達(dá)前端，且截止閥操作手柄并未水平安裝。在關(guān)閉截止閥時，造成1#主泵A口、B口油口通過合流閥塊相互聯(lián)通，不能形成相互獨立的單元，對故障判斷影響較大?，F(xiàn)場安裝造成截止閥操作手柄傾斜安裝，截止閥操作手柄在振動、重力綜合作用下容易帶動閥芯旋轉(zhuǎn)，造成截止閥處于半開狀態(tài)。

（3）主管路截止閥無狀態(tài)監(jiān)測裝置。主管路截止閥手柄在振動、重力作用下處于半開狀態(tài)時，而不能及時發(fā)現(xiàn)。主管路截止閥處于半開狀態(tài)使主管路液阻增大、損壞截止閥、污染液壓系統(tǒng)；且主管路液阻增大造成較大的液壓泵功率損失，不利于節(jié)能環(huán)保。

6.2 整改方案

（1）重新設(shè)計液壓系統(tǒng)主管路，降低主管路內(nèi)液壓油流速。根據(jù)上述計算結(jié)果，再增加2根相同規(guī)格液壓主管路，使主管路為兩進(jìn)兩出，規(guī)格為606的液壓管，液壓油流速可降低50%達(dá)到4.875 m/s，完全符合設(shè)計手冊相關(guān)要求。

（2）改造液壓系統(tǒng)主管路截止閥位置。將主管路截止閥安裝在液壓泵出口和流閥塊之前。每臺泵A口、B口應(yīng)分別設(shè)計安裝一只截止閥，在關(guān)閉截止閥的狀態(tài)下1#和3#主泵油路互相截止，形成相互獨立的液壓單元，互不影響有助于故障判斷。

（3）主管路截止閥應(yīng)水平安裝，設(shè)計安裝截止閥開、關(guān)狀態(tài)監(jiān)測開關(guān)，時刻監(jiān)控截止閥開、關(guān)狀態(tài)，避免截止閥處于半開狀態(tài)而不能及時發(fā)現(xiàn)。并對截止閥操作手柄進(jìn)行改造，設(shè)計自鎖裝置，避免手柄在震動等不可控外力的作用下自動變位。

7 結(jié)語

以R12取料機(jī)斗輪雙泵供油、閉式液壓系統(tǒng)的典型故障為切入點，進(jìn)而對R12取料機(jī)斗輪液壓系統(tǒng)整體進(jìn)行深入分析，找出此液壓系統(tǒng)在設(shè)計、現(xiàn)場安裝、管路設(shè)計鋪設(shè)等方面存在的不足，并提出解決方案。為相似系統(tǒng)設(shè)計、管路鋪設(shè)、現(xiàn)場改造等方面提供借鑒意義。