NUEMAG卷曲機(jī)液壓側(cè)頂裝置氣動(dòng)改造可行性分析

李少山，孫 健，張江海

(中國石油化工股份有限公司天津分公司化工部，天津 300271)

中國石油化工股份有限公司天津分公司(簡稱天津石化)100 kt/a滌綸短纖維裝置NUEMAG卷曲機(jī)由德國NUEMAG公司引進(jìn)，采用NUEMAG公司的工藝包，其卷曲輥直徑為520 mm，采用氣動(dòng)、液壓聯(lián)合控制運(yùn)行模式[1]。其中，氣動(dòng)系統(tǒng)包含2個(gè)功能區(qū)域，分別為主壓功能區(qū)域和背壓功能區(qū)域；液壓系統(tǒng)包含4個(gè)功能區(qū)域，分別為側(cè)頂裝置功能區(qū)域、上刀功能區(qū)域、下刀功能區(qū)域以及刀頭鎖緊功能區(qū)域。在實(shí)際生產(chǎn)中，隸屬于液壓系統(tǒng)的側(cè)頂裝置頻繁發(fā)生故障一直是影響滌綸短纖維生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定的重要因素[2]，為提高設(shè)備持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率，可對(duì)液壓側(cè)頂裝置進(jìn)行改造。作者探討了將NUEMAG卷曲機(jī)側(cè)頂裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由液壓系統(tǒng)改為氣動(dòng)系統(tǒng)的可行性，通過計(jì)算液壓油缸推力，配置合適規(guī)格的氣缸，以達(dá)到維修便捷、長周期穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

1 NUEMAG卷曲機(jī)液壓側(cè)頂裝置簡介

NUEMAG卷曲機(jī)液壓側(cè)頂裝置包括液壓控制系統(tǒng)、2套液壓油缸、2套側(cè)頂桿，其作用是防止進(jìn)入卷曲機(jī)的絲束從卷曲輥兩端的側(cè)面掉落，確保上、下卷曲輥端面沒有縫隙[3]。側(cè)頂桿伸縮動(dòng)作中，伸長時(shí)，由液壓油缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過推力軸承、側(cè)頂桿將動(dòng)力傳送至側(cè)板；回縮時(shí)，通過壓縮彈簧的彈力自行回縮。液壓側(cè)頂裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓側(cè)頂裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of hydraulic side jacking device 1—側(cè)板；2—側(cè)頂外套；3—側(cè)頂桿；4—壓力彈簧；5—推力軸承；6—定位彈簧；7—單向軸承；8—油缸活塞

液壓側(cè)頂裝置單獨(dú)配備液壓站，由液壓站提供執(zhí)行動(dòng)力，通過電磁閥門控制油缸的進(jìn)、回油從而完成側(cè)頂桿伸縮動(dòng)作。液壓站包含多種控制閥門和元件，如：液壓馬達(dá)、儲(chǔ)能器、油路接合器、過濾器、電磁換向閥、溢流閥、雙向單向閥、調(diào)速閥。日常運(yùn)行中，電磁閥及液壓油缸故障頻率高，且故障點(diǎn)不易排查，只能依靠更換備件的方式來解決故障，設(shè)備的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行受到極大阻礙。

2 液壓系統(tǒng)與氣動(dòng)系統(tǒng)的性能對(duì)比

液壓系統(tǒng)是由液壓油作為動(dòng)力介質(zhì)，依靠液壓馬達(dá)提供動(dòng)能并作用在油缸上的動(dòng)力系統(tǒng)。氣動(dòng)系統(tǒng)是由空氣作為動(dòng)力介質(zhì)，依靠空壓機(jī)提供動(dòng)能并作用在氣缸上的動(dòng)力系統(tǒng)。兩者性能對(duì)比見表1[4]。

表1 液壓系統(tǒng)與氣動(dòng)系統(tǒng)的性能對(duì)比Tab.1 Contrast of properties between hydraulic system and pneumatic system

如表1所示，針對(duì)液壓側(cè)頂裝置只是起到壓緊卷曲輥端面的作用，作用單一，因此，可以考慮在保持側(cè)頂裝置推力不變的情況下，將原液壓系統(tǒng)改造為氣動(dòng)系統(tǒng)，使其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單化，達(dá)到減少故障、穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

3 氣動(dòng)改造可行性分析

3.1 液壓油缸推力和氣缸推力理論計(jì)算

為確保氣動(dòng)改造成功，改造前必須對(duì)原液壓油缸推力進(jìn)行計(jì)算，以配置合適型號(hào)的氣缸，滿足正常生產(chǎn)要求。液壓油缸推力計(jì)算見式(1)：

F=P1π(d2-r2)a

(1)

式中：F為油缸推力；P1為側(cè)頂裝置油缸表壓壓力；π為圓周率，3.14；d為油缸半徑；r為活塞桿半徑；a為缸體有效推力系數(shù)。

實(shí)測數(shù)據(jù)如下：P1為11 MPa，d為1.5 cm，r為1.25 cm，a為80%，根據(jù)式(1)可計(jì)算出液壓油缸的F為1 899.7 N。

將液壓油缸改為氣缸后，假設(shè)原液壓油缸推力不變，按照此推力反計(jì)算氣缸直徑，氣缸直徑計(jì)算見式(2)：

(2)

式中：D為氣缸直徑；P2為氣源壓力。

實(shí)測數(shù)據(jù)：P2為0.6 MPa，F(xiàn)為1 899.7 N，a為80%，根據(jù)(2)可計(jì)算出氣缸的D為7.1 cm。因氣缸活塞為全閉式，故無活塞桿半徑值。

通過計(jì)算得知，采用D為7.1 cm的氣缸和液壓油缸產(chǎn)生的推力相當(dāng)。

3.2 氣缸規(guī)格的選擇

由于氣缸為標(biāo)準(zhǔn)元件，為便于日后維修和更換，降低運(yùn)行成本，根據(jù)表2所示標(biāo)準(zhǔn)氣缸的性能參數(shù)，選擇P2為0.6 MPa、D為63 mm的氣缸代替原液壓油缸。

表2 標(biāo)準(zhǔn)氣缸性能參數(shù) Tab.2 Performance parameters of standard cylinder

4 氣動(dòng)改造措施及效果

4.1 實(shí)施方案

(1)現(xiàn)場配置0.6 MPa公用壓縮空氣源；準(zhǔn)備缸徑為63 mm的氣缸；準(zhǔn)備氣路換向閥門及壓縮空氣管線。

(2)拆除原液壓側(cè)頂裝置，封閉液壓側(cè)頂功能；拆卸側(cè)頂桿、油缸及其油路管線。

(3)改造側(cè)頂裝置，拆除壓力彈簧，側(cè)板回縮動(dòng)作由氣缸換向完成，氣缸固定在原油缸位置，固定方式為打孔螺栓固定。

(4)從氣源處引壓縮空氣管線至氣缸，安裝換向閥門，壓縮空氣管線通過換向閥門一分為二，分別接入氣缸的上、下接口；通過手動(dòng)控制換向閥門來控制側(cè)頂桿的伸縮。

4.2 改造效果

為驗(yàn)證實(shí)施方案的可行性，在天津石化100 kt/a滌綸短纖維裝置NUEMAG卷曲機(jī)上進(jìn)行了相應(yīng)的在線運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)周期為180 d。

氣動(dòng)改造后，NUEMAG卷曲機(jī)側(cè)頂裝置運(yùn)行穩(wěn)定，側(cè)板無松動(dòng)，側(cè)頂桿可通過閥門控制實(shí)現(xiàn)伸縮功能，無夾絲等異常情況。氣源由公用工程提供，氣壓穩(wěn)定，消除了以往液壓站提供液壓動(dòng)力的各種故障問題。氣缸運(yùn)行良好，未出現(xiàn)任何問題。對(duì)生產(chǎn)的滌綸短纖維產(chǎn)品進(jìn)行抽檢，絲束卷曲度、超長及倍長指標(biāo)均符合生產(chǎn)工藝控制要求的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 滌綸短纖維絲束質(zhì)量指標(biāo)Tab.3 Quality index of polyester staple tow

另外，實(shí)施氣動(dòng)改造后，可實(shí)現(xiàn)單人單側(cè)更換側(cè)板操作，消除以往兩人操作不同步造成的夾手人身傷害隱患。在線運(yùn)行測試180 d內(nèi)，氣動(dòng)側(cè)頂裝置沒有發(fā)生故障，相比改造前頻繁的故障，減少了備件的損耗，創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

a.NUEMAG卷曲機(jī)側(cè)頂裝置由液壓系統(tǒng)改為氣動(dòng)系統(tǒng)是可行的，依據(jù)設(shè)備使用特性，在保持推力不變的情況下，氣動(dòng)系統(tǒng)可以代替液壓系統(tǒng)。

b.選擇P2為0.6 MPa、D為63 mm的氣缸代替原液壓油缸，對(duì)側(cè)頂裝置原液壓系統(tǒng)實(shí)施氣動(dòng)改造，在天津石化100 kt/a滌綸短纖維裝置NUEMAG卷曲機(jī)上進(jìn)行在線運(yùn)行試驗(yàn)，運(yùn)行穩(wěn)定無故障，生產(chǎn)的滌綸短纖維產(chǎn)品質(zhì)量合格；且減少了備件的損耗，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。