閉式液壓系統(tǒng)壓力波動(dòng)故障原因分析及排除

王 海，楊永軍，鄒玉祥，翁秀明

(江蘇省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210012)

某氣化爐裝置采用的閉式液壓系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了壓力波動(dòng)的故障，對(duì)生產(chǎn)線的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了較大的影響。本文將對(duì)故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并提供解決方法。

1 系統(tǒng)組成及工況介紹

液壓系統(tǒng)原理如圖1所示，油源裝置采用國外知名廠家(以下簡(jiǎn)稱泵廠)的恒壓變量柱塞泵，內(nèi)部集成有伺服補(bǔ)油泵、更油閥、更油壓力閥、伺服壓力閥、補(bǔ)油壓力閥等組件，具有技術(shù)成熟、集成化程度高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)[1-2]，在多個(gè)行業(yè)都有應(yīng)用；執(zhí)行元件采用的是低速大扭矩液壓馬達(dá)，具有低速穩(wěn)定、輸出轉(zhuǎn)矩大、可靠性高的特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)氣化爐裝置內(nèi)的主軸旋轉(zhuǎn)，主軸上安裝有刀組，常規(guī)工況下，用以破碎爐內(nèi)搭橋和結(jié)塊的煤渣，極端工況下，需破碎爐內(nèi)掉落的高強(qiáng)度耐火磚。系統(tǒng)按極端工況參數(shù)設(shè)計(jì)。

2 故障現(xiàn)象

系統(tǒng)在交付用戶前進(jìn)行了168 h的連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，各項(xiàng)參數(shù)均滿足既定要求。在試驗(yàn)過程中，系統(tǒng)油液溫度可穩(wěn)定控制在(50±4) ℃，壓力穩(wěn)定，波動(dòng)幅度極小，測(cè)得補(bǔ)油路壓力為2.3 MPa，A油路壓力為3.4 MPa，B油路壓力為2.1 MPa。

在交付用戶連續(xù)運(yùn)行了約15個(gè)月后，出現(xiàn)如下故障：油液溫度較低時(shí)，運(yùn)行正常；油液溫度升到40 ℃后，開始出現(xiàn)持續(xù)性的、周期性的壓力波動(dòng)現(xiàn)象；油液溫度進(jìn)一步升到50 ℃后，壓力波動(dòng)劇烈，連接液壓泵和馬達(dá)的液壓軟管抖動(dòng)明顯，此時(shí)觀測(cè)到補(bǔ)油路壓力在2.4 MPa至3.3 MPa之間波動(dòng)，A油路壓力在3.2 MPa至4.4 MPa之間波動(dòng)，B油路壓力在2.3 MPa至3.4 MPa之間波動(dòng)。

3 故障原因分析

經(jīng)初步分析認(rèn)為，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力波動(dòng)的原因可能有以下3種：1)壓力控制組件出現(xiàn)故障，如閥芯卡滯、運(yùn)動(dòng)不靈活等；2)管路中氣體未能排盡，隨油液在泵—管路—馬達(dá)中循環(huán)，在高壓管路中被壓縮，在低壓管路中膨脹，造成壓力的周期性波動(dòng)；3)補(bǔ)油路壓力值設(shè)定錯(cuò)誤[3]。

針對(duì)可能性1)，采取更換全新壓力控制組件的方法加以驗(yàn)證。將1臺(tái)全新泵上的壓力控制組件拆下進(jìn)行替換，但系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)壓力波動(dòng)現(xiàn)象依舊存在，故障未能排除。

針對(duì)可能性2)，采取對(duì)泵的吸油管路和工作管路充分排氣的方法進(jìn)行驗(yàn)證。首先將伺服補(bǔ)油泵與油箱之間的吸油管路分別松開，盡可能地排除殘存空氣后再連接；然后將主液壓泵和液壓馬達(dá)之間的管路松開，在內(nèi)部灌滿油液后再連接；最后在A油路和B油路的最高位置處分別加裝排氣閥，在系統(tǒng)運(yùn)行后進(jìn)行排氣。完成上述操作后，發(fā)現(xiàn)壓力波動(dòng)現(xiàn)象依舊存在，故障未能排除。

針對(duì)可能性3)，采取調(diào)整補(bǔ)油路壓力值的方法加以驗(yàn)證。根據(jù)泵廠提供的資料和圖1液壓系統(tǒng)原理圖可知，補(bǔ)油路壓力由補(bǔ)油壓力閥和更油壓力閥中調(diào)定值低者控制，補(bǔ)油壓力閥原始設(shè)定值為3.5 MPa，用戶無法自行調(diào)整，而更油壓力閥可由用戶按照所需調(diào)整，因此補(bǔ)油路壓力值即由更油壓力閥調(diào)整。在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，將更油壓力閥的設(shè)定值調(diào)低，觀測(cè)到補(bǔ)油路壓力隨之降低，但壓力波動(dòng)現(xiàn)象依舊存在，繼續(xù)調(diào)低至1.8 MPa時(shí)，觸發(fā)了系統(tǒng)“補(bǔ)油壓力過低”的保護(hù)功能，系統(tǒng)停機(jī)。重新開機(jī)運(yùn)行后，將更油壓力閥的設(shè)定值調(diào)高，當(dāng)調(diào)至3.2 MPa時(shí)，補(bǔ)油路、A油路、B油路的壓力波動(dòng)程度均大幅減小，后繼續(xù)調(diào)高至3.5 MPa時(shí)，壓力波動(dòng)現(xiàn)象完全消失，此時(shí)觀測(cè)到A油路壓力為4.1 MPa，B油路壓力為3.3 MPa。系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)雖然壓力波動(dòng)現(xiàn)象消失了，但是油液溫度卻在40 min內(nèi)上升到了70 ℃，并觸發(fā)了“油液溫度過高”的保護(hù)功能，無法繼續(xù)運(yùn)行。

經(jīng)分析，油液溫度升高的原因是更油壓力閥的設(shè)定值已經(jīng)達(dá)到或超過了補(bǔ)油壓力閥的設(shè)定值，導(dǎo)致伺服補(bǔ)油泵輸出的油液，除少量彌補(bǔ)馬達(dá)、泵的泄漏外[4]，其余未經(jīng)冷卻器冷卻，而是直接通過主液壓泵的泄漏口回到了油箱。因此，上述調(diào)高更油壓力閥設(shè)定值的方法雖然可以消除系統(tǒng)的壓力波動(dòng)，但另外產(chǎn)生了油溫不可控的新問題，表明此方法不可行。

上述3種可能性已通過驗(yàn)證的方法加以排除，為此重新結(jié)合系統(tǒng)的工作模式、工況條件、故障現(xiàn)象以及獲得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)等進(jìn)行系統(tǒng)性研究分析。

從原理圖可見，初始狀態(tài)下，更油壓力閥的閥芯兩端受彈簧力的作用，處于中位。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，閥芯左端受A油路壓力Pa的作用，閥芯右端受B油路壓力Pb的作用，即閥芯由A油路和B油路的壓差ΔP控制。Pa,Pb,ΔP的計(jì)算公式為：

Pa=ΔP馬達(dá)+P補(bǔ)+ΔP黏+ΔP其他

(1)

Pb=P補(bǔ)-ΔP黏-ΔP其他

(2)

ΔP=|Pa-Pb|=ΔP馬達(dá)+ΔP黏+ΔP其他

(3)

式中：ΔP馬達(dá)為馬達(dá)的工作壓差，取決于馬達(dá)的工作負(fù)載，包括主軸與主機(jī)殼體內(nèi)密封填料間的摩擦力矩，以及刀組對(duì)爐內(nèi)搭橋和結(jié)塊煤渣的破碎力矩等；P補(bǔ)為補(bǔ)油路壓力；ΔP黏為油液在流動(dòng)時(shí)因具有黏度而產(chǎn)生的壓力損失；ΔP其他為系統(tǒng)內(nèi)其他各類壓力損失，在工況穩(wěn)定的情況下可視為定值。

當(dāng)ΔP作用在閥芯上的液壓力F小于閥芯受到的彈簧力時(shí)，閥芯處于中位，補(bǔ)油壓力由補(bǔ)油壓力閥設(shè)定，即為3.5 MPa。F的計(jì)算公式為：

F=ΔP×A

(4)

式中：A為閥芯的有效作用面積。

當(dāng)ΔP作用在閥芯上的液壓力F大于閥芯受到的彈簧力時(shí)，閥芯運(yùn)動(dòng)到左位(或右位)，此時(shí)補(bǔ)油路壓力由補(bǔ)油壓力閥和更油壓力閥中調(diào)定值低者控制。為使油液能經(jīng)更油壓力閥后進(jìn)入冷卻器，系統(tǒng)出廠時(shí)將更油壓力閥調(diào)定為2.3 MPa。

若ΔP作用在閥芯上的液壓力與彈簧力非常接近，且還存在一定范圍的波動(dòng)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致閥芯在左位(或右位)和中位之間不斷運(yùn)動(dòng)，造成補(bǔ)油壓力在2.3 MPa至3.5 MPa之間波動(dòng)，并引起A油路壓力和B油路壓力的同步波動(dòng)。為此需對(duì)ΔP組成中的ΔP馬達(dá)和ΔP黏進(jìn)行分析。

ΔP馬達(dá)：馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的主軸與主機(jī)殼體間的密封填料在出廠時(shí)受到的壓緊力較大，因此主軸與填料的相互摩擦力也較大，但在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，填料逐漸磨損，從而使摩擦力減小，馬達(dá)的負(fù)載隨之減小，ΔP馬達(dá)減??；此外，刀組對(duì)煤渣的破碎并不是完全連續(xù)的，當(dāng)煤渣較小無需破碎時(shí)，馬達(dá)的工作負(fù)載很小，ΔP馬達(dá)很小，當(dāng)遇到搭橋或結(jié)塊的煤渣時(shí)，所需破碎力矩較大，馬達(dá)的工作負(fù)載變大，ΔP馬達(dá)隨之增大。

ΔP黏：系統(tǒng)使用的是L-HM46抗磨液壓油，在壓力小于50 MPa時(shí)，油液黏度可認(rèn)為只與溫度有關(guān)。根據(jù)油液的黏溫特性曲線可知，黏度是隨溫度的升高而減小的，即ΔP黏隨溫度的升高而減小。

結(jié)合上述分析可見，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，ΔP是在時(shí)刻變化的，其作用在閥芯上的液壓力也在變化著，這就導(dǎo)致了閥芯在中位和左位(或右位)之間不斷運(yùn)動(dòng)，造成P補(bǔ)在2.3 MPa至3.5 MPa之間不斷波動(dòng)。

4 排除方法

為驗(yàn)證上述分析結(jié)果，在系統(tǒng)的A油路加裝了一只高壓球閥，并以減小球閥開度的方法對(duì)油液進(jìn)行節(jié)流加載[5]，模擬增大馬達(dá)的負(fù)載ΔP馬達(dá)，使ΔP升高了0.5 MPa，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)壓力波動(dòng)現(xiàn)象完全消失。后續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了48 h連續(xù)運(yùn)行測(cè)試，各項(xiàng)參數(shù)均正常，確認(rèn)故障排除。

據(jù)此，將上述方案優(yōu)化如下：

1) 在A油路(或B油路，根據(jù)正常工作時(shí)的油液流向確定)增設(shè)節(jié)流閥，如圖2所示，或增設(shè)單向節(jié)流閥，如圖3所示。通過節(jié)流加載的方式，增大ΔP，確保作用在更油閥閥芯上的液壓力大于其受到的彈簧力。此方法優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行、加裝方便，適用于長(zhǎng)期運(yùn)行于低負(fù)載工況的系統(tǒng)。

圖2 節(jié)流閥

2) 在A油路(或B油路，根據(jù)正常工作時(shí)的油液流向確定)增設(shè)單向順序閥，如圖4所示。該順序閥也可增大ΔP，優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)A油路工作壓力超過順序閥的調(diào)定值時(shí)，油液流經(jīng)該順序閥的壓降小、發(fā)熱量少，特別適用于短期處于低負(fù)載工況的系統(tǒng)。

圖4 單向順序閥

5 結(jié)論

1)對(duì)類似于本系統(tǒng)的特殊工況，在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮重載工況，還應(yīng)考慮能滿足長(zhǎng)期運(yùn)行的輕載工況。

2)在查找故障原因的過程中，必須對(duì)采集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，分析各種可能性，并逐一驗(yàn)證。

3)解決故障的方案可根據(jù)不同的運(yùn)行工況，進(jìn)行合理化選擇。