5000T壓力機拉伸墊上端蓋螺桿斷裂原因分析及改造

蔣進寧

（東風柳州汽車有限公司，柳州 545000）

引言

東風柳州汽車有限公司2011年從東風杭州汽車有限公司購買了1臺1994年原產德國SMG公司用于汽車縱梁成型的50000kN液壓壓力機。設備電控系統采用西門子S5-PLC進行控制，拉伸墊采用純硬件PID控制。該壓力機機械性能穩定，縱梁成型質量好，設備故障率較低，但拉伸墊上端蓋螺桿容易發生斷裂。自2011年以來，拉伸墊上端蓋螺桿斷故障重復發生，損失液壓油嚴重（平均6桶/次），且每次故障修復時間長。據統計，從2011年至2015年3月4日，共計發生17次故障，故障停機時間約為300分鐘／次，影響著生產效率。因為拉伸墊本身液壓系統存在設計缺陷，所以要對液壓系統徹底改造。但是，停機改造時間長（停機約為45天），將直接導致公司商用車無法進行生產。因此，需要通過其他辦法降低螺桿斷裂風險，同時保證生產。

1 斷裂原因分析

1.1 失效零部件分析

通過圖1、圖2對螺栓進行斷口分析。可見，斷口呈現明顯的拉伸頸縮現象，證明螺桿失效僅受到單一的縱向拉伸斷裂，而沒有受到橫向的剪切力，即主要受到拉伸墊上腔的液壓油壓力。

圖1 斷裂的螺桿

圖2 拉伸墊

1.2 螺桿受力分析

拉伸墊上端蓋共有6個螺桿。經過計算，螺桿可承受的力理論值為30T左右（螺桿參數M16×2、強度10.8級，螺桿可承受力約為5T/顆）。當縱梁成型后拉伸墊上升時，上腔壓力峰值為13Mbar（改造前），受力面積為200cm2，作用于上端蓋的力為26T；加上分布的6顆螺桿的扭緊力偏差，螺桿的總承受壓力低于理論值，處于螺桿疲勞臨界狀態。因此，長時間工作時，螺桿容易斷裂。

1.3 液壓原理分析

當單行程狀態拉伸墊上升時，引起拉伸墊上腔壓力增大的原因有：拉伸墊和滑塊回程共用液壓進油油路，拉伸墊支路未有減壓閥進行減壓。

單行程時，液壓液和滑塊同時上升、同時供油，因此流量大。滑塊越重，液壓泵的出油管路壓力越大，從而拉伸墊支路管路油壓越大，流量大。

拉伸墊供油支路在11個拉伸墊全部上升至上死點時，支路電磁閥才斷電停止供油。但是，拉伸墊不能達到同步到達上死點，因此最后上升到上死點的拉伸墊在到達上死點的瞬間，將受到最大的沖擊力，上腔壓強最大。因此，設備液壓系統存在此部分的設計缺陷。設備原廠家提供了以下解決方案，需要對設備進行電氣、液壓系統改造：

（1）將拉伸墊供油支路增加減壓閥，作用是減小拉伸墊支路流量及壓力；

（2）每個拉伸墊增加位移傳感器，通過位置反饋控制拉伸墊同步上升；

（3）每個拉伸墊上腔增加溢流閥，壓力到達設定值后溢流回油箱。

然而，一旦進行改造，設備停機時間長，改造期間將無法進行縱梁生產。為此，經過大量的實驗及分析，通過優化PLC程序和改進壓力機壓型完成后主滑塊和拉伸墊的動作順序，以彌補設備本身的設計缺陷，使拉伸墊上腔壓力保持在較低的壓力范圍內，保證螺桿不斷裂。

2 改造方案實施

步驟1：修改PLC程序，改變單行程回程時主滑塊和拉伸墊的動作順序，將拉伸墊和主滑塊在完成壓型后同時回程改成滑塊回程到上死點后拉伸墊才進行上升動作，作用是為了可單獨設定拉伸墊回程時主泵流量。

步驟2：修改PLC程序，拉伸墊上升時，減小主泵流量比例閥開度，減小流量，作用是降低拉伸墊上升供油流量。將主泵比例閥設定值從6144降低至1843，流量降低70%，即（6144-1843）/6144=70%，總體流量降低明顯。但是，液壓油對最后上升的液拉伸墊的沖擊力并未明顯降低，仍出現螺桿斷的情況。此時，需進行步驟3和步驟4，才可達到良好效果。

步驟3：修改PLC程序，滑塊回程到上死點時，拉伸墊總供油閥延時0.5s后打開。滑塊回程時延時打開，可降低打開瞬間對液壓閥充油時的沖擊力，瞬間壓力平緩上升，無沖擊。

步驟4：修改PLC程序，對拉伸墊上升時供油油量實行動態3級逐步減小，如表1所示。

表1 動態流量控制方法及效果

3 改造后效果

通過以上PLC程序優化，雖然生產效率有所降低，但是拉伸墊上升后，上腔壓力最大值控制在5Mbar以下，改造后拉伸墊未發生過螺桿斷裂，解決了多年來難以解決的問題，且在不改動設備任何機械液壓油路的情況下，保證了機床的穩定性，零成本解決了問題，節約了大量的改造費用和時間。

[1]陸望龍.液壓系統使用與維修手冊[M].北京：化學工業出版社，2010.

[2]廖常初.PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2014.