取料機斗輪閉式液壓系統故障研究

韓 斌

（神華黃驊港務公司，河北滄州 061113）

0 引言

取料機是用于散料碼頭裝船時使用的大型散料機械，主要由大車行走機構、臂架俯仰機構、斗輪機構、懸皮機構、回轉機構、電氣控制系統及輔助機構等機構組成。其中，斗輪機構包括斗輪及斗輪驅動裝置，斗輪驅動裝置可分為機械傳動和液壓傳動2種形式。黃驊港四期R12斗輪取料機斗輪機構驅動裝置是由赫格隆公司設計生產的整套液壓系統解決方案，由2臺液壓主泵和1臺低速大扭矩液壓馬達組成驅動裝置直接驅動斗輪旋轉。

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

1 故障現象

R12斗輪取料機在啟動之初Spider控制器發出3#主泵補油壓力低報警故障，系統停機。此時主泵電機剛剛運行，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斗輪取料機液壓系統由赫格隆公司設計，采用閉式液壓系統。1#和3#兩臺SP355主泵并聯后同時驅動斗輪處低速大扭矩馬達，2臺泵的供油管路通過設置在泵出口處的集流閥塊合流后向馬達供油。SP355主泵內部集成補油泵標準規格為80 cm3。主泵2個先導溢流閥通過壓力限制防止主泵因壓力過高而損壞，A口側、B口側均分配有溢流閥，通過將高壓油溢流至低壓側來提供保護（圖1中2），此先導溢流閥的調整壓力為39 MPa。圖1中4為控制壓力溢流閥，其調整壓力為3 MPa，主要作用是在系統建立起壓力之前為主泵斜盤控制活塞換向提供一個穩定的壓力油源，保障斜盤控制活塞順利動作。當斜盤擺動完成，主泵系統壓力建立起來之后，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行控制。與此同時，工作壓力的提高將導致控制壓力溢流閥4泄壓，補油泵壓力降至補油壓力溢流閥1設定壓力，油壓力溢流閥1設定壓力為1.5 MPa。補油泵輸出的液壓油用于主泵系統沖洗，置換做完功的高溫液壓油進行冷卻。

圖1 取料機斗輪液壓系統工作原理

2 故障原因分析

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

（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進行壓力調整，并在調整過程中觀察Spider控制器中1#主泵補油壓力變化情況，在3#主泵調整補油壓力溢流閥1調整彈簧過程中，發現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現閥套輕微磨損，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，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#主泵內部集成補油泵是否損壞判斷分兩步進行：

（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。將13.073過濾器拆開后肉眼觀察過濾器濾芯，未發現明顯雜質。

（2）用壓力表檢測3#主泵各個測壓點壓力。關閉主回路A口、B口截止閥，使主回路關閉。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，經過分析可得出如下結論：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。經查看主泵樣本資料可知355標準規格的主泵其集成補油泵標準規格為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取料機斗輪液壓系統為閉式系統，2臺主泵同時向液壓馬達供油，主泵內部集成補油泵相互獨立，補油油路互不聯通。檢查現場管路，R12取料機液壓系統2臺液壓主泵由兩進兩出4根管路通過閥塊合流成一進一出2根管路與馬達聯通。在靠近馬達端A、B兩根管路各安裝1個截止閥。實際上關閉截止閥后，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臺主泵相互聯通的地方只有主管路A口、B口在泵出口處的合流閥處聯通。3#主泵集成補油泵與1#主泵油路聯通只能通過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#主泵沖洗閥出現閥芯卡死、閥芯對中彈簧損壞等情況下能導致閥芯不在中位，處于開啟狀態。

3.3 檢查、拆解1#主泵補油溢流閥及沖洗閥

（1）首先拆解1#主泵補油溢流閥進行檢查。1#主泵補油溢流閥拆卸后在補油溢流閥閥套內部發現多塊形狀不規則的白色塑料塊，最大長度約10 mm，經分析此種物質為聚四氟乙烯（此種材料在液壓系統中常作為密封材料使用）。補油溢流閥閥套及閥芯狀態良好。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。

（2）繼續拆解檢查1#主泵沖洗閥。1#主泵沖洗閥左側絲堵拆開后，檢查發現1#主泵沖洗閥閥芯被卡死不能移動。拆卸右側絲堵后，抽出沖洗閥閥芯發現，沖洗閥閥芯密封環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，一直處于打開狀態。

（3）檢查、分析聚四氟乙烯來源。經查看液壓泵、液壓馬達樣本資料及向廠家咨詢，液壓泵、液壓馬達內部使用材料均未涉及聚四氟乙烯材質；檢查液壓管路及郵箱也未發現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行密封的位置就是馬達前端安裝的主管路截止閥。

（4）對A口、B口2根主管路截止閥進行拆解，發現此截止球閥使用了聚四氟乙烯作為密封材料。A管路截止球閥一側聚四氟乙烯密封材料已經缺失近1/2。

4 解決方案

（1）更換2臺主泵及馬達。由于1#泵內部已經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、馬達內部及管路內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、液壓馬達內部節流孔，造成故障、損壞液壓泵及液壓馬達。對2臺主泵及液壓馬達進行整體更換。被污染的2臺主泵及液壓馬達送至專業檢修廠家進行拆解、清洗。

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

（3）拆除損壞的截止閥。為防止截止閥繼續損壞，污染液壓系統，拆除馬達前端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，該截止閥不能進行恢復。

（4）沖洗液壓系統主管路。利用主泵對主管路、馬達沖洗管路進行沖洗，在2臺主泵A口、B口各接一個5m的高壓過濾器，防止管路內的雜質進入液壓泵內，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，預防污染物由回油管路進入油箱；在馬達入口處將主管路利用閥塊進行A口與B口短接，馬達沖洗管路D口、F口利用閥塊進行短接，使主泵排出的液壓油在管路內部進行循環。沖洗時將主泵排量設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，將液壓管路恢復原狀。新液壓泵殼體內加注滿液壓油后進行就地啟動試車，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，均穩定在1.5 MPa左右。從遠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、大流量液壓系統中，液壓管路內流體的流速是一個重要參數，直接影響流體的流動狀態（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。為保證液壓系統的平穩運行，流體在管路內的流速要盡可能的低，流動狀態最好處于層流狀態。查閱油管設計手冊、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：當壓力p205 MPa時，取流速時，取；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取料機斗輪液壓系統主管路油管流速。

R12斗輪液壓站主泵型號為SP355SR-V-EP，電機轉速為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。

從以上計算結果可知，現有液壓主管路內液壓油流速已經超出液壓設計手冊推薦值的62.5%，不符合設計要求，應對液壓主管路進行改造，降低主管路內液壓油流速。

式中l——直管長度，m

v——流速，m/s

d——管路內徑，m

從以上計算結果可知，在取料機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換為熱能進入系統。在夏季易造成液壓系統油溫異常升高，造成高溫停機，且液壓油溫度過高使液壓油潤滑性能下降，增加液壓泵、馬達磨損；加速密封件、液壓油老化，增加運行成本。

5.2 R12取料機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排量的狀態下，19.035測壓點壓力應為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。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取料機斗輪液壓系統存在問題

（1）R12取料機斗輪液壓系統主管路設計不合理。2臺液壓泵A口、B口合流后，一進一出2根主管路導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發熱，易造成系統振動、降低液壓油、泵、馬達使用壽命。

（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前端，且截止閥操作手柄并未水平安裝。在關閉截止閥時，造成1#主泵A口、B口油口通過合流閥塊相互聯通，不能形成相互獨立的單元，對故障判斷影響較大。現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，造成截止閥處于半開狀態。

（3）主管路截止閥無狀態監測裝置。主管路截止閥手柄在振動、重力作用下處于半開狀態時，而不能及時發現。主管路截止閥處于半開狀態使主管路液阻增大、損壞截止閥、污染液壓系統；且主管路液阻增大造成較大的液壓泵功率損失，不利于節能環保。

6.2 整改方案

（1）重新設計液壓系統主管路，降低主管路內液壓油流速。根據上述計算結果，再增加2根相同規格液壓主管路，使主管路為兩進兩出，規格為606的液壓管，液壓油流速可降低50%達到4.875 m/s，完全符合設計手冊相關要求。

（2）改造液壓系統主管路截止閥位置。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口應分別設計安裝一只截止閥，在關閉截止閥的狀態下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）主管路截止閥應水平安裝，設計安裝截止閥開、關狀態監測開關，時刻監控截止閥開、關狀態，避免截止閥處于半開狀態而不能及時發現。并對截止閥操作手柄進行改造，設計自鎖裝置，避免手柄在震動等不可控外力的作用下自動變位。

7 結語

以R12取料機斗輪雙泵供油、閉式液壓系統的典型故障為切入點，進而對R12取料機斗輪液壓系統整體進行深入分析，找出此液壓系統在設計、現場安裝、管路設計鋪設等方面存在的不足，并提出解決方案。為相似系統設計、管路鋪設、現場改造等方面提供借鑒意義。