液壓油溫升造成的液壓故障分析與改進

武寶喜，孫雁利，王 偉，李 恒

（安鋼集團冷軋有限責任公司 設備管理部，河南 安陽455000）

安陽鋼鐵集團1 550 mm冷連軋機組的核心設備VCMS型五機架六輥連軋機，采用全封閉結構生產.軋機在軋制過程中，會產生大量的軋制熱，為給鋼板冷卻，配置乳化液系統，乳化液的供液溫度為48℃～50℃，噴射到鋼板表面后，回液溫度約達到80℃.由于軋制中，軋機各機架間由卷簾門封閉，乳化液霧氣排放不及，造成此處環境溫度居高不下，對軋機區域的設備產生加熱效果，軋制液的溫度變化反應了軋機內設備的溫度變化.

1 液壓油的膨脹性和可壓縮性

作為液壓系統的工作介質，液壓油用來傳遞動力，同時具備膨脹性和可壓縮性.

膨脹性意味著當環境溫度升高時，液壓油膨脹后體積增大.由溫度引起的液壓油的體積變化為：

壓縮性則意味著液壓油在壓力的作用下縮小體積.液體的壓縮性可用體積壓縮系數K［1］表示：

式(1)、式(2)中:

V——溫度會變化的部分工作介質的體積,L；

V0——總的封閉容器的容積,L；

ΔV——溫度升高時液體的體積變化量，L；

Δt——由設備溫度變化，℃；

α——液體膨脹系數,對于一般石油型液壓油，α=（8.5-9.0）×10-4,℃-1；

β——液體的體積彈性模量，β=（1.2～2.0）×103,實際使用的液體由于混入氣泡等原因β值顯著減小，MPa；

ΔP——封閉空間液壓壓力升高值，MPa.

式（2）中，負號表示壓力增大，體積減小，K為正值.

即在一個封閉的空間，有部分的液壓油溫度升高，這部分液壓油體積膨脹，從而導致整個封閉區域的壓力提高.根據式（1）和式（2）推導出，封閉空間下，部分液體溫度升高造成的壓力升高值為：

負號在此處表示液壓油膨脹力的方向為向外.

由式（3）可以看出，在密閉空間的介質，其壓力的增高與介質的彈性模量、體積膨脹系數和溫度的變化有關，也和膨脹的介質在整個密閉空間的比例有關.

2 現象

1 550 mm冷軋機組軋機傳動系統液壓站位于軋機操作側地下室，為整個軋機區非伺服系統外的液壓設備提供動力源.系統壓力16 MPa，介質為46#抗磨液壓油.其中，五機架低壓閥臺位于軋機正下方并順序擺放，所供執行機構有：機架間的導板擺動液壓缸，擋輥升降液壓缸，防纏擋板伸縮液壓缸，工作輥、支承輥鎖緊液壓缸，工作輥、中間輥軌道升降液壓缸，帶鋼壓緊液壓缸，工作輥、支承輥換輥小車推拉液壓缸等.

在試生產過程中，一些回路的壓力異常升高，超過了泵站供油壓力.其中最明顯的是中間輥鎖緊液壓缸升高到19 MPa，工作輥軌道液壓缸最高升高到23 MPa.另外，支承輥換輥缸存在緩慢爬行現象.

后經連續觀察發現，軋機啟動前，各回路顯示的壓力與系統壓力相同，是16 MPa，但是隨著生產的進行，個別回路壓力會不同幅度的持續升高，當連續生產2 h后達到最高值，然后穩定在最高值，且這些回路都帶有雙向液壓鎖，升高的壓力被封閉在液壓鎖和液壓缸之間的管路里，不卸不降.

壓力超限過載對整個液壓系統的穩定性、元器件使用壽命、及液壓油的使用狀態和壽命都有影響，特別是所服務液壓缸的靈敏度和響應速度的滯后，在連續生產的自動控制中，會直接導致停車事故.

3 原因分析

以中間輥鎖緊缸為例：換向閥1.a得電，壓力油從P口到B口，經過液壓鎖，節流閥，進入液壓缸無桿腔，液壓缸伸出；有桿腔油液從節流閥，液壓鎖，換向閥A口，回到T口；可視壓力傳感器檢測液壓缸無桿腔壓力；液壓站系統壓力（P口壓力）為16 MPa.該回路中液壓鎖的作用為：當液壓缸伸出鎖緊中間輥時，封閉無桿腔壓力油容腔，防止液壓油回流，鎖死液壓缸的位置.此時，從閥臺出口油管至液壓缸無桿腔的容積相當于一個封閉的容積空間.中間輥鎖緊缸液壓回路原理如圖1所示.

圖1 中間輥鎖緊液壓缸原理

隨著軋制的進行，封閉容積內的液壓油壓力會持續緩慢的上升，最終保持在19 MPa，比系統壓力高3 MPa.由于在軋制過程中，中間輥鎖緊液壓缸動作到位后不會再動作，此處壓力的升高需考慮溫度對液壓油的影響.

根據乳化液系統進回液溫度的變化可以推斷，機架間設備最終維持溫度在80℃，溫升約為30℃.中間輥鎖緊液壓缸規格為φ80/φ56×60 mm，液壓管道為 φ16×2.5 mm（通徑 φ11 mm），長度約 25 000 mm，代入計算：

液壓缸容積V=π(d/2)2h=301 440 mm3；

總封閉腔容積V0=缸容積+管路容積=2 676 065 mm3；

根據安裝位置看，只有液壓缸內部的油液被加熱.于是V/V0=301 440/2 676 065=0.113；

根據式（3）計算鎖緊液壓缸壓力升高值，α=8.7×10-4℃-1，△P=α×

故，經過高溫加熱，液壓缸無桿腔壓力的理論計算值PB=19.45 MPa.同實際可視壓力傳感器檢測的19 MPa基本一致.

同理，可以計算出工作輥軌道液壓缸的壓力升高值為7.3 MPa，同現場觀測的基本一致.

故在設置液壓鎖進行位置鎖定的液壓回路中，如存在管路較長，鎖定容積內局部油液溫度變化較大的情況，應考慮油液溫度的動態特性對整個回路壓力的影響.

4 解決方案

由于發生此類壓力升高故障的幾處液壓鎖緊機構，在軋機生產過程中，除了軋機震動外不受任何其他力的作用，而且液壓缸全部都是水平安裝方式，綜合當時現場調試的條件，采取的臨時改造方案是將雙向液壓鎖一腔的閥芯掏出，使圖1中液壓鎖右側單向閥失效，不能保壓.并更改電磁閥的得電模式，在生產過程中，電磁鐵1.a始終保持得電，回路持續為液壓缸無桿腔供壓力油，保證鎖緊缸的缸桿不會因為軋機震動而縮回.液壓鎖取消，封閉容腔無法形成，局部溫升引起液體膨脹對回路壓力的影響就不存在了，最終壓力升高的問題得到解決.

在對此事故跟蹤、論證、處理中，對此類設置液壓鎖的保壓回路受到溫度影響，出現的異常壓力升高故障，總結出以下幾種優化改造方案：

（1）取消原來的雙向液壓鎖，改為單向液控單向閥，如工作輥軌道升降系統，在軋機工作時軌道靠自重就能處于安全位置，完全不需要單向閥保持位置，去掉后，壓力自然就不再升高.

（2）在液壓鎖后增加安全閥，當系統壓力超過安全壓力時，自動卸荷，解決溫度升高造成的液壓缸壓力升高問題.

（3）減小液壓缸容積在密閉容積中的比重，即增大中間配管管徑和長度，并使中間配管散熱良好.

（4）在某些確定負載壓力的液壓鎖回路中，可以在單向閥后增加減壓閥，降低壓力過載對系統元器件的影響.

最終改造方案：結合現場閥臺的安裝位置、作業空間以及回路要實現的設備功能，采用優化方案2，在液壓鎖后增加疊加式溢流閥作為安全閥，既保留了回路的保壓功能，又避免了壓力升高事故，徹底改良了軋機區保壓回路的工作原理，改造后，應用效果良好.如圖2所示.

5 結語

綜上所述，在帶有液壓鎖的液壓回路中，必須要結合現場的實際工況，核算環境溫度的動態特性對系統壓力的影響，并根據回路需要實現的功能，在回路設計時，合理選擇相對應的措施，配置合適的元器件.避免發生液體受高溫膨脹后產生的壓力變化，影響系統運行.

圖2 改造后的液壓缸原理