某帶卷運輸步進梁升降液壓缸損壞分析

李 冬

（河北鋼鐵集團邯鋼公司連鑄連軋廠，河北 邯鄲056015）

1 故障現象描述

某軋鋼廠連桿式帶卷運輸步進梁升降采用電液換向閥控制，液壓缸驅動連桿升降步進梁。液壓系統原理圖如圖1所示。電液換向閥C型號為：4WEH22J-7X/6EG24N9KE/B08 P4，5，電磁鐵a得電步進梁下降，電磁鐵b得電步進梁上升。該步進梁所屬液壓系統泵站共有4臺A4VSO180液壓泵，開4備1，系統壓力為12 MPa。步進梁的移動橫梁空載質量約為15 t，最大滿載質量約為182 t。步進梁升降液壓缸規格參數為 φ300/200×485（缸徑/桿徑×行程），壓力等級 16 MPa。

圖1 步進梁升降液壓系統原理圖

該步進梁自投產以來，頻繁發生升降液壓缸缸頭壓蓋螺栓斷裂，壓蓋及導向套崩出的現象。更換新升降液壓缸使用不到2個月，相同故障再次出現，嚴重制約生產。液壓缸故障現象圖解見圖2[1]。

圖2 液壓缸故障現象圖解

2 故障原因分析

2.1 原因分析

步進梁上升到位，電液換向閥電磁鐵b立即失電，閥口瞬間關閉。由于步進梁質量較大，使得閥口關閉后步進梁在巨大的慣性作用下仍有上升趨勢。短時間內，液壓缸有桿腔及管路內的油液被急劇壓縮，造成有桿腔內壓力迅速升高。經現場壓力實測，步進梁上升到位后液壓缸有桿腔壓力可達17 MPa，有時甚至更高。而液壓缸壓力等級為16 MPa，超過其承壓范圍是造成液壓缸損壞的直接原因。

2.2 受力計算

根據圖2所示，升降液壓缸損壞時，缸內壓力作用在導向套上，導向套與壓蓋將力傳遞給壓蓋螺栓，壓蓋螺栓受力后斷裂造成壓蓋及導向套崩出，液壓缸損壞。

導向套承壓面為圓環形，內徑d為200 mm、外徑D為240 mm（說明：內徑、外徑均為名義直徑，此處不計公差）。液壓缸缸頭內孔直徑D1為220 mm。導向套的實際承壓面積是液壓缸活塞桿與缸頭內孔中間的環形部分，具體為：

步進梁上升到位后液壓缸內困油壓力按17 MPa計算，那么導向套實際受力：

也就是說，在步進梁上升慣性作用下，缸頭壓蓋螺栓承受的沖擊載荷為112.15 kN，有時甚至更大。壓蓋螺栓為6支8.8級M8的內六角螺栓，單支螺栓的保證載荷為21 200 N[2]，壓蓋螺栓總保證載荷為127.2 kN。

在步進梁運行過程中，壓蓋螺栓所受沖擊載荷112.15 kN接近總保證載荷，并且頻繁發生，導致壓蓋螺栓疲勞斷裂。最終造成了步進梁升降液壓缸的損壞。

由于升降液壓缸更換困難，每次壓蓋、導向套崩出后只能將其復位后繼續使用。

3 解決方法

根據步進梁升降液壓缸的損壞原理可以從以下幾方面著手解決。

3.1 提高升降液壓缸耐壓等級

使用壓力等級為25 MPa的升降液壓缸。液壓缸的壓力等級遠高于17 MPa，可完全避免液壓缸損壞。由于現場安裝空間等因素限制，無法使用壓力等級為25 MPa的升降液壓缸。

3.2 降低步進梁上升的慣性

采用電液比例換向閥控制步進梁升降。使用電液比例換向閥能實現步進梁上升由工進到慢進的轉換，能有效降低步進梁上升的慣性。由于現場條件限制，改為比例控制短期內難以實現。

3.3 液壓系統改造

在使用高壓力等級的液壓缸以及改為比例控制難以實現的情況下，考慮對現有步進梁升降系統進行改造。

根據原理圖（圖1），步進梁上升后釋放有桿腔壓力不會導致步進梁高度位置的變化。如果能夠及時降低升降液壓缸及管路中由于上升慣性升高的壓力，便能達到保護升降液壓缸的目的。因此，可采用給有桿腔一側加裝溢流閥的方法，限制有桿腔最高壓力，保護升降液壓缸。將溢流閥塊安裝在節流閥與主閥塊之間，改進后的液壓系統原理圖如圖3（a）所示。選用的插裝溢流閥型號為：DBDS10K18/200，調定壓力15 MPa。依據換向閥安裝底板[3]，設計并制作了一個插裝溢流閥閥塊，如圖3（b）所示。改進后的步進梁升降控制閥組如圖4所示。

圖3 改進后的步進梁升降液壓系統原理圖

圖4 改進后的步進梁升降控制閥組外形

當步進梁由于上升慣性導致升降液壓缸有桿腔壓力超過15 MPa時溢流閥開啟，B口與T口連通，使升降液壓缸有桿腔及管路中的液壓油能夠及時卸壓，將液壓缸有桿腔壓力控制在15 MPa以內。

改造完成后，步進梁上升到位后液壓缸內困油壓力按15 MPa計算，那么導向套實際受力為：

為進一步降低液壓缸缸頭崩出的風險，將液壓缸缸頭壓蓋螺栓更換成為6支8.8級M10的內六角螺栓，單支螺栓的保證載荷為33 700 N[2]，壓蓋螺栓總保證載荷為202.2 kN。改造完成后，步進梁壓蓋螺栓的總保證載荷遠大于導向套實際受力，為其兩倍左右，有效地避免了升降液壓缸壓蓋崩出的故障。

4 結束語

步進梁液壓系統改進完成后，未發生一起升降液壓缸壓蓋崩出的故障，運行情況良好。采用溢流閥的卸壓保護回路應合理調整溢流閥的設定壓力，以免出現步進梁上下震蕩的情況，并經現場實測確認。步進梁等大質量設備的液壓回路應盡可能采用比例控制，避免由于設備自身慣性對液壓系統產生不良影響。