NUEMAG卷曲機液壓側頂裝置氣動改造可行性分析

李少山，孫 健，張江海

(中國石油化工股份有限公司天津分公司化工部，天津 300271)

中國石油化工股份有限公司天津分公司(簡稱天津石化)100 kt/a滌綸短纖維裝置NUEMAG卷曲機由德國NUEMAG公司引進，采用NUEMAG公司的工藝包，其卷曲輥直徑為520 mm，采用氣動、液壓聯合控制運行模式[1]。其中，氣動系統包含2個功能區域，分別為主壓功能區域和背壓功能區域；液壓系統包含4個功能區域，分別為側頂裝置功能區域、上刀功能區域、下刀功能區域以及刀頭鎖緊功能區域。在實際生產中，隸屬于液壓系統的側頂裝置頻繁發生故障一直是影響滌綸短纖維生產連續穩定的重要因素[2]，為提高設備持續運轉率，可對液壓側頂裝置進行改造。作者探討了將NUEMAG卷曲機側頂裝置傳動機構由液壓系統改為氣動系統的可行性，通過計算液壓油缸推力，配置合適規格的氣缸，以達到維修便捷、長周期穩定運行的目的。

1 NUEMAG卷曲機液壓側頂裝置簡介

NUEMAG卷曲機液壓側頂裝置包括液壓控制系統、2套液壓油缸、2套側頂桿，其作用是防止進入卷曲機的絲束從卷曲輥兩端的側面掉落，確保上、下卷曲輥端面沒有縫隙[3]。側頂桿伸縮動作中，伸長時，由液壓油缸作為執行機構，通過推力軸承、側頂桿將動力傳送至側板；回縮時，通過壓縮彈簧的彈力自行回縮。液壓側頂裝置結構如圖1所示。

圖1 液壓側頂裝置結構示意Fig.1 Schematic diagram of hydraulic side jacking device 1—側板；2—側頂外套；3—側頂桿；4—壓力彈簧；5—推力軸承；6—定位彈簧；7—單向軸承；8—油缸活塞

液壓側頂裝置單獨配備液壓站，由液壓站提供執行動力，通過電磁閥門控制油缸的進、回油從而完成側頂桿伸縮動作。液壓站包含多種控制閥門和元件，如：液壓馬達、儲能器、油路接合器、過濾器、電磁換向閥、溢流閥、雙向單向閥、調速閥。日常運行中，電磁閥及液壓油缸故障頻率高，且故障點不易排查，只能依靠更換備件的方式來解決故障，設備的連續穩定運行受到極大阻礙。

2 液壓系統與氣動系統的性能對比

液壓系統是由液壓油作為動力介質，依靠液壓馬達提供動能并作用在油缸上的動力系統。氣動系統是由空氣作為動力介質，依靠空壓機提供動能并作用在氣缸上的動力系統。兩者性能對比見表1[4]。

表1 液壓系統與氣動系統的性能對比Tab.1 Contrast of properties between hydraulic system and pneumatic system

如表1所示，針對液壓側頂裝置只是起到壓緊卷曲輥端面的作用，作用單一，因此，可以考慮在保持側頂裝置推力不變的情況下，將原液壓系統改造為氣動系統，使其動力系統結構簡單化，達到減少故障、穩定運行的目的。

3 氣動改造可行性分析

3.1 液壓油缸推力和氣缸推力理論計算

為確保氣動改造成功，改造前必須對原液壓油缸推力進行計算，以配置合適型號的氣缸，滿足正常生產要求。液壓油缸推力計算見式(1)：

F=P1π(d2-r2)a

(1)

式中：F為油缸推力；P1為側頂裝置油缸表壓壓力；π為圓周率，3.14；d為油缸半徑；r為活塞桿半徑；a為缸體有效推力系數。

實測數據如下：P1為11 MPa，d為1.5 cm，r為1.25 cm，a為80%，根據式(1)可計算出液壓油缸的F為1 899.7 N。

將液壓油缸改為氣缸后，假設原液壓油缸推力不變，按照此推力反計算氣缸直徑，氣缸直徑計算見式(2)：

(2)

式中：D為氣缸直徑；P2為氣源壓力。

實測數據：P2為0.6 MPa，F為1 899.7 N，a為80%，根據(2)可計算出氣缸的D為7.1 cm。因氣缸活塞為全閉式，故無活塞桿半徑值。

通過計算得知，采用D為7.1 cm的氣缸和液壓油缸產生的推力相當。

3.2 氣缸規格的選擇

由于氣缸為標準元件，為便于日后維修和更換，降低運行成本，根據表2所示標準氣缸的性能參數，選擇P2為0.6 MPa、D為63 mm的氣缸代替原液壓油缸。

表2 標準氣缸性能參數 Tab.2 Performance parameters of standard cylinder

4 氣動改造措施及效果

4.1 實施方案

(1)現場配置0.6 MPa公用壓縮空氣源；準備缸徑為63 mm的氣缸；準備氣路換向閥門及壓縮空氣管線。

(2)拆除原液壓側頂裝置，封閉液壓側頂功能；拆卸側頂桿、油缸及其油路管線。

(3)改造側頂裝置，拆除壓力彈簧，側板回縮動作由氣缸換向完成，氣缸固定在原油缸位置，固定方式為打孔螺栓固定。

(4)從氣源處引壓縮空氣管線至氣缸，安裝換向閥門，壓縮空氣管線通過換向閥門一分為二，分別接入氣缸的上、下接口；通過手動控制換向閥門來控制側頂桿的伸縮。

4.2 改造效果

為驗證實施方案的可行性，在天津石化100 kt/a滌綸短纖維裝置NUEMAG卷曲機上進行了相應的在線運行試驗，試驗周期為180 d。

氣動改造后，NUEMAG卷曲機側頂裝置運行穩定，側板無松動，側頂桿可通過閥門控制實現伸縮功能，無夾絲等異常情況。氣源由公用工程提供，氣壓穩定，消除了以往液壓站提供液壓動力的各種故障問題。氣缸運行良好，未出現任何問題。對生產的滌綸短纖維產品進行抽檢，絲束卷曲度、超長及倍長指標均符合生產工藝控制要求的產品質量標準，見表3。

表3 滌綸短纖維絲束質量指標Tab.3 Quality index of polyester staple tow

另外，實施氣動改造后，可實現單人單側更換側板操作，消除以往兩人操作不同步造成的夾手人身傷害隱患。在線運行測試180 d內，氣動側頂裝置沒有發生故障，相比改造前頻繁的故障，減少了備件的損耗，創造了一定的經濟效益。

5 結論

a.NUEMAG卷曲機側頂裝置由液壓系統改為氣動系統是可行的，依據設備使用特性，在保持推力不變的情況下，氣動系統可以代替液壓系統。

b.選擇P2為0.6 MPa、D為63 mm的氣缸代替原液壓油缸，對側頂裝置原液壓系統實施氣動改造，在天津石化100 kt/a滌綸短纖維裝置NUEMAG卷曲機上進行在線運行試驗，運行穩定無故障，生產的滌綸短纖維產品質量合格；且減少了備件的損耗，具有一定的經濟效益。