橡皮囊壓力機典型故障分析與預防性維護

昌河飛機工業（集團）有限責任公司 江西景德鎮 333002

1 序言

橡皮囊壓力機是一種利用冷軋蓖麻油作為傳壓介質，通過橡皮囊作用于零件的大型囊式液壓設備。橡皮囊成形是一種半模成形法，具有模具簡化、生產周期短、制造費用較低、產品表面質量好及生產效率高等特點。橡皮囊成形還能使材料塑性得以充分發揮，減小零件的回彈量，大幅提高貼模的準確度，是一種先進的成形工藝，尤其適合于成形性能差或高強度材料的成形，如鋁合金、鎂合金、鈦合金、不銹鋼及高強度低合金鋼的成形等。此類設備已廣泛應用于航空、汽車等產業。

2 設備與加工步驟

瑞典進口橡皮囊壓力機結構如圖1所示，采用西門子S7-400PLC，結合軟起動、中間繼電器等電氣元件和液壓元件進行運動控制，自動化程度較高，操作簡單。設備具有左、右兩個矩形工作臺，分別為深壓側及淺壓側，根據所壓模具的高度不同，人工進行選擇性擺放。中間部分為有效工作區，采用圓筒式結構，承壓筒體如圖2所示。

圖1 橡皮囊壓力機結構示意

圖2 承壓筒體

承壓筒體使用合金結構鋼制作而成，外表用連續矩形截面的高強度鋼絲預應力纏繞（把鋼絲預先張拉到規定的應力值，然后將其纏繞到筒體上，提高結構的承載能力），具有很高的靜力強度、沖擊韌性及疲勞極限。設備自動加工一次零件的具體步驟為：①操作人員在工作臺面上擺放好模具及零件后，起動自動循環按鈕，工作臺自動移入筒體并到達指定位置。②液壓系統開始通過管路向安裝在筒體內部的橡皮囊內充油，通過壓力傳感器檢測是否充滿油液。③液壓系統開始加壓，橡皮囊逐漸變形擠壓工作臺表層的橡膠襯墊，擺放在襯墊下方的零件開始貼合模具成形，如圖3所示。④液壓系統增壓，若零件成形要求壓力較高（＞275bar，1bar=1×105Pa，下同），則需要通過增壓器進行增壓，獲得高壓力。⑤液壓系統到達指定壓力后，進行保壓，保壓時間由操作人員設定。⑥液壓系統完成保壓后，開始進行泄壓、橡皮囊抽真空動作，將橡皮囊抽起，防止與工作臺上表層的橡膠襯墊粘連，影響工作臺移動。⑦橡皮囊內真空度達到一定數值后，工作臺自動移出筒體，一次加壓完畢，操作人員取出所壓零件。

圖3 橡皮囊成形工藝

3 設備典型故障案例

3.1 工作臺無法正常移動

工作臺的移動機構是通過雙向定量液壓馬達連接軸、齒輪及鏈條帶動工作臺前進和后退，同軸上裝有編碼器（見圖4紅色圈內蓋板下方）檢測工作臺實時位置。工作臺移動的速度和方向是由主液壓泵輸出壓力結合液壓閥組進行控制，液壓控制原理如圖5所示。

圖4 工作臺移動機構

圖5 工作臺移動液壓控制原理

設備曾出現在起動液壓系統后工作臺自動向一側移動不受控制的現象，經排查后確認為伺服換向閥閥芯因異物卡死，無法回中位，導致起動液壓系統后工作臺無法保持停止狀態，直接向一側運動，更換伺服換向閥后恢復正常。同時，還出現過工作臺在進出筒體時運行緩慢的現象，引起此現象的因素較多，基本可概括為兩大類：一是液壓系統輸出壓力不足，工作臺質量10t以上，正常情況下在移動工作臺時控制系統設定液壓系統的輸出壓力值應達到120bar左右，若液壓系統的輸出壓力過低則可能造成工作臺移動緩慢。二是工作臺本體結構為金屬框，兩側裝有固定側板（由彈簧鋼制作而成），內部有橡膠塊與之連接，如圖6所示。工作臺在進出筒體時與筒體兩側側板有刮蹭，機械部件相互干涉，導致工作臺移動受阻。工作臺在進出筒體時兩側與筒體側板的間距應≥1mm，可在工作臺移動至筒體中間位置時使用塞尺進行間隙測量，如圖7所示。造成干涉的原因有多種，筒體兩邊側板未到位導致間距變小，工作臺側板長期受壓變形，工作臺固定側板上安裝的小彈片斷裂導致工作臺側板回彈力不足未回位，以及破碎的小橡膠塊擠進工作臺側板內側導致工作臺間距變大等原因都可能造成工作臺與筒體側板干涉，從而移動受阻，運行緩慢甚至卡死。

圖6 工作臺

圖7 工作臺與筒體側板間隙測量

3.2 液壓系統無法達到高壓

液壓系統通過單液壓泵一級加壓可達到275bar，通過增壓器二級加壓最高可達到1000bar。設備所使用的增壓器為雙作用增壓器，如圖8所示，中間為低壓腔，兩端為高壓腔（高壓腔體外部有鋼絲纏繞），增壓器活塞在換向閥的控制下執行左右往復運動，持續不斷地輸出高壓油。

設備出現過無法達到高壓力、增壓速率慢的現象，一般引起該現象的主要原因有以下兩種。一是在起動增壓器增壓后，主液壓泵輸出壓力與系統壓力基本成線性關系，目標壓力越高，主液壓泵輸出至增壓器推動活塞的壓力越高。由于主液壓泵內泄或主液壓泵壓力控制閥閥芯磨損等原因，導致主液壓泵輸出壓力較低，增壓速率慢甚至無法達到高壓。二是經長期使用后，增壓器內部密封件老化破裂，如圖9所示，產生內部泄漏，導致系統無法達到高壓。需要注意的是，增壓器是設備的核心部件，在拆解增壓器更換密封件的過程中，需要使用槽鋼、扭力扳手和長拉桿等專用工具，增壓器上的每個緊固螺栓均有扭矩要求，如8根長螺桿上的超級螺栓扭矩要求為385N·m，必須根據扭矩要求進行拆裝，確保安裝質量。

圖8 增壓器

圖9 增壓器內部密封件老化破裂

3.3 液壓管路泄漏

在大型液壓設備中，液壓管路泄漏是常見現象，一般由于管路接頭松動、密封件老化失效引起。該設備在增壓器的充油管路三通連接處及高壓出油管路錐面密封處出現過泄漏現象。增壓器充油管路在三通連接處原采用一種特殊的24°密封圈卡套式密封，如圖10所示。造成泄漏的原因主要是由于管路密封平臺疲勞開裂、密封元件老化失效導致。考慮到密封備件的難采購性以及后期的維護，對此部分液壓管路進行改造，使用材質為E235N的EO精密無縫鋼管加工重新制作充油管路，將三通連接處的密封形式更改為常見的EO-2型卡套密封，改造后效果良好，無泄漏情況。增壓器高壓出油管路（耐壓1200bar）用于連接增壓器兩高壓腔體，結構為U形，密封形式采用60°錐面硬密封，如圖11所示，此處泄漏是由于密封面磨損導致公母接觸面無法完全貼合，曾嘗試研磨錐面修復，但效果不佳，故重新制作高壓管路，密封形式保持不變，但在制作過程中對高壓管路的結構進行了優化，由原來的一體式改造為通過L形轉接塊進行連接，便于后期維修更換。

圖10 充油管路原密封形式

圖11 60°錐面硬密封

3.4 橡皮囊組件損壞泄漏

橡皮囊組件由橡皮囊、密封圈、PU拐角、PU側條及銅拐角等部件組成，如圖12所示，安裝在筒體內部上方，其中橡皮囊、密封圈及PU拐角是易損部件，一旦損壞則需要整體拆卸，再進行部件更換，而易損部件的使用壽命主要取決于設備的平均使用壓力、次數。由于橡皮囊價格昂貴，采購周期長，若發生意外事件造成橡皮囊出現裂痕、穿透性小洞等而又無備件儲備的情況下，可嘗試使用熱硫化的方法進行人工修補，當然修補完成后的橡皮囊不宜再進行高壓力使用。

4 設備預防性維護

根據設備的故障發生及頻次情況，可在平時工作中，從以下方面對設備進行長周期預防性維護工作。

（1）部件的潤滑 定期檢查潤滑泵潤滑脂位置，各電動機定期添加潤滑脂，工作臺側板定期涂抹二硫化鉬潤滑脂，同時應定期檢測工作臺與筒體側板的間隙，防止金屬部件出現不可逆的損傷。

（2）管路接頭、緊固螺栓的檢查 定期對設備的高壓液壓管路接頭以及固定螺栓進行檢查，并按照相應的扭矩要求適當進行緊固。

（3）易損部件的更換 主要針對液壓管路的接頭密封件、增壓器內部密封件及液壓單向閥的內部密封件等。

（4）對操作人員嚴格要求 零件模具應均勻擺放，防止橡皮囊因長期變形不均勻導致其使用壽命縮短。

（5）油液性能的定期檢測和油濾的定期更換 液壓系統能否長期有效地工作，在很大程度上取決于液壓油的性能。油液所含顆粒物較多會卡死閥芯，阻礙正常運行，拉傷液壓泵的定子與轉子的相對運動面、配油盤與缸體的相對運動面，會堵塞元件的阻尼孔、節流口等，產生各種故障。油液的黏度過高會增加系統阻力，造成功率損耗增加，甚至還會造成液壓泵低溫起動困難，黏度過低會增加設備的內、外泄漏，使液壓系統工作壓力不穩定，嚴重時會因潤滑不良造成泵磨損增加的情況，所以保證油液的性能對整個液壓系統的穩定運行十分重要。

（6）備件的儲備 橡皮囊壓力機設備的大多數備件均為特殊定制，采購周期極長，需要做好特殊備件的儲備工作，防止出現因備件問題造成設備長期停機的情況。

5 結束語

橡皮囊壓力機設備作為復雜的大型液壓設備，其故障維修工作內容比較多，工作難度比較大，特別是液壓系統問題，經常需要專業化的技術維修人員去仔細排查故障點，但更重要的是需要做好設備的預防性維護工作，以“治未病”的理念去修理設備，讓設備長期穩定運行才是最終的目標。