橡皮囊壓力機典型液壓系統故障分析

江智軒，黃典

昌河飛機工業（集團）有限責任公司 江西景德鎮 333002

1 序言

橡皮囊壓力機設備一般用于鈑金零件的液壓成形，已經廣泛運用于汽車、航空行業[1]。我公司使用的是1臺77000t橡皮囊壓力機，具有左右深壓及淺壓兩個工作臺，最高壓力為1000b a r（1bar=0.1MPa，下同）。自動循環壓一次零件需要按步驟順序執行以下幾個動作：在工作臺面擺放好零件后移動至壓力機筒體內部，液壓系統開始向安裝在筒體內部的橡皮囊內執行充油、加壓、保壓、泄壓和抽真空等動作，抽真空達到一定數值后工作臺移出，一次加壓循環結束。液壓系統作為液壓機設備的核心組成，其穩定性直接關系設備是否正常運行。

2 液壓泵壓力異常故障

2.1 故障現象

橡皮囊壓力機在運行過程中，液壓泵突發出現壓力異常故障，執行任何動作（移動工作臺、充油等）液壓泵輸出壓力均只有不到30bar，如圖1所示，設備無法正常運行。

圖1 主泵異常壓力顯示

2.2 故障原因分析

該設備主液壓泵使用的是軸向變量柱塞泵，控制方式為DRG遙控恒壓模式，通過比例溢流閥V103及調壓閥彈簧力平衡高壓側負載壓力[2]，控制原理如圖2所示。在前期新泵更換調試過程中，按照設備液壓系統的使用要求已將調壓閥的彈簧力調節至30bar左右，故障中主泵的輸出壓力正好為調壓閥的彈簧力，說明控制系統未起到作用。液壓泵運行無異常聲音，首先可以排除泵體本身損壞的可能，初步判斷可能故障原因有以下幾點。

圖2 液壓泵控制原理

1）V103比例溢流閥異常，溢流閥本身損壞或者控制系統沒有輸出控制電壓，導致未起到比例溢流作用。

2）調壓閥狀態異常，控制油沒有辦法到達溢流閥。

2.3 故障處理

1）首先排除V103比例溢流閥故障的可能。通過測量伺服閥接頭電壓，當觸摸屏顯示33%時，使用萬用表測量出3V左右的直流電壓，說明控制系統無異常，同時更換溢流閥進行測試，故障現象依舊。

2）更換調壓閥，主泵輸出壓力正常，確定故障原因是由于調壓閥異常引起。對故障調壓閥進行拆解，如圖3、圖4所示。進一步檢查發現在控制閥芯處有一小孔（通往溢流閥），被結晶蓖麻油堵塞，導致負載側的油液無法流經溢流閥，控制無法起作用。將堵塞小孔的結晶蓖麻油取出，重新安裝閥芯，安裝調壓閥測試無異常，此故障解決。

圖3 調壓閥彈簧

3 抽真空故障

3.1 故障現象

該設備在抽真空階段偶發異常狀態，主液壓泵輸出壓力正常（150bar左右），但“BP425”抽真空壓力傳感器數值一直顯示0.3bar，如圖5所示，無法達到-0.6bar的抽真空要求，長時間后設備出現“Long evacuation time抽真空時間超長”報警，設備無法執行下一步（工作臺移出）步驟，此時關閉主液壓泵重新起動后，設備又能恢復正常使用。

圖5 抽真空階段故障

3.2 故障原因分析

對橡皮囊抽真空工作原理進行分析：在抽真空階段，主液壓泵輸出油液至伺服換向閥，驅動液壓馬達帶動雙向螺桿泵反轉將橡皮囊內剩余油液抽至油箱。真空泵液壓控制原理如圖6所示，V412伺服閥控制壓力及轉動方向，V411減壓閥控制最大壓力，防止壓力過大造成液壓馬達損壞。在抽真空階段初期，PLC系統模擬量輸出模塊輸出6V的電壓至V412伺服閥進行控制，囊內真空度達到-0.4bar以后，隨真空度的提高輸出電壓逐漸降低至2V，保持囊內-0.8～-0.6bar的真空度。當“BP425”壓力傳感器檢測囊內壓力達到-0.6bar以下時，抽真空階段結束，自動循環執行工作臺移出步驟。

圖6 真空泵液壓控制原理

在進一步觀察抽真空系統異常時設備各部件的動作情況后，發現真空泵并沒有轉動，所以才導致真空值無法下降，分析可能原因有以下幾點。

1）V412伺服閥偶發出現卡滯現象，閥芯在中位無法移動。

2）液壓馬達偶發出現卡滯現象，無法轉動。

3）控制系統輸出電壓異常，或控制線路異常。

4）主液壓泵輸出油液未到真空泵液壓馬達，導致真空泵無法轉動。

3.3 故障處理

1）針對V412液壓閥、液壓馬達件自身異常的可能，直接對液壓閥、液壓馬達逐一進行了更換，設備投入運行進行試驗，仍會出現相同情況，排除部件自身的因素。

2）針對控制系統輸出電壓異常的可能，在出現異常狀態的情況下（真空度為+0.3bar，觸摸屏顯示輸出60%，對應6V輸出）檢查伺服閥電壓。通過查找電氣圖樣，使用萬用表直流電壓檔測量X3線排中33、34端子（見圖7），連接伺服閥輸入端電壓為6V，檢查線路無破損，伺服閥接頭良好無松動，排除控制系統異常輸出的可能。

圖7 V412伺服閥輸入電壓測量

3）針對主液壓泵輸出油液未到真空泵液壓馬達的可能，使用壓力測試表檢查液壓馬達測試點壓力值，顯示為0（見圖8），進一步排查發現，主泵輸出油液能否到達真空泵液壓馬達由一個插裝閥進行控制。插裝閥如圖9所示，油路控制如圖10所示，插裝閥未得電打開，導致高壓油液無法進入到液壓馬達內進行驅動。

圖8 液壓馬達壓力數值測試

圖9 電控插裝閥

圖10 油路控制示意

查找電氣圖樣發現，該插裝閥信號由PLC數字量模塊通過中間繼電器輸出24V控制。查看PLC信號狀態，Q3.3（控制插裝閥）顯示正常輸出，但在中間繼電器后端沒有檢測到電壓，故確定中間繼電器損壞（見圖11），更換后試運行（見圖12），設備無異常狀態出現。更換后的中間繼電器輸出模塊是西門子推出的一種基于PLC的全模塊化連接（SIMATIC TOP CONNECT）產品，產品升級后，接線也方便了很多，同時配有LED指示，在任何時刻模塊動作狀態一目了然。

圖11 原中間繼電器

圖12 更換后的中間繼電器模塊

4 泄壓慢故障

4.1 故障現象

橡皮囊壓力機在保壓結束后進入泄壓階段時，泄壓速率異常緩慢，500bar泄壓至5bar需要200s（見圖13），而正常時間為5s內，因此導致整體工作效率降低了60%左右。

圖13 泄壓異常示意

4.2 故障分析

橡皮囊壓力機泄壓工作原理如圖14所示，由閥V332控制閥V164/165進行泄壓。V332是一個二位四通電控液壓閥，用于控制液動單向閥V164、V165的開啟閉合[3]。V331是一個溢流閥，用于超壓泄油保護。BP330則是一個壓力繼電器，當進油壓力高于調定值70bar時，觸點切換，發出一個24V的電信號至PLC的輸入端（見圖15），用于其他邏輯控制或安全保護。

圖14 泄壓工作原理

圖15 BP330信號輸入至PLC

首先設備能夠進行泄壓動作，其次在現場觀察，設備在泄壓階段V332失電，控制信號正常，排除電信號控制異常的可能，其他導致泄壓速率異常可能的原因主要如下。

1）V332電控液壓閥自身異常，或V331溢流閥自身異常，導致輸出至液控單向閥V164/V165的壓力不足。

2）V164/V165液控單向閥異常。

4.3 故障處理

1）針對V332及V331液壓閥異常的可能，在其出油壓力測試點+U.MP334連接壓力測試儀表進行測試，出油壓力為105bar左右無異常，排除控制閥組異常的可能。

2）針對超高壓液控單向閥V164/V165（見圖16），對其進行拆解發現其內部存在大量的異物（見圖17），如斷裂的螺釘、破損的橡膠皮等，均是以往在維修拆解筒內橡皮囊部件時發現卻未找到的異物，影響了單向閥的正常動作。清理后重新安裝此單向閥，設備恢復正常泄壓。

圖16 超高壓液控單向閥

圖17 拆解發現的異物

5 結束語

對于液壓系統的故障排查來說，通常要結合電氣信號排查、系統壓力點測試同步進行，邏輯性非常強，對維修人員的技能水平要求較高，要求能熟練看懂設備圖樣，了解液壓部件的動作特性。同時也能發現液壓系統內存在的異物是導致液壓系統故障出現的高發原因，油液的潔凈度對液壓系統的穩定運行是至關重要的。較為復雜的大型液壓設備可以考慮加裝油液質量在線檢測系統，利用一些先進精密的傳感器實時監控油液黏度、水分和顆粒度等指標，以便及時發現油液劣化趨勢，及時處理，保證液壓系統的穩定運行，減少設備故障率。