幾種利用溫度判斷連鑄機(jī)液壓系統(tǒng)故障的方法

王訓(xùn)安，郭 佳，陳國(guó)防

（中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018）

0 引言

連鑄機(jī)液壓系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，包含了大量的液壓元件和輔件。連鑄機(jī)的生產(chǎn)環(huán)境嘈雜，主機(jī)區(qū)環(huán)境更是高溫、高濕，維護(hù)人員無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間逗留，不便于液壓系統(tǒng)故障的排查和處理[1-2]。由于液壓元件工作異常時(shí)往往伴隨著液壓油溫度的變化，因此可以通過(guò)檢測(cè)液壓管路和設(shè)備溫度的變化來(lái)排查故障。

1 利用管道溫度判斷扇形段夾緊缸溢流閥是否正常工作

扇形段是板坯連鑄機(jī)的主要設(shè)備之一，其主要作用是通過(guò)夾緊液壓缸控制輥?zhàn)咏M的位置對(duì)鑄坯起支撐和導(dǎo)向作用，使鑄坯按照既定的軌道前進(jìn)，并防止鑄坯產(chǎn)生鼓肚變形。每流連鑄機(jī)一般由十幾個(gè)扇形段組成，每個(gè)扇形段由4 個(gè)夾緊缸控制。在連鑄機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，扇形段區(qū)域受鑄坯的烘烤，溫度非常高，維護(hù)人員無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間工作，往往因不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障而造成事故停機(jī)[3-5]。如果僅僅依靠停機(jī)檢修期間進(jìn)行液壓系統(tǒng)的檢查，由于受時(shí)間限制和設(shè)備狀態(tài)的差異，有些液壓故障不能完全被排查出來(lái)。如果能在生產(chǎn)過(guò)程中監(jiān)控到扇形段液壓系統(tǒng)的工作狀況，則可以在一定程度上減少突發(fā)事故的發(fā)生。

扇形段夾緊缸液壓系統(tǒng)由電磁換向閥、節(jié)流閥、同步馬達(dá)和安全閥組等組成。其中安全閥組集成塊直接安裝在夾緊液壓缸上，其工作原理如圖1 所示。

圖1 扇形段安全閥組原理圖

安全閥組中的液控單向閥1 用于扇形段框架夾緊時(shí)的自鎖，以防止鑄坯產(chǎn)生鼓肚或漏鋼事故。溢流閥2 的作用是減小液壓缸啟停時(shí)由于扇形段框架慣性力造成的壓力沖擊，以及當(dāng)鑄坯厚度發(fā)生變化對(duì)液壓缸產(chǎn)生反作用力時(shí)，防止液壓缸有桿腔壓力過(guò)高，起著安全保護(hù)作用。溢流閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 溢流閥結(jié)構(gòu)圖

通常溢流閥的設(shè)定壓力比系統(tǒng)壓力高1 MPa 左右，如果溢流閥壓力設(shè)定低于系統(tǒng)壓力，則會(huì)造成夾緊缸夾緊力不足而影響鑄坯質(zhì)量甚至發(fā)生事故。正常情況下，生產(chǎn)過(guò)程中扇形段輥?zhàn)訅涸阼T坯上以后液壓缸不再動(dòng)作，也就是說(shuō)管路中的油液保持靜止，管路的溫度應(yīng)該和環(huán)境溫度一致[6-7]。溢流閥產(chǎn)生溢流時(shí)會(huì)將壓力損失轉(zhuǎn)化為熱能。因此，在遠(yuǎn)離扇形段工作高溫區(qū)域的中間管路上通過(guò)手感知和對(duì)比進(jìn)油、回油管路的溫度差異，來(lái)判斷是否有溢流閥產(chǎn)生了溢流。如果回油管路溫度高于進(jìn)油管路溫度，則說(shuō)明這個(gè)扇形段上的溢流閥存在溢流的問(wèn)題。造成溢流閥溢流的原因有多種，可能是溢流閥設(shè)定壓力低于系統(tǒng)壓力，也可能是溢流閥的密封面被固體污染物卡阻，導(dǎo)致密封不嚴(yán)[9-10]。維護(hù)人員應(yīng)該將溢流閥重新進(jìn)行調(diào)節(jié)或者將溢流閥調(diào)節(jié)螺桿調(diào)松，對(duì)溢流閥進(jìn)行沖洗，然后再將調(diào)節(jié)螺桿調(diào)至合適的位置。若以上控制方法均無(wú)效果時(shí)，則應(yīng)對(duì)溢流閥進(jìn)行維修更換。

2 根據(jù)柱塞泵殼體溫度判斷柱塞泵工作狀態(tài)

柱塞泵由于其具有輸出壓力高、自潤(rùn)滑性好、使用壽命長(zhǎng)、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，在連鑄機(jī)液壓動(dòng)力系統(tǒng)中得到大量的應(yīng)用。柱塞泵是液壓系統(tǒng)的心臟，柱塞泵工作狀態(tài)的好壞直接影響著整個(gè)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定與否[11-13]。而連鑄機(jī)由于其工藝對(duì)生產(chǎn)持續(xù)性的要求高，因此液壓系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性和可靠性顯得尤為重要。

連鑄機(jī)的柱塞泵動(dòng)力系統(tǒng)工作原理如圖3 所示。

圖3 柱塞泵動(dòng)力系統(tǒng)

柱塞泵在電機(jī)M驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)吸油口S 將油液從油箱吸入，通過(guò)出油口P 將高壓油輸出到液壓系統(tǒng)中。柱塞泵內(nèi)部泄油通過(guò)L 口回油箱。溢流閥起超壓安全保護(hù)作用，設(shè)定值比系統(tǒng)工作壓力高約1 MPa。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)壓力波動(dòng)時(shí)，溢流閥卸壓并通過(guò)T 口將油液送回油箱。

柱塞泵由缸體、柱塞、配流盤和斜盤等組件組成。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，柱塞和缸體繞傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，由于斜盤的限制，柱塞在缸體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而通過(guò)配流盤實(shí)現(xiàn)吸油和排油。柱塞泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4 所示。

圖4 柱塞泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由于柱塞泵各運(yùn)動(dòng)部件之間存在間隙，在高低壓轉(zhuǎn)換的過(guò)程中必然存在內(nèi)泄，也就必然存在功率損耗。而這些損耗的功率幾乎都轉(zhuǎn)化為了熱能。單個(gè)柱塞的泄漏量Q泄可以由環(huán)形縫隙中軸向流動(dòng)的流量公式（1）求得：

式中：d 為柱塞直徑；δ 為柱塞和缸體間的間隙；μ 為液壓油黏度；L 為柱塞和缸體的配合長(zhǎng)度；v 為柱塞的運(yùn)動(dòng)速度；Δp 為環(huán)形縫隙出入口的壓差。

由于柱塞的內(nèi)泄造成的功率損耗由公式（2）求得：

由公式（1）和公式（2）可知，隨著柱塞和缸體的磨損間隙δ 的增大，柱塞泵的內(nèi)泄和發(fā)熱會(huì)急劇增加。

柱塞泵在正常工作狀態(tài)下，潤(rùn)滑良好，內(nèi)泄量小，殼體的溫度應(yīng)和室溫接近或略高于室溫。維護(hù)人員可以通過(guò)用手摸的方式感知柱塞泵殼體的溫度，當(dāng)殼體溫度明顯高于室溫和油溫時(shí)，則說(shuō)明柱塞泵工作狀態(tài)異常。如果是較新的液壓泵，有可能是液壓泵內(nèi)部有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件安裝間隙過(guò)小，導(dǎo)致摩擦嚴(yán)重而發(fā)熱。如果是使用年限較長(zhǎng)的舊泵，則可能是內(nèi)部配合面磨損嚴(yán)重，間隙較大，內(nèi)泄增加。根據(jù)不同的情況應(yīng)對(duì)液壓泵及時(shí)進(jìn)行維修或更換。

3 根據(jù)進(jìn)、出水管和油管溫度判斷冷卻器的冷卻效果

液壓油溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致油液變質(zhì)，加速液壓件密封圈老化，增加泄漏風(fēng)險(xiǎn)。連鑄機(jī)液壓站內(nèi)一般配有水冷式冷卻器對(duì)液壓油進(jìn)行冷卻，使液壓油保持在合適的工作溫度[14]。水冷卻系統(tǒng)工作原理如圖5 所示。

圖5 冷卻器工作原理圖

閥門3-1—3-4 保持常開，閥門3-5 和電磁水閥1 保持常閉。高溫液壓油經(jīng)單向閥5 進(jìn)入冷卻器內(nèi)部，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到系統(tǒng)油溫達(dá)到上限時(shí)，電磁水閥1 得電打開，冷卻水經(jīng)電磁水閥進(jìn)入冷卻器，高溫的液壓油和低溫的冷卻水在冷卻器內(nèi)經(jīng)過(guò)換熱片進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到對(duì)液壓油冷卻的目的。在需要更換冷卻器時(shí)，打開閥門3-5，關(guān)閉閥門3-3 和3-4，保證油路通暢。過(guò)濾器2 可以對(duì)冷卻水進(jìn)行過(guò)濾，以防止電磁水閥和冷卻器堵塞。

當(dāng)液壓系統(tǒng)溫度持續(xù)高溫時(shí)，維護(hù)人員可以通過(guò)用手感覺冷卻器進(jìn)、出水口管道和進(jìn)、出油口管道的溫度來(lái)判斷冷卻器的冷卻效果，從而判斷故障原因。

如果進(jìn)水口管道和出水口管道溫差不大，說(shuō)明冷卻器內(nèi)水流速較快，供水充足。此時(shí)應(yīng)檢查閥門3-5是否完全關(guān)閉，閥門3-3 和3-4 是否完全打開，必須要保證高溫液壓油全部流經(jīng)冷卻器。在檢查閥門狀態(tài)無(wú)誤的情況下，則有可能是冷卻器長(zhǎng)期使用內(nèi)部結(jié)垢或熱交換面積過(guò)小等原因造成換熱效果不好，應(yīng)及時(shí)對(duì)冷卻器進(jìn)行維修或更換。

如果出水口管道溫度明顯高于進(jìn)水口管道溫度，說(shuō)明冷卻器內(nèi)水流速很慢，冷卻水被加熱的時(shí)間長(zhǎng)。此時(shí)應(yīng)檢查進(jìn)、回水管路壓差是否過(guò)低。排除進(jìn)、回水壓力的原因后，則應(yīng)考慮水過(guò)濾器是否堵塞，電磁水閥是否完全打開。排查故障源可以通過(guò)關(guān)閉閥門3-2再快速打開的方法觀察壓力表讀數(shù)變化，如果壓力表讀數(shù)迅速下降，則說(shuō)明管路壓力損失是由水過(guò)濾器造成的，也就是說(shuō)水過(guò)濾器堵塞；如果壓力表讀數(shù)緩慢下降或者保持不變，則說(shuō)明電磁水閥沒有完全打開。查出故障源后對(duì)相應(yīng)的元件進(jìn)行清理或更換。

4 根據(jù)油箱溫度判斷磁翻板液位計(jì)是否正常工作

液壓系統(tǒng)在工作過(guò)程中，油箱內(nèi)油液應(yīng)保持在一個(gè)合適的液位，以利于油液中的氣泡分離上浮、雜質(zhì)沉淀、散熱等[15]。同時(shí)，油箱內(nèi)液位過(guò)低會(huì)造成液壓泵吸空甚至損壞，從而導(dǎo)致整個(gè)液壓系統(tǒng)故障。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)油箱液位的遠(yuǎn)程監(jiān)控，通常在油箱上安裝帶有液位控制器（繼電器控制）的磁翻板液壓位計(jì)。液位計(jì)由磁性浮子、檢測(cè)桿、磁翻板和檢測(cè)標(biāo)尺等組成，如圖6 所示。磁性浮子安裝于和油箱連通的管道內(nèi)，當(dāng)油箱內(nèi)液位變化時(shí)，磁性浮子在油液浮力的作用下隨液位升降，并不斷觸發(fā)檢測(cè)桿中的磁簧開關(guān)，使得傳感器的總電阻發(fā)生變化，該信號(hào)被變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)并輸出給遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)。同時(shí)，磁性浮子還會(huì)吸附磁翻板，通過(guò)顏色的變化指示油箱內(nèi)的液位。維修人員可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察磁翻板的顏色來(lái)確定油箱內(nèi)液位的高低。

圖6 磁翻板液壓計(jì)

當(dāng)液壓系統(tǒng)工作時(shí)，隨著油箱內(nèi)液位的上升和下降，液壓設(shè)備在制造和安裝過(guò)程中產(chǎn)生的固體顆粒物會(huì)隨著油液進(jìn)入液位計(jì)的管道內(nèi)，由于磁性浮子和管道內(nèi)的間隙較小，且浮子具有磁性，容易吸附鐵質(zhì)金屬顆粒，固體顆粒物進(jìn)入管道內(nèi)后會(huì)造成浮子卡阻。浮子卡阻后將不再隨著液面升降而上下浮動(dòng)，從而不能真實(shí)反映油箱內(nèi)的實(shí)際液位。如果僅靠液位計(jì)判斷油箱內(nèi)的液位可能會(huì)造成誤判，導(dǎo)致事故發(fā)生。液壓系統(tǒng)工作過(guò)程中，油液溫度通常要高于環(huán)境溫度，維修人員通過(guò)用手觸摸油箱外壁，可以明顯感覺到下部溫度較高，上部溫度較低，且有明顯的分界線。而高溫和低溫的分界線基本就是油箱內(nèi)實(shí)際液位的高度。通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單的方法可以判斷液位計(jì)內(nèi)浮子是否正常工作。當(dāng)液位計(jì)顯示的液位與實(shí)際液位有明顯偏差時(shí)應(yīng)及時(shí)檢查液位計(jì)，排除故障。

5 結(jié)論

通過(guò)溫度判斷液壓系統(tǒng)故障，不需要借助工具，不需要停機(jī)，不影響生產(chǎn)，可以方便快捷地診斷出液壓設(shè)備故障，從而可以提前防止事故的發(fā)生。當(dāng)液壓系統(tǒng)溫升過(guò)高時(shí)，可以根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)，綜合判斷是系統(tǒng)異常發(fā)熱量大還是冷卻系統(tǒng)的冷卻能力出了問(wèn)題，然后針對(duì)性地調(diào)整和維修相關(guān)設(shè)備。