幾種利用溫度判斷連鑄機液壓系統故障的方法

王訓安，郭 佳，陳國防

（中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018）

0 引言

連鑄機液壓系統是一個比較復雜的系統，包含了大量的液壓元件和輔件。連鑄機的生產環境嘈雜，主機區環境更是高溫、高濕，維護人員無法長時間逗留，不便于液壓系統故障的排查和處理[1-2]。由于液壓元件工作異常時往往伴隨著液壓油溫度的變化，因此可以通過檢測液壓管路和設備溫度的變化來排查故障。

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的主要設備之一，其主要作用是通過夾緊液壓缸控制輥子組的位置對鑄坯起支撐和導向作用，使鑄坯按照既定的軌道前進，并防止鑄坯產生鼓肚變形。每流連鑄機一般由十幾個扇形段組成，每個扇形段由4 個夾緊缸控制。在連鑄機生產過程中，扇形段區域受鑄坯的烘烤，溫度非常高，維護人員無法長時間工作，往往因不能及時發現故障而造成事故停機[3-5]。如果僅僅依靠停機檢修期間進行液壓系統的檢查，由于受時間限制和設備狀態的差異，有些液壓故障不能完全被排查出來。如果能在生產過程中監控到扇形段液壓系統的工作狀況，則可以在一定程度上減少突發事故的發生。

扇形段夾緊缸液壓系統由電磁換向閥、節流閥、同步馬達和安全閥組等組成。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的自鎖，以防止鑄坯產生鼓肚或漏鋼事故。溢流閥2 的作用是減小液壓缸啟停時由于扇形段框架慣性力造成的壓力沖擊，以及當鑄坯厚度發生變化對液壓缸產生反作用力時，防止液壓缸有桿腔壓力過高，起著安全保護作用。溢流閥內部結構如圖2 所示。

圖2 溢流閥結構圖

通常溢流閥的設定壓力比系統壓力高1 MPa 左右，如果溢流閥壓力設定低于系統壓力，則會造成夾緊缸夾緊力不足而影響鑄坯質量甚至發生事故。正常情況下，生產過程中扇形段輥子壓在鑄坯上以后液壓缸不再動作，也就是說管路中的油液保持靜止，管路的溫度應該和環境溫度一致[6-7]。溢流閥產生溢流時會將壓力損失轉化為熱能。因此，在遠離扇形段工作高溫區域的中間管路上通過手感知和對比進油、回油管路的溫度差異，來判斷是否有溢流閥產生了溢流。如果回油管路溫度高于進油管路溫度，則說明這個扇形段上的溢流閥存在溢流的問題。造成溢流閥溢流的原因有多種，可能是溢流閥設定壓力低于系統壓力，也可能是溢流閥的密封面被固體污染物卡阻，導致密封不嚴[9-10]。維護人員應該將溢流閥重新進行調節或者將溢流閥調節螺桿調松，對溢流閥進行沖洗，然后再將調節螺桿調至合適的位置。若以上控制方法均無效果時，則應對溢流閥進行維修更換。

2 根據柱塞泵殼體溫度判斷柱塞泵工作狀態

柱塞泵由于其具有輸出壓力高、自潤滑性好、使用壽命長、工作效率高等優點，在連鑄機液壓動力系統中得到大量的應用。柱塞泵是液壓系統的心臟，柱塞泵工作狀態的好壞直接影響著整個液壓系統的穩定與否[11-13]。而連鑄機由于其工藝對生產持續性的要求高，因此液壓系統壓力的穩定性和可靠性顯得尤為重要。

連鑄機的柱塞泵動力系統工作原理如圖3 所示。

圖3 柱塞泵動力系統

柱塞泵在電機M驅動下，通過吸油口S 將油液從油箱吸入，通過出油口P 將高壓油輸出到液壓系統中。柱塞泵內部泄油通過L 口回油箱。溢流閥起超壓安全保護作用，設定值比系統工作壓力高約1 MPa。當系統出現壓力波動時，溢流閥卸壓并通過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。在電機的驅動下，柱塞和缸體繞傳動軸旋轉，由于斜盤的限制，柱塞在缸體內往復運動，從而通過配流盤實現吸油和排油。柱塞泵內部結構簡圖如圖4 所示。

圖4 柱塞泵內部結構簡圖

由于柱塞泵各運動部件之間存在間隙，在高低壓轉換的過程中必然存在內泄，也就必然存在功率損耗。而這些損耗的功率幾乎都轉化為了熱能。單個柱塞的泄漏量Q泄可以由環形縫隙中軸向流動的流量公式（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度；v 為柱塞的運動速度；Δp 為環形縫隙出入口的壓差。

由于柱塞的內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，柱塞泵的內泄和發熱會急劇增加。

柱塞泵在正常工作狀態下，潤滑良好，內泄量小，殼體的溫度應和室溫接近或略高于室溫。維護人員可以通過用手摸的方式感知柱塞泵殼體的溫度，當殼體溫度明顯高于室溫和油溫時，則說明柱塞泵工作狀態異常。如果是較新的液壓泵，有可能是液壓泵內部有相對運動的零部件安裝間隙過小，導致摩擦嚴重而發熱。如果是使用年限較長的舊泵，則可能是內部配合面磨損嚴重，間隙較大，內泄增加。根據不同的情況應對液壓泵及時進行維修或更換。

3 根據進、出水管和油管溫度判斷冷卻器的冷卻效果

液壓油溫度過高會導致油液變質，加速液壓件密封圈老化，增加泄漏風險。連鑄機液壓站內一般配有水冷式冷卻器對液壓油進行冷卻，使液壓油保持在合適的工作溫度[14]。水冷卻系統工作原理如圖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。高溫液壓油經單向閥5 進入冷卻器內部，當溫度傳感器檢測到系統油溫達到上限時，電磁水閥1 得電打開，冷卻水經電磁水閥進入冷卻器，高溫的液壓油和低溫的冷卻水在冷卻器內經過換熱片進行熱交換，從而達到對液壓油冷卻的目的。在需要更換冷卻器時，打開閥門3-5，關閉閥門3-3 和3-4，保證油路通暢。過濾器2 可以對冷卻水進行過濾，以防止電磁水閥和冷卻器堵塞。

當液壓系統溫度持續高溫時，維護人員可以通過用手感覺冷卻器進、出水口管道和進、出油口管道的溫度來判斷冷卻器的冷卻效果，從而判斷故障原因。

如果進水口管道和出水口管道溫差不大，說明冷卻器內水流速較快，供水充足。此時應檢查閥門3-5是否完全關閉，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冷卻器。在檢查閥門狀態無誤的情況下，則有可能是冷卻器長期使用內部結垢或熱交換面積過小等原因造成換熱效果不好，應及時對冷卻器進行維修或更換。

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

4 根據油箱溫度判斷磁翻板液位計是否正常工作

液壓系統在工作過程中，油箱內油液應保持在一個合適的液位，以利于油液中的氣泡分離上浮、雜質沉淀、散熱等[15]。同時，油箱內液位過低會造成液壓泵吸空甚至損壞，從而導致整個液壓系統故障。

為了實現對油箱液位的遠程監控，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。液位計由磁性浮子、檢測桿、磁翻板和檢測標尺等組成，如圖6 所示。磁性浮子安裝于和油箱連通的管道內，當油箱內液位變化時，磁性浮子在油液浮力的作用下隨液位升降，并不斷觸發檢測桿中的磁簧開關，使得傳感器的總電阻發生變化，該信號被變送器轉換成標準電信號并輸出給遠端控制系統。同時，磁性浮子還會吸附磁翻板，通過顏色的變化指示油箱內的液位。維修人員可以通過現場觀察磁翻板的顏色來確定油箱內液位的高低。

圖6 磁翻板液壓計

當液壓系統工作時，隨著油箱內液位的上升和下降，液壓設備在制造和安裝過程中產生的固體顆粒物會隨著油液進入液位計的管道內，由于磁性浮子和管道內的間隙較小，且浮子具有磁性，容易吸附鐵質金屬顆粒，固體顆粒物進入管道內后會造成浮子卡阻。浮子卡阻后將不再隨著液面升降而上下浮動，從而不能真實反映油箱內的實際液位。如果僅靠液位計判斷油箱內的液位可能會造成誤判，導致事故發生。液壓系統工作過程中，油液溫度通常要高于環境溫度，維修人員通過用手觸摸油箱外壁，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實際液位的高度。通過這個簡單的方法可以判斷液位計內浮子是否正常工作。當液位計顯示的液位與實際液位有明顯偏差時應及時檢查液位計，排除故障。

5 結論

通過溫度判斷液壓系統故障，不需要借助工具，不需要停機，不影響生產，可以方便快捷地診斷出液壓設備故障，從而可以提前防止事故的發生。當液壓系統溫升過高時，可以根據以上經驗，綜合判斷是系統異常發熱量大還是冷卻系統的冷卻能力出了問題，然后針對性地調整和維修相關設備。