温度变化引起水利水电工程液压启闭机故障分析

郑 莉,耿红磊,古小七

(水利部水工金属结构质量检验测试中心,河南 郑州 450044)

温度变化引起水利水电工程液压启闭机故障分析

郑 莉,耿红磊,古小七

(水利部水工金属结构质量检验测试中心,河南 郑州 450044)

文中通过介绍两个水利水电工程液压启闭机故障的实例,分析了受环境温度影响液压启闭机产生故障的原因,并提出了故障的解决方法及避免出现类似问题的建议.

液压启闭机;故障分析;温度变化;建议

1 概述

2015年4月,参加华北某水库的输水洞液压启闭机故障分析会,故障主要表现在液压启闭机支铰座、机架的连接螺栓断裂及液压缸活塞杆弯曲;2016年6月,参加河南省某水库输水洞液压启闭机故障分析会,故障主要表现在液压启闭机液压缸活塞杆弯曲.

2 故障介绍及初步分析

华北某水库的输水洞液压启闭机于2014年10月份安装调试完毕,最后启动液压启闭机是2015年1月17日,是华北地区最冷的时候.在2015年3月30日,发现液压缸支铰座与机架连接螺栓断一个,两个螺栓脱丝,螺母退出,支铰座与机架脱离,油缸支铰座中的轴承从支铰座中脱离出来,液压缸活塞杆弯曲,而2015年3月30日,又是华北地区温度比较高的时间.通过对输水洞液压启闭机图纸审查及现场启闭机初步故障排查,此次故障非运行操作失误,初步分析为温度变化和制造安装质量引起的故障.

2016年6月,河南省某水库输水洞液压启闭机出现活塞杆弯曲故障.通过察看现场和与有关人员进行沟通交流,发现液压启闭机的两个截止阀处于关闭状态,活塞杆处于伸出状态,闸门底止水部分漏水严重.该输水洞液压启闭机最后一次运行是两星期前进行的,工作人员将启闭机操作到位以后,并将两个截止阀关闭,此时环境温度逐步升高且昼夜温差较大.初步分析该输水洞液压启闭机出现活塞杆弯曲故障的原因为温度变化和工作人员操作不当造成的.

3 气温变化引起液压启闭机故障分析

通过对两个工程液压启闭机故障的初步分析,温度变化是引起故障的前提条件,因此以此为着手点将产生故障的原因分析如下:华北某水库的输水洞液压启闭机最后一次运行是2015年1月17日,是华北地区最冷的时候.液压启闭机的状态是活塞杆伸出,闸门处于完全关闭状态.根据液压油的温度特性,此时,液压缸无杆腔中的液压油体积处于最小状态,随着时间的推移和气温不断提高,液压缸无杆腔中的液压油体积逐步增加,假设启闭机无杆腔液压油的初始体积为V0,热膨胀系数为α,那么当温度升高△t时,其无杆腔液压油体积变化值△Vb为:

液压油体积的增加直接导致液压油给活塞杆一个向下的力,使活塞杆继续移动,假设无杆腔活塞作用面积为S,那么当无杆腔液压油体积变化值△Vb时,活塞杆的位移量L为:

由公式(1)、(2)可以看出,若此时活塞杆处于自由状态的话,活塞杆的位移量为L,但是由于闸门已经下降到底坎位置,活塞杆不能移动.同时由于液压油体积的增加,而实际液压缸的活塞杆是不运动的,所以温度变化导致液压启闭机液压系统压力在变化.启闭机无杆腔液压油的初始体积为V0,那么当温度升高△t时,其无杆腔液压油体积膨胀值为△Vb,但是由于活塞杆不能移动即无杆腔的体积没有发生变化,那么相当于液压油的体积被压缩了△Vb,液压油压缩系数为 β,那么因为体积压缩而产生的压力变化值△P为:

将公式(1)中的△Vb代入公式(3)中可得,温度变化与压力之间的关系为:

所以液压启闭机当活塞杆位置锁定时,油缸内的压力随温度升高而升高.所以为了液压启闭机的安全运行,在油缸系统中设置了安全阀,该安全阀的主要作用是:当油缸的某腔压力超过安全阀设定的压力时,安全阀打开进行卸油减压,保证系统中的零部件进行安全运行.理论上讲,随着气温的不断升高,液压系统压力不断增加,液压缸支铰座与机架连接螺栓受的拉力也不断增加,当液压系统压力增加到液压缸安全阀设定的压力值时,安全阀打开溢流,液压缸无杆腔中的液压油回到油箱中,液压系统压力下降,从而对液压启闭机及其连接部件起到保护作用.

华北该水库输水洞液压启闭机出现以上故障,从现场情况分析看温度变化是引起故障的前提条件,但是该液压启闭机配备有安全阀,且安全阀是可以正常运行的.通过现场对故障仔细排查发现,液压缸支铰座与机架连接螺栓不符合设计要求,设计要求连接螺栓强度等级为12.8级,而实际连接螺栓有的强度等级为8.8级,有的连接螺栓没有标注强度等级.众所周知,整个设备首先损坏的应该是其强度最薄弱的零部件,在这台液压启闭机设备中,液压缸支铰座与机架连接螺栓是其薄弱环节(理论上讲不应该成为薄弱环节),当随着气温升高而液压系统压力增加时,连接螺栓所受的拉力也在不断加大,当液压系统压力还没有升到液压缸安全阀设定的压力值时,出现连接螺栓断裂现象(此时连接螺栓与螺母连接的螺纹拉力大于螺栓本身拉力)或出现螺母从螺栓上脱开现象(此时连接螺栓与螺母连接的螺纹拉力小于螺栓本身拉力),最后造成液压缸支铰座与机架脱离开,支铰座中轴承从支铰座中脱离出来,液压缸向一边倾斜,导致液压启闭机故障.另外,不同地区气候偏差较大,所以安全阀压力设定也要因地制宜.

同样依据上述原理,河南省某水库输水洞液压启闭机产生活塞杆弯曲故障的原因,分析如下:发生故障时液压启闭机的状态是活塞杆伸出,闸门处于完全关闭状态.根据液压油的温度特性,此时液压缸无杆腔中的液压油体积处于最小状态,随着时间的推移和气温不断提高,液压缸无杆腔中的液压油体积逐步增加,液压油体积的增加直接导致液压油给活塞杆一个向下的力,根据作用力和反作用力的原理,液压油同时传递到液压缸缸体上一个向上的力,而液压缸缸体受到的向上力会传递到机架、连接螺栓、埋件和基础上.而无杆腔中的液压油压力逐步增大,理论上讲,液压油压力的增加会打开液压缸的无杆腔安全阀,从而保护液压缸不会受到损坏.但事实上是液压缸上下腔通往安全阀油路上的两个截止阀处于关闭状态,导致液压缸无杆腔的压力传不到安全阀上,安全阀无法打开,随着液压缸无杆腔的压力逐步增加,液压油传到活塞杆的压力也随着逐步增加,最终导致液压缸活塞杆出现弯曲现象.

4 建议

根据以上两个工程液压启闭机故障的具体分析,可知温度变化是引起故障的诱因,故障出现的真实原因是安装制造质量和运行操作失误.根据故障分析的结果提出建议如下:

1)液压启闭机制造安装单位在制造安装过程中,一定严格按照制造安装图纸和相关的标准规范的要求进行制造安装,对液压启闭机的各项技术参数进行和各种外购件和标准件进行检查,保证液压启闭机制造安装所使用的各种零部件符合制造安装图纸和标准要求,并对液压启闭机整机进行出厂检测和安装检测.

2)管理运行单位要按照液压启闭机的使用说明书进行操作和管理,编制运行操作规程,对相关的运行管理人员进行培训.且运行管理单位不要随意改变液压启闭机的操作方法,如需改变应征求液压启闭机设计单位和生产厂家的意见或有关专家的意见,避免设备出现不必要的故障和问题,保证水库安全生产设备的正常运行.

[1]许福玲,陈尧明,主编.液压与气压传动[M].第三版.华北:机械工业出版社,2007.5(2011.6重印).

[2]成大先.机械设计手册[单行本液压传动[M].华北:化学工业出版社,2004.

[3]陈启松.液压传动与控制手册[M].上海:上海科学技术出版社,2006.

[4]周椿浩,李龙华.基于CBR的液压启闭机故障诊断方法[J].液压与气动,2012(11):141-143.

[5]姜宽舒,郭建斌,唐泽,等.基于故障树的液压启闭机故障诊断系统[J].机械与电子,2014(5):55-58.

[6]贺小平,席前伟,王海涛.三峡大坝液压启闭机液压系统设计分析及故障诊断[J].水电站机电技术,2007,30(6):46-49.

[7]贾军利,栗金钊,胡继民.液压启闭机常见故障分析[J].南水北调与水利科技,2013(b01):177-178.

TV734 < class="emphasis_bold">[文献标识码]B

B

1002-0624(2017)11-0062-03

2017-05-31