鄭 莉,耿紅磊,古小七

(水利部水工金屬結(jié)構質(zhì)量檢驗測試中心,河南 鄭州 450044)

溫度變化引起水利水電工程液壓啟閉機故障分析

鄭 莉,耿紅磊,古小七

(水利部水工金屬結(jié)構質(zhì)量檢驗測試中心,河南 鄭州 450044)

文中通過介紹兩個水利水電工程液壓啟閉機故障的實例,分析了受環(huán)境溫度影響液壓啟閉機產(chǎn)生故障的原因,并提出了故障的解決方法及避免出現(xiàn)類似問題的建議.

液壓啟閉機;故障分析;溫度變化;建議

1 概述

2015年4月,參加華北某水庫的輸水洞液壓啟閉機故障分析會,故障主要表現(xiàn)在液壓啟閉機支鉸座、機架的連接螺栓斷裂及液壓缸活塞桿彎曲;2016年6月,參加河南省某水庫輸水洞液壓啟閉機故障分析會,故障主要表現(xiàn)在液壓啟閉機液壓缸活塞桿彎曲.

2 故障介紹及初步分析

華北某水庫的輸水洞液壓啟閉機于2014年10月份安裝調(diào)試完畢,最后啟動液壓啟閉機是2015年1月17日,是華北地區(qū)最冷的時候.在2015年3月30日,發(fā)現(xiàn)液壓缸支鉸座與機架連接螺栓斷一個,兩個螺栓脫絲,螺母退出,支鉸座與機架脫離,油缸支鉸座中的軸承從支鉸座中脫離出來,液壓缸活塞桿彎曲,而2015年3月30日,又是華北地區(qū)溫度比較高的時間.通過對輸水洞液壓啟閉機圖紙審查及現(xiàn)場啟閉機初步故障排查,此次故障非運行操作失誤,初步分析為溫度變化和制造安裝質(zhì)量引起的故障.

2016年6月,河南省某水庫輸水洞液壓啟閉機出現(xiàn)活塞桿彎曲故障.通過察看現(xiàn)場和與有關人員進行溝通交流,發(fā)現(xiàn)液壓啟閉機的兩個截止閥處于關閉狀態(tài),活塞桿處于伸出狀態(tài),閘門底止水部分漏水嚴重.該輸水洞液壓啟閉機最后一次運行是兩星期前進行的,工作人員將啟閉機操作到位以后,并將兩個截止閥關閉,此時環(huán)境溫度逐步升高且晝夜溫差較大.初步分析該輸水洞液壓啟閉機出現(xiàn)活塞桿彎曲故障的原因為溫度變化和工作人員操作不當造成的.

3 氣溫變化引起液壓啟閉機故障分析

通過對兩個工程液壓啟閉機故障的初步分析,溫度變化是引起故障的前提條件,因此以此為著手點將產(chǎn)生故障的原因分析如下:華北某水庫的輸水洞液壓啟閉機最后一次運行是2015年1月17日,是華北地區(qū)最冷的時候.液壓啟閉機的狀態(tài)是活塞桿伸出,閘門處于完全關閉狀態(tài).根據(jù)液壓油的溫度特性,此時,液壓缸無桿腔中的液壓油體積處于最小狀態(tài),隨著時間的推移和氣溫不斷提高,液壓缸無桿腔中的液壓油體積逐步增加,假設啟閉機無桿腔液壓油的初始體積為V0,熱膨脹系數(shù)為α,那么當溫度升高△t時,其無桿腔液壓油體積變化值△Vb為:

液壓油體積的增加直接導致液壓油給活塞桿一個向下的力,使活塞桿繼續(xù)移動,假設無桿腔活塞作用面積為S,那么當無桿腔液壓油體積變化值△Vb時,活塞桿的位移量L為:

由公式(1)、(2)可以看出,若此時活塞桿處于自由狀態(tài)的話,活塞桿的位移量為L,但是由于閘門已經(jīng)下降到底坎位置,活塞桿不能移動.同時由于液壓油體積的增加,而實際液壓缸的活塞桿是不運動的,所以溫度變化導致液壓啟閉機液壓系統(tǒng)壓力在變化.啟閉機無桿腔液壓油的初始體積為V0,那么當溫度升高△t時,其無桿腔液壓油體積膨脹值為△Vb,但是由于活塞桿不能移動即無桿腔的體積沒有發(fā)生變化,那么相當于液壓油的體積被壓縮了△Vb,液壓油壓縮系數(shù)為 β,那么因為體積壓縮而產(chǎn)生的壓力變化值△P為:

將公式(1)中的△Vb代入公式(3)中可得,溫度變化與壓力之間的關系為:

所以液壓啟閉機當活塞桿位置鎖定時,油缸內(nèi)的壓力隨溫度升高而升高.所以為了液壓啟閉機的安全運行,在油缸系統(tǒng)中設置了安全閥,該安全閥的主要作用是:當油缸的某腔壓力超過安全閥設定的壓力時,安全閥打開進行卸油減壓,保證系統(tǒng)中的零部件進行安全運行.理論上講,隨著氣溫的不斷升高,液壓系統(tǒng)壓力不斷增加,液壓缸支鉸座與機架連接螺栓受的拉力也不斷增加,當液壓系統(tǒng)壓力增加到液壓缸安全閥設定的壓力值時,安全閥打開溢流,液壓缸無桿腔中的液壓油回到油箱中,液壓系統(tǒng)壓力下降,從而對液壓啟閉機及其連接部件起到保護作用.

華北該水庫輸水洞液壓啟閉機出現(xiàn)以上故障,從現(xiàn)場情況分析看溫度變化是引起故障的前提條件,但是該液壓啟閉機配備有安全閥,且安全閥是可以正常運行的.通過現(xiàn)場對故障仔細排查發(fā)現(xiàn),液壓缸支鉸座與機架連接螺栓不符合設計要求,設計要求連接螺栓強度等級為12.8級,而實際連接螺栓有的強度等級為8.8級,有的連接螺栓沒有標注強度等級.眾所周知,整個設備首先損壞的應該是其強度最薄弱的零部件,在這臺液壓啟閉機設備中,液壓缸支鉸座與機架連接螺栓是其薄弱環(huán)節(jié)(理論上講不應該成為薄弱環(huán)節(jié)),當隨著氣溫升高而液壓系統(tǒng)壓力增加時,連接螺栓所受的拉力也在不斷加大,當液壓系統(tǒng)壓力還沒有升到液壓缸安全閥設定的壓力值時,出現(xiàn)連接螺栓斷裂現(xiàn)象(此時連接螺栓與螺母連接的螺紋拉力大于螺栓本身拉力)或出現(xiàn)螺母從螺栓上脫開現(xiàn)象(此時連接螺栓與螺母連接的螺紋拉力小于螺栓本身拉力),最后造成液壓缸支鉸座與機架脫離開,支鉸座中軸承從支鉸座中脫離出來,液壓缸向一邊傾斜,導致液壓啟閉機故障.另外,不同地區(qū)氣候偏差較大,所以安全閥壓力設定也要因地制宜.

同樣依據(jù)上述原理,河南省某水庫輸水洞液壓啟閉機產(chǎn)生活塞桿彎曲故障的原因,分析如下:發(fā)生故障時液壓啟閉機的狀態(tài)是活塞桿伸出,閘門處于完全關閉狀態(tài).根據(jù)液壓油的溫度特性,此時液壓缸無桿腔中的液壓油體積處于最小狀態(tài),隨著時間的推移和氣溫不斷提高,液壓缸無桿腔中的液壓油體積逐步增加,液壓油體積的增加直接導致液壓油給活塞桿一個向下的力,根據(jù)作用力和反作用力的原理,液壓油同時傳遞到液壓缸缸體上一個向上的力,而液壓缸缸體受到的向上力會傳遞到機架、連接螺栓、埋件和基礎上.而無桿腔中的液壓油壓力逐步增大,理論上講,液壓油壓力的增加會打開液壓缸的無桿腔安全閥,從而保護液壓缸不會受到損壞.但事實上是液壓缸上下腔通往安全閥油路上的兩個截止閥處于關閉狀態(tài),導致液壓缸無桿腔的壓力傳不到安全閥上,安全閥無法打開,隨著液壓缸無桿腔的壓力逐步增加,液壓油傳到活塞桿的壓力也隨著逐步增加,最終導致液壓缸活塞桿出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象.

4 建議

根據(jù)以上兩個工程液壓啟閉機故障的具體分析,可知溫度變化是引起故障的誘因,故障出現(xiàn)的真實原因是安裝制造質(zhì)量和運行操作失誤.根據(jù)故障分析的結(jié)果提出建議如下:

1)液壓啟閉機制造安裝單位在制造安裝過程中,一定嚴格按照制造安裝圖紙和相關的標準規(guī)范的要求進行制造安裝,對液壓啟閉機的各項技術參數(shù)進行和各種外購件和標準件進行檢查,保證液壓啟閉機制造安裝所使用的各種零部件符合制造安裝圖紙和標準要求,并對液壓啟閉機整機進行出廠檢測和安裝檢測.

2)管理運行單位要按照液壓啟閉機的使用說明書進行操作和管理,編制運行操作規(guī)程,對相關的運行管理人員進行培訓.且運行管理單位不要隨意改變液壓啟閉機的操作方法,如需改變應征求液壓啟閉機設計單位和生產(chǎn)廠家的意見或有關專家的意見,避免設備出現(xiàn)不必要的故障和問題,保證水庫安全生產(chǎn)設備的正常運行.

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2017-05-31