电液转换器卡涩故障分析与解决*

窦 彬，柴世文

(1.中国石油兰州石化分公司，甘肃 兰州 730060; 2.甘肃省机械科学研究院，甘肃 兰州 730030)

电液转换器卡涩故障分析与解决*

窦 彬1，柴世文2

(1.中国石油兰州石化分公司，甘肃 兰州 730060; 2.甘肃省机械科学研究院，甘肃 兰州 730030)

大型机组静叶调节采用的电液执行机构经常发生卡涩故障，对点液伺服阀门的构造和动作原理进行了描述，分析了电液转换器的卡涩成因，并就预防提出了措施。

电液转换器；静叶；动力油

Abstract: The jam fault often occurs in electro-hydraulic actuator used by regulation of the large unit stator, the structure and operation principle of hydraulic servo valve are described, the jamming cause of electro-hydraulic converter is analyzed, and measures of prevention are put forward.

Key words: electro-hydraulic converter; stator blade; power steering fluid

0 引 言

大型炼油化工装置所使用的大型风机基本上都是轴流式压缩机，而轴流式压缩机对风量的调节均为调节压缩机内部的静叶角度。近年来本厂催化主风机组静叶调节多次发生卡涩现象。当发生故障时，由于静叶漂移或无法动作，导致装置所需风量无法调节，给生产装置的正常运行带来了很大的运行隐患。笔者就静叶控制的整个过程进行分析，对预防和解决方法提出建议。

1 静叶控制的结构组成及控制原理介绍

主风机组静叶控制由动力油系统、电液转换器、静叶驱动液动活塞三部分组成。动力油系统专为静叶控制设置，是独立于机组润滑油系统的驱动供油系统。油站采用高压柱塞泵为静叶驱动提供100 kg油压。

电液转换器使用的是德国VOITH公司的I/H 电液转换器。其功能是将操作室送来的4～20 mA控制信号转换为液压信号驱动静叶活塞，静叶活塞通过连接在压缩机内部的调节缸位移，使得轴流风机静叶角度发生变化以控制风量。

在静叶的控制过程中电液转换器是关键部分，每次发生故障部位几乎都是电液转换器，以下就电液转换器结构与控制原理作详细介绍。

电液转换器由电磁控制部分和液压部分组成。电磁控制部分将操作时给定的信号、回讯信号、极限值信号、反馈霍尔电压等信号进行计算输出给线圈，产生磁力推动液压滑块。液压部分主要为弹簧、滑块构成的错排油回路。结构图如图1所示。

图1 电液转换器结构图

控制原理见图2所示：操作室送来的控制信号W进入电液转换器电磁控制部分，电磁控制部分通过线圈产生FMag磁力。FMag磁力的大小与4～20 mA 的输入信号成正比，并通过调节参数X0和X1设定输出极限值(输出油压的极限上下值)。磁力FMag推动液压滑阀的滑块克服FF控制弹簧力，使滑块处于一个动态的平衡位置。

图2 电液转换器控制原理图

图中:A、B二次油压输出端；T为回油箱接口；P为动力油源输入端；X0、X1为行程调节电位计(最小、最大输出压力)；KPU、KPD 为控制增量(电位计)；w为位置给定值 (4～20 mA)；x为位置实际值 (4～20 mA)；FMag为磁力；FF为控制弹簧力；UHall为霍尔电压；UMag为磁力FMag的参考变量；U为电压；s为行程；i为位置传感器电流信号。

当磁力FMag大于控制弹簧力FF时，液压滑块向弹簧侧移动。此时，液压油经P进入滑阀经由A进入液压油缸右侧，同时由于滑块的移动使得液压滑阀的B与回油孔T相通，液压油缸右侧的压力则被释放，使活塞向左移动(静叶打开方向)；与此同时，静叶的变化角度通过安装在对侧的阀位回讯器反馈至电磁控制部分的控制输入端与操作室的给定信号作比较。当静叶角度趋向给定值时，反馈值与给定值的偏差趋于0，经运算电路输出的FMag磁力渐渐减小直至液压滑阀的滑块回到中间位置，将进油孔T和回油孔P封闭，液压油缸内活塞停止移动，停在操作室需要的静叶角度。反之，静叶关闭的过程与之相同，只是液压油缸左侧进油，右侧排油，直至反馈与给定差值为零，液压滑阀的滑块返回中间位置，保持静叶到达的角度。

2 故障分析与解决[1-2]

炼厂范围内有5台电液转换器，分别是：连续重整新氢压缩机汽轮机控制、重催富气压缩机汽轮机控制、重催主风机组汽轮机控制、重催主备机静叶控制；均为德国VOITH公司同类型电液转换器。控制原理基本一致，只是汽轮机调速控制的电液转换器在控制汽阀时，增加了油动机。即，电液转换器通过油动机驱动汽轮机汽阀，油动机相当于信号放大器，放大和加速驱动力对汽轮机汽阀进行调节控制。

2.1 近年重催电液转换器故障汇总

(1) 2006年6月装置检修后开工过程中，富气压缩机汽轮机汽阀无法动作，仪表清洗电/液转换器，钳工清洗油动机；控制恢复正常(油箱内沉积物冲起)。

(2) 2006年7月装置抢修后，富气压缩机汽轮机汽阀不动作，汽轮机整体拆检清洗后恢复正常(因检修过程中，清洗蒸汽管线的清洗液由轴承箱漏入润滑油箱，导致润滑油污染，卡涩电液转换器)。

(3) 2006年8月四机组启动后发现静叶有飘移和卡涩现象，停机后对电液转换器进行了详细的检查。在调试的过程中，静叶无飘移和卡涩现象，机组开启后达到高转速时静叶仍然有飘移及卡涩。再次停机后拆除电液转换器，安装手动切换阀进行长时间切换后，恢复电液转换器，开机正常(油品中颗粒物卡涩导致)。

(4) 2006年12月备机停机前发现静叶有很大波动，检查发现接线端子内保险丝虚接故障(偶发性故障)。

(5) 2007年5月主风机工艺原因装置停工，停工过程中主机静叶有卡涩现象，清洗电液转换器，安装手动切换阀进行切换后，恢复电液转换器，开机正常(颗粒物卡涩)。

(6) 2007年5月开工过程中，主风机汽轮机汽门及速关油波动大，清洗电液转换器、速关组合件及电磁阀，开机正常(颗粒物卡涩)。

(7) 2007年7月主风机静叶6分钟内缓慢关闭，导致装置停工，停工分析执行机构因卡涩导致。准备开备用主风机组时发现备机静叶也发生了卡涩(颗粒物卡涩)。

2.2 导致电液转换器故障的主要原因

2.2.1 动力油品质劣化，导致电液转换器卡涩

电液转换器属于敏感级伺服高压液压系统：液压油品质需符合NAS 4～6，大约相当于ISO 13/10—15/12，允许≥5 μ颗粒数/毫升(大约80～320)、≥15μ颗粒数/毫升(大约10～40)。不论是硬的颗粒、软的颗粒、或是纤维，都会对元件滑动表面产生直接阻力、磨擦阻力、堵塞动态间隙，使电液转换器液压滑块组件部分或完全失去响应(上述故障多数是此原因)。

当活塞在运动的过程中液压滑块被卡涩时，由于滑块不能返回中间位置，切断进油与回油，使得活塞会持续向一个方向运动，直至到达电液转换器设定的X0或X1极限值。故障第7项尤其明显。

根据上述故障记录可以发现以下几项会使动力油污染。

(1) 油系统检修过程中带入细微粉尘、纤维物等。

(2) 日常生产中300万吨重催装置空气中催化剂粉尘含量较大，会经动力油站排气口侵入。

(3) 动力油箱长时间停用后启用或加注新油时会将油箱底部沉淀物冲起，经油泵带入电液转换器；

(4) 液压油长时间使用，油液中的微小污染物质的污染度(ISO4406)等级越高(在一毫升油液中，含直径5～100 μm以上的固体颗粒中，其中>5～15 μm颗粒就占了总含量的95%以上)。

(5) 偶发因素导致油品污染(机封泄露、新油与旧油品质不一等)。

2.2.2 液压活塞泄露

液压油与所用的密封材料应相适应，否则液压油缸内活塞环老化、断裂，会造成密封不严，油缸腔体内部泄露，根据泄露程度表现不同，直接现象就是活塞动作迟缓、无法定位，传动装置工作不稳定。

2.2.3 角度回讯器工作异常

由图2可以看到，线圈输出FMag磁力大小与回讯关系密切。当回讯发生故障，回讯信号始终小于给定值时，两值的差值会使得FMag磁力输出始终大于FF控制弹簧力，液压油缸内活塞会持续向左移动(静叶持续打开)，直至到达极限值X1。而回讯信号始终大于给定值时，活塞会使静叶向关闭方向持续动作至极限值X0。

2.2.4 电磁控制部分输出异常

若控制转换电路出现故障则情况更加复杂，现象如回讯器工作异常时表现一样，或根本无响应，静叶不动作。经实际发生的几次故障来看，动力油污染造成电液转换器滑块卡涩所占比例较大，因此如果能够解决动力由品质问题，电液转换器的故障次数将大幅度降低。

3 解决途径

调查中还发现一个特殊现象，即，5个同类型的电液转换器在使用的过程中，静叶控制电液转换器发生卡涩的比例远高于汽轮机汽阀控制电液转换器。经过认真查阅汽轮机、静叶控制的相关资料并作了细致对比后发现，汽轮机控制中起到间接作用的油动机在防卡涩功能上作用巨大。

油动机为了防止本身错油门滑阀卡涩，在油动机的错油门滑阀上部设计了转动盘。转动盘上有径向、切线孔连续喷油，使错油门滑阀产生旋转运动；而在下部设计了一个排油孔，错油门滑阀每旋转一次就泻油一次，使得错油门滑阀上下小幅度振动。正是这个设计，油动机在工作过程中错油门滑阀不停的旋转并且上下小幅度振动，这样使得错油门滑阀不易卡涩。

另一方面，由于油动机下部泻油孔的周期性小幅度振动的反作用力作用在电液转换器的液压滑块上，使电液转换器内的滑块也处于一个不停振荡的平衡中，也间接的防止了电液转换器中滑块的卡涩。

而控制静叶的电液转换器在日常运行中基本是静态，液压油中的微小颗粒很容易沉淀积累在滑块动态间隙之间，造成滑块卡涩，从而使电液转换器不动作。

油品中的微颗粒不可能完全过滤，对于静叶电液转换器而言，没有大型的油动机(也不需要使用油动机)，因此不能借油动机的防卡涩帮助电液转换器防卡。在本身就很细小的电液转换器滑块上进行防卡涩功能的机加工，其实现难度不可想象。即使能够加工出合适的泻油孔，但由于泻油孔的孔径细小也会被微颗粒堵塞而失去作用。另外，机加工会破坏电液转换器控制精度，机械方式解决静叶电液转换器防卡涩问题难度太大、得不偿失。

借鉴机械防卡涩原理，可以通过控制系统的信号给定得到同样效果。 在控制系统程序组态时，给静叶的控制输出信号迭加一个正弦振荡信号。这个迭加的正弦信号在电液转换器电磁转换部分运算后，会输出带有正弦振荡的FMag磁力，与弹簧力的共同作用下使液压滑块在一定幅值和频率下振动，滑块始终处于动态平衡中，可以避免微颗粒在滑块上的沉积以降低卡涩发生的机率。

[1] 刘国利.基于控制系统特性分析的热力设备故障诊断[D].武汉：华中科技大学，2004.

[2] 于振燕.磁技术在电液伺服控制系统中的应用研究[D].兰州：兰州理工大学，2004.

Fault Analysis and Solution for Electro-hydraulic Converter Jam

DOU Bin1, CHAI Shi-wen2

(1.LanzhouPetrochemicalCompanyofChinaPetrol,LanzhouGansu730060,China; 2.GansuAcademyofMechenicalSciences,LanzhouGansu730030,China)

2014-06-12

窦 彬(1974-)，女，甘肃兰州人，助理工程师，主要从事工业控制方面的工作。

TK730

A

1007-4414(2014)04-0182-03