倒挂式液压启闭机液压系统振动故障分析

2017-06-05潘志军周益安杨晓霞

浙江水利科技 2017年3期

关键词：启闭机活塞杆闸门

潘志军，张浩，周益安，杨晓霞

（杭州市南排工程建设管理处，浙江杭州 310020）

倒挂式液压启闭机液压系统振动故障分析

潘志军，张浩，周益安，杨晓霞

（杭州市南排工程建设管理处，浙江杭州 310020）

倒挂式液压启闭机启动调试时发现启闭机运行过程中伴有振动噪声，通过分析振动产生的原因并消除，总结提出液压启闭机安装、运行、维护中减少产生故障隐患的措施。

液压启闭机；振动故障；分析

1 问题的提出

某大型排水泵站建在城市新区核心位置，主要功能为减轻流域防洪压力，同时解决城市区域排涝问题。城区河道排涝通过新建控制闸把洪水接入排水泵站进水前池，通过泵排一并解决排洪问题。控制闸启闭机建在城市核心区，兼顾周边建筑美学选用倒挂式液压启闭机，利用闸门启闭中低噪声的优点，闸门孔口覆盖钢制盖板，通过景观美化较好处理周边环境的美观问题，但若在闸门启闭过程中出现不正常的振动声并被放大，将影响闸门的安全运行，同时带来噪声污染。

液压系统故障与电气故障不同，故障检测较为困难，因液压管路内油流的流动状态、液压件内部的零件动作及密封件的损坏等情况，很难直观检测，宁辰校等提出液压启闭机液压系统振动与噪声研究[1]，提供了故障分析的思路，但查找故障并不容易。本工程倒挂式闸门启闭机安装调试中出现振动噪声，通过查找文献、查阅设计图纸、召开专家会议等多角度故障分析，希望尽快找到故障点，但液压系统故障往往比较复杂，花很大精力才能最终找到问题根源，排除故障，本文通过故障分析可以为同类液压系统查找故障供参考。

2 工程概况及故障现象

某泵站设单机流量50 m3/s水泵4台，总排涝流量200 m3/s，Ⅰ等工程，规模位列全国大型泵站前列。根据工程结合城市区域排涝设计，在河道接入泵站进水池前设潜孔式平面滑块钢闸门，孔口尺寸4.0 m×3.0 m，设计水头5.50 m，闸门单重约5.2 t，采用倒挂式QPPY - D - 2×160 kN型液压启闭机，工作行程3.65 m，启闭速度大于0.5 m/min，在启闭机液压站及控制设备单独设置在闸门控制室，闸门布置简图见图1，启闭机工作特性见表1。

图1 闸门布置简图

表1 启闭机工作特性表

工程机电安装专业施工单位根据潜孔式闸门、启闭机设计图纸、安装规范安装完成，开始现场调试机、电、液系统。液压启闭机在出厂前进行液压泵站、油缸单体厂内调试正常，现场规范施工，基本上能保证带载动态调试顺利。该闸门启闭机无水调试完成，双缸同步性能较好，在自动运行中纠偏次数符合规范要求。工程通水验收完成后，闸门投入使用，河道水位上涨根据运行原则进行启门排水。当运行1个星期后发现该闸门运行过程中产生振动现象并伴有阵阵噪声，进一步检查发现振动时并非在纠偏运行时，且闸门启闭机每次启闭过程中左缸产生的噪声大小不一致。启闭机在运行过程中产生振动会影响液压系统工作性能，长此以往会缩短液压系统元器件的使用寿命，这势必会造成闸门启闭机运行可靠性下降，必须查明故障源头，排除设备事故隐患。

3 液压启闭机故障分析

液压系统运行产生振动与噪声一般原因来自2方面：机械振动和流体振动产生噪声。但在闸门启闭过程中, 机械因数与流体因数2部分是相互影响的，有机械不平衡力、惯性力、摩擦阻力引起的机械振动[2-3]，也有可能是液压油运动中产生压力冲击、脉动、气穴等引起的振动[1，4-5]，振动是在动态过程中产生的，又互相影响，往往是多种因数夹杂在一起，在分析振动故障产生原因时首先从机械因数与流体因数2方面来考虑。

3.1 机械因数方面振动原因分析

（1）工厂制造装配因数。故障出现后一般考虑工厂制造或者现场安装因数。查阅该潜孔式平面滑块钢闸门工厂制造质量检验记录，闸门平面度、直线度、垂直度、厚度、高度、宽度、对角线等各控制尺寸数据均符合设计和规范要求，平衡度试验满足设计要求，闸门质量均匀。倒挂式液压启闭机查阅在工厂装配时对零部件装配精度、活塞杆与缸体同心度、液压油管装配等测量数据记录均符合规范要求，而且在工厂内液压站、液压油缸机、电、液联动调试，单油缸活塞杆空载全行程运动测试，情况均良好。

（2）现场安装因数。潜孔式平面滑块钢闸门工厂整体制造出厂，闸门滑块、止水均在工厂内安装完成，而且在现场安装前对闸门和闸门门槽控制尺寸均在监理工程师旁站下复核，各数据符合要求，闸门安装中心与门槽中心一致，在用汽车吊入闸门门槽后静平衡试验各控制尺寸数据满足要求，现场不需要闸门配重。闸门单体安装不存在产生振动的可能。倒挂式液压启闭机与闸门的连接是把液压油缸缸体固定在门体内，活塞杆末端与启闭机基座相连接，安装启闭机时，闸门已经先安装好，液压油缸从上到下插入闸门门体2个设计预留孔内，调整完成通过油缸上法兰面与门体螺栓孔连接后，再从上到下吊入油缸基座安装在闸门孔口预埋板上，调整中心后连接固定。闸门与液压启闭机连接有可能存在中心不正引起的运行振动。油缸穿入门体的预留孔若与油缸中心不正，会造成缸体机架与缸体的中心不正，所以在闸门、启闭机制造设计联络会已明确闸门厂预制缸体外壳来制造定闸门体内安装油缸的中心，来保证连接时中心重合，这在前期已经考虑且现场安装时复核中心较好。这样闸门与启闭机连接后，以闸门中心为控制中心来调整液压启闭机油缸机架孔口中心与闸门中心一致，水平度和垂直度满足要求后固定基座螺栓，固定基座与活塞缸端头大螺母，这样的安装控制能保证闸门启闭机启闭运行中的稳定，一般不存在因基座不稳、安装轴线不正、闸门门槽间隙不够等可能产生的机械振动。

3.2 流体方面振动因素分析

（1）液压油方面的因数。液压启闭机机、电、液是个整体系统，产生振动故障的闸门启闭机液压站设在独立启闭机控制室内，产生振动与噪声是在闸门孔中，故在排除机械方面因数后考虑液压流体方面因数，先考虑的是液压油因数。液压启闭机的执行液压阀、溢流阀、电磁换向阀、单向阀等各种阀件都是制造精密的元件，液压油的洁净度高，且该工程选用PARK等高质量阀件，尚若高压油中微小的污染物划伤元件表面，则会加剧磨损、出现节流孔堵塞，阀芯发卡等，进而引起泄漏、窜动[2，5-6]。该工程安装完成调试前，首先对液压油进行过滤，再外送专业机构检测达到NAS 9级，经监理确认后再加油，静止24 h后打开出油箱、油缸排气孔排出空气，防止空气在高压油运行中产生振动与噪声。由此分析基本排除因液压油因素产生的振动。

（2）流体方面的因数。液压启闭机系统原理见图2。由图1及图2可知闸门采用倒挂式双缸同步启闭控制闸门运行。双缸同步控制采用闭环控制旁路放油纠偏达到同步控制。谭宗柒等分析闸门启闭过程中双缸存在偏载和液压系统不对称的客观因数[2，4-5]，实际启闭中通过纠偏达到近似的同步，从理论上看会产生振动和噪声因数，只要偏差控制在规定范围内，那么振动和噪声即可控和可接受。

图2 液压启闭机系统原理图

从图2可知，闸门开启操作时先启动1台油泵电机，先导电磁溢流阀卸荷，延时10 s左右，电磁溢流阀电磁铁YV2.*通电，压力油经25.*精密调节后分2路进入流液压缸有杆腔，无杆腔的油经过单向顺序阀件24.*，磁换向阀21.*流回回油箱，实现启门动作。在闸门启门过程中，开度及行程控制装置连续检测2只液压缸行程偏差，当2只液压缸的行程偏差值＞20 mm时，通过PLC控制程序自动发出纠偏令，相应的纠偏阀YV4.* 或YV5.*自动通电，电磁球阀旁路泄油纠偏，使偏差值≤20 mm闸门同步后停止纠偏调节，这样实现闭环调节液压缸的同步精度。在闸门运行过程中实时检测实时启动纠偏，响应及时，同样闸门关闭过程中同步执行程序相同，正常的闸门启闭不至于产生较大的振动和噪声，而且前面已概述故障噪声发生时未执行纠偏程序，不存在纠偏过程中产生的噪声。现场把左缸和右缸互换安装后，执行启门时产生振动和噪声发生在右缸，只是产生振动和噪声的行程范围与上一次不是完全一致。至此闸门启门过程中的产生不明振动和噪声的原因经过多次专家现场查看分析，均找不到原因，只是可以确定问题出现在左缸上。经分析只有把左边的液压油缸返厂解体查找原因。

4 液压启闭机故障解决

4.1 返厂解体检查

液压油缸返厂后，上工厂平衡试验台检查动平衡，发现平衡性较好，不存在油缸中心偏差的问题。再把油缸安装到工厂联动试验台，进行单油缸活塞杆升缩操作，发现依然出现类似工地现场发生的振动和噪声，这样只有在工厂拆卸进一步诊断。油缸、活塞杆解体后发现在活塞杆端头有一处长80 mm、宽10 mm的表面细裂纹（见图3），缸体内部存在几处直径为6 mm左右的洁质（见图4）。经过分析认为应该在工地安装时有不当焊接施工，焊接施工时活塞杆端头有接地电流流过击穿杆子金属引起裂纹，具体原理见故障接地破坏示意图5。

图3 活塞杆端头裂纹图

图4 油缸内表面洁质图

图5 故障接地破坏示意图

4.2 活塞杆修复处理

找到问题后需对活塞杆上磨床进行缺陷修复，再动平衡校验，油缸组装后安装到工厂联动试验台，再进行单油缸活塞杆升缩操作，此时全行程伸缩操作不再产生上述振动和噪声。这样困扰多时的故障彻底排除，可以确定油缸活塞杆端头存在的表面黑色细裂纹和洁质使得启闭机运行时高压高速油流在通流截面突变产生紊流，并产生湍动，使得缸体振动，发出噪声。

4.3 油缸现场安装并进行调试

返厂启闭机设备运输到工地后，严格按照施工图纸和相关规范确保安装精度，并检查缸筒安装就位后是否受到闸门主梁的干涉使得缸筒出现弯曲变形。现场调试首先排除油缸内的空气，接着对液压系统进行调试检查，发现所有液压阀均能正常工作，并调定所有阀件的油口开度、控制压力值。开机后通过速度控制发现闸门及启闭机运行平稳。