液压站油箱内油液外溢原因分析及对策措施

张新顺

（新疆八一钢铁股份有限公司轧钢厂，新疆乌鲁木齐 830022）

前言

八钢中厚板加热炉液压站向出钢机移动离合器油缸、升降离合器油缸、升降机构油缸提供压力油。该液压系统由油箱装置1 套（油箱容积1500 L）；主油泵装置2 台；冷却及加热装置1套；过滤器、水液电磁阀等蓄能器装置1 套；蓄能器装置1 套（4 件50 L 囊式蓄能器）。等主要设备组成。系统原理图，如图1 所示：

液压系统控制要求如下：

（1）当油箱温度低于20 ℃或高于60 ℃主泵电机停止。

（2）主泵启动前，相应的电磁溢流阀电磁铁不得电，溢流阀先导位常通，主泵起动10 秒后，相应的电磁溢流阀电磁铁得电，溢流阀先导位断开，系统开始加压。

（3）当电子压力开关检测到的压力超出设定上限压力时，相应的电磁溢流阀电磁铁失电，溢流阀先导位常通，主油泵低负荷运转。

（4）油泵装置任何一台都可为备用泵，可自动或手动启动。

（5）系统调定最高压力190 bar，蓄能器压力在140～190 bar 之间。

1 故障情况

在一次正常生产时，中厚板加热炉出钢机液压站报低液位故障，经过检查，现场无漏油现象，但站内油箱顶部有油液溢出的迹象。开启泵站后，站内设备并未见漏油点。联系操作工操作液压缸动作，油箱液位又出现急剧下降，并导致液压泵低液位跳停，紧接着油箱内的油液出现急剧的翻腾、油液从油箱顶部的排气口翻滚溢出，初步判断是油箱内进入了大量的气体所致。立即关闭液压系统回油，管路进油箱的阀门后，油液翻腾外溢的状况消失，油箱液位也缓慢上升，最终显示值与油箱实际液位达到一致。

2 原因分析

故障现象的第一判断就是油箱内进入了大量的气体，进一步判断是蓄能器的皮囊瞬间爆裂所致。

第一，蓄能器皮囊爆裂后，液压缸活塞缸伸出时，系统压力下降，蓄能器中的氮气由高压管路进入到了液压缸的无杆腔；当液压缸活塞杆回收时，液压缸无杆腔中的高压气体就进入到了回油管，再通过回油管进入油箱，之后高压氮气的体积急剧膨胀、扩散，造成油箱内的油液翻腾而外溢。

第二，大量的气体进入油箱后，由于气体向上移动，在气压的作用下，使油箱上部的压力增加，破坏了液位计原有的压力平衡，从而造成了液位计内的油液下降。而随着油箱内气体的排出，液位计又逐渐恢复了检测精度。

第三，根据气体压力体积平衡方程：P1V1=P2V2可以计算出1 个蓄能器的皮囊爆裂后，氮气进入油箱后的体积变化情况：

式中P1、V1分别为氮气在蓄能器中的压力和体积

P2、V2分别为氮气进入油箱后的压力和体积

蓄能器的充氮压力为14 Mpa，体积为50 L，氮气进入油箱后的压力约为0.2 MPa，

则V2=14×50÷0.2=3500 L=3.5 m3

由于该液压系统油箱的容积只有1.5 m3，并且油箱使用液位已经达到了油箱容积的80%以上，由于油箱的冗余量不够，因此在有气体进入油箱后，由于气体体积的急剧增大而导致油箱内的油液溢出。

3 对策措施

由于故障原因是蓄能器失效而造成的，因此决定从改进蓄能器的型式入手：

现有的蓄能器的类型主要有重锤式、弹簧式和气体加载式三种，具体情况如下：

3.1 重力加载式蓄能器

重力式蓄能器是利用作用于活塞上的重锤，使液压缸内的油液保持一定的压力。这种蓄能器的压力取决于重锤的重量，一旦重锤的重量确定后，蓄能器的压力就已经被确定，因此这种蓄能器的压力隐定。但缺点是容量较小、外形尺寸大、笨重、惯性大、反应不灵敏，常用于大型固定设备的液压系统。因此不适用于加热炉液压系统。

3.2 弹簧加载式蓄能器

弹簧式蓄能器是利用弹簧来储存和释放能量的，油液的压力决定于弹簧的预紧力和活塞的面积。这种蓄能器的特点是结构简单，反应较灵敏，但容量小，不适用于高压或循环频率较高的工作场合。中厚板加热炉液压系统工作压力16 MPa，因此该蓄能器也不适用于加热炉液压系统。

3.3 气体加载式蓄能器

这种蓄能器是利用密封气体的压缩，膨胀来储存和释放能量的。所充气体一般采用惰性气体或氮气，常用的是活塞式和皮囊式两种，也是液压系统最常用的蓄能器。

与皮囊式突然失效（皮囊破裂而泄露）不同，活塞式一般具备多道密封，即使失效也是逐渐、缓慢地失效（泄露）。

八钢中厚板加热炉液压系统的系统压力较高（16 MPa）、设备动作频繁、要求蓄能器能快速响应和补偿压力。因此，我们选择将该液压系统的皮囊式蓄能器改进为活塞式蓄能器。这两种蓄能器的结构对比见图2：

图2 两种蓄能器的结构对比图

图a 是活塞式蓄能器，蓄能器内部由活塞分成上下两腔，并通过活塞密封将上腔的高压气体与下腔的高压油液分割开来，随着压力的变化，活塞在蓄能器内做上下移动。图b 是皮囊式蓄能器，高压气体储存在皮囊中，皮囊外就是高压油液。

皮囊式蓄能器的皮囊一旦破裂，皮囊中的高压气体就会瞬间全部进入到油液中；而活塞式蓄能器由于具备多道密封，即使密封失效也是逐渐、缓慢地失效，不存在突然失效的情况。因此就不会造成蓄能器中的高压气体瞬间全部进入高压油液的情况。

皮囊式与活塞式蓄能器的性能特点：

（1）皮囊式蓄能器反应迅速，对于吸收冲击和消除脉动要求严格的场所，使用效果比较好；

（2）皮囊式蓄能器对充气压力的准确性要求较高，因为不适当的充气压力容易造成气囊式蓄能器的损坏，所以皮囊式蓄能器对操作维护方面的要求比活塞式的高。

（3）活塞式蓄能器有一个缺点，就是它对油液的清浩度要求较高，一般要求达到NAS7级以上。因为如果油液清洁度差，油液中的杂质物会加速对活塞密封的磨损，因而会大大降低活塞式蓄能器的使用寿命。

（4）活塞式蓄能器对壳体内壁加工精度及密封件等要求很高，否则容易渗漏；

（5）低压情况下，活塞因惯性影响大而不适于作高频往复运动，故活塞式蓄能器不适于在低压系统，一般要求工作压力在13 Mpa 以上。

4 实施效果

改进的活塞式蓄能器上线使用后，液压系统运行平稳，再没有发生油箱油液翻腾外溢的故障，并且液压系统工作时的压力波动控制在了1.0 MPa 以内，比改进前的压力波动减小了50%，完全达到了改进的效果。

5 结束语

蓄能器是液压系统中不可缺少的部件，由于蓄能器一般运行比较稳定、故障率低，因此往往会忽视对蓄能器的维护。但是，一旦蓄能器出现故障，就会造成液压系统运行不稳定，甚至会导致严重的设备故障。因此，总结这次八钢中厚板加热炉液压系统故障，在今后的设备管理中，一定要加大对蓄能器状态的检查和维护，发现蓄能器压力降低及时充氮；发现蓄能器皮囊损坏则及时更换蓄能器，保证液压系统的持续稳定运行。