机械压力机气垫突然顶起的故障原因分析

文/方良·瑞鹄汽车模具有限公司方芳·奇瑞汽车股份有限公司

机械压力机气垫突然顶起的故障原因分析

文/方良·瑞鹄汽车模具有限公司方芳·奇瑞汽车股份有限公司

冲压机车间某品牌机械压力机，在无人误操作，且安全栓、急停均处于锁定状态，气垫储气罐约有0.4MPa压缩空气的情形下，下气垫突然顶起，将正在机床上调试的模具损坏。事故发生前从地坑处传来大量气体泄漏“啪啪啪”爆竹般的异响，经检查，气体管道挠性接头处管道断裂。将管道重新联接，设备断电复位重启后又趋于正常，判断此为偶发情况。机械压力机下气垫无缘由突然顶起，是一种很危险的事故，不但会损坏模具结构，而且还容易造成人员伤亡事故。

气垫突然顶起，起因是气垫突然进气，可能有两种原因：气垫的气路系统或者控制气路的电气系统出现了问题。气垫气路系统原理图如图1所示。

电气方面分析及排查

分析

电磁阀㊺、㊻出现电气误动作，可能有以下两种原因：

⑴PLC发出了误信号。即有可能控制该电磁阀的输出模块出现内部触点粘连，或进行脉冲扫描时出现短时间通电误触发信号。

图1 气垫气路系统原理图

⑵电磁阀存在质量缺陷。该电磁阀为日本SMC产品，控制电源采用的是AC110V，但该阀设有内置电路板进行控制，有可能其对电气要求响应度较高，对电压波动过于灵敏，虽然电源线采用了屏蔽电缆，但设备现场若有电磁干扰等情形发生，该电磁阀有可能会误动作得电。

排查

⑴故障发生后，从PLC程序上在线监控没发现异常，且机床控制系统采用的是AB品牌产品，控制电磁阀㊺、㊻的输出模块为1794-0W8的模块，从外观上观察没有明显异常，且运行指示正常。而且机床重启后气垫回归正常，基本判定电气控制系统无异常。

⑵检查电磁阀㊺、㊻的外观及进行内部清理，没有发现污物及阀芯卡死，同时重新布置一根电缆对电磁阀进行单独供电。

从整体而言，由于重启后发现气垫不再出现突然顶起，基本上能够排除电气故障影响。

气路系统分析及排查

分析

⑴若气垫储气罐有气压，但总气源挠性接头处出现管路断裂突然泄压，控制气控阀阀芯和快排阀阀芯的先导机构上下腔均与大气相通而平衡，阀芯由于重力作用下降，将会导致气垫突然进气而顶起。

⑵若长时间不用设备，气垫储气罐没有气体，总气源关闭没有进气，气路系统管道有轻微漏气导致管道气压为常压，此时控制气控阀阀芯和快排阀阀芯的先导机构上下腔均没有气压，阀芯由于重力作用下降，此时若突然打开总气源时，气垫将会迅速进气而突然顶起。

故障排查

若轴用三角形密封圈或孔用三角形密封圈以及O形密封圈出现磨损或密封效果不良，气路系统将会改变，可能会导致气体从密封圈处渗漏至气垫，但此时气垫只会出现慢慢顶起。

综上所述，虽然现场无法模拟气路系统管路突然泄压的情形，但通过排查认定为控制气控阀阀芯和快排阀阀芯的先导机构上下腔进出气气压出现异常，气控阀和快排阀在进气口有气压的作用下，因重力和向上向下作用力的合力向下，导致阀芯向下位移从而将进气口与出气口联通，进而将气垫储气罐内气体释放至气垫内，造成气垫突然顶起。

图2 气控阀㊿结构图

图3 改进措施气垫气路原理图

解决措施

正常情况不用气垫时，要求气控阀和快排阀应置于安全位，即进气口和出气口不得联通，即使在外界非正常作用下也应置于安全位不动作。从气控阀和快排阀结构图可以看出，若出现先导机构的上下腔气压泄压的情况下，将气控阀和快排阀进行180°倒置安装或由“上进气，下出气”更改为“下进气，上出气”均无法解决隐患，因此改进措施如图3所示。

⑴步骤1：在气路系统总风源管路上加装单向阀（规格为Aa-L-40，Rc1/2），电磁阀联接管路一般比较牢固，但管路与压力机的联接处由于机械压力机的振动故容易折断。因此，设备厂家采用的是挠性接头，但长期使用橡胶件易老化磨损而导致损坏。采用步骤1可以预防总风源管路突然泄压时，先导机构的下腔气体不会泄露，从而维持了阀芯顶起的状态。

⑵步骤2：为了防止先导机构管路出现轻微泄露等造成压力不足，从而出现误动作的情形，从气垫储气罐引出一根Rc1/2管道，并加装单向阀（规格为Aa-L-40，Rc1/2），一旦出现泄压，可通过气垫储气罐给予气体补充。且由于快排阀的先导机构活塞截面直径（170mm）大于快排阀活塞截面直径（122mm）。因此，先导机构下腔作用力大于快排阀进气口压力，活塞合力向上，故快排阀不会出现误动作。同样，气控阀先导机构活塞截面直径（300mm）大于气控阀活塞截面直径（160mm）。因此，先导机构下腔作用力大于气控阀进气口压力，故气控阀也不会出现误动作。即使出现，由于有快排阀的保证，进入气垫的气体也可通过快排阀排出。

⑶步骤3：若步骤1或步骤2中的管道都出现快速泄压，上述情形依然不能得到可靠保证（当然此种情形的发生概率将会大大降低）。但只要快排阀不会出现阀芯下降的话，气体就可以顺利排出，为此必须通过更改快排阀的结构形式——在内部加装弹簧来进行保证。

该机床气垫最大顶出力200t，气垫最大压力为0.5MPa，快排阀活塞截面直径为122mm，阀芯行程即为弹簧的压缩量或者伸长量Δx，根据公式P·S＝k·Δx，计算弹性系数k＝P·S/Δx＝2.25×105（N/m），长度为71mm，弹簧内径为20mm，外径可以参考标准要求，要求不大于125mm。通过计算，查找对应的弹簧规格为：外径为40mm，内径为20mm，长度为70mm，弹性系数为22.5kg·f/mm。

结束语

通过对设备工作原理及部件结构的排查，气控阀和快排阀更改为全气动式先导机构控制是技术革新的一项进步，但在实际应用中会出现设计上考虑不足或欠完善的地方，在进行改善的同时，需要对气路管道的规范安装及现场设备使用要求进行关注，同时电磁阀的得电动作必须做到确保可靠，否则都会造成严重后果。