液压油温升造成的液压故障分析与改进

武宝喜，孙雁利，王 伟，李 恒

（安钢集团冷轧有限责任公司 设备管理部，河南 安阳455000）

安阳钢铁集团1 550 mm冷连轧机组的核心设备VCMS型五机架六辊连轧机，采用全封闭结构生产.轧机在轧制过程中，会产生大量的轧制热，为给钢板冷却，配置乳化液系统，乳化液的供液温度为48℃～50℃，喷射到钢板表面后，回液温度约达到80℃.由于轧制中，轧机各机架间由卷帘门封闭，乳化液雾气排放不及，造成此处环境温度居高不下，对轧机区域的设备产生加热效果，轧制液的温度变化反应了轧机内设备的温度变化.

1 液压油的膨胀性和可压缩性

作为液压系统的工作介质，液压油用来传递动力，同时具备膨胀性和可压缩性.

膨胀性意味着当环境温度升高时，液压油膨胀后体积增大.由温度引起的液压油的体积变化为：

压缩性则意味着液压油在压力的作用下缩小体积.液体的压缩性可用体积压缩系数K［1］表示：

式(1)、式(2)中:

V——温度会变化的部分工作介质的体积,L；

V0——总的封闭容器的容积,L；

ΔV——温度升高时液体的体积变化量，L；

Δt——由设备温度变化，℃；

α——液体膨胀系数,对于一般石油型液压油，α=（8.5-9.0）×10-4,℃-1；

β——液体的体积弹性模量，β=（1.2～2.0）×103,实际使用的液体由于混入气泡等原因β值显著减小，MPa；

ΔP——封闭空间液压压力升高值，MPa.

式（2）中，负号表示压力增大，体积减小，K为正值.

即在一个封闭的空间，有部分的液压油温度升高，这部分液压油体积膨胀，从而导致整个封闭区域的压力提高.根据式（1）和式（2）推导出，封闭空间下，部分液体温度升高造成的压力升高值为：

负号在此处表示液压油膨胀力的方向为向外.

由式（3）可以看出，在密闭空间的介质，其压力的增高与介质的弹性模量、体积膨胀系数和温度的变化有关，也和膨胀的介质在整个密闭空间的比例有关.

2 现象

1 550 mm冷轧机组轧机传动系统液压站位于轧机操作侧地下室，为整个轧机区非伺服系统外的液压设备提供动力源.系统压力16 MPa，介质为46#抗磨液压油.其中，五机架低压阀台位于轧机正下方并顺序摆放，所供执行机构有：机架间的导板摆动液压缸，挡辊升降液压缸，防缠挡板伸缩液压缸，工作辊、支承辊锁紧液压缸，工作辊、中间辊轨道升降液压缸，带钢压紧液压缸，工作辊、支承辊换辊小车推拉液压缸等.

在试生产过程中，一些回路的压力异常升高，超过了泵站供油压力.其中最明显的是中间辊锁紧液压缸升高到19 MPa，工作辊轨道液压缸最高升高到23 MPa.另外，支承辊换辊缸存在缓慢爬行现象.

后经连续观察发现，轧机启动前，各回路显示的压力与系统压力相同，是16 MPa，但是随着生产的进行，个别回路压力会不同幅度的持续升高，当连续生产2 h后达到最高值，然后稳定在最高值，且这些回路都带有双向液压锁，升高的压力被封闭在液压锁和液压缸之间的管路里，不卸不降.

压力超限过载对整个液压系统的稳定性、元器件使用寿命、及液压油的使用状态和寿命都有影响，特别是所服务液压缸的灵敏度和响应速度的滞后，在连续生产的自动控制中，会直接导致停车事故.

3 原因分析

以中间辊锁紧缸为例：换向阀1.a得电，压力油从P口到B口，经过液压锁，节流阀，进入液压缸无杆腔，液压缸伸出；有杆腔油液从节流阀，液压锁，换向阀A口，回到T口；可视压力传感器检测液压缸无杆腔压力；液压站系统压力（P口压力）为16 MPa.该回路中液压锁的作用为：当液压缸伸出锁紧中间辊时，封闭无杆腔压力油容腔，防止液压油回流，锁死液压缸的位置.此时，从阀台出口油管至液压缸无杆腔的容积相当于一个封闭的容积空间.中间辊锁紧缸液压回路原理如图1所示.

图1 中间辊锁紧液压缸原理

随着轧制的进行，封闭容积内的液压油压力会持续缓慢的上升，最终保持在19 MPa，比系统压力高3 MPa.由于在轧制过程中，中间辊锁紧液压缸动作到位后不会再动作，此处压力的升高需考虑温度对液压油的影响.

根据乳化液系统进回液温度的变化可以推断，机架间设备最终维持温度在80℃，温升约为30℃.中间辊锁紧液压缸规格为φ80/φ56×60 mm，液压管道为 φ16×2.5 mm（通径 φ11 mm），长度约 25 000 mm，代入计算：

液压缸容积V=π(d/2)2h=301 440 mm3；

总封闭腔容积V0=缸容积+管路容积=2 676 065 mm3；

根据安装位置看，只有液压缸内部的油液被加热.于是V/V0=301 440/2 676 065=0.113；

根据式（3）计算锁紧液压缸压力升高值，α=8.7×10-4℃-1，△P=α×

故，经过高温加热，液压缸无杆腔压力的理论计算值PB=19.45 MPa.同实际可视压力传感器检测的19 MPa基本一致.

同理，可以计算出工作辊轨道液压缸的压力升高值为7.3 MPa，同现场观测的基本一致.

故在设置液压锁进行位置锁定的液压回路中，如存在管路较长，锁定容积内局部油液温度变化较大的情况，应考虑油液温度的动态特性对整个回路压力的影响.

4 解决方案

由于发生此类压力升高故障的几处液压锁紧机构，在轧机生产过程中，除了轧机震动外不受任何其他力的作用，而且液压缸全部都是水平安装方式，综合当时现场调试的条件，采取的临时改造方案是将双向液压锁一腔的阀芯掏出，使图1中液压锁右侧单向阀失效，不能保压.并更改电磁阀的得电模式，在生产过程中，电磁铁1.a始终保持得电，回路持续为液压缸无杆腔供压力油，保证锁紧缸的缸杆不会因为轧机震动而缩回.液压锁取消，封闭容腔无法形成，局部温升引起液体膨胀对回路压力的影响就不存在了，最终压力升高的问题得到解决.

在对此事故跟踪、论证、处理中，对此类设置液压锁的保压回路受到温度影响，出现的异常压力升高故障，总结出以下几种优化改造方案：

（1）取消原来的双向液压锁，改为单向液控单向阀，如工作辊轨道升降系统，在轧机工作时轨道靠自重就能处于安全位置，完全不需要单向阀保持位置，去掉后，压力自然就不再升高.

（2）在液压锁后增加安全阀，当系统压力超过安全压力时，自动卸荷，解决温度升高造成的液压缸压力升高问题.

（3）减小液压缸容积在密闭容积中的比重，即增大中间配管管径和长度，并使中间配管散热良好.

（4）在某些确定负载压力的液压锁回路中，可以在单向阀后增加减压阀，降低压力过载对系统元器件的影响.

最终改造方案：结合现场阀台的安装位置、作业空间以及回路要实现的设备功能，采用优化方案2，在液压锁后增加叠加式溢流阀作为安全阀，既保留了回路的保压功能，又避免了压力升高事故，彻底改良了轧机区保压回路的工作原理，改造后，应用效果良好.如图2所示.

5 结语

综上所述，在带有液压锁的液压回路中，必须要结合现场的实际工况，核算环境温度的动态特性对系统压力的影响，并根据回路需要实现的功能，在回路设计时，合理选择相对应的措施，配置合适的元器件.避免发生液体受高温膨胀后产生的压力变化，影响系统运行.

图2 改造后的液压缸原理