某带卷运输步进梁升降液压缸损坏分析

1 故障现象描述

某轧钢厂连杆式带卷运输步进梁升降采用电液换向阀控制，液压缸驱动连杆升降步进梁。液压系统原理图如图1所示。电液换向阀C型号为：4WEH22J-7X/6EG24N9KE/B08 P4，5，电磁铁a得电步进梁下降，电磁铁b得电步进梁上升。该步进梁所属液压系统泵站共有4台A4VSO180液压泵，开4备1，系统压力为12 MPa。步进梁的移动横梁空载质量约为15 t，最大满载质量约为182 t。步进梁升降液压缸规格参数为 φ300/200×485（缸径/杆径×行程），压力等级 16 MPa。

图1 步进梁升降液压系统原理图

该步进梁自投产以来，频繁发生升降液压缸缸头压盖螺栓断裂，压盖及导向套崩出的现象。更换新升降液压缸使用不到2个月，相同故障再次出现，严重制约生产。液压缸故障现象图解见图2[1]。

图2 液压缸故障现象图解

2 故障原因分析

2.1 原因分析

步进梁上升到位，电液换向阀电磁铁b立即失电，阀口瞬间关闭。由于步进梁质量较大，使得阀口关闭后步进梁在巨大的惯性作用下仍有上升趋势。短时间内，液压缸有杆腔及管路内的油液被急剧压缩，造成有杆腔内压力迅速升高。经现场压力实测，步进梁上升到位后液压缸有杆腔压力可达17 MPa，有时甚至更高。而液压缸压力等级为16 MPa，超过其承压范围是造成液压缸损坏的直接原因。

2.2 受力计算

根据图2所示，升降液压缸损坏时，缸内压力作用在导向套上，导向套与压盖将力传递给压盖螺栓，压盖螺栓受力后断裂造成压盖及导向套崩出，液压缸损坏。

导向套承压面为圆环形，内径d为200 mm、外径D为240 mm（说明：内径、外径均为名义直径，此处不计公差）。液压缸缸头内孔直径D1为220 mm。导向套的实际承压面积是液压缸活塞杆与缸头内孔中间的环形部分，具体为：

步进梁上升到位后液压缸内困油压力按17 MPa计算，那么导向套实际受力：

也就是说，在步进梁上升惯性作用下，缸头压盖螺栓承受的冲击载荷为112.15 kN，有时甚至更大。压盖螺栓为6支8.8级M8的内六角螺栓，单支螺栓的保证载荷为21 200 N[2]，压盖螺栓总保证载荷为127.2 kN。

在步进梁运行过程中，压盖螺栓所受冲击载荷112.15 kN接近总保证载荷，并且频繁发生，导致压盖螺栓疲劳断裂。最终造成了步进梁升降液压缸的损坏。

由于升降液压缸更换困难，每次压盖、导向套崩出后只能将其复位后继续使用。

3 解决方法

根据步进梁升降液压缸的损坏原理可以从以下几方面着手解决。

3.1 提高升降液压缸耐压等级

使用压力等级为25 MPa的升降液压缸。液压缸的压力等级远高于17 MPa，可完全避免液压缸损坏。由于现场安装空间等因素限制，无法使用压力等级为25 MPa的升降液压缸。

3.2 降低步进梁上升的惯性

采用电液比例换向阀控制步进梁升降。使用电液比例换向阀能实现步进梁上升由工进到慢进的转换，能有效降低步进梁上升的惯性。由于现场条件限制，改为比例控制短期内难以实现。

3.3 液压系统改造

在使用高压力等级的液压缸以及改为比例控制难以实现的情况下，考虑对现有步进梁升降系统进行改造。

根据原理图（图1），步进梁上升后释放有杆腔压力不会导致步进梁高度位置的变化。如果能够及时降低升降液压缸及管路中由于上升惯性升高的压力，便能达到保护升降液压缸的目的。因此，可采用给有杆腔一侧加装溢流阀的方法，限制有杆腔最高压力，保护升降液压缸。将溢流阀块安装在节流阀与主阀块之间，改进后的液压系统原理图如图3（a）所示。选用的插装溢流阀型号为：DBDS10K18/200，调定压力15 MPa。依据换向阀安装底板[3]，设计并制作了一个插装溢流阀阀块，如图3（b）所示。改进后的步进梁升降控制阀组如图4所示。

图3 改进后的步进梁升降液压系统原理图

图4 改进后的步进梁升降控制阀组外形

当步进梁由于上升惯性导致升降液压缸有杆腔压力超过15 MPa时溢流阀开启，B口与T口连通，使升降液压缸有杆腔及管路中的液压油能够及时卸压，将液压缸有杆腔压力控制在15 MPa以内。

改造完成后，步进梁上升到位后液压缸内困油压力按15 MPa计算，那么导向套实际受力为：

为进一步降低液压缸缸头崩出的风险，将液压缸缸头压盖螺栓更换成为6支8.8级M10的内六角螺栓，单支螺栓的保证载荷为33 700 N[2]，压盖螺栓总保证载荷为202.2 kN。改造完成后，步进梁压盖螺栓的总保证载荷远大于导向套实际受力，为其两倍左右，有效地避免了升降液压缸压盖崩出的故障。

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