并流蓄热式竖窑液压系统故障浅析及优化

年 月 第 卷 第 期 机床与液压 收稿日期 作者简介 胡海峰 男 学士 助理工程师 主要研究方向为化工机械及工业窑炉 并流蓄热式竖窑液压系统故障浅析及优化 胡海峰 王一方 李来广 郑州中能冶金技术有限公司 河南郑州 摘要 针对国内某厂煅烧白云石并流蓄热式双膛竖窑液压系统出现的故障 重点对其生产中出现的系统油液高温现象 进行分析并核算系统散热功率 给出解决上述问题的方法 为该类故障处理提供借鉴 以及对竖窑液压系统优化设计提供 参考 关键词 并流蓄热式竖窑 液压系统 散热核算 优化设计 中图分类号 文献标志码 文章编号 并流蓄热式双膛竖窑 以下简称竖窑 是用于 煅烧石灰石 白云石 菱镁矿等矿石的轻烧窑 它 以热耗量低 煅烧产品质量好 自动化程度高等特 点在世界范围内得到了很大发展 目前 我国已从 国外公司引进几十座不同规格的竖窑 随着引进技 术的不断成熟 其技术改进并国产化在国内日臻完 善 文中阐述竖窑技术国产化中存在的液压系统问 题 并针对具体问题进行分析和处理 为该类窑炉 技术引进 技术优化中的设计欠缺和实际生产过程 存在的故障提供借鉴 避免对生产运行造成较大的 经济损失 设备概况 该竖窑是我国首例优化设计并成功运用于冶金 行业金属镁生产企业的煅烧白云石轻烧窑 白云石 矿经过竖窑的高温煅烧获得产品煅白 煅白是硅热 法炼镁企业的主要原材料 目前每生产 镁锭约 需要 煅白 因此煅白品质的好坏直接影响着 金属镁企业的产量和成本 然而窑炉的稳定性是保 证煅白品质的关键所在 直接影响着白云石的烧损 率 煅白的酌减量和水化活性度 金属镁生产的还 原过程中对煅白严格要求 以下的酌减量和 左右的水化活性度 尤其要求竖窑具备连续稳 定的白云石煅烧环境 其稳定精准的投料 出料等 是达到理想煅烧环境的重要环节 山西省某采用硅 热法炼镁的金属镁企业 年 月煅烧白云石竖 窑进入调试阶段 该窑内设备进出料及料位检测等 均采用液压作为控制动力源 然而在调试过程中其 液压系统不断升温 油温甚至超过 油品颜 色发黑 液压系统运行时表压为 无法达 到工作压力 各液压控制设备均处于无法工 作状态 部分液压阀台有漏油现象 我方技术人员 到达设备现场后要求相关调试人员采取紧急措施 由于窑内白云石煅烧温度高且停窑重新点火时间周 期长 成本高 故采取降温间隔时间出料的方法 快速排查故障 并针对液压系统出现的高温 低压 现象进行分析处理 经过缜密的排查和分析 当天 更换部分液压元件后压力回升至正常工作压力 然 而运行后系统依旧持续升温 故从液压系统设计上 分析问题 经研究 采取相关整改措施后液压系统 压力稳定且油温正常 然而由于设计优化的欠缺 依然存在不必要的能耗 液压系统具体设计参数见 下表 表 液压系统参数 额定压力 油箱容积 额定流量 油品清洁度 主电机额定功率 电气等级 工作介质 工作温度 由于文中阐述液压系统中存在的具体问题 故液 压系统原理图全部图纸及资料不予赘述 只针对文中 涉及部分相关原理图给出简图以探讨和研究 液压站 原理图见图 图 液压站原理图 液压站主要元件参数见表 表 液压站主要元件参数 名称型号主要技术参数 液压泵 额定压力 排量 容积效率 为 总效率为 冷却器 冷却面积为 循环泵 额定压力 排量 容积效率 为 电磁溢流阀 最高使用压力 最大流量 溢流阀 最高使用压力 最大流量 蓄能器 公称容积 公称压力 工作温度 故障分析 压力异常分析 液压系统在较高油温的情况下一直处于低压状 态 到达现场后立即停止液压泵工作并使系统泄压 同时保持液压循环泵的正常运行 尽可能地让油箱内 油温下降 检查所有系统全部管路 经查找虽有几个 漏油点但漏油量不大 不构成较大压力损耗 立即查 找漏油点原因随后更换漏油点 型密封圈并紧固 各结合面 当油温降低至 左右重新开启液压泵 开启后运行存在以下现象 号液压泵运行平 稳 调整电磁溢流阀调压手轮但电磁溢流阀前压力 下文简称阀前压力 依旧保持 左右 各管 路并无漏油点 出油管路油温为常温 关闭 号液压泵后开启 号液压泵 阀前压力依旧处于 左右 出油管路油温正常 液压油颜色呈 棕红发黑色 电磁溢流阀温度上升较快 调整 溢流阀调压手轮无效 主回油管路 溢流阀回 油管路管壁温度正常 综合上述现象判定液压泵工作 正常 主回路上部各类阀及油缸无较大内泄现象存 在 故此处电磁溢流阀故障 停止系统运行 更换电 磁溢流阀 更换后压力快速升至 重新调整 电磁溢流阀手轮 阀前压力设定为系统工作压力 液压系统运行 竖窑各执行机构工作正常 油温增高分析 液压系统开启在额定工作压力下运行 油箱内油 温上升 升温呈现线性波动状态 且升温很迅速 经 第 期胡海峰 等 并流蓄热式竖窑液压系统故障浅析及优化 过分析后 改用电磁溢流阀 在执行元件液压油需 要较少且蓄能器可以供给时将主泵多余的油液依靠电 磁溢流阀卸荷导入油缸 运行 左右油温在 左右温升开始变慢 温度波动曲线平缓 液压站各元 件均正常 处于观察阶段 待 后观察油箱温度 计 油温显示 检查现场并迅速停泵 查看自 控温度记录曲线图 温度呈现线性增长态势 经查看 发现以下现象 系统压力稳定 但泵运行声音 中有较小异常杂音 油温短时间内一直上升 出油主油路管道 回油主油路管道和溢流阀回油管路 的管壁温度均较高 计算机系统监控记录显示 主泵进入观察阶段后有停泵重启记录 重启后冷却水 循环泵运行但电磁水阀 处于关闭状态 温 度升高超出 此值为现场擅自设定 时系统未 报警和强制停机 致使中控操作人员未察觉异常 整个运行阶段内液压泵一直运行 溢流阀温度 过高 初步认为 油温升高是冷却循环问题 电磁水阀 关闭冷却水无法进入冷却器 同时循 环泵工作不断将油箱内油液经循环齿轮泵泵出过程产 生一定的热量 油箱内油液一直经主泵通过单 向阀进入出油主油路和电磁溢流阀 当窑内执行元件 不动作或需要的供油量小于主油泵的排量时 有相当 一部分液压油直接经过电磁溢流阀的回油口排入油 箱 在电磁溢流阀的回油口处大量油液在 的 压力下做功产生大量的热量 溢流阀人为造成 的不当调整 使经过电磁溢流阀后的液压油中有一部 分油液经过紧随其后的安全溢流阀排回油箱 产生的热量中大部分经叠加由回流液压油吸收并带回 油箱 油箱外壁在自然通风状态下散热 自然散热方 式无法及时冷却大量热量从而导致油温急剧升高 再 次停泵 降温 运行后 油箱油温升温依旧呈现线性 波动状态 简化后的观测时间温度对应值见表 表 观测的时间温度对应值 由表 可以看出 运行初期温度上升较快 升温 速度不断减缓达到一定值并保持在一定范围内 夜间 环境温度降低对油温冷却有一定的帮助 运行中温度 反而下降 液压系统设计正常工作时油温保持在 内 当温度传感器检测到油温低于 时开始 启动加热装置加热油液 当油温高于 时停止加 热 油温高于 时循环冷却器启动 并于油温低 于 时停止运行 油温高于 和低于 均 系统报警 并发出紧急故障信号 虽然现场实际存在 系统控制程序与任务设计书要求不符合等人为非恶意 事件 但是系统油温过高仍是整个液压系统关键 问题 原设计要求蓄能器起辅助动力源作用 液压泵每 运行 后停泵 停泵时间内液压系统执 行元件的动力源由蓄能器提供 然而实际系统配备的 蓄能器在充入 氮气后循环过程中最长运行维 持时间仅几分钟 进行蓄能器校核计算其值与实际接 近 远偏离设计初衷 蓄能器维持系统压力时间较 短 如果为不断满足系统压力则每隔几分钟启动一次 电机 将使主电机启动过于频繁 由于电机启动时启 动电流大 发热量大 频繁启动会导致电机温升过高 甚至烧毁电机和接触开关等 因此不予考虑 蓄能器 容量不足 长时间运行主油泵 泵的排出侧为高压 在溢流阀内部从高压降到接近大气压的低压过程中 产生与该压力差成正比 与该时流量大小成正比的热 量 使液压油的温度上升 当执行元件不做功时必然 使液压油的温度异常升高 即液压油流经阀腔的小孔 流道油分子之间的摩擦和扰动 使油液的一部分机械 能耗散为热能 导致熵产生与不可逆的功损耗 下面进行液压站油液冷却验算 整个液压系统各部分所产生的热量 在开始时一 部分由运动液压油及装置本体所吸收 较少一部分向 周围辐射 当温度达到一定值后 散热量与发热量相 对平衡 系统保持一定的温度不再上升 若只考虑油 液温度上升所吸收的热量和油箱本身所散发的热量 时 系统温度 随运行循环时间 的变化关系如下 式中 为系统的发热功率 为油液温度 为 环 境 温 度 当 地 年 最 高 温 度 为 为油箱散热面积 该处油箱面积为 为液压油的比热容 取值 为油箱中油液的质量 为系统运转时间 为油箱的传热系数 由于 周围通风较差 文中取 当 时 系统的平衡温度为 将文中的参数代入式 计算出 的 值远大于设计要求的温度数值 维持系统正常必须强 机床与液压第 卷 制冷却这部分热量 系统的发热功率 该液压系统中的功率损失主要以热的形式消耗 掉 依据能量守恒定律进行热量衡算 可概略认为液 压系统中的功率损失是系统的发热功率 即液压 泵 阀 管路和其他功率损耗的总和 液压泵功率损失 式中 为液压泵的输入功率 为液压泵实际出口压力 即表压 为液压泵实际流量 为液压泵总效率 为 结合上文已知参数可计算 计算步骤不予赘述 将上述参数代入式 计算出 溢流阀功率损失 电磁溢流阀的电磁阀一直处于关闭状态 如果整 个系统液压缸无动作时全部液压油经过溢流阀阀腔的 小孔流道返回油箱 其功率损失最大 即电磁溢流阀 全损耗功 由于返回油量 为液压泵实际排出流量 电磁 溢流阀的调整压力 为表压 故代入式 计算 出 竖窑整个循环周期为 个窑膛的分 别燃烧和分别蓄热过程 液压系统在竖窑的一个工作 循环周期 内发生 个周期的工作过程 其每 一个周期中的总流量约为 该计算过程文中不 赘述 实际运行中油液是不断经过电磁溢流阀换向 进入主油路 假定每一个周期中的总流量是均匀地进 入系统 可粗略知道系统有用功 即 式中 为液压系统压力 即主油路表压 为进入主回油油路的液压油流量 将上述参数代入式 计算出 管路和其他功率损失 由于该项损耗包括的因素较多 加上管路的散热 关系 其取泵输入功率的 倍 即 系统的发热功率损失为 冷却器校核 遵守能量守恒定律 体系能量的变化等于与外界 环境交换的净能量 那么系统的发热功率损失 将 以与外界环境的热辐射 热传导形式消耗 由于整个 液压站涉及的因素较多且其因素影响较小 可忽略考 虑 故文中假设系统的发热功率损失全部以油箱散热 和液压站冷却器强制冷却的方式消耗 由上述式 可知 系统温度 随运行循环时间 的变 化而变化 油箱内油液温度也是一个变量 换热计算 是一个繁复的过程 便于由原始设计要求校核冷却器 的换热流量 由于油箱油温高于 为系统报警温 度 则该温度为系统最高允许平衡温度 那么代 入上述式 计算可知油箱允许最大散热功率为 冷却器强制冷却带走的总热流量 冷 冷却器的选择主要是根据交换热流量 确 定换热面积和冷却水量 如下 冷 冷 式中 冷为冷却器散热面积 为 冷却器传热系数 原系 统选用多管式冷却器取值 为液压油与水之间平均温度 为 液 压 油 进 入 冷 却 器 温 度 取 值 为 液 压 油 流 出 冷 却 器 温 度 取 值 为循环水进入冷却器温度 取值 为循环水流出冷却器温度 取值 将上述参数代入式 计算出 冷 由于其工作过程中铁锈和油污的存在 选 型时数值应增大 倍 假设工作中冷却器吸收的热 流量等于液压油放出的热流量 那么必须保证有一定 的介质流量来满足 即 冷 式中 分别为液压油及冷却水的比热容 分别为循环液压油及冷却水的流量 分 别 为 液 压 油 及 水 的 密 度 将上述参数代入式 分别计算出 和 现场实际进 第 期胡海峰 等 并流蓄热式竖窑液压系统故障浅析及优化 入冷却器的供水流量 水和进入冷却器的液压油流量 即循环泵的实际排量 油 水 式中 为引入冷却器进口水管道内的流速 为引入冷却器进口水管道的内径 根据式 并结合上文已知参数可计算 水 油 可以看出循环 泵的排量满足设计要求 冷却器的实际冷却供水流量 远远小于设计要求换热所需的流量 油温降低措施及处理方法 随着系统运行 冷却器无法冷却主油泵一直工作 时油箱中的热量 大量热量积聚于油箱油液中 势必 使油温不断攀升 并趋于发热量与散热量的相对平 衡 每当油箱与外界散热达到超过报警温度下的热平 衡 系统的持续升温导致如油液黏度降低 执行速度 变快等不正常现象的发生 文中暂且不研究冷却水水 温带走热量给液压站油箱油液热量交换过程的关系 只针对此工程出现现象概略说明 考虑尽量维持原系 统设计 分析后将电磁溢流阀作为开启主泵前的卸 荷 电磁溢流阀可以在执行元件液压油需要较少且蓄 能器可以供给时将主泵多余的油液依靠电磁溢流阀卸 荷直接导入油箱 由于该时间内泵至溢流阀间的压力 几乎为大气压 则产生热量极小 除去主油泵的有用 功 可认为该循环周期中阀内部不产生热功率损失 参见上述知作为主要热源的阀将减少大幅热量 由公 式 可知 当压力几乎为零时 阀的损失功也几 乎为零 则依靠电磁溢流阀的电磁阀换向系统总的功 率损失即为 事实上无法做到电磁溢流阀的 电磁阀达到理想中的泄压 假定实现 该数值 在流量动作时间表中完全可以实现 的理想泄压 那么功率损失即为 阀 此时的系 统功率总损失为 需要冷却器强制冷却 带走的总热功率 冷 代入上文相关公式 计算出此时原配套冷却器在不改变原供水量时循环水 可吸收 的热功率 校核该冷却器吸收总热 功率 冷需要的换热器面积 计算 冷 选 型面积应为 倍的计算面积 则原设计 的 换热面积明显不能满足冷却要求 供水量满足而换热 面积不足 同样会导致一部分冷却器无法带走的热量 回油箱散热 依然使油液缓慢升温 渐渐高于警戒油 温 与上文实际观测数值趋势基本吻合 综上所述 采用快速 低成本方法实现满足原设 计要求的可靠降温 首先合理调整系统执行液压缸控 制方案 依据合理的控制方案来达到电磁溢流阀的电 磁阀及时换向 在此基础上增加冷却器换热面积保证 系统运行油温始终在设定警戒线以下 即 增加一台 换热面积为 的小型多管式冷却器或增加 换 热面积的蛇形管来换热达到原设计任务书的要求 该 企业最终采用循环泵冷却油出口至油箱入口