电液锤断裂失效分析

电液锤断裂失效分析

*37岁的工程师电液锤是改变产品的蒸馏水空锤。它以其高效、节能的主要优点获得了国内外用户的认可和喜爱。北京理工大学研制开发的DY系列电液锤是目前国内推广势头较为强劲的产品,约占国内已改锤总数的90%以上,覆盖了各种工况及几乎所有系列和规格的蒸空锤。北京理工大学研制开发和推广电液锤已有40多年的历史,从1958年开始开发高速锤,自1983年应用前期的科研成果开始开发蒸空锤改电液锤的“换头”技术。经过几代人的不懈努力使电液锤技术不断发展,到2000年第四代产品开发成功。历经几年的实践检验充分证明第四代产品在设备的可靠性、长期稳定性、安全性、灵活性、可维修性、整体寿命等方面有了明显的提高,系统生热量更少。下面作简单介绍。一、锤击力大的锤杆断裂问题稳定性是指设备在运行过程中的故障率的高低。北京理工大学的第三代电液锤产品基本上能满足各种锻造要求,但是对工况比较恶劣的锻锤,比如大工作量的模锻锤和冶金行业用于4班3运转的开坯产材锤,往往要出现以下故障:(1)锤杆从锤头中滑脱;(2)锤杆非正常寿命断裂;(3)锤杆的动密封寿命低;(4)关键部件的紧固螺栓易松;(5)主操纵阀到快放阀之间的连接管路开焊或断裂;(6)DAW型先导卸荷阀的电卸荷部分易坏;(7)泵的寿命低。上述问题,在第四代电液锤产品上集中得以解决。关于锤杆从锤头中滑脱,经过分析计算我们认为是由于打击时剩余能量引起的锤杆反弹使提升锥面表面应力过大而失稳造成的。实践也证明模锻锤和冶金产材锤这个问题比较严重,而普通自由锻锤这个现象几乎不存在。解决这个问题除了提高锤杆和锥套的表面硬度外,我们主要是采取增大承载面积来降低提升锥面的表面应力,使这个问题得以彻底解决。详见参考文献关于锤杆非正常寿命断裂,经过分析计算我们认为是由于偏心锻造时的弯曲应力和应力集中引起的。由于结构的需要,在锤杆端部的圆柱截面积发生变化,所以在该区域必定存在应力集中。如果应力集中点和弯曲应力较大的点重叠或接近,势必造成先从该点产生表面微裂,最终导致锤杆断裂。为解决该故障我们采取了3个措施:(1)减小锤杆截面变化,采用较大半径圆滑过渡,减小应力集中系数;(2)减小锤杆直径,降低在同样挠度下的表面弯曲应力;(3)使表面弯曲应力较大的点和应力集中点分开。通过以上3点措施,使锤杆在不改变材质和热处理工艺的条件下寿命有了大幅度提高。关于锤杆动密封寿命低,我们认为在不考虑油液清洁度和缸衬表面光洁度的条件下,活塞密封寿命低是由于偏摩擦和工作环境温度过高造成的;封下口密封寿命低是由于偏摩擦和锤杆弯曲使封下口塑性变形而破坏了密封间隙造成的。由于锻锤的偏心锻造,锤头与导板之间存在间隙,再有锻锤的几何精度偏差,故偏摩擦是不可避免的。解决的办法是提高导向性能:加长活塞长度;增加锻打时活塞与封下口之间的距离;提高封下口的强度、定位性能和耐摩性能;加强动力头的定位。另外在工作过程中,主缸气室的压力一般在3～5MPa,活塞的运行速度为7～9m/s,所以活塞密封圈工作时PV值较高,瞬间生热量较大。早期的动力头缸衬外边是气室,氮气又是热的不良导体,故活塞在运行过程中产生的热不能很快散掉,造成热量累积,缸衬温度过高,密封圈在较高的温度环境中连续工作,寿命就会大大缩短。实践也证明,对冶金行业开坯和产材的锤,由于连续工作时间较长,连击锤数较多,活塞上的密封圈寿命都比较短。为此我们在缸衬外边加了冷却套,通过低温介质流动将缸衬的热量带走。关于关键部件如主缸、副气罐、蓄能器的紧固螺栓松动,主要是由于锻锤打击时造成动力头震动和晃动引起的,解决的办法是将副气罐下部定位;将蓄能器位置下移,中间高度上夹持;将主缸的把紧螺栓力矩加大并改为弹性螺栓。所谓的弹性螺栓就是在螺栓外加一个等弹性的套,这就可以使螺栓适当加长,当螺栓内部应力相同时,长螺栓的弹性变形量增大。只要晃动引起的螺栓变形量不超过其预压量,则螺栓总是在受力,故不易松动。对封下口的螺栓也做了同样处理。关于连缸梁中主操纵阀到快放阀之间的连接管路开焊或断裂,我们在第四代产品中采用无管化结构彻底地消除了这个隐患。以前的动力头从主操纵阀到快速放液阀是由一根无缝管相连,两端焊接。这根管在工作过程中受交变载荷,锤头回程该管带载,锤头打击该管卸载,周而往复。由于管内油的流速较快,管中水锤作用也非常严重,所以对工况比较恶劣的锤就会出现管破裂和焊缝开裂的现象。由于这根管在动力头的箱体内部,一旦失效,很难修复,即使修复也很难保证质量,所以它就成为一个较大隐患,也是影响动力头寿命的主要因素。为解决这个问题,我们通过改变结构,将主操纵阀和快放液阀之间变为无管化连接,这样就彻底地消除了这个隐患,同时对提高锤头的灵活性也有很大好处。关于DAW型先导卸荷阀的电卸荷部分易坏和泵的寿命低,这个故障主要出现在冶金行业开坯产材的锤上。由于该工况的锤基本是连续打击,系统的直接供油量较大,这样往往会造成锤头回程时蓄能器的出油量小于锤头打击时泵补入蓄能器的油量,所以造成锤头每往复一次该阀卸荷一次,泵高压冲击一次,这样基本上每分钟卸荷60次以上,而且是连续工作,造成电卸荷部分易坏和泵的寿命低,同样的工况也严重影响了霍尔元件、出油软管的寿命。解决该问题的方法是合理配置泵的流量和霍尔元件的开关时间。对系统的用油量实时监控,当系统用油量多时用多台泵同时带载,当系统用油量少时对泵实施强行卸荷,这可大幅度降低泵的卸荷频次减少冲击,提高了泵和卸荷阀的寿命。另外,在目前所生产的电液锤产品中控制系统更完善,能够对系统的压力、用油量、主要软管及泵和阀的状态做到在线监测。系统一旦超压或失压电机会立即停转;根据系统的用油量自动调整电机的带载或卸荷状态,减少系统的卸荷冲击;泵体或高压油管一旦破裂系统会立即自动停机。二、火灾原因分析由于电液锤的驱动介质是油,存在着火的隐患,所以设备运行的安全性是首当其冲要重视的问题。有些生产厂家由于对锻锤的工况不很了解,生产的电液锤产品设计不尽合理,再有用户维护保养不及时,造成了几起严重的着火事件。我们在第四代产品上对设备运行的安全性作了更为周到的考虑。电液锤引起火灾的故障点主要有3个:(1)主操纵阀的高压进油软管拔脱或爆破。解决的办法是首先系统设超压保护,不允许超过设定压力;其次系统设失压保护,当软管—旦拔脱或爆破,电器系统能及时关闭所有电机,另外要防止蓄能器的油倒流;(2)封下口脱落。解决的办法是在缸衬底部装一个倒套,使其只能从连缸梁的上口安装,这样就再不会有封下口脱落引起火灾的问题发生;(3)锤杆一旦从中部断裂后回程,这样就会使蓄能器和管路系统的油从锤杆的下出口喷出而引发事故。解决的办法是利用系统的失压保护,一旦问题发生,电器系统能及时关闭所有电机。三、锤头过滤的工作电液锤在能源利用率方面远远优于蒸空锤,在维修量上目前也不高于蒸空锤,蒸空锤上能生产的各种锻件电液锤也都能生产,唯一不足的是在锤头的灵活性方面还和蒸空锤有差别。由于油的流动性远不及气体的流动性,要想使电液锤达到蒸空锤在额定气压下的锤头灵活性还有一些必要的工作要做。DY系列电液锤和蒸空锤相比重击频次慢的主要原因是回程时间长,这是因为锤杆活塞上腔有密闭的氮气阻尼。要想回程快就必须保证系统充足的供油量和较大的剩余压头,使回程加速度增大,但其带来的负面效应是撞顶严重,所以我们将缓冲缸和蓄能器的气腔连同,使其压力匹配,提高了防撞顶的可靠性。在结构方面通过改变主操纵阀的结构提高随动性,减小阀口的掩盖量提高控制的灵敏性,将主操纵阀和快放阀无管化连接,缩短高压液面与快放阀执行元件的距离,缩短快放阀的反应时间,消除管道容积效率的影响和惯性排空,使高压油尽可能多地做有用功,这些措施都对提高锤头的灵活性有非常好的效果。四、蓄能器的容油量控制北京理