大型数控机床液压系统串流故障的诊断与排除

2019-05-13贾亮亮石晓东

中国重型装备 2019年2期

贾亮亮许卫石晓东张熙

(太原重工股份有限公司轧钢设备分公司轧钢厂，山西030024)

大型数控机床是我国装备制造业发展的重要基础，其工作性能和加工精度直接影响着企业的生产效率和产品质量。目前，我国高端数控机床多数仍依赖进口，并广泛应用于冶金、家电、汽车、航空等领域关键零部件的制造。数控机床是集机械、液压、电气、控制于一体的复杂系统，因此系统故障率相对较高，且多数故障将导致设备停机，若无法及时对故障进行诊断和排除，将为企业带来较大的经济损失。

液压系统是数控机床的重要组成部分，主要负责主轴刀具夹紧与防松、主轴变档、各轴夹紧、静压平衡等，因此，液压系统的多数故障都将直接影响机床的正常工作，并对加工中零部件的尺寸精度造成不良影响。由于大型数控机床的液压系统动作执行机构较多，控制精度要求较高，因此系统组成异常复杂，且液压元件安装位置隐蔽，更加大了故障维修的难度[1-3]。另外，发生液压系统故障前一般不会有明显征兆，无法有效的预防，因此当故障发生时，对故障的排除时间要求显得尤为紧迫。

1 液压故障的诊断

近年来，液压故障的排除理论和方法层出不穷，包括功能跟踪筛选法、故障树分析法、逻辑链分析法等。以上方法可对复杂液压系统的事后故障进行准确分析，但缺点在于所需检测设备和收集数据较多，分析时间长，且理论性强，不便于现场实际操作。尤其是在数控机床液压故障的抢修过程中，以上诸多方法显得尤为繁琐和不适合[4-5]。

结合多年的工作经验，对大型数控机床液压故障的现场维修应符合以下基本原则：

(1)液压故障的现场抢修是降低停机损失的权宜之计，目的是用最短的维修时间和最少的工作量来恢复或部分恢复液压系统功能，以保证在生产高峰期的设备稳定。

(2)液压故障的诊断和排除需综合利用机械、电气、液压等各方面的技术，通过特殊操作、工装等，以最快速度找到故障点。

2 机床故障的识别与处理

捷克HD200WD镗铣床是太重轧钢厂进口安装的大型关键设备，承担着多种关键零部件的精加工任务。在某设备机架内孔加工过程中，机床突然停机，主轴制动，主轴箱平衡功能失效，运动中的刀具直接撞向工件加工表面，导致刀具损坏，零件扎刀，且损坏刀具无法拆卸。

故障发生后，在安全位置开机调试，但停机故障仍在几分钟后发生。电气系统各动作正常执行，保护装置完好，设备无异响，因此初步排除电气和机械故障，由此判定为液压系统故障。

检查发现，主轴箱液压系统的保压状态时间过短，油泵频繁启停，开机后油温在1 h内升至80℃，导致液压油粘度降低，且系统工作压力由正常工况下20 MPa快速降低至12 MPa以下，触发主轴油压保护机制。紧急更换备用油泵后，油温升高问题未能解决，因此分析可能是系统中其余各阀体的串流故障所致。

3 串流故障位置诊断

3.1 串流故障发生原因

液压系统串流是指液压回路中，部分位置的液压油未按设计回路流通而进入其它管路，引起相关液压回路快速失压或压力波动的故障。引起串流故障的原因包括两类：

(1)液压回路中的电磁换向阀、溢流阀、顺序阀等阀体，即与压力油路连接，又与回油或其它管路连接，因此当阀体的电磁或液控单元出现故障，或控制信号发生错误时，都可能使阀芯的实际位置发生错误，并引起压力油路、回油路或其它管路之间异常接通。

(2)当阀芯磨损出现内泄时，也会引起油路的异常连通。

3.2 传统隔离法的应用

寻找串流故障点的传统方法包括隔离法、替换法等，其中隔离法尤其适合生产现场阀体故障的抢修。隔离法是指从液压回路起始端开始，通过工装压板堵塞阀体等方式，使单个阀体依次与回路断开，然后检查回路的保压情况，逐一排查，直至回路可正常保压，说明当前堵塞的阀体内部存在串流现象。

图1为HD200WD镗铣床主轴箱液压系统原理图，其中包括1处溢流阀、1处手动截止阀及9处三位四通阀，阀体数量较多，若全部采用传统隔离法进行诊断，其缺点在于：

(1)对于具有多个液压元件的回路，需对各阀体逐个排除，工作效率低。

(2)对于被检测的每个阀体，都需要经历打压和保压两个阶段，浪费大量时间、人力和物力，不利于成本节约。

(3)隔离法无法对阀体的具体故障原因进行检测。但是，在液压系统发生故障时，可通过隔离法快速地对故障频发点进行隔离检测，排除或确认故障频发点的实际工况，然后再配合其它方法对其余各阀体进行检测。

图1 HD200WD镗铣床主轴箱液压系统原理图Figure 1 Principle diagram of hydraulic system for headstock of HD200WD boring and milling machine

经研究，决定首先采用隔离法对溢流阀、手动截止阀进行检测，然后再利用其它方法对9处三位四通阀进行检测。针对溢流阀、手动截止阀的油口分布尺寸，制作了专用的压板工装，分别堵塞相应回路进行检测，保压1 h后，压力为18 MPa，无显著下降，因此可排除溢流阀和手动截止阀的故障。

3.3 三位四通阀检测方法创新

针对隔离法存在的问题，决定对所有的三位四通阀进行拆卸检测，传统操作方法是将阀体拆下来，把阀芯人为手动推到中间位置，然后依次向各油口内注油，隔一段时间后观察其液面是否下降，由此来判断其是否泄漏。该方法为不带压检测，因此准确性差。对此，设计了三位四通阀专用检测工装。

该检测工装由手动液压泵、带测压表的专用检测阀体以及DC24V控制电源组成。带测压表的专用检测阀体如图2所示。手动泵直接接在检测阀体的进油口，进油口与检测阀体的P′口相通。检测阀体上一侧端面上的P′、T′、A′、B′四个口分别对接被测电磁阀的P、T、A、B口，两者之间螺栓连接；检测阀体上的出油口与T′口相连，A′口与测压表1相连，B′口与测压表2相连。由手动泵给检测阀体供油，用DC24V控制电源分别给被测阀体左右电磁铁供电。

图2 三位四通阀专用检测阀体

图3 检测原理简图

检测原理简图如图3所示，该套工装的使用方法如下：

(1)当左侧电磁铁得电时，手动泵将液压油由P′口注入被测电磁阀的B腔和检测阀块的B′腔，则2号测压表可显示以上两腔的压力；当左侧电磁铁失电时，阀芯处于截止位，正常情况下，表2仍可保持压力，这时可根据表2显示压力是否有变化，来判断电磁阀B腔是否有串流。

(2)当右侧电磁铁得电时，电磁阀的B腔和检测阀块的B′腔与检测阀块的T′口接通，则以上两腔液压油从回油口排出，表2压力值回零；此时，开动手动泵，可将液压油由P′口注入被测电磁阀的A腔和检测阀块的A′腔，则1号测压表可显示以上两腔的压力；当右侧电磁铁失电时，阀芯处于截止位，正常情况下，表1仍可保持压力，这时可根据表1显示压力是否有变化来判断电磁阀A腔是否有串流。