温度变化引起水利水电工程液压启闭机故障分析

әVb = α әt V 0
2 故障介绍及初步分析
华北某水库的输水洞液压启闭机于 2014 年 10 月份安装调试完毕， 最后启动液压启闭机是 2015 年 1 月 17 日， 是华北地区最冷的时候。在 2015 年 3 月 30 日， 发现液压缸支铰座与机架连接螺栓断 一个， 两个螺栓脱丝， 螺母退出， 支铰座与机架脱 离， 油缸支铰座中的轴承从支铰座中脱离出来， 液 压缸活塞杆弯曲， 而 2015 年 3 月 30 日， 又是华北地 区温度比较高的时间。通过对输水洞液压启闭机 图纸审查及现场启闭机初步故障排查， 此次故障 非运行操作失误， 初步分析为温度变化和制造安 装质量引起的故障。 2016 年 6 月， 河南省某水库输水洞液压启闭机 出现活塞杆弯曲故障。通过察看现场和与有关人 员进行沟通交流， 发现液压启闭机的两个截止阀 处于关闭状态， 活塞杆处于伸出状态， 闸门底止水 部分漏水严重。该输水洞液压启闭机最后一次运
胀系数为 α ， 那么当温度升高 әt 时， 其无杆腔液 （1）
液压油体积的增加直接导致液压油给活塞杆
一个向下的力， 使活塞杆继续移动， 假设无杆腔活 塞作用面积为 S ， 那么当无杆腔液压油体积变化 值 әVb 时， 活塞杆的位移量 L 为： L= әVb / S = α әt V 0 / S （2）
工程建设与管理
［文章编号］ 1002—0624 （2017） 11—0062—03
东北水利水电
2017 年第 11 期
温度变化引ห้องสมุดไป่ตู้水利水电工程液压启闭机故障分析
郑 莉， 耿红磊， 古小七
（水利部水工金属结构质量检验测试中心， 河南 郑州 450044）
［摘 要］文中通过介绍两个水利水电工程液压启闭机故障的实例， 分析了受环境温度影响液压启闭机产生故 障的原因， 并提出了故障的解决方法及避免出现类似问题的建议。 ［关键词］液压启闭机； 故障分析； 温度变化； 建议 ［中图分类号］ TV734 ［文献标识码］B
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2017 年第 11 期
东北水利水电
工程建设与管理
由公式 （1） 、 （2） 可以看出， 若此时活塞杆处于 自由状态的话， 活塞杆的位移量为 L ， 但是由于闸 门已经下降到底坎位置， 活塞杆不能移动。同时 由于液压油体积的增加， 而实际液压缸的活塞杆 是不运动的， 所以温度变化导致液压启闭机液压 系统压力在变化。启闭机无杆腔液压油的初始体 积为 V 0 ， 那么当温度升高 әt 时， 其无杆腔液压油 体积膨胀值为 әVb ， 但是由于活塞杆不能移动即 无杆腔的体积没有发生变化， 那么相当于液压油 的体积被压缩了 әVb ， 液压油压缩系数为 β ， 那 么因为体积压缩而产生的压力变化值 әP 为：
әP = әVb / β V 0
螺栓断裂现象 （此时连接螺栓与螺母连接的螺纹 拉力大于螺栓本身拉力） 或出现螺母从螺栓上脱 开现象 （此时连接螺栓与螺母连接的螺纹拉力小 于螺栓本身拉力） ， 最后造成液压缸支铰座与机架 脱离开， 支铰座中轴承从支铰座中脱离出来， 液压 缸向一边倾斜， 导致液压启闭机故障。另外， 不同 地区气候偏差较大， 所以安全阀压力设定也要因 地制宜。 同样依据上述原理， 河南省某水库输水洞液 压启闭机产生活塞杆弯曲故障的原因， 分析如下： 发生故障时液压启闭机的状态是活塞杆伸出， 闸 门处于完全关闭状态。根据液压油的温度特性， 此时液压缸无杆腔中的液压油体积处于最小状 态， 随着时间的推移和气温不断提高， 液压缸无杆 腔中的液压油体积逐步增加， 液压油体积的增加 直接导致液压油给活塞杆一个向下的力， 根据作 用力和反作用力的原理， 液压油同时传递到液压 缸缸体上一个向上的力， 而液压缸缸体受到的向 上力会传递到机架、 连接螺栓、 埋件和基础上。而 无杆腔中的液压油压力逐步增大， 理论上讲， 液压 油压力的增加会打开液压缸的无杆腔安全阀， 从 而保护液压缸不会受到损坏。但事实上是液压缸 上下腔通往安全阀油路上的两个截止阀处于关闭 状态， 导致液压缸无杆腔的压力传不到安全阀上， 安全阀无法打开， 随着液压缸无杆腔的压力逐步 增加， 液压油传到活塞杆的压力也随着逐步增加， 最终导致液压缸活塞杆出现弯曲现象。
（3）
度变化与压力之间的关系为：
әP = α әt V 0 / β V 0
将公式 （1） 中的 әVb 代入公式 （3） 中可得， 温 （4）
所以液压启闭机当活塞杆位置锁定时， 油缸
内的压力随温度升高而升高。所以为了液压启闭 机的安全运行， 在油缸系统中设置了安全阀， 该安 全阀的主要作用是： 当油缸的某腔压力超过安全 阀设定的压力时， 安全阀打开进行卸油减压， 保证 系统中的零部件进行安全运行。理论上讲， 随着 气温的不断升高， 液压系统压力不断增加， 液压缸 支铰座与机架连接螺栓受的拉力也不断增加， 当 液压系统压力增加到液压缸安全阀设定的压力值 时， 安全阀打开溢流， 液压缸无杆腔中的液压油回 到油箱中， 液压系统压力下降， 从而对液压启闭机 及其连接部件起到保护作用。 华北该水库输水洞液压启闭机出现以上故 障， 从现场情况分析看温度变化是引起故障的前 提条件， 但是该液压启闭机配备有安全阀， 且安全 阀是可以正常运行的。通过现场对故障仔细排查 发现， 液压缸支铰座与机架连接螺栓不符合设计 要求， 设计要求连接螺栓强度等级为 12.8 级， 而实 际连接螺栓有的强度等级为 8.8 级， 有的连接螺栓 没有标注强度等级。众所周知， 整个设备首先损 坏的应该是其强度最薄弱的零部件，在这台液压 启闭机设备中，液压缸支铰座与机架连接螺栓是 其薄弱环节 （理论上讲不应该成为薄弱环节） ， 当 随着气温升高而液压系统压力增加时， 连接螺栓 所受的拉力也在不断加大， 当液压系统压力还没 有升到液压缸安全阀设定的压力值时， 出现连接
1 概 述
2015 年 4 月， 参加华北某水库的输水洞液压启 闭机故障分析会， 故障主要表现在液压启闭机支 铰座、 机架的连接螺栓断裂及液压缸活塞杆弯曲； 2016 年 6 月， 参加河南省某水库输水洞液压启闭 机故障分析会， 故障主要表现在液压启闭机液压 缸活塞杆弯曲。
行是两星期前进行的， 工作人员将启闭机操作到 位以后， 并将两个截止阀关闭， 此时环境温度逐步 升高且昼夜温差较大。初步分析该输水洞液压启 闭机出现活塞杆弯曲故障的原因为温度变化和工 作人员操作不当造成的。
3 气温变化引起液压启闭机故障分析
通过对两个工程液压启闭机故障的初步分 析， 温度变化是引起故障的前提条件， 因此以此为 着手点将产生故障的原因分析如下： 华北某水库 的输水洞液压启闭机最后一次运行是 2015 年 1 月 17 日， 是华北地区最冷的时候。液压启闭机的状 态是活塞杆伸出， 闸门处于完全关闭状态。根据 液压油的温度特性， 此时， 液压缸无杆腔中的液压 油体积处于最小状态， 随着时间的推移和气温不 断提高， 液压缸无杆腔中的液压油体积逐步增加， 假设启闭机无杆腔液压油的初始体积为 V 0 ， 热膨 压油体积变化值 әVb 为：