0 引言
現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)對機加工設(shè)備的依賴性越來越高,如果設(shè)備故障停機導致連續(xù)化作業(yè)中斷,將直接影響企業(yè)的生產(chǎn)效率。 我公司自 2007年引進一臺由西班牙 Zayer 公司生產(chǎn) KPC 5000-AR 型數(shù)控龍門銑鏜床,自 2011 年 5 月至 2015年 5 月期間,多次出現(xiàn)油溫過高故障報警停機。
本文針對該設(shè)備的過熱問題進行分析并提出解決措施。
1 、KPC 5000-AR 型數(shù)控龍門銑鏜床簡介
如圖 1 所示,KPC 5000-AR 型數(shù)控龍門銑鏜床(以下簡稱龍門銑鏜床)主要由龍門架、床身、工作臺(工作 X 軸)滑枕(工作 Y 軸)、主軸(工作 Z 軸)、延伸頭、萬能頭、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成。
圖 1 KPC 5000-AR 型數(shù)控龍門銑鏜床
龍門銑鏜床包含啟動、換頭、定位和加工四個工況,其中,在啟動工況中工作臺和滑枕移到零點,換頭工況中程序根據(jù)加工件的類型而將刀頭切換為延伸頭或萬能頭,定位工況中工作臺將移到指定加工位置,加工工況中電機帶動刀頭加工工件。
圖 2設(shè)備改造前油源液壓原理圖
1.油箱;2.電機;3.齒輪泵;4.回油過濾器;5.單向閥;6.溢流閥;7.壓力傳感器;8.單向閥;9.卸荷電磁閥;10.壓力表
液壓系統(tǒng)用于主軸偏載平衡、刀具移動和刀頭夾緊,其中油源液壓原理如圖 2 所示。 P1、P2 和P3 對應(yīng)于各執(zhí)行器的壓力油口,電磁換向閥 9 作為加工工況中的卸荷閥
,在執(zhí)行轉(zhuǎn)頭、換刀等動作時加壓,待設(shè)備處于加工工況時卸荷。
2 、故障分析
液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量,一部分使油溫升高轉(zhuǎn)變?yōu)橛鸵旱膬?nèi)能,一部分經(jīng)油箱表面散發(fā)到空氣中去。 如果系統(tǒng)發(fā)熱大于油箱散熱能力,油溫就會持續(xù)升高。
圖3 油箱溫升曲線
圖 3 是設(shè)備過熱過程的實測油箱溫升曲線,測試環(huán)境溫度為 28℃。液壓系統(tǒng)油箱的長、寬、高尺寸為:a×b×c=0.24×0.22×0.36m,油液體積為 20L。 根據(jù)圖 3 所示溫升曲線和油液體積可計算出液壓系統(tǒng)發(fā)熱超出油箱散熱能力的功率為:
P=Cm△T/t=CρV△T/t (1)
其中,C 為油液比熱容,取值 1.97k J/(kg·K),ρ 為油液密度,取值0.855kg/L。 V 為油液體積 ,取值 20L,△T 為溫度升高值 ,取值 29℃,t 為溫升持續(xù)時間,取值 18000s,代入數(shù)據(jù)得超出散熱能力部分的功率為0.054k W。由圖 3 可以看出整個過程中油箱溫度上升平穩(wěn),另外考慮到加工工況時間占比最長,其余工況總時間占比很小,因此可初步認定熱量主要來自于加工工況。
加工工況下液壓油源處于卸荷狀態(tài),不對外輸出壓力,因此發(fā)熱原因可限定在油源部分,具體可能有以下兩個方面:
1)回油過濾器堵塞導致卸荷不徹底隨著使用時間累積,油液污染物會導致回油過濾器堵塞回油過濾器兩端壓差增大,使系統(tǒng)卸荷不徹底,引起發(fā)熱。
2)液壓泵效率降低導致的過熱設(shè)備從 2007 年投入使用,至 2011 年首次出現(xiàn)過熱故障,期間設(shè)備投入使用了約 5 年時間,齒輪泵在長期運行過程中可能會磨損、老化
導致效率降低,功率損耗轉(zhuǎn)化為熱量使油溫上升。為明確發(fā)熱原因,試驗人員將濾芯進行了更換,試驗發(fā)現(xiàn)更換濾芯后系統(tǒng)過熱并無改善,因此可認為齒輪泵效率降低是導致系統(tǒng)過熱故障的主要原因。
3 、處理方案
更換齒輪泵是較為直接的解決方法,但該機床為進口設(shè)備,從原廠購進齒輪泵成本高昂,且該齒輪泵安裝接口特殊,難以找到匹配的替代產(chǎn)品,因此考慮對原液壓系統(tǒng)進行改造,給油箱加入額外的冷卻系統(tǒng)來解決過熱問題。
圖 4 設(shè)備改造后油源液壓原理圖
1.油箱;2.離心泵;3.電機;4.齒輪泵;5.回油過濾器;6.單向閥;7.溢流閥;8.壓力傳感器;9.風冷卻器;10.單向閥;11.卸荷閥;12.壓力表 。
改造后的機床油源系統(tǒng)的實測油溫曲線原理如圖 4 所示,該散熱系統(tǒng)由一個離心泵 2 和一個風冷卻器 9 構(gòu)成。 其中冷卻器 9 的冷卻功率需大于根據(jù)式(1)計算出的多余發(fā)熱功率,因此冷卻器允許的最小當量冷卻功率 K 可通過式(2)計算:
其中 P 為根據(jù)式(1)計算的多余發(fā)熱功率,值為 0.054k W;T 為油箱熱平衡期望溫度,取值 50℃;T0為環(huán)境溫度,取值 28℃,代入數(shù)據(jù)后得到冷卻器的最小當量冷卻功率 K 為 0.002k W/℃。根據(jù)計算結(jié)果,選擇油/風冷卻器 HD0810T 作為散熱系統(tǒng)的冷卻裝置,該冷卻器適用油壓系統(tǒng)功率為 1.5-2.2k W,適用流量為 10-60L/min,在 20L/min
的流量下的當量冷卻功率為 0.09k W/℃,滿足要求;選擇離心泵 TCP-118 作為冷卻系統(tǒng)的循環(huán)泵,該泵的揚程為 12m。圖 5 為改造后的設(shè)備在加工工況下的溫升曲線。
結(jié)果顯示油箱油溫上升逐漸趨于平緩,最終在 45℃達到系統(tǒng)的熱平衡,油溫穩(wěn)定不再上升,沒有出現(xiàn)過熱報警現(xiàn)象,處理方案有效。
圖 5 油箱溫升曲線(改造后)
4 、總結(jié)
機加工設(shè)備的液壓系統(tǒng)在連續(xù)工作過程中容易發(fā)生過熱故障,導致設(shè)備停機無法連續(xù)工作。 本文以 KPC5000-AR 型數(shù)控龍門銑鏜床為研究對象,分析了其過熱原因,提出了增加冷卻系統(tǒng)的故障處理方案,結(jié)果表明,該方案能有效解決過熱故障問題,可為相關(guān)設(shè)備處理類似故障提供參考。