液壓伺服控制系統(tǒng)故障分析及預(yù)防
2026-01-26徐如民
（六安鋼鐵控股有限公司，安徽六安 237462）
摘 要：本文以某鋼鐵公司1580帶鋼廠卷取機(jī)1#助卷輥為例，介紹液壓伺服控制系統(tǒng)故障原因分析，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施,保障助卷輥液壓伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性，對助卷輥液壓伺服控制系統(tǒng)故障的預(yù)防起到了一定作用，提高液壓缸及相連的機(jī)械設(shè)備的使用壽命。
關(guān)鍵字：伺服系統(tǒng)；故障；分析；預(yù)防
1 液壓伺服控制系統(tǒng)及卷取機(jī)助卷輥概述
液壓伺服控制系統(tǒng)在冶金行業(yè)帶鋼生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，AWC、AGC、活套、彎輥、側(cè)導(dǎo)板、夾送輥、助卷輥等控制系統(tǒng)中都采用伺服系統(tǒng)，而伺服閥決定了伺服系統(tǒng)的性能和板帶質(zhì)量。液壓伺服控制系統(tǒng)作為機(jī)械、電氣自動化、液壓及生產(chǎn)工藝技術(shù)相結(jié)合的高精密系統(tǒng)，綜合了多方面的特點，具有控制精度高，響應(yīng)速度快，信號處理靈活，輸出功率大和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，維護(hù)難度較大等特點。如何提高伺服控制系統(tǒng)的可靠性致關(guān)重要，保證控制系統(tǒng)準(zhǔn)確快速穩(wěn)定的工作有重要的意義。
1580帶鋼廠鋼坯卷鋼過程，當(dāng)其頭部咬入精軋機(jī)組F1、F2或F3時，卷取機(jī)已經(jīng)處于準(zhǔn)備工作狀態(tài)。此時，助卷輥圍抱卷筒，在液壓伺服控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)控制下，助卷輥與卷筒之間保持帶鋼咬入厚度的1.5倍。帶鋼進(jìn)入卷取機(jī)時，借助導(dǎo)板裝置，在助卷輥和卷筒之間形成封閉路徑，使帶鋼按順序卷上卷筒。在帶鋼卷入卷筒的頭1圈后，助卷輥進(jìn)行踏步控制，帶鋼卷上3-5圈后，助卷輥全部打開，進(jìn)入正常的卷取狀態(tài)，帶鋼在卷筒和精軋機(jī)之間形成穩(wěn)定的張力。帶鋼尾部離開F7精軋機(jī)時，助卷輥合攏，并壓住外層帶卷，直到卸卷時打開。見示意圖（圖1）。
圖1 1580帶鋼廠卷取設(shè)備示意圖
2 卷取機(jī)助卷輥液壓伺服控制系統(tǒng)的工作原理
卷取伺服液壓站主要設(shè)備為五臺 （四用一備）斜盤式恒壓變量柱塞泵，系統(tǒng)正常工作時主泵排出的壓力油通過泵出口的三通分為兩路：一路為主油路，壓力為21Mpa；另一路為減壓控制回路，壓力降為12Mpa，專為伺服閥先導(dǎo)部分供油。軋機(jī)正常工作時，主油路的壓力油經(jīng)過伺服閥控制液壓缸工作，以達(dá)到卷取機(jī)助卷輥定位和控制板坯卷型的目的；當(dāng)軋機(jī)停機(jī)檢修時，伺服閥關(guān)閉，旁通回路打開，主油路的壓力油通過電液換向閥來控制液壓缸到檢修位置；當(dāng)正常軋鋼時，按照助卷輥的位置需求打開，至最大位或保持與帶鋼厚度1.5倍的輥縫定位等待卷鋼，此時，伺服閥打開，旁路回路電液換向閥兩端失電，閥芯停止在中位。見示意圖（圖2）。
圖2 1580帶鋼廠卷取機(jī)1#助卷輥液壓原理圖
3 卷取機(jī)助卷輥液壓伺服控制系統(tǒng)存在的故障及原因分析
3.1 助卷輥液壓缸震蕩和助卷輥不能壓靠或壓靠時間過長
3.1.1 助卷輥液壓缸震蕩原因分析（見圖3）
圖3 1580帶鋼廠卷取機(jī)1#助卷輥液壓缸震蕩曲線圖
助卷輥在等待卷帶鋼狀態(tài)下，液壓缸自動定位控制不準(zhǔn)確,并在一定范圍之內(nèi)震蕩或抖動，致使卷筒和助卷輥相互干涉，造成這種現(xiàn)象的主要原因為:
(1)伺服閥由先導(dǎo)閥控制調(diào)節(jié)主閥芯運(yùn)動，助卷輥工作需要保持高頻正弦波震蕩，以保證快速響應(yīng)。1580帶鋼廠的伺服閥一般在沒有給定的時候處于 2000HZ 的正弦震蕩。因此，當(dāng)先導(dǎo)閥芯的芯套邊緣部分由于磨損或其它原因出現(xiàn)損傷時，閥體發(fā)生內(nèi)泄,伺服閥就會出現(xiàn)周期性的非正常震蕩。
（2）由于伺服閥的先導(dǎo)閥芯和閥體之間其本采用緊配合結(jié)構(gòu)，因此伺服系統(tǒng)對油品的要求極高。當(dāng)液壓系統(tǒng)中的細(xì)小顆粒夾到間隙里時, 會影響到閥體的正常動作，出現(xiàn)卡阻等現(xiàn)象。根據(jù)位置控制的原理分析，一般在卡阻部位就會出現(xiàn)震蕩。所以液壓油油品的清潔度也是產(chǎn)生系統(tǒng)震蕩的一個重要因素。
（3）伺服閥在投入使用時，內(nèi)環(huán)、外環(huán)的積分增益已設(shè)定好。精確的增益設(shè)定值既能保證伺服閥的響應(yīng)速度，又能在達(dá)到給定參考值的時候沒有（或者很?。┏{(diào)。但是伺服閥在使用過程中，由于各種原因，伺服閥的響應(yīng)特性會出現(xiàn)變化。一般來說，隨著時間的推移，伺服閥的響應(yīng)速度會降低。這樣的話，相對于初始設(shè)定值，伺服閥放大器設(shè)定的 增益值就會逐漸偏大。這時候就會出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，當(dāng)增益過大的時候就會出現(xiàn)系統(tǒng)的震蕩現(xiàn)象。
（4）伺服閥入口與出口之間兩端壓差△P過高；液壓缸銷軸、油缸底座等部位機(jī)械連接不牢固，從閥臺到油 缸膠管太長、彈性過大，控制閥臺安裝的離油缸距離太遠(yuǎn)；在TDC閉環(huán)控制程序中插入了斜坡時間，微分、積分增益設(shè)定值太低。
3.1.2 助卷液壓缸不能壓靠原因分析（見圖4）
圖4 助卷液壓缸出現(xiàn)壓靠未達(dá)設(shè)定值時狀態(tài)曲線圖
當(dāng)助卷輥液壓缸壓靠卷筒至帶鋼厚度1.5倍的輥縫時，常會出現(xiàn)輥縫不能達(dá)到設(shè)定值的狀態(tài)，造成這種現(xiàn)象的主要原因為:
（1）液壓系統(tǒng)油壓未達(dá)驅(qū)動負(fù)荷所需的壓力，閥體及油缸存在嚴(yán)重內(nèi)泄，致使油缸無桿腔未達(dá)驅(qū)動負(fù)荷所需的壓力，伺服閥先導(dǎo)控制壓力不能滿足系統(tǒng)要求。
（2）TDC控制系統(tǒng)程序積分增益設(shè)定值太高，增益及偏流方向不正確，比例及積分設(shè)定值太低。
3.1.3 助卷液壓缸壓靠時間過長原因分析（見圖5）
圖5 助卷液壓缸壓靠時間過長
助卷輥液壓缸往卷筒壓靠到保持與帶鋼厚度1.5倍的輥縫間隙時，到達(dá)設(shè)定值的時間過長，造成這種現(xiàn)象的主要原因為:
（1）控制閥壓力靈敏度過低，磁尺、壓力傳感器等檢測裝置采集信號時間過長。
（2）TDC控制系統(tǒng)程序比例增益設(shè)定值太低，偏流不正確。
3.2 助卷輥液壓伺服系統(tǒng)產(chǎn)生液壓沖擊原因分析
系統(tǒng)出現(xiàn)液壓沖擊現(xiàn)象時,油液的壓力峰值有時高達(dá)正常壓力的3-4倍，使系統(tǒng)中的控制閥等液壓元件、甚至管道受損，并使壓力傳感器、油缸磁尺發(fā)出非正常訊號，致使系統(tǒng)不能正常工作，影響帶鋼產(chǎn)品卷型質(zhì)量；液壓沖擊還會造成強(qiáng)烈的振動和沖擊噪聲，使油溫較快上升，極易使系統(tǒng)造成泄漏，嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)的性能穩(wěn)定和可靠,造成這種現(xiàn)象的主要原因為:
（1）由于卷鋼過程中，助卷力作用于助卷輥上，傳遞到伺服缸，使其受到?jīng)_擊，進(jìn)而使閥架和管道產(chǎn)生振動，造成液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致管路漏油，影響生產(chǎn)順利進(jìn)行。
（2）伺服閥的零漂過大，極易引起系統(tǒng)的振動，產(chǎn)生助卷輥輥縫和壓力波動，致使系統(tǒng)的穩(wěn)定性差。
（3）伺服控制閥動作太快，微分增益值太高，階躍響應(yīng)速度太快。
3.2 液壓系統(tǒng)溫度升高原因分析
液壓系統(tǒng)溫度過高會降低液壓設(shè)備的性能下降,縮短元件壽命,故障增多,導(dǎo)致密封圈易老化失效,影響系統(tǒng)性能,產(chǎn)生液壓系統(tǒng)油溫上升過高的主要原因為:
（1）液壓站循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷卻效果差和液壓油不能正常流動，管路上存在節(jié)流或阻尼較大。
（2）系統(tǒng)主油泵工作壓力調(diào)整不一致, 助卷輥液壓系統(tǒng)為四臺變量柱塞泵并聯(lián)同時向液壓系統(tǒng)供油。若其中的一臺泵的工作壓力輸出值大于另外三臺泵時,會出現(xiàn)只有這一臺泵向系統(tǒng)正常供油,而另外三臺泵供油不正常,或不斷地在泵體內(nèi)進(jìn)行自循環(huán),從而造成泵體不斷發(fā)熱,使系統(tǒng)油溫不斷升高。
（3）泵或閥的內(nèi)泄也是造成油溫升高的重要原因之一。無論是泵或閥,在產(chǎn)生內(nèi)泄時,由于摩擦產(chǎn)生大量的熱量,把熱量傳遞給油液,必然會造成系統(tǒng)溫升。
4 卷取機(jī)助卷輥液壓伺服控制系統(tǒng)故障預(yù)防措施
4.1 助卷輥液壓缸震蕩和助卷輥不能壓靠或壓靠時間過長對策及措施
助卷輥液壓缸出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象時，對液壓系統(tǒng)危害很大。如何預(yù)防震蕩產(chǎn)生，出現(xiàn)震蕩后如何消除，按照設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)慣例，應(yīng)該是預(yù)防為主，消除為輔。根據(jù)1580帶鋼廠場的實際經(jīng)驗，對助卷輥液壓缸震蕩和助卷輥不能壓靠或壓靠時間過長產(chǎn)生的預(yù)防措施主要有以下幾點：
（1）伺服閥使用壽命滿1年或發(fā)現(xiàn)零偏電流值達(dá)到1mA以上的時候，應(yīng)該及時清洗或修復(fù)伺服閥；定期對伺服閥做階躍響應(yīng)試驗。日常做響應(yīng)試驗時，就會及時發(fā)現(xiàn)伺服閥的閥芯是否有磨損，如果發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)該及時清洗或修復(fù)伺服閥。
（2）定期對伺服系統(tǒng)的油品進(jìn)行化驗，如果油品的清潔度等級低于NAS5級時，應(yīng)該馬上對液壓系統(tǒng)的過濾器進(jìn)行更換，以防止有大顆粒進(jìn)入伺服閥的先導(dǎo)閥芯，造成卡阻導(dǎo)致的伺服閥震動。
（3）定期對助卷輥液壓缸及傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查緊固，發(fā)現(xiàn)有卡阻、松動、間隙過大等情況時及時處理；定期標(biāo)定卷筒卷徑、助卷輥水平度、助卷輥與卷筒之間的徑向間隙。避免因機(jī)械裝配產(chǎn)生震蕩。
（4）定期對伺服閥反饋系統(tǒng)的電纜進(jìn)行檢查，采取措施預(yù)防由于外界強(qiáng)磁場、電場對反饋系統(tǒng)造成干擾產(chǎn)生震蕩。
（5）定期對系統(tǒng)的接線、磁尺進(jìn)行緊固，避免由于螺絲松動造成電阻非正常偏高出現(xiàn)反饋信號錯誤或輸出信號錯誤產(chǎn)生震動。
如果助卷輥液壓伺服控制系統(tǒng)出現(xiàn)了震蕩或不能壓靠等故障，根據(jù)1580帶鋼廠多年的現(xiàn)場經(jīng)驗，結(jié)合操作畫面助卷輥輥縫給定值和反饋值曲線、液壓缸實際測量壓力和反饋壓力、伺服閥零偏、零漂程度曲線，按照以下順序進(jìn)行故障排查和處理：
（1）觀察助卷輥壓靠過程中有沒有出現(xiàn)明顯的超調(diào)，因為這是最容易觀察到的現(xiàn)象，并對伺服系統(tǒng)的增益進(jìn)行下調(diào)，調(diào)整范圍以不出現(xiàn)超調(diào)為準(zhǔn)。同時對系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)測試，可消除由于增益不當(dāng)產(chǎn)生的震蕩。
（2）檢查給定、反饋線路的螺栓連接有無松動現(xiàn)象，并進(jìn)行適當(dāng)緊固，可消除由于信號干擾產(chǎn)生的震蕩。
（3）檢查報警，如果有伺服系統(tǒng)報警，先分析是什么原因，如果是反饋電纜出現(xiàn)問題，應(yīng)該及時更換，可以消除由于反饋系統(tǒng)產(chǎn)生的震蕩。
（4）如果沒有報警，反饋也正常，就需要對伺服閥做響應(yīng)測試，如果測試的時候，測試曲線有跳躍式動作，說明先導(dǎo)閥或主閥芯有卡勁的現(xiàn)象，應(yīng)該清洗或修復(fù)伺服閥。這樣可以消除由于伺服閥故障產(chǎn)生的系統(tǒng)震蕩。
（5）如果由于系統(tǒng)壓力偏低或助卷輥兩端水平等機(jī)械原因引起的震動，這種震蕩表現(xiàn)為無規(guī)則震蕩，有時候很難捕捉到，需要對助卷輥兩端垂直水平度進(jìn)行測量標(biāo)定、對所有相關(guān)機(jī)械設(shè)備是否有松動或間隙過大的部位逐一檢查消除隱患。
4.2 減少助卷輥液壓沖擊對策及措施
（1）在保證鋼卷卷型質(zhì)量的前提下,在卷取2-5圈產(chǎn)品過程中，盡量減小踏步步距,在卷完5圈后，下調(diào)助卷輥打開過程中比例增益設(shè)定值，使助卷輥緩慢打開。
（2）合理規(guī)劃盡量減少液壓管道長度,減少沖擊波傳播的距離,在不影響階躍響應(yīng)速度前提下，從閥臺到油缸之間增設(shè)膠管連接緩解沖擊。
（3）定期標(biāo)定油缸無桿腔溢流閥壓力在23MPa；在液壓沖擊源閥臺前設(shè)置蓄能器。
（4）合理調(diào)整伺服閥的零漂范圍，以減少液壓沖擊帶來的危害。當(dāng)供油壓力在設(shè)定范圍18.9Mpa-23.2Mpa內(nèi)變化時，零漂應(yīng)小于0.62Mpa；當(dāng)回油壓力在0-6.3Mpa范圍內(nèi)變化時，其零漂應(yīng)小于0.62Mpa；當(dāng)控制電流在0-10mA范圍內(nèi)變化時，零漂應(yīng)小于0.4mA。
4.3 液壓系統(tǒng)溫度過高,影響系統(tǒng)性能的對策措施
（1）利用檢修等時間清洗冷卻器濾網(wǎng),將冷卻器解體后作除垢清潔處理。工作狀態(tài)中適當(dāng)提高冷卻水壓力、流量，強(qiáng)化冷卻效果。
（2）利用檢修時間將主液壓泵工作壓力調(diào)整為一致，在調(diào)整泵壓力時,應(yīng)將四臺工作泵的壓力調(diào)整在規(guī)定的壓差范圍內(nèi),壓力值相對差不超過2%。
（3）定期標(biāo)定泵上溢流閥或閥臺上溢流閥、減壓閥的設(shè)定值，檢查控制閥是否有內(nèi)泄等, 更換不能調(diào)整或已損壞的液壓元件。
（4）使用測溫儀測量管路溫度，檢查消除管路和閥組中非正常溢流、節(jié)流和阻尼現(xiàn)象。
5 結(jié)束語
某鋼鐵有限公司1580帶鋼廠卷取機(jī)助卷輥液壓伺服控制系統(tǒng)經(jīng)過檢修時間和平時的維護(hù)，已經(jīng)實現(xiàn)以預(yù)防為主，對系統(tǒng)溢流閥、伺服閥、助卷輥輥縫、卷筒漲徑進(jìn)行定期測試標(biāo)定，使得液壓系統(tǒng)工作時的穩(wěn)定性能得到明顯提高，系統(tǒng)溫升、振動沖擊等故障都得到了較好的控制。通過近幾年對助卷輥液壓伺服控制系統(tǒng)的維護(hù)，大大提高了設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，大幅度降低了助卷機(jī)故障時間，為提高我公司帶鋼產(chǎn)量及成材率提供了有力的保障，給公司帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)
【1】MOOG公司伺服閥說明書.
【2】某鋼鐵公司帶鋼廠工藝指導(dǎo)書.
【3】曹鑫銘.液壓伺服系統(tǒng)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1998.
【4】趙應(yīng)樾.液壓控制閥及其修理[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2002.
【5】王懋瑤.液壓傳動與控制教程[M] .天津:天津大學(xué)出版社,1998.
來源：冶金信息裝備網(wǎng)
（版權(quán)歸原作者或機(jī)構(gòu)所有）
