KPC5000-AR 型數(shù)控龍門銑鏜床散熱故障的分析與處理
2018-7-30 來(lái)源：中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司 作者：張媛媛
【關(guān)鍵詞 】數(shù)控龍門銑鏜床 油溫 散熱
摘 要 ：過(guò)熱停機(jī)是機(jī)加工設(shè)備常見(jiàn)故障之一 ，易造成設(shè)備連續(xù)化作業(yè)中斷 ，影響企業(yè)生產(chǎn)效率 。 本文針對(duì) KPC5000-AR 型 數(shù)控龍門銑鏜床的過(guò)熱停機(jī)問(wèn)題展開(kāi)分析并提出一種解決方案，為相關(guān)設(shè)備處理類似故障提供參考。
0 引言
現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)對(duì)機(jī)加工設(shè)備的依賴性越來(lái)越高，如果設(shè)備故障停機(jī)導(dǎo)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(jìn)一臺(tái)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(guò)高故障報(bào)警停機(jī)。
本文針對(duì)該設(shè)備的過(guò)熱問(wèn)題進(jìn)行分析并提出解決措施。
1 、KPC 5000-AR 型數(shù)控龍門銑鏜床簡(jiǎn)介
如圖 1 所示，KPC 5000-AR 型數(shù)控龍門銑鏜床（以下簡(jiǎn)稱龍門銑鏜床）主要由龍門架、床身、工作臺(tái)（工作 X 軸）滑枕（工作 Y 軸）、主軸（工作 Z 軸）、延伸頭、萬(wàn)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(dòng)、換頭、定位和加工四個(gè)工況，其中，在啟動(dòng)工況中工作臺(tái)和滑枕移到零點(diǎn)，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(wàn)能頭，定位工況中工作臺(tái)將移到指定加工位置，加工工況中電機(jī)帶動(dòng)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(jī)；3.齒輪泵；4.回油過(guò)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(dòng)和刀頭夾緊，其中油源液壓原理如圖 2 所示。 P1、P2 和P3 對(duì)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(dòng)作時(shí)加壓，待設(shè)備處于加工工況時(shí)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(huì)持續(xù)升高。
圖3 油箱溫升曲線
圖 3 是設(shè)備過(guò)熱過(guò)程的實(shí)測(cè)油箱溫升曲線，測(cè)試環(huán)境溫度為 28℃。液壓系統(tǒng)油箱的長(zhǎng)、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(jì)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(shí)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(gè)過(guò)程中油箱溫度上升平穩(wěn)，另外考慮到加工工況時(shí)間占比最長(zhǎng)，其余工況總時(shí)間占比很小，因此可初步認(rèn)定熱量主要來(lái)自于加工工況。
加工工況下液壓油源處于卸荷狀態(tài)，不對(duì)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(gè)方面：
1）回油過(guò)濾器堵塞導(dǎo)致卸荷不徹底隨著使用時(shí)間累積，油液污染物會(huì)導(dǎo)致回油過(guò)濾器堵塞回油過(guò)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(dǎo)致的過(guò)熱設(shè)備從 2007 年投入使用，至 2011 年首次出現(xiàn)過(guò)熱故障，期間設(shè)備投入使用了約 5 年時(shí)間，齒輪泵在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)磨損、老化
導(dǎo)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(yàn)人員將濾芯進(jìn)行了更換，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)更換濾芯后系統(tǒng)過(guò)熱并無(wú)改善，因此可認(rèn)為齒輪泵效率降低是導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)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(jī)床為進(jìn)口設(shè)備，從原廠購(gòu)進(jìn)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(duì)原液壓系統(tǒng)進(jìn)行改造，給油箱加入額外的冷卻系統(tǒng)來(lái)解決過(guò)熱問(wèn)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(jī)；4.齒輪泵；5.回油過(guò)濾器；6.單向閥；7.溢流閥；8.壓力傳感器；9.風(fēng)冷卻器；10.單向閥；11.卸荷閥；12.壓力表 。
改造后的機(jī)床油源系統(tǒng)的實(shí)測(cè)油溫曲線原理如圖 4 所示，該散熱系統(tǒng)由一個(gè)離心泵 2 和一個(gè)風(fēng)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(jì)算出的多余發(fā)熱功率，因此冷卻器允許的最小當(dāng)量冷卻功率 K 可通過(guò)式（2）計(jì)算：
其中 P 為根據(jù)式（1）計(jì)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(dāng)量冷卻功率 K 為 0.002k W/℃。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇油/風(fēng)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(dāng)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(yáng)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(dá)到系統(tǒng)的熱平衡，油溫穩(wěn)定不再上升，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)熱報(bào)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(jī)加工設(shè)備的液壓系統(tǒng)在連續(xù)工作過(guò)程中容易發(fā)生過(guò)熱故障，導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)無(wú)法連續(xù)工作。 本文以 KPC5000-AR 型數(shù)控龍門銑鏜床為研究對(duì)象，分析了其過(guò)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(guò)熱故障問(wèn)題，可為相關(guān)設(shè)備處理類似故障提供參考。
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