機械壓力機氣墊突然頂起的故障原因分析

文/方良·瑞鵠汽車模具有限公司方芳·奇瑞汽車股份有限公司

機械壓力機氣墊突然頂起的故障原因分析

文/方良·瑞鵠汽車模具有限公司方芳·奇瑞汽車股份有限公司

沖壓機車間某品牌機械壓力機，在無人誤操作，且安全栓、急停均處于鎖定狀態，氣墊儲氣罐約有0.4MPa壓縮空氣的情形下，下氣墊突然頂起，將正在機床上調試的模具損壞。事故發生前從地坑處傳來大量氣體泄漏“啪啪啪”爆竹般的異響，經檢查，氣體管道撓性接頭處管道斷裂。將管道重新聯接，設備斷電復位重啟后又趨于正常，判斷此為偶發情況。機械壓力機下氣墊無緣由突然頂起，是一種很危險的事故，不但會損壞模具結構，而且還容易造成人員傷亡事故。

氣墊突然頂起，起因是氣墊突然進氣，可能有兩種原因：氣墊的氣路系統或者控制氣路的電氣系統出現了問題。氣墊氣路系統原理圖如圖1所示。

電氣方面分析及排查

分析

電磁閥?、?出現電氣誤動作，可能有以下兩種原因：

⑴PLC發出了誤信號。即有可能控制該電磁閥的輸出模塊出現內部觸點粘連，或進行脈沖掃描時出現短時間通電誤觸發信號。

圖1 氣墊氣路系統原理圖

⑵電磁閥存在質量缺陷。該電磁閥為日本SMC產品，控制電源采用的是AC110V，但該閥設有內置電路板進行控制，有可能其對電氣要求響應度較高，對電壓波動過于靈敏，雖然電源線采用了屏蔽電纜，但設備現場若有電磁干擾等情形發生，該電磁閥有可能會誤動作得電。

排查

⑴故障發生后，從PLC程序上在線監控沒發現異常，且機床控制系統采用的是AB品牌產品，控制電磁閥?、?的輸出模塊為1794-0W8的模塊，從外觀上觀察沒有明顯異常，且運行指示正常。而且機床重啟后氣墊回歸正常，基本判定電氣控制系統無異常。

⑵檢查電磁閥?、?的外觀及進行內部清理，沒有發現污物及閥芯卡死，同時重新布置一根電纜對電磁閥進行單獨供電。

從整體而言，由于重啟后發現氣墊不再出現突然頂起，基本上能夠排除電氣故障影響。

氣路系統分析及排查

分析

⑴若氣墊儲氣罐有氣壓，但總氣源撓性接頭處出現管路斷裂突然泄壓，控制氣控閥閥芯和快排閥閥芯的先導機構上下腔均與大氣相通而平衡，閥芯由于重力作用下降，將會導致氣墊突然進氣而頂起。

⑵若長時間不用設備，氣墊儲氣罐沒有氣體，總氣源關閉沒有進氣，氣路系統管道有輕微漏氣導致管道氣壓為常壓，此時控制氣控閥閥芯和快排閥閥芯的先導機構上下腔均沒有氣壓，閥芯由于重力作用下降，此時若突然打開總氣源時，氣墊將會迅速進氣而突然頂起。

故障排查

若軸用三角形密封圈或孔用三角形密封圈以及O形密封圈出現磨損或密封效果不良，氣路系統將會改變，可能會導致氣體從密封圈處滲漏至氣墊，但此時氣墊只會出現慢慢頂起。

綜上所述，雖然現場無法模擬氣路系統管路突然泄壓的情形，但通過排查認定為控制氣控閥閥芯和快排閥閥芯的先導機構上下腔進出氣氣壓出現異常，氣控閥和快排閥在進氣口有氣壓的作用下，因重力和向上向下作用力的合力向下，導致閥芯向下位移從而將進氣口與出氣口聯通，進而將氣墊儲氣罐內氣體釋放至氣墊內，造成氣墊突然頂起。

圖2 氣控閥?結構圖

圖3 改進措施氣墊氣路原理圖

解決措施

正常情況不用氣墊時，要求氣控閥和快排閥應置于安全位，即進氣口和出氣口不得聯通，即使在外界非正常作用下也應置于安全位不動作。從氣控閥和快排閥結構圖可以看出，若出現先導機構的上下腔氣壓泄壓的情況下，將氣控閥和快排閥進行180°倒置安裝或由“上進氣，下出氣”更改為“下進氣，上出氣”均無法解決隱患，因此改進措施如圖3所示。

⑴步驟1：在氣路系統總風源管路上加裝單向閥（規格為Aa-L-40，Rc1/2），電磁閥聯接管路一般比較牢固，但管路與壓力機的聯接處由于機械壓力機的振動故容易折斷。因此，設備廠家采用的是撓性接頭，但長期使用橡膠件易老化磨損而導致損壞。采用步驟1可以預防總風源管路突然泄壓時，先導機構的下腔氣體不會泄露，從而維持了閥芯頂起的狀態。

⑵步驟2：為了防止先導機構管路出現輕微泄露等造成壓力不足，從而出現誤動作的情形，從氣墊儲氣罐引出一根Rc1/2管道，并加裝單向閥（規格為Aa-L-40，Rc1/2），一旦出現泄壓，可通過氣墊儲氣罐給予氣體補充。且由于快排閥的先導機構活塞截面直徑（170mm）大于快排閥活塞截面直徑（122mm）。因此，先導機構下腔作用力大于快排閥進氣口壓力，活塞合力向上，故快排閥不會出現誤動作。同樣，氣控閥先導機構活塞截面直徑（300mm）大于氣控閥活塞截面直徑（160mm）。因此，先導機構下腔作用力大于氣控閥進氣口壓力，故氣控閥也不會出現誤動作。即使出現，由于有快排閥的保證，進入氣墊的氣體也可通過快排閥排出。

⑶步驟3：若步驟1或步驟2中的管道都出現快速泄壓，上述情形依然不能得到可靠保證（當然此種情形的發生概率將會大大降低）。但只要快排閥不會出現閥芯下降的話，氣體就可以順利排出，為此必須通過更改快排閥的結構形式——在內部加裝彈簧來進行保證。

該機床氣墊最大頂出力200t，氣墊最大壓力為0.5MPa，快排閥活塞截面直徑為122mm，閥芯行程即為彈簧的壓縮量或者伸長量Δx，根據公式P·S＝k·Δx，計算彈性系數k＝P·S/Δx＝2.25×105（N/m），長度為71mm，彈簧內徑為20mm，外徑可以參考標準要求，要求不大于125mm。通過計算，查找對應的彈簧規格為：外徑為40mm，內徑為20mm，長度為70mm，彈性系數為22.5kg·f/mm。

結束語

通過對設備工作原理及部件結構的排查，氣控閥和快排閥更改為全氣動式先導機構控制是技術革新的一項進步，但在實際應用中會出現設計上考慮不足或欠完善的地方，在進行改善的同時，需要對氣路管道的規范安裝及現場設備使用要求進行關注，同時電磁閥的得電動作必須做到確保可靠，否則都會造成嚴重后果。