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                1. 企業資訊
                  KPC5000-AR 型數控龍門銑鏜床散熱故障的分析與處理

                  0 引言

                    

                      現代企業生產對機加工設備的依賴性越來越高,如果設備故障停機導致連續化作業中斷,將直接影響企業的生產效率。 我公司自 2007年引進一臺由西班牙 Zayer 公司生產 KPC 5000-AR 型數控龍門銑鏜床,自 2011 年 5 月至 2015年 5 月期間,多次出現油溫過高故障報警停機。 


                      本文針對該設備的過熱問題進行分析并提出解決措施。

                    

                      1 、KPC 5000-AR 型數控龍門銑鏜床簡介

                    

                      如圖 1 所示,KPC 5000-AR 型數控龍門銑鏜床(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、電氣系統和液壓系統組成。


                    

                    

                  圖 1 KPC 5000-AR 型數控龍門銑鏜床

                    


                      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 對應于各執行器的壓力油口,電磁換向閥 9 作為加工工況中的卸荷閥

                  ,在執行轉頭、換刀等動作時加壓,待設備處于加工工況時卸荷。

                    

                      2 、故障分析

                    

                      液壓系統中產生的熱量,一部分使油溫升高轉變為油液的內能,一部分經油箱表面散發到空氣中去。 如果系統發熱大于油箱散熱能力,油溫就會持續升高。

                    

                    

                     

                  圖3  油箱溫升曲線

                    


                      圖 3 是設備過熱過程的實測油箱溫升曲線,測試環境溫度為 28℃。液壓系統油箱的長、寬、高尺寸為:a×b×c=0.24×0.22×0.36m,油液體積為 20L。 根據圖 3 所示溫升曲線和油液體積可計算出液壓系統發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 為溫升持續時間,取值 18000s,代入數據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,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,不對外輸出壓力,因此發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,使系統卸荷不徹底,引起發熱。

                      2)液壓泵效率降低導致的過熱設備從 2007 年投入使用,至 2011 年首次出現過熱故障,期間設備投入使用了約 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,功率損耗轉化為熱量使油溫上升。為明確發熱原因,試驗人員將濾芯進行了更換,試驗發現更換濾芯后系統過熱并無改善,因此可認為齒輪泵效率降低是導致系統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品,因此考慮對原液壓系統進行改造,給油箱加入額外的冷卻系統來解決過熱問題。

                   

                   

                    

                  圖 4 設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的實測油溫曲線原理如圖 4 所示,該散熱系統由一個離心泵 2 和一個風冷卻器 9 構成。 其中冷卻器 9 的冷卻功率需大于根據式(1)計算出的多余發熱功率,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 為根據式(1)計算的多余發熱功率,值為 0.054k W;T 為油箱熱平衡期望溫度,取值 50℃;T0為環境溫度,取值 28℃,代入數據后得到冷卻器的最小當量冷卻功率 K 為 0.002k W/℃。根據計算結果,選擇油/風冷卻器 HD0810T 作為散熱系統的冷卻裝置,該冷卻器適用油壓系統功率為 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 作為冷卻系統的循環泵,該泵的揚程為 12m。圖 5 為改造后的設備在加工工況下的溫升曲線。 

                    

                     結果顯示油箱油溫上升逐漸趨于平緩,最終在 45℃達到系統的熱平衡,油溫穩定不再上升,沒有出現過熱報警現象,處理方案有效。

                    

                    

                  圖 5 油箱溫升曲線(改造后)

                    

                      4 、總結

                    

                      機加工設備的液壓系統在連續工作過程中容易發生過熱故障,導致設備停機無法連續工作。 本文以 KPC5000-AR 型數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的故障處理方案,結果表明,該方案能有效解決過熱故障問題,可為相關設備處理類似故障提供參考。


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