无语了，春华螺栓冲

  选矿第二项目部用螺栓冲于2019年12月购入，厂家为合肥春华市机械制造有限公司，型号为MC2-150。该螺栓冲从第一次使用开始便出现了油温过高在现象，为此其厂家于本年6月到矿业公司对其油路进行了改动，然而油温高问题并没有得到解决。我很早以前便想对其油路做些调整了，然而一直拖到2020年11月才挤出时间进行了调整并解决了油温高问题。现特将调整过程记录下来，其一是提供给本项目部检修人员阅读使其明白其中原理进而提高检修技能，其二是供给厂家促使其改进产品，顺便吐槽一下他们的无脑设计。

一、 基础知识说明

  考虑到本项目部检修人员中大部份并无液压相关知识，在开始前需对用到的一些专业基础知识进行说明，已经具备相关知识的可跳过此部份以便节省您宝贵的时间。只需具备初中物理知识便能看懂这部份了，因此暂不具备液压知识的读者也不用担心。

1. 能量守衡

  能量守衡定理的表述为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个地方转移到其它地方，而能量的总量保持不变。对于螺栓冲，可理解为电机所输出的能量除了用于对外做功（用于冲击螺栓）的一部份外其余全都转换成了热量，当产热大于散热时油温会升高。

2. 溢流阀

  图1为溢流阀的结构原理示意图。高压油通过溢流阀的P口作用于阀芯上，阀芯受力大小等于压力P与作用面积A的乘积,\(F=P×A\)。当压力P较小时，F小于弹簧弹力，阀芯在弹簧压力\(F_t\)作用下将卸油口封死，溢流阀无溢流。随着压力P的增大，F同步增大，当F大于弹簧弹力\(F_t\)时，阀芯右移，卸油口打开，油液经卸油口排出，压力不会再升高，从而达到保护液压系统的目的，因此溢流阀有时也叫安全阀。溢流阀溢流口处的油压远小于进口油压，可当作0计算。

3. 负载敏感变量泵

  负载敏感泵有很多优良特性，配合不同的控制阀可以实现众多不同的功能，此处仅针对螺栓冲所使用到的高压卸荷功能进行说明。负载敏感泵高压卸荷原理如下图所示，泵的出口油液作用于压力控制阀的左侧，压力升高到调定压力时，压力控制阀阀芯右移，油液进入调节油缸推动其活塞左移，活塞杆推动柱塞泵的流量调节机构迫使其流量减小到接近于零的状态。此时泵的输出流量接近于0，压力为控制阀调定压力，泵进入了高压零流量的状态，称为高压卸荷状态。
因换向阀动作或执行机构的工况发生变化而使得泵出口压力降低时，压力控制阀阀心左移，调节油缸内的油液自由流回油箱，泵恢复到正常的工作流量。

4. 液压管路的油液流动功率计算

  液压管路的油液流动功率\(P_g\)为压力P与流量Q的乘积，\(P_g=P×Q\)，推导只需初中物理知识便可。为了加深理解，我们来看一个简单的液压回路。

  图3为一个简单的溢流回路图。当换向阀处于图示位置时泵出口压力因输出油流被封闭而快速升高，到达溢流阀的调定压力\(P_0\)时溢流阀开启，所有油液从溢流阀流走，压力稳定在\(P_0\)，油液流动功率\(P_g= P_0×q\)。此时液液是不对外做功的，所有能量转换为热量，\(P_g\)便是发热功率。当流量\(q=100L/min\)，压力\(P_0=15MPa\)时，发热功率为25千瓦。25千瓦什么概念呢？家里的电磁炉最大功率为2.2千瓦，相当于11台电磁炉开足马力在那儿烧。
  说了这么多只是想说明液压系统油液的发热主要来源于溢流和节流的压力损失。

二、 先分析几个液压回路

  具备以上几个知识点后，让我们来看几个液压回路。

1. 换向阀中位机能对比

  图４中左侧回路换向阀中位机能为回油，右侧回路换向阀中位机能为封闭。当换向阀处于中位时，左侧回路的油自由流回油箱，泵输出压为接近于零。右侧回路的油经溢流阀流回油箱，压力等于溢流阀调定压力。为保证液压系统的正常工作，溢流阀溢流压力一般比执行机构最大工作压力高1-2MPa左右，也就是说换向阀处于中位时左侧回路的泵输出压力比正常压力高，能量消耗比正常工作时大。从溢流阀流回油箱的油液是不对外做功的，电机的输出功率只能转换为热量。因此右侧回路不但会造成油液发热，而且会靠成电能浪费，除非有非如此设计不可的原因，不宜采用中位封闭机能的换向阀。

2. 使用节流原理的分流回路

  图５所示的节流分流回路与螺栓冲无关，但在各磨机的电机油站和主轴承油站却广泛使用，因些拿来这里说一说。油路并不复杂，调节两个节流阀开度可调两路的流量大小，从而达到调节流量分配的目的。现假设两节流阀的开度都是80%，当发生A路流量太大而Ｂ路流量太小，需对两路流量重新做出调整时，该怎么调呢？调小Ａ路节流阀开度和调大Ｂ路开度都能达到目的。但是请注意，调小Ａ路节流阀开度会导到其两侧压差增大，导致泵的出口总压增加。油液流过节流阀并不会对外做功，两端压差增大意味看发热增大和能耗增加。与些相反，调大Ｂ路开度会导至其压差减小，其结果是发热和能耗减小。
  为达到相同目的的两种不同调节方法，从发热和能耗的角度看结果却是相反，而我们呢，调小Ａ路这样的事干得其实很多。

3. 负载敏感泵溢流回路

  图６为一个简单的负载敏感回路。从理论上说因负载敏感泵具有高压卸荷的特性，负载敏感回路可以不使用溢流阀，但为了冗余的安全保障，负载敏感回路中一般还是会设计一个溢流阀，此时溢流阀和压力控制阀的压力调定就有讲究了。首先，无论是溢流阀还是压力控制阀的调定压力都必须大于执行机构所须的压力，否则执行机构无法正常工作。在保证了两个阀调定压力大于执行机构所须压力后，如果压力控制阀调定压力大于溢流阀的溢流压力，那么压力未达到高压卸荷压力便开始溢流了，负载敏感泵失去作用，整个回路变成了图３中的溢流回路，耗能和发热问题如期而至！因此，在负载敏感泵的溢流回路中，溢流阀的溢流压力须比压力控制阀的调定压力略高。

三、 螺检冲的液压回路分析和处理方案

  图7为螺栓冲的液压回路原理图，冲头部份的液压回路图中并未画出。冲头部份是一个三位四通的手动换向阀，中位封闭。当螺栓冲处于待命状态时，换向阀被处于中位，油液被封死。在不知道泵具有负载敏感功能的情况下看此原理图，您发现问题了没？因换向阀处于中位时油液被堵死，所有油液都是在15MPa的压力下从溢流阀流回油箱的，电机输出的所有能量都转化成了热量，不发热才有鬼呢！前文中所说的11台电磁炉开足马力地烧，便是此螺栓冲待命溢流的情况。

  图中并未说明所使用的泵为负载敏感泵（负载敏感泵的符号不是这种样子，参看图２），我是在后期查阅泵的技术资料才得知的。因此，我们的第一个方案是在非负载敏感泵的前提下拟定的。

1. 方案一：改变换向阀中位机能

  方案一其实很简单，就是将换向阀改为图４左侧回路中中位回油的机能。当然，我对此方案是有所顾虑的，原因在于我无法找到螺栓冲冲头的相关资料，对其工作原来并不十分清楚。中位封闭换向阀所带来的一系列问题螺栓冲的生产厂家应该比我们清楚才对，他们做出如此设计是不是有非如此不可的理由，我不得而知。
  因螺栓冲油液发热问题必须解决，加装水冷却器的方案实施起来较为困难其无法解决能耗问题。整个螺栓冲的液压回路设计和电路设计都让我觉得怪怪的，让我怀疑厂家的工程师也可能存在打盹时候。更改换向阀的成本很低，要是更改了后未能解决问题或导致螺栓冲无法工作，再改回来就行了。因此在无法确保方案成功的情况下我们依然购买了中位回油机能的换向阀，准备先更改了看，如果失败了就改回来再加装水冷。
  然而当我拆下换向阀准备更换时心中却是万马奔腾。安装换向的阀的配油块只有P和B口，并未预留回油的Ｔ口，更改了换向阀也是白搭。连配油块一起更换吧，我实在无法查到其管接头的标准尺寸，测绘也非常因难。
  幸运的是，我查阅了其油泵的资料并发现了这是一台负载敏感泵，因此拟定了方案二。

2. 方案二：实际实施且解决了问题的方案——调整压力控制阀压力。

  既然是负载敏感泵，它有高压卸荷的优良特性啊，螺栓冲为什么还会有如此严重的发热呢？是不是其高压卸荷特性根本没有发挥出来呢？在我进行思考和尝试前，螺栓冲的厂家到我们公司进行服务了，对其油路进行了改造，目的是解决发热问题。遗憾的是他们的改造没能解决问题，我的以上疑问他们也没能回答。
  负载敏感泵的高压卸荷特性没能发挥出来，原因只有一个——压力控制阀的调定压力高于溢流阀溢流压力，这在前文中已经说明。想要验证以上猜想很简单，拆开溢流阀溢流油管看看换向阀处于中位时是否有大量溢流就行了。
  在作业区的配合下，以上猜想很快得以验证，验证后就是调整了。然而调整却不算顺利。经尝试，泵出口压力必须到达14MPa多一点螺栓冲才能正常工作，溢流阀的溢流压力是15MPa而且无法调整（不知什么原因，调节旋钮调不动）。那么能调的便只有泵的压力控制阀了，范围是14.x—15MPa，调整区间不到1MPa！
  经过多次调整，算是成功了，然而处于失败的边缘。压力稍微调高一点点吧，溢流阀溢流了，等于没调；稍微调低一点点吧，螺栓冲无法工作。又是一个万马奔腾。好在最终勉强调整成功了，螺栓冲目前能正常工作且不再发热，不确定的是以后会不会出问题。

四、 对厂家的吐槽

  最后就是对厂家的吐槽了，希望他们知道后能改进自己的产品。

1. 说明书粗制滥造，铭牌低级错误

  实话说，此螺栓冲还算好用，解决了油温高问题后没什么大毛病了，外观看着也可以。但是，其说明书排版格式杂乱，多处出现前后内容不一致的情况。铭牌上给我整一个工作压力100—1800MPa是什么意思？这可不像是粗心大意造成的。

2. 冲氮压力表量程不匹配

  螺栓冲的冲氮装置的压力表在给空气弹簧补充氮气时查看压力用，有着较为重要的作用。其单位给我整一个好几十年前已经淘汰了的就算了，空气弹簧的工作气压是0.6MPa，你整个量程10MPa的压力表是为了什么？这样读数非常不方便，而且容易误导人，让人觉得空气弹簧需要很高的压力。

3. 换向阀选择怪异

  在本螺栓冲上换向阀只连接了P和B两个口，其它口都被堵死，也就是说换向阀只是起到一个控制油液通断的作用，未发挥其换向的功能。控制油液通断有专门的阀门，为什么选个三位四能的换向阀呢？结构上三位四通的换向阀要更复杂一些的，不知价格会不会更高。
  经查询，螺栓冲所配的柱塞泵流量是\(100L/min\)，而换向阀的进出油口只有6mm，最大许用流量是\(60L/min\)，和泵是不匹配的。当然泵是变排量的，但我想厂家应该不会买个\(100L/min\)的泵然后调整到\(60L/min\)来使用吧。从换向阀的资料可看出当流量到达\(60L/min\)时压差可达1MPa，超过换向阀的许用流量使用，能耗和发热问题又来了不是？
  话说回来，螺栓冲的溢流压力是15MPa，如果泵的流量按\(100L/min\)来计算其功率是25千瓦，考虑泵的机械效率，泵所需的输入功率只会更大，而此螺栓冲所配的电机却只有18.5千瓦，因此泵的流量应该是没到\(100L/min\)的。
Tips：我做分析时一直时使用铭牌上的\(100L/min\)计算的，之后才发现泵的排量是\(45ml/min\)，电机转速按1480rpm算，则流量应该是\(66.6L/min\)才对，15MPa时功率是16.75千瓦（忽略泵的机械效率），选用18.5千瓦的电机刚好合适，与换向阀的流量也匹配，名牌上那个\(100L/min\)的数字很坑爹！下图是其厂家提供给我们的技术参数，看起来也是很怪异，一张表上整出三种压力单位，数据前后冲突。从铭牌和下面图中的数据推断，厂家人员根本不知道这些数据是什么意思，胡乱整一些就是用来忽悠我们的。

4. 螺栓冲油温高问题

  根据厂家的说法，只有本公司遇到了油温高问题，那么就不一定是出厂时压力控制阀没调整好了，有可能是某些原因导其压力控制阀卡死而没有发挥作用，因此我们也不乱推卸责任。
目前我们只找到了油泵的选型资料，其使用说明书却没能找到，加之在这之前我们并没有过负载敏感泵的使用经验，因此我无法判断泵上的两个阀哪个是压力控制阀哪个是流量控制阀。我调整的是上面小的哪个阀，油温高问题是解决了，但其实不知有没有调对。

5. 变压器容易因误用而烧毁

  此螺栓冲接入的是380V三相四线电源，中性线（所谓的零线）接入配电箱后就没再使用了，而是使用了一个100瓦的小变压器将380V的线电压变成220V使用，再使用一个24V的开关电源将220V交流电转换成24V的直流电供电磁溢流阀的中间继电器和一些指示灯使用，配电箱一侧还很贴心地设计了一个220V的插座供照明使用，这很好。螺栓冲设计了相序继电器，好评。
  但是，贴心插座的电源你别在变压器的次级电压处接啊！电源的零线已经接了进来，任意一根相线和零线间的电压就是220V，插座直接接电源不就好了吗？变压器的许用功率只有100瓦，贴心插座上是标明了允许的功率，但不是任何人都会留心标明的许用功率，某些人员甚至完全没有电的其础知识。我们在使用过程中便发生了如下情况：检修人员A插了个500瓦的风机上去使用造成变压器烧毁，刚协调好电工更换了变压器并交代了该检修人Ａ员贴心插座不能使用大功率电器，上个厕所回来修人员B插了个1000瓦的电器上去又把变压器整烧了。螺栓冲所有继电器电源都是从这个变压器来的，变压器一烧，整个螺栓冲不工作了。

五、 使用与思考

  调整后第一次使用未发现什么异常，但第二次使用时螺栓冲力量感觉比之前小了很多，分析原因需弄明白下面几个问题：
  （1）冲头活塞杆从后缩到向前冲的换向触发机理是什么？是活塞位置促发还是压力促发？
  （2）活塞杆向前冲时冲头内的油是如何流动的？进油流量受限或回油流量受阻会不会阻碍活塞杆前冲？活塞杆前冲时进油密封不严会不会导致压力减小？
  因为不清楚冲头部件的内部结构，以上问题我们都没法解答，只能从现象来进行推断。
现在可确定的是：
  （1）空气弹簧所起到的作用只是缓解后坐力，压力高低不影响力量。
  （2）除空气弹簧外冲头内部有氮气泡，压力比空气弹簧要高得多（好几个兆帕）。
猜测的是：
  （1）单我们按下开关时，螺栓冲油压先降低然后慢慢升高，此阶段活塞杆回缩。当升高到一定值时螺栓冲活塞杆快速前冲打击螺栓，活塞杆由回缩切换到前冲的压力我们将之称为换向压力。上个月对螺栓从做出调整后换向压力略大于14MPa，这次使用时的换向压力略小于13MPa。从这个现象看，螺栓冲的换向触发机理大概率是位置。换向压力降低的原因可能是氮气泡漏气或者气温太低导致其压力下降。
  （2）一项目部将其借去使用时也发生了力量不够的现象，江秋他们通过更换换向阀密封圈解决了问题，这似乎说明活塞杆前冲时进油密封不严将导致力量减弱。
可能的解决措施：
  (1)如以上第1个猜测无误，那么油液温度升高会将氮气泡加热使其压力增加，有利于提升其力量。问题在于通过调整负载敏感泵高压卸荷压力的方式要么可以像之前一样烫得受不了，要么像现在一样完全不会发热，不存在中间状态。我尝试关闭了其冷却器，看看油温会不会升高一点，油温升高后换向压力会不会有什么变化，但因为测试时间过短，看不出明显效果。
  （2）如果以上第2个猜测无误，可尝试在其换向阀后加装单向阀。