变幅油缸及保护机器的限值

当堆料机臂架突然移动时

昆士兰州一台煤炭堆料机正在将臂架降至所需位置，臂架却突然抬起。当时有一名工人在机器上，但无人受伤。2025年5月12日发布的安全通报称，液压油缸在下部叉耳连接处脱开，随后配重驱动臂架向上运动。初步观察发现螺栓磨损和螺母螺纹滑牙；通报发布时，调查仍在进行。[1]

油缸无需发生爆裂也可能失去约束作用。其连接处失效切断了支承臂架的传力路径。因此，油缸评估必须包括活塞杆、销轴、叉耳、螺栓、耳板、焊缝和支承钢结构。

为什么从走道进行检查可能发现不了问题。 连接部位外观看似完好，但销轴、衬套、螺纹或承压表面的劣化可能被遮蔽。外部检查仍有价值，但无法确定每个已装配接头的状况。应围绕关键连接安排停机检查，必要时进行尺寸检查、拆检和适当的无损检测。

异常的相对运动可能表明存在间隙或松动。观察只能采用受控方法，并设置适当的隔离区域，必要时采用远程测量。需要拆卸或介入的检查必须先完成隔离，并设置经工程设计的支承；人员不应靠近疑似存在问题的受载连接来观察运动。

为什么单一支承路径值得关注。 如果唯一有效的约束失效，臂架可能在剩余重量不平衡的作用下运动。运动方向和幅度取决于机器平衡、所处位置及其他约束。只有当第二个油缸、其连接部位及周围结构能够承受载荷转移并保持有效时，该油缸才可提供应急支承。

故障后保持位置，与安全下降或继续生产也不是同一回事。西澳大利亚矿山安全通报 128 介绍了堆料机在维护期间发生不受控运动的事件，以及液压保压和溢流设定方面的问题。应针对实际机器确定故障后需要保持的状态及恢复方法。[2]

为什么需要复核旧机器。 昆士兰的这台机器于 1990 年按照 BG1986 设计。[1] 对于现有机器，AS 4324.1:2025 第 1.2 条将评估纳入继续使用、升级或改造的风险评估范围。[4] 应评估机器当前的状况和运行工况。检查和维护仍然必不可少，但若原本不存在失效后仍有效的传力路径，检查和维护并不能创造这样的路径。

双缸系统的载荷分配

双缸系统必须维持设计所允许的载荷分配，并在一个油缸失效后提供所需的支承。这两项功能都取决于油缸布置、连接、液压回路及支承结构。

作者经历中的一个匿名取料机案例说明了载荷分配问题。油缸差动力报警反复中断生产。机器平衡偏向臂架侧，油缸承受较高的拉力。其中一个油缸的载荷经常高于另一个。起初，这些报警看起来只是影响生产的干扰。

提高阈值减少了停机次数，但没有消除载荷分配不均。机器平衡状况可以解释总体受力较高，却不能单独解释两个油缸为何承受不同的力。在确定需要解决的问题时，必须区分这两点。

应检查合力及其分配。总力是两个油缸承受力的总和。载荷分配描述各油缸承担总力的比例。一个油缸可能承担更多，另一个承担更少，而总力保持不变。这可能增加连接部位的局部载荷，并使支承框架承受扭转。

如果两个油缸的力同时增加相同数值，两者之差保持不变，但总力会增大。因此，仅依据该差值的报警可能无法识别过大的总载荷需求。应将各油缸的力及其合力与针对该机器和运行条件所评估的限值进行比较。

疲劳问题涉及耳板、焊缝及周围钢结构中的应力变化。反复变化的力分配可能增大局部应力范围，即使结构通过了峰值载荷验算也是如此。单凭持续不变的受力不均不能判定存在疲劳损伤；评估还需要应力历程、循环次数和细节的疲劳抗力。

出现差动力报警时应开展调查。应确认其原因是真实的载荷分配不均、液压系统响应、摩擦、对中状况、结构位移，还是测量误差。提高报警阈值或延长延时，可能使停机前的力差进一步增大。停机次数减少只能说明中断减少，不能证明载荷历程可以接受。

检查触发报警的实际受力

只有正确换算为力，压力读数才有意义。对于单活塞杆油缸，活塞两侧的压力作用面积不同，因此需要两腔压力。[3]

无杆腔压力作用于活塞的完整面积。有杆腔压力作用于活塞杆周围较小的环形面积，产生方向相反的力。各腔的力等于该腔压力乘以相应的有效面积。

应分别计算每个油缸的力。确认尺寸、传感器位置、校准、量程及读数同步情况，再将结果与臂架位置、载荷和运动状态联系起来。某一腔室压力相同，并不能证明油缸力相同。传感器记录若达到测量上限，就无法确定真实峰值。

停机保护设定值应允许有依据的正常波动，同时在出现不可接受的受力前使机器停止。应考虑测量不确定度、设定容差以及停止响应期间可能产生的载荷。如果这些要求使可用设定范围不复存在，仅修改控制器中的数值无法解决问题。

措施应针对原因。可能需要纠正液压特性或对中情况、恢复机器预期平衡、改变运行工况，或加强易发生疲劳的细节。对于评估发现受力较高的部位，应检查销轴、耳板、焊缝和支架。单纯加强结构无法纠正尚未解决的载荷分配问题。

细节同样重要：装配不当的管接头、不合适的焊接细节或容量不足的阀，都可能削弱预期的保护功能。对于失效后果严重的装船机、堆料机或取料机，应根据完整系统经验证的响应来判断冗余能力，而不是根据采购了多少个油缸来判断。

应用油缸要求

AS 4324.1:2025 对液压油缸支承系统规定了要求。第 5.7.7 条禁止采用单个液压油缸承受拉力或压力的支承系统，并要求在一个油缸失效的情况下评估结构和油缸。变幅油缸失效工况属于额外载荷（Extra Load），其载荷组合应按附录 B 在技术规格书中规定。[4]

该标准的说明指出，第5.7.7条是在2017版中加入的。2025版增加了受压油缸屈曲的明确要求，同时保留了油缸失效评估。[4, Clause A.119]

受压时，屈曲系数为计算得到的油缸屈曲承载能力除以施加载荷：正常双缸工况下至少为 4，单缸失效后至少为 2。应采用公认标准中的既定方法；第 5.7.7 条列举了 DNV ST 0194 和 EN 13001 3 6 作为示例。这些系数不是压力设定值的倍数，也不意味着失效后可以继续运行。

应将该系数应用于各油缸的评估载荷，并考虑分配不均。不要假定每个油缸始终承担总载荷的一半。

设计方案应满足油缸要求，并与整机保持兼容。选用更大的油缸时，应审查其质量、安装连接、销轴、支架、液压要求和维护通道。应将相关的配重或结构改动纳入设计范围、安装计划和成本估算。

对于油缸位于臂架侧的堆料机，新增油缸及其连接部件的质量可能增大臂架侧力矩，并需要调整配重。对于油缸位于配重臂上的取料机，新增质量可能增加该侧重量，而无需增加配重块。结果取决于实际位置、几何关系和质量分布；这两种布置均不能代表所有机器。

稳定性与配重。 应针对相关运行和失效工况重新检查平衡方案与稳定性。增加压载可能解决一种平衡工况的问题，同时加重另一项受力。

回转支承及支座。 应将竖向载荷、倾覆力矩及连杆机构力的变化，沿铰点、回转支承、支座和下部结构逐级评估。

强度与疲劳。应针对调整后的载荷和应力历程检查钢结构、焊缝及关键连接。某些机器可能需要增大构件尺寸或加强连接。更大的油缸不会自动增加疲劳损伤，但也不能直接假定原有评估已涵盖改动后的机器。

针对控制工况选择设计方案

应确定控制性载荷工况和部件验算要求，再选择满足适用标准及运行要求的方案。油缸屈曲、连接强度和运行载荷需求需要分别考虑。

如果油缸屈曲是控制条件，应在整个伸出范围内评估完整组件，包括实际端部约束、对中状况及侧向载荷。改善约束或支承可能提高承载能力，但必须证明其刚度、间隙及全行程内的工作表现符合要求。增设导向装置可能引入侧向载荷，或妨碍所需的铰接运动。

如果连接部位起控制作用， 可考虑局部加劲，或修改销轴、耳板和支架。应校核销轴弯曲、承压、焊缝和载荷传递。改变耳板间距可能改善连接，但不会自动缩短油缸的有效屈曲长度。

若运行载荷需求起控制作用，应在提高部件承载能力前调查机器平衡状态和运行工况。增大缸径不会降低在相同几何条件下支承相同载荷所需的力。它会改变所需压力，以及在现有压力设定值下可产生的力。同时，油液流量与油缸速度之间的关系也会改变，因此需要审查阀件和系统响应。

剩余有效油缸的校核必须包括载荷转移、连接部位的不对称受力、框架扭转以及任何运动或冲击。应明确所评估的失效，并确定其是否还可能通过共用的液压、控制或结构元件，使剩余支承失效。

当变幅限值开始制约机器运行

在作者经历中的一个匿名运行案例中，臂架在重载取料时偶尔会停止下降。变幅系统已达到限值，载荷减小后运行恢复。当时未发现明显的结构缺陷。从外观上看，机器似乎没有变化。

这次中断看起来像是控制设定妨碍了生产，提高限值似乎就能轻松改善。然而，该限值也在界定机器可以继续经历的运行工况。

后续运行数据显示，载荷正在接近原设计假定范围的上限，并表明机器的平衡状态可能已随时间发生变化。因此，该方案需要审查机器的运行工况，而不只是检查油缸可用压力。在将趋势变化归因于平衡状态变化之前，应比较相同臂架位置和等效运行条件下的读数，再核查相关质量和几何参数。

提高限值后，臂架可能在高载荷工况下运行更久，经历更严苛的循环，或达到更高峰值。即使最大载荷不变，加载频率和模式也可能改变。在接近最大压力下的运行时间本身并不构成疲劳计算；应将运行历史转换为结构实际承受的应力幅和循环次数。

检查机器停止前会发生什么

应明确正在变更的功能。总力超限停机、差动力超限停机、压力溢流保护及变幅角度限位各自承担不同的作用。评估需要实际设定值、滤波方式、延时、阀响应及停机动作。AS 4324.1:2025 第 3.1.2 条涉及由保护装置限制的载荷；第 3.5.16 条规定了特殊载荷（Extra Loads）的相应要求。[4]

Schmidt 和 van Rensburg 对一台堆料机的调查发现了连接缺陷、有缺陷的螺栓及保护不足的问题，其中过载报警设定值过高。[5] 该案例进一步说明，需要同时检查实际传力路径及用于保护该路径的设定值。

提高限值前，应确定现有的机器平衡状态和运行载荷，将拟采用的工况与设计假设进行比较，并评估由此产生的应力历程和停机响应。应在结构计算文件及操作维护手册中记录保护设定值，以及保护触发时所需采取的措施。在调试期间，应验证实际安装系统的设定值和响应是否与评估依据一致。若某项控制功能用于防止过载，应与控制专业人员共同确定其所需可靠性及故障响应。

机器外观可能没有变化，也可能通过同样的目视检查，但其实际载荷历程已经不同。由此产生的疲劳问题可能出现在远离控制器的耳板、焊缝或下部结构连接处。更改限值属于对机器的工程变更。

决策必须覆盖整台机器

检查有助于发现劣化。经验证的剩余支承能够限制失效后果。正确的载荷分配和合适的控制措施可将运行载荷保持在已评估的限值内。这些措施不能相互替代。

AS 4324.1:2025 对油缸承载能力及单缸失效工况提出了要求。落实这些要求需要考虑完整的支承系统。应按实际载荷评估每个油缸，并证明在所定义的失效发生后，剩余支承仍然有效。油缸尺寸或运行限值发生变化时，应结合机器平衡、结构受力、运行工况及停机响应进行核查。计算、批准的设定值及经验证的机器响应应始终可追溯至已接受的设计依据。

ACE 将结构和机械设计与液压及控制方面的证据结合评估，为整机协调方案提供支持。