258機組環形加熱爐夾鉗液壓系統改造

劉瑞 王懷民 潘志廣（天津鋼管集團股份有限公司軋管一部，天津 300301）

258機組環形加熱爐夾鉗液壓系統改造

劉瑞 王懷民 潘志廣（天津鋼管集團股份有限公司軋管一部，天津 300301）

針對鋼管公司258機組環形加熱爐裝料夾鉗升降液壓系統的缺陷，分析了裝料夾鉗的升降液壓回路的工作過程，提出了改進方案。改進后在比例閥進口、出口增加壓力補償器，改善了夾鉗的運動平穩性，延長了四連桿機構中軸承的使用壽命，效果良好。

加熱爐 夾鉗 液壓系統 比例閥 壓力補償器 流量 改造

1 前言

環形爐的作用是將待軋制管坯加熱到1 260℃～1 300℃，使管坯達到能夠軋制的高溫狀態。在加熱時，先由裝料夾鉗夾起管坯送入環形爐內，管坯伴隨加熱爐加熱轉動一周后，被出料夾鉗夾出放到出爐撥叉上。夾鉗的上下運動靠液壓缸驅動，以實現管坯的上升、下降、前進和后退動作，其動作的準確性與管坯在爐中的定位密切相關。針對天津鋼管集團公司258機組環形爐夾鉗升降液壓系統存在的設計缺陷，對其液壓系統做了改進，取得了良好效果。

2 夾鉗結構和工作方式

夾鉗升降驅動為液壓帶動——連桿機構，結構示意圖如圖1所示。

圖1 裝、出料機械手機械結構示意圖

在工作中，夾鉗的頭部要夾住管坯送入環形加熱爐內，而液壓缸和四連桿都要留在爐外，只有比較長的夾鉗才能滿足使用要求。由于夾鉗和四聯桿較長及其自身有彈性，再加上管坯1.5～3 t自重，使夾鉗的上升和下降運動出現不穩定，產生較大的振動，導致經常損壞四連桿機構中的軸承。因此，需要改造夾鉗升降液壓回路解決動作不穩定的問題。

原始設計控制升降缸的液壓原理如圖2。比例閥換向閥1控制液壓缸上下和速度快慢運動，液控單向閥2控制夾鉗帶料在高位時防止由于自重下滑，電磁閥3是控制液控單向閥2的開合。

圖2 升降缸液壓原理

3 故障分析和技改措施

3.1 故障分析

從圖2中可以看出，液壓缸的速度控制完全靠比例閥1來控制。但比例閥只能通過電信號線形控制閥的開口度（即通流截面積），根據薄壁孔口流量計算公式[1]：

式中：qv——流量（m3/s）；

μ——流量系數；

A——孔口面積（m2）；

△p——孔口前后壓差（Pa）；

ρ——流體的密度（kg/m3）。

從薄壁孔口流量公式可以得出：對比例閥控制的回路，流量系數μ、流體的密度ρ是一定的。也就是說流量qv與孔口面積A和孔口前后壓差△p平方根都成正比關系。所以比例閥前后的壓差對流量控制非常關鍵。同時，通過液壓缸的受力公式可知：

式中：P進——液壓缸進口壓力；

S1————液壓缸進油腔面積；

P出——液壓缸出口壓力；

S2——液壓缸出油腔面積；

F負——液壓缸負載力。

當公式（2）成立時，液壓缸應該勻速前進或者靜止不動；當P進S1＞P出S2+F負時，液壓缸加速前進;當P進S1＜P出S2+F，液壓缸應該靜止不動或者減速。

對于裝出料夾鉗上升和下降運動時，液壓缸負載力發生很大的變化，特別是在液壓缸下降過程中，液壓缸的負載力完成為負數，這時P進S1遠遠大于P出S2+F負的力，液壓缸速度很難控制，最終導致夾鉗振動大，速度失控。要想使速度穩定，要使公式（2）成立，可通過控制液壓缸出口壓力P出，來控制夾鉗上升下降的速度。

要想使夾鉗動作穩定，可以通過控制比例閥1前后的壓差△p和控制液壓缸出口壓力P出，來控制夾鉗上升下降的速度。

3.2 夾鉗運動穩定性的技改方案

在比例閥1下面，增加進口壓力補償器和出口壓力補償器（俗稱平衡閥）型號分別為ZDC16和SCA16。

3.2.1 在比例閥下面增加進口壓力補償器

從薄壁孔口流量公式(1)可知,流量與孔口面積A和孔口前后壓差△p平方根都成正比關系。比例閥的給定電壓或者電流決定了比例閥的開口度，也就是孔口面積A。

比例閥的開口度可通過電信號控制。但要想得到一定的流量，比例閥前后的壓差△P必須為恒定。而進口壓力補償器就起到了這種作用，△P壓差公式如下：

式中：P1——比例閥入口壓力（Pa）；

P2——比例閥出口壓力（Pa）。

比例閥出口壓力P2決定于負載壓力和回油壓力，在夾鉗作上下運動時，一會重載一會空載，而且上升是正負載，下降是負負載。P2是不斷變化的。要想得到準確的△P，P1也必須隨著P2變化而變化。

圖3是進口壓力補償器的原理圖[2]。進口壓力補償器相當于特殊的減壓閥，減壓閥的出口接P1，減壓閥的泄漏油口接P2。根據減壓閥的工作原理，P1的壓力等于P2的壓力加上彈簧設定壓力。當P2壓力隨著負載壓力變化時，ZDC閥會根據P2的變化，對減壓閥出口P1的壓力做出調整，始終保持P1、P2的壓差不變。

圖3 進口壓力補償器原理圖

比例閥可以準確地控制通流節面積，進口壓力補償器可以準確地控制比例閥進出口的壓差。所以兩著的結合能夠精確的控制回路流量。

3.2.2 在比例閥下面增加出口壓力補償器（俗稱平衡閥）

雖然比例閥和進口壓力補償器結合一起，可以很好地控制流量，但是對于出現負負載的回路，還是容易出現速度失控。因為比例閥和進口壓力補償器流量控制，主要還是入口節流控制。當負載嚴重時，液壓缸被動運動，從比例閥提供的流量不夠，出現吸空現象，這時速度完全失控。為了避免這種現象。我們選用一種出口壓力補償器，型號為SCA16平衡閥，可以很好地控制回油壓力，其工作原理如圖4所示。

圖4 平衡閥工作原理

壓力油從A1進入后，將1#平衡閥打開，由于負載和回油的壓力作用，在液壓缸無桿腔建立起壓力，壓力P1推動2#平衡閥打開，液壓缸有桿腔的油液通過2#平衡閥的閥口流回油箱，同時在B2端建立背壓P2。

P1、P2和彈簧在2#平衡閥內建立一種平衡，使閥口開度隨負載變化不斷變化來保證液壓缸運行平穩。當出現負負載時，液壓缸動作瞬間加快，壓力油口A1供油不足，P1會瞬間降低，這時2#平衡閥閥芯會在彈簧力的作用下，閥芯向左運動，閥口開口度變小，則背壓P2會升高，對執行動作起制動作用，防止執行動作失控現象。反之，當P2升得過高，液壓缸回油壓力增加，由于P1決定于負載和回油壓力，這時P1壓力升高，把2#平衡閥閥芯再次打開。2#平衡閥的口開度隨負載變化不斷變化來保證液壓缸運行平穩，避免動作失控。

平衡閥還可以起到液壓鎖的作用，當A1和B1壓為零時，1#和2#平衡閥閥芯會關閉，可以保證液壓缸兩個腔的油液不泄漏，執行機構不會因自身重力作用而下滑。

4 技改效果

改造前壓力曲線見圖5，從圖5中可以看出，在夾鉗下降過程中，下降速度比較快，而且在快到位時，出現回油壓力沖擊大的現象（高達19 MPa），在夾鉗下降過程中速度控制不穩定，振動過大，經常損壞四連桿機構中的軸承。

圖5 改造前夾鉗下降壓力曲線圖

圖6 改造后夾鉗升降缸降壓力曲線圖

通過使用進口的壓力補償器和平衡閥，改造夾鉗的液壓系統，改善了夾鉗的運動平穩性。圖6是改造后液壓缸兩腔的壓力曲線。從圖6中可以看出回油壓力P2，一會高一會低，來回振蕩。說明了圖4中的2#平衡閥閥芯不停地打開和關閉，通過調節背壓控制夾鉗下降速度，從而避免夾鉗在下降過程中，由于負負載過大導致速度失控的現象。夾鉗改造后動作穩定，四連桿機構中的軸承使用壽命得到延長。

5 結論

5.1 通過這次改造，夾鉗在后期使用過程中，運動很平穩，四連桿機構軸承使用壽命得到了延長，應該說這次改造非常成功。可以通過改變液壓回路設計，達到提高機械設備工作的穩定性。

5.2 通過液壓缸兩腔的壓力曲線分析，可以知道液壓缸的動作情況。通過壓力曲線可以把液壓缸機械動作和液壓控制回路很好地聯系起來，更好對設備進行受力分析。

5.3 進口節流壓力補償器和比例閥相結合，可以實現準確地流量控制。出口節流壓力補償器和比例閥結合成出口流量控制回路來控制正載荷和負載荷。這三種閥有機地結合，可以廣范地應用于現在液壓系統中，特別是負載變化比較大、執行動作速度要求高的液壓回路。

［1］機械設計手冊聯合編寫組.機械設計手冊下冊[M].北京：石油化學工業出版社，1978.103～115.

［2］曹玉平、閻祥安.液壓傳動與控制[M].天津：天津大學出版社，2007.19～40.

Modification of Hydraulic System of Charging Clamp for 258 Train Ring Furnace

Liu Rui,Wang Huaimin,Pan Zhiguang

In an effort to address the defect of lifting hydraulic system of charging clamp of ring furnace for 258 Train,Tianjin Pipe Cooperation,the authors analyze the working process of lifting hydraulic circuit for charging clamp and propose modification plan.Pressure compensators are added at the intake and outtake of the proportional valve.Consequently,the clamp running stability is improved and the service life of the bearing at four-bar linkage is prolonged,giving good effect.

reheat furnace,clamp,hydraulic system, proportional valve,pressure compensator,flow rate, modification

（收稿 2009－8－26責編趙實鳴）

劉瑞，男，畢業于湖北工業大學，工程師，畢業后一直從事液壓技術工作。