液壓比例技術在RH 鋼包提升系統改造上的應用

丘銘軍，郭星良，張永鋒，陳國防

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 引言

現有的鋼水真空冶煉技術中，為了減少鋼包的周轉時間，提高鋼水的真空處理效率，鋼包提升同步控制系統被廣泛應用于鋼水處理環節。鋼包臺車沿著運行軌道將鋼包運送至鋼水處理工位，由提升裝置將鋼包單獨從鋼包臺車上提升至工藝要求的處理高度，待鋼水真空處理結束后，提升裝置將鋼包下放至運行軌道上的鋼包臺車上，鋼包臺車運送鋼包離開鋼水處理位置進入下一個工藝環節。這種鋼包提升形式，由于鋼包獨立于鋼包臺車單獨提升，鋼包臺車在鋼包提升后進行鋼水處理期間能參與其他工序的工作，從而減少了鋼包的周轉時間，提高了鋼水的真空處理效率。

1 現狀

目前，在真空冶煉領域，鋼包同步提升控制系統采用的控制方式均為大流量同步馬達控制四個提升液壓缸的提升框架的同步動作。

如圖1 所示為改造前使用的框架同步馬達提升控制系統，圖中1為鋼包，2為提升液壓缸，3為位置鎖定閥裝置，4為八聯同步馬達裝置，5為雙作用變量泵。

根據四個提升液壓缸對提升框架的同步控制要求，大流量同步馬達平均分配來自液壓站的流量，使提升框架上的四個液壓缸同步動作。

圖1 改造前使用的鋼包同步馬達提升控制系統Fig.1 Control the hoisting using synchronized motor before revamping

在鋼包提升過程中，由于提升液壓缸提升重量大、速度快，所以液壓缸需要的流量非常大，普通大流量同步馬達無法滿足該流量要求，通常采用多聯大流量同步馬達并聯對某一個液壓缸供油的方式來滿足鋼包提升液壓缸的快速提升的使用工況要求，因此制造成本非常高;同時在使用過程中，假如其中任意一聯同步馬達出現問題，則需要整體更換同步馬達裝置，因此維護工作量大，后期備件費用及運行成本非常高;提升框架的同步提升誤差由同步馬達的精度決定，隨著使用時間的延長，同步馬達部件的磨損，同步控制精度將明顯下降，嚴重影響鋼包提升臺架的連續生產使用。

2 工程改造實例

2.1 液壓比例控制技術

液壓比例控制技術是介于普通液壓閥的開關控制技術和電液伺服控制技術之間的一種控制技術，可以實現液體壓力和流量連續按比例地跟隨控制信號而變化，實現遠距離控制及復雜程序控制，利用反饋信號能提高液壓系統的動作穩定性和控制精度。因此，電液比例控制技術是一種可靠、價廉的控制方式，已成為現代控制工程的基本技術之一，被廣泛應用于工業控制系統中。

液壓比例控制系統由指令元件、比較元件、比例放大器、電液比例閥、液壓執行元件、信號檢測反饋元件等組成，其系統框圖如圖2 所示。

圖2 液壓比例控制系統框圖Fig.2 Block diagram of control system for hydraulic proportional system

如圖中所示，液壓比例控制技術的核心是電液比例閥，系統的指令信號在比例放大器中通過處理、運算、功率放大后輸入到電液比例閥，電子放大器根據一個輸入電信號的大小轉換成相應的電流信號，這個電流信號作為輸入量被送入電液比例閥中的比例電磁鐵，電磁鐵將此電流轉換成作用于電液比例閥中閥芯上的力，以克服彈簧的彈力。電流增大，輸出的力相應增大，該力或位移又作為輸入量加給電液比例閥，后者產生一個與前者成比例的流量或者壓力。通過這樣的轉換，輸入信號的變化，不但可以控制執行元件的運動方向，而且可對其作用力和運動速度進行無級的調節，使系統的輸出量與給定值保持在允許的范圍內，與此同時輸出功率也被大幅度放大。

隨著液壓技術的發展，大流量比例閥的使用技術已經非常成熟。本論文將大流量比例閥技術用于改造現有的鋼包提升同步控制系統，該改造具有成本低、安裝難度小、運行可靠、維護方便、運行成本低、并可單獨補償同步誤差等優點。

2.2 工程改造實施

在目前的鋼包提升系統中，由于采用大流量同步馬達來控制，系統有以下問題:

①為了滿足提升速度的要求，需要采用大流量同步馬達，但是大流量同步馬達價格昂貴;由于大流量同步馬達價格非常昂貴，通常采用多聯中等規格的馬達并聯組成大流量同步馬達;

②當同步馬達的某一聯損壞，則需要整體更換，或視損壞情況返回同步馬達生產廠家維修，維修價格昂貴，維修周期較長;

③同步馬達在使用一段時間后，由于維護不當或者磨損等原因，同步馬達的同步性能將明顯降低，造成鋼包提升的同步性不能滿足使用要求，導致提升框架導軌磨損嚴重;

結合鋼包提升工藝的使用要求以及現有鋼包液壓控制系統的配置，需要一種同步控制系統，能滿足以下要求:

①一種使用廣泛且技術成熟的同步控制方式用來控制該鋼包同步升降控制系統;

②該同步控制系統應該具備某個液壓缸單獨調節的可能，以滿足生產的需要;

③該同步控制系統應該獨立控制各個提升液壓缸，維修簡單，使用方便;

④該改造投入少，改造工作量小，充分利用原有的液壓系統包括液壓站，提升液壓缸等。

液壓比例控制系統，其控制性能遜于液壓伺服控制系統，但是對油液的清潔度要求較低，且價格低廉，特別適用于冶金行業等環境較差的工況，其控制特性也完全能滿足精度要求不是很高，響應不是非常快的場合?；谝簤罕壤刂萍夹g的優越性，并充分考慮以上工藝的要求，決定采用電液比例控制技術應用于該鋼包同步提升系統的改造項目。

改造后的鋼包比例閥同步提升控制系統如圖3 所示，圖中1為鋼包，2為提升液壓缸，3為位置鎖定裝置，5為雙作用變量泵，6為比例閥，7為位置檢測元件，8為電氣控制系統。

圖3 改造后的鋼包比例閥同步提升控制系統Fig.3 Control the hoisting using proportional system after revamping

該改造方案包含以下部分:

(1)同步控制液壓閥臺部分。考慮到原有的同步提升控制系統同步馬達為集成式，維護不便且維修費用高，所以在本改造中采用四個獨立的比例閥用于分別控制各個提升液壓缸。該四個獨立的比例閥安裝在一個閥臺上，用于取代原有的同步馬達裝置，閥臺的管路方向與原有的同步馬達出管方向相同且通徑相等，改造安裝非常容易且完成時間較短。

比例閥的相關計算及選取:

①確定所需要的流量以驅動執行器達到要求的速度。

式中:Q為流量，L/min;A為執行器的有效面積，cm2;Vmax為執行器最大速度，m/s。

②確定閥壓降

式中，PV為允許的閥壓降，105Pa;PS為系統的工作壓力，105Pa;FD為加速和速度保持時所需的力，N;A為執行器的有效面積，cm2。

③比例閥的選用。鋼包的負載(提升力由四臺提升液壓缸提供并已考慮鋼包鋼水重量、提升框架導輪與導軌的摩擦力、慣性力等):5.9 MN;四臺提升液壓缸，每臺液壓缸的尺寸:φ420/220－3700 mm;最大速度:Vmax=50 mm/s;系統的工作壓力:16 MPa。

以上參數代入公式，得出

查閱比例閥的相關樣本中的“流量增益”曲線，25 通徑的比例閥能滿足以上計算所得的壓降流量增益，常規設計方法選用25 通徑的比例閥即可以滿足使用要求。

但在該系統中，比例閥的作用其一在滿足鋼包高速提升及下降的工況下單向提供足夠大的流量;其二通過檢測元件的實時反饋及時自動修正比例閥的流量輸出，使四個提升液壓缸能滿足同步要求;即比例閥的作用是在大流量狀態下起比例通斷油路(節流)作用，由于25 通徑的比例閥價格較昂貴，為了降低改造投入，本改造采用16 通徑的比例閥，通過優化創新設計，比例閥的P 口與B 口、T 口與A 口在外部閥塊中連通，比例閥通電打開或關閉時，兩個通油道同時工作，流量較單通道工作時增加了一倍，靜動態特性與使用單通道時一致，完全能滿足鋼包同步提升的使用要求。

(2)提升液壓缸檢測部分。帶閉環的比例控制系統，需要檢測提升液壓缸的實時位置來反饋給電氣控制器，從而控制比例閥的開度來實現對液壓缸的速度及位置的控制。

液壓缸的位置檢測通常采用磁致伸縮位移傳感器的形式，該檢測形式要求液壓缸后部有足夠的檢修空間用于維護或者更換位移傳感器，而且原有的提升液壓缸沒有預留位移傳感器安裝孔，改造難度大，費用高且時間長。

結合現場的安裝空間及各項因素，本改造決定采用拉繩一體式編碼器作為提升液壓缸的位置檢測元件，該編碼器為整體式，獨立安裝在固定臺架上，拉繩端固定在提升液壓缸的運動活塞桿端即可，安裝方便，費用低，完成改造時間短。

(3)電氣控制部分。新改造系統需要一套電氣控制系統，用于分別實時檢測提升液壓缸的位置，并反饋給該電氣控制系統，通過信號的計算、放大后輸入給比例閥，用于即時調整比例閥的閥芯開口度，從而控制經過比例閥的流量來控制提升液壓缸的速度及位置。

該電氣控制部分由常規PLC組成，并通過以太網與原有的電氣部分實現數據的可靠傳輸及控制。改造周期短，工作量小，現場容易實施。

圖4為改造后的比例控制閥臺，閥臺布置在原同步馬達閥臺旁邊;圖5為改造后提升框架的運行動作。該改造實施周期短、改造后系統運行平穩、工作可靠，完全能滿足現場使用要求。

圖4 改造后的比例控制閥臺Fig.4 Proportional valve stand after revamping

圖5 改造后提升框架的運行動作Fig.5 Ladle frame hoisting after revamping

3 結論

本改造將比例閥取代大流量同步馬達的方案用于解決現有的鋼包提升同步控制系統存在的問題，該改造方案具有成本低、安裝難度小、運行可靠、維護方便、運行成本低、并可單獨補償同步誤差等優點，能夠有效解決長期困擾生產企業的鋼包提升同步控制系統實際使用中存在的問題。

隨著液壓技術的發展，大通徑比例閥的使用技術已經非常成熟但價格較為昂貴。中等通徑的比例閥價格低廉且供貨周期較短，本改造將中等通徑比例閥的兩個通油道經液壓集成塊在外部連通代替價格昂貴的大流量比例閥，使比例閥的通流量增大一倍，完全滿足鋼包提升控制系統的使用要求，大大減少企業的改造投入及后期運行維護及備件成本。

通過解決該工程實際問題，說明液壓比例控制技術應用在鋼包提升裝置中是非常成功的，鑒于液壓比例控制技術理論的通用性，本文也能為相關控制問題提供有價值的借鑒作用。

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