鋼管熱鋸液壓系統的改進

王嘉賦

（湘潭大學 機械工程學院，湖南 湘潭 411100）

鋼管熱鋸液壓系統的改進

王嘉賦

（湘潭大學 機械工程學院，湖南 湘潭 411100）

鋼管熱鋸是鋼管熱軋機組切斷紅熱態鋼管的主要設備，鋸片進給由比例換向閥控制的液壓缸驅動。通過對某大口徑厚壁管熱鋸的故障進行分析，糾正了回路中平衡閥使用不當，液壓缸超壓的問題，找出比例換向閥選型不合理的設計缺陷，重新計算所需流量并選型予以改進，為比例換向閥的選型和平衡閥的使用提供了參考。

熱鋸；比例閥；平衡閥；死區

鋼管熱鋸是軋管機組切斷紅熱態鋼管的主要設備，國內某公司使用的熱鋸鋸切鋼管最大外徑800mm,最大壁厚120mm。由于不同批次鋼管的外徑、壁厚、材質均不同，鋼管溫度、硬度不一致，鋸切負載也隨之變化。因此鋸切進給速度要根據需要調整。故而要求精確控制進給行程和進給速度。

1 問題描述

為縮短鋸片空載下降的待切時間，需要根據鋼管規格設置快進行程。由于現有比例換向閥不能實現所需要的精確控制，常出現鋸片快速下降撞擊鋼管的事故。根據鋸切負載的變化，需要調節鋸切進給速度。同樣由于現有比例換向閥不能實現所需要的精確控制，速度調節不準確。進給量過大鋸片堵轉，引起鋸片粘鋼甚至破裂；進給量過小鋸切時間過長，鋼管冷卻后硬度升高鋸切負載加大，鋸片會發熱損壞。鋸切過程中，系統壓力不能低于180Pa，否則由于設備自重，鋸片及傳動減速箱不能升起。由于進給腔加壓和設備自重以及回油節流的影響，系統壓力180Pa時油缸有桿腔壓力超過320Pa，存在管道爆破、液壓缸爆裂、液壓油泄漏起火的安全隱患。

2 液壓系統的分析

（1）鋸切工作原理。熱鋸以擺動梁為杠桿，軸承座為支點，液壓缸驅動擺動梁擺動實現鋸切周期的動作循環。擺動梁通過軸承和軸承座安裝在熱鋸基座上，傳動減速箱和擺動梁為整體焊接件，主傳動電機安裝于擺動梁上。主電機和傳動減速箱之間由萬向軸傳動以驅動鋸片高速旋轉。鋸片通過法蘭安裝在主傳動減速箱的輸出軸上，外加防護罩防止鋸片破裂飛出。待鋸切的鋼管通過V型運輸輥道運送至鋸片下方并定位，用一套液壓缸驅動的夾管機構夾緊固定。

（2）液壓系統原理及分析。液壓系統改造前后原理圖如圖1所示。熱鋸進給系統選用ATOS的DPZO-AE-271 -D3型電液比例換向閥控制進給液壓缸動作，該閥正遮蓋非線性，P-A為全流量，P-B為1/2全流量，不帶位置反饋。圖2所示曲線3為該閥流量增益曲線。液壓缸參數為160/110-600，熱鋸設計進給速度為20～100mm/s，返回速度為50～300mm/s，擺動梁液壓缸驅動端與鋸片端力臂長度比為1：2.51。系統壓力調定為180Pa。當比例閥接收到指令信號，輸入流量進入液壓缸，液壓缸驅動擺動梁上升，利用杠桿原理實現鋸片下降進給。

圖1 液壓系統改造前后原理圖

圖2 閥流量增益曲線

根據工藝要求，空載時快進，鋸切時慢進。鋸切負載大的鋼管時，進給速度實際調整為5mm/s。計算出液壓缸無桿腔進油流量Q1和有桿腔回油流量Q2。

液壓缸的進給速度V1=5/2.51≈2mm/s

液壓缸的無桿強面積A1=20096mm2

液壓缸的有桿腔面積A2=10598mm2

Q1=V1×A1=40192mm3/s≈2.4L/min

Q2=V1×A2=21196mm3/s≈1.27L/min

熱鋸進給時液壓缸流量為2.4L/min，從圖2曲線3可以看出，比例閥在熱鋸進給工作時，輸入信號在死區附近。而且輸入信號要非常準確，因為信號稍微變化，引起的流量變化較大，液壓缸的速度變化也較大。需要對速度進行微調時，滿足不了需求。

對熱鋸進給有桿腔的增壓現象進行分析，得出以下三個原因：①液壓缸動作緩慢，液壓缸回油時被控制閥節流的作用明顯。②熱鋸擺動梁上所裝設備鋸片側較重，且兩邊力臂長度比為1：2.51，增壓效果明顯，液壓缸此時所承受的是一個超越負載。③液壓缸無桿腔和有桿腔面積比為2：1，無桿腔通壓力油時造成了有桿腔的增壓效果。三個作用疊加，造成了液壓缸有桿腔壓力增大到320Pa。

（3）改進方案的確定。為降低系統壓力，降低爆管的危險性，在熱鋸擺動梁及其上面安裝的設備無法改進、液壓缸無法改進時，只能改進液壓缸承受超越負載的受力結構。故在現有熱鋸基座上增加一個門型受力框架，將液壓缸由現狀缸筒在下，活塞桿向上伸出改為缸筒在上，活塞桿向下伸出（如圖1改造后的原理圖）。

由于液壓缸安裝方向改變，平衡閥在回路需要更改為A口接液壓缸無桿腔，消除了液壓缸進給回油節流時無桿腔和有桿腔面積比帶來的增壓效應。由前面計算可知，改進后熱鋸進給時所需流量約為1.2L/min。根據實際需要，選用了伊頓公司VICKERS系列比例閥，型號為KBFDG4V -3-2C20N10。圖3曲線**C20N為該比例閥單流道（例如P-A）壓降為Δp=5bar（72psi）的流量增益曲線。KBF閥在出廠時已經做了預先調整，對閥芯的正遮蓋效應進行了補償。所示曲線包括了利用威格士歐洲放大器插件板EEA-PAM-533-*-32（由用戶調整）為KF閥所提供的死區補償。

圖3 比例閥單流道

從圖3可以看出，當比例閥輸出流量Q2=1.27L/min時，比例閥輸入信號在20%左右調節，能夠實現在此流量下對比例閥的可靠有效控制。改進后系統原理圖如圖2所示。改進之后，系統壓力降為90Pa即可滿足系統正常運行，完全消除了壓力過高爆管的安全隱患。在此，需要說明的是原電液比例換向閥名義通徑為DN16，改進后的電磁比例換向閥名義通徑為DN6，需要油路轉換塊安裝在原DN16電液換向閥的安裝位置，DN6的電磁疊加于油路塊之上。

3 結語

文章對比例換向閥和平衡閥在使用中存在的問題進行了研究并進行改進，解決了熱鋸在實際生產中存在的設備故障和安全隱患。改進后，熱鋸進給平穩，并且可根據需要進行速度調節，滿足了工廠生產需要。

（1）比例閥必須根據實際流量需要來選用，控制信號不能位于死區范圍內。

（2）平衡閥必須控制液壓缸的正負載腔，且必須控制液壓缸兩腔面積較大的一腔，以免出現增壓效應。

［1］高震.等熱鋸液壓系統的分析［J］.包鋼科技，2006，（8）.

［2］張德明.液壓平衡回路應用實例分析［J］.液壓氣動與密封，2007，（6）.

［3］李本海，等.比例換向閥和內控液壓鎖構成的平衡回路適用條件分析［J］.液壓氣動與密封，2010，（1）.

Improvement of Steel Tube Hot Saw Hydraulic System

WANG Jia-fu
（Mechanical Engineering Department，Xiangtan University，Xiangtan，Hunan 411100，China）

The hot shear saw of steel pipe is the main equipment for pipe mill cut red hot steel.Feed of saw blade is driven by hydraulic cylinder controlled by proportional directional control valve.Through the analysis of the fault of the large diameterthick-wall steel pipe，the design corrects the problem of hydraulic cylinder overpressure caused by the improper use of the balance valve in the hydraulic circuit.It is found out the defects of the selection of the proportional directional valve.And there quired flow and select the type is calculated，providing a reference for the choice of proportional control valve and the use of the balance valve.

hot saw；proportional valve；balance valve；dead zone

TP271.31

A

2095-980X（2016）10-0042-02

2016-09-16

王嘉賦（1981-），男，碩士研究生，主要從事機械工程領域的技術應用及研究工作。