鋼卷小車比例液壓系統及控制方案分析①

李 麒

(常州寶菱重工機械有限公司, 江蘇 常州 213019)

引 言

鋼卷小車廣泛用于各類鋼卷生產處理線，設備的性能直接影響鋼卷生產線的產量和質量。鋼卷小車是鋼卷生產過程中連接起整個生產工序各個生產環節的必不可少的設備之一，具有結構簡單、輸送平穩、裝卸動作靈活快捷等優點，廣泛應用在薄板軋制、薄帶連鑄、退火酸洗、重卷等鋼卷生產處理線上[1]。鋼卷小車的主要作用是將鋼卷從卷筒上卸下來，運輸到打捆站[2]。由于各種鋼卷生產處理線的工藝要求和設備設計的不同，鋼卷小車主要采用的動力模式也不同，主要有全液壓式、液壓升降與電動橫移相結合兩種。由于鋼卷重量最大可以達到35噸左右[3]，鋼卷小車承載量大時，使用液壓升降就成了必不可少的動力源。

1 鋼卷小車工作原理

圖1所示的是薄帶連鑄項目中的卡羅塞爾卷取機用鋼卷小車的外形圖，此鋼卷小車采用的是液壓升降+電動橫移模式完成相關動作。帶鋼進入到卷取機之前，鋼卷小車使用電機橫移到卷筒下方的初始位置，然后鋼卷小車根據鋼卷的直徑大小上升到一定高度后停止，卷取機卷曲帶鋼完成后，鋼卷小車再次進行上升動作，托住鋼卷，卷取機慢速旋轉卷筒使得鋼卷尾部正好壓在鋼卷小車的托輥上，然后卷筒收縮并慢速反轉，鋼卷此時脫離卷筒，重量集中在鋼卷小車上，通過鋼卷小車的同軸減速電機橫移到打捆站進行打捆作業[4]。

圖1 鋼卷小車外形示意圖

2 液壓升降系統對比

目前，鋼卷小車液壓升降系統主要有以下幾種控制方式：

1)采用兩個遠程溢流閥控制鋼卷小車升降的壓力，只有高壓和低壓兩種壓力模式可選，即事先手動設定好兩個遠程溢流閥的壓力設定值，此種壓力控制方式不能根據各種鋼卷的重量自動進行系統壓力調整，若鋼卷小車液壓升降系統壓力不夠或者壓力過大，不能滿足鋼卷升降時對系統壓力的需求，鋼卷小車從卷筒上卸卷橫移過程中，極易引起鋼卷迅速下墜，對卷筒產生很大的沖擊載荷，引發安全生產事故[5]。

2)采用伺服閥系統控制鋼卷小車升降的速度和所需壓力，伺服系統控制方式能夠很好地滿足鋼卷小車的各項性能要求，并且系統相對簡單，使用的液壓閥數量較少。但是，鋼卷小車壓力控制精度無需特別精確，主要目的是滿足鋼卷小車在橫移時，鋼卷與卷筒不產生干涉；再考慮到成本因素，比例閥完全能夠滿足要求，而且伺服系統對油液的清潔度要求很高，使得油液管理成本加大，而比例閥無需清潔度很高的油液。

3)采用遠程比例溢流閥+壓力傳感器+單向節流閥閉環控制鋼卷小車升降的壓力和流量，滿足安全卸卷運輸的要求，并且油液管理成本大幅降低。

3 比例控制液壓系統3.1 控制原理

如圖2所示，鋼卷小車比例控制液壓系統主要由比例溢流閥、先導控制減壓閥、電磁閥、單向節流閥、壓力傳感器、緊急防墜閥等組成。比例溢流閥、壓力傳感器和PLC組成閉環控制系統，壓力傳感器將檢測到的壓力信號傳給PLC，PLC經過自動計算后，將計算后的信號傳送到比例溢流閥中，控制比例溢流閥的設定壓力，進而控制先導控制減壓閥的出口壓力。

1．比例溢流閥；2先導控制減壓閥；3單向閥；4遠程溢流閥；5三位電磁換向閥；6兩位電磁換向閥；7液控單向閥；8單向節流閥a；9單向節流閥b；10壓力傳感器；11緊急防墜閥；12油缸圖2 鋼卷小車比例控制液壓系統圖

3.2 控制方案分析

3.2.1 鋼卷小車上升

計算機事先計算出鋼卷的最終重量，計算機根據式(1)自動計算出托卷壓力值，然后將托卷壓力值信號傳給比例溢流閥，控制比例溢流閥的設定壓力，進而控制先導控制減壓閥的出口壓力。托卷壓力值計算公式為

(1)

式中Wc為計算機計算出的鋼卷最終重量(kgf)；Wf為鋼卷小車自身重量(大約4500 kgf)；Dh為油缸無桿腔直徑(cm)。

比例溢流閥壓力設定完成后，三位電磁換向閥和兩位電磁換向閥得電，液壓油通過單向節流閥b對油缸上升速度進行調節。油缸帶有位移傳感器，從初始位置上升到預定位置后停止，此預定位置是由計算機自動計算出鋼卷半徑+安全距離得出的。等到卡羅塞爾卷曲機卷曲鋼板完成后，鋼卷小車開始二次上升，等到接觸到鋼卷后，壓力傳感器檢測到的壓力值逐漸上升，一直上升到事先計算出的托卷壓力值后，PLC控制三位電磁換向閥和兩位電磁換向閥，使其失電回中位，油缸停止上升進行保壓，并且PLC也控制比例溢流閥，將比例溢流閥的壓力設定為最小值，主要目的是為油缸的下降做好準備。

3.2.2 鋼卷小車橫移

鋼卷小車上升托卷停止后，卡羅塞爾卷取機的卷筒收縮并慢速反轉，鋼卷重量全部落在鋼卷小車上，此時上、下壓緊輥脫離鋼卷，卷筒外支撐旋轉脫離卷筒。以上動作完成后，鋼卷小車的同軸減速機啟動，進行慢速橫移動作，鋼卷脫離卷筒位置后，進行高速橫移，即將到達打捆站時，鋼卷小車再次切換到慢速直至鋼卷小車完全到位，此橫移過程中的高、低速橫移切換是由安裝在軌道上的接近開關提供信號的。

3.2.3 鋼卷小車下降

鋼卷小車到達打捆站的鞍座位置后，進行下降動作，將鋼卷放置在鞍座上進行自動打捆作業。此時三位電磁換向閥和兩位電磁換向閥得電，液壓油進入到油缸的有桿腔中，液控單向閥打開，從油缸無桿腔出來的液壓油經過單向節流閥a調速后，回流到油箱中；若僅靠單向節流閥a調整下降的速度，則無法滿足鋼卷重量不一樣時，鋼卷小車下降速度保持恒定的要求。

本文提出的鋼卷小車液壓系統中使用的是單向節流閥，鋼卷小車下降速度由單向節流閥a控制，無論鋼卷重量變化，在單向節流閥a的節流面積未變的情況下，只需單向節流閥a兩側壓力差保持恒定，即可以保證速度恒定[6]。鋼卷小車下降時，單向節流閥a出口側壓力值為0，進口側壓力是由鋼卷重量+小車自重+油缸有桿腔的壓力共同決定的，油缸有桿腔的壓力是由比例溢流閥進行控制的。只需保證壓力傳感器檢測到的壓力值恒定，鋼卷小車承載不同重量鋼卷時的下降速度即可保持恒定。壓力傳感器檢測的壓力公式

P壓力傳感器=P鋼卷+P小車+P比例閥

(2)

若P鋼卷變大，P小車不變，P比例閥就要變小。

若P鋼卷變小，P小車不變，P比例閥就要變大。

整個壓力調整過程是由壓力傳感器實時檢測，將壓力信號傳給PLC，PLC經過分析后調節比例溢流閥的設定壓力。整個過程完全實現自動控制。

3.3 系統優點分析

此比例液壓系統具有以下優點：

1)液壓系統采用比例控制+反饋控制相結合的方式，具有較高的自動控制精度，滿足鋼卷小車動作的要求。液壓系統簡單可靠，成本較低，油液管理費用無需增加。

2)鋼卷小車采用液壓升降+電動橫移的動力方式，避免使用大行程油缸，并且電機控制更加方便。

3)液壓油缸的無桿腔管路中安裝有緊急防墜閥，防止鋼卷小車拖鏈中的軟管老化爆裂，油缸突然下滑引起的安全生產事故。

4)液壓系統中的比例溢流閥、先導控制減壓閥、單向閥和遠程溢流閥共同組成了壓力精確控制模塊，先導控制減壓閥和遠程溢流閥的壓力值都由比例溢流閥設定，單向閥的開啟壓力為0.05 MPa，所以先導控制減壓閥出口壓力值比溢流閥壓力值小0.05 MPa，壓力控制精度高。

4 結束語

本文通過對鋼卷小車的幾種液壓控制系統進行了對比，著重分析了鋼卷小車的比例控制液壓系統及具體動作過程。此鋼卷小車具有控制精度高、成本較低、安全可靠等優點，已在國內多家鋼廠廣泛應用。