蓄能器在四輥軋機(jī)平衡控制系統(tǒng)的應(yīng)用

杜光遠(yuǎn)

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）

0 引言

中厚板四輥可逆軋機(jī)的平衡系統(tǒng)是平衡軋機(jī)支承輥、工作輥實(shí)現(xiàn)隨電動APC同步動作，配合液壓AGC正常而穩(wěn)定地工作的重要組成機(jī)構(gòu)，在軋鋼過程中起到了不可替代的作用。本文以四輥軋機(jī)平衡控制系統(tǒng)為例，對液壓設(shè)備的蓄能器選型設(shè)計進(jìn)行了分析。

四輥軋機(jī)平衡系統(tǒng)包括軋輥平衡系統(tǒng)、接軸平衡系統(tǒng)。其中軋輥平衡系統(tǒng)包括上支承輥平衡系統(tǒng)、上工作輥平衡系統(tǒng)、下工作輥平衡系統(tǒng)；接軸平衡系統(tǒng)包括上接軸平衡系統(tǒng)和下接軸平衡系統(tǒng)。以某廠3 500 mm中板軋機(jī)為例進(jìn)行說明，圖1左所示為軋輥平衡設(shè)備示意簡圖，圖1右為接軸平衡原理圖。

蓄能器是液壓氣動系統(tǒng)中的一種能量儲蓄裝置。它在適當(dāng)時會將系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s能或位移能，轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤夯驓鈮旱饶芏尫懦鰜恚匦卵a(bǔ)給系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)瞬間壓力增大時，它可以吸收這部分能量，以保證整個系統(tǒng)壓力正常。四輥軋機(jī)平衡系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)形式，液壓蓄能主要有皮囊蓄能洗和活塞蓄能器。本文主要對平衡系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行計算，采用增加蓄能器的形式對平衡系統(tǒng)進(jìn)行流量補(bǔ)償，并對采用不同種類蓄能器時系統(tǒng)的模擬工作狀態(tài)進(jìn)行比較，以選擇更加優(yōu)化的方式。

本文主要通過HYDAC公司蓄能器模擬選型設(shè)計軟件AST，對平衡控制系統(tǒng)液壓蓄能器的選型設(shè)計應(yīng)用進(jìn)行分析，通過對比液壓系統(tǒng)分別在采用皮囊蓄能器和活塞蓄能器時的不同狀態(tài)，對其蓄能器選型設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。

1 蓄能器模擬選型設(shè)計軟件AST

AST軟件是HYDAC公司對液壓系統(tǒng)蓄能器設(shè)計選型的專門應(yīng)用軟件，主要是將系統(tǒng)實(shí)際使用中的技術(shù)參數(shù)，主要包括壓力、溫度、流量等蓄能器參數(shù)統(tǒng)計到數(shù)據(jù)庫，然后通過設(shè)計中選用的計算方式等對實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此來得出不同參數(shù)變化對計算設(shè)計的影響。通過大數(shù)據(jù)的整理分析及不斷對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修正，以使設(shè)計更加符合實(shí)際使用，更加接近系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況。軟件數(shù)據(jù)庫的建立，避免了每次設(shè)計時的大工作量計算；數(shù)據(jù)庫的修正更新，使設(shè)計進(jìn)一步符合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

2 平衡系統(tǒng)引進(jìn)蓄能器優(yōu)化設(shè)計分析

2.1 平衡液壓站最大流量分析

該軋機(jī)主機(jī)平衡系統(tǒng)共19臺液壓缸，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體參數(shù)、耗量等詳見表1。

軋機(jī)平衡系統(tǒng)通過液壓缸實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中的聯(lián)動在實(shí)際運(yùn)行中，主要存在5種運(yùn)行模式，設(shè)計時需對不同運(yùn)行狀態(tài)時系統(tǒng)需要的最大流量分別進(jìn)行計算，以得到最大流量。

表1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)表

2.1.1 換輥模式上支承輥快抬

該模式只有上支撐輥平衡缸單獨(dú)動作，為伸出狀態(tài)，所以此時系統(tǒng)的總流量為：

2.1.2 換輥模式上工作輥快抬

該運(yùn)行模式涉及上工作輥平衡缸、上接軸平衡缸同時動作，以滿足軋機(jī)輥縫的調(diào)整，在采用液壓系統(tǒng)運(yùn)行過程中，該動作需要較大的短時流量，是液壓系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮的一個重要參數(shù)，最大流量的計算通過聯(lián)動時各液壓缸的運(yùn)行速度與液壓缸運(yùn)行時活塞有效截面積之積獲得。

上工作輥更換時，上工作輥平衡缸伸出，上接軸平衡缸隨動，均為伸出狀態(tài)，總流量為：

2.1.3 下工作輥快速壓下即下平衡系統(tǒng)的聯(lián)動

該運(yùn)行模式涉及下工作輥平衡缸、下接軸平衡缸同時動作，以滿足軋機(jī)更換軋輥時下工作輥與下支承輥有效接觸，在其運(yùn)行過程中該動作需要較大的短時流量，該流量也記為一個重要參數(shù)，并計算獲得。

下工作輥更換時，下工作輥平衡缸伸出，下接軸平衡缸隨動，均為伸出狀態(tài)，總流量為：

2.1.4 軋制模式上支承輥及上工作輥快抬

即上平衡系統(tǒng)的聯(lián)動。該運(yùn)行模式涉及上支承輥平衡缸、上工作輥平衡缸、上接軸平衡缸同時動作，以滿足軋機(jī)輥縫的調(diào)整，在采用液壓系統(tǒng)運(yùn)行過程中，該動作需要較大的短時流量，是液壓系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮的一個重要參數(shù)，最大流量的計算通過聯(lián)動時各液壓缸的運(yùn)行速度與液壓缸運(yùn)行時活塞有效截面積之積獲得。

上支承輥及上工作輥同時動作，上接軸平衡缸隨動，均為伸出狀態(tài)，總流量為：

2.1.5 背壓模式

背壓模式只是保證系統(tǒng)液壓缸的伸出位置不變，在實(shí)際使用中只用輕微的行程變化，流量變化幾乎可以忽略不計，則流量為：

從以上系統(tǒng)分析情況可知：換輥模式支承輥快抬時所需系統(tǒng)流量為471 L/min，換輥模式上工作輥快抬時所需的系統(tǒng)流量為770 L/min，換輥模式下工作輥快速壓下時所需的系統(tǒng)流量為776 L/min，軋制模式時上平衡系統(tǒng)聯(lián)動所需的系統(tǒng)流量為1 241 L/min，背壓模式時所需的系統(tǒng)流量為0 L/min，由此可以得出系統(tǒng)所需的最大流量為1 241 L/min。

2.2 平衡液壓站蓄能器核算參數(shù)計算

軋制模式時，上支承輥及上工作輥快抬，同時動作，上接軸平衡缸隨動，此時為系統(tǒng)最大需求流量為：

最大流量的持續(xù)時間由軋機(jī)設(shè)計決定，主要是由最低位置運(yùn)行到最高位置時所需的時間，設(shè)計時間為11 s；

考慮液壓系統(tǒng)計算式有1.05的泄露系數(shù)，則系統(tǒng)需求流量為：

折算蓄能器供油容積為：

如果系統(tǒng)選用4臺排量為250ml/r的恒壓柱塞泵（3用1備），電機(jī)轉(zhuǎn)速1 000r/min，則3臺液壓泵的總供油流量為：

系統(tǒng)工作壓力14 MPa，系統(tǒng)最低工作壓力12.7 MPa（環(huán)境溫度20～35 ℃）。

2.3 蓄能器選型分析

本文采用了HYDAC公司的設(shè)計選型軟件，對選用蓄能器進(jìn)行了選型設(shè)計，分別對采用皮囊式蓄能器和活塞式蓄能器兩種方式進(jìn)行分析。

2.3.1 采用皮囊式蓄能器時系統(tǒng)模擬

采用50 L皮囊蓄能器，分別將2.2中計算得到的最大需求流量Q，供油容積V，以及系統(tǒng)泵元提供的流量q泵系統(tǒng)的工作壓力及最低工作壓力等參數(shù)輸入，得出20℃及55℃時系統(tǒng)的壓力變化曲線。計算中，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在計算的前后分別加入了2 s的延時，使計算結(jié)果更加接近實(shí)際。

由模擬計算結(jié)果可以看出，在20℃及55℃時，系統(tǒng)在15 s的運(yùn)行過程中，最小壓力分別為127.54 MPa和128.34 MPa，滿足系統(tǒng)的最低工作壓力，最小流量分別為1 882.761 L/min和1 997.588 L/min，滿足系統(tǒng)需要的流量要求，模擬達(dá)到了蓄能器的選型設(shè)計要求，計算結(jié)果在圖2（3）中可以看出，需采用皮囊蓄能器個數(shù)為48個。

2.3.2 采用活塞式蓄能器時系統(tǒng)模擬

方案二選用活塞蓄能器，容積為130 L，氣瓶容積為100 L×10只，由圖3（3）中模擬計算結(jié)果可以看出，在20℃及55℃時，系統(tǒng)在15 s的運(yùn)行過程中，最小壓力分別為128.36 MPa和129.11 MPa，滿足系統(tǒng)的最低工作壓力，最小流量分別為2 012.412 L/min和2 135.147 L/min，滿足系統(tǒng)需要的流量要求，模擬達(dá)到了蓄能器的選型設(shè)計要求，計算結(jié)果在圖3（4）中可以看出，需采用活塞蓄能器數(shù)量為2組。

由以上兩種方案可以看出，該液壓系統(tǒng)的蓄能器若選用50L皮能蓄能器，共需要48只，大數(shù)量蓄能器的選用會增加設(shè)備損壞的幾率，并在一定程度上增加設(shè)備維護(hù)的成本，這對于平衡液壓站的布置及日常蓄能器設(shè)備的維護(hù)都會造成極大的困難；而采用活塞蓄能器，按選用的規(guī)格只需要2組，便于布置和日常維護(hù)，可以降低維護(hù)成本。

對比圖 2（1）和圖 3（2）可以看出，采用活塞蓄能器時的系統(tǒng)壓力變化在溫度發(fā)生變化時比采用皮囊蓄能器時波動小，系統(tǒng)會更加穩(wěn)定。可以看出，采用活塞蓄能器相較于皮囊蓄能器能夠獲得更加穩(wěn)定的系統(tǒng)壓力。

3 結(jié)論

通過對皮囊蓄能器和活塞蓄能器在該液壓系統(tǒng)中的模擬計算，可以得出以下結(jié)論：泵源流量在達(dá)不到液壓系統(tǒng)要求時，可以通過選用蓄能器進(jìn)行補(bǔ)償；皮囊蓄能器和活塞蓄能器的流量補(bǔ)償作用在本案例中均能實(shí)現(xiàn)；活塞蓄能器相較皮能蓄能器能夠提供更加穩(wěn)定的系統(tǒng)壓力。