推進式加熱爐推進液壓系統改進

朱印濤 滕 芳 周少見

(河鋼集團承鋼公司 河北承德 067000)

1 前言

隨著現代化的冶金設備不斷向大型化、高度自動化的方向發展，在節能降耗等方面也提出了更高的要求[1]。推進式加熱爐是進行熱軋的前道工序的設備，設備的驅動系統為液壓傳動。推進系統采用雙液壓缸將鑄錠推入加熱爐加熱，使鑄錠被加熱到軋制溫度并確保均勻受熱。加熱爐的性能以及可靠性在很大程度上是由驅動運動的液壓系統決定的?？梢?，對加熱爐的液壓系統進行研究和改進是十分有必要的[2-3]。

本次改造主要是根據操作工人提出問題進行的，主要是推進速度較低，雙缸的同步精度差以及噪聲較大等方面。

2 推進液壓系統問題

1) 推進速度低

推進式加熱爐的推進液壓系統圖如圖1所示。設備液壓系統的工作過程為：液壓缸推鑄錠進入加熱爐均勻加熱，加熱好的鑄錠由爐底機械送入粗軋機進行粗軋。當液壓缸退回后加熱爐關閉，此時推進液壓系統油液由溢流閥回油箱。泵開最大流量而且是沒有節流的情況下，推進過程速度還是比較慢，由于是手動換向閥，需要操作工人一直按著前進操縱桿，無疑加大了工人勞動強度。

圖1 推進系統液壓原理圖

2) 同步精度不高

由于設備已經運行多年，推進的兩個液壓缸常出現不同步現象，需要經常調節，嚴重情況下出現卡死。

3)停機噪聲大

據現場工人反映，液壓系統的振動和噪聲比較大。當聲音超過70dB時便成為噪聲，使現場工人聽起來極不舒服，甚至使人煩躁不安，噪聲作為污染已經日益受到人們的重視。因此研究和分析液壓噪聲和振動的機理，從而減少與降低液壓系統的振動和噪聲，并改善液壓系統的性能以及工人工作環境，都有著積極而深遠的意義[4]。

3 推進液壓系統分析和改進

1) 推進速度低改進措施

液壓執行元件的速度取決于進入執行元件的流量，速度低是因為進入液壓缸的流量小。還有可能是液壓缸內泄漏嚴重，但是空載和滿載速度基本一樣，這個原因可以排除。換成大流量的液壓泵，肯定能夠解決這個問題，但是為了節約成本，首選采用快速回路，下面是提高推進速度的思路以及措施。

提高液壓執行元件的速度采取的措施主要有以下幾種[5]：

(1)液壓缸差動連接的快速運動回路

液壓泵輸出的液壓油同時與液壓缸的左右兩腔相通，兩腔壓力相等，由于液壓缸無桿腔的有效面積大于有桿腔的有效面積，使活塞受到的向右作用力大于向左的作用力，導致活塞向右運動。于是無桿腔排出的油液與泵輸出的油液合流進入無桿腔，亦即相當于在不增加泵的流量的前提下增加了供給無桿腔的油液量，使活塞快速向右運動。對于此液壓缸，活塞桿直徑較大，所以分析采用差動連接效果不明顯。

(2)雙泵供油快速回路

也可以增加一個輔助泵的方法，雙泵供油提高流量，從而提高執行元件的速度。但是考慮到降低成本，暫不采用此方法。

(3)采用蓄能器的快速回路

采取提高流量的措施：采用蓄能器，推進液壓缸不工作時儲存液壓能，當液壓缸工作時，蓄能器和液壓泵同時供油來提高其速度。

經過分析推進回路的特點，發現采取蓄能器實現快速最經濟最快捷。由于推進液壓缸屬于間歇式工作，停止工作期間，液壓泵向蓄能器充液，儲存能量，當液壓缸推進需要快速運動時，由蓄能器與液壓泵同時給推進缸供油，從而加大流量提高速度。

采用蓄能器實現推進液壓缸快速，由于蓄能器輔助供油系統，蓄能器的釋油流量是一個變量，故在快進階段速度是一個變量。蓄能器的主要參數為容積和工作壓力，本次改造選用的皮囊式蓄能器，容積選擇按照下式進行計算[6]：

(1)

式中p1為充氣壓力，p2為系統的最低工作壓力，p3為系統的最高工作壓力，ΔV為工作容積，也就是蓄能器能夠為系統提供的油液體積，n為指數，是不隨狀態改變的常數。

蓄能器提供的油液和液壓泵的最大流量聯合作用滿足在推進過程中的液壓缸所需要的流量。假設推進系統理想的安全推進時間為t，由于此系統對速度精度沒有特殊要求，所以可近似推導出蓄能器的工作容積為：

(2)

對于此系統，式中A為兩個液壓缸的活塞面積之和，L為推進的行程，q為液壓泵的流量。

p2和p3的值根據系統實際確定，充氣壓力的選擇參照下式[7]：

0.25p2

(3)

因為蓄能器作為輔助動力源，排油速度快，所以n按照絕熱過程取值為1.4，相關參數代入式(1)即可以得出所需要的蓄能器的容積。

2) 提高同步精度的措施

在液壓系統中，常常會遇到要求兩個或兩個以上的執行元件同時動作的情況，并要求它們在運動過程中克服負載、摩擦阻力、泄漏、制造精度和結構變形上的差異，維持相同的速度或相同的位移，即作同步運動。由于負載、摩擦、泄漏等因素的影響，很難做到精確同步[8]。

推進液壓系統原來的同步回路采用的是機械結構和節流閥實現的同步，分析其原因可能是由于應用時間較長，兩缸的摩擦阻力和泄露等因素誤差造成兩缸負載出現不同，從而影響同步精度，很難通過節流調速提高同步精度，長時間下來還可能會導致活塞和導向套的破損，造成內外泄漏的。

兩缸同步的方法很多，比如采用“同等方式”和“主從方式”等控制策略[9]，但是成本相對較高。為了提高兩缸的同步精度，并節約成本，改用同步精度較高的分流集流閥。

分流集流閥的工作原理如圖2所示，進口壓力為P0，流量為Q0，進口流量P0先通過節流孔1和節流孔2進入腔體，完成油液分流，然后從兩個可變節流口流出兩個相等流量分別為Q1和Q2。腔體中的流量通過閥芯內部的小孔分別被引到集流閥閥芯兩端的彈簧腔，執行機構的負載不同時，分流集流閥閥芯在兩端彈簧腔油液壓差作用下產生位移，進而改變兩個可變節流口的通流面積，進而保持均勻分配可變節流口流出的流量[10]。分流集流閥在兩個方向上都能實現流量的相等，使相同兩個液壓缸雙方向實現同步。

分流集流閥同步誤差可以用ζ表示為：

(4)

分流集流閥分流誤差在2%-5%，完全滿足所述的推進系統。采用分流集流閥的同步是速度同步，即當兩油缸由于摩擦力或泄露的誤差時，分流集流閥可以通過內部的壓力和流量敏感部件自動調節，使兩個相同的液壓缸運動保持同步。采用分流集流閥改造后，此系統液壓缸的往復行程都能實現較高的同步精度。

圖2 分流集流閥的結構原理圖

3) 降低噪聲的措施

液壓傳動噪聲的來源主要包括機械噪聲和流體噪聲。機械噪聲主要是電動機的軸線與液壓泵軸線不同軸，使聯軸節產生傾斜，在運動中產生強烈的摩擦和別勁造成的，對剛性聯軸節這一情況比較嚴重。流體噪聲是液壓油流動過程中的沖擊和空穴以及泄露等原因。噪聲產生原因比較復雜，僅從理論上分析往往難以達到預期的效果，必須針對不同的情況，采用不同的措施，才能有效的降低噪聲[11]。

通過現場分析排除，此液壓傳動系統的噪聲主要來源于流體噪聲，聲音刺耳。所以本次改造主要是通過清洗液壓泵吸油口過濾器，并針對懸置的液壓管路增加管夾等，快速回路中設置安裝的蓄能器也能夠消除部分沖擊和脈動以及產生的噪聲。

改造后的液壓系統原理圖如圖3所示。

4 結論

通過此次改造，可以得出以下結論：

1)影響液壓系統速度的是進入執行元件的流量，這還與液壓缸的內外泄漏相關，當泵的流量一定的情況下，采用蓄能器實現執行元件的快速是最經濟實用的辦法，但蓄能器充液需要一定的時間，所以此方法僅適用于間歇運動的執行元件。

2)雙液壓缸實現同步的方法很多，由于本系統中兩液壓缸結構尺寸完全相同，所以采用分流集流閥的同步更適合本系統，而且能在兩缸負載有誤差的情況下還能實現較高精度。

3)液壓系統的噪聲無法避免，但是可以根據噪聲源的分析，采取相應措施減小，本次改造中由于蓄能器的加入，噪聲得到了很好的控制，說明蓄能器的在吸收液壓沖擊和脈動造成的噪聲可以起到很重要的作用。

圖3 改進后的推進系統液壓原理圖

推進式加熱爐，是熱軋前的重要設備，在實際工作現場，由于企業里設備陳舊，操作工人勞動強度大，此次改造是針對工人在使用過程中發現的問題進行改造的，經過一段時間的運行，發現完全排除了以前的問題，推進速度得到提升，而且同步精度較高，噪聲也降低了。此加熱爐推進液壓系統的改造，從經濟性上和技術上都是成功的，可以為類似設備的設計開發和改造提供參考。