步進(jìn)爐動(dòng)梁液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)AMESim分析與優(yōu)化

管建峰 王遠(yuǎn)飛 戚志文

(1.常熟理工學(xué)院,江蘇 常熟 215500，2.裕克施樂(lè)塑料制品(太倉(cāng))有限公司，江蘇 蘇州 215500)

0 引言

液壓比例技術(shù)隨著時(shí)代發(fā)展，應(yīng)用生產(chǎn)諸多領(lǐng)域。為響應(yīng)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，常熟市盈豐鋼管有限公司天然氣步進(jìn)爐進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，涉及到步進(jìn)爐動(dòng)梁液壓驅(qū)動(dòng)比例控制技術(shù)，液壓回路設(shè)計(jì)、液壓元件選型、比例控制等。在選擇液壓元件時(shí)要考慮工況所需載荷、速度，流體的流量、壓力等通過(guò)AMESim分析比較，擇出優(yōu)解，避免因型號(hào)參數(shù)不適導(dǎo)致高能耗，功率損耗，大梁慣性沖擊等問(wèn)題。

1 步進(jìn)爐動(dòng)梁液壓系統(tǒng)的工作分析

步進(jìn)爐動(dòng)梁液壓驅(qū)動(dòng)主要是用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)梁的升與降、前進(jìn)與后退，其4個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程組成1個(gè)周期，2個(gè)油缸循環(huán)運(yùn)動(dòng)見(jiàn)圖1油缸循環(huán)運(yùn)動(dòng)圖：首先升降液壓缸伸出，利用斜板推動(dòng)大梁上升，然后平移液壓缸伸出，將已經(jīng)上升的動(dòng)梁向前推進(jìn)，再次升降液壓缸收縮，使動(dòng)梁沿著斜板下降，最后平移缸收縮，使動(dòng)梁后退回起點(diǎn)并準(zhǔn)備下一次的循環(huán)。動(dòng)梁按照矩形運(yùn)動(dòng)軌跡[1,2]對(duì)鋼坯實(shí)現(xiàn)步進(jìn)輸送，動(dòng)梁與所運(yùn)載的鋼坯重量比較大，具有很大慣性質(zhì)量，需要對(duì)液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)加速度加以控制，以保證在上升過(guò)程中緩慢托起，下降過(guò)程中緩慢放下，存在加速、勻速、減速過(guò)程，并且在平移過(guò)程中也有2次加速、勻速、減速。

圖1 液壓油缸循環(huán)運(yùn)動(dòng)圖

2 油缸運(yùn)動(dòng)參數(shù)要求及AMESim液壓原理圖

天然氣步進(jìn)爐動(dòng)梁的上升與下降由傾斜放置液壓油缸推動(dòng)，平移過(guò)程由水平液壓缸前進(jìn)與后退來(lái)驅(qū)動(dòng)，具體兩油缸運(yùn)動(dòng)參數(shù)如圖所示(見(jiàn)圖2)。

圖2 抬升油缸、前后運(yùn)動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)參數(shù)

圖3 電液比例控制液壓原理圖

液壓系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)：最大載重5t、步進(jìn)周期：14.08s、步進(jìn)動(dòng)梁升降行程120mm、水平移動(dòng)300mm、斜軌角度13°、動(dòng)梁自身重量2t、物料重量2.25t、抬升速度40～50mm/s、平移速度75～88mm/s。

根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)和分析步進(jìn)爐的運(yùn)動(dòng)要求和控制要求，考慮運(yùn)動(dòng)參數(shù)可調(diào)性，設(shè)計(jì)相關(guān)電液閥控液壓系統(tǒng)AMESim原理圖如圖3所示，在AMESim軟件中構(gòu)建模型草圖，元件1代表升降油缸，元件8代表平移油缸，元件1～7模擬升降回路，元件8～12模擬的是平移回路，元件13～22模擬液壓源。

3 部分液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和選型

經(jīng)過(guò)液壓系統(tǒng)的負(fù)載循環(huán)、速度循環(huán)、功率循環(huán)及相關(guān)的分析后得知：

升降液壓缸在啟動(dòng)時(shí)負(fù)載最大，其推力為7.33×104N,初步設(shè)計(jì)油缸活塞直徑D=125mm,活塞桿直徑d=0.707×D=90mm；液壓缸工作壓力為6MPa，設(shè)升降液壓缸的最大流量為qmax，液壓缸的最大速度為0.23m/s，計(jì)算升降過(guò)程中液壓缸的最大流量qmax=Avm=2.8×10-3m3/s,即168L/min；升降油缸在上升階段的啟動(dòng)階段為6.01MPa；壓力損失取0.5MPa，得：泵的最大工作壓力為6.5MPa；此系統(tǒng)中，升降油缸與平移油缸不是同時(shí)運(yùn)動(dòng)，所需流量最大值為升降缸流量的最大值，即168L/min，取KL為1.1，溢流閥的最小溢流量為2L/min，經(jīng)公式(qp≥KL∑qmax)計(jì)算后得到液壓泵最大流量qp為187L/min,選泵18型號(hào)為200 GY14-1B，公稱壓力為20MPa，額定轉(zhuǎn)速為1000r/min，公稱流量為200L/min。計(jì)算功率為p=75.2kW,選用電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為YR250M-6，電機(jī)功率為90kW。

比例溢流閥15壓力約為最大工作壓力的1.1～1.3倍，公稱壓力為7MPa，選比例溢流閥的型號(hào)為S-BSG-06-3C2-A200-L-51，調(diào)壓范圍為0.4～25MPa，最大流量為200L/min，比例溢流閥的輸入信號(hào)為周期性方波，實(shí)現(xiàn)適當(dāng)卸荷，輸入信號(hào)如圖4所示，最大輸入70mA,最小輸入信號(hào)60mA。

二位三通比例換向閥4，由油缸最大流量和最大壓力選換向閥的型號(hào)為3BYL-250B，該閥最高公稱壓力為25MPa，額定流量為250L/min，流量調(diào)整范圍為2.5～250L/min，給該閥以信號(hào)如圖5所示，使其能與缸的運(yùn)動(dòng)相匹配。

系統(tǒng)的最高工作壓力P1為7MPa，維持系統(tǒng)工作的最低工作壓力P2為1MPa，選用蓄能器：Q-L10/10-L-H。

三位四通電液比例換向閥6：4WRZ10EA25-30B M，該型號(hào)的通徑為10mm，主閥流量為270L/min，主閥工作壓力為32MPa，給其信號(hào)圖6所示。

圖4 電液比例溢流閥輸入電信號(hào)圖(mA)

圖5 二位三通比例閥輸入信號(hào)圖

平移回路液壓元件的參數(shù)計(jì)算及選型,與升降回路參數(shù)計(jì)算分析：最終得出平移回路液壓元件清單如下：蓄能器：NXQ-L10/10-L-H；三位四通電液比例換向閥：4WRZ 10 EA 25～30B M；減壓閥：DR 10 DP 2～40/75 M；信號(hào)控制類推(略)。

升降油缸利用AMESim軟件進(jìn)行仿真，已有參數(shù)值默認(rèn)，不能得到比較好的液壓缸速度圖、流量圖、壓力圖，通過(guò)批處理比較，修正差動(dòng)連接處的二位三通換向閥的壓降值(比例電磁閥的壓降一般為0.5～2MPa,代入壓降值0.1、1、2MPa得出速度、流量、壓力曲線，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)壓降值設(shè)2MPa時(shí)，得較為完善流量曲線見(jiàn)圖7、速度曲線見(jiàn)圖8、壓力曲線見(jiàn)圖9。

對(duì)于主回路為達(dá)到節(jié)能的目的，將比例溢流閥15的輸入信號(hào)設(shè)定一個(gè)范圍圖4所示，達(dá)到仿真：當(dāng)升降缸工作時(shí)給定70MPa的所需信號(hào)，當(dāng)平移缸工作時(shí)給定60MPa的所需信號(hào)，優(yōu)化狀態(tài)最好。

圖6 7號(hào)元件信號(hào)源輸入信號(hào)

圖7 速度曲線圖

圖8 壓力曲線圖

圖9 壓力曲線圖

對(duì)于平移回路用升降回路為例，采用同樣的處理方法，最終得到：當(dāng)比例換向閥10的壓降為0.6MPa時(shí)也得到一組速度、流量以及壓力的相對(duì)合理曲線(略)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在AMESim軟件中繪出兩缸的原理圖，設(shè)置它的參數(shù)可以模仿出設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況；結(jié)合節(jié)能與優(yōu)化的要求，選擇出適合的元器件的型號(hào)在AMESim軟件中通過(guò)不斷修正參數(shù)，替換合適的元件，最終得出更適宜結(jié)果，從而在保證設(shè)備性能前提下，節(jié)約對(duì)設(shè)備成本的投入和滿足節(jié)能可靠的要求。