型鋼翻鋼設(shè)備液壓系統(tǒng)優(yōu)化

王守琦

（中冶東方工程技術(shù)有限公司 山東 青島 266555）

1 前言

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加速，我國(guó)已步入“十四五”規(guī)劃的開局之年，堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展成為“技術(shù)工匠”的首要任務(wù)。我國(guó)液壓技術(shù)的工業(yè)化始于20世紀(jì)50年代，其產(chǎn)品起初僅用于機(jī)床和鍛壓設(shè)備，直到20世紀(jì)80年代，國(guó)內(nèi)更加重視國(guó)外先進(jìn)液壓產(chǎn)品和技術(shù)的進(jìn)口、研究以及國(guó)產(chǎn)化的相關(guān)工作，以保證國(guó)內(nèi)液壓技術(shù)能在質(zhì)量、研發(fā)、效益等方面達(dá)到行業(yè)及世界領(lǐng)先水平［1，2］。如今的工業(yè)化大生產(chǎn)使液壓系統(tǒng)應(yīng)用于越來(lái)越多的領(lǐng)域，這同時(shí)對(duì)降低設(shè)備成本、提高控制精度及響應(yīng)速度提出了更高要求。

根據(jù)多年現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，利用壓力可調(diào)的補(bǔ)償元件，匹配不同工況下比例閥的流量要求，從而使型鋼生產(chǎn)線翻鋼設(shè)備在動(dòng)作時(shí)保持平穩(wěn)狀態(tài)。本次液壓系統(tǒng)改造的總體目標(biāo)是使翻鋼設(shè)備能適應(yīng)不同工況下比例閥及其他流量閥的要求，減少節(jié)流損失、降低能耗、節(jié)約資源、節(jié)省成本。

2 設(shè)備組成及液壓系統(tǒng)介紹

2.1 設(shè)備組成

型鋼軋件在經(jīng)過(guò)加熱、軋制、剪切、冷卻、矯直等工藝流程后進(jìn)行成品打包裝車。翻鋼設(shè)備往往布置在開坯機(jī)入口側(cè)推鋼機(jī)的前部，與輥道相銜接，將推鋼機(jī)無(wú)法翻轉(zhuǎn)的軋件進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。翻鋼設(shè)備由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)組成，其設(shè)備結(jié)構(gòu)主要由底部軌道、翻鋼小車、夾緊機(jī)構(gòu)（由夾緊輥、夾輥支座及軌跡模板等組成）、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（由銷齒條、齒輪及翻轉(zhuǎn)架等組成）等組成。

2.2 液壓系統(tǒng)介紹

此次改造的翻鋼設(shè)備液壓系統(tǒng)包括：翻鋼設(shè)備橫移、翻鋼設(shè)備夾送翻轉(zhuǎn)。其中，翻鋼設(shè)備橫移液壓控制是由定差進(jìn)口壓力補(bǔ)償器、比例方向閥控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作；翻鋼設(shè)備夾送翻轉(zhuǎn)是由定差出口壓力補(bǔ)償器、比例方向閥控制設(shè)備動(dòng)作。

圖1為改造前翻鋼設(shè)備液壓系統(tǒng)原理圖。

圖1 改造前翻鋼設(shè)備液壓系統(tǒng)原理圖

3 壓力控制

3.1 定差式壓力補(bǔ)償器

液壓系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)工作中主要用于對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力、驅(qū)動(dòng)力、速度進(jìn)行相關(guān)控制。壓力的控制可以通過(guò)減壓閥、溢流閥等壓力閥實(shí)現(xiàn)；驅(qū)動(dòng)力可通過(guò)壓力與液壓缸的作用面積或壓力與液壓馬達(dá)排量的組合控制；速度控制則需通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載流量實(shí)現(xiàn)，且一般采用閥控調(diào)速及泵控調(diào)速［3］。

在液壓系統(tǒng)控制過(guò)程中，若要使執(zhí)行機(jī)構(gòu)精確動(dòng)作，則需配合比例控制，這同時(shí)也是使輸入與輸出之間保持線性關(guān)系的關(guān)鍵。但是往往在軋件軋制過(guò)程中，由于型鋼產(chǎn)品種類的不盡相同，所以執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)載是不斷變化的，在這種情況下，絕大多數(shù)的比例閥已很難實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載變化的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確的速度控制。

鑒于此種情況，穩(wěn)定負(fù)載運(yùn)動(dòng)速度，就成了解決問題的關(guān)鍵。

定差壓力補(bǔ)償器能保證節(jié)流閥前后的壓差不變，從而達(dá)到流量恒定，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作穩(wěn)定、速度恒定。但在液壓技術(shù)增速發(fā)展的今天，現(xiàn)有的定差壓力補(bǔ)償器已較難滿足生產(chǎn)應(yīng)用的要求，比例閥、流量閥由于負(fù)載的不斷變化，在不同工況下進(jìn)出口壓差已有所不同［4］。因此，若只是應(yīng)用定差壓力補(bǔ)償器，已難以適應(yīng)當(dāng)前比例閥、流量閥壓差的變化。

3.2 壓力補(bǔ)償器數(shù)學(xué)模型

液壓系統(tǒng)的速度調(diào)整主要通過(guò)調(diào)節(jié)流向負(fù)載的流量實(shí)現(xiàn)，最常用的是閥控調(diào)速［5］。對(duì)于閥控調(diào)速，負(fù)載流量遵循如公式（1）所示：

式中：qL—負(fù)載流量；

k—與節(jié)流口形式有關(guān)的流量系數(shù)；

A—節(jié)流閥的開口面積；

Pp—節(jié)流閥閥前壓力；

Pl—負(fù)載壓力。

壓力補(bǔ)償器的概念正是為實(shí)現(xiàn)負(fù)載流量的穩(wěn)定而提出的。在無(wú)法預(yù)知負(fù)載壓力變化趨勢(shì)的情形下，保持節(jié)流閥前后的壓差不變，即可實(shí)現(xiàn)流量的穩(wěn)定。對(duì)于閥控調(diào)速，通過(guò)閥的流量將隨壓差的變化而改變。負(fù)載壓力上升，流量減小；負(fù)載壓力下降，流量增大。只有當(dāng)負(fù)載壓力波動(dòng)不大或幾乎不波動(dòng)時(shí)，節(jié)流閥才能起到流量控制器的作用。根據(jù)公式（2）：

式中：Pv—閥的壓差，bar；

Ps—系統(tǒng)壓力，bar；

ΔPL—油箱壓力，bar；

ΔPT—負(fù)載壓力，bar。

根據(jù)式（2），流量的變化取決于閥進(jìn)出口的壓差。而在油泵出口的壓力和油箱壓力為常數(shù)時(shí)，壓差與負(fù)載壓力相關(guān)。

由圖2可知，實(shí)際上定差減壓閥加節(jié)流閥串聯(lián)的型式是兩通調(diào)速閥。當(dāng)負(fù)載壓力波動(dòng)時(shí)，節(jié)流閥的閥前壓力始終跟隨負(fù)載壓力的變化并保持節(jié)流閥的工作壓差恒定，于是負(fù)載流量得以相對(duì)穩(wěn)定。

圖2 定差減壓型壓力補(bǔ)償器示意圖

在一個(gè)帶有壓力補(bǔ)償?shù)囊簤合到y(tǒng)中，通常定差減壓閥通過(guò)與比例換向閥相互配合，使得流入比例閥與流出比例閥的流量保持相對(duì)穩(wěn)定。

3.3 可調(diào)進(jìn)口壓力補(bǔ)償器

隨著比例控制技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，定差壓力補(bǔ)償器在一些特定條件下已無(wú)法滿足生產(chǎn)需求，而可調(diào)節(jié)壓差的壓力補(bǔ)償器能更匹配負(fù)載特性，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的控制，也可匹配不同工況下比例閥的流量要求［6］。

可調(diào)進(jìn)口壓力補(bǔ)償器采用一種緊湊的組合結(jié)構(gòu)，主要由插裝式減壓閥、壓力平衡卸荷分配元件組成。在與可調(diào)壓力補(bǔ)償器相配合的系統(tǒng)中，設(shè)置一個(gè)疊加的比例換向閥，并與一個(gè)鍛造的閥體進(jìn)行邏輯組合。此種可調(diào)進(jìn)口壓力補(bǔ)償器工作時(shí)可以限定通過(guò)比例方向閥的進(jìn)口P至A、P至B的ΔP（壓差）為恒值，從而保證比例閥在一定開口度（響應(yīng)值）下的流量穩(wěn)定。圖3為可調(diào)壓力補(bǔ)償器原理圖，由圖中的比例換向閥、插裝減壓閥、壓力平衡卸荷元件組成了可調(diào)進(jìn)口壓力補(bǔ)償器。

圖3 可調(diào)壓力補(bǔ)償器原理圖

由可調(diào)壓力補(bǔ)償器原理圖可知，當(dāng)比例閥P與A相通，T與B相通時(shí)，壓力油會(huì)順利的通過(guò)比例閥然后進(jìn)入油缸有桿腔，從而使得活塞桿縮回，而無(wú)桿腔的液壓油則通過(guò)比例閥的T口回到油箱。這時(shí)，壓力平衡卸荷元件感應(yīng)到系統(tǒng)的壓力變化，從而使自身的閥芯在壓力油的作用下右移，將壓力及時(shí)補(bǔ)充到油缸有桿腔壓力管道。由此，插裝減壓閥與壓力平衡卸荷元件形成了定差減壓狀態(tài)，限定了比例換向閥P至A的壓差，從而克服負(fù)載力的變化對(duì)比例換向閥P至A的壓差干擾，使比例換向閥可以保持原來(lái)較好的流量控制特性，使油缸可以獲得理想穩(wěn)定的運(yùn)行效果。

同理，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)油缸伸出時(shí)，即比例方向閥P與B相通，T與A相通時(shí)，油缸無(wú)桿腔壓力變大，壓力平衡卸荷元件的閥芯在壓力油的作用下左移，及時(shí)補(bǔ)充比例方向閥后的壓力，從而限定比例閥P至B的壓差，同樣的，油缸在反向運(yùn)動(dòng)時(shí)也可獲得理想穩(wěn)定的運(yùn)行效果。

4 液壓系統(tǒng)改造

4.1 翻鋼設(shè)備橫移機(jī)構(gòu)

1）機(jī)構(gòu)說(shuō)明

鋼坯在經(jīng)過(guò)加熱后，具備軋制條件，在鋼坯軋制過(guò)程中，受軋件品種多樣性的影響，需要將不同品種及負(fù)載的軋件經(jīng)過(guò)翻鋼小車進(jìn)行運(yùn)送，橫移液壓缸伸縮帶動(dòng)與其連接的翻鋼小車在底部軌道上移動(dòng)，保證翻鋼機(jī)工作與維修時(shí)的不同位置。

2）故障現(xiàn)象

翻鋼小車在底部軌道上移動(dòng)時(shí)不連續(xù)，液壓管路伴隨明顯震動(dòng)。

3）故障分析

由圖1可知，翻鋼小車在底部軌道上移動(dòng)時(shí)，電磁換向閥的電磁鐵b得電，橫移油缸無(wú)桿腔進(jìn)油，推動(dòng)翻鋼小車沿著軌道移動(dòng)到預(yù)定位置；同理，電磁換向閥的電磁鐵a得電，橫移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)翻鋼小車移動(dòng)到原始位置。由于軋件規(guī)格的多樣性，導(dǎo)致負(fù)載經(jīng)常變化，在橫移小車移動(dòng)瞬間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)速度增加量V。由于瞬時(shí)系統(tǒng)流量無(wú)法滿足負(fù)載速度變化，液壓油補(bǔ)充至無(wú)桿腔不及時(shí)，導(dǎo)致無(wú)桿腔形成滯后空間，使進(jìn)油管路與無(wú)桿腔之間產(chǎn)生瞬時(shí)負(fù)壓，致使液壓管路產(chǎn)生強(qiáng)烈震動(dòng)。

4.2 翻鋼設(shè)備夾送翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

1）機(jī)構(gòu)說(shuō)明

在軋件到達(dá)預(yù)定位置后，翻鋼設(shè)備開始對(duì)其進(jìn)行夾持，液壓閥控制液壓馬達(dá)帶動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)夾緊軋件，并沿著模板軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軋件的翻轉(zhuǎn)。

2）故障現(xiàn)象

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在動(dòng)作時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡僵硬速度不恒定，且液壓馬達(dá)漏油。

3）故障分析

由圖1可知，當(dāng)軋件在預(yù)定方向上需要翻轉(zhuǎn)的時(shí)候，翻鋼設(shè)備夾送機(jī)構(gòu)先對(duì)軋件進(jìn)行夾持，此時(shí)電磁比例換向閥的電磁鐵b得電，進(jìn)口壓力補(bǔ)償器開啟，液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)夾送機(jī)構(gòu)對(duì)軋件進(jìn)行夾持；待軋件完成翻轉(zhuǎn)后，電磁鐵a得電，液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)夾送機(jī)構(gòu)對(duì)軋件放松夾持。夾送機(jī)構(gòu)在夾持軋件旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于軋件自身重量的原因，翻鋼設(shè)備帶動(dòng)軋件旋轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)突然出現(xiàn)速度增量，導(dǎo)致液壓馬達(dá)油腔的壓力瞬間增大，同時(shí)伴隨液壓馬達(dá)密封件老化等原因，進(jìn)而致使液壓馬達(dá)漏油。

4.3 改造措施

針對(duì)翻鋼小車移動(dòng)不連續(xù)及翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡僵硬速度不恒定的現(xiàn)象，可以把圖1中進(jìn)口壓力補(bǔ)償器與電磁換向比例閥控制改為可調(diào)壓力補(bǔ)償器與電磁換向比例閥控制。

比例閥都配備有比例電磁鐵，輸入電流與輸出信號(hào)（壓力、流量）均成比例。比例閥的控制精度非常高，它的靜態(tài)輸入與輸出特性與電液伺服閥類似，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、流量進(jìn)行無(wú)極調(diào)節(jié)，且可以遠(yuǎn)程控制。

改造后的翻鋼液壓系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試，翻鋼設(shè)備橫移小車動(dòng)作平穩(wěn)，未再出現(xiàn)移動(dòng)卡頓與液壓管路震動(dòng)；翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡順滑，液壓馬達(dá)再無(wú)漏油情況出現(xiàn)。

改造后翻鋼設(shè)備液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 改造后翻鋼設(shè)備液壓系統(tǒng)原理圖

5 結(jié)論

（1）使用可調(diào)壓力補(bǔ)償器優(yōu)化后的型鋼翻鋼設(shè)備液壓系統(tǒng)，可適應(yīng)不同工況下比例閥的控制要求，實(shí)現(xiàn)設(shè)備動(dòng)作的穩(wěn)定，同時(shí)達(dá)到減少節(jié)流損失、降低能耗、節(jié)約資源、節(jié)省成本的目的。

（2）型鋼翻鋼設(shè)備在動(dòng)作時(shí)，無(wú)法預(yù)知負(fù)載壓力變化，而負(fù)載流量的波動(dòng)直接導(dǎo)致了系統(tǒng)的不穩(wěn)定。若要從根本上減小甚至消除負(fù)載變化對(duì)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，需將保證閥前后的壓差不變、系統(tǒng)流量穩(wěn)定作為著手點(diǎn)。

（3）可調(diào)壓力補(bǔ)償器是大型設(shè)備動(dòng)作中配合比例閥實(shí)現(xiàn)速度控制和負(fù)載控制的重要元件，其以定差壓力補(bǔ)償器為基礎(chǔ)，添加邏輯單元和調(diào)節(jié)單元，可更加匹配負(fù)載特性，控制更加精準(zhǔn)，使液壓系統(tǒng)的適應(yīng)性更高，且對(duì)于負(fù)載敏感類液壓系統(tǒng)的優(yōu)化具有可觀的前景。