一種高效低能耗開(kāi)卷線液壓控制系統(tǒng)

吳瀚山夌，李麗華，江大偉，張?jiān)弃Q

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海），山東 威海264200；2.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南250306；3.山東威高集團(tuán)有限公司，山東 威海264200）

近年來(lái)，在金屬板材加工行業(yè)，因卷料開(kāi)卷線具有的多功能、高效率、自動(dòng)化以及板料的定尺送進(jìn)功能，增加了下料精確度，提高了材料利用率，使其市場(chǎng)占有份額逐年加大。從薄板線到中板線再到厚板線，可加工板料厚度達(dá)20mm～30mm。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，開(kāi)卷線的加工適應(yīng)能力越來(lái)越強(qiáng)，同時(shí)生產(chǎn)效率也在不斷提高； 從送料速度到剪板機(jī)的剪切速度，整線的運(yùn)行速度都有很大提升； 為提高生產(chǎn)效率，剪板機(jī)的剪切方式也由停剪提升到飛切方式。

開(kāi)卷線中設(shè)備的工作大量使用液壓控制，通常開(kāi)卷線液壓控制油路也有20～30 組，而厚板線中液壓控制油路多達(dá)60 多組。優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)卷線液壓控制系統(tǒng)對(duì)提高整線生產(chǎn)率、提高設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)性、延長(zhǎng)液壓系統(tǒng)及元件的使用壽命、降低能耗、降低用戶使用成本均有良好的效果。對(duì)液壓控制系統(tǒng)的優(yōu)化、改進(jìn)從以下幾個(gè)方面加以分析。

1 合理匹配動(dòng)力，提高效率，降低能耗

目前開(kāi)卷線中的剪板機(jī)大多采用液壓剪板機(jī)。在帶有液壓剪板機(jī)的開(kāi)卷線中由于剪板機(jī)所需動(dòng)力大、工作頻率高、工作負(fù)荷重。為避免與其他設(shè)備的相互干擾，通常分為兩個(gè)獨(dú)立的液壓站：一個(gè)為液壓剪板機(jī)專用，另一個(gè)控制其他輔助機(jī)構(gòu)。液壓剪板機(jī)的能耗在整條線中占較大的比重，其工作速度也是影響開(kāi)卷線工作節(jié)奏的重要因素。合理設(shè)計(jì)剪板機(jī)液壓系統(tǒng)可有效降低能耗、提高整線工作效率。為提高生產(chǎn)線效率，開(kāi)卷線中剪板機(jī)越來(lái)越多地采用與送料速度一致的飛剪，這就要求提高剪板機(jī)的工作速度，提高剪切缸的剪切、回程速度。

液壓剪板機(jī)的工作方式是典型的間歇式流量控制回路，適合使用泵+蓄能器聯(lián)合控制回路。在剪板機(jī)兩次剪切工作之間的間歇，泵可向蓄能器供油，蓄能器將壓力油存儲(chǔ)。當(dāng)剪板機(jī)剪切和回程時(shí)蓄能器釋放高壓油與泵同時(shí)向油缸供油，提高油缸運(yùn)動(dòng)速度。

采用蓄能器可大大減少泵的排量、降低電機(jī)功率，同時(shí)油泵電機(jī)組和蓄能器的選擇、匹配直接影響到剪板機(jī)的剪切頻率及能量的利用率。在選擇泵的排量和蓄能器的容積時(shí)要按工況統(tǒng)籌考慮，合理匹配。泵的排量和蓄能器的容積選擇過(guò)小不能滿足油缸的剪切、回程速度要求；蓄能器選擇過(guò)小則在蓄能時(shí)皮囊壓縮量過(guò)大或釋放壓力油時(shí)過(guò)度放油而致蓄能器皮囊損壞，且皮囊頻繁的體積變化過(guò)大也會(huì)縮短使用壽命； 油泵電機(jī)組選擇過(guò)大又會(huì)造成功率過(guò)剩、能量損耗、多余的油在溢流造成系統(tǒng)發(fā)熱。這些問(wèn)題在設(shè)計(jì)時(shí)都要加以考慮。

1.1 蓄能器的選擇計(jì)算

蓄能器在剪板機(jī)工作過(guò)程中將多余能量蓄積起來(lái)，在需要時(shí)快速釋放液壓能。在該系統(tǒng)中蓄能和快速釋放壓力油的過(guò)程均可近似視為絕熱過(guò)程。蓄能器的容積選擇可按下式計(jì)算：

式中：V0——蓄能器貯油前氣體體積；

△V——蓄能器的有效排油量，△=蓄能器最低工作壓力時(shí)的氣體體積-蓄能器最高工作壓力時(shí)的氣體體積；

p0——蓄能器貯油前充氣壓力；

p1——蓄能器的最低工作壓力；

p2——蓄能器的最高工作壓力；

n——多變指數(shù)，一般推薦n=1.25～1.4。

p0的確定首先應(yīng)考慮使蓄能器容積最小，即單位容積的蓄能器儲(chǔ)存能量最大，然后考慮氣囊的壽命，盡量延長(zhǎng)其使用期。對(duì)于皮囊式蓄能器，推薦的經(jīng)驗(yàn)值：p0≈（0.8～0.85）p1。

p2的確定既要考慮蓄能器的使用壽命，也要考慮適當(dāng)增加有效供油量，同時(shí)又不至于過(guò)多增加系統(tǒng)壓力。推薦的經(jīng)驗(yàn)值：p2≈（1.2～1.3）p1。

1.2 油泵的選擇

目前開(kāi)卷線液壓系統(tǒng)較多采用中壓（＜16MPa），這是沿用了上世紀(jì)70～80年代的設(shè)計(jì)思路。在此之前液壓元件以中、低壓系列產(chǎn)品為主，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)較多的是采用日系中、低壓產(chǎn)品。上世紀(jì)80～90年代后，高壓元件產(chǎn)品系列齊全、性能穩(wěn)定、液壓系統(tǒng)總成配套環(huán)境成熟。

液壓控制系統(tǒng)選擇高壓其最大優(yōu)勢(shì)是可以減小油缸直徑、降低閥口和沿程管路的壓力損失、有利于遠(yuǎn)程控制。

對(duì)于中厚板開(kāi)卷線，設(shè)備工作需要的力增大，提高系統(tǒng)工作壓力優(yōu)勢(shì)明顯。

2 解決系統(tǒng)頻繁補(bǔ)油造成功率浪費(fèi)問(wèn)題

一般來(lái)說(shuō)開(kāi)卷線中液壓剪板機(jī)由單獨(dú)的液壓站（剪板機(jī)液壓站）提供動(dòng)力和控制，由另外一個(gè)液壓站（開(kāi)卷線液壓站或橫剪線液壓站、縱剪線液壓站等）為線上其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力和控制，目的是保證剪板機(jī)的正常工作頻率，同時(shí)避免工作機(jī)構(gòu)間相互影響。目前開(kāi)卷線液壓站大多采用電機(jī)帶定量泵做動(dòng)力源。

在開(kāi)卷線正常工作過(guò)程中一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求保持恒定的工作壓力，該力不能受外界條件的變化影響，如板料的厚薄、料卷開(kāi)卷、收卷等。為保持壓力恒定，通常的做法是油泵給蓄能器供油，當(dāng)蓄能器壓力達(dá)到壓力繼電器預(yù)先設(shè)定的上限值后系統(tǒng)卸荷，由蓄能器為這些油路提供壓力進(jìn)行保壓。由于各路工作機(jī)構(gòu)使用的壓力不同，通常在各控制路加一減壓閥分別調(diào)整所需的工作壓力。減壓閥在此處的作用一是各路所需工作壓力不同需要分別調(diào)壓，二是利用其二次壓力的穩(wěn)定性，以減壓閥的二次壓力作為穩(wěn)壓源給執(zhí)行機(jī)構(gòu)補(bǔ)充油液、保持穩(wěn)定的工作壓力，如橫剪線中的校平牽引輥、定尺送進(jìn)，飛剪中的夾送缸，縱剪線中的校平牽引輥、毛氈張緊、分卷剪床、后橋、鏟板、開(kāi)卷漲縮、收卷漲縮等。

由于這些回路中的滑閥、減壓閥等均存在泄漏，控制油路組數(shù)越多其總泄漏量越大。蓄能器給油路補(bǔ)壓，壓力就要下降，當(dāng)壓力降到壓力繼電器預(yù)先設(shè)定的下限值后發(fā)訊，系統(tǒng)重新升壓為蓄能器補(bǔ)壓；在開(kāi)卷線工作過(guò)程中，液壓控制系統(tǒng)不斷循環(huán)以下過(guò)程：系統(tǒng)升壓給蓄能器補(bǔ)油→蓄能器油路達(dá)到繼電器設(shè)定的壓力上限→系統(tǒng)卸荷→蓄能器給所需油路提供保壓→蓄能器壓力降到壓力繼電器預(yù)先設(shè)定的下限值后發(fā)訊→系統(tǒng)再升壓給蓄能器補(bǔ)油。

在開(kāi)卷線工作過(guò)程中，液壓系統(tǒng)不斷重復(fù)這個(gè)循環(huán)，相鄰兩次補(bǔ)油間隔時(shí)間約為30s～60s，每次補(bǔ)壓時(shí)間為10s～20s，即系統(tǒng)為蓄能器補(bǔ)壓占用了約1/3 的時(shí)間，而且是在全功率情況下補(bǔ)油，以電機(jī)功率11kW 算這一項(xiàng)就要消耗約3.6kW；另一方面，因?yàn)轭l繁補(bǔ)壓，在開(kāi)卷線整個(gè)工作過(guò)程中電機(jī)不停機(jī)，雖然在不補(bǔ)油時(shí)液壓系統(tǒng)處于卸壓狀態(tài)，但泵出口處單向閥、溢流閥和管路存在一定的壓力損失，電機(jī)要消耗一定的功率，約0.7kW～1.5kW。以上兩項(xiàng)消耗的功率大部分做了無(wú)用功發(fā)熱造成系統(tǒng)溫升，而且由于系統(tǒng)壓力的頻繁升降、泵閥和蓄能器的頻繁動(dòng)作降低了元器件使用壽命，同時(shí)也使工作壓力處于波動(dòng)狀態(tài)，不利于系統(tǒng)的平穩(wěn)性。

基于上述原因，我們研發(fā)了適合開(kāi)卷線工況的低能耗液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)采用變量泵代替定量泵。正常工作時(shí)泵按系統(tǒng)設(shè)定的壓力全流量輸出； 在轉(zhuǎn)入保壓狀態(tài)時(shí)泵則以全流量的5%～10%的流量供油，將泵輸出的流量調(diào)整到維持補(bǔ)償系統(tǒng)中閥的泄漏和某些油缸需要的微小進(jìn)給量即可，此時(shí)電機(jī)所消耗的功率也極小，約為全功率的5%～10%，沒(méi)有了多余壓力油的溢流，輸出有效功率高，大大降低了系統(tǒng)發(fā)熱量。由于該補(bǔ)油過(guò)程系統(tǒng)是連續(xù)、穩(wěn)定供油，可使系統(tǒng)工作處于平穩(wěn)狀態(tài)，非常有利于設(shè)備的工作穩(wěn)定性。

3 避免執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間相互干擾

開(kāi)卷線工作過(guò)程中有許多執(zhí)行機(jī)構(gòu)是同時(shí)工作的，它們之間有些會(huì)相互影響，可能是流量因素，也可能是壓力因素。

如果某個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作負(fù)荷滿、系統(tǒng)壓力波動(dòng)對(duì)其影響較大，則需考慮獨(dú)立出來(lái)，設(shè)計(jì)成獨(dú)立的液壓站或獨(dú)立的泵供油系統(tǒng)。上述剪板機(jī)液壓站就是基于這種考慮。

當(dāng)某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)共用同一泵供油系統(tǒng)工作時(shí)，泵流量的選擇要考慮同時(shí)工作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)重疊工作時(shí)所需最大流量的總和，當(dāng)然合適情況下應(yīng)考慮用蓄能器輔助供油以減小泵的排量。以下是兩個(gè)避免執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間相互干擾的例子。

圖1 采用液壓閥方案

圖2 采用單向閥方案

如圖1 所示，幾組同時(shí)工作的油缸工作壓力不同，為避免壓力低的油缸工作時(shí)影響壓力高的油缸正常工作，可考慮采用增加減壓閥的方法。如圖2 所示，正在工作的A 路工作壓力較高且需要壓力穩(wěn)定，而B(niǎo) 路工作壓力低或有壓力波動(dòng)，可以采用單向閥隔離的方法。當(dāng)系統(tǒng)壓力P 因B 路工作造成壓力降低時(shí)A 路的單向閥自動(dòng)關(guān)閉，保證了A 路工作壓力不受系統(tǒng)壓力降低的影響。

液壓控制中避免相互干擾的方法很多，應(yīng)視實(shí)際工況分析選擇合適的方案。

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