一種高效低能耗開卷線液壓控制系統

吳瀚山夌，李麗華，江大偉，張云鶴

（1.哈爾濱工業大學（威海），山東 威海264200；2.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南250306；3.山東威高集團有限公司，山東 威海264200）

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

開卷線中設備的工作大量使用液壓控制，通常開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60 多組。優化設計開卷線液壓控制系統對提高整線生產率、提高設備運行平穩性、延長液壓系統及元件的使用壽命、降低能耗、降低用戶使用成本均有良好的效果。對液壓控制系統的優化、改進從以下幾個方面加以分析。

1 合理匹配動力，提高效率，降低能耗

目前開卷線中的剪板機大多采用液壓剪板機。在帶有液壓剪板機的開卷線中由于剪板機所需動力大、工作頻率高、工作負荷重。為避免與其他設備的相互干擾，通常分為兩個獨立的液壓站：一個為液壓剪板機專用，另一個控制其他輔助機構。液壓剪板機的能耗在整條線中占較大的比重，其工作速度也是影響開卷線工作節奏的重要因素。合理設計剪板機液壓系統可有效降低能耗、提高整線工作效率。為提高生產線效率，開卷線中剪板機越來越多地采用與送料速度一致的飛剪，這就要求提高剪板機的工作速度，提高剪切缸的剪切、回程速度。

液壓剪板機的工作方式是典型的間歇式流量控制回路，適合使用泵+蓄能器聯合控制回路。在剪板機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。當剪板機剪切和回程時蓄能器釋放高壓油與泵同時向油缸供油，提高油缸運動速度。

采用蓄能器可大大減少泵的排量、降低電機功率，同時油泵電機組和蓄能器的選擇、匹配直接影響到剪板機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要按工況統籌考慮，合理匹配。泵的排量和蓄能器的容積選擇過小不能滿足油缸的剪切、回程速度要求；蓄能器選擇過小則在蓄能時皮囊壓縮量過大或釋放壓力油時過度放油而致蓄能器皮囊損壞，且皮囊頻繁的體積變化過大也會縮短使用壽命； 油泵電機組選擇過大又會造成功率過剩、能量損耗、多余的油在溢流造成系統發熱。這些問題在設計時都要加以考慮。

1.1 蓄能器的選擇計算

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

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的氣體體積-蓄能器最高工作壓力時的氣體體積；

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，一般推薦n=1.25～1.4。

p0的確定首先應考慮使蓄能器容積最小，即單位容積的蓄能器儲存能量最大，然后考慮氣囊的壽命，盡量延長其使用期。對于皮囊式蓄能器，推薦的經驗值：p0≈（0.8～0.85）p1。

p2的確定既要考慮蓄能器的使用壽命，也要考慮適當增加有效供油量，同時又不至于過多增加系統壓力。推薦的經驗值：p2≈（1.2～1.3）p1。

1.2 油泵的選擇

目前開卷線液壓系統較多采用中壓（＜16MPa），這是沿用了上世紀70～80年代的設計思路。在此之前液壓元件以中、低壓系列產品為主，國內市場較多的是采用日系中、低壓產品。上世紀80～90年代后，高壓元件產品系列齊全、性能穩定、液壓系統總成配套環境成熟。

液壓控制系統選擇高壓其最大優勢是可以減小油缸直徑、降低閥口和沿程管路的壓力損失、有利于遠程控制。

對于中厚板開卷線，設備工作需要的力增大，提高系統工作壓力優勢明顯。

2 解決系統頻繁補油造成功率浪費問題

一般來說開卷線中液壓剪板機由單獨的液壓站（剪板機液壓站）提供動力和控制，由另外一個液壓站（開卷線液壓站或橫剪線液壓站、縱剪線液壓站等）為線上其他執行機構提供動力和控制，目的是保證剪板機的正常工作頻率，同時避免工作機構間相互影響。目前開卷線液壓站大多采用電機帶定量泵做動力源。

在開卷線正常工作過程中一些執行機構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，當蓄能器壓力達到壓力繼電器預先設定的上限值后系統卸荷，由蓄能器為這些油路提供壓力進行保壓。由于各路工作機構使用的壓力不同，通常在各控制路加一減壓閥分別調整所需的工作壓力。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壓，二是利用其二次壓力的穩定性，以減壓閥的二次壓力作為穩壓源給執行機構補充油液、保持穩定的工作壓力，如橫剪線中的校平牽引輥、定尺送進，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，控制油路組數越多其總泄漏量越大。蓄能器給油路補壓，壓力就要下降，當壓力降到壓力繼電器預先設定的下限值后發訊，系統重新升壓為蓄能器補壓；在開卷線工作過程中，液壓控制系統不斷循環以下過程：系統升壓給蓄能器補油→蓄能器油路達到繼電器設定的壓力上限→系統卸荷→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先設定的下限值后發訊→系統再升壓給蓄能器補油。

在開卷線工作過程中，液壓系統不斷重復這個循環，相鄰兩次補油間隔時間約為30s～60s，每次補壓時間為10s～20s，即系統為蓄能器補壓占用了約1/3 的時間，而且是在全功率情況下補油，以電機功率11kW 算這一項就要消耗約3.6kW；另一方面，因為頻繁補壓，在開卷線整個工作過程中電機不停機，雖然在不補油時液壓系統處于卸壓狀態，但泵出口處單向閥、溢流閥和管路存在一定的壓力損失，電機要消耗一定的功率，約0.7kW～1.5kW。以上兩項消耗的功率大部分做了無用功發熱造成系統溫升，而且由于系統壓力的頻繁升降、泵閥和蓄能器的頻繁動作降低了元器件使用壽命，同時也使工作壓力處于波動狀態，不利于系統的平穩性。

基于上述原因，我們研發了適合開卷線工況的低能耗液壓系統，系統采用變量泵代替定量泵。正常工作時泵按系統設定的壓力全流量輸出； 在轉入保壓狀態時泵則以全流量的5%～10%的流量供油，將泵輸出的流量調整到維持補償系統中閥的泄漏和某些油缸需要的微小進給量即可，此時電機所消耗的功率也極小，約為全功率的5%～10%，沒有了多余壓力油的溢流，輸出有效功率高，大大降低了系統發熱量。由于該補油過程系統是連續、穩定供油，可使系統工作處于平穩狀態，非常有利于設備的工作穩定性。

3 避免執行機構之間相互干擾

開卷線工作過程中有許多執行機構是同時工作的，它們之間有些會相互影響，可能是流量因素，也可能是壓力因素。

如果某個執行機構工作負荷滿、系統壓力波動對其影響較大，則需考慮獨立出來，設計成獨立的液壓站或獨立的泵供油系統。上述剪板機液壓站就是基于這種考慮。

當某些執行機構共用同一泵供油系統工作時，泵流量的選擇要考慮同時工作的執行機構重疊工作時所需最大流量的總和，當然合適情況下應考慮用蓄能器輔助供油以減小泵的排量。以下是兩個避免執行機構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，幾組同時工作的油缸工作壓力不同，為避免壓力低的油缸工作時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定，而B 路工作壓力低或有壓力波動，可以采用單向閥隔離的方法。當系統壓力P 因B 路工作造成壓力降低時A 路的單向閥自動關閉，保證了A 路工作壓力不受系統壓力降低的影響。

液壓控制中避免相互干擾的方法很多，應視實際工況分析選擇合適的方案。

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