推鋼機液壓系統的設計與可靠性分析

鄒俊玲

摘 要：推鋼機系統的設計，需要對其工作原理、重要原件等進行深入分析和計算，采用可靠的串聯系統計算方法，建立液壓系統的可靠模型予以模擬，利用軟件進行仿真分析，才能對設計的可靠性加以保障。推鋼機液壓系統的設計是為了控制系統的功能得到進一步提升，更穩地將鋼坯推入爐內，提高鋼的產量。

關鍵詞：推鋼機 液壓系統 可靠性分析 工作原理

中圖分類號：TG333.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（c）-0046-03

推鋼機是軋鋼生產線上一種專用設備，用于將生產線上的鋼坯推進熱爐。其工作要求推力要大，推頭同步性高。傳統推鋼機的工作原理是機械式的，體積較為巨大，故障率較高，而且采購和維修成本較高。隨著技術的逐步先進以及軋鋼生產的發展，利用液壓油缸等對系統進行改造、升級，使推鋼機具有推理大、體積小和操作簡便的優勢。在推料工序等方面具有更強的可靠性。

1 工作原理

推鋼機的工作原理通過系統主令控制器啟動后，位于三位四通閥的電磁鐵1DT和三DT得電。二位四通閥五DT得電，壓力油從油泵中輸出，經過二位四通閥和同軸馬達進入兩組油缸中四個無桿腔中，回油經過調速閥、二位四通閥排回到油缸中的有桿腔中，產生四個油缸的同步運動，將熱鋼坯推入熱爐內后，五DT斷電，系統處于待命、卸載狀態；通過主令控制器，主令控制器件三位四通閥的電磁鐵中二DT和四DT通上電后，油泵開始輸出壓力油，經過二位四通調速閥，進入有桿腔，帶動油缸的同軸馬達進行聯動，經過調速閥等回油排回油箱。

采用冗余設計后的系統，具有可靠性能較高以及左右對稱的特點，如果鋼坯較小還可以單組兩個油缸工作，通過兩個兩位四通閥串聯在同軸馬達后進行工作[1]。設計了四個限位開關對兩組四個油缸的位置誤差予以消除，避免系統同步精度的限位作用產生誤差積累。（如圖1）

2 參數計算

（1）液壓缸的計算，是要以推鋼機的實際生產情況位理論基礎，通過液壓缸在實際作用的作用力進行參數計算的。

（2）對液壓泵的計算。

液壓泵的工作壓力計算公式中，包括執行元件的最大工作壓力，單位為MPa，液壓泵出口至執行元件間的壓力損失，單位為MPa。

對液壓泵的流量公式，經過液壓缸工作時的最大流量進行計算，以L為每分鐘計算單位，得到的系數為1.2，Qmax≥129 L/min。

液壓本的功率由液壓泵的最大工作壓力、液壓泵的流量、液壓泵的總效率進行計算得出最終的計算結果為19.3 kW[2]。

3 對推鋼機液壓系統的可靠性分析

經過推算，部分液壓元件的失效概率已經得到了總結，從表1可以看到基本概況。

對推鋼機液壓雄的可靠性可以通過上述可靠性數學模型的計算，利用軟件進行仿真，得到可靠性曲線，通過曲線的直觀顯示，可以得知推鋼機液壓系統的可靠性與工作時間成反比，且可靠性在工作時間推遲過程中，前期下降較快，后期下降較快，因此，從可靠性曲線可以看出，對工作時間的限定，可使液壓系統的可靠性得到調節和保障[3]。

4 實例分析推鋼機液壓系統的設計與可靠性

（1）天鋼集團有限公司的初軋廠方坯冷床推鋼機液壓系統進行了改進工作，使用先進的液壓傳動系統替代機械液壓系統。以提高系統的運行可靠性。改造前該廠使用的冷床推鋼機采用的是曲柄連桿式機械傳統，隨著生產的先進性要求，其結構復雜、零件容易受到磨損，傳動功率大、維修成本高、技術難度大等已經成為阻礙生產發展的障礙，無法適應新的推鋼機的工作要求。為了保證生產的正常運行，加大現代化生產，擬采用先進的推鋼機液壓系統的設計方式提高系統運行的可靠性，替代現有笨重的機械系統。采用油缸式液壓式推鋼機的結構設計，可以提高液壓傳送的調速等功能，而且易于控制、自行潤滑。

（2）在進行液壓系統的重新設計之前，首先對原有推鋼機的工藝參數進行了考察。得知推行行程為89 cm，速度為0.43 m/s，推桿爪距70 cm，活動推桿和撥桿自重為3 949 kg。

在對推鋼機的工藝參數進行了詳細計算后，根據原有的工藝參數，初步設計為，使用液壓缸代替連桿，將擺桿加以推動運動， 同步于液壓缸，對機械連桿的回路進行同步，保持系統的負載基本恒定，使用節流閥對系統的速度進行調節。

（3）推桿需要往返頻繁移動，負荷較重，運行阻力需要進行計算，通過運行阻力P1和靜止到啟動狀態時增加的阻力P2相加得出運行后的阻力值，而增加的阻力值可以通過冷床上的軋件重量、活動推桿和撥爪的自重以及軋件與冷床的摩擦系數、滾動摩擦系數等相加得出。例如：軋件和冷床的摩擦系數為0.3，滾動摩擦系數為0.25，冷床上的軋件總重為3 323 kg，活動推桿與撥爪自重為2 843 kg，則推動桿運行阻力最終可計算出數值為18 490 N，從靜止到運行增加的阻力為28 463 N。

（4）正常情況下加熱爐液壓站的供油壓力為14 MPa，對液壓系統進行改造的設計，要考慮的因素包括：要將推鋼機的壓力由減壓閥降低到12 MPa，完成步進梁的升降和評議，并控制出鋼機和爐門升降機。改進后的液壓系統配有三位四通電磁換向閥、雙向液控單向閥、疊加式節流閥、分流閥等部件。在設計中，對現場實際情況以及外部環境進行了勘察后，發現，設計思路中的原有思路與實際情況相差較大，系統具有簡單和經濟的優勢，但是同步精度卻差強人意，只能控制在2%～5%之間。當鋼坯橫向從輥道運送到爐內時，這中間有4 m的距離，由于加熱爐爐門為整體式，再加上推鋼機的設計為軌道式，因此，當兩個油缸驅動兩個頂板分開橫向推入爐內時，兩側的油缸的受力和摩擦力不同，導致了鋼坯停止位置的不同，鋼坯一推就傾斜，給操作人員造成一定的困擾，為了解決這個問題，操作人員采用入爐軌道上涂抹潤滑油的辦法予以解決。但是當爐門打開后，軌道的溫度達到了300 ℃，潤滑油很快蒸發了，因此，這種方法的效果也很一般。采用從機械方面的改進進行設計，就是將現有設備進行配置，將原來的兩個油缸驅動的機械頂板合并為整體式機械頂板，將兩個液壓缸中的一個取消，使用一個油缸驅動的方式，這樣，既保證了鋼坯的入爐，又能完成改造方案，解決鋼坯入爐歪斜的問題。

（5）從理論角度來講，分流集流閥的功能是向兩個液壓缸按照一定比例供油，或者接受兩個液壓缸或者液壓馬達的一定比例的回油，這種采用液壓控制元件保證分流集流閥在穩定狀態下保持流量相等的方法，可以實現對執行元件的速度進行同步控制。當推鋼機的推板與鋼坯接觸的瞬態時間內，使用執行元件來控制兩個施力液壓缸中兩個回路的液壓油的流量，但這種方法無法對同步誤差進行糾正。而且，分流集流閥的開環控制特征存在固定節流孔的制造誤差，即便是穩定的工作狀態，也可能發生負載壓力，導致兩側液壓力、彈簧力、泄漏流量發生不對稱。這些因素同時發生作用后，推鋼機偶爾會同步將鋼坯送入爐內，但并不是穩定性的[4]。當分流集流閥在設計流量較低的狀態下工作時，分流位置和集流位置會發生同步誤差，導致液壓元件得到試驗規范內的特定的負載條件，而且當現場負載和試驗的負載相比較后產生較大數值的誤差時，分流、集流位置的同步誤差指標相差也較大，而且這一指標是速度同步誤差指標，因此，容易造成推鋼機分流閥與現場工況不符，產生同步較大的誤差，對生產制約作用。采用輥輪式的方式，兩個液壓缸的負載要均衡的多，但是目前尚缺乏理論依據，全憑經驗進行操作。

5 推鋼機液壓系統改造設計中的故障表現及原因分析

（1）推鋼機在啟動、回程過程中會出現閥臺附近的管路出現劇烈抖動或者巨大的噪聲問題，或者在管路中間應力集中部分、焊接部分等出現破裂、漏油的情況，降低液壓系統的動力，導致推鋼機無法正常運行。再就是液壓管接頭處容易出現密封件損壞，降低密封件的使用壽命。一旦密封件出現損壞導致內卸，則推鋼機工作不正常，彈簧力和泄漏流量的不對稱等因素也將導致兩路流量不相等，甚至在液壓缸缸筒內出現拉傷等情況導致液壓缸整體報廢，這都是推鋼機可靠性差的表現。

（2）對上述故障發生的原因進行分析，導致推鋼機可靠性差的原因，一般都與系統內的液壓沖擊力量過大有關系。導致故障出現的主要原因是液壓系統設計、元件規格選擇、場地布局因素。

①當插裝閥開啟速度過快時，會產生外控供油方式的變化。產生的閥門A、B腔的壓力以及控制油腔的流動阻力很大。因此，閥芯上下作用力差加大，開啟的速度變快，帶來很大沖擊和振動。當推鋼機靜止后，作用在B口的插裝閥以及A口的插裝閥保持著系統壓力的高壓狀態，積累了相當大的壓力能，經過插裝閥的通徑被打開的瞬間，由于巨大壓差導致壓力能急劇增大，通過插裝閥，高壓、大流量流入回路，出現巨大的液壓沖擊。

②當元件的尺寸規格選擇不合理，使得插裝閥的通流能力由于回路阻力較大引起振動和噪聲。例如：在該文所舉案例中，改推鋼機液壓系統包括了三位四通P型電磁閥以及插裝閥，形成了電液插裝閥閥的回路，控制油由主油路經過中位機能三位四通電磁換向閥進入插裝閥的控制腔，當電磁換向進入中位時，各插裝閥被關系，各個出口互不聯通。這種結構容易引起壓力的干擾因素，出現短時的溝通現象。液壓缸的慣性給A腔加壓，出現壓力升高，插裝閥一旦打開，就有油流存在，使得系統工作出現不正常情況，導致推鋼機可靠性變差。

③還有一個原因就是由于場地布局不合理，導致液壓站和控制閥臺之間的液壓管和彎頭不符合實際工作要求，出現數量和高度上的差別，導致液壓站的蓄能器組僅僅起到補償壓力流量的作用，不能起到緩沖作用，因此，帶來管路的振動和噪聲。

（3）要解決上述故障，需要采取的措施包括以下幾點。

①將液壓系統中每組插裝閥控制腔內的排油管路進行單向節流閥的安裝，通過這個裝置對插裝閥的開閉時間進行控制，減少閥件快速開閉后引起的液壓沖擊。

②通過增加單向閥的方法，取控制油中壓力最大的腔進行中位布置，使得插裝閥按照預定的控制，保持正確工作狀態預防壓力的干擾。

③選擇插裝閥規格時，選擇尺寸大些的插裝閥，增加過流能力，也可減少噪聲和振動。

④對液壓管路節能型重新布置，將推鋼機控制閥臺移動到推鋼機液壓缸中間的為止，減小管道長度，保持閥臺和推鋼機的距離相等，有利于推鋼機同步運行。同時減少彎頭數量或者采用鈍角轉彎的模式，取消直角彎頭，減小管道引起的沖擊力，優化推鋼機硬管，采用軟管吸振功能，改造軟管管道連接方式，不僅能減少振動，還方便拆裝[5]。

⑤將蓄能器組從液壓站位置轉移到操作臺下方盡量靠近閥臺的位置，可以起到吸收壓力脈動的作用，并充分發揮其功能減小液壓沖擊。

6 推鋼機液壓系統改造設計后的效果分析

天鋼集團有限公司的初軋廠方坯冷床推鋼機液壓系統進行了改進工作后，取消了液壓系統原有的同步裝置，減少了配套設備，改由一個液壓缸進行單獨驅動，提高了經營效益，受到了很好效果，降低了設備維護人員的工作強度，而且生產后的需要得到了充分滿足。（如圖2）

7 結語

推鋼機液壓系統的設計是為了控制系統的功能得到進一步提升，更穩定地將鋼坯推入爐內，提高鋼的產量。因此，推鋼機的性能和精度是保證液壓控制系統穩定性和可靠性的關鍵。目前我國在推鋼機的液壓控制系統上多采用的國外先進設備和技術。但是經過實踐和試驗后，自主研發的設計也取得很大成果。對推鋼機液壓系統進行設計以及可靠性研究，可以因地制宜地對運行、故障等進行分析，驅利去弊，研究內部和外部的問題，找到解決問題的途徑，增加推鋼機液壓系統設計的經驗。在實踐中發現，我國液壓技術與世界先進技術水平上還存在不少距離，第一是產品的種類結構的問題；第二是產品的變型和派生的問題；第三是產品性能指標以及使用壽命的問題；第四是自主研發設計水平的問題。今后，應在推鋼機液壓系統改進和設計工作不斷探索，加大試驗和實踐，趕超世界先進技術水準，實現我國液壓技術水平的飛躍。

參考文獻

[1] 王海芳，戴亞威，汪澄，等.推鋼機液壓系統的設計與可靠性分析[J].機床與液壓，2016，44（13）：178-179，190.

[2] 楊莉華.液壓推鋼機故障分析與對策[J].機床與液壓，2015（8）：180-181，183.

[3] 徐啟楊，陳業，曾明波，等.大流量壓力補償器及液壓系統中的應用[J].液壓氣動與密封，2013，33（8）：63-65.

[4] 王玉飛.液壓推鋼機系統的缺陷分析及改造[J].科技創新與應用，2015（5）：64.

[5] 繆少軍.基于閥芯位移觀測的步進梁速度閉環控制[D].合肥工業大學，2014.