鋁板帶加工設備用液壓脹形輥超高壓流體輸送方法

王龍

（蘇州有色金屬研究院有限公司，江蘇蘇州215026）

鋁板帶加工設備用液壓脹形輥超高壓流體輸送方法

王龍

（蘇州有色金屬研究院有限公司，江蘇蘇州215026）

超高壓力液壓脹形輥的流體輸送對液壓系統有多個方面的要求，需要兼顧液壓系統流量、脹形輥的轉速及液壓壓力等級等因素。采用全局高壓力液壓系統和采用增壓器的局部高壓力系統這兩種方案各有特點。綜合比較了兩種系統的技術門檻、改造便利性及成本經濟性各因素。通過實際驗證，采用增壓器的局部高壓力方案在工程實踐更具有可行性。關鍵詞：液壓脹形輥；流體輸送；增壓器；超高壓流體

鋁加工生產中的板形控制方法中，采用液壓脹形輥來調節板形是其中之一。以日本和美國對該技術的研究較深入，其工業應用也最多。我國是鋁加工生產的大國。由于液壓脹形輥的在線調節板形能力，國內鋁加工企業也希望在生產使用該技術。自80年代末開始有部分學術報道。國內的高校，如北京科技大學、東北大學等也對該技術有研究。部分研究團隊還試制了樣機。

在實際生產中，液壓脹形輥的變形是由輥體內部超高壓壓力油膨脹產生。如何給轉動工作的輥體輸送超高壓油流，相關研究和探討目前鮮見報道。

1 液壓脹形輥概述

液壓脹形輥系統及其原理最早由日本提出。初期主要作為黑色金屬軋機軋輥使用，多用于板形的在線實時調控。隨后逐漸擴展到有色金屬加工領域。液壓脹形輥其典型結構如圖1所示。

圖1 液壓脹形輥結構示意圖

液壓脹形輥由芯軸與輥套組成。在芯軸與輥套之間設有液壓腔，高壓流體經過回轉接頭由芯軸進入液壓腔。在高壓流體的作用下，輥套外脹并產生一定的凸度變形。調整流體壓力的大小（常見的控制壓力范圍為0~50 MPa），能夠極平滑地改變輥套凸度，迅速校正輥體的彎曲變形，從而實現對板形的控制[1]。在輥體結構上，輥套與芯軸兩端在一定軸向長度區間內采用過盈配合，可以實現對高壓流體的密封，同時在承受軋制載荷時傳遞扭矩并保證軋輥的整體剛度。

液壓脹形輥在工作時轉動的，必須有回轉接頭類裝置實現流體的輸送。

在金屬板帶軋制實際應用中，液壓脹形輥既可以用于工作輥，又可以用作支撐輥。對于黑色金屬和有色金屬軋制過程中的板形控制均有明顯的效果[2]。

2 方案及探討

2.1脹形輥對壓力流體輸送的技術要求

由液壓脹形輥的結構及原理可以看出，高壓流體的輸送和控制是輥體實現其功能的重要因素。綜合來看，在壓力流體的輸送方面，主要有以下幾個方面的要求：

（1）壓力調節能力，能夠實現超高壓力范圍的（常見的為0~50 MPa）壓力調節；同時可在高轉速情況下實現壓力調節（升高或降低），最高轉速可達500 r/min.

（2）適應性的流量性能要求。低壓時能有較大流量充滿密閉腔體，由于液體的不可壓縮性，在腔體已充滿液體并升至高壓的過程只需要極小的流量。

（3）具備較好的密封性能，不能有液體泄漏。因為脹形輥工作時需要壓力能維持穩定，液體泄漏會導致脹形輥工作狀態不良或增加壓力調節的難度。

（4）由于液壓脹形輥是作回轉運動的，因此輸送壓力液體必須有回轉接頭類裝置。

基于前述的技術要求和使用條件，主要有兩種不同的方法實現高壓力流體的輸送。

2.2 高壓力流體直接輸送方案

液壓站實現流體壓力調節及對外輸送，期望壓力流體直接通過回轉接頭輸入到脹形輥。

困難點：高壓力時回轉接頭的在回轉狀態下的密封性能較差，極易產生泄漏，導致流體壓力損耗?；剞D接頭在高壓力情況下，無法同時滿足壓力和流量的要求。方案如圖2所示。

圖2 高壓力流體直接輸送方案

2.3 使用增壓器實現局部高壓力的輸送方案

液壓站實現流體壓力調節及對外輸送，低壓力流體通過回轉接頭后再進入增壓器升高壓力至目標壓力值。增壓器一般具有固定的增壓比。通過調節液壓站對外輸送的流體的壓力即可調節增壓器輸出口的流體壓力。其方案如圖3所示。

圖3 使用增壓器的流體輸送方案

2.4 討論

工業生產場合，對設備的運行環境、設備的安全性，性能穩定性都有一定的要求，以保證生產的順利進行。

2.4.1 高壓力流體直接輸送方案的特點

（1）目前通用回轉接頭產品基本不能應付這類嚴苛的使用場合，產品壽命及可靠性達不到使用要求。在輸送壓力達到31.5 MPa以上的流體時，大多數回轉接頭允許的轉速低于20 r/min.產品在高壓力高轉速下的壓力流體輸送能力不夠。高壓力時，回轉接頭在回轉狀態下的密封性能較差，極易產生泄漏，導致流體壓力損耗。

（2）就成本而言，超高壓回轉接頭成本高昂，使用和維護成本高。對配套的液壓站及管路的技術要求和使用維護都有較高的要求。由于全管路均維持在高壓狀態，由于元件失效容易導致設備事故或人員傷害。

（3）在原有系統基礎上進行改造的便利性。由于全部是超高壓管路，常規液壓系統壓力一般在31.5 MPa以內，無法滿足工程需要。大多情況下需要重新添置整套設備或管路及元件。

2.4.2 使用增壓器的局部高壓的輸送方案的特點

（1）方案解決了高轉速高壓力情況下對回轉接頭要求嚴苛的問題。為通用型低壓力高轉速回轉接頭的選用提供了可能。根據工程經驗，工作壓力不高于16 MPa，轉速不高于500 r/min的情況下，可選型的回轉接頭的流體輸送能力完全滿足工程需要。

（2）具有成本和安全優勢。由于系統只在局部（增壓器之后的部分，主要為脹形輥內部）是超高壓狀態，外部液壓系統壓力為低壓液壓系統。系統絕大部分為低壓系統，具有較好的安全性和可靠性，降低了對液壓系統的維護要求。

（3）在原有系統基礎上進行改造的便利性。只需要在原系統增加增壓器即可實現，無需增加更多的液壓元件[3-4]。

（4）增加壓器可以有不同的增壓比（即出口壓力與入口壓力的比值），能適應各種壓力范圍[5]。在達到增壓器增壓時的臨界壓力閾值前，增壓器具有較大的流量，增壓開始后，流量大幅減小。這些特性完全適合脹形輥的工作需要。

2.4.3 綜合使用與維護

（1）在技術門檻方面。全部采用超高壓系統，對液壓裝置、元件均有較高的技術要求。因元件或裝置的耐壓等級提高，超高壓力的液壓元件或裝置不易選型。整個液壓系統運行在高壓力狀態下，由于泄漏引起的危險也有所增加，相應的防護措施也更嚴格。日常維護周期及工作內容也較多，而采用增加器，實現局部超高壓的系統，系統的主要的部分運行在常規壓力狀態下，與主體機組常規液壓系統要求基本一致。處于超高壓狀態的局部系統依然是需要良好維護的，但總體維護工作量大幅減少。

（2）改造的經濟性。在現有常規壓力液壓系統基礎上進行改造并采用全局超高壓系統，大多數情況下，需要獨立布置全新超高壓系統，這無疑增加了經濟投入。在一些空間緊湊的場合可能還有布管的困難。采用增壓器實現局部高壓的方案則可直接在原有系統中增加為數不多的液壓器件（主要是增壓器及必要的管路及接頭），在液壓系統的末端或局部實現超高壓力，避免了過多的經濟投入。

3 驗證

基于項目研發的目標，項目研發團隊設計了一套控制壓力最大為50 MPa的可變凸度輥系統，如圖4所示。

圖4 試驗樣機

在測試初期，采用靜態輸送壓力油的方式。壓力油由手動泵供給壓力油。在此方式下，輥體靜止，進油口與輸油液壓管直連，不經回轉接頭。通過驗證，油壓力達到設計目標值50 MPa時輥體仍然密封良好。

動態測試過程中，使用了自行設計的回轉接頭及第三方的回轉接頭。試驗發現，無論是自行設計的回轉接頭還是外購的回轉接頭，在低壓力低轉速時（壓力<10 MPa且轉速<30 r/min），能夠有效輸送壓力液體且回轉接頭處極少有泄露；當壓力升高至15 MPa以上時，壓力油開始有可視泄露。更高壓力時，壓力油泄露嚴重。同樣的，即使在較低的壓力等級下，如不大于10 MPa時，當工作轉速達到100 r/min及以上時，回轉接頭處壓力油泄露嚴重。

在此情況下，由于壓力油泄露，導致可變凸度輥控制壓力波動。影響其脹形效果并最終導致控制精度下降。

試驗后期采用了帶增壓器的方案進行壓力油輸送。采用了通用的小型液壓站和壓力控制器件，壓力油輸送和操作壓力的控制均取得到良好的效果。

4 結束語

（1）液壓脹形輥的超高壓力液體輸送過程中，由于系統液壓壓力很高，對液壓系統提出了較高的要求。

（2）現有的回轉接頭類產品不能兼顧超高壓力、高工作轉速下流體輸送的要求。

（3）在現有常規壓力液壓系統增加液壓增壓器，能方便地實現局部超高壓。

（4）采用增壓器實現局部超高壓的技術方案具有經濟性好，易維護的優點。

[1]Hara Senri，Yamada Junzo，Hirooka Eiji，Takigawa Toshiji et al.Development of Sumitomo VC Roll System[J].Sumitomo Metals，1981，33（3）：25-42.

[2]Yamada J.，Ono H.，Takigawa T.，Yasui E.，NunokawaT.et al. Development of the Sumitomo VC Roll System[J].Iron and Steelmaker，1982，9（6）：37-42.

[3]Eibe W W.inflatable crown rolls—Characteristics，Design and Applications[J].Iron and steel Engineer，1984，61（9）：20-25.

[4]Ginzbrug V.B.Strip Profile Control with Flexible Edge Back Rolls[J].Iron and Steel Engineer，1987，64（7）：23-24.

[5]雷天覺．液壓工程手冊[M]．北京：理工大學出版社，1994．

Ultrahigh Pressure Fluid Delivery Methods for Hydraulic Variable Crown Roller of Metal Strip Mill

WANG Long
（Suzhou Nonferrous Metals Research Institute Co.，Ltd.，Suzhou Jiangsu 215026，China）

Ultrahigh pressure fluid delivery of variable crown roller has many requirements on hydraulic system，such as the flow，pressure rating and roller rotary speed.The two kinds of hydraulic system，global high pressure hydraulic system and hydraulic system with booster who has local high pressure，have different features.The paper compared the technical parameter，fluid delivery convenience and cost of each，the local high pressure with booster is preferred in industry.

hydraulic variable crown roller；fluid delivery；booster；ultrahigh pressure fluid

TG339

A

1672-545X（2017）06-0186-03

2017-03-01

王龍（1981-），男，安徽舒城人，工程師，主要從事有色金屬加工裝備及自動化檢測系統的研究工作。