60 MN臥式鋼管熱擠壓機液壓系統的優化

許 武，徐海林，李 軍

(1. 中國寶武集團寶鋼特鋼有限公司鋼管廠，上海 200940；2. 浙江久立特材科技股份有限公司無縫管事業部，浙江 湖州 313000)

0 前言

傳統的無縫鋼管成型工藝是二輥斜軋穿孔工藝，其原理是兩向軋制變形，由軋輥和穿孔芯棒來控制鋼管內外徑，內部材質的精細化均勻度、內外徑尺寸控制精度和內外壁表面質量較差。熱擠壓成型技術是無縫鋼管加工成型領域的較新技術，其變形原理是三向擠壓變形，由內外模具控制成型尺寸，故其在尺寸精度控制、內在質量等方面均遠優于傳統的穿孔工藝。從裝備技術看，隨著液壓技術的不斷發展，高壓、大流量的液壓系統能夠滿足鋼材高變形抗力和狹窄的熱變形溫度區間，需要的大擠壓力和快速的擠壓速度要求。由于擠壓機的動作多而繁雜，且要求的精度高，在擠壓過程中需要提供基本恒定的速度和擠壓力。所以，提供動力源的液壓系統，需要有系統容量大、性能精度高的特點。

寶鋼特鋼的60 MN臥式擠壓機組已運行了近十年，其液壓系統為典型的高壓、大流量閥控比例系統。前期運行中出現異常振動大、液壓元器件損壞(包括泵體打壞)頻繁、液壓油污染嚴重、控制閥體卡死及磨損損壞等問題。因此，對歷次發生的異常及故障進行跟蹤，并探討其成因，從原理、元器件選型、結構設計等方面對液壓系統進行分析和研究，進而優化改造。

1 60 MN臥式鋼管熱擠壓機組液壓系統

圖1為60 MN臥式鋼管熱擠壓機組液壓系統泵站簡化圖。擠壓機液壓系統主作業過程：待擠壓狀態，蓄能器站由供蓄能器組主供液泵組(6臺主泵同步)提供液壓油充能，當蓄能器站壓力充至32 MPa時，由各泵自帶的壓力反饋裝置使各主泵的斜盤式配油盤角度調至0°，即供液泵組的輸出流量降至接近0 L/min，但蓄能器站的32 MPa壓力始終由該組主供液泵組提供微小的高壓液壓油流量來保持，故該6臺主泵組成的主供液泵組即使是在流量輸出幾乎為0的情況下，仍需始終保持32 MPa壓力下工作；擠壓動作開始時，空行程段先由水平布置的2個φ400 mm的活塞式油缸動作，帶動φ1000 mm的柱塞式擠壓主缸，并由高位油通過充液閥向其提供低壓大流量的液壓油，完成快速的擠壓桿移動；然后在壓力開關的控制下按PLC程序關閉充液閥，由蓄能器站主供液泵組共同向擠壓執行油缸供高壓液壓油，完成管坯擠壓變形所需的高壓擠壓動作。

圖1 擠壓機液壓系統泵站簡化圖

2 擠壓機液壓系統故障分析

投產前幾年實際運行中，擠壓機液壓系統出現了諸多問題，主要有：(1)供蓄能器站及擠壓主動作的主供液泵組(6臺)損壞頻繁、壽命較短；(2)蓄能器站及6臺供蓄能器組的主供液泵組的泄油回油管道(即B集成控制閥塊的回油管道)振動極大、頻繁破損等。

經現場跟蹤后分析認為，造成主供液泵組頻繁損壞的原因有：

(1)原設計在待擠壓機狀態，蓄能器站由供蓄能器站的主供液泵組(6臺液壓泵)提供液壓油充壓、并始終保持在32 MPa高壓狀態，蓄能器站液壓油壓力由液壓泵調定值決定，而輸出流量頻繁在全流量輸出和接近為“零”輸出的惡劣狀態(其切換的頻繁度以蓄能器站的內泄漏壓降決定)。主供液泵轉速為1 000 r/min，從圖2所示的該型泵的壓力-流量特性曲線來看，已經不在圖中虛線所包絡的正常工作范圍，故明顯可見工況惡劣。

圖2 壓力-流量特性曲線

(2)液壓油箱內部結構不合理。圖3為液壓系統油箱內部結構和管路布置示意圖。可以明顯的看出回油總管1、2、3與液壓泵站吸油管路6、7口置于油箱同一隔腔且位置相當接近，易造成回油不經充分有效的循環過濾而直接被吸入液壓泵的問題。而回油管路與油箱循環過濾泵又在不同的隔腔，使油液過濾效率大為降低。同時也無法讓油箱內的油液形成充分的紊流得到有效的循環、過濾，不利于機械雜質的有效過濾和液壓系統高低壓切換過程中油液內氣體的析出[1-5]。

(3)液壓泵站各主泵溢流匯集到總回油管后直接回油箱。液壓管路系統如圖4所示。

液壓管路主動作過程為：6臺供蓄能器的主供液泵通過主閥插裝閥組1和卸荷閥組2分別控制向蓄能器供液和卸荷。當蓄能器需要補液(充壓)時，以壓力信號比較關閉卸荷閥組2(控制油單路供液)，打開主閥插裝閥組1，蓄能器壓力達到設定值時，關閉主閥插裝閥組1，打開卸荷閥組2。一旦各供液主液壓泵出現故障(如泵內配件磨損、碎裂，或因高壓油管檢修、換泵等外界因素帶入的雜物)，大量雜物或機械碎屑顆粒直接回至油箱，極易導致系統油液的嚴重污染，從而影響系統液壓閥卡阻、動作失效、振動加劇等故障，而且處理難度極大[6-9]。

圖3 液壓系統油箱內部結構和管路布置示意圖

圖4 液壓管路系統

造成蓄能器組及6臺供蓄能器組主供液泵的泄油回油管道(即B集成控制閥塊的回油管道)振動極大、頻繁破損等問題的主要原因：卸荷控制閥選型(型號為：DBW 30B2N5X/325Y...R32)不合理，導致瞬間高壓泄油，對回油管路沖擊極大[10-14]。由圖5的流量-壓力特性曲線可以看出，該閥的特性是在高壓的狀態下瞬間大流量卸荷時會產生一定的旁通背壓。按一臺供液主泵由兩個卸荷閥卸荷，一個卸荷閥流量按照334 L/min計，卸荷時旁通壓力約為0.58 MPa，多個閥疊加后其振動就較大。同時，由于原系統中6臺供蓄能器組主供液泵的同時向系統供液的流量極大，故其充液、卸荷的切換頻率相當高更加劇了振動。

圖5 流量-壓力特性曲線

3 改進措施

針對供蓄能器站主供液泵組的6臺液壓泵長處32 MPa高壓，而其輸出流量又頻繁介于全流量和接近為0 L/min(實際可稱為“悶泵”狀態)間切換的惡劣工況問題，研究并試驗以不同方式來改變該組泵的運行模式，確定其改進措施。

將6臺供蓄能器站的主供液泵組運行模式改為待擠壓時，蓄能器站液壓油壓力在PLC程序控制下，由始終保持32 MPa改為30.5～32 MPa的壓力范圍控制。擠壓機待機時隨著蓄能器內泄漏，蓄能器組的液壓油壓力由32 MPa降至30.5 MPa時，僅選擇6臺供蓄能器站主供液泵組中的2臺充壓。通過程序控制將該2臺主供液泵的溢流閥關閉，由所選的2臺泵向蓄能器站輸出補充高壓液壓油，當蓄能器站壓力提高至32 MPa時，該2臺主供液泵溢流閥打開，泵處于大流量、壓力接近為0 MPa卸荷溢流的狀態，泵組不再始終向蓄能器站提供32 MPa的高壓，僅充壓時為全流量高壓輸出。按該類泵的運行特性曲線，該組泵的運行工況處于比較合適的范圍，能較好的改善其工作狀況。同時，在基本滿足運行節奏的前提下，有6臺主供液泵同時大流量高壓充液改為2臺泵充液，充液流量的減少也減緩了泵處于高壓大流量輸出和“0”輸出的切換頻率，有利于該6臺主供液泵的運行穩定。

就主油箱結構不合理，回油總管與液壓泵站吸油管路口置于油箱同一隔腔且位置相當接近，回油不經有效過濾處理，而易被直接吸入吸入液壓泵的弊端，實施了液壓油箱內部結構的改造，如圖7所示。主回油管道通過新增液壓油箱內部通道(為避免回油沖擊，該通道設計時其截面積略大于回油管)，將回油引至循環冷卻過濾泵吸油口區域，與液壓泵吸油管道口區域隔離，使主回油經過濾、冷卻等處理后再流至液壓泵吸油管道口區域，使回油可經充分有效的循環過濾。同時，增加油箱內的隔板形成分區域的隔腔制造油液通道增加了油液的阻力和流動量，也有利于機械雜質的有效沉淀、過濾和油液內氣體的析出。

圖7 改造后液壓油箱內部結構

針對液壓泵站各主泵溢流匯集成總回油管后直接回油箱，而導致的某一臺液壓泵出現故障(如泵內配件磨損、碎裂，或因高壓油管檢修、換泵等外界因素帶入的雜物)，大量雜物或機械碎屑顆粒直接回至油箱，極易使整個系統油液的嚴重污染，從而引起系統液壓閥卡阻、動作失效、振動加劇等問題。在不對液壓管路系統做大的改動的前提下，僅對工況較差、實際損壞頻繁的蓄能器站供液主泵組的溢流回油管道增設過濾器，如圖8所示。液壓泵零件出現磨損甚至打壞，而產生的機械碎屑，在增設的過濾器進行處理極大地減少機械碎屑回油箱的機率和數量，同時，極大減緩了大油箱油液受污染的可能，減輕液壓系統大過濾裝置的壓力，也便于日常的檢查維護。

圖8 改進后液壓管路系統

針對蓄能器組及6臺供蓄能器主供液泵的泄油回油管道(即B閥塊的回油管道)振動極大、頻繁破損等問題的改進措施：將原卸荷閥改為帶切換時間延遲的溢流閥，選用DBW 30B2N5X/325Y...R12閥。改型前后閥的實際區別僅是在控制主卸荷閥開啟油路上加裝了一個節流閥，但這樣的改變使控制油的流通能力減少，延遲主閥的啟閉時間，減緩了卸荷沖擊，避免了卸荷瞬間大流量高壓釋放時的沖擊振動。如圖9所示，改型后的卸荷閥旁通壓力是原用閥的一半，卸荷流量同樣為334 L/min，旁通壓力約為0.32 MPa，實際使用效果優異[15]。

圖9 改型后的卸荷閥的流量-壓力特性曲線

4 改進效果

經過現場反復試驗、調試后，蓄能器站到控制閥臺的6路管道、控制閥臺回油管道的頻繁劇烈振動已得到有效消除。蓄能器站泄壓初始階段的異常噪聲得到了明顯的控制。改造后針對油液清潔度情況按每月一次的頻率進行了跟蹤，從檢測結果和實際運行情況看，與改進前每年需清洗一次油箱相比，系統的油液清潔度可以長時間保持正常合格狀態，近兩年均未出現明顯的污染跡象。蓄能器站供油主泵自投產至實施改進之前的5年多時間內，共報廢7臺，自調整改進蓄能器站主供液泵組控制方式近兩年以來，主泵組的工作狀態良好，尚未發現異常、損壞。綜上，每年產生降本增效效益逾120萬余元。

5 結束語

從液壓原理，化繁而簡進行單回路的分析，聯系動作結合液壓元器件功能特性進行研究，透過現象分析故障成因。由此，發現了鋼管熱擠壓機液壓系統原設計結構上的不足，原理及元器件選型上的不適合，進而進行了系統分析和針對性的改進。改變了主供液泵運行模式，使泵組僅充壓時為全流量高壓輸出；改造液壓油箱內部結構，新增液壓油箱內部通道和油箱內的隔板，使機械雜質有效沉淀；回油管道中增設過濾器，減緩了大油箱油液受污染的可能；原卸荷閥的改型為帶切換時間延遲的溢流閥，減緩了卸荷沖擊，避免了卸荷瞬間大流量高壓釋放時的沖擊振動。達到了故障大大減少、運行穩定可靠的效果。

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