鋼包機械手液壓系統故障分析和改進

胡小剛，夏飛，王文勝，袁坤，游桂良

（湖北新冶鋼有限公司，湖北 黃石 435000）

鋼包回轉臺是連鑄機的關鍵設備之一，起著連接上下兩道工序的重要作用。鋼水從盛鋼包注入中間罐，如果不采取措施，即使連鑄鋼水經過了各種處理，鋼水的純度很高，還是會前功盡棄，結果往往在鑄坯、鋼板和成品加工過程中出現種種表面或內部缺陷，使鋼坯的機械性能變壞。因此在連鑄過程中必須使鋼水與空氣隔絕，這就是無氧澆鑄技術。

如圖1所示，長水口機械手機構就是通過各種動作把長水口的上端與大包滑動水口相接，下口伸入中間罐鋼水內，從而使鋼水流通過長水口注入中間罐，用長水口將注流與空氣隔絕。為了防止從上水口與大包滑動水口的連接處吸入空氣，選用Ar氣體密封，這也是無氧澆注中大包與中間罐之間保護形式的一種，是品種鋼澆鑄的必要技術。

該廠某連鑄機采用的蝶式鋼包回轉臺，兩端裝有單獨的鋼包升降裝置和稱量裝置。機械手可將長水口順利對中鋼包滑動水口，對中后機械手不再動作，但澆鑄位的大包臂還得繼續下降，將長水口底端壓入中間罐鋼水中，保證鋼水質量，故機械手升降缸必須達到與鋼包隨動的效果。但實際生產過程中，該液壓系統屢屢出現故障，造成連鑄開澆失敗，嚴重影響生產。

1 原液壓系統工況分析（圖2）

1.1 上升過程

系統壓力為18MPa，減壓閥調整壓力為10MPa，滿足油缸上升動作要求。做上升動作時手動換向閥4推到b位，高壓油P一方面通過三通減壓閥減壓后進入油缸14的無桿腔，另一方面作為液控單向閥的控制油，將單向閥5打開，油缸的有桿腔與回油T口相通，形成回路。

1.2 下降過程

圖1 鋼包及機械手動作示意圖

當手動換向閥4推到a位，高壓油P通過換向閥經入油缸的有桿腔，由于三通減壓閥調整壓力為10MPa，油缸無桿腔通過三通減壓閥回油，油缸做下降動作。

1.3 隨動過程

當長水口對中完畢后，換向閥4回中位，油缸無桿腔與高壓油相通使長水口緊貼住大包出鋼口，同時大包臂開始做下降動作，由于壓差的作用，長水口油缸在重大外力作用下被迫下降，有桿腔的進油由單向閥8從回油T自吸提供，無桿腔端三通減壓閥A口與T口相通，形成回路。

圖2 原液壓系統原理圖

2 故障分析

設備在初使用階段使用良好，但是經過一段時間的使用后，經常出現在澆鑄過程中，長水口油缸無桿腔失壓，導致長水口與大包出鋼口脫開，形成敞開澆鑄，嚴重影響鋼水質量，被迫停澆。

經過分析，減壓時（P到A）隨著通過減壓閥的流量的增大，減壓閥主閥開口越大（Y路的溢流量可以基本忽略），壓降會變小，所以減壓閥的輸出壓力會有所變小（相對于設定值）；當負載升高時，減壓閥開口變小，壓降變大，當負載端0流量輸出（此時經過減壓閥的微小流量會全部從Y路溢流掉，這是減壓閥發熱的主要原因之一），減壓輸出為真正的設定值。當負載端出現外部干擾，突然增大時，該減壓閥主閥芯會進一步移動，由P至A變成A至T，此時出現溢流回油（流量可以遠大于先導減壓控制的Y路溢流量），隨著流量的增大，溢流壓力會有所提高。

現實工況中，大包加上鋼水的重量近130t，完全作用于長水口油缸之上，原有液壓系統在長期使用過程中，三通減壓閥存在著較大的負荷，特別是長水口油缸在受負載的影響被迫下降時，無桿腔完全靠三通減壓閥進行溢流回油。蓄能器容積選型過小，壓力吸收的作用不大，加上現場工作環境及油質的影響，三通減壓閥失效的幾率增大，導致長水口油缸工作中無桿腔不保壓，長水口在自重的情況下脫落。

3 系統改進

為確保長水口及機械手在任何狀態都與大包出鋼口貼合，對水口密封處進行一個受力分析，要達到使用要求，機械手支撐力N應滿足：

式中：F1為鋼包長水口及機械手折算在水口密封處的自重，F2為鋼水在水口處的靜壓力，F3為鋼水經過水口產生的沖擊力（摩擦力），F4為長水口的壓緊力，N為機械手油缸在長水口在密封處的輸出支撐力。

鋼水在水口密封處的靜壓力F2等于鋼水在長水口碗部的壓強P(P=ρgh)乘以長水口碗部接觸面在水平方向上的截面積簡算。即：

式中：ρ為鋼水密度，g為重力加速度，h為鋼水在此處的高度，S為長水口碗部接觸面在水平方向上的截面積。

鋼水經過水口產生的沖擊力（摩擦力）F3沒有確切的數據，可認為鋼水與長水口產生最大的摩擦力以至于鋼水無法使長水口靠自重脫離，粗算為長水口內滯留的鋼水的重力。

F4即為鋼包出鋼口與鋼包長水口間的密封壓力，該力既需要不影響長水口的使用壽命，不至于將碗口壓裂壓破，又要起到良好密封效果為宜。根據耐材現場使用情況及取樣檢測結果取5kN合適。

根據其使用要求及受力分析，重新設計控制回路，由于三通減壓閥對油液的精度要求更高，而且相對于普通換向閥價格較為昂貴，將原三通減壓閥直接去掉，同時為保證緊壓力的穩定，不受三通減壓閥剔除后的壓力波動時的影響，增加蓄能器的容積到10L，讓無桿腔的進油與回油完全由蓄能器提供，改進后的系統如圖3所示。上升時靠蓄能器9供壓，下降時靠系統壓力與蓄能器壓力的壓差將回油壓回蓄能器，隨動時負載外力將回油壓回蓄能器（若條件具備，還可以在蓄能器本體上加裝安全溢流閥），另加裝兩個常閉高壓球閥，分別與高壓油管和回油管接通，取到給蓄能器充壓和卸壓的作用，通過有桿腔與無桿腔的面積比計算，預充10~13MPa,滿足動作要求。注意的是充壓時要關注壓力表10的指示，勿要充至與系統壓力相等，由于有桿腔面積小于無桿腔面積，無法做下降動作。

圖3 改進后液壓系統原理圖

4 結語

液壓系統的設計不僅要考慮設備工況的要求，還要充分考慮在使用過程中系統的可靠性。原系統設計中的控制回路雖然可以完成設備的動作要求，卻忽略了控制閥在現實應用當中，長期工作后會出現問題。改進后的系統更簡單明了，制作成本更低，維護更方便。而且該控制回路使蓄能器的作用得到更進一層的發揮，是一次大膽的創新應用。經過實施后，液壓系統出現的故障次數大為減少，也提高了生產效率，降低了成本。