推進(jìn)式加熱爐推進(jìn)液壓系統(tǒng)改進(jìn)

朱印濤 滕 芳 周少見

(河鋼集團(tuán)承鋼公司 河北承德 067000)

1 前言

隨著現(xiàn)代化的冶金設(shè)備不斷向大型化、高度自動化的方向發(fā)展，在節(jié)能降耗等方面也提出了更高的要求[1]。推進(jìn)式加熱爐是進(jìn)行熱軋的前道工序的設(shè)備，設(shè)備的驅(qū)動系統(tǒng)為液壓傳動。推進(jìn)系統(tǒng)采用雙液壓缸將鑄錠推入加熱爐加熱，使鑄錠被加熱到軋制溫度并確保均勻受熱。加熱爐的性能以及可靠性在很大程度上是由驅(qū)動運動的液壓系統(tǒng)決定的。可見，對加熱爐的液壓系統(tǒng)進(jìn)行研究和改進(jìn)是十分有必要的[2-3]。

本次改造主要是根據(jù)操作工人提出問題進(jìn)行的，主要是推進(jìn)速度較低，雙缸的同步精度差以及噪聲較大等方面。

2 推進(jìn)液壓系統(tǒng)問題

1) 推進(jìn)速度低

推進(jìn)式加熱爐的推進(jìn)液壓系統(tǒng)圖如圖1所示。設(shè)備液壓系統(tǒng)的工作過程為：液壓缸推鑄錠進(jìn)入加熱爐均勻加熱，加熱好的鑄錠由爐底機(jī)械送入粗軋機(jī)進(jìn)行粗軋。當(dāng)液壓缸退回后加熱爐關(guān)閉，此時推進(jìn)液壓系統(tǒng)油液由溢流閥回油箱。泵開最大流量而且是沒有節(jié)流的情況下，推進(jìn)過程速度還是比較慢，由于是手動換向閥，需要操作工人一直按著前進(jìn)操縱桿，無疑加大了工人勞動強(qiáng)度。

圖1 推進(jìn)系統(tǒng)液壓原理圖

2) 同步精度不高

由于設(shè)備已經(jīng)運行多年，推進(jìn)的兩個液壓缸常出現(xiàn)不同步現(xiàn)象，需要經(jīng)常調(diào)節(jié)，嚴(yán)重情況下出現(xiàn)卡死。

3)停機(jī)噪聲大

據(jù)現(xiàn)場工人反映，液壓系統(tǒng)的振動和噪聲比較大。當(dāng)聲音超過70dB時便成為噪聲，使現(xiàn)場工人聽起來極不舒服，甚至使人煩躁不安，噪聲作為污染已經(jīng)日益受到人們的重視。因此研究和分析液壓噪聲和振動的機(jī)理，從而減少與降低液壓系統(tǒng)的振動和噪聲，并改善液壓系統(tǒng)的性能以及工人工作環(huán)境，都有著積極而深遠(yuǎn)的意義[4]。

3 推進(jìn)液壓系統(tǒng)分析和改進(jìn)

1) 推進(jìn)速度低改進(jìn)措施

液壓執(zhí)行元件的速度取決于進(jìn)入執(zhí)行元件的流量，速度低是因為進(jìn)入液壓缸的流量小。還有可能是液壓缸內(nèi)泄漏嚴(yán)重，但是空載和滿載速度基本一樣，這個原因可以排除。換成大流量的液壓泵，肯定能夠解決這個問題，但是為了節(jié)約成本，首選采用快速回路，下面是提高推進(jìn)速度的思路以及措施。

提高液壓執(zhí)行元件的速度采取的措施主要有以下幾種[5]：

(1)液壓缸差動連接的快速運動回路

液壓泵輸出的液壓油同時與液壓缸的左右兩腔相通，兩腔壓力相等，由于液壓缸無桿腔的有效面積大于有桿腔的有效面積，使活塞受到的向右作用力大于向左的作用力，導(dǎo)致活塞向右運動。于是無桿腔排出的油液與泵輸出的油液合流進(jìn)入無桿腔，亦即相當(dāng)于在不增加泵的流量的前提下增加了供給無桿腔的油液量，使活塞快速向右運動。對于此液壓缸，活塞桿直徑較大，所以分析采用差動連接效果不明顯。

(2)雙泵供油快速回路

也可以增加一個輔助泵的方法，雙泵供油提高流量，從而提高執(zhí)行元件的速度。但是考慮到降低成本，暫不采用此方法。

(3)采用蓄能器的快速回路

采取提高流量的措施：采用蓄能器，推進(jìn)液壓缸不工作時儲存液壓能，當(dāng)液壓缸工作時，蓄能器和液壓泵同時供油來提高其速度。

經(jīng)過分析推進(jìn)回路的特點，發(fā)現(xiàn)采取蓄能器實現(xiàn)快速最經(jīng)濟(jì)最快捷。由于推進(jìn)液壓缸屬于間歇式工作，停止工作期間，液壓泵向蓄能器充液，儲存能量，當(dāng)液壓缸推進(jìn)需要快速運動時，由蓄能器與液壓泵同時給推進(jìn)缸供油，從而加大流量提高速度。

采用蓄能器實現(xiàn)推進(jìn)液壓缸快速，由于蓄能器輔助供油系統(tǒng)，蓄能器的釋油流量是一個變量，故在快進(jìn)階段速度是一個變量。蓄能器的主要參數(shù)為容積和工作壓力，本次改造選用的皮囊式蓄能器，容積選擇按照下式進(jìn)行計算[6]：

(1)

式中p1為充氣壓力，p2為系統(tǒng)的最低工作壓力，p3為系統(tǒng)的最高工作壓力，ΔV為工作容積，也就是蓄能器能夠為系統(tǒng)提供的油液體積，n為指數(shù)，是不隨狀態(tài)改變的常數(shù)。

蓄能器提供的油液和液壓泵的最大流量聯(lián)合作用滿足在推進(jìn)過程中的液壓缸所需要的流量。假設(shè)推進(jìn)系統(tǒng)理想的安全推進(jìn)時間為t，由于此系統(tǒng)對速度精度沒有特殊要求，所以可近似推導(dǎo)出蓄能器的工作容積為：

(2)

對于此系統(tǒng)，式中A為兩個液壓缸的活塞面積之和，L為推進(jìn)的行程，q為液壓泵的流量。

p2和p3的值根據(jù)系統(tǒng)實際確定，充氣壓力的選擇參照下式[7]：

0.25p2

(3)

因為蓄能器作為輔助動力源，排油速度快，所以n按照絕熱過程取值為1.4，相關(guān)參數(shù)代入式(1)即可以得出所需要的蓄能器的容積。

2) 提高同步精度的措施

在液壓系統(tǒng)中，常常會遇到要求兩個或兩個以上的執(zhí)行元件同時動作的情況，并要求它們在運動過程中克服負(fù)載、摩擦阻力、泄漏、制造精度和結(jié)構(gòu)變形上的差異，維持相同的速度或相同的位移，即作同步運動。由于負(fù)載、摩擦、泄漏等因素的影響，很難做到精確同步[8]。

推進(jìn)液壓系統(tǒng)原來的同步回路采用的是機(jī)械結(jié)構(gòu)和節(jié)流閥實現(xiàn)的同步，分析其原因可能是由于應(yīng)用時間較長，兩缸的摩擦阻力和泄露等因素誤差造成兩缸負(fù)載出現(xiàn)不同，從而影響同步精度，很難通過節(jié)流調(diào)速提高同步精度，長時間下來還可能會導(dǎo)致活塞和導(dǎo)向套的破損，造成內(nèi)外泄漏的。

兩缸同步的方法很多，比如采用“同等方式”和“主從方式”等控制策略[9]，但是成本相對較高。為了提高兩缸的同步精度，并節(jié)約成本，改用同步精度較高的分流集流閥。

分流集流閥的工作原理如圖2所示，進(jìn)口壓力為P0，流量為Q0，進(jìn)口流量P0先通過節(jié)流孔1和節(jié)流孔2進(jìn)入腔體，完成油液分流，然后從兩個可變節(jié)流口流出兩個相等流量分別為Q1和Q2。腔體中的流量通過閥芯內(nèi)部的小孔分別被引到集流閥閥芯兩端的彈簧腔，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)載不同時，分流集流閥閥芯在兩端彈簧腔油液壓差作用下產(chǎn)生位移，進(jìn)而改變兩個可變節(jié)流口的通流面積，進(jìn)而保持均勻分配可變節(jié)流口流出的流量[10]。分流集流閥在兩個方向上都能實現(xiàn)流量的相等，使相同兩個液壓缸雙方向?qū)崿F(xiàn)同步。

分流集流閥同步誤差可以用ζ表示為：

(4)

分流集流閥分流誤差在2%-5%，完全滿足所述的推進(jìn)系統(tǒng)。采用分流集流閥的同步是速度同步，即當(dāng)兩油缸由于摩擦力或泄露的誤差時，分流集流閥可以通過內(nèi)部的壓力和流量敏感部件自動調(diào)節(jié)，使兩個相同的液壓缸運動保持同步。采用分流集流閥改造后，此系統(tǒng)液壓缸的往復(fù)行程都能實現(xiàn)較高的同步精度。

圖2 分流集流閥的結(jié)構(gòu)原理圖

3) 降低噪聲的措施

液壓傳動噪聲的來源主要包括機(jī)械噪聲和流體噪聲。機(jī)械噪聲主要是電動機(jī)的軸線與液壓泵軸線不同軸，使聯(lián)軸節(jié)產(chǎn)生傾斜，在運動中產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦和別勁造成的，對剛性聯(lián)軸節(jié)這一情況比較嚴(yán)重。流體噪聲是液壓油流動過程中的沖擊和空穴以及泄露等原因。噪聲產(chǎn)生原因比較復(fù)雜，僅從理論上分析往往難以達(dá)到預(yù)期的效果，必須針對不同的情況，采用不同的措施，才能有效的降低噪聲[11]。

通過現(xiàn)場分析排除，此液壓傳動系統(tǒng)的噪聲主要來源于流體噪聲，聲音刺耳。所以本次改造主要是通過清洗液壓泵吸油口過濾器，并針對懸置的液壓管路增加管夾等，快速回路中設(shè)置安裝的蓄能器也能夠消除部分沖擊和脈動以及產(chǎn)生的噪聲。

改造后的液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

4 結(jié)論

通過此次改造，可以得出以下結(jié)論：

1)影響液壓系統(tǒng)速度的是進(jìn)入執(zhí)行元件的流量，這還與液壓缸的內(nèi)外泄漏相關(guān)，當(dāng)泵的流量一定的情況下，采用蓄能器實現(xiàn)執(zhí)行元件的快速是最經(jīng)濟(jì)實用的辦法，但蓄能器充液需要一定的時間，所以此方法僅適用于間歇運動的執(zhí)行元件。

2)雙液壓缸實現(xiàn)同步的方法很多，由于本系統(tǒng)中兩液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，所以采用分流集流閥的同步更適合本系統(tǒng)，而且能在兩缸負(fù)載有誤差的情況下還能實現(xiàn)較高精度。

3)液壓系統(tǒng)的噪聲無法避免，但是可以根據(jù)噪聲源的分析，采取相應(yīng)措施減小，本次改造中由于蓄能器的加入，噪聲得到了很好的控制，說明蓄能器的在吸收液壓沖擊和脈動造成的噪聲可以起到很重要的作用。

圖3 改進(jìn)后的推進(jìn)系統(tǒng)液壓原理圖

推進(jìn)式加熱爐，是熱軋前的重要設(shè)備，在實際工作現(xiàn)場，由于企業(yè)里設(shè)備陳舊，操作工人勞動強(qiáng)度大，此次改造是針對工人在使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行改造的，經(jīng)過一段時間的運行，發(fā)現(xiàn)完全排除了以前的問題，推進(jìn)速度得到提升，而且同步精度較高，噪聲也降低了。此加熱爐推進(jìn)液壓系統(tǒng)的改造，從經(jīng)濟(jì)性上和技術(shù)上都是成功的，可以為類似設(shè)備的設(shè)計開發(fā)和改造提供參考。