電液比例技術(shù)在高爐液壓炮控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

張守喜，梁科，郭玉偉

（本鋼板材公司煉鐵廠，遼寧 本溪117000）

隨著冶金工業(yè)的飛速發(fā)展，作為鋼鐵冶煉過程中的重要組成部分——高爐也發(fā)生了突飛猛進(jìn)的變革，正朝著大型化、高效化、自動化轉(zhuǎn)變。本鋼煉鐵廠新1號4747 m3高爐2008年10月投產(chǎn)，引進(jìn)了德國TMT公司生產(chǎn)的成套設(shè)備TMT液壓炮系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用電液比例控制技術(shù)，即指令、比較、反饋、PID調(diào)節(jié)均由計算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具有控制精度高、安裝使用靈活、抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中，TMT液壓炮回轉(zhuǎn)過程外負(fù)載是時刻變化和無法預(yù)知的，由于流動液體和運(yùn)動部件慣性的作用，產(chǎn)生的液壓沖擊使系統(tǒng)內(nèi)瞬時形成很高的峰值壓力，壓力傳感器經(jīng)常會發(fā)出錯誤堵鐵口指令，給高爐生產(chǎn)帶來極大影響。針對上述情況，本鋼煉鋼廠對TMT液壓炮液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行分析論證，找出了故障的原因，并采取了相應(yīng)的措施，提高了液壓控制系統(tǒng)的可靠性，使其滿足高爐生產(chǎn)的需求。

1 TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)

1.1 TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)是開關(guān)型控制，通過電磁驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)液壓流體的通、斷和方向控制，從而實(shí)現(xiàn)被控對象的機(jī)械化和自動化。而電液比例控制系統(tǒng)是特指介于開關(guān)控制和伺服控制之間的一種新型電液控制系統(tǒng)[2]，是連接現(xiàn)代電子技術(shù)和大功率工程控制設(shè)備之間的橋梁，已經(jīng)成為冶金行業(yè)控制工程的構(gòu)成之一，系統(tǒng)的輸出量能隨輸入控制信號連續(xù)成比例地得到控制。TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)主要由指令元件、反饋元件、比較元件、液壓放大與控制元件、液壓執(zhí)行元件五部分組成。圖1所示為TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)方塊圖，其中，向系統(tǒng)發(fā)出指令信號的裝置是計算機(jī)程序控制軟件。液壓泥炮液壓系統(tǒng)設(shè)計壓力為28 MPa，工作介質(zhì)為46#抗磨液壓油，介質(zhì)清潔度NAS9級。液壓泥炮轉(zhuǎn)炮控制系統(tǒng)由主回路和控制油回路兩部分構(gòu)成，工作主泵為恒壓變量泵，排量為250 mL/r，電機(jī)200 kW，轉(zhuǎn)速1 480 r/min。

圖1 TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)方塊圖Fig.1 Block Diagram for Rotary Control System for TMT Hydraulic Clay Gun

1.2 比例放大器控制原理

當(dāng)高爐堵鐵口時，由爐前操作工在操作室手動操作主令控制器手柄，向計算機(jī)發(fā)出堵鐵口指令信號，TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)中的驅(qū)動裝置比例放大器接受電信號，進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換與運(yùn)算、通過功率放大產(chǎn)生所需要的液壓控制信號（流量和壓力），通過電液比例閥，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)液壓缸的運(yùn)動，比例放大器控制原理見圖2。電液比例閥是閥內(nèi)比例電磁鐵輸入電壓信號產(chǎn)生相應(yīng)動作，使工作閥閥芯產(chǎn)生位移，閥口尺寸發(fā)生改變并以此完成與輸入電壓成比例壓力、流量的輸出元件。閥芯位移也可以機(jī)械、液壓或電形式進(jìn)行反饋。

圖2 比例放大器控制原理圖Fig.2 Elementary Diagram for Control of Proportional Amplifier

1.3 電液比例閥閥口特性分析

電液比例閥閥口輸出流量有如下形式：

式中，qυ為電液比例閥單個閥口的輸出流量，m3/s；K為流量系數(shù)，與節(jié)流孔口的形狀、油液密度有關(guān)，可視為常數(shù)；A為電液比例閥單個控制閥口的通流面積，m2；i為電液比例閥電磁鐵通過的電流，A；ΔP為電液比例閥單個閥口的壓差，MPa。

式（1）表明，電液比例閥的輸出流量與控制電流i和閥口壓差ΔP有關(guān)。當(dāng)電液比例閥閥口的開度（通流面積A）一定，對應(yīng)閥的輸入電流信號不變時，由負(fù)載變化或供油壓力變化引起閥口壓差的變化，使電液比例閥的輸出流量產(chǎn)生變化，會形成對電液比例閥流量控制的干擾，進(jìn)而導(dǎo)致對執(zhí)行元件運(yùn)動速度的失控。電液比例閥閥口的壓差—流量特性曲線如圖3所示，從圖3明顯看出壓差對流量大小的影響程度。當(dāng)電液比例閥電磁鐵通過的電流i一定時，隨著電液比例閥閥口壓差ΔP的升高，電液比例閥閥口的輸出流量增大。

圖3 電液比例閥閥口壓差—流量特性Fig.3 Characteristics of Pressure Difference to Flow at Value Port of Electro-hydraulic Proportion Value

2 TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)存在的問題

2.1 比例放大器調(diào)節(jié)失控

TMT液壓炮堵鐵口時,回轉(zhuǎn)油缸帶動打泥機(jī)構(gòu)向鐵口方向運(yùn)動，回轉(zhuǎn)時間是10～15 s。當(dāng)炮頭壓緊鐵口門時，回轉(zhuǎn)油缸無桿腔壓力升高并達(dá)到系統(tǒng)最高壓力，證明已經(jīng)堵住鐵口，此時安裝在回轉(zhuǎn)油缸無桿腔上的壓力傳感器向計算機(jī)發(fā)出指令電信號，計算機(jī)把該信號向操作室發(fā)出，爐前操作工手動操作主令控制器手柄，向計算機(jī)發(fā)出打泥指令，打泥機(jī)構(gòu)向鐵口內(nèi)射炮泥。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，TMT液壓炮開始啟動時，電液比例閥閥芯突然動作換向，閥口突然開啟，由于流動液體慣性和TMT液壓炮要克服自身重量負(fù)載的作用，使回轉(zhuǎn)油缸無桿腔內(nèi)瞬時形成很高的峰值沖擊壓力。一般來說，液壓沖擊產(chǎn)生的峰值壓力可高達(dá)正常系統(tǒng)壓力的3～4倍。只要回轉(zhuǎn)油缸無桿腔壓力達(dá)到系統(tǒng)最高壓力，壓力傳感器自動向計算機(jī)發(fā)出堵鐵口指令，就會出現(xiàn)TMT液壓炮在回轉(zhuǎn)過程中或炮頭未壓緊鐵口門時打泥機(jī)構(gòu)提前向鐵口內(nèi)射炮泥現(xiàn)象。一旦這種現(xiàn)象發(fā)生，輕者出現(xiàn)“跑泥”使鐵口內(nèi)射入炮泥量過少；重者炮頭被燒毀，甚至堵不上鐵口，嚴(yán)重影響高爐正常生產(chǎn)。

2.2 TMT液壓炮運(yùn)動速度失控

TMT液壓炮由打泥機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)組成。炮身依靠四桿機(jī)構(gòu)固定在斜底座上，由于炮身旋轉(zhuǎn)軸是傾斜的，TMT液壓炮在整個回轉(zhuǎn)過程中，要經(jīng)過上升和下降兩個過程，剛剛啟動時要克服自身重量,運(yùn)動速度較慢，炮身運(yùn)動到最高點(diǎn)后下降時，旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿受到拉力作用（旋轉(zhuǎn)油缸無桿腔產(chǎn)生負(fù)壓）開始加速，當(dāng)炮嘴靠近鐵溝時以非常大的沖擊力沖向鐵口撞擊在鐵口門上。這種沖擊力危害非常嚴(yán)重，可造成四桿機(jī)構(gòu)及斜底座連接螺栓疲勞斷裂，液壓系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性也會受到?jīng)_擊力的影響，引起液壓系統(tǒng)升溫，產(chǎn)生振動和噪聲以及連接件松動漏油，使壓力閥的調(diào)整壓力（設(shè)定值）發(fā)生改變，重則致使管路破裂、液壓元件和測量儀表損壞，壓力傳感器會因液壓沖擊而發(fā)出錯誤指令。

3 采取的措施

3.1 增設(shè)壓力補(bǔ)償器

由以上分析可知，雖然TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)采用了電液比例技術(shù)，但是，電液比例閥的閥口前后壓差隨負(fù)載變化不斷的變化。為了獲得更好的速度剛性，在原液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)壓力補(bǔ)償器，使電液比例閥的閥口前后壓差保持恒定[3]。TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)改進(jìn)后簡化原理圖如圖4所示。

圖4 TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)改進(jìn)后簡化原理圖Fig.4 Simplified Elementary Diagram for Rotary Control System for TMT Hydraulic Clay Gun after Improvement

壓力補(bǔ)償器是由定差減壓閥與梭閥并聯(lián)而成的組合，梭閥接受液壓缸的負(fù)載壓力并傳遞到定差減壓閥閥芯的彈簧端，使閥芯左右移動，進(jìn)一步調(diào)節(jié)閥口開度控制輸出流量。

減壓閥閥芯受力平衡方程為：

式中,P1、P2為減壓閥口的壓力，MPa；Ac為壓閥芯端面積，m2，此處閥芯兩端面積相等；Fs為減壓閥口上的穩(wěn)態(tài)液動力，N；K為定壓差彈簧剛度，可視為常數(shù)；xυ0為定壓差彈簧裝配時的預(yù)壓縮量，mm；xυ為定壓差彈簧起減壓作用時的位移量，mm；ΔP為減壓閥口（電液比例閥單個閥口）形成的壓差，MPa。

忽略穩(wěn)態(tài)液動力，當(dāng)彈簧很軟，調(diào)節(jié)位移又很短時，彈簧力變化就很小，從而壓差近似為常數(shù)。當(dāng)負(fù)載變化時，由于梭閥的反饋?zhàn)饔茫瑝毫ρa(bǔ)償器的閥芯將重新建立平衡位置，減壓閥口正常工作時形成的壓差仍為常數(shù)[4]。

3.2 調(diào)整閥口開啟和關(guān)閉時間

在TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)中，從一個設(shè)定位置到另一個設(shè)定位置的運(yùn)動速度可由斜坡模塊控制。通過調(diào)節(jié)比例放大器中斜坡模塊的輸入信號，來延長比例閥閥口開啟和關(guān)閉輸出速度，使液壓油緩慢進(jìn)入和流出液壓缸，避免了液壓系統(tǒng)沖擊。圖5所示為比例放大器斜坡模塊。利用斜坡信號發(fā)生器來控制輸入信號的上升和下降的速度，使系統(tǒng)獲得平穩(wěn)的啟動或制動性能。

圖5 比例放大器斜坡模塊Fig.5 Ramp Module for Proportional Amplifier

3.3 利用階躍信號控制閥芯

電液比例閥的閥口有20%左右的重疊量稱為“死區(qū)”。通常情況下，電液比例閥電磁鐵得電后閥芯并未立刻開啟，只有閥芯移動一段位移越過“死區(qū)”后才有流量通過，造成操作人員發(fā)出指令（按下按鈕），而執(zhí)行機(jī)構(gòu)嚴(yán)重滯后。為了提高控制質(zhì)量，采取了向系統(tǒng)輸入階躍信號時，利用比例放大器輸出的電信號能夠以可調(diào)的速率達(dá)到給定值的特性，將斜坡時間設(shè)定在0～2.5 s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，進(jìn)一步分別把斜坡上升和下降時間調(diào)到最小（大約30 ms）。

電液比例閥的動態(tài)特性和時域階躍特性如圖6所示，利用階躍信號使閥芯產(chǎn)生快跳消除“死區(qū)”的影響，達(dá)到迅速越過“死區(qū)”這一目的，解決了執(zhí)行機(jī)構(gòu)嚴(yán)重滯后的難題。圖6（a）表示在30～120 ms時間內(nèi)，閥芯設(shè)定行程完全達(dá)到開啟點(diǎn)；圖6（b）表示閥芯接到階躍信號后開始移動，到比例閥完全有流量通過在0～120 ms時間內(nèi)完成。

圖6 電液比例閥動態(tài)特性和時域階躍特性Fig.6 Dynamic Characteristics and Characteristics on Time Domain & Step of Electro-hydraulic Proportional Value

4 應(yīng)用效果

通過調(diào)節(jié)比例放大器中的斜坡模塊，來延長輸入信號（電流或電壓值）達(dá)到預(yù)定值的時間，減緩控制比例閥閥芯開啟速度，進(jìn)一步控制流出比例閥閥芯液壓油的流量，可以使系統(tǒng)的輸出以預(yù)定的速度從一種狀態(tài)平穩(wěn)過渡到另一種狀態(tài)，保證了執(zhí)行機(jī)構(gòu)從緩慢起步、快速運(yùn)動到平穩(wěn)停止，避免了液壓沖擊的產(chǎn)生。液壓泥炮旋轉(zhuǎn)動作時間由原來的8.5 s精確控制在13 s以內(nèi),旋轉(zhuǎn)角精度由原來的1.65 mm增加到0.60 mm，延長了TMT液壓炮使用壽命。

液壓沖擊造成管路破裂維修工程費(fèi)用為：人工+機(jī)械+材料。人工費(fèi)每年為85萬元，各種機(jī)械費(fèi)每年為50萬元，不銹鋼管及附件材料費(fèi)每年為85萬元，合計：85+50+85=220萬元。每年節(jié)省一臺TMT液壓炮，價值140萬元。每年共創(chuàng)效360萬元。

5 結(jié)論

（1）TMT液壓炮系統(tǒng)增設(shè)壓力補(bǔ)償器，使電液比例閥閥口的壓差始終保持恒定，回轉(zhuǎn)油缸全行程動作平穩(wěn)，動作時間由原來的8.5 s精確控制在13 s以內(nèi)，旋轉(zhuǎn)角精度由原來的1.65 mm增加到0.6 mm。

（2）通過調(diào)節(jié)比例放大器中的斜坡模塊,輸出的電信號能夠以可調(diào)的速率達(dá)到給定值，斜坡上升時間調(diào)到最小約30 ms，下降時間調(diào)到最大約2.5 s，避免了液壓沖擊的產(chǎn)生。

（3）利用階躍信號使電液比例閥閥芯產(chǎn)生快跳，可達(dá)到迅速越過“死區(qū)”這一目的，系統(tǒng)的跟蹤速度、精度、緩沖特性均有所改善和提高。

（4）采取上述措施后，延長了TMT液壓炮使用壽命,更好地滿足高爐的生產(chǎn)要求，每年獲得經(jīng)濟(jì)效益360萬元。