W12y20×2500型四輥卷板機液壓系統串聯油缸同步系統的改進

黃生慶* 石 艷

（寶鈦集團寶鈦裝備制造（寶雞）有限公司）

0 前言

四輥卷板機具有可不借助其他設備直接對金屬板材兩端部進行預彎作業，剩余直邊?。?.5 ～2倍板厚），薄板卷制不打滑，操作靈活便捷等優點，其在壓力容器制造行業被廣泛應用。某公司現有1 臺19 世紀80 年代生產的W12y-25×2000 型液壓四輥卷板機，由于受到技術局限，該設備下輥及兩根側輥的升降運動均采用工作輥兩端油缸串聯同步的控制方式，該控制方式存在一定不足：（1）同步精度低；（2）工作輥在反復升降動作后的累積位移誤差較大，給金屬板材的卷制質量造成不利影響。而且該設備不顯示工作輥兩端的位移值，需依靠操作人員的眼力和工作經驗進行調整，加工效率低下，無法滿足現有圓柱形筒體、錐型筒體類零件的卷制加工要求。該設備的控制精度不高，因此對操作人員的工作經驗和對機床性能熟悉程度要求較高，導致該設備利用率不高，沒有發揮應有的效能，長期處于閑置狀態。通過對該設備液壓系統控制原理進行分析，并結合設備的實際情況對其工作輥升降同步系統進行改造，將串聯油缸改成并聯油缸控制，并輔助電控糾偏系統，較好地保證了工作輥較高的位移精度和同步精度。

1 設備傳動形式簡介

液壓四輥卷板機傳動形式為：四輥卷板機上輥固定，下輥和兩側輥可以上下移動；上輥為主驅動輥，通過其旋轉為板材卷制提供扭矩，兩側輥為被動輥；通過上、下輥夾持金屬板材，控制側輥升降使板材變形來完成板材的預彎和卷制工作。其結構如圖1 所示。

圖1 四輥卷板機工作輥布局及運動形式

2 設備改造前存在的問題分析

設備下輥（側輥）串聯液壓控制原理如圖2 所示。工作輥由輥子兩端的兩個串聯液壓缸活塞支撐，當三位四通電磁換向閥1DT 電磁鐵通電左位處于工作狀態時，液壓泵輸出的壓力油進入左液壓缸無桿腔推動活塞向上運動，其有桿腔排出的油液進入右液壓缸的無桿腔。當左油缸有桿腔的環形面積SA1與右油缸的無桿腔面積SA2相等時，左、右油缸活塞可以實現串聯控制同步完成工作輥的升降動作。

圖2 下輥（側輥）串聯液壓控制系統圖

由于受到活塞制造誤差、摩擦阻力及油液泄漏等因素的影響,串聯液壓缸的同步精度會降低。當卷板機下輥同步精度較差時，金屬板料與上下輥的接觸面積減小，影響板料在卷制過程中的夾持力，設備操作人員可以上輥為基準，單端升高較低位置端的液壓缸活塞進行補償。當前、后側輥同步精度較差，且工作輥兩端沒有位置數值顯示時，側輥產生的傾斜不易察覺，導致筒體卷制合口時單邊合攏或上下交替扭曲形變，使筒體無法按要求合攏，后續需要反復修正側輥的實際位置，進行多次校正卷制，這樣既影響工件的成型質量又降了加工效率。工件采用單一材質時對工件的最終卷制和焊接質量影響不大，工件為復合材料時經過過多道次的校正卷制工序后易產生復層和基層的剝離，產生不可逆的影響。該設備未加裝串聯液壓缸的補償裝置，工作輥經過多次移動后的累積位移誤差較大，導致工作輥的同步精度偏差變大。使設備利用率和開機率較低。因此，為了提高設備的利用率，發揮設備應有的效能，擬將現串聯液壓缸同步控制系統改為并聯缸同步系統。

3 工作輥受力分析

3.1 串聯油缸承載能力分析

當卷制同一個工件時工作輥的受力及串、并聯液壓系統壓力如圖3，圖4 所示。

由圖3 串聯油缸工作時的受力分析圖可知：

圖3 串聯油缸時工作輥受力分析

圖4 并聯油缸時工作輥受力分析

3.2 串聯油缸承載能力的分析

由圖4 中并聯油缸工作時的受力分析圖可知：

式中：p2——并聯缸液壓系統壓力；

p0——減壓閥調整壓力。

由式（1）和式（2）可知：p1＞p2，所以液壓系統在相同負載下，并聯液壓缸的系統壓力比串聯液壓缸的系統壓力小。根據系統受力平衡及實際測量現有大、小油缸及活塞的相關尺寸可知：SA-SA2=SA2，p2=（F/2）/SA2=（F/2）/SA+p0=（F/2）/ 2SA2+p0=1/2p2+p0=2p0

在同一負荷下：p1=2p2。綜上所述，在負載相同的情況下，并聯缸系統驅動壓力為串聯缸的一半；在液壓泵流量保持不變的情況下，2 個全等缸徑的并聯缸的活塞速度為串聯缸的一半?，F設備大小油缸的面積比為2:1，因此，在工作輥原有升降速度不變的情況下液壓泵的系統流量應增加50%，但系統壓力可降低到原體統壓力的一半，且整個液壓系統的輸入功率還有盈余。若忽略工作輥升降速度的降低對工作效率的影響，系統的液壓泵可不做改變。

4 液壓系統改進及計算

W12y-20×2500 型液壓四輥卷板下輥及前、后側輥并聯液壓油缸同步系統的改進措施。

4.1 液壓系統的改進

液壓原理圖如圖5 所示。

圖5 下輥（側輥）并聯液壓控制系統圖

為了減少改造的成本，僅對液壓控制系統進行改進，6 個液壓缸的安裝位置及結構保持不變。

改造前準備工作應以一側輥的實際測繪尺寸為例進行計算。實測側輥大油缸內徑為 200 mm，活塞桿直徑為 140 mm；小油缸內徑為 140 mm，活塞桿直徑為 100 mm。對兩缸的有桿腔和無桿腔面積進行校核，前油缸有桿腔環形面積為：SA1=（π/4）·（2 002-1 402）=5 100πmm2。后油缸無桿腔面積為：SA2=（π/4）·1 402=4 900πmm2。

由上述計算結果可知，有桿腔環形面積大于無桿腔活塞面積。二者面積不相等是2 個串聯油缸不同步的主要原因。在二者面積相等的情況下，其直徑應按照最接近的密封圈尺寸來取值，采用標準序列的密封圈可減少非標密封圈定制的成本；且在設備維修時更便于購置密封圈，減少設備維修成本。

由于兩缸直徑不相等，并聯供油時存在較大的速度差，系統無法使用。因此，在小缸徑油缸進、回油油路上加裝調速閥，通過調整調速閥控制進入小缸的油量，使大、小油缸活塞的升、降速率基本保持一致，調試時使小缸徑活塞升降速率略大于大油缸活塞的升降速率。工作時，以大缸運動為基準，小缸為從動缸，根據電控系統給定的同步精度由電氣糾偏系統控制電磁鐵3DT，4DT 的通斷保證工作輥的升降控制精度，使四輥卷板機工作輥升降的精度同步，滿足工件卷制工藝對設備的要求。

4.2 工作輥兩端位移顯示及對液壓系統閥組的控制

在下輥及前、后側輥兩端分別加裝拉線式旋轉編碼器或光柵尺來采集工作輥軸端的位置數據，通過電控系統運算可實時顯示輥端的位置數據。同時電控糾偏控制系統根據系統給定的工作輥升降同步精度值，實時控制電磁換向閥相應閥位，從而實現較高精度的工作輥升降同步。

5 結論

通過對W12y-25×2000 型液壓四輥卷板下輥及前、后側輥并聯液壓油缸同步系統進行改進，較好地解決了原控制系統工作輥同步精度不高的弊端，使老舊設備重新發揮效能，經濟成效顯著。同時，可為同類老舊設備的改造提供參考。