軋鋼設(shè)備液壓系統(tǒng)液壓泵的選型

姚志剛

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心軋鋼所，山西 太原 030024）

1 概述

軋鋼設(shè)備泛指用于軋制鋼材的全部設(shè)備，包含軋鋼主機(jī)和多種輔助設(shè)備。按主機(jī)用途可大致分為板帶軋機(jī)、鋼管軋機(jī)、型鋼軋機(jī)和特種軋機(jī)等。

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)由于其自身的優(yōu)勢(shì)，在軋鋼設(shè)備中得以廣泛應(yīng)用。液壓系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、單位功率重量輕、方便無(wú)級(jí)調(diào)速、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等。而且液壓傳動(dòng)介質(zhì)具有彈性和吸振能力，使得液壓傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，可自潤(rùn)滑，易于散熱，所以使用壽命較長(zhǎng)[1-2]。

在軋鋼設(shè)備的液壓系統(tǒng)中，主要依靠液壓缸和液壓馬達(dá)作為執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)各種工藝動(dòng)作。液壓缸將液壓能轉(zhuǎn)換成直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，液壓馬達(dá)將液壓能轉(zhuǎn)換成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。少數(shù)情況下，也使用只能有限角度回轉(zhuǎn)的擺動(dòng)馬達(dá)。

2 功能

工程實(shí)際中的液壓系統(tǒng)，通常由5部分組成，能源裝置、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和工作介質(zhì)。其中，液壓泵作為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，負(fù)責(zé)將原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成流體的壓力能[3]。

本文只探討作為能源裝置的液壓泵。液壓泵的種類較多，主要有齒輪泵、葉片泵、螺桿泵和柱塞泵。柱塞泵又分為軸向柱塞泵和徑向柱塞泵。按照工作容腔周期變化而吸入和排出的液體是否恒定，又可分為定量型和變量型。

葉片泵的工作壓力較低，僅適用于機(jī)床系統(tǒng)。齒輪泵的抗污染能力最好，特別適用于工作環(huán)境較差的場(chǎng)合。雙作用葉片泵和螺桿泵的流量均勻。目前，各類液壓泵的額定壓力都有所提高。但相對(duì)而言，柱塞泵的額定壓力最高。按結(jié)構(gòu)形式，軸向柱塞泵的總效率最高。

依據(jù)軋鋼設(shè)備軋制力大和工作壓力高等特點(diǎn)，液壓系統(tǒng)的工作油泵通常選用軸向柱塞泵。

3 設(shè)計(jì)選型實(shí)例

選用液壓泵的原則和依據(jù)主要有，滿足工況、工作效率、使用環(huán)境和噪聲指標(biāo)等。

以下結(jié)合具體設(shè)計(jì)實(shí)例，以軋鋼設(shè)備中常見的六輥矯直機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，介紹軋鋼設(shè)備液壓系統(tǒng)中液壓泵的實(shí)際選型過程。

3.1 工況分析

Φ200 mm熱軋鋼管矯直機(jī)，生產(chǎn)熱軋無(wú)縫鋼管，材質(zhì)為碳鋼、低合金鋼和合金鋼。

軋制范圍：Φ80～Φ200 mm；鋼管壁厚：4～25 mm；鋼管長(zhǎng)度：4～15 m；矯直速度：60～125 m/min。

本矯直機(jī)輥系的布置為2-2-2形式，六輥全驅(qū)動(dòng)的立式斜輥矯直機(jī)。

其機(jī)械設(shè)備主要包括矯直機(jī)入口臺(tái)、矯直機(jī)本體、矯直機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)、矯直機(jī)換輥機(jī)構(gòu)、出口導(dǎo)槽，共5個(gè)部分組成。配套設(shè)施有液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。本文只介紹其中的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。

3.2 液壓系統(tǒng)

本矯直機(jī)的液壓系統(tǒng)主要用于控制入口導(dǎo)衛(wèi)開合缸、上輥平衡鎖緊缸、上輥快開缸、入口輥道升降缸和出口輥道升降缸。

1）開式閉式系統(tǒng)的選擇。主要取決于液壓系統(tǒng)的調(diào)速方式和散熱要求。一般來(lái)說(shuō)，采用節(jié)流調(diào)速和容積節(jié)流調(diào)速方式。有較大空間放置油箱且要求結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，宜采用開式系統(tǒng)。

2）液壓泵類型的選擇。由于工作壓力較高(≥16 MPa)，屬于中高壓系統(tǒng)，且要求高效節(jié)能，故選用總效率最高的軸向柱塞泵。

3）工作環(huán)境及噪音指標(biāo)。常規(guī)液壓系統(tǒng)，無(wú)伺服比例閥等閉環(huán)控制，對(duì)油液的清潔度沒有特殊要求，工廠布置較為開闊，不存在噪音污染等問題。另外，此液壓系統(tǒng)的油泵電機(jī)組為連續(xù)工作制，電動(dòng)機(jī)的防護(hù)等級(jí)及選型等其他工況，本文不作討論。

綜上，根據(jù)矯直機(jī)的工作特性及其設(shè)備的布置環(huán)境等因素，矯直機(jī)液壓系統(tǒng)采用開式液壓系統(tǒng)，工作油泵選用軸向柱塞泵。

3.3 油缸參數(shù)

各個(gè)執(zhí)行元件的具體參數(shù)及計(jì)算后的理論流量如表1所示。

表1 執(zhí)行元件的參數(shù)及理論流量

3.4 設(shè)計(jì)計(jì)算

壓力和流量是液壓系統(tǒng)中兩個(gè)最主要的參數(shù)，是計(jì)算和選擇液壓元件的主要依據(jù)。系統(tǒng)壓力選得過低，則液壓設(shè)備的尺寸和重量就會(huì)增加；若系統(tǒng)壓力選得過高，則液壓設(shè)備尺寸減小，重量輕，較為經(jīng)濟(jì)。但是，提高壓力將受到元件強(qiáng)度、容積效率、制造精度、系統(tǒng)可靠性及壽命等因素限制。所以，元件選型之前一定要經(jīng)過周密計(jì)算，選取合適的系統(tǒng)壓力和流量。

3.4.1 系統(tǒng)壓力的確定首先，計(jì)算執(zhí)行元件的最大工作壓力Pmax

式中：F為矯直力；A為上輥快開缸的作用面積。

因?yàn)樯陷伩扉_缸在矯直過程中所受到的作用力最大，所以此處直接通過上輥快開缸的受力計(jì)算最大工作壓力。

矯直力根據(jù)公式（2）計(jì)算：

式中：A1為快開缸面積；A2為平衡缸面積。

計(jì)算得矯直力F=133456.45 N，所需液壓力P≈14 MPa。

再計(jì)算系統(tǒng)壓力P：

此外，還可以適當(dāng)參考同類設(shè)備液壓系統(tǒng)的工作壓力，重型機(jī)械設(shè)備（尤其是同類型的軋鋼設(shè)備）的液壓系統(tǒng)工作壓力取值通常在16～32 MPa。

經(jīng)過計(jì)算之后，系統(tǒng)壓力P取值16 MPa。

3.4.2 系統(tǒng)流量的確定

首先，依次計(jì)算出各個(gè)執(zhí)行元件的工作流量q：

式中：ν是執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度，此處為油缸的工進(jìn)速度；A是油缸的作用面積。具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

再按公式（5）確定系統(tǒng)的最大流量Qmax：

此系統(tǒng)中有多個(gè)執(zhí)行元件，且各工作循環(huán)所需的流量相差很大，即液壓機(jī)構(gòu)需要瞬間大流量，故采用恒壓變量泵+蓄能器的供油方式。既滿足系統(tǒng)性能要求，又大大減小油泵的電機(jī)功率，以達(dá)到節(jié)能的目的。

根據(jù)表1作出的流量時(shí)序圖如第18頁(yè)圖1。

圖1 流量時(shí)序圖

由此，采用公式（6）計(jì)算出一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)系統(tǒng)的平均流量：

式中：T為工作循環(huán)的周期；qi為循環(huán)中第i階段所需的流量；ti為第i階段持續(xù)的時(shí)間；n為一個(gè)工作循環(huán)的階段數(shù)。

另外，對(duì)于節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，在確定液壓泵的流量時(shí)，尚需增加保證溢流閥正常工作時(shí)的最小溢流量0.15q。并且當(dāng)系統(tǒng)中有蓄能器時(shí)，泵的最大供油量為一個(gè)工作循環(huán)中平均流量與回路泄漏之和。

最后，根據(jù)所選定的液壓泵類型、最大工作壓力和流量，參照產(chǎn)品樣本選取額定壓力比系統(tǒng)工作壓力高10%～30%、額定流量不低于上述計(jì)算結(jié)果的液壓泵。

由于此系統(tǒng)采用的是恒壓變量泵+蓄能器的供油方式，所以按照系統(tǒng)平均流量來(lái)選取液壓泵，同時(shí)考慮溢流閥的最小溢流量和回路泄漏量。

此處略去計(jì)算步驟，最終計(jì)算出此系統(tǒng)的平均流量大約為120 L/min。

最終選定力士樂A10VSO系列變量泵，額定壓力為28 MPa，控制方式為DR壓力控制，排量為100 mL/r，具體型號(hào)為A10VSO100DR/31R-PPA12N00。

3.4.3 原動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算[見公式（7）]

式中：pp為液壓泵的工作壓力；qq為液壓泵的工作流量；ηp為液壓泵的總效率。

液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的功率，經(jīng)過計(jì)算為37.3 kW。按照電機(jī)產(chǎn)品樣本，選擇電機(jī)的額定功率為45 kW，額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min。

3.4.4 蓄能器容積V0的計(jì)算[見公式（8）]

按等溫過程時(shí)：

式中：P0為蓄能器的充氣壓力；p1為蓄能器最低工作壓力；p2為蓄能器最高工作壓力。

蓄能器的具體計(jì)算不在本文論述之內(nèi)，只給出最終計(jì)算結(jié)果。經(jīng)計(jì)算，蓄能器容積=120 L。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試以及后續(xù)的生產(chǎn)實(shí)踐證明，以上液壓泵的設(shè)計(jì)選型可以滿足系統(tǒng)的工況和工作需求。

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了軋鋼設(shè)備以及液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析了各種液壓泵的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合，著重講述了軋鋼設(shè)備液壓系統(tǒng)中液壓泵的設(shè)計(jì)計(jì)算和選型。液壓泵作為整個(gè)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，其設(shè)計(jì)選型在工程實(shí)際中至關(guān)重要。