軋鋼設備液壓系統液壓泵的選型

姚志剛

（太原重工股份有限公司技術中心軋鋼所，山西 太原 030024）

1 概述

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

液壓傳動系統由于其自身的優勢，在軋鋼設備中得以廣泛應用。液壓系統的主要特點是，結構簡單、工作可靠、單位功率重量輕、方便無級調速、易于實現自動化等。而且液壓傳動介質具有彈性和吸振能力，使得液壓傳動運轉平穩可靠，可自潤滑，易于散熱，所以使用壽命較長[1-2]。

在軋鋼設備的液壓系統中，主要依靠液壓缸和液壓馬達作為執行元件，實現各種工藝動作。液壓缸將液壓能轉換成直線往復運動，液壓馬達將液壓能轉換成回轉運動，輸出轉矩和轉速。少數情況下，也使用只能有限角度回轉的擺動馬達。

2 功能

工程實際中的液壓系統，通常由5部分組成，能源裝置、執行元件、控制元件、輔助元件和工作介質。其中，液壓泵作為液壓系統的動力源，負責將原動機輸出的機械能轉換成流體的壓力能[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，僅適用于機床系統。齒輪泵的抗污染能力最好，特別適用于工作環境較差的場合。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。但相對而言，柱塞泵的額定壓力最高。按結構形式，軸向柱塞泵的總效率最高。

依據軋鋼設備軋制力大和工作壓力高等特點，液壓系統的工作油泵通常選用軸向柱塞泵。

3 設計選型實例

選用液壓泵的原則和依據主要有，滿足工況、工作效率、使用環境和噪聲指標等。

以下結合具體設計實例，以軋鋼設備中常見的六輥矯直機液壓系統的設計為例，介紹軋鋼設備液壓系統中液壓泵的實際選型過程。

3.1 工況分析

Φ200 mm熱軋鋼管矯直機，生產熱軋無縫鋼管，材質為碳鋼、低合金鋼和合金鋼。

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

本矯直機輥系的布置為2-2-2形式，六輥全驅動的立式斜輥矯直機。

其機械設備主要包括矯直機入口臺、矯直機本體、矯直機主傳動系統、矯直機換輥機構、出口導槽，共5個部分組成。配套設施有液壓潤滑系統、氣動系統和電氣控制系統。本文只介紹其中的液壓傳動系統。

3.2 液壓系統

本矯直機的液壓系統主要用于控制入口導衛開合缸、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）開式閉式系統的選擇。主要取決于液壓系統的調速方式和散熱要求。一般來說，采用節流調速和容積節流調速方式。有較大空間放置油箱且要求結構盡可能簡單的系統，宜采用開式系統。

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，且要求高效節能，故選用總效率最高的軸向柱塞泵。

3）工作環境及噪音指標。常規液壓系統，無伺服比例閥等閉環控制，對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，此液壓系統的油泵電機組為連續工作制，電動機的防護等級及選型等其他工況，本文不作討論。

綜上，根據矯直機的工作特性及其設備的布置環境等因素，矯直機液壓系統采用開式液壓系統，工作油泵選用軸向柱塞泵。

3.3 油缸參數

各個執行元件的具體參數及計算后的理論流量如表1所示。

表1 執行元件的參數及理論流量

3.4 設計計算

壓力和流量是液壓系統中兩個最主要的參數，是計算和選擇液壓元件的主要依據。系統壓力選得過低，則液壓設備的尺寸和重量就會增加；若系統壓力選得過高，則液壓設備尺寸減小，重量輕，較為經濟。但是，提高壓力將受到元件強度、容積效率、制造精度、系統可靠性及壽命等因素限制。所以，元件選型之前一定要經過周密計算，選取合適的系統壓力和流量。

3.4.1 系統壓力的確定首先，計算執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。

因為上輥快開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算最大工作壓力。

矯直力根據公式（2）計算：

式中：A1為快開缸面積；A2為平衡缸面積。

計算得矯直力F=133456.45 N，所需液壓力P≈14 MPa。

再計算系統壓力P：

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

經過計算之后，系統壓力P取值16 MPa。

3.4.2 系統流量的確定

首先，依次計算出各個執行元件的工作流量q：

式中：ν是執行元件的運動速度，此處為油缸的工進速度；A是油缸的作用面積。具體計算結果如表1所示。

再按公式（5）確定系統的最大流量Qmax：

此系統中有多個執行元件，且各工作循環所需的流量相差很大，即液壓機構需要瞬間大流量，故采用恒壓變量泵+蓄能器的供油方式。既滿足系統性能要求，又大大減小油泵的電機功率，以達到節能的目的。

根據表1作出的流量時序圖如第18頁圖1。

圖1 流量時序圖

由此，采用公式（6）計算出一個工作循環內系統的平均流量：

式中：T為工作循環的周期；qi為循環中第i階段所需的流量；ti為第i階段持續的時間；n為一個工作循環的階段數。

另外，對于節流調速系統，在確定液壓泵的流量時，尚需增加保證溢流閥正常工作時的最小溢流量0.15q。并且當系統中有蓄能器時，泵的最大供油量為一個工作循環中平均流量與回路泄漏之和。

最后，根據所選定的液壓泵類型、最大工作壓力和流量，參照產品樣本選取額定壓力比系統工作壓力高10%～30%、額定流量不低于上述計算結果的液壓泵。

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

此處略去計算步驟，最終計算出此系統的平均流量大約為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，具體型號為A10VSO100DR/31R-PPA12N00。

3.4.3 原動機的功率計算[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。

液壓泵驅動電機所需的功率，經過計算為37.3 kW。按照電機產品樣本，選擇電機的額定功率為45 kW，額定轉速為1500 r/min。

3.4.4 蓄能器容積V0的計算[見公式（8）]

按等溫過程時：

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。

蓄能器的具體計算不在本文論述之內，只給出最終計算結果。經計算，蓄能器容積=120 L。

現場調試以及后續的生產實踐證明，以上液壓泵的設計選型可以滿足系統的工況和工作需求。

4 結語

介紹了軋鋼設備以及液壓系統的特點，分析了各種液壓泵的優點及應用場合，著重講述了軋鋼設備液壓系統中液壓泵的設計計算和選型。液壓泵作為整個液壓系統的動力源，其設計選型在工程實際中至關重要。