型鋼翻鋼設(shè)備液壓系統(tǒng)優(yōu)化

王守琦

（中冶東方工程技術(shù)有限公司 山東 青島 266555）

1 前言

隨著現(xiàn)代化進程的加速，我國已步入“十四五”規(guī)劃的開局之年，堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展成為“技術(shù)工匠”的首要任務(wù)。我國液壓技術(shù)的工業(yè)化始于20世紀50年代，其產(chǎn)品起初僅用于機床和鍛壓設(shè)備，直到20世紀80年代，國內(nèi)更加重視國外先進液壓產(chǎn)品和技術(shù)的進口、研究以及國產(chǎn)化的相關(guān)工作，以保證國內(nèi)液壓技術(shù)能在質(zhì)量、研發(fā)、效益等方面達到行業(yè)及世界領(lǐng)先水平［1，2］。如今的工業(yè)化大生產(chǎn)使液壓系統(tǒng)應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域，這同時對降低設(shè)備成本、提高控制精度及響應(yīng)速度提出了更高要求。

根據(jù)多年現(xiàn)場經(jīng)驗，利用壓力可調(diào)的補償元件，匹配不同工況下比例閥的流量要求，從而使型鋼生產(chǎn)線翻鋼設(shè)備在動作時保持平穩(wěn)狀態(tài)。本次液壓系統(tǒng)改造的總體目標是使翻鋼設(shè)備能適應(yīng)不同工況下比例閥及其他流量閥的要求，減少節(jié)流損失、降低能耗、節(jié)約資源、節(jié)省成本。

2 設(shè)備組成及液壓系統(tǒng)介紹

2.1 設(shè)備組成

型鋼軋件在經(jīng)過加熱、軋制、剪切、冷卻、矯直等工藝流程后進行成品打包裝車。翻鋼設(shè)備往往布置在開坯機入口側(cè)推鋼機的前部，與輥道相銜接，將推鋼機無法翻轉(zhuǎn)的軋件進行翻轉(zhuǎn)。翻鋼設(shè)備由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)組成，其設(shè)備結(jié)構(gòu)主要由底部軌道、翻鋼小車、夾緊機構(gòu)（由夾緊輥、夾輥支座及軌跡模板等組成）、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)（由銷齒條、齒輪及翻轉(zhuǎn)架等組成）等組成。

2.2 液壓系統(tǒng)介紹

此次改造的翻鋼設(shè)備液壓系統(tǒng)包括：翻鋼設(shè)備橫移、翻鋼設(shè)備夾送翻轉(zhuǎn)。其中，翻鋼設(shè)備橫移液壓控制是由定差進口壓力補償器、比例方向閥控制執(zhí)行機構(gòu)動作；翻鋼設(shè)備夾送翻轉(zhuǎn)是由定差出口壓力補償器、比例方向閥控制設(shè)備動作。

圖1為改造前翻鋼設(shè)備液壓系統(tǒng)原理圖。

圖1 改造前翻鋼設(shè)備液壓系統(tǒng)原理圖

3 壓力控制

3.1 定差式壓力補償器

液壓系統(tǒng)在現(xiàn)實工作中主要用于對執(zhí)行機構(gòu)的壓力、驅(qū)動力、速度進行相關(guān)控制。壓力的控制可以通過減壓閥、溢流閥等壓力閥實現(xiàn)；驅(qū)動力可通過壓力與液壓缸的作用面積或壓力與液壓馬達排量的組合控制；速度控制則需通過調(diào)節(jié)負載流量實現(xiàn)，且一般采用閥控調(diào)速及泵控調(diào)速［3］。

在液壓系統(tǒng)控制過程中，若要使執(zhí)行機構(gòu)精確動作，則需配合比例控制，這同時也是使輸入與輸出之間保持線性關(guān)系的關(guān)鍵。但是往往在軋件軋制過程中，由于型鋼產(chǎn)品種類的不盡相同，所以執(zhí)行機構(gòu)的負載是不斷變化的，在這種情況下，絕大多數(shù)的比例閥已很難實現(xiàn)對負載變化的執(zhí)行機構(gòu)進行精確的速度控制。

鑒于此種情況，穩(wěn)定負載運動速度，就成了解決問題的關(guān)鍵。

定差壓力補償器能保證節(jié)流閥前后的壓差不變，從而達到流量恒定，使執(zhí)行機構(gòu)動作穩(wěn)定、速度恒定。但在液壓技術(shù)增速發(fā)展的今天，現(xiàn)有的定差壓力補償器已較難滿足生產(chǎn)應(yīng)用的要求，比例閥、流量閥由于負載的不斷變化，在不同工況下進出口壓差已有所不同［4］。因此，若只是應(yīng)用定差壓力補償器，已難以適應(yīng)當前比例閥、流量閥壓差的變化。

3.2 壓力補償器數(shù)學(xué)模型

液壓系統(tǒng)的速度調(diào)整主要通過調(diào)節(jié)流向負載的流量實現(xiàn)，最常用的是閥控調(diào)速［5］。對于閥控調(diào)速，負載流量遵循如公式（1）所示：

式中：qL—負載流量；

k—與節(jié)流口形式有關(guān)的流量系數(shù)；

A—節(jié)流閥的開口面積；

Pp—節(jié)流閥閥前壓力；

Pl—負載壓力。

壓力補償器的概念正是為實現(xiàn)負載流量的穩(wěn)定而提出的。在無法預(yù)知負載壓力變化趨勢的情形下，保持節(jié)流閥前后的壓差不變，即可實現(xiàn)流量的穩(wěn)定。對于閥控調(diào)速，通過閥的流量將隨壓差的變化而改變。負載壓力上升，流量減小；負載壓力下降，流量增大。只有當負載壓力波動不大或幾乎不波動時，節(jié)流閥才能起到流量控制器的作用。根據(jù)公式（2）：

式中：Pv—閥的壓差，bar；

Ps—系統(tǒng)壓力，bar；

ΔPL—油箱壓力，bar；

ΔPT—負載壓力，bar。

根據(jù)式（2），流量的變化取決于閥進出口的壓差。而在油泵出口的壓力和油箱壓力為常數(shù)時，壓差與負載壓力相關(guān)。

由圖2可知，實際上定差減壓閥加節(jié)流閥串聯(lián)的型式是兩通調(diào)速閥。當負載壓力波動時，節(jié)流閥的閥前壓力始終跟隨負載壓力的變化并保持節(jié)流閥的工作壓差恒定，于是負載流量得以相對穩(wěn)定。

圖2 定差減壓型壓力補償器示意圖

在一個帶有壓力補償?shù)囊簤合到y(tǒng)中，通常定差減壓閥通過與比例換向閥相互配合，使得流入比例閥與流出比例閥的流量保持相對穩(wěn)定。

3.3 可調(diào)進口壓力補償器

隨著比例控制技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，定差壓力補償器在一些特定條件下已無法滿足生產(chǎn)需求，而可調(diào)節(jié)壓差的壓力補償器能更匹配負載特性，實現(xiàn)更加精準的控制，也可匹配不同工況下比例閥的流量要求［6］。

可調(diào)進口壓力補償器采用一種緊湊的組合結(jié)構(gòu)，主要由插裝式減壓閥、壓力平衡卸荷分配元件組成。在與可調(diào)壓力補償器相配合的系統(tǒng)中，設(shè)置一個疊加的比例換向閥，并與一個鍛造的閥體進行邏輯組合。此種可調(diào)進口壓力補償器工作時可以限定通過比例方向閥的進口P至A、P至B的ΔP（壓差）為恒值，從而保證比例閥在一定開口度（響應(yīng)值）下的流量穩(wěn)定。圖3為可調(diào)壓力補償器原理圖，由圖中的比例換向閥、插裝減壓閥、壓力平衡卸荷元件組成了可調(diào)進口壓力補償器。

圖3 可調(diào)壓力補償器原理圖

由可調(diào)壓力補償器原理圖可知，當比例閥P與A相通，T與B相通時，壓力油會順利的通過比例閥然后進入油缸有桿腔，從而使得活塞桿縮回，而無桿腔的液壓油則通過比例閥的T口回到油箱。這時，壓力平衡卸荷元件感應(yīng)到系統(tǒng)的壓力變化，從而使自身的閥芯在壓力油的作用下右移，將壓力及時補充到油缸有桿腔壓力管道。由此，插裝減壓閥與壓力平衡卸荷元件形成了定差減壓狀態(tài)，限定了比例換向閥P至A的壓差，從而克服負載力的變化對比例換向閥P至A的壓差干擾，使比例換向閥可以保持原來較好的流量控制特性，使油缸可以獲得理想穩(wěn)定的運行效果。

同理，當執(zhí)行機構(gòu)油缸伸出時，即比例方向閥P與B相通，T與A相通時，油缸無桿腔壓力變大，壓力平衡卸荷元件的閥芯在壓力油的作用下左移，及時補充比例方向閥后的壓力，從而限定比例閥P至B的壓差，同樣的，油缸在反向運動時也可獲得理想穩(wěn)定的運行效果。

4 液壓系統(tǒng)改造

4.1 翻鋼設(shè)備橫移機構(gòu)

1）機構(gòu)說明

鋼坯在經(jīng)過加熱后，具備軋制條件，在鋼坯軋制過程中，受軋件品種多樣性的影響，需要將不同品種及負載的軋件經(jīng)過翻鋼小車進行運送，橫移液壓缸伸縮帶動與其連接的翻鋼小車在底部軌道上移動，保證翻鋼機工作與維修時的不同位置。

2）故障現(xiàn)象

翻鋼小車在底部軌道上移動時不連續(xù)，液壓管路伴隨明顯震動。

3）故障分析

由圖1可知，翻鋼小車在底部軌道上移動時，電磁換向閥的電磁鐵b得電，橫移油缸無桿腔進油，推動翻鋼小車沿著軌道移動到預(yù)定位置；同理，電磁換向閥的電磁鐵a得電，橫移機構(gòu)帶動翻鋼小車移動到原始位置。由于軋件規(guī)格的多樣性，導(dǎo)致負載經(jīng)常變化，在橫移小車移動瞬間會出現(xiàn)一個速度增加量V。由于瞬時系統(tǒng)流量無法滿足負載速度變化，液壓油補充至無桿腔不及時，導(dǎo)致無桿腔形成滯后空間，使進油管路與無桿腔之間產(chǎn)生瞬時負壓，致使液壓管路產(chǎn)生強烈震動。

4.2 翻鋼設(shè)備夾送翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

1）機構(gòu)說明

在軋件到達預(yù)定位置后，翻鋼設(shè)備開始對其進行夾持，液壓閥控制液壓馬達帶動夾緊機構(gòu)夾緊軋件，并沿著模板軌跡轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)軋件的翻轉(zhuǎn)。

2）故障現(xiàn)象

翻轉(zhuǎn)機構(gòu)在動作時，運動軌跡僵硬速度不恒定，且液壓馬達漏油。

3）故障分析

由圖1可知，當軋件在預(yù)定方向上需要翻轉(zhuǎn)的時候，翻鋼設(shè)備夾送機構(gòu)先對軋件進行夾持，此時電磁比例換向閥的電磁鐵b得電，進口壓力補償器開啟，液壓馬達正轉(zhuǎn)帶動夾送機構(gòu)對軋件進行夾持；待軋件完成翻轉(zhuǎn)后，電磁鐵a得電，液壓馬達反轉(zhuǎn)帶動夾送機構(gòu)對軋件放松夾持。夾送機構(gòu)在夾持軋件旋轉(zhuǎn)的過程中，由于軋件自身重量的原因，翻鋼設(shè)備帶動軋件旋轉(zhuǎn)的時候會突然出現(xiàn)速度增量，導(dǎo)致液壓馬達油腔的壓力瞬間增大，同時伴隨液壓馬達密封件老化等原因，進而致使液壓馬達漏油。

4.3 改造措施

針對翻鋼小車移動不連續(xù)及翻轉(zhuǎn)機構(gòu)運動軌跡僵硬速度不恒定的現(xiàn)象，可以把圖1中進口壓力補償器與電磁換向比例閥控制改為可調(diào)壓力補償器與電磁換向比例閥控制。

比例閥都配備有比例電磁鐵，輸入電流與輸出信號（壓力、流量）均成比例。比例閥的控制精度非常高，它的靜態(tài)輸入與輸出特性與電液伺服閥類似，可以實現(xiàn)對壓力、流量進行無極調(diào)節(jié)，且可以遠程控制。

改造后的翻鋼液壓系統(tǒng)經(jīng)過測試，翻鋼設(shè)備橫移小車動作平穩(wěn)，未再出現(xiàn)移動卡頓與液壓管路震動；翻轉(zhuǎn)機構(gòu)運動軌跡順滑，液壓馬達再無漏油情況出現(xiàn)。

改造后翻鋼設(shè)備液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 改造后翻鋼設(shè)備液壓系統(tǒng)原理圖

5 結(jié)論

（1）使用可調(diào)壓力補償器優(yōu)化后的型鋼翻鋼設(shè)備液壓系統(tǒng)，可適應(yīng)不同工況下比例閥的控制要求，實現(xiàn)設(shè)備動作的穩(wěn)定，同時達到減少節(jié)流損失、降低能耗、節(jié)約資源、節(jié)省成本的目的。

（2）型鋼翻鋼設(shè)備在動作時，無法預(yù)知負載壓力變化，而負載流量的波動直接導(dǎo)致了系統(tǒng)的不穩(wěn)定。若要從根本上減小甚至消除負載變化對機構(gòu)穩(wěn)定性的影響，需將保證閥前后的壓差不變、系統(tǒng)流量穩(wěn)定作為著手點。

（3）可調(diào)壓力補償器是大型設(shè)備動作中配合比例閥實現(xiàn)速度控制和負載控制的重要元件，其以定差壓力補償器為基礎(chǔ)，添加邏輯單元和調(diào)節(jié)單元，可更加匹配負載特性，控制更加精準，使液壓系統(tǒng)的適應(yīng)性更高，且對于負載敏感類液壓系統(tǒng)的優(yōu)化具有可觀的前景。