冷軋平整機防纏導板液壓缸的改進設計

王東林，張春杰，曾小明

(首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200)

0 前言

連退平整機上防纏導板“溜缸”問題主要表現為液壓缸定位后，液壓缸向前下方溜動，造成位置超出定位要求，觸發自動補償，觸發的頻率從幾分鐘至幾小時不等，根據工況條件而變。長期面對防纏導板“溜缸”，主要解決辦法是更換液壓缸，自連退平整機組投產7年以來，1#機架和2#機架上防纏導板液壓缸由幾個廠家頻換更換，西馬克液壓缸，投產后兩年時，有“溜缸”情況發生；更換為優瑞納斯的液壓缸，每次上線約6個月，開始出現“溜缸”；更換為濟南瑞原的液壓缸，每次上線后不到一周開始出現頻繁“溜缸”；更換成韶關液壓缸，每次上線約6個月，開始出現“溜缸”。

“溜缸”事件頻繁發生，更換液壓缸解決不了實際問題，總是發生“溜缸”事件，嚴重制約了連退產能，因此急需對平整機防纏導板液壓缸進行改進設計。

1 存在的問題及原因

1.1 改造前防纏導板液壓缸原理

普通液壓缸整體結構中，液壓缸與功能件關聯，通過液壓缸驅動功能件進行移動，并將功能件定位在預設位置處，使功能件實現自身既定的功能[1-4]。

如圖1所示為改進前液壓缸示意圖，本文中連退平整機通過液壓缸驅動防纏導板，實現對工作輥處帶鋼的防纏作用，液壓缸頂環起到固定支撐作用，以缸桿的伸縮起到移動位移作用，以缸筒作為進出油口來控制缸桿的移動等。

圖1 改進前液壓缸簡圖

1.2 平整機架與防纏導板及液壓缸的關系

如圖2所示為平整機架與防纏導板及液壓缸示意圖，由圖2可以看出平整機架與防纏導板及液壓缸的關系，防纏導板在平整機機架出口，有液壓缸帶動做靠近或遠離工作輥的往復滑動。平整機工作前，液壓缸驅動防纏導板靠近工作輥并鎖定；帶鋼從機架入口進入，經工作輥平整(或軋制)后從上、下防纏導板中間穿過；換輥時，由液壓缸驅動防纏導板同時遠離工作輥，縮回至初始位；新輥推入機架后，再次使上防纏導板頭部貼近工作輥，避免帶鋼穿過時纏輥。

圖2 平整機架與防纏導板及液壓缸示意圖

1.3 防纏導板與液壓缸的關系

如圖3所示為防纏導板與液壓缸示意圖，由圖3可以看出，液壓缸1驅動防纏導板2移動的相關結構，通過缸桿的伸出量，配合齒輪齒條機構，實現對防纏導板空間位置的調控。

圖3 防纏導板與液壓缸示意圖

1.4 防纏導板液壓缸“溜缸”原因

“溜缸”原因即液壓閥、液壓缸和管路需要維持低壓保壓，無內泄和外泄，然而實際生產中液壓缸和液壓閥均有部分內外泄，內外泄程度決定“溜缸”程度[5-8]。

如圖2所示，受防纏導板的自重影響，液壓缸需要維持上防纏導板傾斜不動的壓強須較大，而液壓缸由于長時間運行斜油后，造成所提供的壓強不足以達到要求，導致液壓缸因防纏導板傾斜自重而“溜缸”。

2 液壓缸的改進設計

2.1 改進后液壓缸的整體結構

如圖4所示為改進后液壓缸的整體結構圖，在原來的液壓缸基礎上增加機械鎖緊機構，設置于液壓缸的缸筒外側，并選擇固定于缸筒，實現機械鎖緊機構的安裝，安裝方便，且液壓缸與機械鎖緊機構之間的聯動關系強。

圖4 改進后液壓缸的整體結構圖

為了適應改進后液壓缸，需要增加缸桿2長度來調整功能件的空間位置。

2.2 機械鎖緊機構空腔的設計

如圖5所示為機械鎖緊機構的空腔剖面圖，由圖5可以看出機械鎖緊機構空腔剖視圖包括軸向通道、上座、鎖緊腔、第二套筒、下座、環板和第一套筒，環板的軸向兩側分別與上座和下座固定連接，上座相較于下座靠近缸筒設置，缸桿穿設于上座的中心處以及下座的中心處較佳。缸桿還穿設于第一套筒，第一套筒的軸向一端與上座相接，第一套筒的外筒壁與上座、環板共同圍合形成的腔室，第二套筒和下座相接。

圖5 機械鎖緊機構的空腔剖面圖

機械鎖緊機構腔內設有軸向通道，軸向通道以孔道的方式設置，機械鎖緊機構腔內設有鎖緊腔，鎖緊腔環繞軸向通道設置，鎖緊腔與軸向通道連通，鎖緊腔內設有鎖緊件以及相應的構件，以實現鎖緊狀態及打開狀態。鎖緊腔的徑向截面呈環狀設置，鎖緊腔與軸向通道連通。其中，軸向通道即可以采用部分設于鎖緊腔的正中心處的方式，也可以采用偏心設置，兩者中心不重合。

2.3 機械鎖緊機構的設計

2.3.1 機械鎖緊機構

如圖6所示為機械鎖緊機構的完整剖面圖，由圖6可以看出，機械鎖緊機構于鎖緊腔設有第一錐形筒、第二錐形筒、復位彈性件、鎖緊彈性件和油口和推動件。

圖6 機械鎖緊機構的完整剖面圖

第一錐形筒設有外錐面，缸桿穿設于第一錐形筒，其軸向兩端中較小截面的一端靠近鎖緊彈性件設置。

第二錐形筒設有內錐面，外錐面與內錐面配合，第二錐形筒的筒壁與腔壁緊密接觸，其軸向兩端中較大截面的一端靠近鎖緊彈性件設置。

復位彈性件環設于缸桿，一端與第一錐形筒的軸向一側抵接，另一端與腔壁靠近缸筒的一側抵接。

鎖緊彈性件環設于缸桿，一端與第二錐形筒的軸向一側抵接，另一端與腔壁靠近缸筒的一側抵接，且復位彈性件與鎖緊彈性件間隔設置。第二錐形筒遠離缸筒的一側與腔壁圍合形成作用油腔，油口與作用油腔連通。

通過推動件將鎖緊腔隔離成間隔的兩個腔室，兩個腔室相互間隔意味著相互兩個腔室不相通，從而在油口朝一個腔室注油后，能夠在推動件兩端由于壓強差而形成壓力差，使得推動件朝鎖緊彈性件移動，直至第二錐形筒與第一錐形筒錯開、鎖緊彈性件繼續被壓縮、達到新的力平衡。

2.3.2 機械鎖緊機構的工作原理

(1)鎖緊狀態。沿軸向方向布置第一錐形筒1與復位彈性件，鎖緊彈性件始終處于壓縮狀態，在鎖緊狀態時，鎖緊彈性件抵住第二錐形筒，第二錐形筒具有朝圖6右側的移動趨勢，第二錐形筒的內錐面與第一錐形筒的外錐面相接，在鎖緊彈性件的抵推下，第二錐形筒與第一錐形筒緊密配合，從而將作用力通過第一錐形筒轉移到缸桿，實現第一錐形筒與缸桿的固定相接，實現對缸桿空間位置的鎖定。

(2)打開狀態。當需要液壓缸缸桿移動，需將機械鎖緊機構從鎖緊狀態調整至打開狀態，油口既是進油口，也是出油口，通過油口進油，油液的油壓作用于第二錐形筒，如圖6所示，在油壓作用下將鎖緊彈性件朝圖中左側壓縮，當油口向油腔中進油至油液壓力達到預設值時，第二錐形筒與第一錐形筒發生錯位、相互錯開，第一錐形筒松開缸桿。

(3)鎖緊與打開切換狀態。從打開狀態至鎖緊狀態，第一錐形筒受擠壓，其整體外形的外徑減小，從而實現鎖緊，在外徑減小過程中伴隨著軸向長度變大，該部分增加量通過復位彈性件來調節；相應的，在鎖緊狀態調整至打開狀態的過程中，第一錐形筒的軸向長度減小，通過復位彈性件實現對第一錐形筒的復位。第一錐形筒通過復位彈性件相對穩定的設置于機械鎖緊機構的鎖緊腔中，并通過復位彈性件輔助配合第一錐形筒的形變過程。

2.4 改進后液壓原理

如圖7所示為改進后液壓缸的液壓原理示意圖，液壓缸上的機械鎖緊機構的油口配置有作用油管，作用油管一端與機械鎖緊機構連接于油口處，另一端與多位多通電磁閥連接；作用油管配置有用于檢測油壓的壓力檢測開關；多位多通電磁閥的P口連接進油管，T口連接回油管；機械鎖緊機構處于打開狀態時作用油管與進油管連通，機械鎖緊機構處于鎖緊狀態時作用油管與回油管連通。

圖7 液壓原理示意圖

3 液壓缸改進設計后應用

如圖8所示為液壓缸控制流程，油口配置有作用油管，作用油管一端與機械鎖緊機構連接于油口處，另一端與多位多通電磁閥連接。作用油管配置有用于檢測油壓的壓力檢測開關，通過壓力檢測開關多次檢測油口處的油壓，判斷機械鎖緊裝置處于鎖緊狀態還是打開狀態[9-13]。

圖8 液壓缸控制流程示意圖

油口的油壓大于等于預設油壓值時機械鎖緊機構處于打開狀態，相關流程包括：

(1)液壓缸運動信號輸出，多位多通電磁閥一直給電，作用油管與進油管連通；

(2)依據壓力檢測開關檢測到的作用油管的油壓是否達到預設油壓值，若作用油管的油壓大于等于預設油壓值，進入第三步；

(3)機械鎖緊機構處于打開狀態；

(4)依據液壓缸運動信號控制液壓缸動作；

(5)判斷液壓缸是否完全執行液壓缸運動信號，若液壓缸完全執行，進入第六步；若液壓缸未完全執行，重復第四步；

(6)對液壓缸進行定位，獲得液壓缸的實時位置信息；

(7)依據實時位置信息，得到液壓缸的定位精度，判斷定位精度是否達到預設值，若定位精度達到預設值，進入第(8)步；若定位精度未達到預設值，液壓缸進行自動補償，重復第(6)步；

(8)多位多通電磁閥斷電，機械鎖緊機構處于鎖緊狀態，動作結束。

該流程主要把對機械鎖緊機構的調節信號與對液壓缸的程序控制結合起來，程序上需要把機械鎖緊裝置打開關閉的信號添加到液壓缸的動作條件上，添加完后再對液壓缸的定位精度進行調整[14-20]。具體包括，上防纏導板定位過程中(前進和縮回進程)，鎖緊換向閥(多位多通電磁閥)一直給電，壓力檢測開關檢查到壓力值大于等于8 MPa(預設油壓值)，為機械鎖緊機構打開狀態，定位完成后，鎖緊換向閥不給電，機械鎖緊機構處于關閉狀態；液壓缸機械鎖緊機構與液壓缸的動作連鎖，只有液壓缸機械鎖緊裝置處于打開狀態，液壓缸才滿足前進縮回等動作條件；并可以調整液壓缸的定位精度。

4 結論

平整機是冷軋薄帶鋼生產設備中的重中之重，直接關系到帶鋼的質量以及產量，平整機防纏導板及其液壓缸是平整機運行過程中不可或缺的重要部件。面對防纏導板溜缸事件，更換液壓缸解決不了實際問題。為進一步提高冷軋鋼帶的質量和產量，本文提供了一種解決溜缸問題的方案。

(1)分析了“溜缸”存在的問題及原因，闡述了改造前液壓缸的原理、平整機架與防纏導板及液壓缸的關系以及防纏導板與液壓缸的關系。

(2)提出了平整機防纏導板液壓缸的改進設計方案，包括改進后液壓缸的整體結構、機械鎖緊機構的設計增加以及液壓機構設計的加強。

(3)對整個平整機防纏導板液壓缸改進設計的應用流程進行了補充。