穿孔機頂桿循環裝置液壓控制系統的研究

胡俊，孫天健，李軍

(中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 400022)

0 前言

在熱連軋無縫鋼管生產中，穿孔機往往是整條生產線的節奏瓶頸，制約著作業率和鋼管產量[1-5]。各鋼管生產廠家絞盡腦汁提高穿孔機的生產節奏，減少穿孔的輔助間隙時間，頂桿循環裝置應運而生[6-7]。在穿孔機的后臺設置頂桿循環裝置，可以減少穿孔間隙時間，降低熱管坯的穿孔周期，在有效時間內提高機組產量。頂桿循環裝置的關鍵設備是頂桿小車，頂桿小車由一只長行程油缸控制，為節約動作時間，其運行速度要求高。頂桿小車控制油缸在生產工況中帶動頂桿小車和頂桿，在短時間內完成啟動加速→高速勻速運動→減速→準確停位的伸出和縮回循環動作[8]。

頂桿小車油缸在設計上需滿足生產節奏上的時間要求，由于油缸行程長、負載大，在設計上要充分考慮油缸啟動和停位時加速度的大小，及速度變化帶來的油缸兩腔的壓力沖擊。如加速度過小，則加速段時間過長，達不到工藝設備的要求；如加速度過大，對油缸的沖擊太大，會降低油缸的壽命，甚至可能帶來機械設備損害和安全風險。作者在研究工藝設備要求的基礎上，采用AMESim仿真軟件，在液壓控制系統設計之初就對這些潛在的問題進行分析，并通過實測對設計及仿真分析進行驗證。

1 頂桿小車液壓控制系統的研究

1.1 頂桿小車裝置概況

以某廠273連軋管生產線的頂桿小車裝置為例，頂桿小車安裝在水平固定軌道上，與長行程油缸(規格φ160/φ110-2800)相連接，油缸帶動小車和頂桿做快速往返運動，減少穿孔輔助時間，提高穿孔的工作效率。長行程油缸帶動的動負載約1.5×105N，伸出和縮回時間要求為3 s以內，且要求停位準確。由于油缸帶動的設備負載大、速度快、加減速大，使得頂桿小車動載荷慣性大、油缸兩腔壓力沖擊大[8]，尤其在速度劇烈變化的停位環節。

1.2 頂桿小車液壓控制方案

根據工藝生產時間要求和設備參數，液壓控制方案要求既要滿足生產節奏，又要降低加減速尤其是減速帶來的壓力沖擊。經分析，頂桿小車長行程油缸理想的速度控制曲線如圖1所示，加速階段采用固定的加速度一次性達到最高速度，之后按最高速度勻速運動，為減小動載荷慣性力和供油腔給背壓腔帶來的壓力沖擊，減速分3次完成，并最終完成精準停位。這種控制策約可以較大程度保證設備運行平穩，停位準確，降低慣性力對回油腔的沖擊。油缸初步液壓控制系統原理如圖2所示。

圖1 頂桿小車理想速度控制曲線Fig.1 Ideal speed control curves of thrust block

圖2 頂桿小車油缸液壓控制原理Fig.2 Hydraulic control principle of thrust block

頂桿小車啟動快，油缸瞬時流量大，需要油源快速提供足夠的壓力油。由于液壓泵本身的響應速度偏慢，因此，設計上采用泵站和蓄能器聯合供油方案，從而保證突然啟動加速時，能夠向油缸及時供給液壓油源。蓄能器站的原理如圖3所示。

圖3 蓄能器站原理Fig.3 Principle of accumulator

1.3 頂桿小車液壓控制系統仿真與測試

擬采用軟件AMESim建立頂桿循環閥控液壓缸位置控制系統的仿真模型，根據實際參數進行設置和仿真計算。通過分析仿真結果，研究各相關參數對系統性能的影響趨勢及程度，并尋找出優化的控制策略與參數。控制性能的評判依據主要是滿足運動周期、壓力波動以及加減速度的大小。通過仿真分析，為液壓控制系統設計提供了更為詳細可靠的依據，為電氣控制系統提供了更明確的方向，盡可能地避免高速運動對系統和機械設備帶來的破壞。

頂桿小車油缸的負載為質量約15 t的大慣性環節，在工作過程中，由液壓控制系統驅動負載在規定時間內完成來回往復動作，克服負載自身的慣性以及運動過程中的摩擦力，包括油缸自身的摩擦力。

(1)建立仿真模型

仿真模型中最主要的是對比例閥與油缸模型的描述。整個系統的速度、加速度都是通過比例閥來控制，機械設備和液壓系統通過油缸耦合，故油缸在此“機液耦合”模型中也屬于關鍵元件。在建模時，省略了蓄能器、溢流閥等次要元件。

比例閥的數學模型描述如下，主要體現在流量與壓降關系上：

式中：Q為流量；Cq為比例閥流量系數；A為節

流口的有效面積；υ為黏度；λ為壓降流量系數；dh為水力直徑；ρ為油液密度；Δp為節流口前后壓差；Cqmax為比例閥流量系數最大值；λc為壓降流量系數臨界值；tanh為反雙曲函數。

其中節流口有效面積A與閥芯位移的關系可由實際工況或實際需要來定義。此數學模型將Cq按變量處理，更符合實際。模型中閥的參數按REXROTH比例閥來設定，比例閥的響應可以滿足工況要求。由于系統流量較大，所以模型中設計了兩個一樣大小的閥，仿真過程中可以通過比例增益來選擇一個或者兩個閥。

油缸的數學模型描述如下，主要體現在力的平衡上，實際最終反映在壓力的變化上：

式中：p1為無桿腔壓力；βe為液壓油的彈性模量；A1為無桿腔有效面積；x為活塞的位移；Vt為無桿腔初始體積；q1為油缸流進流量；C為油缸泄漏系數；p2為有桿腔壓力；v為活塞的速度；q0top(p1)為流進流量補償系數。

使用流進流量補償系數是因為流體外界的壓力變化必然會引起液體彈性模量和密度的變化，從而也引起流體流量的變化，而這也正是AMESim模型準確的一種體現。有桿腔數學模型類似于無桿腔，模型中的油缸參數按實際值設置，其中摩擦力需要現場測定。

圖4是比例閥控制帶緩沖油缸的仿真模型，油缸的緩沖數學模型近似為二次拋物線，緩沖數學模型可以通過三維流體動力學軟件進行建模并近似求解[9]。

圖4 油缸控制系統仿真模型Fig.4 Simulation model of cylinder control system

利用以上建立的模型，可以仿真計算出以下幾種工況：油缸無緩沖，比例閥開度控制停位；比例閥開度恒定，油缸緩沖停位；油缸緩沖與比例閥開口度聯合控制停位；誤操作或故障狀態時油缸的壓力沖擊與加速度大小分析。

(2)仿真分析

為了使頂桿小車長行程油缸能夠滿足工藝設備要求，以及加減速度也在允許范圍內，那么比例閥開口度必須控制合理，同時油缸緩沖結構也要設計合理。仿真建模環境條件：系統壓力16 MPa；控制掃描周期為30 ms；油缸比例閥的開口度為70%；緩沖行程0.4 m。圖5為比例閥開口度變化曲線。

圖5 比例閥開口度變化曲線Fig.5 Change curve of proportional valve opening

圖6為油缸伸出速度、位移、加速度曲線。伸出啟動時，因為有較大的啟動摩擦力和慣性負載，所以啟動要0.1～0.2 s的建壓時間；當克服啟動摩擦力后就會產生一個較大的加速度，達到5.8 m/s2，由于油缸內的液壓壓力作用，使得加速度變得不穩定，但最終會達到平衡。仿真模型中，一個閥開口度70%，控制長行程油缸伸出時，能夠滿足工藝設備要求。

圖6 油缸伸出速度、位移、加速度曲線

圖7為油缸縮回速度、位移、加速度曲線。油缸縮回啟動時與伸出啟動的結果類似，也會產生一個較大的加速度，達到4 m/s2，加速度也不穩定，但最終也會達到平衡。仿真模型中，一個閥開口度70%，控制長行程油缸縮回時，時間超過3 s，不能夠滿足工藝設備要求，必須加大開口度或使用并聯的第二個比例閥。

圖8為油缸伸出、縮回缸內的壓力曲線對比。油缸伸出時作用在A口的壓降有10 MPa左右，而縮回時只有不到5 MPa。所以，在長行程油缸縮回的時候，如果只用一個比例閥來進行控制，需要加大開口度。

當控制系統出現故障或者誤操作把比例閥突然關閉時，高速運動的大質量負載會給長行程油缸與管路系統造成一個很大的壓力沖擊，沖擊高達30 MPa，類似于“水錘”現象。所以，在設計液壓回路時一定要對系統進行有效保護。油缸壓力沖擊曲線如圖9所示。

(3)測試研究

在液壓控制系統閥臺和頂桿循環裝置完成制作后，在制造廠進行了實測。圖10為液壓閥臺裝置，圖11為頂桿循環裝置。

圖10 液壓閥臺裝置

測試分兩種情況進行：長行程油缸伸出全行程測試和長行程油缸縮回全行程測試。

圖11 頂桿循環裝置

長行程油缸伸出全行程測試情況如下：

測試條件：液壓閥采用單閥控制油缸伸出，給定電流18.8 mA，閥芯開度85%，泵源壓力8.6 MPa，油缸行程2 800 mm。

測試結果：高速運動起始時間630 ms，終止時間3 150 ms，緩沖起始時間3 150 ms，終止時間3 600 ms。總耗時2.97 s，端頭緩沖時間0.45 s，平均速度1 111 mm/s。實測曲線如圖12所示。

圖12 長行程油缸伸出全行程測試Fig.12 Full trip test when cylinder stretched out

長行程油缸縮回全行程測試情況如下：

測試條件：液壓閥采用雙閥控制油缸縮回，給定電流5.2 mA，閥芯開度85%，泵源壓力8.6 MPa，油缸行程2 800 mm。

測試結果：高速運動起始時間400 ms，終止時間3 700 ms，緩沖起始時間3 700 ms，終止時間4 500 ms。總耗時3.85 s，端頭緩沖時間0.55 s，平均速度857 mm/s。實測曲線如圖13所示。

圖13 長行程油缸縮回全行程測試Fig.13 Full trip test when cylinder retracted

從測試結果可知，長行程油缸實際測試結果與仿真分析結果基本吻合，證明仿真建模和分析的正確性。差異的原因主要在于油源壓力小、油缸緩沖行程長和活塞的實際摩擦力大，導致實測速度小于仿真值。從結果分析，長行程油缸縮回要達到與伸出相同速度，需增大比例閥開口度，必要時使用兩個比例閥才能滿足工藝設備的要求。

2 結束語

某廠273連軋管生產線投產的頂桿小車長行程油缸，在比例閥和油缸緩沖的共同作用下，速度、加速度能達到工藝要求，壓力也在合理范圍內，且能夠實現準確停位。至投產以來，一直穩定生產，減少了生產輔助時間，提高了鋼管生產節奏，滿足穿孔機組產量的要求。