鋁扁錠液壓吊具液壓系統的研發

田政平 王朝輝 劉 健 常懷德 鐘偉添 武明森

遼寧忠旺集團有限公司 遼寧遼陽 111003

1 研發背景

對于鋁錠,傳統工藝是使用純機械吊具,完全依靠鋁錠自身重力夾緊,優點是安全可靠。在生產中發現,這種機械吊具無法翻轉鋁錠,并且鋁錠質地較軟,機械吊具會造成很深的溝痕,影響后續加工。液壓技術具有體積小、質量輕、傳動平穩、機構緊湊、可遠程控制等獨特優勢,液壓吊具代替傳動機械吊具,可以滿足高精度鑄錠的要求。液壓吊具可以在地面上完成翻轉鋁錠動作,在滿足溝痕深度前提下設定系統壓力,彌補機械吊具的不足。液壓吊具的最大問題是保持工作壓力的時間。現有液壓吊具液壓系統原理簡單,使用滑閥類液壓閥,在泄漏方面得不到保障。現場環境溫度高,影響安全的因素較多,液壓方面的保護措施基本沒有,一旦出現膠管破裂等液壓故障,很難繼續保壓。

針對現有情況,對鋁扁錠液壓吊具液壓系統進行研發,研究重點是吊錠過程的安全性和斷電之后的保壓時間。

2 技術參數

鋁扁錠液壓吊具通過吊軸懸掛在吊車吊鉤上,液壓缸伸縮,帶動夾鉗的鉗臂運動,實現夾鉗鉗腿的張開和夾緊。吊具工作壓力為20 MPa～25 MPa,斷電后可保壓12 h,鉗口形式為鉗牙軸,技術參數見表1。

表1 鋁扁錠液壓吊具技術參數

3 液壓系統原理

鋁扁錠液壓吊具由機架、夾爪、稱重傳感器等組成,外形如圖1所示。

圖1 鋁扁錠液壓吊具外形

鋁扁錠液壓吊具液壓系統原理如圖2所示,液壓站提供動力,蓄能器提供保壓壓力。

圖2 液壓系統原理

4 電機泵組

電機泵組是鋁扁錠液壓吊具液壓系統的核心,由于空間受限,因此盡可能降低液壓部分裝機功率。降低電機泵組電機功率有三種方案,第一種是采用三相異步電機加恒功率變量泵,第二種是采用變頻電機加高壓齒輪泵,第三種是采用高低壓泵。

第一種方案雖然可以實現高壓小流量、低壓大流量,但是恒功率變量泵自身受到功率限制,在相同功率等級下最大輸出壓力沒有高壓泵壓力大。以某常見品牌泵為例,5.5 kW恒功率變量泵才可以達到30 MPa,所以不建議采用。第二種方案的缺點是需要增加變頻器和強冷風扇,比普通電機復雜。當然,第二種方案完全可以通過可編程序控制器設置實現無級變速,是進口吊具的常用方案。第三種方案泵的曲線為兩級壓力流量,吊具在未接近鋁扁錠時快速移動,負載小,且基本恒定,雖然不能無級變速,但是對于吊具而言已經滿足實際工況,所以建議選用第三種方案。

推薦高壓定量柱塞泵、低壓齒輪泵組合雙級閥串聯使用,可以實現兩級壓力流量,電機泵組電機功率也可以降到最低。雙級壓力閥由高低壓泵供給,能夠使兩個獨立的泵輸送的流量匯合為共同流量輸出。當達到預先設定的低壓參數時,能夠使低壓油路切換到無壓旁通狀態,并防止高壓回路超出最大設定工作壓力。

雙級壓力閥設定壓力為4 MPa和30 MPa,當壓力大于4 MPa后,低壓齒輪泵將卸荷,只有高壓定量柱塞泵工作。功率3 kW的電機就可以實現流量31.6 L/min時壓力4 MPa,累積流量3.6 L時壓力30 MPa,既節省成本,又使結構簡單。電機泵組如圖3所示。

圖3 電機泵組

5 保壓回路

典型保壓回路分為三種,第一種為采用液控單向閥的保壓回路,第二種為輔助泵的保壓回路,第三種為采用蓄能器的保壓回路。三種保壓回路都有優缺點,液壓吊具通常采用蓄能器加液壓鎖的保壓回路。從原理上分析,選用兩通零泄漏的減壓閥,設置在蓄能器與油缸中間,可以增大蓄能器的工作壓力,即增大蓄能器的有效容積。高壓小流量輔助泵可以為蓄能器提供高壓。實際油缸的輸出壓力為減壓閥后壓力,不會對鋁錠造成過深溝痕。根據設計手冊,有:

(1)

式中:P0為蓄能器充氣壓力,18 MPa;V0為蓄能器總容積,5 L;P1為系統工作壓力,30 MPa;P2為系統工作壓力,20 MPa;n為安全因數,1.4;Q1為油缸最大泄漏量,1.1 mL/min;Q2為零泄漏閥最大泄漏量,0.1 mL/min;A為安全因數,1.4。

通過計算,保壓回路保壓時間為12.5 h,滿足全部斷電后保壓時間12 h的要求。流量3.6 L/min的高壓定量柱泵塞輸出1.2 L油需要20 s。無桿腔與蓄能器都設置有傳感器,有一個傳感器低于設定值,卸荷閥就會得電起壓,為系統供能,安全性得到保障。

6 蓄能器

蓄能器的充氣壓力為18 MPa,鋁扁錠液壓吊具在快速慢速移動的過程中,系統壓力不大于5 MPa,在蓄能器與無桿腔連通的狀態下急停,不會造成蓄能器釋放能量。在蓄能器管路中增設球閥,可以在緊急情況下泄壓。

7 油缸減壓閥組

油缸減壓閥組是保持油缸壓力的關鍵,集成在油缸上,通過鋼管與油缸相連。液壓站與油缸減壓閥組采用膠管連接,應用防爆閥,避免膠管破損造成鋁扁錠掉落。油缸上的小蓄能器可以用于在緊急情況下短暫保壓,避免安全事故發生。油缸減壓閥組如圖4所示。

圖4 油缸減壓閥組

油缸減壓閥組上的兩通減壓閥的作用是將初始壓力在輸入壓力較大并且變化的情況下持續保持恒定。在具有較低恒定壓力水平的油路中,針對由變化的、較高壓力水平油路供給的情況,可以使用兩通減壓閥。兩通減壓閥是直動式閥門,與傳統有泄漏的滑閥式調壓閥相比,在關閉狀態下無泄漏,在保壓回路中具有更高的零泄漏能力。

8 差動回路

鋁扁錠液壓吊具需要快慢速移動配合,目的是慢速接近鋁扁錠,避免速度過快將鋁扁錠磕傷。動力閥塊選用插裝閥,差動回路泵組的特點是自動切換快慢速,達到順序閥低點設定值4 MPa后,自動切換為慢速,不需要電磁閥的介入。隨著系統壓力的增大,電氣程序自動關閉差動電磁閥,泄除有桿腔壓力,增大油缸輸出力。系統實現自動切換動作,只需要一個夾緊按鍵,就可以實現快速、慢速移動和夾緊的全過程。

9 總結

鋁扁錠液壓吊具液壓系統采用了高壓定量柱塞泵、低壓齒輪泵和雙級閥組合,存在缺點。在大流量輸出的情況下,通過節流閥調節速度時,會出現順序閥卸荷達不到設計速度的問題,并且負載波動也會造成順序閥卸荷。產生這種現象的主要原因是順序閥壓力設定值過小。通過試驗對比,順序閥設定壓力需要達到7 MPa,適當提高電機功率,可以避免在工作中速度無法提高或波動大的現象。

分別對不同批次同一型號的20個油缸進行保壓試驗,帶負載均在24 h內油缸壓力保持不變,僅蓄能器的壓力有所減小。對比無兩通減壓閥的保壓回路,采用兩通減壓閥具有更好的保壓特性,設備安全得到保障。

進行膠管破裂試驗,驗證了防爆閥的功能。油缸減壓閥組的小蓄能器壓力也足夠保壓2 h,證明鋁扁錠液壓吊具液壓系統在極端惡劣高溫環境下也具有較高的安全性。

所研發的鋁扁錠液壓吊具液壓系統在符合生產要求的前提下結構簡單,裝機功率小,保壓時間長,具有應用價值。