朱印濤 滕 芳 周少見

(河鋼集團(tuán)承鋼公司 河北承德 067000)

1 前言

隨著現(xiàn)代化的冶金設(shè)備不斷向大型化、高度自動(dòng)化的方向發(fā)展，在節(jié)能降耗等方面也提出了更高的要求[1]。推進(jìn)式加熱爐是進(jìn)行熱軋的前道工序的設(shè)備，設(shè)備的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為液壓傳動(dòng)。推進(jìn)系統(tǒng)采用雙液壓缸將鑄錠推入加熱爐加熱，使鑄錠被加熱到軋制溫度并確保均勻受熱。加熱爐的性能以及可靠性在很大程度上是由驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的液壓系統(tǒng)決定的。可見，對(duì)加熱爐的液壓系統(tǒng)進(jìn)行研究和改進(jìn)是十分有必要的[2-3]。

本次改造主要是根據(jù)操作工人提出問題進(jìn)行的，主要是推進(jìn)速度較低，雙缸的同步精度差以及噪聲較大等方面。

2 推進(jìn)液壓系統(tǒng)問題

1) 推進(jìn)速度低

推進(jìn)式加熱爐的推進(jìn)液壓系統(tǒng)圖如圖1所示。設(shè)備液壓系統(tǒng)的工作過程為：液壓缸推鑄錠進(jìn)入加熱爐均勻加熱，加熱好的鑄錠由爐底機(jī)械送入粗軋機(jī)進(jìn)行粗軋。當(dāng)液壓缸退回后加熱爐關(guān)閉，此時(shí)推進(jìn)液壓系統(tǒng)油液由溢流閥回油箱。泵開最大流量而且是沒有節(jié)流的情況下，推進(jìn)過程速度還是比較慢，由于是手動(dòng)換向閥，需要操作工人一直按著前進(jìn)操縱桿，無疑加大了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖1 推進(jìn)系統(tǒng)液壓原理圖

2) 同步精度不高

由于設(shè)備已經(jīng)運(yùn)行多年，推進(jìn)的兩個(gè)液壓缸常出現(xiàn)不同步現(xiàn)象，需要經(jīng)常調(diào)節(jié)，嚴(yán)重情況下出現(xiàn)卡死。

3)停機(jī)噪聲大

據(jù)現(xiàn)場工人反映，液壓系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲比較大。當(dāng)聲音超過70dB時(shí)便成為噪聲，使現(xiàn)場工人聽起來極不舒服，甚至使人煩躁不安，噪聲作為污染已經(jīng)日益受到人們的重視。因此研究和分析液壓噪聲和振動(dòng)的機(jī)理，從而減少與降低液壓系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲，并改善液壓系統(tǒng)的性能以及工人工作環(huán)境，都有著積極而深遠(yuǎn)的意義[4]。

3 推進(jìn)液壓系統(tǒng)分析和改進(jìn)

1) 推進(jìn)速度低改進(jìn)措施

液壓執(zhí)行元件的速度取決于進(jìn)入執(zhí)行元件的流量，速度低是因?yàn)檫M(jìn)入液壓缸的流量小。還有可能是液壓缸內(nèi)泄漏嚴(yán)重，但是空載和滿載速度基本一樣，這個(gè)原因可以排除。換成大流量的液壓泵，肯定能夠解決這個(gè)問題，但是為了節(jié)約成本，首選采用快速回路，下面是提高推進(jìn)速度的思路以及措施。

提高液壓執(zhí)行元件的速度采取的措施主要有以下幾種[5]：

(1)液壓缸差動(dòng)連接的快速運(yùn)動(dòng)回路

液壓泵輸出的液壓油同時(shí)與液壓缸的左右兩腔相通，兩腔壓力相等，由于液壓缸無桿腔的有效面積大于有桿腔的有效面積，使活塞受到的向右作用力大于向左的作用力，導(dǎo)致活塞向右運(yùn)動(dòng)。于是無桿腔排出的油液與泵輸出的油液合流進(jìn)入無桿腔，亦即相當(dāng)于在不增加泵的流量的前提下增加了供給無桿腔的油液量，使活塞快速向右運(yùn)動(dòng)。對(duì)于此液壓缸，活塞桿直徑較大，所以分析采用差動(dòng)連接效果不明顯。

(2)雙泵供油快速回路

也可以增加一個(gè)輔助泵的方法，雙泵供油提高流量，從而提高執(zhí)行元件的速度。但是考慮到降低成本，暫不采用此方法。

(3)采用蓄能器的快速回路

采取提高流量的措施：采用蓄能器，推進(jìn)液壓缸不工作時(shí)儲(chǔ)存液壓能，當(dāng)液壓缸工作時(shí)，蓄能器和液壓泵同時(shí)供油來提高其速度。

經(jīng)過分析推進(jìn)回路的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)采取蓄能器實(shí)現(xiàn)快速最經(jīng)濟(jì)最快捷。由于推進(jìn)液壓缸屬于間歇式工作，停止工作期間，液壓泵向蓄能器充液，儲(chǔ)存能量，當(dāng)液壓缸推進(jìn)需要快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由蓄能器與液壓泵同時(shí)給推進(jìn)缸供油，從而加大流量提高速度。

采用蓄能器實(shí)現(xiàn)推進(jìn)液壓缸快速，由于蓄能器輔助供油系統(tǒng)，蓄能器的釋油流量是一個(gè)變量，故在快進(jìn)階段速度是一個(gè)變量。蓄能器的主要參數(shù)為容積和工作壓力，本次改造選用的皮囊式蓄能器，容積選擇按照下式進(jìn)行計(jì)算[6]：

(1)

式中p1為充氣壓力，p2為系統(tǒng)的最低工作壓力，p3為系統(tǒng)的最高工作壓力，ΔV為工作容積，也就是蓄能器能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供的油液體積，n為指數(shù)，是不隨狀態(tài)改變的常數(shù)。

蓄能器提供的油液和液壓泵的最大流量聯(lián)合作用滿足在推進(jìn)過程中的液壓缸所需要的流量。假設(shè)推進(jìn)系統(tǒng)理想的安全推進(jìn)時(shí)間為t，由于此系統(tǒng)對(duì)速度精度沒有特殊要求，所以可近似推導(dǎo)出蓄能器的工作容積為：

(2)

對(duì)于此系統(tǒng)，式中A為兩個(gè)液壓缸的活塞面積之和，L為推進(jìn)的行程，q為液壓泵的流量。

p2和p3的值根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際確定，充氣壓力的選擇參照下式[7]：

0.25p2

(3)

因?yàn)樾钅芷髯鳛檩o助動(dòng)力源，排油速度快，所以n按照絕熱過程取值為1.4，相關(guān)參數(shù)代入式(1)即可以得出所需要的蓄能器的容積。

2) 提高同步精度的措施

在液壓系統(tǒng)中，常常會(huì)遇到要求兩個(gè)或兩個(gè)以上的執(zhí)行元件同時(shí)動(dòng)作的情況，并要求它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)過程中克服負(fù)載、摩擦阻力、泄漏、制造精度和結(jié)構(gòu)變形上的差異，維持相同的速度或相同的位移，即作同步運(yùn)動(dòng)。由于負(fù)載、摩擦、泄漏等因素的影響，很難做到精確同步[8]。

推進(jìn)液壓系統(tǒng)原來的同步回路采用的是機(jī)械結(jié)構(gòu)和節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)的同步，分析其原因可能是由于應(yīng)用時(shí)間較長，兩缸的摩擦阻力和泄露等因素誤差造成兩缸負(fù)載出現(xiàn)不同，從而影響同步精度，很難通過節(jié)流調(diào)速提高同步精度，長時(shí)間下來還可能會(huì)導(dǎo)致活塞和導(dǎo)向套的破損，造成內(nèi)外泄漏的。

兩缸同步的方法很多，比如采用“同等方式”和“主從方式”等控制策略[9]，但是成本相對(duì)較高。為了提高兩缸的同步精度，并節(jié)約成本，改用同步精度較高的分流集流閥。

分流集流閥的工作原理如圖2所示，進(jìn)口壓力為P0，流量為Q0，進(jìn)口流量P0先通過節(jié)流孔1和節(jié)流孔2進(jìn)入腔體，完成油液分流，然后從兩個(gè)可變節(jié)流口流出兩個(gè)相等流量分別為Q1和Q2。腔體中的流量通過閥芯內(nèi)部的小孔分別被引到集流閥閥芯兩端的彈簧腔，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)載不同時(shí)，分流集流閥閥芯在兩端彈簧腔油液壓差作用下產(chǎn)生位移，進(jìn)而改變兩個(gè)可變節(jié)流口的通流面積，進(jìn)而保持均勻分配可變節(jié)流口流出的流量[10]。分流集流閥在兩個(gè)方向上都能實(shí)現(xiàn)流量的相等，使相同兩個(gè)液壓缸雙方向?qū)崿F(xiàn)同步。

分流集流閥同步誤差可以用ζ表示為：

(4)

分流集流閥分流誤差在2%-5%，完全滿足所述的推進(jìn)系統(tǒng)。采用分流集流閥的同步是速度同步，即當(dāng)兩油缸由于摩擦力或泄露的誤差時(shí)，分流集流閥可以通過內(nèi)部的壓力和流量敏感部件自動(dòng)調(diào)節(jié)，使兩個(gè)相同的液壓缸運(yùn)動(dòng)保持同步。采用分流集流閥改造后，此系統(tǒng)液壓缸的往復(fù)行程都能實(shí)現(xiàn)較高的同步精度。

圖2 分流集流閥的結(jié)構(gòu)原理圖

3) 降低噪聲的措施

液壓傳動(dòng)噪聲的來源主要包括機(jī)械噪聲和流體噪聲。機(jī)械噪聲主要是電動(dòng)機(jī)的軸線與液壓泵軸線不同軸，使聯(lián)軸節(jié)產(chǎn)生傾斜，在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦和別勁造成的，對(duì)剛性聯(lián)軸節(jié)這一情況比較嚴(yán)重。流體噪聲是液壓油流動(dòng)過程中的沖擊和空穴以及泄露等原因。噪聲產(chǎn)生原因比較復(fù)雜，僅從理論上分析往往難以達(dá)到預(yù)期的效果，必須針對(duì)不同的情況，采用不同的措施，才能有效的降低噪聲[11]。

通過現(xiàn)場分析排除，此液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲主要來源于流體噪聲，聲音刺耳。所以本次改造主要是通過清洗液壓泵吸油口過濾器，并針對(duì)懸置的液壓管路增加管夾等，快速回路中設(shè)置安裝的蓄能器也能夠消除部分沖擊和脈動(dòng)以及產(chǎn)生的噪聲。

改造后的液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

4 結(jié)論

通過此次改造，可以得出以下結(jié)論：

1)影響液壓系統(tǒng)速度的是進(jìn)入執(zhí)行元件的流量，這還與液壓缸的內(nèi)外泄漏相關(guān)，當(dāng)泵的流量一定的情況下，采用蓄能器實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的快速是最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的辦法，但蓄能器充液需要一定的時(shí)間，所以此方法僅適用于間歇運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件。

2)雙液壓缸實(shí)現(xiàn)同步的方法很多，由于本系統(tǒng)中兩液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，所以采用分流集流閥的同步更適合本系統(tǒng)，而且能在兩缸負(fù)載有誤差的情況下還能實(shí)現(xiàn)較高精度。

3)液壓系統(tǒng)的噪聲無法避免，但是可以根據(jù)噪聲源的分析，采取相應(yīng)措施減小，本次改造中由于蓄能器的加入，噪聲得到了很好的控制，說明蓄能器的在吸收液壓沖擊和脈動(dòng)造成的噪聲可以起到很重要的作用。

圖3 改進(jìn)后的推進(jìn)系統(tǒng)液壓原理圖

推進(jìn)式加熱爐，是熱軋前的重要設(shè)備，在實(shí)際工作現(xiàn)場，由于企業(yè)里設(shè)備陳舊，操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，此次改造是針對(duì)工人在使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行改造的，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)完全排除了以前的問題，推進(jìn)速度得到提升，而且同步精度較高，噪聲也降低了。此加熱爐推進(jìn)液壓系統(tǒng)的改造，從經(jīng)濟(jì)性上和技術(shù)上都是成功的，可以為類似設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)和改造提供參考。