張 超 姚 斌 王騰州 任漢鼎 吳年祥
(1.安徽國防科技職業(yè)學(xué)院,安徽 六安 237000;2.安徽皓越新材料科技有限公司,安徽 六安 237000)
電爐在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用,新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用對電爐提出更高的技術(shù)要求。孫向榮[1]通過對石橫特殊鋼廠康斯迪工程建設(shè)中采用的液壓新技術(shù)進(jìn)行分析,其中采取的重要措施對冶金行業(yè)等工程建設(shè)具有重要的參考價(jià)值。馮國光[2]通過研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)代電爐采用液壓控制既提高了電爐動(dòng)作的控制精度和運(yùn)行速度,也提高了電爐煉鋼的生產(chǎn)效率,完全能滿足現(xiàn)代電爐煉鋼高效生產(chǎn)的工藝需求,并對比例控制系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行分析。李貴閃等[3]提出用電液比例技術(shù)、傳感器、電子、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等來提升液壓機(jī)的性能,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的要求。黃長征等[4]先介紹壓制速度在液壓機(jī)中的地位和作用,并歸納總結(jié)當(dāng)前液壓機(jī)壓制速度的控制方式、原理、特點(diǎn)及應(yīng)用。黃浩等[5]提出采用比例控制方案,與原有的液壓系統(tǒng)相比,液壓元件的使用數(shù)量減少,便于安裝、使用和故障診斷,還可實(shí)現(xiàn)壓力和流量的連續(xù)調(diào)節(jié)。
高精度電爐液壓比例控制系統(tǒng)中的相關(guān)要求來自企業(yè)的技術(shù)委托項(xiàng)目。主要的參數(shù)有:壓力為16 MPa、推力為200 kN、行程為100 mm、起始壓力為6 kN、壓力控制精度為±0.1 MPa、位移顯示精度為5 μm。圖1 為高精度電爐液壓比例控制系統(tǒng)原理圖。
圖1 高精度電爐液壓比例控制系統(tǒng)原理圖
液壓系統(tǒng)采用比例壓力閥和比例流量閥,可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)壓和無極調(diào)速,從而保證系統(tǒng)運(yùn)行的超微高載特性。油缸采用磁致伸縮位移傳感器,可精確控制過程及位置,精度可達(dá)5 μm,200 kN載荷(軸向)的傳感器,其精度可達(dá)到0.2%。動(dòng)力源采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙聯(lián)齒輪泵,行走時(shí)雙泵供油最高速度在100 mm/min 以上;保壓時(shí),可依靠液壓鎖鎖死油路進(jìn)行保壓。同時(shí),大泵經(jīng)二位二通電磁閥卸荷,小泵作為輔助泵供油進(jìn)行補(bǔ)油保壓,系統(tǒng)以低功率低發(fā)熱來完成保壓要求。
按照推力為200 kN 來考慮工況及其他無效的負(fù)載。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),按照1.05 倍推力進(jìn)行設(shè)計(jì),系統(tǒng)壓力最大為18 MPa,同時(shí)也要考慮背壓及閥口壓降等因素,則油缸活塞面積(缸筒面積)的計(jì)算公式見式(1)和式(2)。
式中:A為油缸無桿腔面積;Fm為設(shè)計(jì)最大載荷;Pm為系統(tǒng)實(shí)際允許的最高壓力;D為油缸缸筒直徑。
由式(1)和式(2)可知,油缸缸筒內(nèi)徑按向上圓整取值為125 mm、活塞缸直徑取值為70 mm、行程為(100±0.1)mm。液壓缸最大推力為F=Pm A=208.5 kN = 20.85 TF > 20 TF,滿足最大負(fù)載要求。
采用內(nèi)置磁致伸縮位移傳感器,油缸采用法蘭盤安裝,活塞桿末端安裝載荷傳感器,如圖2 和圖3所示。
圖2 油缸帶磁致伸縮位移傳感器三維模型
圖3 油缸結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,按照行走時(shí)雙泵供油速度為100 mm/min 來完成設(shè)計(jì),此工況對速度的要求不高,越慢穩(wěn)定性越好,即最大流量為Qm=VA=1.23 L/min;同時(shí)考慮到油泵效率及損失,液壓泵流量為其中,V為油缸的工作速度;ηv為液壓泵容積效率。
選擇由意大利Marzocchi 公司生產(chǎn)的型號(hào)為GHP1A-D-2+0.25D18 的雙聯(lián)高壓齒輪泵,大泵排量為1.4 mL/r,流量約為2 L/min;小泵排量為0.19 mL/r,流量約為0.27 L/min。額定壓力為190 bar,功率為考慮各種工況,選用三相異步電機(jī)功率為1.1 kW。
選用德國力士樂公司生產(chǎn)的DBETE-6X/200G24K31A1V 比例溢流閥作為安全閥和壓力閥,最高壓力為200 bar,0 V 或4 mA 指令時(shí)P 口的最低設(shè)定壓力如圖4所示。
圖4 P口最低設(shè)定壓力與流量關(guān)系
從圖4 可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)流量為2 L/min 時(shí),P 口壓力僅為4.2 bar,可滿足設(shè)計(jì)要求。
保壓時(shí),壓力會(huì)隨時(shí)間的推移而減小,因此需要輔助泵保壓。將載荷(力)傳感器(或壓力傳感器)的信號(hào)反饋給小泵和比例溢流閥,從而實(shí)現(xiàn)精確保壓,可選用瑞士HUBA公司生產(chǎn)的壓力傳感器。
該系統(tǒng)是長時(shí)間的恒壓系統(tǒng),即要隨時(shí)進(jìn)行保壓,因此系統(tǒng)一直處于高壓溢流的狀態(tài),發(fā)熱量累積效應(yīng)將會(huì)導(dǎo)致溫度過高,溫度過高會(huì)影響壓力和流量的穩(wěn)定性[6]。該系統(tǒng)采用雙泵供油,保壓時(shí),大泵卸荷,小泵低流量保壓讓溢流的損失量減少到最小,從源頭上控制能量的損失和發(fā)熱。另外,可增加冷卻系統(tǒng),選用風(fēng)冷或水冷。附熱平衡的計(jì)算公式,見式(3)、式(4)。
式中:H、H2、H1、Δt、A1、K1分別為系統(tǒng)的總發(fā)熱功率、冷卻器的散熱功率、油箱的散熱功率、油溫與環(huán)境溫度之差、油箱的散熱面積、油箱的散熱系數(shù)。
根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),可設(shè)定t1= 60 ℃(油溫)、t2= 40 ℃(外界環(huán)境溫度)、Δt=20 ℃。并取油箱的四個(gè)面,散熱面積約為A1=0.5 m2。此處,由于油箱散熱條件比較惡劣,取K1=20 W/(M2·℃)。所以,油箱散熱功率H1= 200 W,約為0.20 kW。
此系統(tǒng)屬于高壓溢流,長時(shí)間低流量保壓時(shí)發(fā)熱最大為電機(jī)功率的15%左右。另外,還要考慮系統(tǒng)的效率,綜合發(fā)熱損失在30%左右,總發(fā)熱量約為0.33 kW。所以,冷卻系統(tǒng)可選用水冷,按理論與經(jīng)驗(yàn)預(yù)估需要0.5 kW的冷卻熱量。
隨著對電爐設(shè)備的需求量不斷增加,比例液壓系統(tǒng)在電爐中的應(yīng)用也越來越廣泛,電爐壓機(jī)在朝著自動(dòng)化、智能化的高精度、高質(zhì)量方向發(fā)展。在電爐電液比例系統(tǒng)方面,國外擁有相對的技術(shù)優(yōu)勢,價(jià)格相對較高,而國內(nèi)通過引進(jìn)、仿制、改進(jìn)相關(guān)產(chǎn)品,已經(jīng)具有一定的技術(shù)儲(chǔ)備。目前,國內(nèi)電爐企業(yè)已對5~200 t 電液比例系統(tǒng)展開研究,技術(shù)指標(biāo)也在逐步提升,朝著更大載荷、更高精度的方向發(fā)展。本研究對硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,對控制系統(tǒng)和控制策略算法等進(jìn)行優(yōu)化[7]。下一步,還要對電爐壓機(jī)比例壓力閉環(huán)系統(tǒng)的力控制精度和起始力數(shù)值、電爐壓機(jī)比例流量閉環(huán)系統(tǒng)的位置控制精度、電爐壓機(jī)比例壓力流量雙閉環(huán)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及精度控制進(jìn)行研究。