全液壓裝出料系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

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(馬鞍山鋼鐵股份有限公司, 安徽 馬鞍山　243000)

引言

某公司2009年對回火爐系統(tǒng)進(jìn)行全面升級改造，為實現(xiàn)適應(yīng)完全自動化生產(chǎn)模式的要求，將該區(qū)域設(shè)置為一臺頂升機(jī)配合一臺機(jī)械手負(fù)責(zé)，將放置在輥道上的車輪頂起后，由機(jī)械手將車輪放置到環(huán)形爐的指定位置，另一臺機(jī)械手負(fù)責(zé)到環(huán)形爐的指定位置取出放置到輸出輥道上。原液壓部分設(shè)計參照資料進(jìn)行設(shè)計，每個裝置采用一套單獨(dú)液壓系統(tǒng)，整個系統(tǒng)裝機(jī)容量達(dá)100 kW，投用后液壓泵啟動頻繁損耗嚴(yán)重，系統(tǒng)油溫?zé)o法得到有效控制，漏油狀況時有發(fā)生，故障率居高不下，無法實現(xiàn)低耗綠色發(fā)展的要求。2014年對該系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計并組織實施。

1　裝出料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

整個裝出料系統(tǒng)由一臺頂升機(jī)配合一臺機(jī)械手組成裝料部分，一臺機(jī)械手獨(dú)立完成出料工作，2臺機(jī)械手的結(jié)構(gòu)完全一致，如圖1所示。

該機(jī)械手為雙桁架橋結(jié)構(gòu)， 采用全液壓驅(qū)動。主要包括橋式框架、行走小車系統(tǒng)、四連桿系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)等部分組成。行走小車由液壓馬達(dá)驅(qū)動， 通過齒條和小齒輪系統(tǒng)完成整個裝置的水平移動，由雙垂直液壓缸驅(qū)動的四連桿機(jī)構(gòu)來完成夾鉗系統(tǒng)的垂直方向運(yùn)動，夾鉗系統(tǒng)由帶位置監(jiān)測的液壓缸驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)完成夾鉗的夾持動作，夾緊力采用壓力監(jiān)控，確保夾持動作有效。所有軸的運(yùn)動參數(shù)可以通過比例閥進(jìn)行無級調(diào)速。

1.橋式框架　2.夾鉗系統(tǒng)　3.連桿系統(tǒng)　4.垂直液壓缸5.液壓馬達(dá)　6.行走小車圖1　出入料機(jī)械手結(jié)構(gòu)

1.電機(jī)　2.恒壓變量泵　3.高壓過濾器　4.溢流閥　5.單向閥　6.蓄能器安全閥　7.蓄能器　8.壓力開關(guān)　9.高壓球閥　10.減壓閥11.電磁換向閥　12.雙液控單向閥13.雙單向節(jié)流閥　14.單向閥　15.電機(jī)　16.循環(huán)泵　17.過濾器　18.單向閥　19.溢流閥　20.換熱器圖2　液壓泵站的液壓原理

2　液壓泵站的液壓原理

液壓泵站的液壓原理如圖2所示。新的系統(tǒng)選用2臺37 kW電機(jī)分別驅(qū)動一臺A10VSO100的恒壓變量泵作為動力源，系統(tǒng)采用一用一備的工作方式。

恒壓變量泵變量壓力設(shè)為16 MPa，在未達(dá)到泵上調(diào)壓閥設(shè)定壓力之前，變量泵斜盤處于最大偏角，泵排量最大且排量恒定，在達(dá)到調(diào)壓閥設(shè)定壓力之后，控制油進(jìn)入變量液壓缸推動斜盤減小泵排量，實現(xiàn)流量在0～Qmax之間隨意變化，從而保證系統(tǒng)在沒有溢流損失的情況下正常工作，大大減輕系統(tǒng)發(fā)熱，節(jié)省能源消耗。

在泵出口接一個先導(dǎo)式溢流閥作為系統(tǒng)安全閥限定安全壓力，為保證泵在調(diào)壓閥設(shè)定壓力穩(wěn)定可靠工作，將系統(tǒng)安全閥調(diào)定壓力17 MPa。每臺泵的供油側(cè)各安裝一個單向閥，以避免備用泵被系統(tǒng)壓力“推動”。為保證比例閥工作的可靠性，每臺泵的出口都設(shè)置了一臺高壓過濾器，用于對工作油液的過濾。

為適當(dāng)減小裝機(jī)容量，結(jié)合現(xiàn)場工作頻率進(jìn)行蓄能器工作狀態(tài)模擬，最終采用四臺32 L的蓄能器7作為輔助動力源，當(dāng)?shù)退龠\(yùn)動時載荷需要的流量小于液壓泵流量，液壓泵多余的流量儲入蓄能器，當(dāng)載荷要求流量大于液壓泵流量時，液體從蓄能器放出，以補(bǔ)液壓泵流量。蓄能器仿真計算結(jié)果見圖3。經(jīng)計算，系統(tǒng)最低壓力為14.2 MPa,實際使用過程中監(jiān)控系統(tǒng)最低壓力為14.5 MPa，完全滿足使用要求。

圖3　蓄能器模擬結(jié)果

頂升機(jī)液壓系統(tǒng)在泵站閥塊上，由于系統(tǒng)工作壓力低于系統(tǒng)壓力，故設(shè)計了減壓閥以調(diào)定頂升機(jī)系統(tǒng)工作壓力，該系統(tǒng)方向控制回路采用三位四通電磁換向閥，以實現(xiàn)液壓缸的運(yùn)動方向控制，當(dāng)液壓缸停止運(yùn)動時，依靠雙液控單向閥錐面密封的反向密封性，能鎖緊運(yùn)動部件，防止自行下滑，在回油回路上設(shè)置雙單向節(jié)流閥，雙方向均可實現(xiàn)回油節(jié)流以實現(xiàn)速度的設(shè)定，為便于在故障狀態(tài)下能單獨(dú)檢修頂升機(jī)液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)在進(jìn)油回路上設(shè)置了高壓球閥9，在回油回路上設(shè)置了單向閥14。

該液壓站采用了單獨(dú)的油液循環(huán)、過濾、冷卻系統(tǒng)設(shè)計，此外還設(shè)置有油壓過載報警、濾芯堵塞報警、油位報警、油溫報警等。

3　機(jī)械手機(jī)體閥臺的液壓原理

對于每臺機(jī)械手都單獨(dú)配置一套機(jī)體閥臺，機(jī)體閥臺采用集成閥塊設(shè)計，通過整合優(yōu)化液壓控制系統(tǒng)，將各相關(guān)液壓元件采用集約布置方式，使全部液壓元件集中安裝在集成閥塊上，元件間的連接通過閥塊內(nèi)部油道溝通，從而最大限度地減少外部連接，基本消除外泄漏。其液壓原理如圖4所示。機(jī)體閥臺的四個出入油口(P-壓力油口，P2-補(bǔ)油油口，T-回油油口，L-泄漏油口)分別與液壓泵站的對應(yīng)油口相連接。

壓力油由P口進(jìn)入機(jī)體閥臺后，經(jīng)高壓球閥1及單向閥2.1后，一路經(jīng)單向閥4給蓄能器6供油以作為系統(tǒng)緊急狀態(tài)供油，一路經(jīng)插裝閥3給系統(tǒng)正常工作供油。為保證每個回路產(chǎn)生的瞬間高壓不影響別的工作回路，在每個回路的進(jìn)出口都設(shè)置了單向閥，對于夾鉗工作回路因設(shè)置了減壓閥16進(jìn)行減壓后供油，無需設(shè)置單向閥。

對于小車行走系統(tǒng)，由比例閥12.1控制液壓馬達(dá)21的運(yùn)動方向，液壓馬達(dá)設(shè)置了旋轉(zhuǎn)編碼器，對于馬達(dá)行走采用閉環(huán)控制，以實現(xiàn)平穩(wěn)起制動以及小車的精準(zhǔn)定位。為避免制動時換向閥切換到中位，液壓馬達(dá)靠慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的液壓沖擊，設(shè)置了雙向溢流閥11分別用來限制液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的最大沖擊壓力，以起到制動緩沖作用，考慮到液壓馬達(dá)制動過程中的泄漏，為避免馬達(dá)在換向制動過程中產(chǎn)生吸油腔吸空現(xiàn)象，用單向閥9.1和9.2從補(bǔ)油管路P2向該回路補(bǔ)油，為實現(xiàn)單臺機(jī)械手的故障檢修，在補(bǔ)油管路P2上設(shè)置了高壓球閥8，為實現(xiàn)檢修時，可以將小車手動推動到任意檢修位置，系統(tǒng)設(shè)置了高壓球閥5.2。

對于雙垂直液壓缸回路，由比例閥12.2控制液壓缸22的運(yùn)動方向，液壓缸安裝了位移傳感器，對于液壓缸位置采用閉環(huán)控制，實現(xiàn)液壓缸行程的精準(zhǔn)定位，液壓缸驅(qū)動四連桿機(jī)構(gòu)來完成夾鉗系統(tǒng)的垂直方向運(yùn)動；為防止液壓缸停止運(yùn)動時自行下滑，回路設(shè)置了雙液控單向閥13.1，其為錐面密封結(jié)構(gòu)，閉鎖性能好，能夠保證活塞較長時間停止在某位置處不動；為防止垂直液壓缸22因夾鉗系統(tǒng)及工件自重而自由下落，在有桿腔回路上設(shè)置了單向順序閥14，使液壓缸22下部始終保持一定的背壓力，用來平衡執(zhí)行機(jī)構(gòu)重力負(fù)載對液壓執(zhí)行元件的作用力，使之不會因自重作用而自行下滑，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)動作的平穩(wěn)、可靠控制； 為防止夾鉗夾持超過設(shè)計重量的車輪， 在有桿腔設(shè)置了溢流閥15.1作為安全閥的運(yùn)動，來驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)完成夾鉗的夾持動作，回路設(shè)置了雙液控單向閥13.2，來保證活塞較長時間停止固定位置，考慮到夾鉗開啟壓力原小于關(guān)閉壓力(液壓缸向無桿腔方向運(yùn)動夾鉗關(guān)閉)，在液壓缸無桿腔回路上設(shè)置了溢流閥15.3，調(diào)定無桿腔工作壓力，當(dāng)比例換向閥17右位工作時，壓力油經(jīng)液控單向閥13.2后，一路向有桿腔供油，一路經(jīng)電磁球閥18向蓄能器19供油，當(dāng)夾鉗夾住車輪，有桿腔建立壓力達(dá)到壓力繼電器20設(shè)定值后，比例換向閥17回中位，蓄能器19壓力油與有桿腔始終連通，確保夾持動作有效，當(dāng)比例換向閥17左位工作時，蓄能器19壓力油經(jīng)電磁球閥18與有桿腔回油共同經(jīng)過比例換向閥17回回油口。

對于夾鉗液壓缸回路，工作壓力經(jīng)減壓閥16調(diào)定工作壓力后由比例閥17控制帶位置監(jiān)測的液壓缸23緊急情況下，電磁換向閥7得電(與系統(tǒng)控制電源采用不同路電源)，將蓄能器6儲存的壓力油，一路經(jīng)單向閥9.11供給夾鉗液壓缸23，使夾鉗打開，同時有桿腔回油經(jīng)電磁球閥18，單向閥9.9回回油T口；一路壓力油經(jīng)節(jié)流閥10，單向閥9.3使液壓馬達(dá)21帶動小車向爐外方向運(yùn)動，液壓馬達(dá)回油經(jīng)比例換向閥12.1，單向閥9.5回回油T口。以確保設(shè)備能放下待取車輪，退出加熱爐內(nèi)部，保護(hù)設(shè)備安全。

1.DN25高壓球閥　2.DN30單向閥　3.插裝閥　4.DN20單向閥　5.DN10高壓球閥　6.蓄能器　7.換向閥　8.DN16高壓球閥9.DN10單向閥　10.節(jié)流閥　11.雙溢流閥　12.比例閥　13.雙液控單向閥14.單向順序閥　15.溢流閥　16.減壓閥　17.比例閥18.電磁球閥　19.蓄能器　20.壓力繼電器　21.液壓馬達(dá)　22.液壓缸　23.夾鉗液壓缸圖4　機(jī)體閥臺液壓原理

4　結(jié)論

全液壓裝出料系統(tǒng)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，系統(tǒng)的裝機(jī)容量由100 kW下降到37 kW，大大降低能源消耗，適應(yīng)了當(dāng)今綠色發(fā)展的要求。由于系統(tǒng)采用備用泵設(shè)計，確保了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行；蓄能器的大量使用，保證了系統(tǒng)的流量和壓力滿足生產(chǎn)實際的要求；集成閥塊的設(shè)計方式，減少了系統(tǒng)下泄漏的幾率，降低了油液消耗，保護(hù)了環(huán)境；緊急回路的設(shè)計，可以有效保護(hù)設(shè)備的使用安全。該技術(shù)成果具有向同類加熱爐裝出料機(jī)構(gòu)推廣應(yīng)用經(jīng)濟(jì)價值。

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