穿孔機推坯機液壓比例控制回路設(shè)計

謝增剛

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西　太原　030024）

生產(chǎn)實踐·應(yīng)用技術(shù)

穿孔機推坯機液壓比例控制回路設(shè)計

謝增剛

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西太原030024）

介紹了一種用液壓比例閥來控制穿孔機推坯機推坯的控制回路。通過使用比例閥控制有效改善了現(xiàn)有回路在速度切換過程中引起的速度沖擊、閥臺震動過大及穿孔機液壓站容量過大等缺點，更好地滿足了穿孔機軋制速度要求，從而獲得更高質(zhì)量毛管。

穿孔機推坯機液壓控制回路比例閥

在無縫鋼管生產(chǎn)中，穿孔工序的作用是將實心的管坯穿成空心的毛管[1]。整個生產(chǎn)過程一般包括穿孔、軋管和定減徑工序。穿孔作為金屬變形的第一道工序，穿出的管子壁較厚、長度較短、內(nèi)外表面質(zhì)量較差，因此被叫做毛管。如果毛管存在缺陷，經(jīng)過后面的工序也很難消除或減輕，因此穿孔工序在鋼管生產(chǎn)中起著重要作用。

1　推坯機

1.1推坯機的作用

為了將管坯推入軋輥之間，在穿孔機的前臺安置推坯機。老式的推坯機采用氣動控制方式，另外還有鏈?zhǔn)酵婆鳈C和液壓推坯機?，F(xiàn)代的推坯機可以根據(jù)機組生產(chǎn)節(jié)奏的變化設(shè)定不同的推進速度，即靠近軋輥前高速推進以節(jié)省時間，靠近軋輥時降速以適應(yīng)管坯的咬入，軋輥咬入后迅速返回待料位，見圖1。

圖1　推坯機

1.2推坯機的工作過程

推坯機推坯大致分為：推坯位、快速推坯、慢速推坯、快速返回。具體過程是初始位為待料位，當(dāng)坯料落入受料槽后，推坯缸伸出快速推出坯料（保證管坯溫度）；在行進過程中到達(dá)設(shè)定減速位，推坯缸開始轉(zhuǎn)入工進慢速推坯過程，直到穿孔機軋輥咬入鋼坯后，推坯缸得到咬入信號后反向快速返回到推坯位，見下頁圖2。

2　現(xiàn)有液壓控制系統(tǒng)的缺點

現(xiàn)有的液壓控制回路基本是按照下頁圖3來對推坯缸進行控制的。采用兩組普通電磁換向閥控制的兩組回路組合變換來實現(xiàn)高低速切換，快速時兩組閥同時工作，低速時通過斷開一組閥來實現(xiàn)降速。這種控制方式主要存在以下問題：

1）高低速切換時速度變化過于直接，沒有辦法來克服降速引起的速度沖擊，繼而引發(fā)閥臺、管路震動，長時間會導(dǎo)致閥臺過勞和管路附件損壞。

2）由于滑閥存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題，現(xiàn)場容易出現(xiàn)穿孔機區(qū)液壓站長時間停機現(xiàn)象，同時，推坯缸有自動伸出的情況（液壓系統(tǒng)中蓄能器的殘留能量）。

3）現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計沒有考慮將推坯缸快進時存在桿腔的液壓油重新使用問題，而直接回油箱，這樣設(shè)計出來的液壓站容量往往比較大。

4）使用雙組閥控制，由于所需流量大、雙組閥占用空間大，所以制造的集成塊也比較大，并且出現(xiàn)問題的概率也相對較高。

3　介紹幾種比例閥控制方法

由于上述2中出現(xiàn)的問題，在已經(jīng)生產(chǎn)好的閥臺上進行改造的空間幾乎沒有，而且這種老式液壓回路是在傳統(tǒng)斜軋機組基礎(chǔ)上的沿用，傳統(tǒng)斜軋Φ180機組年產(chǎn)10～15萬t左右，而現(xiàn)在的鋼管Φ180連軋機組最低年產(chǎn)為30萬t[2]，老式控制方式從控制精度和節(jié)奏上已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代連軋機組的需要，所以急需要液壓工程師設(shè)計一種新的回路來替換它以滿足現(xiàn)在連軋機組的生產(chǎn)節(jié)奏和控制精度，所以比例閥的控制精度高、響應(yīng)速度快、更換規(guī)格易實現(xiàn)的優(yōu)勢就完全體現(xiàn)出來了，下面就簡單描述幾種比例閥的控制思路：

1）圖3是希望達(dá)到的時序圖，在推坯缸速度變化時，期望有一定的速度斜坡，而且不影響整個穿孔機組的生產(chǎn)節(jié)奏。圖4為比例閥在輸入信號為階躍信號時閥的過渡性能。在階躍信號增大時閥芯行程增大，通過流量增加，執(zhí)行元件速度加快，在階躍信號遞減后閥芯行程變小，流量變小，執(zhí)行元件速度變慢，并且有一定斜坡，可以滿足所期望的控制要求，但是這并不能完全消除速度變化對系統(tǒng)和設(shè)備的沖擊。

圖2　推坯機時序圖

圖3　期望時序圖

圖4　階躍信號時閥的過渡性能

2）為了更好地滿足速度斜坡的平滑調(diào)速過程，精確掌握液壓缸的行程數(shù)據(jù)，需要在液壓缸的行程監(jiān)控上安裝輔助設(shè)備，因此選擇在油缸外部安裝激光測距儀或者油缸內(nèi)部安裝位移傳感器，通過激光測距儀或者位移傳感器實時準(zhǔn)確地檢測油缸的運動數(shù)據(jù)，通過PLC程序與比例閥實現(xiàn)閉環(huán)控制[3]。

3）還可以通過比例閥+接近開關(guān)的控制方式來實現(xiàn)平滑調(diào)速，這種控制的時序圖基本與圖4吻合，也基本能滿足現(xiàn)場使用，優(yōu)點是成本低廉，控制相對精確，速度變化沖擊較小。

以上是使用比例閥控制回路的三種控制思路，可以根據(jù)項目資金狀況靈活匹配使用。

4　比例閥控制的液壓回路設(shè)計[4]

該設(shè)計使用的比例閥電流控制為4～20 mA，由于描述換向閥1換向不夠直觀，所以后面就直接取換向閥1的兩個電磁鐵Ya（4～12 mA）和Yb（12～20 mA）來進行說明（如圖5），具體工作過程如下：

圖5　比例閥控制回路

1）快進。電磁鐵Yb得電，比例閥1停留右位，推坯缸無桿腔連通壓力油管P，壓力油管P的液壓油經(jīng)由比例閥1直接進入推坯缸無桿腔，推動活塞向有桿腔施壓，有桿腔中液壓油壓力增大，但由于回管路上單向閥2.1的止回作用，使得有桿腔中的液壓油推開反向止回管路的單向閥2.2向壓力油管P補充液壓油，由于無桿腔作用面積大于有桿腔作用面積，可以理解為液壓缸的差動回路，有桿腔中的液壓油也進入無桿腔參與工作，從而降低了系統(tǒng)流量，并且增加液壓缸伸出速度，從而達(dá)到節(jié)省液壓站容量的目的。

2）工進。仍保持在快進時比例閥1的右位，減小電磁鐵Yb的電流，比例閥1起節(jié)流目的，進行降速，由于比例閥的階躍特性，從快進（高速）到工進（慢速）并沒有明顯的停頓或者沖擊振動現(xiàn)象。

3）快速返回。電磁鐵Ya得電，比例閥1停留左位，推坯缸無桿腔連通回油管T，推坯缸有桿腔連通壓力油管P，單向閥2.1可被推開，壓力油管P的液壓油經(jīng)由比例閥1直接進入推坯缸有桿腔，推動活塞向推坯缸無桿腔施壓，推坯缸無桿腔中液壓油返至回油管T。這時，由于壓力油管P中的壓力遠(yuǎn)大于單向閥2.1的預(yù)加的彈簧壓力，單向閥2.1打開，此時單向閥2.1中壓力與壓力油P接通，由于單向閥2.2也有預(yù)加的彈簧壓力，通過力平衡可得出，單向閥2.2是不能打開的，也就是說不能反向泄漏油液。

5　比例閥的選擇

首先選擇閥芯零遮蓋，并且具有適當(dāng)?shù)臄嚯姍C能，防止電路故障系統(tǒng)出現(xiàn)的損壞，其次位置控制時盡量選擇線性閥芯，最后重復(fù)精度和滯環(huán)不大于0.2%。由于推坯機推進時主要是做直線運動，在選型時需要確定固有頻率ω0、最小斜坡時間tmin、最大速度Vmax、最大加速度amax、以及比例閥壓差ΔP閥等參數(shù)。

1）固有頻率ω0。按照公式（1）可確定ω0：

式中：C為行程，mm；M為負(fù)載質(zhì)量，kg；A1為活塞面積，cm2；α=A2/A1，A2為環(huán)形面積，cm2。

2）最小斜坡時間tmin。根據(jù)公式（2）可確定tmin：

最小斜坡時間tmin，一般大于0.1 s。

3）最大速度Vmax。根據(jù)公式（3）可確定Vmax：

式中：Sz為總行程，mm；tz為總循環(huán)時間，s。

4）最大加速度amax。根據(jù)公式（4）可確定amax：

5）比例閥壓差ΔP閥。根據(jù)公式（5）、（6）可確定ΔP閥：

式中：P油為系統(tǒng)設(shè)計壓力；Pmin為負(fù)載所需壓力；ΔP路為管路損失壓力，根據(jù)經(jīng)驗，一般取16～20 bar；F為加速度載荷；M為負(fù)載質(zhì)量；kg；g為重力加速度。根據(jù)結(jié)果在比例閥廠家樣本中選擇合適的比例閥。

選閥時還應(yīng)該注意，當(dāng)控制單元（PLC）和閥的距離較遠(yuǎn)時，應(yīng)該選擇4～20 mA的電流輸入信號來代替±10 V DC；閥芯的最大流量應(yīng)高于閥本身可調(diào)節(jié)流量10%～25%；如果有特殊的穿孔機組需要頻繁更換軋制鋼管規(guī)格，就需要頻繁更換鋼坯，由于不同規(guī)格鋼坯的質(zhì)量不同，此時在比例閥控制回路中必須使用合適手段對負(fù)載效應(yīng)進行校正，其目的就是保證ΔP閥為一近似定值，不隨負(fù)載壓力的波動而改變，從而保證通過比例閥的流量與輸入的電信號成比例的變化[5]，具體情況要根據(jù)工程實際選擇合適的壓力補償控制方案。

6　結(jié)論

1）有效改善了推坯缸由快進（高速）到工進（慢速）時的沖擊振動和略微停頓現(xiàn)象；

2）有效降低了液壓系統(tǒng)的設(shè)計容量，大大降低了液壓系統(tǒng)制造成本；

3）原理較現(xiàn)有原理簡化很多，閥塊尺寸變小、加工更加簡單，有效降低了系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率；

4）當(dāng)變換鋼坯規(guī)格時，推坯缸的速度調(diào)節(jié)更加簡單和方便，只需要在工控機上給定比例閥不同的電流就可達(dá)到改變速度的目的。

[1]張秀芳.熱軋無縫鋼管生產(chǎn)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2015.

[2]嚴(yán)澤生.現(xiàn)代熱連軋無縫鋼管生產(chǎn)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

[3]石壯.用于穿孔機推坯裝置的幾種控制方法[J].山西冶金，2015，38（4）：124—125.

[4]謝增剛.一種穿孔機前推坯缸的液壓控制系統(tǒng)及控制方法：B21D28/28[P].2013-11-15.

[5]黃志堅.液壓伺服與比例控制實用技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2012.

（編輯：趙婧）

The Design of Hydraulic Proportional Control Loop about the Pusher of Piercing Mill

XIE Zenggang
（Technology Center of Taiyuan Heavy Industry Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030024）

This paper introduced a hydraulic proportional control loop about the pusher of piercing mill，author used proportional valve to effectively improve the velocity shock、valve stand vibrate when the cylinder-pusher work，also to effectively decrease the capacity of piercing mill hydraulic station，and the loop is better meet the speed-requirement of piercing mill and high-grade hollow billet than the old loop.

piercing mil，pusher of piercing mil，hydraulic control loop，proportional valve

TG333.8

A

1672-1152（2016）04-0091-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.31

2016-07-01

謝增剛（1984—），男，工程師，現(xiàn)就職于太原重工股份有限公司技術(shù)中心軋鋼機械研究所，從事軋鋼設(shè)備的液壓、干油、稀油系統(tǒng)的應(yīng)用、設(shè)計和調(diào)試工作。