鋼管熱鋸液壓系統(tǒng)的改進(jìn)

王嘉賦

（湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411100）

鋼管熱鋸液壓系統(tǒng)的改進(jìn)

王嘉賦

（湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411100）

鋼管熱鋸是鋼管熱軋機(jī)組切斷紅熱態(tài)鋼管的主要設(shè)備，鋸片進(jìn)給由比例換向閥控制的液壓缸驅(qū)動。通過對某大口徑厚壁管熱鋸的故障進(jìn)行分析，糾正了回路中平衡閥使用不當(dāng)，液壓缸超壓的問題，找出比例換向閥選型不合理的設(shè)計(jì)缺陷，重新計(jì)算所需流量并選型予以改進(jìn)，為比例換向閥的選型和平衡閥的使用提供了參考。

熱鋸；比例閥；平衡閥；死區(qū)

鋼管熱鋸是軋管機(jī)組切斷紅熱態(tài)鋼管的主要設(shè)備，國內(nèi)某公司使用的熱鋸鋸切鋼管最大外徑800mm,最大壁厚120mm。由于不同批次鋼管的外徑、壁厚、材質(zhì)均不同，鋼管溫度、硬度不一致，鋸切負(fù)載也隨之變化。因此鋸切進(jìn)給速度要根據(jù)需要調(diào)整。故而要求精確控制進(jìn)給行程和進(jìn)給速度。

1 問題描述

為縮短鋸片空載下降的待切時(shí)間，需要根據(jù)鋼管規(guī)格設(shè)置快進(jìn)行程。由于現(xiàn)有比例換向閥不能實(shí)現(xiàn)所需要的精確控制，常出現(xiàn)鋸片快速下降撞擊鋼管的事故。根據(jù)鋸切負(fù)載的變化，需要調(diào)節(jié)鋸切進(jìn)給速度。同樣由于現(xiàn)有比例換向閥不能實(shí)現(xiàn)所需要的精確控制，速度調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確。進(jìn)給量過大鋸片堵轉(zhuǎn)，引起鋸片粘鋼甚至破裂；進(jìn)給量過小鋸切時(shí)間過長，鋼管冷卻后硬度升高鋸切負(fù)載加大，鋸片會發(fā)熱損壞。鋸切過程中，系統(tǒng)壓力不能低于180Pa，否則由于設(shè)備自重，鋸片及傳動減速箱不能升起。由于進(jìn)給腔加壓和設(shè)備自重以及回油節(jié)流的影響，系統(tǒng)壓力180Pa時(shí)油缸有桿腔壓力超過320Pa，存在管道爆破、液壓缸爆裂、液壓油泄漏起火的安全隱患。

2 液壓系統(tǒng)的分析

（1）鋸切工作原理。熱鋸以擺動梁為杠桿，軸承座為支點(diǎn)，液壓缸驅(qū)動擺動梁擺動實(shí)現(xiàn)鋸切周期的動作循環(huán)。擺動梁通過軸承和軸承座安裝在熱鋸基座上，傳動減速箱和擺動梁為整體焊接件，主傳動電機(jī)安裝于擺動梁上。主電機(jī)和傳動減速箱之間由萬向軸傳動以驅(qū)動鋸片高速旋轉(zhuǎn)。鋸片通過法蘭安裝在主傳動減速箱的輸出軸上，外加防護(hù)罩防止鋸片破裂飛出。待鋸切的鋼管通過V型運(yùn)輸輥道運(yùn)送至鋸片下方并定位，用一套液壓缸驅(qū)動的夾管機(jī)構(gòu)夾緊固定。

（2）液壓系統(tǒng)原理及分析。液壓系統(tǒng)改造前后原理圖如圖1所示。熱鋸進(jìn)給系統(tǒng)選用ATOS的DPZO-AE-271 -D3型電液比例換向閥控制進(jìn)給液壓缸動作，該閥正遮蓋非線性，P-A為全流量，P-B為1/2全流量，不帶位置反饋。圖2所示曲線3為該閥流量增益曲線。液壓缸參數(shù)為160/110-600，熱鋸設(shè)計(jì)進(jìn)給速度為20～100mm/s，返回速度為50～300mm/s，擺動梁液壓缸驅(qū)動端與鋸片端力臂長度比為1：2.51。系統(tǒng)壓力調(diào)定為180Pa。當(dāng)比例閥接收到指令信號，輸入流量進(jìn)入液壓缸，液壓缸驅(qū)動擺動梁上升，利用杠桿原理實(shí)現(xiàn)鋸片下降進(jìn)給。

圖1 液壓系統(tǒng)改造前后原理圖

圖2 閥流量增益曲線

根據(jù)工藝要求，空載時(shí)快進(jìn)，鋸切時(shí)慢進(jìn)。鋸切負(fù)載大的鋼管時(shí)，進(jìn)給速度實(shí)際調(diào)整為5mm/s。計(jì)算出液壓缸無桿腔進(jìn)油流量Q1和有桿腔回油流量Q2。

液壓缸的進(jìn)給速度V1=5/2.51≈2mm/s

液壓缸的無桿強(qiáng)面積A1=20096mm2

液壓缸的有桿腔面積A2=10598mm2

Q1=V1×A1=40192mm3/s≈2.4L/min

Q2=V1×A2=21196mm3/s≈1.27L/min

熱鋸進(jìn)給時(shí)液壓缸流量為2.4L/min，從圖2曲線3可以看出，比例閥在熱鋸進(jìn)給工作時(shí)，輸入信號在死區(qū)附近。而且輸入信號要非常準(zhǔn)確，因?yàn)樾盘柹晕⒆兓?，引起的流量變化較大，液壓缸的速度變化也較大。需要對速度進(jìn)行微調(diào)時(shí)，滿足不了需求。

對熱鋸進(jìn)給有桿腔的增壓現(xiàn)象進(jìn)行分析，得出以下三個(gè)原因：①液壓缸動作緩慢，液壓缸回油時(shí)被控制閥節(jié)流的作用明顯。②熱鋸擺動梁上所裝設(shè)備鋸片側(cè)較重，且兩邊力臂長度比為1：2.51，增壓效果明顯，液壓缸此時(shí)所承受的是一個(gè)超越負(fù)載。③液壓缸無桿腔和有桿腔面積比為2：1，無桿腔通壓力油時(shí)造成了有桿腔的增壓效果。三個(gè)作用疊加，造成了液壓缸有桿腔壓力增大到320Pa。

（3）改進(jìn)方案的確定。為降低系統(tǒng)壓力，降低爆管的危險(xiǎn)性，在熱鋸擺動梁及其上面安裝的設(shè)備無法改進(jìn)、液壓缸無法改進(jìn)時(shí)，只能改進(jìn)液壓缸承受超越負(fù)載的受力結(jié)構(gòu)。故在現(xiàn)有熱鋸基座上增加一個(gè)門型受力框架，將液壓缸由現(xiàn)狀缸筒在下，活塞桿向上伸出改為缸筒在上，活塞桿向下伸出（如圖1改造后的原理圖）。

由于液壓缸安裝方向改變，平衡閥在回路需要更改為A口接液壓缸無桿腔，消除了液壓缸進(jìn)給回油節(jié)流時(shí)無桿腔和有桿腔面積比帶來的增壓效應(yīng)。由前面計(jì)算可知，改進(jìn)后熱鋸進(jìn)給時(shí)所需流量約為1.2L/min。根據(jù)實(shí)際需要，選用了伊頓公司VICKERS系列比例閥，型號為KBFDG4V -3-2C20N10。圖3曲線**C20N為該比例閥單流道（例如P-A）壓降為Δp=5bar（72psi）的流量增益曲線。KBF閥在出廠時(shí)已經(jīng)做了預(yù)先調(diào)整，對閥芯的正遮蓋效應(yīng)進(jìn)行了補(bǔ)償。所示曲線包括了利用威格士歐洲放大器插件板EEA-PAM-533-*-32（由用戶調(diào)整）為KF閥所提供的死區(qū)補(bǔ)償。

圖3 比例閥單流道

從圖3可以看出，當(dāng)比例閥輸出流量Q2=1.27L/min時(shí)，比例閥輸入信號在20%左右調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)在此流量下對比例閥的可靠有效控制。改進(jìn)后系統(tǒng)原理圖如圖2所示。改進(jìn)之后，系統(tǒng)壓力降為90Pa即可滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行，完全消除了壓力過高爆管的安全隱患。在此，需要說明的是原電液比例換向閥名義通徑為DN16，改進(jìn)后的電磁比例換向閥名義通徑為DN6，需要油路轉(zhuǎn)換塊安裝在原DN16電液換向閥的安裝位置，DN6的電磁疊加于油路塊之上。

3 結(jié)語

文章對比例換向閥和平衡閥在使用中存在的問題進(jìn)行了研究并進(jìn)行改進(jìn)，解決了熱鋸在實(shí)際生產(chǎn)中存在的設(shè)備故障和安全隱患。改進(jìn)后，熱鋸進(jìn)給平穩(wěn)，并且可根據(jù)需要進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，滿足了工廠生產(chǎn)需要。

（1）比例閥必須根據(jù)實(shí)際流量需要來選用，控制信號不能位于死區(qū)范圍內(nèi)。

（2）平衡閥必須控制液壓缸的正負(fù)載腔，且必須控制液壓缸兩腔面積較大的一腔，以免出現(xiàn)增壓效應(yīng)。

［1］高震.等熱鋸液壓系統(tǒng)的分析［J］.包鋼科技，2006，（8）.

［2］張德明.液壓平衡回路應(yīng)用實(shí)例分析［J］.液壓氣動與密封，2007，（6）.

［3］李本海，等.比例換向閥和內(nèi)控液壓鎖構(gòu)成的平衡回路適用條件分析［J］.液壓氣動與密封，2010，（1）.

Improvement of Steel Tube Hot Saw Hydraulic System

WANG Jia-fu
（Mechanical Engineering Department，Xiangtan University，Xiangtan，Hunan 411100，China）

The hot shear saw of steel pipe is the main equipment for pipe mill cut red hot steel.Feed of saw blade is driven by hydraulic cylinder controlled by proportional directional control valve.Through the analysis of the fault of the large diameterthick-wall steel pipe，the design corrects the problem of hydraulic cylinder overpressure caused by the improper use of the balance valve in the hydraulic circuit.It is found out the defects of the selection of the proportional directional valve.And there quired flow and select the type is calculated，providing a reference for the choice of proportional control valve and the use of the balance valve.

hot saw；proportional valve；balance valve；dead zone

TP271.31

A

2095-980X（2016）10-0042-02

2016-09-16

王嘉賦（1981-），男，碩士研究生，主要從事機(jī)械工程領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用及研究工作。