推鋼機液壓系統(tǒng)的設計與可靠性分析

鄒俊玲

摘 要：推鋼機系統(tǒng)的設計，需要對其工作原理、重要原件等進行深入分析和計算，采用可靠的串聯(lián)系統(tǒng)計算方法，建立液壓系統(tǒng)的可靠模型予以模擬，利用軟件進行仿真分析，才能對設計的可靠性加以保障。推鋼機液壓系統(tǒng)的設計是為了控制系統(tǒng)的功能得到進一步提升，更穩(wěn)地將鋼坯推入爐內(nèi)，提高鋼的產(chǎn)量。

關鍵詞：推鋼機 液壓系統(tǒng) 可靠性分析 工作原理

中圖分類號：TG333.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（c）-0046-03

推鋼機是軋鋼生產(chǎn)線上一種專用設備，用于將生產(chǎn)線上的鋼坯推進熱爐。其工作要求推力要大，推頭同步性高。傳統(tǒng)推鋼機的工作原理是機械式的，體積較為巨大，故障率較高，而且采購和維修成本較高。隨著技術的逐步先進以及軋鋼生產(chǎn)的發(fā)展，利用液壓油缸等對系統(tǒng)進行改造、升級，使推鋼機具有推理大、體積小和操作簡便的優(yōu)勢。在推料工序等方面具有更強的可靠性。

1 工作原理

推鋼機的工作原理通過系統(tǒng)主令控制器啟動后，位于三位四通閥的電磁鐵1DT和三DT得電。二位四通閥五DT得電，壓力油從油泵中輸出，經(jīng)過二位四通閥和同軸馬達進入兩組油缸中四個無桿腔中，回油經(jīng)過調(diào)速閥、二位四通閥排回到油缸中的有桿腔中，產(chǎn)生四個油缸的同步運動，將熱鋼坯推入熱爐內(nèi)后，五DT斷電，系統(tǒng)處于待命、卸載狀態(tài)；通過主令控制器，主令控制器件三位四通閥的電磁鐵中二DT和四DT通上電后，油泵開始輸出壓力油，經(jīng)過二位四通調(diào)速閥，進入有桿腔，帶動油缸的同軸馬達進行聯(lián)動，經(jīng)過調(diào)速閥等回油排回油箱。

采用冗余設計后的系統(tǒng)，具有可靠性能較高以及左右對稱的特點，如果鋼坯較小還可以單組兩個油缸工作，通過兩個兩位四通閥串聯(lián)在同軸馬達后進行工作[1]。設計了四個限位開關對兩組四個油缸的位置誤差予以消除，避免系統(tǒng)同步精度的限位作用產(chǎn)生誤差積累。（如圖1）

2 參數(shù)計算

（1）液壓缸的計算，是要以推鋼機的實際生產(chǎn)情況位理論基礎，通過液壓缸在實際作用的作用力進行參數(shù)計算的。

（2）對液壓泵的計算。

液壓泵的工作壓力計算公式中，包括執(zhí)行元件的最大工作壓力，單位為MPa，液壓泵出口至執(zhí)行元件間的壓力損失，單位為MPa。

對液壓泵的流量公式，經(jīng)過液壓缸工作時的最大流量進行計算，以L為每分鐘計算單位，得到的系數(shù)為1.2，Qmax≥129 L/min。

液壓本的功率由液壓泵的最大工作壓力、液壓泵的流量、液壓泵的總效率進行計算得出最終的計算結果為19.3 kW[2]。

3 對推鋼機液壓系統(tǒng)的可靠性分析

經(jīng)過推算，部分液壓元件的失效概率已經(jīng)得到了總結，從表1可以看到基本概況。

對推鋼機液壓雄的可靠性可以通過上述可靠性數(shù)學模型的計算，利用軟件進行仿真，得到可靠性曲線，通過曲線的直觀顯示，可以得知推鋼機液壓系統(tǒng)的可靠性與工作時間成反比，且可靠性在工作時間推遲過程中，前期下降較快，后期下降較快，因此，從可靠性曲線可以看出，對工作時間的限定，可使液壓系統(tǒng)的可靠性得到調(diào)節(jié)和保障[3]。

4 實例分析推鋼機液壓系統(tǒng)的設計與可靠性

（1）天鋼集團有限公司的初軋廠方坯冷床推鋼機液壓系統(tǒng)進行了改進工作，使用先進的液壓傳動系統(tǒng)替代機械液壓系統(tǒng)。以提高系統(tǒng)的運行可靠性。改造前該廠使用的冷床推鋼機采用的是曲柄連桿式機械傳統(tǒng)，隨著生產(chǎn)的先進性要求，其結構復雜、零件容易受到磨損，傳動功率大、維修成本高、技術難度大等已經(jīng)成為阻礙生產(chǎn)發(fā)展的障礙，無法適應新的推鋼機的工作要求。為了保證生產(chǎn)的正常運行，加大現(xiàn)代化生產(chǎn)，擬采用先進的推鋼機液壓系統(tǒng)的設計方式提高系統(tǒng)運行的可靠性，替代現(xiàn)有笨重的機械系統(tǒng)。采用油缸式液壓式推鋼機的結構設計，可以提高液壓傳送的調(diào)速等功能，而且易于控制、自行潤滑。

（2）在進行液壓系統(tǒng)的重新設計之前，首先對原有推鋼機的工藝參數(shù)進行了考察。得知推行行程為89 cm，速度為0.43 m/s，推桿爪距70 cm，活動推桿和撥桿自重為3 949 kg。

在對推鋼機的工藝參數(shù)進行了詳細計算后，根據(jù)原有的工藝參數(shù)，初步設計為，使用液壓缸代替連桿，將擺桿加以推動運動， 同步于液壓缸，對機械連桿的回路進行同步，保持系統(tǒng)的負載基本恒定，使用節(jié)流閥對系統(tǒng)的速度進行調(diào)節(jié)。

（3）推桿需要往返頻繁移動，負荷較重，運行阻力需要進行計算，通過運行阻力P1和靜止到啟動狀態(tài)時增加的阻力P2相加得出運行后的阻力值，而增加的阻力值可以通過冷床上的軋件重量、活動推桿和撥爪的自重以及軋件與冷床的摩擦系數(shù)、滾動摩擦系數(shù)等相加得出。例如：軋件和冷床的摩擦系數(shù)為0.3，滾動摩擦系數(shù)為0.25，冷床上的軋件總重為3 323 kg，活動推桿與撥爪自重為2 843 kg，則推動桿運行阻力最終可計算出數(shù)值為18 490 N，從靜止到運行增加的阻力為28 463 N。

（4）正常情況下加熱爐液壓站的供油壓力為14 MPa，對液壓系統(tǒng)進行改造的設計，要考慮的因素包括：要將推鋼機的壓力由減壓閥降低到12 MPa，完成步進梁的升降和評議，并控制出鋼機和爐門升降機。改進后的液壓系統(tǒng)配有三位四通電磁換向閥、雙向液控單向閥、疊加式節(jié)流閥、分流閥等部件。在設計中，對現(xiàn)場實際情況以及外部環(huán)境進行了勘察后，發(fā)現(xiàn)，設計思路中的原有思路與實際情況相差較大，系統(tǒng)具有簡單和經(jīng)濟的優(yōu)勢，但是同步精度卻差強人意，只能控制在2%～5%之間。當鋼坯橫向從輥道運送到爐內(nèi)時，這中間有4 m的距離，由于加熱爐爐門為整體式，再加上推鋼機的設計為軌道式，因此，當兩個油缸驅動兩個頂板分開橫向推入爐內(nèi)時，兩側的油缸的受力和摩擦力不同，導致了鋼坯停止位置的不同，鋼坯一推就傾斜，給操作人員造成一定的困擾，為了解決這個問題，操作人員采用入爐軌道上涂抹潤滑油的辦法予以解決。但是當爐門打開后，軌道的溫度達到了300 ℃，潤滑油很快蒸發(fā)了，因此，這種方法的效果也很一般。采用從機械方面的改進進行設計，就是將現(xiàn)有設備進行配置，將原來的兩個油缸驅動的機械頂板合并為整體式機械頂板，將兩個液壓缸中的一個取消，使用一個油缸驅動的方式，這樣，既保證了鋼坯的入爐，又能完成改造方案，解決鋼坯入爐歪斜的問題。

（5）從理論角度來講，分流集流閥的功能是向兩個液壓缸按照一定比例供油，或者接受兩個液壓缸或者液壓馬達的一定比例的回油，這種采用液壓控制元件保證分流集流閥在穩(wěn)定狀態(tài)下保持流量相等的方法，可以實現(xiàn)對執(zhí)行元件的速度進行同步控制。當推鋼機的推板與鋼坯接觸的瞬態(tài)時間內(nèi)，使用執(zhí)行元件來控制兩個施力液壓缸中兩個回路的液壓油的流量，但這種方法無法對同步誤差進行糾正。而且，分流集流閥的開環(huán)控制特征存在固定節(jié)流孔的制造誤差，即便是穩(wěn)定的工作狀態(tài)，也可能發(fā)生負載壓力，導致兩側液壓力、彈簧力、泄漏流量發(fā)生不對稱。這些因素同時發(fā)生作用后，推鋼機偶爾會同步將鋼坯送入爐內(nèi)，但并不是穩(wěn)定性的[4]。當分流集流閥在設計流量較低的狀態(tài)下工作時，分流位置和集流位置會發(fā)生同步誤差，導致液壓元件得到試驗規(guī)范內(nèi)的特定的負載條件，而且當現(xiàn)場負載和試驗的負載相比較后產(chǎn)生較大數(shù)值的誤差時，分流、集流位置的同步誤差指標相差也較大，而且這一指標是速度同步誤差指標，因此，容易造成推鋼機分流閥與現(xiàn)場工況不符，產(chǎn)生同步較大的誤差，對生產(chǎn)制約作用。采用輥輪式的方式，兩個液壓缸的負載要均衡的多，但是目前尚缺乏理論依據(jù)，全憑經(jīng)驗進行操作。

5 推鋼機液壓系統(tǒng)改造設計中的故障表現(xiàn)及原因分析

（1）推鋼機在啟動、回程過程中會出現(xiàn)閥臺附近的管路出現(xiàn)劇烈抖動或者巨大的噪聲問題，或者在管路中間應力集中部分、焊接部分等出現(xiàn)破裂、漏油的情況，降低液壓系統(tǒng)的動力，導致推鋼機無法正常運行。再就是液壓管接頭處容易出現(xiàn)密封件損壞，降低密封件的使用壽命。一旦密封件出現(xiàn)損壞導致內(nèi)卸，則推鋼機工作不正常，彈簧力和泄漏流量的不對稱等因素也將導致兩路流量不相等，甚至在液壓缸缸筒內(nèi)出現(xiàn)拉傷等情況導致液壓缸整體報廢，這都是推鋼機可靠性差的表現(xiàn)。

（2）對上述故障發(fā)生的原因進行分析，導致推鋼機可靠性差的原因，一般都與系統(tǒng)內(nèi)的液壓沖擊力量過大有關系。導致故障出現(xiàn)的主要原因是液壓系統(tǒng)設計、元件規(guī)格選擇、場地布局因素。

①當插裝閥開啟速度過快時，會產(chǎn)生外控供油方式的變化。產(chǎn)生的閥門A、B腔的壓力以及控制油腔的流動阻力很大。因此，閥芯上下作用力差加大，開啟的速度變快，帶來很大沖擊和振動。當推鋼機靜止后，作用在B口的插裝閥以及A口的插裝閥保持著系統(tǒng)壓力的高壓狀態(tài)，積累了相當大的壓力能，經(jīng)過插裝閥的通徑被打開的瞬間，由于巨大壓差導致壓力能急劇增大，通過插裝閥，高壓、大流量流入回路，出現(xiàn)巨大的液壓沖擊。

②當元件的尺寸規(guī)格選擇不合理，使得插裝閥的通流能力由于回路阻力較大引起振動和噪聲。例如：在該文所舉案例中，改推鋼機液壓系統(tǒng)包括了三位四通P型電磁閥以及插裝閥，形成了電液插裝閥閥的回路，控制油由主油路經(jīng)過中位機能三位四通電磁換向閥進入插裝閥的控制腔，當電磁換向進入中位時，各插裝閥被關系，各個出口互不聯(lián)通。這種結構容易引起壓力的干擾因素，出現(xiàn)短時的溝通現(xiàn)象。液壓缸的慣性給A腔加壓，出現(xiàn)壓力升高，插裝閥一旦打開，就有油流存在，使得系統(tǒng)工作出現(xiàn)不正常情況，導致推鋼機可靠性變差。

③還有一個原因就是由于場地布局不合理，導致液壓站和控制閥臺之間的液壓管和彎頭不符合實際工作要求，出現(xiàn)數(shù)量和高度上的差別，導致液壓站的蓄能器組僅僅起到補償壓力流量的作用，不能起到緩沖作用，因此，帶來管路的振動和噪聲。

（3）要解決上述故障，需要采取的措施包括以下幾點。

①將液壓系統(tǒng)中每組插裝閥控制腔內(nèi)的排油管路進行單向節(jié)流閥的安裝，通過這個裝置對插裝閥的開閉時間進行控制，減少閥件快速開閉后引起的液壓沖擊。

②通過增加單向閥的方法，取控制油中壓力最大的腔進行中位布置，使得插裝閥按照預定的控制，保持正確工作狀態(tài)預防壓力的干擾。

③選擇插裝閥規(guī)格時，選擇尺寸大些的插裝閥，增加過流能力，也可減少噪聲和振動。

④對液壓管路節(jié)能型重新布置，將推鋼機控制閥臺移動到推鋼機液壓缸中間的為止，減小管道長度，保持閥臺和推鋼機的距離相等，有利于推鋼機同步運行。同時減少彎頭數(shù)量或者采用鈍角轉彎的模式，取消直角彎頭，減小管道引起的沖擊力，優(yōu)化推鋼機硬管，采用軟管吸振功能，改造軟管管道連接方式，不僅能減少振動，還方便拆裝[5]。

⑤將蓄能器組從液壓站位置轉移到操作臺下方盡量靠近閥臺的位置，可以起到吸收壓力脈動的作用，并充分發(fā)揮其功能減小液壓沖擊。

6 推鋼機液壓系統(tǒng)改造設計后的效果分析

天鋼集團有限公司的初軋廠方坯冷床推鋼機液壓系統(tǒng)進行了改進工作后，取消了液壓系統(tǒng)原有的同步裝置，減少了配套設備，改由一個液壓缸進行單獨驅動，提高了經(jīng)營效益，受到了很好效果，降低了設備維護人員的工作強度，而且生產(chǎn)后的需要得到了充分滿足。（如圖2）

7 結語

推鋼機液壓系統(tǒng)的設計是為了控制系統(tǒng)的功能得到進一步提升，更穩(wěn)定地將鋼坯推入爐內(nèi)，提高鋼的產(chǎn)量。因此，推鋼機的性能和精度是保證液壓控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的關鍵。目前我國在推鋼機的液壓控制系統(tǒng)上多采用的國外先進設備和技術。但是經(jīng)過實踐和試驗后，自主研發(fā)的設計也取得很大成果。對推鋼機液壓系統(tǒng)進行設計以及可靠性研究，可以因地制宜地對運行、故障等進行分析，驅利去弊，研究內(nèi)部和外部的問題，找到解決問題的途徑，增加推鋼機液壓系統(tǒng)設計的經(jīng)驗。在實踐中發(fā)現(xiàn)，我國液壓技術與世界先進技術水平上還存在不少距離，第一是產(chǎn)品的種類結構的問題；第二是產(chǎn)品的變型和派生的問題；第三是產(chǎn)品性能指標以及使用壽命的問題；第四是自主研發(fā)設計水平的問題。今后，應在推鋼機液壓系統(tǒng)改進和設計工作不斷探索，加大試驗和實踐，趕超世界先進技術水準，實現(xiàn)我國液壓技術水平的飛躍。

參考文獻

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[5] 繆少軍.基于閥芯位移觀測的步進梁速度閉環(huán)控制[D].合肥工業(yè)大學，2014.