連鑄大包機(jī)械長(zhǎng)水口把持器的改造設(shè)計(jì)

晁強(qiáng)

（新疆八一鋼鐵股份有限公司）

1 前言

八鋼150t連鑄產(chǎn)線投產(chǎn)于2013年8月，采用雙水口雙中間包澆鑄模式，配套有兩套機(jī)械式長(zhǎng)水口把持器，通過配重形式保持把持器在工作時(shí)支點(diǎn)前后兩端平衡，而長(zhǎng)水口把持器跟隨大包升降動(dòng)作需隨時(shí)通過人工增加或減少配重塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，經(jīng)常發(fā)生因配重塊重量選擇不合適造成長(zhǎng)水口保持器大臂彎曲變形或直接斷裂影響正常的生產(chǎn)。因配重重量大、數(shù)量多，上水口簡(jiǎn)單的動(dòng)作都需要大量人力才能完成，工作效率低而且存在極大的安全隱患。因此，八鋼公司第一煉鋼廠自行設(shè)計(jì)了液壓長(zhǎng)水口把持器，并應(yīng)用于生產(chǎn)。

2 機(jī)械式長(zhǎng)水口把持器的局限

機(jī)械式長(zhǎng)水口把持器是以懸掛配重的形式來(lái)保持支點(diǎn)前后的平衡，需人工手動(dòng)掛、摘配重來(lái)調(diào)整重量施加作用力驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)水口把持的升降或平移，整個(gè)上、下長(zhǎng)水口的過程中需多人（至少3人）配合完成，并且在對(duì)長(zhǎng)水口與大包下水口對(duì)中作業(yè)時(shí)無(wú)法一次調(diào)整到位，操作難度較大。

2.1 支點(diǎn)兩端無(wú)法準(zhǔn)確達(dá)到的平衡

機(jī)械式長(zhǎng)水口把持器適合用于固定式回轉(zhuǎn)臂的大包回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)即受包位與澆鑄位無(wú)高度差，套入長(zhǎng)水口后把持器的位置固定不變。隨著產(chǎn)品的不斷拓展，對(duì)澆鑄過程的質(zhì)量控制要求不斷提高，為保證整個(gè)澆鑄過程中的溫度及成分達(dá)到要求均采用升降式回轉(zhuǎn)臂的大包回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，即受包位與澆鑄位存在高度差。八鋼一煉鋼廠采用的150t連鑄大包回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)受包位與澆鑄位高度差為800mm，這就要求長(zhǎng)水口把持器在套入長(zhǎng)水口后需根據(jù)回轉(zhuǎn)臂的升降隨之而動(dòng)（簡(jiǎn)稱隨動(dòng)），且長(zhǎng)水口要與大包的位置始終保持相對(duì)靜止的狀態(tài)。這就要求把持器兩端受力要平衡，機(jī)械式長(zhǎng)水口把持器的隨動(dòng)功能是由操作端懸掛或摘下配重來(lái)完成，根據(jù)計(jì)算把持器支點(diǎn)兩端受力情況來(lái)選擇配重量，即把持器水口端產(chǎn)生的力矩略小于操作端（如圖1所示）

當(dāng)支點(diǎn)兩端產(chǎn)生的力矩差過大將會(huì)造成兩種情況：（1）水口端產(chǎn)生的力矩小于操作端產(chǎn)生的力矩會(huì)造成隨動(dòng)失效從而在回轉(zhuǎn)臂下降過程中將力量傳遞至把持器較為薄弱的部位使之發(fā)生變形或斷裂；（2）水口端產(chǎn)生的力矩大于或等于操作端產(chǎn)生的力矩即同樣會(huì)造成隨動(dòng)失效在正常澆鑄過程中或回轉(zhuǎn)臂上升時(shí)會(huì)發(fā)生長(zhǎng)水口與大包脫離的情況。

圖1 機(jī)械式長(zhǎng)水口把持器

2.2 開澆過程中無(wú)法對(duì)配重量進(jìn)行調(diào)整

機(jī)械式長(zhǎng)水口把持器懸掛和摘下配重都必須在大包開澆前或大包澆鑄完后，開澆過程中無(wú)法調(diào)節(jié)配重量，這就造成配重的重量只能為固定重量。該重量是在理想狀態(tài)下（液面高度、流速等條件不發(fā)生改變）核算的重量，但在實(shí)際澆注過程中不會(huì)存在理想狀態(tài)故而長(zhǎng)水口把持器始終處于支點(diǎn)兩端力矩不平衡的狀態(tài)，狀態(tài)變化所產(chǎn)生的力矩將會(huì)傳遞到把持器的薄弱部位，易引發(fā)事故。

3 把持器改造設(shè)計(jì)思路

解決長(zhǎng)水口把持器隨動(dòng)和替代配重隨時(shí)進(jìn)行力矩調(diào)節(jié)是關(guān)鍵問題，長(zhǎng)水口把持器的升降動(dòng)作不再需要配重來(lái)完成，通過施加其他外力來(lái)實(shí)現(xiàn)升降動(dòng)作，同樣隨動(dòng)功能要能夠根據(jù)澆注過程中的狀態(tài)變量隨時(shí)調(diào)整控制，使把持器能夠隨時(shí)可以將多余的外力進(jìn)行釋放，在不改變機(jī)械式長(zhǎng)水口把持器的基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)增加液壓系統(tǒng)作為把持器的驅(qū)動(dòng)和控制單元，使把持器的升降動(dòng)作及隨動(dòng)功能由液壓系統(tǒng)來(lái)完成。

（1）通過液壓控制系統(tǒng)替代人工操作，以實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)功能；

（2）對(duì)長(zhǎng)水口把持器結(jié)構(gòu)及電氣控制改造,在不改變?cè)虚L(zhǎng)水口把持器的基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加升降連桿及油缸支撐座。

4 液壓把持器的設(shè)計(jì)及改造

4.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1.1 確定液壓系統(tǒng)技術(shù)要求

本次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)主要用于完成長(zhǎng)水口把持器的升降與隨動(dòng)功能，主要工作線路由液壓泵提供壓力經(jīng)過系統(tǒng)壓力控制推動(dòng)液壓缸完成驅(qū)動(dòng)的過程。主體設(shè)計(jì)思路采用簡(jiǎn)單易操作且故障率較低的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，載荷計(jì)算考慮長(zhǎng)水口重量、鋼水最大沖擊力及支點(diǎn)兩端力臂長(zhǎng)度，核算時(shí)盡量考慮長(zhǎng)水口端的安全力矩，即設(shè)計(jì)力矩稍大于載荷力矩。工況環(huán)境方面考慮溫度需求盡量選擇本體與液壓站分開，且管路設(shè)計(jì)時(shí)需考慮油品成本及突發(fā)故障時(shí)安全性。

4.1.2 確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù)

（1）初選系統(tǒng)工作壓力：在系統(tǒng)工作壓力的選擇上主要依靠支點(diǎn)兩端受力情況的公式（+）×＜×來(lái)計(jì)算水口端的近似受力情況，其中長(zhǎng)水口單重35kg，水口端長(zhǎng)臂重量約為300kg，而大包對(duì)長(zhǎng)水口沖擊力無(wú)法精確計(jì)算，故通過×即機(jī)械式長(zhǎng)水口把持器懸掛的配重量來(lái)推算更為合適，×產(chǎn)生的力矩即為液壓缸應(yīng)克服的力矩，通查計(jì)算可得液壓缸需客服的最小力矩大于50kN，通過液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)-按載荷選擇工作壓力范圍為5～8MP，通過已選定的工作壓力范圍即可做執(zhí)行元件和動(dòng)力元件的選擇。

（2）初選液壓缸尺寸：缸徑φ50mm，桿徑φ36mm，行程 300mm，系統(tǒng)壓力20MP，測(cè)試壓力25MP,中間耳軸兩端緩沖帶防護(hù)罩，液壓介質(zhì)選擇46#液壓油。

（3）選取液壓泵排量：軸向柱塞泵，型號(hào)25PCY14-1B,排量 26.6ml/r，額定壓力 31.5MP,最高壓力40MP。

（4）液壓系統(tǒng)控制原理（如圖 2、圖 3、圖 4所示）：為節(jié)省空間采用上置式液壓站，液壓站容積700L，供兩臺(tái)把持器使用，配套元件液壓泵、液壓閥、加熱器、蓄能器、回油過濾器及檢測(cè)元件，控制部分由電磁換向閥、節(jié)流閥、液控單向閥、直動(dòng)式溢流閥組成、集成塊組成。其控制原理為：液壓泵輸出的帶壓液壓油通過電磁換向閥（三位四通換向閥帶中位機(jī)能4-1、4-2）控制供油方向，并通過節(jié)流閥（雙向節(jié)流閥5-1、5-2）調(diào)節(jié)流量，當(dāng)需要把持器上升時(shí)通過電磁換向閥打開無(wú)桿腔供油通道使無(wú)桿腔進(jìn)油有桿腔回油，形成完整回路使液壓缸推動(dòng)把持器連桿驅(qū)動(dòng)把持器上升，當(dāng)需要把持器下降時(shí)，通過電磁換向閥打開有桿腔供油通道使有桿腔進(jìn)油同時(shí)帶壓油液打開液控單向閥（6-1、6-2）使無(wú)桿腔回油通道暢通，形成完整回路使液壓缸拉動(dòng)把持器連桿驅(qū)動(dòng)把持器下降，當(dāng)需要完成長(zhǎng)水口把持器隨動(dòng)功能時(shí)，將把持器升至所需位置后電磁換向閥一直處于無(wú)桿腔供油位置，當(dāng)把持器受向下的外力驅(qū)動(dòng)使之下降時(shí)液壓缸活塞向無(wú)桿腔推動(dòng)，無(wú)桿腔壓力逐漸增大，因無(wú)桿腔回路中的液控單向閥無(wú)法打開導(dǎo)致無(wú)桿腔無(wú)法通過回油通道卸荷，此時(shí)將使油液通過溢流閥（設(shè)定壓力與系統(tǒng)工作壓力一致，7-1、7-2）實(shí)現(xiàn)回油卸荷，當(dāng)外力減小或消失時(shí)因電磁換向閥始終處于無(wú)桿腔供油狀態(tài)則液壓缸活塞桿將會(huì)隨著有桿腔的壓力逐漸減小而向有桿腔推動(dòng)，活塞桿的運(yùn)動(dòng)與受外力的大小呈線性關(guān)系，從而滿足把持器隨動(dòng)的要求。

圖2 液壓把持器工作原理圖

圖3 液壓系統(tǒng)控制原理圖

注意事項(xiàng)：溢流閥的開啟壓力與系統(tǒng)工作壓力一致，這是為滿足整個(gè)系統(tǒng)的壓力平衡條件而決定的，如溢流閥開啟壓力設(shè)定過高則在隨動(dòng)過程中將會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)憋壓，反之將會(huì)造成系統(tǒng)失壓，兩種情況都會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響或者使把持器無(wú)法使用。

圖4 液壓站原理圖

4.2 電氣控制改進(jìn)

電氣控制設(shè)計(jì)改造，只需滿足把持器上升、下降、隨動(dòng)三個(gè)動(dòng)作即可，而且這三個(gè)動(dòng)作都屬于獨(dú)立動(dòng)作，不需要進(jìn)行復(fù)雜的邏輯關(guān)系組合，只需要對(duì)上升、下降、隨動(dòng)三個(gè)動(dòng)作的開關(guān)量進(jìn)行控制即可。設(shè)計(jì)條件：上升和下降時(shí)電氣控制為點(diǎn)動(dòng)控制，隨動(dòng)時(shí)電氣控制為自保控制。電氣控制按鈕的安裝位置位于把持器操作端手柄處，便于操作（如圖5所示）。

圖5 長(zhǎng)水口把持器電控按鈕安裝位置

4.3 機(jī)械式長(zhǎng)水口把持器結(jié)構(gòu)改造

（1）在原機(jī)械式長(zhǎng)水口把持器的結(jié)構(gòu)上增加升降連桿，由液壓缸來(lái)驅(qū)動(dòng)把持器的上升及下降動(dòng)作。改造后見圖6所示。

圖6 把持器升降連桿

（2）增加液壓缸安裝底座：在原把持器立柱基礎(chǔ)上增加安裝和固定液壓缸的支撐座，支撐座用來(lái)固定液壓缸的位置，保證液壓缸在固定位置上進(jìn)行擺動(dòng)（如圖7所示）。

圖7 液壓缸支撐座

液壓長(zhǎng)水口把持器總體示意如圖8所示。

圖8 液壓長(zhǎng)水口把持器整體示圖

5 生產(chǎn)應(yīng)用情況

2018年7月改造后的液壓把持器通過離線測(cè)試后上線使用，使用效果與設(shè)計(jì)初衷一致，并得到現(xiàn)場(chǎng)使用者的認(rèn)可?，F(xiàn)場(chǎng)使用液壓把持器后，在操作上、下大包長(zhǎng)水口的整個(gè)作業(yè)過程可由1人完成；在進(jìn)行長(zhǎng)水口與大包下水口對(duì)中作業(yè)時(shí)，可根據(jù)大包下水口的位置通過把持器的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)功能及液壓升降功能準(zhǔn)確定位，避免了因?qū)χ胁僮麟y度過大而造成的鋼水噴濺傷人的情況，在便捷操作和本質(zhì)化安全方面得到了有效的保障。

6 結(jié)束語(yǔ)

本次改造的重點(diǎn)在于對(duì)長(zhǎng)水口把持器的液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)增加的液壓系統(tǒng)解決了支點(diǎn)兩端的平衡以及對(duì)配重量進(jìn)行調(diào)整的問題，從而使長(zhǎng)水口把持器的操作優(yōu)化并提高了勞動(dòng)效率。

液壓長(zhǎng)水口把持器操作方便維護(hù)成本低，可降低人員勞動(dòng)負(fù)荷、提升勞動(dòng)效率，更為重要的是其在本質(zhì)化安全方面發(fā)揮了支撐作用，消除了安全隱患。