鋼包機(jī)械手液壓系統(tǒng)故障分析和改進(jìn)

胡小剛，夏飛，王文勝，袁坤，游桂良

（湖北新冶鋼有限公司，湖北 黃石 435000）

鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)是連鑄機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備之一，起著連接上下兩道工序的重要作用。鋼水從盛鋼包注入中間罐，如果不采取措施，即使連鑄鋼水經(jīng)過了各種處理，鋼水的純度很高，還是會(huì)前功盡棄，結(jié)果往往在鑄坯、鋼板和成品加工過程中出現(xiàn)種種表面或內(nèi)部缺陷，使鋼坯的機(jī)械性能變壞。因此在連鑄過程中必須使鋼水與空氣隔絕，這就是無氧澆鑄技術(shù)。

如圖1所示，長水口機(jī)械手機(jī)構(gòu)就是通過各種動(dòng)作把長水口的上端與大包滑動(dòng)水口相接，下口伸入中間罐鋼水內(nèi)，從而使鋼水流通過長水口注入中間罐，用長水口將注流與空氣隔絕。為了防止從上水口與大包滑動(dòng)水口的連接處吸入空氣，選用Ar氣體密封，這也是無氧澆注中大包與中間罐之間保護(hù)形式的一種，是品種鋼澆鑄的必要技術(shù)。

該廠某連鑄機(jī)采用的蝶式鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)，兩端裝有單獨(dú)的鋼包升降裝置和稱量裝置。機(jī)械手可將長水口順利對(duì)中鋼包滑動(dòng)水口，對(duì)中后機(jī)械手不再動(dòng)作，但澆鑄位的大包臂還得繼續(xù)下降，將長水口底端壓入中間罐鋼水中，保證鋼水質(zhì)量，故機(jī)械手升降缸必須達(dá)到與鋼包隨動(dòng)的效果。但實(shí)際生產(chǎn)過程中，該液壓系統(tǒng)屢屢出現(xiàn)故障，造成連鑄開澆失敗，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

1 原液壓系統(tǒng)工況分析（圖2）

1.1 上升過程

系統(tǒng)壓力為18MPa，減壓閥調(diào)整壓力為10MPa，滿足油缸上升動(dòng)作要求。做上升動(dòng)作時(shí)手動(dòng)換向閥4推到b位，高壓油P一方面通過三通減壓閥減壓后進(jìn)入油缸14的無桿腔，另一方面作為液控單向閥的控制油，將單向閥5打開，油缸的有桿腔與回油T口相通，形成回路。

1.2 下降過程

圖1 鋼包及機(jī)械手動(dòng)作示意圖

當(dāng)手動(dòng)換向閥4推到a位，高壓油P通過換向閥經(jīng)入油缸的有桿腔，由于三通減壓閥調(diào)整壓力為10MPa，油缸無桿腔通過三通減壓閥回油，油缸做下降動(dòng)作。

1.3 隨動(dòng)過程

當(dāng)長水口對(duì)中完畢后，換向閥4回中位，油缸無桿腔與高壓油相通使長水口緊貼住大包出鋼口，同時(shí)大包臂開始做下降動(dòng)作，由于壓差的作用，長水口油缸在重大外力作用下被迫下降，有桿腔的進(jìn)油由單向閥8從回油T自吸提供，無桿腔端三通減壓閥A口與T口相通，形成回路。

圖2 原液壓系統(tǒng)原理圖

2 故障分析

設(shè)備在初使用階段使用良好，但是經(jīng)過一段時(shí)間的使用后，經(jīng)常出現(xiàn)在澆鑄過程中，長水口油缸無桿腔失壓，導(dǎo)致長水口與大包出鋼口脫開，形成敞開澆鑄，嚴(yán)重影響鋼水質(zhì)量，被迫停澆。

經(jīng)過分析，減壓時(shí)（P到A）隨著通過減壓閥的流量的增大，減壓閥主閥開口越大（Y路的溢流量可以基本忽略），壓降會(huì)變小，所以減壓閥的輸出壓力會(huì)有所變?。ㄏ鄬?duì)于設(shè)定值）；當(dāng)負(fù)載升高時(shí)，減壓閥開口變小，壓降變大，當(dāng)負(fù)載端0流量輸出（此時(shí)經(jīng)過減壓閥的微小流量會(huì)全部從Y路溢流掉，這是減壓閥發(fā)熱的主要原因之一），減壓輸出為真正的設(shè)定值。當(dāng)負(fù)載端出現(xiàn)外部干擾，突然增大時(shí)，該減壓閥主閥芯會(huì)進(jìn)一步移動(dòng)，由P至A變成A至T，此時(shí)出現(xiàn)溢流回油（流量可以遠(yuǎn)大于先導(dǎo)減壓控制的Y路溢流量），隨著流量的增大，溢流壓力會(huì)有所提高。

現(xiàn)實(shí)工況中，大包加上鋼水的重量近130t，完全作用于長水口油缸之上，原有液壓系統(tǒng)在長期使用過程中，三通減壓閥存在著較大的負(fù)荷，特別是長水口油缸在受負(fù)載的影響被迫下降時(shí)，無桿腔完全靠三通減壓閥進(jìn)行溢流回油。蓄能器容積選型過小，壓力吸收的作用不大，加上現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境及油質(zhì)的影響，三通減壓閥失效的幾率增大，導(dǎo)致長水口油缸工作中無桿腔不保壓，長水口在自重的情況下脫落。

3 系統(tǒng)改進(jìn)

為確保長水口及機(jī)械手在任何狀態(tài)都與大包出鋼口貼合，對(duì)水口密封處進(jìn)行一個(gè)受力分析，要達(dá)到使用要求，機(jī)械手支撐力N應(yīng)滿足：

式中：F1為鋼包長水口及機(jī)械手折算在水口密封處的自重，F(xiàn)2為鋼水在水口處的靜壓力，F(xiàn)3為鋼水經(jīng)過水口產(chǎn)生的沖擊力（摩擦力），F(xiàn)4為長水口的壓緊力，N為機(jī)械手油缸在長水口在密封處的輸出支撐力。

鋼水在水口密封處的靜壓力F2等于鋼水在長水口碗部的壓強(qiáng)P(P=ρgh)乘以長水口碗部接觸面在水平方向上的截面積簡算。即：

式中：ρ為鋼水密度，g為重力加速度，h為鋼水在此處的高度，S為長水口碗部接觸面在水平方向上的截面積。

鋼水經(jīng)過水口產(chǎn)生的沖擊力（摩擦力）F3沒有確切的數(shù)據(jù)，可認(rèn)為鋼水與長水口產(chǎn)生最大的摩擦力以至于鋼水無法使長水口靠自重脫離，粗算為長水口內(nèi)滯留的鋼水的重力。

F4即為鋼包出鋼口與鋼包長水口間的密封壓力，該力既需要不影響長水口的使用壽命，不至于將碗口壓裂壓破，又要起到良好密封效果為宜。根據(jù)耐材現(xiàn)場(chǎng)使用情況及取樣檢測(cè)結(jié)果取5kN合適。

根據(jù)其使用要求及受力分析，重新設(shè)計(jì)控制回路，由于三通減壓閥對(duì)油液的精度要求更高，而且相對(duì)于普通換向閥價(jià)格較為昂貴，將原三通減壓閥直接去掉，同時(shí)為保證緊壓力的穩(wěn)定，不受三通減壓閥剔除后的壓力波動(dòng)時(shí)的影響，增加蓄能器的容積到10L，讓無桿腔的進(jìn)油與回油完全由蓄能器提供，改進(jìn)后的系統(tǒng)如圖3所示。上升時(shí)靠蓄能器9供壓，下降時(shí)靠系統(tǒng)壓力與蓄能器壓力的壓差將回油壓回蓄能器，隨動(dòng)時(shí)負(fù)載外力將回油壓回蓄能器（若條件具備，還可以在蓄能器本體上加裝安全溢流閥），另加裝兩個(gè)常閉高壓球閥，分別與高壓油管和回油管接通，取到給蓄能器充壓和卸壓的作用，通過有桿腔與無桿腔的面積比計(jì)算，預(yù)充10~13MPa,滿足動(dòng)作要求。注意的是充壓時(shí)要關(guān)注壓力表10的指示，勿要充至與系統(tǒng)壓力相等，由于有桿腔面積小于無桿腔面積，無法做下降動(dòng)作。

圖3 改進(jìn)后液壓系統(tǒng)原理圖

4 結(jié)語

液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅要考慮設(shè)備工況的要求，還要充分考慮在使用過程中系統(tǒng)的可靠性。原系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的控制回路雖然可以完成設(shè)備的動(dòng)作要求，卻忽略了控制閥在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用當(dāng)中，長期工作后會(huì)出現(xiàn)問題。改進(jìn)后的系統(tǒng)更簡單明了，制作成本更低，維護(hù)更方便。而且該控制回路使蓄能器的作用得到更進(jìn)一層的發(fā)揮，是一次大膽的創(chuàng)新應(yīng)用。經(jīng)過實(shí)施后，液壓系統(tǒng)出現(xiàn)的故障次數(shù)大為減少，也提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。