張力減徑機(jī)機(jī)架推拉裝置的液壓同步控制

張英嬋

(太原重工股份有限公司，山西030024)

張力減徑機(jī)是熱連無縫鋼管生產(chǎn)機(jī)組中變形的主要設(shè)備之一，完成鋼管的最后一道變形工序。具有無芯棒、多道次的連續(xù)軋制特點(diǎn)。主要用于擴(kuò)大鋼管品種范圍，可由一種或幾種荒管獲得幾百種不同直徑和壁厚的成品管。

張力減徑機(jī)是通過軋輥機(jī)架實(shí)現(xiàn)鋼管的微張力減徑和定徑規(guī)圓。軋輥機(jī)架多為三輥式，如圖1所示。軋制過程中，每組軋輥機(jī)架分別由液壓缸鎖定在軋機(jī)牌坊內(nèi)。

軋輥機(jī)架內(nèi)安裝有互成120°布置的三組軋輥，每組軋輥單獨(dú)傳動(dòng)，萬向聯(lián)軸器一端與減速機(jī)輸出端相聯(lián)，另一端通過內(nèi)齒圈與軋輥機(jī)架連接。新舊機(jī)架的更換可通過萬向聯(lián)軸器的內(nèi)齒圈端與軋輥機(jī)架的外齒圈端的分離與嚙合來完成。

1 機(jī)架推拉裝置

機(jī)架推拉裝置是換輥裝置的重要組成部分。用于操作軋輥機(jī)架新機(jī)架的推入和舊機(jī)架的拉出。軋輥機(jī)架的推入和拉出均由液壓缸控制操作完成。

換輥裝置中除機(jī)架推拉裝置外，還有換輥小車和輥道裝置等重要組成部件，如圖2所示。換輥裝置主要用于快速更換軋輥機(jī)架以進(jìn)行鋼管規(guī)格的變換，或接出機(jī)架進(jìn)行加油維護(hù)等。

圖1 軋輥機(jī)架Figure 1 Roll framework 圖2 換輥裝置Figure 2 Roll changer

換輥小車由兩個(gè)相連接的車架組成。機(jī)架推拉裝置將主機(jī)座中的舊機(jī)架拉出后放在一個(gè)空車架上，通過小車傳動(dòng)裝置移動(dòng)小車，將另一裝配好新機(jī)架的小車移至工作位置，并通過推拉裝置將新機(jī)架推入主機(jī)座內(nèi)。

換輥小車車架由車輪支撐，車輪在軌道裝置上滾動(dòng)從而帶動(dòng)小車移動(dòng)。由車架下面的液壓馬達(dá)控制完成小車移動(dòng)。

機(jī)架推拉裝置由液壓缸、橫梁支架、推頭、拉鉤、滑板、底座等組成。液壓缸操作可使推拉橫梁在底座、換輥小車的導(dǎo)軌滑板上滑動(dòng)，以達(dá)到將機(jī)架拉出或推進(jìn)主機(jī)座。推拉裝置含兩套橫梁支架，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)推、拉或單獨(dú)動(dòng)作。

2 機(jī)架推拉裝置的最初液壓控制原理

每組機(jī)架推拉裝置分別由兩只液壓缸控制推拉。兩只液壓缸分別布置在機(jī)架推拉裝置橫梁支架的一側(cè)兩端。橫梁支架的另一側(cè)焊裝有若干個(gè)拉鉤。兩只長行程的液壓缸無論是推進(jìn)還是拉出都需要同步控制操作。

當(dāng)橫梁支架的拉鉤與軋輥機(jī)架的掛鉤相扣后，由液壓缸動(dòng)作，使軋輥機(jī)架沿輥道滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)軋輥機(jī)架的推進(jìn)和拉出。所以正常工作情況下，負(fù)載力并不是很大。機(jī)架推拉裝置的控制重點(diǎn)在于兩只長行程液壓缸的同步。

軋輥機(jī)架推拉裝置的改進(jìn)前的液壓控制原理圖見圖3(a)。由分流馬達(dá)控制兩只液壓缸同步。其同步因素決定于每個(gè)液壓馬達(dá)每轉(zhuǎn)排油量之差和液壓馬達(dá)的容積效率，所以在要求精確度較高的場合，可以采用容積效率高的柱塞式液壓馬達(dá)。由于分流馬達(dá)具有增壓器的功能，分流馬達(dá)運(yùn)行過程中，馬達(dá)出口的溢流閥可以防止因增壓作用而導(dǎo)致馬達(dá)出口產(chǎn)生過高的壓力，起過載保護(hù)作用。當(dāng)一個(gè)液壓缸因?yàn)橥饬Φ纫蛩剡\(yùn)行加快時(shí)，馬達(dá)出口的單向閥可以保證速度最快的液壓缸不會(huì)發(fā)生吸空現(xiàn)象。

(a)改進(jìn)前的液壓原理圖(b)改進(jìn)前的液壓原理圖

圖3 軋輥機(jī)架推拉裝置的液壓原理圖
Figure 3 Hydraulic principle of roll framework push-pull device

其工作原理為：由于機(jī)架推拉裝置的液壓缸行程長、缸徑大，為節(jié)約成本，分流馬達(dá)一般連接在液壓缸的活塞桿腔。軋輥機(jī)架推進(jìn)時(shí)，液壓缸活塞腔進(jìn)油，活塞桿腔排油，液壓缸的活塞桿伸出。電液換向閥的電磁鐵b得電，壓力油經(jīng)電液換向閥、單向節(jié)流閥進(jìn)入液壓缸的活塞腔，兩只液壓缸的活塞桿同時(shí)伸出，活塞桿腔油液經(jīng)分流馬達(dá)、單向節(jié)流閥、電液換向閥流入回油管路。軋輥機(jī)架拉出時(shí)，液壓缸的活塞桿腔進(jìn)油，活塞腔排油，液壓缸的活塞桿縮回。電液換向閥的電磁鐵a得電，壓力油經(jīng)電液換向閥、單向節(jié)流閥，進(jìn)入分流馬達(dá)，分流后的油液分別進(jìn)入兩只液壓缸的活塞桿腔，液壓缸活塞腔的液壓油經(jīng)單向節(jié)流閥、電液換向閥流入回油管路。

從圖3(a)可以看出，兩只液壓缸的同步精度由分流馬達(dá)決定。如果僅從液壓原理分析，同步效果應(yīng)該很好。但在實(shí)際操作中，很難實(shí)現(xiàn)兩缸完全同步。原因是：

(1)液壓配管的不對(duì)稱性；

(2)負(fù)載的不均衡；

(3)滑道摩擦阻力不相同；

(4)液壓缸的安裝和制造誤差。

由上述因素直接導(dǎo)致的結(jié)果是：啟動(dòng)時(shí)，兩只液壓缸的活塞桿很少同步運(yùn)動(dòng)，兩缸行程較長，中間誤差無法削除，總是一只液壓缸先走完行程。嚴(yán)重時(shí)，在機(jī)架推拉過程中，兩只液壓缸的行程差值很大，只能控制其停留在某一位置上，不能繼續(xù)前行。此時(shí)，已經(jīng)無法從液壓控制回路來處理問題。唯一的辦法是拆除液壓缸與機(jī)架推拉裝置的聯(lián)接，使液壓缸空載復(fù)位。這樣，軋輥機(jī)架更換費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)節(jié)奏。

3 機(jī)架推拉裝置現(xiàn)場改進(jìn)液壓控制原理

從現(xiàn)場實(shí)際情況分析，改進(jìn)后的液壓控制原理如圖3(b)，在分流馬達(dá)出口旁路上分別增設(shè)一個(gè)小通徑截止閥。軋輥機(jī)架推進(jìn)過程中，如果一個(gè)液壓缸運(yùn)行過慢，手動(dòng)打開該液壓缸回路中的截止閥，減小該液壓缸的背壓，以達(dá)到兩缸同步。

軋輥機(jī)架拉出過程中，如果一個(gè)液壓缸運(yùn)行過快，手動(dòng)打開該液壓缸回路中的截止閥，分流其活塞桿腔的油液，以達(dá)到兩缸同步。

改進(jìn)的液壓控制原理只是粗略地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)液壓缸的同步，基本滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的需要。但是軋輥機(jī)架的更換還會(huì)由于兩個(gè)液壓缸的同步問題占用較長時(shí)間，將大大影響整條熱軋線的生產(chǎn)效率。

4 新設(shè)計(jì)的液壓控制原理

由于推拉裝置的兩個(gè)液壓缸均為中部法蘭安裝，活塞桿頭部共同聯(lián)接于橫梁上，推拉機(jī)架時(shí)，機(jī)架底部有滑槽導(dǎo)向，機(jī)械結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了剛性同步聯(lián)接，這一聯(lián)接的優(yōu)點(diǎn)是使兩個(gè)液壓缸易于實(shí)現(xiàn)同步，缺點(diǎn)是一旦出現(xiàn)負(fù)載不均衡，由于液壓缸的行程較長，一般都長于2 m，液壓缸在運(yùn)行過程中稍有不同步現(xiàn)象，非常容易卡死。為此新設(shè)計(jì)的同步控制回路將兩個(gè)液壓缸的控制分開，采用比例閥保證兩缸同步。同時(shí)有小通徑伺服閥旁路控制，消除過程誤差。

如果兩個(gè)液壓缸上安裝有位移傳感器，可與比例閥形成閉環(huán)同步控制，將大大提高同步控制的精度?？紤]到機(jī)架推拉液壓缸的長行程，安裝位移傳感器將會(huì)極大地增加成本。因此只采用比例閥開環(huán)控制。

新設(shè)計(jì)的軋輥機(jī)架推拉裝置的液壓控制原理如圖4所示。

機(jī)架推拉過程中，兩個(gè)液壓缸的同步控制雖有位置控制，但其速度控制更優(yōu)先于位置控制。速度控制的最佳配置當(dāng)然是比例閥，速度控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)是執(zhí)行器以等于指令速度的恒定速度運(yùn)動(dòng)。因此，根據(jù)機(jī)架推拉液壓缸的缸徑、行程、負(fù)載、速度及同步要求，選用兩個(gè)完全相同的先導(dǎo)式帶閥芯位置反饋的比例方向閥。

圖4 新設(shè)計(jì)液壓原理圖Figure 4 Hydraulic principle of the new design

機(jī)架推進(jìn)過程中，兩個(gè)比例電磁鐵1DT接收到PLC的同一指令信號(hào)，兩個(gè)比例方向閥將以相同的開口量控制兩個(gè)液壓缸的活塞桿伸出，理想狀態(tài)下，兩個(gè)液壓缸會(huì)以相同的運(yùn)行速度將軋輥機(jī)架推入工作位置。機(jī)架拉出過程的原理相同。

依此設(shè)計(jì)原理，軋輥機(jī)架在推拉機(jī)架過程中，由比例方向閥控制，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了速度同步要求，速度同步也意味著位置同步。在實(shí)際運(yùn)行中，為了避免長行程液壓缸有可能出現(xiàn)不完全同步或卡死現(xiàn)象，該回路中特意設(shè)計(jì)了兩組旁路閥組，每組旁路閥組中包含一個(gè)小通徑電磁換向閥和一個(gè)小通徑單向節(jié)流閥。當(dāng)兩個(gè)液壓缸嚴(yán)重不同步或卡死時(shí)，比例方向閥停止工作，回復(fù)中位，旁路閥組開啟。機(jī)架推進(jìn)過程中，旁路閥組1用于兩個(gè)液壓缸活塞腔油液的補(bǔ)充或釋放；機(jī)架拉出過程中，旁路閥組2用于兩個(gè)液壓缸活塞桿腔油液的補(bǔ)充或釋放。

5 結(jié)語

新設(shè)計(jì)的軋輥機(jī)架推拉裝置液壓系統(tǒng)采用兩個(gè)比例閥分別控制兩個(gè)液壓缸的同步，并有旁路閥組解決液壓缸運(yùn)行過程中出現(xiàn)的不完全同步或卡死故障。此設(shè)計(jì)避免了長行程液壓缸裝設(shè)位移傳感器，以開環(huán)控制保證兩缸的同步運(yùn)行，大大降低成本，且有小通徑旁路閥組作為補(bǔ)充，能夠很好地滿足機(jī)架推拉的同步運(yùn)行，從根本上保證軋輥機(jī)架的順利更換，節(jié)省時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，可在生產(chǎn)中廣泛推廣應(yīng)用。