電液比例技術(shù)在高爐液壓炮控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

張守喜，梁科，郭玉偉

（本鋼板材公司煉鐵廠，遼寧 本溪117000）

隨著冶金工業(yè)的飛速發(fā)展，作為鋼鐵冶煉過(guò)程中的重要組成部分——高爐也發(fā)生了突飛猛進(jìn)的變革，正朝著大型化、高效化、自動(dòng)化轉(zhuǎn)變。本鋼煉鐵廠新1號(hào)4747 m3高爐2008年10月投產(chǎn)，引進(jìn)了德國(guó)TMT公司生產(chǎn)的成套設(shè)備TMT液壓炮系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用電液比例控制技術(shù)，即指令、比較、反饋、PID調(diào)節(jié)均由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具有控制精度高、安裝使用靈活、抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中，TMT液壓炮回轉(zhuǎn)過(guò)程外負(fù)載是時(shí)刻變化和無(wú)法預(yù)知的，由于流動(dòng)液體和運(yùn)動(dòng)部件慣性的作用，產(chǎn)生的液壓沖擊使系統(tǒng)內(nèi)瞬時(shí)形成很高的峰值壓力，壓力傳感器經(jīng)常會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤堵鐵口指令，給高爐生產(chǎn)帶來(lái)極大影響。針對(duì)上述情況，本鋼煉鋼廠對(duì)TMT液壓炮液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行分析論證，找出了故障的原因，并采取了相應(yīng)的措施，提高了液壓控制系統(tǒng)的可靠性，使其滿足高爐生產(chǎn)的需求。

1 TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)

1.1 TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)是開關(guān)型控制，通過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓流體的通、斷和方向控制，從而實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的機(jī)械化和自動(dòng)化。而電液比例控制系統(tǒng)是特指介于開關(guān)控制和伺服控制之間的一種新型電液控制系統(tǒng)[2]，是連接現(xiàn)代電子技術(shù)和大功率工程控制設(shè)備之間的橋梁，已經(jīng)成為冶金行業(yè)控制工程的構(gòu)成之一，系統(tǒng)的輸出量能隨輸入控制信號(hào)連續(xù)成比例地得到控制。TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)主要由指令元件、反饋元件、比較元件、液壓放大與控制元件、液壓執(zhí)行元件五部分組成。圖1所示為TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)方塊圖，其中，向系統(tǒng)發(fā)出指令信號(hào)的裝置是計(jì)算機(jī)程序控制軟件。液壓泥炮液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為28 MPa，工作介質(zhì)為46#抗磨液壓油，介質(zhì)清潔度NAS9級(jí)。液壓泥炮轉(zhuǎn)炮控制系統(tǒng)由主回路和控制油回路兩部分構(gòu)成，工作主泵為恒壓變量泵，排量為250 mL/r，電機(jī)200 kW，轉(zhuǎn)速1 480 r/min。

圖1 TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)方塊圖Fig.1 Block Diagram for Rotary Control System for TMT Hydraulic Clay Gun

1.2 比例放大器控制原理

當(dāng)高爐堵鐵口時(shí)，由爐前操作工在操作室手動(dòng)操作主令控制器手柄，向計(jì)算機(jī)發(fā)出堵鐵口指令信號(hào)，TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)裝置比例放大器接受電信號(hào)，進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換與運(yùn)算、通過(guò)功率放大產(chǎn)生所需要的液壓控制信號(hào)（流量和壓力），通過(guò)電液比例閥，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)液壓缸的運(yùn)動(dòng)，比例放大器控制原理見圖2。電液比例閥是閥內(nèi)比例電磁鐵輸入電壓信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作，使工作閥閥芯產(chǎn)生位移，閥口尺寸發(fā)生改變并以此完成與輸入電壓成比例壓力、流量的輸出元件。閥芯位移也可以機(jī)械、液壓或電形式進(jìn)行反饋。

圖2 比例放大器控制原理圖Fig.2 Elementary Diagram for Control of Proportional Amplifier

1.3 電液比例閥閥口特性分析

電液比例閥閥口輸出流量有如下形式：

式中，qυ為電液比例閥單個(gè)閥口的輸出流量，m3/s；K為流量系數(shù)，與節(jié)流孔口的形狀、油液密度有關(guān)，可視為常數(shù)；A為電液比例閥單個(gè)控制閥口的通流面積，m2；i為電液比例閥電磁鐵通過(guò)的電流，A；ΔP為電液比例閥單個(gè)閥口的壓差，MPa。

式（1）表明，電液比例閥的輸出流量與控制電流i和閥口壓差ΔP有關(guān)。當(dāng)電液比例閥閥口的開度（通流面積A）一定，對(duì)應(yīng)閥的輸入電流信號(hào)不變時(shí)，由負(fù)載變化或供油壓力變化引起閥口壓差的變化，使電液比例閥的輸出流量產(chǎn)生變化，會(huì)形成對(duì)電液比例閥流量控制的干擾，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度的失控。電液比例閥閥口的壓差—流量特性曲線如圖3所示，從圖3明顯看出壓差對(duì)流量大小的影響程度。當(dāng)電液比例閥電磁鐵通過(guò)的電流i一定時(shí)，隨著電液比例閥閥口壓差ΔP的升高，電液比例閥閥口的輸出流量增大。

圖3 電液比例閥閥口壓差—流量特性Fig.3 Characteristics of Pressure Difference to Flow at Value Port of Electro-hydraulic Proportion Value

2 TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)存在的問題

2.1 比例放大器調(diào)節(jié)失控

TMT液壓炮堵鐵口時(shí),回轉(zhuǎn)油缸帶動(dòng)打泥機(jī)構(gòu)向鐵口方向運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)時(shí)間是10～15 s。當(dāng)炮頭壓緊鐵口門時(shí)，回轉(zhuǎn)油缸無(wú)桿腔壓力升高并達(dá)到系統(tǒng)最高壓力，證明已經(jīng)堵住鐵口，此時(shí)安裝在回轉(zhuǎn)油缸無(wú)桿腔上的壓力傳感器向計(jì)算機(jī)發(fā)出指令電信號(hào)，計(jì)算機(jī)把該信號(hào)向操作室發(fā)出，爐前操作工手動(dòng)操作主令控制器手柄，向計(jì)算機(jī)發(fā)出打泥指令，打泥機(jī)構(gòu)向鐵口內(nèi)射炮泥。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，TMT液壓炮開始啟動(dòng)時(shí)，電液比例閥閥芯突然動(dòng)作換向，閥口突然開啟，由于流動(dòng)液體慣性和TMT液壓炮要克服自身重量負(fù)載的作用，使回轉(zhuǎn)油缸無(wú)桿腔內(nèi)瞬時(shí)形成很高的峰值沖擊壓力。一般來(lái)說(shuō)，液壓沖擊產(chǎn)生的峰值壓力可高達(dá)正常系統(tǒng)壓力的3～4倍。只要回轉(zhuǎn)油缸無(wú)桿腔壓力達(dá)到系統(tǒng)最高壓力，壓力傳感器自動(dòng)向計(jì)算機(jī)發(fā)出堵鐵口指令，就會(huì)出現(xiàn)TMT液壓炮在回轉(zhuǎn)過(guò)程中或炮頭未壓緊鐵口門時(shí)打泥機(jī)構(gòu)提前向鐵口內(nèi)射炮泥現(xiàn)象。一旦這種現(xiàn)象發(fā)生，輕者出現(xiàn)“跑泥”使鐵口內(nèi)射入炮泥量過(guò)少；重者炮頭被燒毀，甚至堵不上鐵口，嚴(yán)重影響高爐正常生產(chǎn)。

2.2 TMT液壓炮運(yùn)動(dòng)速度失控

TMT液壓炮由打泥機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)組成。炮身依靠四桿機(jī)構(gòu)固定在斜底座上，由于炮身旋轉(zhuǎn)軸是傾斜的，TMT液壓炮在整個(gè)回轉(zhuǎn)過(guò)程中，要經(jīng)過(guò)上升和下降兩個(gè)過(guò)程，剛剛啟動(dòng)時(shí)要克服自身重量,運(yùn)動(dòng)速度較慢，炮身運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)后下降時(shí)，旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿受到拉力作用（旋轉(zhuǎn)油缸無(wú)桿腔產(chǎn)生負(fù)壓）開始加速，當(dāng)炮嘴靠近鐵溝時(shí)以非常大的沖擊力沖向鐵口撞擊在鐵口門上。這種沖擊力危害非常嚴(yán)重，可造成四桿機(jī)構(gòu)及斜底座連接螺栓疲勞斷裂，液壓系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性也會(huì)受到?jīng)_擊力的影響，引起液壓系統(tǒng)升溫，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲以及連接件松動(dòng)漏油，使壓力閥的調(diào)整壓力（設(shè)定值）發(fā)生改變，重則致使管路破裂、液壓元件和測(cè)量?jī)x表?yè)p壞，壓力傳感器會(huì)因液壓沖擊而發(fā)出錯(cuò)誤指令。

3 采取的措施

3.1 增設(shè)壓力補(bǔ)償器

由以上分析可知，雖然TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)采用了電液比例技術(shù)，但是，電液比例閥的閥口前后壓差隨負(fù)載變化不斷的變化。為了獲得更好的速度剛性，在原液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)壓力補(bǔ)償器，使電液比例閥的閥口前后壓差保持恒定[3]。TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)改進(jìn)后簡(jiǎn)化原理圖如圖4所示。

圖4 TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)改進(jìn)后簡(jiǎn)化原理圖Fig.4 Simplified Elementary Diagram for Rotary Control System for TMT Hydraulic Clay Gun after Improvement

壓力補(bǔ)償器是由定差減壓閥與梭閥并聯(lián)而成的組合，梭閥接受液壓缸的負(fù)載壓力并傳遞到定差減壓閥閥芯的彈簧端，使閥芯左右移動(dòng)，進(jìn)一步調(diào)節(jié)閥口開度控制輸出流量。

減壓閥閥芯受力平衡方程為：

式中,P1、P2為減壓閥口的壓力，MPa；Ac為壓閥芯端面積，m2，此處閥芯兩端面積相等；Fs為減壓閥口上的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，N；K為定壓差彈簧剛度，可視為常數(shù)；xυ0為定壓差彈簧裝配時(shí)的預(yù)壓縮量，mm；xυ為定壓差彈簧起減壓作用時(shí)的位移量，mm；ΔP為減壓閥口（電液比例閥單個(gè)閥口）形成的壓差，MPa。

忽略穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，當(dāng)彈簧很軟，調(diào)節(jié)位移又很短時(shí)，彈簧力變化就很小，從而壓差近似為常數(shù)。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，由于梭閥的反饋?zhàn)饔茫瑝毫ρa(bǔ)償器的閥芯將重新建立平衡位置，減壓閥口正常工作時(shí)形成的壓差仍為常數(shù)[4]。

3.2 調(diào)整閥口開啟和關(guān)閉時(shí)間

在TMT液壓炮回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)中，從一個(gè)設(shè)定位置到另一個(gè)設(shè)定位置的運(yùn)動(dòng)速度可由斜坡模塊控制。通過(guò)調(diào)節(jié)比例放大器中斜坡模塊的輸入信號(hào)，來(lái)延長(zhǎng)比例閥閥口開啟和關(guān)閉輸出速度，使液壓油緩慢進(jìn)入和流出液壓缸，避免了液壓系統(tǒng)沖擊。圖5所示為比例放大器斜坡模塊。利用斜坡信號(hào)發(fā)生器來(lái)控制輸入信號(hào)的上升和下降的速度，使系統(tǒng)獲得平穩(wěn)的啟動(dòng)或制動(dòng)性能。

圖5 比例放大器斜坡模塊Fig.5 Ramp Module for Proportional Amplifier

3.3 利用階躍信號(hào)控制閥芯

電液比例閥的閥口有20%左右的重疊量稱為“死區(qū)”。通常情況下，電液比例閥電磁鐵得電后閥芯并未立刻開啟，只有閥芯移動(dòng)一段位移越過(guò)“死區(qū)”后才有流量通過(guò)，造成操作人員發(fā)出指令（按下按鈕），而執(zhí)行機(jī)構(gòu)嚴(yán)重滯后。為了提高控制質(zhì)量，采取了向系統(tǒng)輸入階躍信號(hào)時(shí)，利用比例放大器輸出的電信號(hào)能夠以可調(diào)的速率達(dá)到給定值的特性，將斜坡時(shí)間設(shè)定在0～2.5 s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，進(jìn)一步分別把斜坡上升和下降時(shí)間調(diào)到最?。ù蠹s30 ms）。

電液比例閥的動(dòng)態(tài)特性和時(shí)域階躍特性如圖6所示，利用階躍信號(hào)使閥芯產(chǎn)生快跳消除“死區(qū)”的影響，達(dá)到迅速越過(guò)“死區(qū)”這一目的，解決了執(zhí)行機(jī)構(gòu)嚴(yán)重滯后的難題。圖6（a）表示在30～120 ms時(shí)間內(nèi)，閥芯設(shè)定行程完全達(dá)到開啟點(diǎn)；圖6（b）表示閥芯接到階躍信號(hào)后開始移動(dòng)，到比例閥完全有流量通過(guò)在0～120 ms時(shí)間內(nèi)完成。

圖6 電液比例閥動(dòng)態(tài)特性和時(shí)域階躍特性Fig.6 Dynamic Characteristics and Characteristics on Time Domain & Step of Electro-hydraulic Proportional Value

4 應(yīng)用效果

通過(guò)調(diào)節(jié)比例放大器中的斜坡模塊，來(lái)延長(zhǎng)輸入信號(hào)（電流或電壓值）達(dá)到預(yù)定值的時(shí)間，減緩控制比例閥閥芯開啟速度，進(jìn)一步控制流出比例閥閥芯液壓油的流量，可以使系統(tǒng)的輸出以預(yù)定的速度從一種狀態(tài)平穩(wěn)過(guò)渡到另一種狀態(tài)，保證了執(zhí)行機(jī)構(gòu)從緩慢起步、快速運(yùn)動(dòng)到平穩(wěn)停止，避免了液壓沖擊的產(chǎn)生。液壓泥炮旋轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)間由原來(lái)的8.5 s精確控制在13 s以內(nèi),旋轉(zhuǎn)角精度由原來(lái)的1.65 mm增加到0.60 mm，延長(zhǎng)了TMT液壓炮使用壽命。

液壓沖擊造成管路破裂維修工程費(fèi)用為：人工+機(jī)械+材料。人工費(fèi)每年為85萬(wàn)元，各種機(jī)械費(fèi)每年為50萬(wàn)元，不銹鋼管及附件材料費(fèi)每年為85萬(wàn)元，合計(jì)：85+50+85=220萬(wàn)元。每年節(jié)省一臺(tái)TMT液壓炮，價(jià)值140萬(wàn)元。每年共創(chuàng)效360萬(wàn)元。

5 結(jié)論

（1）TMT液壓炮系統(tǒng)增設(shè)壓力補(bǔ)償器，使電液比例閥閥口的壓差始終保持恒定，回轉(zhuǎn)油缸全行程動(dòng)作平穩(wěn)，動(dòng)作時(shí)間由原來(lái)的8.5 s精確控制在13 s以內(nèi)，旋轉(zhuǎn)角精度由原來(lái)的1.65 mm增加到0.6 mm。

（2）通過(guò)調(diào)節(jié)比例放大器中的斜坡模塊,輸出的電信號(hào)能夠以可調(diào)的速率達(dá)到給定值，斜坡上升時(shí)間調(diào)到最小約30 ms，下降時(shí)間調(diào)到最大約2.5 s，避免了液壓沖擊的產(chǎn)生。

（3）利用階躍信號(hào)使電液比例閥閥芯產(chǎn)生快跳，可達(dá)到迅速越過(guò)“死區(qū)”這一目的，系統(tǒng)的跟蹤速度、精度、緩沖特性均有所改善和提高。

（4）采取上述措施后，延長(zhǎng)了TMT液壓炮使用壽命,更好地滿足高爐的生產(chǎn)要求，每年獲得經(jīng)濟(jì)效益360萬(wàn)元。