W12y20×2500型四輥卷板機液壓系統(tǒng)串聯(lián)油缸同步系統(tǒng)的改進

黃生慶* 石 艷

（寶鈦集團寶鈦裝備制造（寶雞）有限公司）

0 前言

四輥卷板機具有可不借助其他設(shè)備直接對金屬板材兩端部進行預彎作業(yè)，剩余直邊?。?.5 ～2倍板厚），薄板卷制不打滑，操作靈活便捷等優(yōu)點，其在壓力容器制造行業(yè)被廣泛應(yīng)用。某公司現(xiàn)有1 臺19 世紀80 年代生產(chǎn)的W12y-25×2000 型液壓四輥卷板機，由于受到技術(shù)局限，該設(shè)備下輥及兩根側(cè)輥的升降運動均采用工作輥兩端油缸串聯(lián)同步的控制方式，該控制方式存在一定不足：（1）同步精度低；（2）工作輥在反復升降動作后的累積位移誤差較大，給金屬板材的卷制質(zhì)量造成不利影響。而且該設(shè)備不顯示工作輥兩端的位移值，需依靠操作人員的眼力和工作經(jīng)驗進行調(diào)整，加工效率低下，無法滿足現(xiàn)有圓柱形筒體、錐型筒體類零件的卷制加工要求。該設(shè)備的控制精度不高，因此對操作人員的工作經(jīng)驗和對機床性能熟悉程度要求較高，導致該設(shè)備利用率不高，沒有發(fā)揮應(yīng)有的效能，長期處于閑置狀態(tài)。通過對該設(shè)備液壓系統(tǒng)控制原理進行分析，并結(jié)合設(shè)備的實際情況對其工作輥升降同步系統(tǒng)進行改造，將串聯(lián)油缸改成并聯(lián)油缸控制，并輔助電控糾偏系統(tǒng)，較好地保證了工作輥較高的位移精度和同步精度。

1 設(shè)備傳動形式簡介

液壓四輥卷板機傳動形式為：四輥卷板機上輥固定，下輥和兩側(cè)輥可以上下移動；上輥為主驅(qū)動輥，通過其旋轉(zhuǎn)為板材卷制提供扭矩，兩側(cè)輥為被動輥；通過上、下輥夾持金屬板材，控制側(cè)輥升降使板材變形來完成板材的預彎和卷制工作。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 四輥卷板機工作輥布局及運動形式

2 設(shè)備改造前存在的問題分析

設(shè)備下輥（側(cè)輥）串聯(lián)液壓控制原理如圖2 所示。工作輥由輥子兩端的兩個串聯(lián)液壓缸活塞支撐，當三位四通電磁換向閥1DT 電磁鐵通電左位處于工作狀態(tài)時，液壓泵輸出的壓力油進入左液壓缸無桿腔推動活塞向上運動，其有桿腔排出的油液進入右液壓缸的無桿腔。當左油缸有桿腔的環(huán)形面積SA1與右油缸的無桿腔面積SA2相等時，左、右油缸活塞可以實現(xiàn)串聯(lián)控制同步完成工作輥的升降動作。

圖2 下輥（側(cè)輥）串聯(lián)液壓控制系統(tǒng)圖

由于受到活塞制造誤差、摩擦阻力及油液泄漏等因素的影響,串聯(lián)液壓缸的同步精度會降低。當卷板機下輥同步精度較差時，金屬板料與上下輥的接觸面積減小，影響板料在卷制過程中的夾持力，設(shè)備操作人員可以上輥為基準，單端升高較低位置端的液壓缸活塞進行補償。當前、后側(cè)輥同步精度較差，且工作輥兩端沒有位置數(shù)值顯示時，側(cè)輥產(chǎn)生的傾斜不易察覺，導致筒體卷制合口時單邊合攏或上下交替扭曲形變，使筒體無法按要求合攏，后續(xù)需要反復修正側(cè)輥的實際位置，進行多次校正卷制，這樣既影響工件的成型質(zhì)量又降了加工效率。工件采用單一材質(zhì)時對工件的最終卷制和焊接質(zhì)量影響不大，工件為復合材料時經(jīng)過過多道次的校正卷制工序后易產(chǎn)生復層和基層的剝離，產(chǎn)生不可逆的影響。該設(shè)備未加裝串聯(lián)液壓缸的補償裝置，工作輥經(jīng)過多次移動后的累積位移誤差較大，導致工作輥的同步精度偏差變大。使設(shè)備利用率和開機率較低。因此，為了提高設(shè)備的利用率，發(fā)揮設(shè)備應(yīng)有的效能，擬將現(xiàn)串聯(lián)液壓缸同步控制系統(tǒng)改為并聯(lián)缸同步系統(tǒng)。

3 工作輥受力分析

3.1 串聯(lián)油缸承載能力分析

當卷制同一個工件時工作輥的受力及串、并聯(lián)液壓系統(tǒng)壓力如圖3，圖4 所示。

由圖3 串聯(lián)油缸工作時的受力分析圖可知：

圖3 串聯(lián)油缸時工作輥受力分析

圖4 并聯(lián)油缸時工作輥受力分析

3.2 串聯(lián)油缸承載能力的分析

由圖4 中并聯(lián)油缸工作時的受力分析圖可知：

式中：p2——并聯(lián)缸液壓系統(tǒng)壓力；

p0——減壓閥調(diào)整壓力。

由式（1）和式（2）可知：p1＞p2，所以液壓系統(tǒng)在相同負載下，并聯(lián)液壓缸的系統(tǒng)壓力比串聯(lián)液壓缸的系統(tǒng)壓力小。根據(jù)系統(tǒng)受力平衡及實際測量現(xiàn)有大、小油缸及活塞的相關(guān)尺寸可知：SA-SA2=SA2，p2=（F/2）/SA2=（F/2）/SA+p0=（F/2）/ 2SA2+p0=1/2p2+p0=2p0

在同一負荷下：p1=2p2。綜上所述，在負載相同的情況下，并聯(lián)缸系統(tǒng)驅(qū)動壓力為串聯(lián)缸的一半；在液壓泵流量保持不變的情況下，2 個全等缸徑的并聯(lián)缸的活塞速度為串聯(lián)缸的一半?，F(xiàn)設(shè)備大小油缸的面積比為2:1，因此，在工作輥原有升降速度不變的情況下液壓泵的系統(tǒng)流量應(yīng)增加50%，但系統(tǒng)壓力可降低到原體統(tǒng)壓力的一半，且整個液壓系統(tǒng)的輸入功率還有盈余。若忽略工作輥升降速度的降低對工作效率的影響，系統(tǒng)的液壓泵可不做改變。

4 液壓系統(tǒng)改進及計算

W12y-20×2500 型液壓四輥卷板下輥及前、后側(cè)輥并聯(lián)液壓油缸同步系統(tǒng)的改進措施。

4.1 液壓系統(tǒng)的改進

液壓原理圖如圖5 所示。

圖5 下輥（側(cè)輥）并聯(lián)液壓控制系統(tǒng)圖

為了減少改造的成本，僅對液壓控制系統(tǒng)進行改進，6 個液壓缸的安裝位置及結(jié)構(gòu)保持不變。

改造前準備工作應(yīng)以一側(cè)輥的實際測繪尺寸為例進行計算。實測側(cè)輥大油缸內(nèi)徑為 200 mm，活塞桿直徑為 140 mm；小油缸內(nèi)徑為 140 mm，活塞桿直徑為 100 mm。對兩缸的有桿腔和無桿腔面積進行校核，前油缸有桿腔環(huán)形面積為：SA1=（π/4）·（2 002-1 402）=5 100πmm2。后油缸無桿腔面積為：SA2=（π/4）·1 402=4 900πmm2。

由上述計算結(jié)果可知，有桿腔環(huán)形面積大于無桿腔活塞面積。二者面積不相等是2 個串聯(lián)油缸不同步的主要原因。在二者面積相等的情況下，其直徑應(yīng)按照最接近的密封圈尺寸來取值，采用標準序列的密封圈可減少非標密封圈定制的成本；且在設(shè)備維修時更便于購置密封圈，減少設(shè)備維修成本。

由于兩缸直徑不相等，并聯(lián)供油時存在較大的速度差，系統(tǒng)無法使用。因此，在小缸徑油缸進、回油油路上加裝調(diào)速閥，通過調(diào)整調(diào)速閥控制進入小缸的油量，使大、小油缸活塞的升、降速率基本保持一致，調(diào)試時使小缸徑活塞升降速率略大于大油缸活塞的升降速率。工作時，以大缸運動為基準，小缸為從動缸，根據(jù)電控系統(tǒng)給定的同步精度由電氣糾偏系統(tǒng)控制電磁鐵3DT，4DT 的通斷保證工作輥的升降控制精度，使四輥卷板機工作輥升降的精度同步，滿足工件卷制工藝對設(shè)備的要求。

4.2 工作輥兩端位移顯示及對液壓系統(tǒng)閥組的控制

在下輥及前、后側(cè)輥兩端分別加裝拉線式旋轉(zhuǎn)編碼器或光柵尺來采集工作輥軸端的位置數(shù)據(jù)，通過電控系統(tǒng)運算可實時顯示輥端的位置數(shù)據(jù)。同時電控糾偏控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)給定的工作輥升降同步精度值，實時控制電磁換向閥相應(yīng)閥位，從而實現(xiàn)較高精度的工作輥升降同步。

5 結(jié)論

通過對W12y-25×2000 型液壓四輥卷板下輥及前、后側(cè)輥并聯(lián)液壓油缸同步系統(tǒng)進行改進，較好地解決了原控制系統(tǒng)工作輥同步精度不高的弊端，使老舊設(shè)備重新發(fā)揮效能，經(jīng)濟成效顯著。同時，可為同類老舊設(shè)備的改造提供參考。