軋機彎輥液壓系統(tǒng)漏油分析及其優(yōu)化改造

黃寧

(北京大學(xué)圖書館，北京 100871)

0 前言

國內(nèi)某軋鋼廠使用的是中國第二重型機械集團公司生產(chǎn)的3 500 mm中厚板單機架四輥可逆式軋機，軋機通過正反轉(zhuǎn)多道次對加熱出爐的鋼坯進行開坯和精軋，軋制過程中伴隨較大的軋制沖擊力。該型號軋機設(shè)計產(chǎn)能是60萬噸/年，通過對設(shè)備、工藝和生產(chǎn)組織等進行持續(xù)改進，實際產(chǎn)能約達到設(shè)計產(chǎn)能的2倍。產(chǎn)能持續(xù)攀升的最基礎(chǔ)保障之一是設(shè)備。快速的生產(chǎn)和高頻的軋制是原設(shè)計未能考慮到的。尤其是軋機壓緊缸因受巨大沖擊力，經(jīng)常出現(xiàn)泄漏故障停機制約生產(chǎn)。為有效釋放產(chǎn)能，必須解決壓緊/彎輥液壓系統(tǒng)設(shè)備瓶頸問題。

1 壓緊/彎輥液壓系統(tǒng)功能說明

該型號軋機壓緊/彎輥液壓系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)：(1)軋制過程的平衡狀態(tài)，該狀態(tài)在壓緊和彎輥功能間切換，壓緊時，DT7、DT9失電彎輥伺服系統(tǒng)退出工作，DT2、DT4、DT6得電，液壓缸無桿腔進油，工作壓力切換為18 MPa，液壓缸提供足夠的壓靠力使工作輥與支撐輥緊密接觸并產(chǎn)生足夠摩擦力帶動支撐輥轉(zhuǎn)動；彎輥時，DT3、DT5得電壓緊功能退出，DT2、DT7、DT8、DT9、DT10得電，無桿腔工作壓力切換到31.5 MPa，液壓伺服系統(tǒng)投入使用，在提供可靠壓緊力的基礎(chǔ)上，通過正彎和負(fù)彎輥糾正因軋制力變化引起的軋輥變形對板形的影響；(2)工作輥換輥過程的伸、縮狀態(tài)，換輥抽出工作輥前，DT1、DT3、DT5得電，其余失電，壓緊缸活塞桿執(zhí)行縮回動作，在更換裝回工作輥后，DT2、DT4、DT6得電，其余失電，液壓缸活塞桿執(zhí)行伸出動作。液壓原理如圖1所示。

圖1 軋機壓緊/彎輥液壓系統(tǒng)原理

系統(tǒng)主要控制和執(zhí)行元件相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 軋機壓緊/彎輥液壓系統(tǒng)主要元件

壓緊/彎輥液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件由8個液壓缸缸塊組成，每個缸塊上集成2個雙作用液壓缸，上、下壓緊缸缸塊分別安裝在上支承輥軸承座和軋機牌坊上，如圖2所示。

圖2 軋機輥系示意

2 軋制過程中壓緊缸受力分析

2.1 軋輥受力分析

四輥可逆式軋機在正、逆向軋制咬入和拋出鋼坯過程中，會產(chǎn)生巨大的軋制沖擊力和軸向竄輥力。軋制鋼坯過程中受力如圖3所示。

圖3 正、逆向道次軋制受力分析

上工作輥垂直方向力平衡方程為

=+2

經(jīng)分析，在軋機咬入鋼坯瞬間，軋制力從零階躍上升為，并在軋制過程中持續(xù)波動。軋制力主要由上支撐輥的支撐力平衡掉，迅速上升；與此同時，軋機彎輥液壓系統(tǒng)發(fā)揮作用，一方面要通過彎輥力補償工作輥變形，另一方面因軋輥輥形變化，壓緊缸活塞桿被迅速壓迫微量回縮產(chǎn)生壓力脈沖。在軋機拋鋼瞬間，=0，上工作輥迅速恢復(fù)彈性形變，壓緊缸活塞桿回縮量減小，無桿腔壓力瞬間變小，恢復(fù)正常彎輥作用，達到平衡狀態(tài):

=2

正向軋制時，上工作輥水平方向力平衡方程為

=+

式中：為軸向力;為軋輥和鋼坯間摩擦力;為軸向擋板阻力。逆向道次軋制時軸向力大小相等，方向相反。軋制力、軸向力和彎輥力變化如圖4所示。

圖4 正、逆向道次軋制力p、軸向力F和彎輥力N曲線

3 壓緊/彎輥液壓系統(tǒng)主要問題及解決方案

3.1 取消彎輥作用

3.1.1 主要問題分析

壓緊缸彎輥液壓系統(tǒng)的工作壓力為31.5 MPa，核心控制元件為2個射流管式伺服閥。彎輥系統(tǒng)通過施加外力使工作輥產(chǎn)生正彎或負(fù)彎，以補償因軋制力導(dǎo)致工作輥變形而對鋼板板形產(chǎn)生的影響。但彎輥系統(tǒng)在實際使用中存在兩個問題：(1)工作壓力較高，壓力脈沖易造成液壓缸密封損壞、活塞桿壓堆等情況，對使用壽命不利；(2)對液壓油的清潔度要求較高、故障率較高，故障處理較為復(fù)雜且維護成本較大。

3.1.2 解決方案

在對中厚板產(chǎn)品定位分析的基礎(chǔ)上，決定取消彎輥作用。對因此而產(chǎn)生的對板形和同板差的影響，則通過兩條措施來彌補：(1)在軋輥磨削的過程中，取消異形輥，工作輥和支撐輥均采用平輥來改善對板形的控制；(2)將AGC(厚度自動控制)液壓系統(tǒng)的蓄能器就近設(shè)置在軋機AGC液壓缸旁邊，提高AGC液壓缸的快速響應(yīng)速度，以實現(xiàn)軋機傳動側(cè)和操作側(cè)厚度偏差，控制響應(yīng)速度以滿足同板差要求。

通過技術(shù)改造取消了彎輥僅保留壓緊功能，系統(tǒng)控制方式由液壓伺服系統(tǒng)根據(jù)板形等因素進行壓力瞬間補償?shù)姆绞秸{(diào)整變成約18 MPa的恒壓輸出模式，取消伺服閥，將控制系統(tǒng)簡化為普通電液換向閥，控制壓緊缸活塞伸出壓緊和收回松開動作，降低系統(tǒng)故障率。取消彎輥作用后壓緊缸彎輥力變化如圖5所示。

由圖5可知：在取消彎輥作用后，軋機壓緊缸的工作壓力整體下降了約13 MPa，工況有了較大的改善。改造后系統(tǒng)如圖6所示。

圖5 取消彎輥作用后壓緊缸正、逆向道次軋制時壓緊缸壓緊力變化曲線

圖6 取消彎輥作用后軋機壓緊液壓系統(tǒng)原理

3.2 改造液壓缸控制油路

3.2.1 主要問題分析

原設(shè)計每個壓緊缸缸塊上集成有2個雙作用液壓缸，通過缸塊和集油塊，同一缸塊上2個液壓缸有桿腔對有桿腔、無桿腔對無桿腔兩兩互通并分別連接在同一根液壓油管上。除2根分別連通液壓缸有桿腔和無桿腔的液壓膠管外，液壓缸集油塊上還有1根膠管經(jīng)缸體直通液壓缸與工作輥接觸的滑板，為液壓缸滑板輸送潤滑脂以確保與工作輥滑板間的良好潤滑。軋機原設(shè)計壓緊缸裝配體剖面圖如圖7所示。

圖7 軋機原設(shè)計壓緊缸裝配體剖面圖

壓緊缸裝配體由缸塊和集油塊兩大部分組成，集油塊上3根油管兼顧了液壓缸壓力供給和外滑板潤滑功能，與快速接頭連接，故障或換輥時可實現(xiàn)膠管快速插拔。在實際使用過程中，只要同一缸塊上有1個液壓桿密封損壞漏油，拔掉該液壓塊的2個液壓膠管快速接頭后，另一個正常的液壓缸也可退出工作。這樣導(dǎo)致工作輥4個角壓靠力缺少了一個角，影響到軋機的正常軋制，只能被迫停機檢修。

3.2.2 解決方案

通過分析，工作輥上機后根據(jù)產(chǎn)量平均2～3個班次更換一次，因此，每次新工作輥上機使用前，備輥時在工作輥軸承包滑板上涂抹潤滑脂即可滿足使用期間潤滑需要。這樣3根膠管中的輸送滑板潤滑脂的膠管完全可以取消而改為液壓膠管。通過對集油塊內(nèi)部油路改造，實現(xiàn)同一缸塊上3根膠管中的2根分別向2個液壓缸無桿腔獨立供油，剩余1根膠管由2個有桿腔共用保持不變。當(dāng)某個油缸故障時，可以拔出該油缸無桿腔的快速接頭，另一個油缸還可維持正常工作。實踐證明無特殊情況單缸工作穩(wěn)定性也較高，特護使用條件下完全可以維持到檢修時間。上述優(yōu)化改進可實現(xiàn)無桿腔獨立供油，解決同一缸塊上單缸失效后仍可維持生產(chǎn)的問題。改造后壓緊缸結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 改造后壓緊缸裝配體剖面

3.3 單雙作用液壓缸切換

3.3.1 主要問題分析

在軋制過程中，因壓緊缸活塞桿直接作用在軋機工作輥軸承包上，巨大的軋制沖擊力和軋輥軸向竄動力會通過工作輥直接傳遞到壓緊缸的活塞桿上，經(jīng)常會出現(xiàn)活塞桿的密封先于活塞密封損壞的情況?；钊麠U端密封損壞后，尤其是在換輥時，因有桿腔背壓從3 MPa切換到18 MPa，將出現(xiàn)端蓋液壓油呈噴射狀泄漏的情況。

3.3.2 解決方案

為解決不同位置密封使用生命周期不匹配的問題，通過分析，在軋制過程中，活塞缸有桿腔3 MPa的背壓起潤滑和穩(wěn)定活塞桿的作用。在換輥過程中，有桿腔壓力從3 MPa切換到18 MPa，無桿腔回油，活塞桿執(zhí)行縮回動作。而實際換輥時，上壓緊缸活塞桿可靠上工作輥自重壓回，下壓緊缸活塞桿可靠下輥系抬升梁提升動作壓回，故壓緊缸有桿腔在漏油嚴(yán)重的情況下，通過改造增加手動換向閥，液壓缸可手動切換到單作用柱塞缸的狀態(tài)，活塞桿靠換輥過程中輥系運動外力強制縮回。這樣，在活塞桿端蓋密封損壞而活塞密封正常的情況下，液壓缸仍可正常工作，避免端蓋密封泄漏消耗大量液壓油而必須停機處理的問題。壓緊缸有桿腔密封在正常或損壞漏油情況下，更換工作輥的工作流程如圖9所示。

圖9 更換軋機工作輥流程

經(jīng)生產(chǎn)實踐檢驗，正常狀態(tài)下壓緊缸作為雙作用液壓缸使用，手動換向閥在SD2位置。有桿腔漏油后，手動動作換向閥切換到SD1位置切斷有桿腔供油，雙作用壓緊缸作為單作用缸使用，有桿腔直接回油后，即使在活塞桿端蓋密封損壞嚴(yán)重的情況下，軋輥冷卻水也不會通過液壓缸端蓋進入液壓系統(tǒng)導(dǎo)致液壓油乳化。在輕微向有桿腔串油但能建立正常工作壓力的情況下，串到有桿腔的液壓油因不帶壓而不會從有桿腔液壓缸端蓋溢出，而是經(jīng)由有桿腔油管回油箱。即使在有桿腔漏油并向無桿腔輕微串油的情況下，壓緊缸仍然可以維持工作。針對下壓緊缸可在下輥系提升時強制縮回，但在后續(xù)換輥過程中可能因自重伸出影響換輥的情況，可給8個下壓緊缸增設(shè)復(fù)位彈簧，保證換輥過程活塞桿保持縮回狀態(tài)的可靠性。復(fù)位彈簧作為改造后如出現(xiàn)活塞桿被下輥系壓回后在自重下掉出的解決方案，但改造后使用過程中，活塞密封的阻力能可靠地保持活塞在縮回時狀態(tài)不變，因此如圖10中所示，彈簧為虛線，表示在該系統(tǒng)中擬實施但未予實施。改造后系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 取消彎輥作用并優(yōu)化有桿腔控制油路后軋機壓緊液壓系統(tǒng)原理

改造后系統(tǒng)主要控制元件型號如表2所示。

表2 優(yōu)化改造后軋機壓緊液壓系統(tǒng)主要元件

3.4 密封型式優(yōu)化改進

3.4.1 主要問題分析

壓緊缸同一缸塊上如果出現(xiàn)某一液壓缸活塞與缸體間密封損壞無法工作，或集油塊與缸塊配合面上無桿腔O形密封圈損壞漏油，就必須在此液壓缸縮回狀態(tài)拔掉無桿腔快速接頭膠管，單缸工作。這種狀態(tài)下，在換工作輥背壓從3 MPa切換到18 MPa執(zhí)行縮回動作時，如有桿腔向無桿腔密封失效串油，則活塞桿會在壓差作用下執(zhí)行反向伸出動作。這時，就必須將無桿腔快速接頭插回，保持無桿腔正?；赜筒拍苁够钊麠U縮回，增加換輥時插回和再次拔出膠管快速接頭的操作。有桿腔端蓋和有桿腔封無桿腔的密封出現(xiàn)損壞，均可通過將液壓缸控制油路手動切換到單作用狀態(tài)來解決，但某一無桿腔活塞密封一旦損壞，該液壓缸只能退出工作。由此可見，提高無桿腔密封可靠性，即可提高液壓缸工作可靠性，延長使用時間，增加有效生產(chǎn)時間。

3.4.2 解決方案

原設(shè)計活塞兩側(cè)為兩個階梯封，分別封有桿腔和無桿腔，活塞中間為導(dǎo)向套。為提高無桿腔工作可靠性，通過優(yōu)化，將封有桿腔的階梯封改為斯特封，既封有桿腔，也封無桿腔。這樣無桿腔密封由原來1道變成2道，有桿腔密封保持1道不變，整體使用效果得到較大提升。在此基礎(chǔ)上，為繼續(xù)提高壓緊缸密封使用效果，制定了活塞無桿腔再增加一道斯特封的方案，這樣，1道階梯封和2道斯特封用于封無桿腔。無桿腔密封將由最初的1道變成3道。2道斯特封封有桿腔，有桿腔密封由原來的1道增加為2道，大大改善了密封的使用效果。此方案因前期優(yōu)化改造使用效果較好，受后來產(chǎn)線停產(chǎn)等因素影響未能予以實施，具體方案如圖11所示。

圖11 壓緊缸活塞桿局部剖面圖

壓緊缸工作工況較為惡劣，此前因國產(chǎn)密封使用壽命非常短而不得不采用進口艾志密封。通過對壓緊缸液壓系統(tǒng)不斷優(yōu)化改進，同時改變密封型式，為國產(chǎn)密封上機使用創(chuàng)造了條件。國產(chǎn)密封采用了新型耐磨材料，主要成分有銅粉和纖維，替代進口密封之后使用壽命與之相當(dāng)，甚至更加耐用，大幅節(jié)省了成本，提高了性價比。

4 結(jié)語

原設(shè)計產(chǎn)能在達產(chǎn)后仍不斷提高，設(shè)備負(fù)荷遠超設(shè)計值，運行工況更為復(fù)雜、惡劣。為突破設(shè)備因素導(dǎo)致的產(chǎn)能拓展瓶頸，通過不斷優(yōu)化改造確保為生產(chǎn)提供有力的保障。首先，取消液壓系統(tǒng)彎輥僅保留壓緊作用，降低了工作壓力和系統(tǒng)維護要求，改善了壓緊缸的使用工況；在此基礎(chǔ)上，通過改造成功實現(xiàn)同一缸塊上兩個液壓缸無桿腔供油相對獨立；而后，在液壓缸有桿腔密封失效的情況下，利用換輥輥系動作可回壓緊缸活塞桿取消有桿腔供油，液壓缸由雙作用切換為單作用工作模式；最后，根據(jù)實際使用需求調(diào)整活塞密封方向和布置，提高活塞測密封工作的可靠性。

以上措施是為了適應(yīng)新的產(chǎn)能要求而進行的一系列優(yōu)化改造，大大提高了壓緊缸的使用時間，每年可大量節(jié)約液壓油和密封費用，有利于解決中厚板熱軋軋機壓緊缸漏油一般性問題，尤其是在壓緊缸有桿腔密封損壞無法正?？s回的情況下，手動切換換向閥，油缸由雙作用切換為單作用，利用上、下輥系運動外力壓回活塞桿，在實際生產(chǎn)中有較好的參考價值。也可據(jù)此在設(shè)計中探索利用輥系或彈簧實現(xiàn)壓緊缸活塞桿復(fù)位，研究單作用彎輥缸在中厚板熱軋軋機上的應(yīng)用。