棒材轧制中冷床制动裙板液压系统特性分析.pdf

2 0 1 1年 1 1月 第 3 9卷 第 2 2期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS NO V ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 2 2 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 2 ． 0 2 1 棒材轧制中冷床制动裙板液压系统特性分析 刘建，刘勋，李新有 ，刘玉 中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 4 0 1 1 2 2 摘要在阐述棒材轧制中冷床制动裙板工艺控制过程的基础上，针对某钢厂的冷床制动裙板液压系统 ，结合现场实测 数据 ，分析其性能，为冷床制动裙板液压系统的设计、现场调试和生产维护提供理论支持。 关键词棒材轧制；冷床制动裙板；液压系统 中图分类号 T P 3 9 1 ． 9；T H1 3 7 ． 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 2 0 6 72 The Pe r f o r ma n c e An a l y s i s o f t he Br e a ki ng Skir t - p l a t e d Hy dr a u l i c S y s t e m f o r Co l d Be d i n Ba r Ro l l i ng L I U J i a n，L I U X u n，L I Xi n y o u，L I U Yu C I S D I E n g i n e e r i n g J o i n t S t o c k C o ． ， L t d ，C h o n g q i n g 4 0 1 1 2 2 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e i n t r o d u c t i o n o f c h a r a c t e r i s t i c a n d p r o c e s s f o r b r e a k i n g s k i r t p l a t e d i n b a r r o l l i n g ，t h e p e r f o r ma n c e o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m f o r b r e a k i n g s k i r t - p l a t e d o f s o me s t e e l p l a n t wa s a n a l y z e d i n d e t a i l w i t h a c t u a l me a s u r e d d a t a ．T h e r e s e a r c h wo r k p r o - v i d e s r e f e r e n c e d for d e s i g n ，c o mmi s s i o n i n g a n d p r o d u c t i o n ma i n t e n a n c e o f t h e b r e a k i n g s k i rt p l a t e d h y d r a u l i c s y s t e m． Ke y wo r d s B a r r o l l i n g ；B r e a k i n g s k i r t p l a t e d for c o l d b e d ；Hy d r a u l i c s y s t e m 冷床是中小型棒材车间不可缺少的辅助设备之 一 。其功能是将轧机轧制后经飞剪剪切成倍尺长度的 棒材，输送并卸到冷床齿条上进行冷却，使棒材温度 由9 0 0℃降至 0 ～3 0 0℃，然后由冷床下料装置将其 收集成组送至输出辊道上 ，再由输出辊道将其送到冷 剪剪切成定尺成品⋯。随着棒线材车间产量和速度的 不断提高，冷床上料装置制动裙板的动作十分频繁， 动作周期一般为2 S 左右。根据不同规格的产 品和产 量 ，制动裙板平均每天动作次数在 1 0 0 0 0～ 3 0 0 0 0 次 ，因此上 料装 置 的制 动裙 板液 压 系统 工 况 十分 恶 劣，除要求制动裙板高、中、低 3个工作位置停靠准 确外 ，还必 须妥善解 决好 液 压 系统 在换 向过程 中的 冲击。制动裙板是棒材轧制中的咽喉部 ，一旦不能 正常动作就会导致停产 ，因此设计性能良好的制动 裙 板液压 系统对 棒线材 车 间 的正 常生产 有 着 十分重 要 的意 义 。 1 冷床制动裙板动作原理 制动裙板是位于输入辊道一侧的一条可在垂直方 向上 下运动的板 ，制动裙 板利用板与从辊道上滑入 的 棒材之间的摩擦阻力使棒材减速制动，并通过提升运 动将棒材托人冷床。 裙板 升降 由 I 1 个液压 缸驱 动 ，通过 由多个联 轴 器联接在一起同时转动的长轴进行，长轴上带有多个 曲柄 ，曲柄另一侧通过支杆支撑制动板。液压缸伸缩 1 次 ，制动板完成 1 次升降。在同步轴上设置 3套接 近开关 ，检测和控制制动裙板高、中、低3个工作位 置 ，通过液压控制回路，可准确控制制动裙板的上 升、下降及中间停位 。 制动裙板的单个油缸的传动结构示意图如图 1 所 示。 图 1 制动裙板单个油缸传动结构示意图 制 动裙板 的控制操作有两种模式 1 大规格低速轧制。制动裙板 由高位降至低 位 ，延时后再由低位升至高位 ，往复动作一周为一个 动作周期。此种模式 由于是低速轧制 ，棒材可以在低 位制动，故对来料没有要求 ，可以是连续或断续来料。 2 小规格高速轧制。制动裙板 由高位降至低 位 ，延时后再由低位升至中位 ，停在中位延时一段时 间，使棒材在制动板上有充分的时间制动，然后继 续上升至高位 ，完成一个动作周期。此种模式 由于 收稿 日期 2 0 1 01 0 0 9 作者简介刘建 1 9 7 5 一 ，男，工程师，主要研究方向为冶金液压系统设计。Em a i l J i a n ． L i u c i s d i ． t o m ． c n 。 6 8 机床与液压 第 3 9卷 是高速轧制，要求棒材在中位制动 ，棒材可以连续 来料 。 制动裙板的带中位动作时序表 如图2所示。 高位 中位 低位 图2 制动裙板带中位动作时序表 冷床上料装置的动作时序描述如下 经倍尺飞剪 分段的棒材，在冷床输入辊道上加速，当到达 t 时 刻，裙板由高位向低位运行至 t 时刻 ，然后在低位 停留 t 一t ，其 中裙板在低位的停 留时间 t 一 t ， 可调，在操作画面上可根据现场情况随时调整； 在裙板向下位运行时，由于冷床输入辊道向裙板方向 倾斜，棒材靠 自身重力作用滑入裙板 ，开始摩擦制 动 ；在 t 时刻裙板返回中位 ，停留至 t 时刻制动结 束 ，其 中中位停 留时 间 t 一t 为 可调 时问 ，在操 作画面上可根据现场情况随时调整；裙板由中位到达 高位至 t 时刻完成一个动作周期，等待下一根棒材 ； 由于裙板向冷床方向倾斜，当裙板到达高位时，棒材 靠 自身重力作用滑入冷床矫直板，完成卸钢。裙板除 完成棒材的制动与上钢外 ，通过其低位到中位再返回 高位的运动，还起到了分钢作用。 2 冷床制动裙板液压控制调节原理 冷床制动裙板的 1 1 个升降液压缸之间的连杆曲 柄 由一根长轴连接在一起 ，属于机械 同步 ，但是 由于 每两个油缸之间的同步轴长达 6 m，不可避免地存在 同步轴的挠性扭转、机械间隙，从而导致冷床上料装 置升降的不同步；并且由于油缸的频繁快速换向，不 可避免地存在液压冲击。为了尽可能地减弱不同步和 液压冲击的影响 ，拟定如图 3所示的冷床制动裙板液 压控制 原理 图。 在 图 3中 ，单 向阀 1 装在 液压 阀 台的 回油 管上 ， 形成一定 背压 和防止 油液倒 流 ；球 阀 2装在液压 阀台 的进油管上，其作用为在阀台检修时切断压力油 ；三 位 四通 电磁换 向 阀 3为 0型机能 ，其作 用是 实 现液 压缸的换向和停位功能，由于制动裙板下降时有负负 载，需选用回油节流，因此双单向节流阀4的作用是 实现油缸的运动速度调节；补油阀5的作用为防止油 缸吸空；安全阀6的作用为在油缸内压力超过设定值 后溢流，减弱压力冲击和保护油缸 ；元件 7和 8都为 测压接头，方便测取油缸两腔的压力；元件 9和 1 0 为检修调试用球阀。 l 一 单 向 阀 2 、9 、l o _ _球 阀 卜 三位四通电磁换向阀 4 一 双单 向节 流 阀 s _ - 补油 阀 6 _ _安全 阀 7 、8 一 测 压接 头 图 3 冷床制动裙板液压控制原理 由于冷 床上料装置有 1 1 个液压缸 ，故共 设 1 1 个 上述液压阀台，每个液压阀台控制 1 个液压缸 ，通过 1 1 个液压阀台上的电磁换向阀3同时得失电来控制 油缸的同步。虽然每个油缸 回路 的液压元件选用一 致，但是每个油缸回路的元件特性还是有一定差别， 并且存在机械安装和油缸的摩擦力差别 的影响。为了 达到 1 1 个油缸 的基本 同步 ，尽量减少 同步轴的扭转 ， 在调试初期，将 1 1 个液压缸上的同步轴联轴器拆开， 分成 3组，将每一组内的油缸速度通过调节单向节流 阀调到基本一致 ，再将每一组 内的同步轴连接起 来 ，这样每一组内的液压缸基本调节同步。分别完 成 3组的调试 ，最后再调节 3组之间的同步，最终 全部连接起来 ，这样就基本保证 了同步轴受到较小 的扭转力矩 。 3 冷床制动裙板液压系统现场测试 裙板升 降液压缸在工作过程 中，当换 向阀迅速换 向时 ，液压 系统管道 中的液压油 因突然改变运动而导 致动能向压力能的瞬时转变，并且由于液压缸及负载 的运动惯性，增加了液压系统内的液压冲击。通常换 向速度越快 ，冲击越大；液压缸连接负载的惯性越 大，冲击越大。 某钢厂线棒材生产线冷床制动裙板液压系统压力 为1 4 MP a ，在液压阀台上对其中的 1 个液压缸的两 腔压力进行现场测试 ，结果 如图 4和 5 所示 。 下转第 8 7页 第 2 2期 荣胜波 等监督控制理论在多任务机床控制系统中的应用 8 7 不存在。输入信号的周期更新会产生时间上的延迟， 这也就意味着 由 P L C执行的监督控制理论并不能实 现精确的同步控制。 基于以上几点原因，为了在工业控制中应用监督 控制理论，采用多个监督分层结构化实现机床的控制。 图 3是基 于监督控制理论 的机 床控制 流程图 。 i 初始 化 l 堡堑 l L 士 l 系统状态扫描 i - 二 -二 l 模式控制监督 错误处理I I 自 动控制监督l l 手动操作监督l l程序监督 I l参数设置监督 输出控制监督 匾 图3 控制流程框图 这种流程结构包括了 目前机床 P L C控制 中典型 前台和后台控制模式。前台是一个实时系统，后台则 是 自由时间系统。实时系统控制涉及两类任务，分别 是时问中断服务和事件 中断服务。例如电机控制的 HD算法通常是由时间中断服务处理的，而控制中急 停则是由事件中断服务处理的。在 自由时间系统中， 系统由诊断到输出监督控制循环顺序处理。外部的操 作请求与内部的系统状态会影响任务的执行顺序。图 中给出的主要是自由时间系统的执行过程及转换关系。 4结论 作者在托辊自动生产装配线的柔性生产装配机床 上采用 P L C系统实现了监督控制理论的应用。在应 用过程 中 ，针对理论 与实 际系统 间的差异做 了处 理 ， 使监督控制理论成为整个控制系统的内核。P L C系统 成为监督控制理论对实际物理系统实现可靠有效控制 的一个载体。这种方法还可以移植到其他工业控制系 统 中，具有一定的普适性 。 参考文献 【 1 】 郑应平． 离散事件系统理论研究与应用进展 [ J ] ． 控制 与决策， 1 9 9 6 3 2 93 3 3 ． 【 2 】F A B I A N M， H E L L G R E N A ． P L C b a s e d I m p l e m e n t a t i o n o f S u p e r v i s o r y C o n t r o l f o r D i s c r e t e E v e n t S y s t e m s [ C] ／ ／ P r o c e e di n g s o f t h e 3 7t h I EEE Co n f e r e nc e o n De c i s i o n Co n t r o l T a mp a ， F l o r i d a ， US A， 1 9 9 8 ． 1 2 ． 【 3 】R A MA D G E P J ， WO N H A M W M． S u p e rvi s o ry C o n t r o l o f a C l a s s o f D i s c r e t e e v e n t S y s t e ms [ J ] ． S l A M J o u rna l o f C o n t r o l O p t i m i z a t i o n ， 1 9 8 7 ， 2 5 1 2 0 6 2 3 0 ． 【 4 】L I U Y， L I W， Y A MA Z K， e t a 1 ． Mo d e l d r i v e n d e s i g n a n d i mp l e me n t a t i o n o f d i s c r e t e e v e n t c o n t r o l for a ma c h i n e t o o l c o n t r o l s y s t e m[ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f C o m p u t e r I n t e g r a t e d M a n u f a c t u r i n g ， 2 0 0 7， 2 0 6 5 4 85 5 6 ． 【 5 】 Z A M A N I F E K R I M o h s e n ， H A S H T R U D I Z A D S h a h i n ． H i e r a r c h i c a l Ro b u s t S u p e r v i s o ry C o n t r o l o f Di s c r e t e - -Ev e n t S y s - t e m s 『 C ] ／ ／ 2 0 0 8 A m e r i c a n C o n t r o l C o n f e r e n c e ， 2 0 0 8 ． 7 ． 上接第 6 8页 时间， s b 有 杆腔 压 力 时 问， s b 有杆腔压力 图5 带中位液压缸两腔压力曲线 图4为冷床制动裙板不带中位控制时的两腔压力 曲线，数据采样周期为3 0 m s ，从图中可得出冷床上 料装置不带中位时的低位停留时间为0 ． 7 S ，压力峰值 出现在制动裙板由低位换向到高位的过程中，大小约 为 1 7 M P a 。图5为冷床制动裙板带中位控制时的两腔 压力曲线，数据采样周期同为3 0 m s ，从图中可得出冷 床上料装置带 中位控制周期为 2 S ，低位停留时间约 0 ． 7 S ，中位停留时间约为0 ． 9 S ，压力峰值出现在制动 裙板 由中位换 向到高位的过程中，大小约为 1 8 M P a 。 4结论 在 阐述棒 材轧制 中冷床制动裙板工艺控制过程的 基础上，详述了制动裙板液压系统的控制原理和性 能，通过现场实测数据，分析了液压缸内的液压冲击 现象，为裙板液压系统的设计、现场调试和生产维护 提供理论依据 。 参考文献 【 1 】 郑建华． 现代化小型冷床上料装置结构设计分析及计算 [ J ] ． 冶金丛刊， 2 0 0 6 6 1 8 2 2 ． 【 2 】王文涛． 液压升降裙板式冷床上卸钢装置的电气改造 [ J ] ． 机械研究与应用 ， 2 0 0 6 ， 1 9 3 1 0 1 1 0 2 ． 【 3 】王才仁， 张弘， 谢志雄． 裙板式冷床上钢装置的控制及改 进[ J ] - 牟 L 钢， 2 0 0 5 ， 2 2 6 6 0 6 2 ．