一种高效低能耗开卷线液压控制系统.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 01 2 1 2 0 1 5 0 2 0 0 2 7 0 3 一 种 高 效 低 能 耗 开 卷 线 液 压 控 制 系统 吴瀚 岐 ，李 丽 华 。江大 伟 ，张 云鹤 1 ． 哈尔 滨工 业大 学 威海 ， 山东威海 2 6 4 2 0 0； 2 ． 济 南铸 造锻 压机 械 研 究所有 限公 司， 山东济 南 2 5 0 3 0 6； 3 ． 山东 威 高 集 团有 限公 司 ， 山东威 海2 6 4 2 0 0 摘 要 本 文着 重 阐述 了钢板 卷 料开 卷 线液压 控 制 系统 的设计特 点。 从液 压 控制 方面 分析 了如 何 降低 设 备 功率 损耗 、 提 高设 备运 行速 度 和 生产效 率 以及提 速 后如 何保 证设备 运行 平 稳 、 无冲 击 ， 以确保 设备 的精 度 ， 延 长设 备使 用 寿命 ， 保 证产 品质 量 稳定 。 关键 词 液体 传 动 与控制 ； 开 卷线 ； 液压 系统 ； 飞剪 ； 效 率 ； 功 耗 中 图 分 类 号 T G5 0 2 ． 3 2 文 献 标 识 码 A DOI 1 0 ． 1 6 3 1 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 2 - 0 1 2 1 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 0 6 近年 来 ， 在 金 属板 材加 工行 业 ， 因卷 料 开卷 线 具 有 的多功 能 、 高效 率 、 自动 化 以及板 料 的定 尺送 进 功 能 ， 增 加 了下 料精 确 度 ， 提 高 了材 料 利 用率 ， 使 其 市 场 占有份 额逐 年加 大 。从 薄板 线 到 中板 线 再 到厚 板 线 ， 可 加 工 板 料 厚 度 达 2 0 mm～ 3 0 mm。随 着 技 术 的 不 断发 展 ， 开卷 线 的加工 适应 能 力越来 越 强 ， 同时生 产 效 率 也在 不 断提 高 ；从 送 料速 度 到剪板 机 的剪 切 速 度 ，整线 的运 行速 度 都有 很大 提 升 ；为提 高 生产 效 率 ， 剪 板 机 的剪切 方 式也 由停 剪提 升 到飞切 方式 。 开卷 线 中设备 的工作 大量 使用 液压 控 制 ，通 常 开卷 线液 压控 制 油路 也有 2 0 ～ 3 0组 ，而 厚板 线 中液 压 控 制油 路 多达 6 0多组 。 优 化设 计 开卷 线液 压控 制 系统 对提 高整 线 生产 率 、 提高 设备 运行 平 稳性 、 延 长 液 压 系统 及元 件 的使 用寿命 、 降低 能耗 、 降低用 户 使 用 成 本均 有 良好 的效 果 。 对 液压 控制 系统 的优 化 、 改 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 1 2 作者简介 吴瀚岐 1 9 9 3 一 ， 男， 从事机械设计制造及 自动化研究 卜 ” 卜 一 一“ ” 卜 一 卜 “十*十一- Abs t r a c t 进从 以下 几 个方 面加 以分 析 。 1合理 匹 配动 力 ， 提 高效 率 。 降低 能耗 目前 开 卷线 中 的剪 板 机 大多 采 用 液压 剪 板 机 。 在 带有 液压 剪板 机 的开卷 线 中 由于剪板 机 所需 动 力 大 、 工作 频 率高 、 工作 负荷 重 。为避 免 与其 他设 备 的 相 互干 扰 ， 通常 分为 两个 独立 的液 压站 一 个 为液 压 剪 板机 专用 ， 另一 个 控制 其他 辅助 机构 。 液压剪 板 机 的能耗 在整 条线 中 占较 大 的 比重 ，其 工作 速度 也 是 影 响开 卷线 工作 节奏 的重 要 因素 。合理 设 计剪 板 机 液 压 系统可 有效 降低 能耗 、 提 高整 线工 作效 率 。 为 提 高 生产 线效 率 ，开卷 线 中剪板 机越 来越 多地采 用 与 送 料速 度一 致 的飞剪 ，这就要 求 提高剪 板 机 的工 作 速 度 ， 提 高剪 切缸 的剪切 、 回程 速度 。 液 压剪 板机 的工 作方 式是 典 型 的间歇 式流 量 控 制 回路 ， 适 合使用 泵 蓄能器 联 合控 制 回路 。在 剪板 机 两次 剪切 工作 之 间 的间歇 ， 泵可 向蓄 能器 供 油 ， 蓄 能 器将 压力 油存 储 。 当剪板机 剪切 和 回程 时 蓄能 器 M o d e l i n g a n d s i mu l a t i o n r e s e a r c h o f J F 3 9 - 1 8 0 0 M p r e s s C HE N Q i s h e n g ， X U Z h a o g a n g ， XU Y o u z h e n ， MA S e n ， N I Mi n g j u n S h a n d o n g G u a n h o n g C N C T a k i n g J F 3 9-1 8 0 0 M 1 8 释放 高压 油与泵 同时 向油 缸供 油 ，提高 油缸 运 动速 度 。 采用 蓄能 器可 大大减 少泵 的排 量 、降低 电机功 率 ， 同时 油泵 电机组 和蓄 能器 的选择 、 匹配直 接影 响 到剪 板机 的剪 切频率 及 能量 的利用 率 。在选 择泵 的 排量 和 蓄能器 的容积 时要 按工 况统筹 考虑 ，合理 匹 配 。泵 的排量 和蓄 能器 的容积 选择 过小不 能 满足 油 缸 的剪 切 、 回程 速度要 求 ； 蓄能器 选择 过小 则 在蓄 能 时皮囊 压 缩量过 大或 释放 压力 油时 过度放 油 而致 蓄 能器皮 囊损 坏 ，且皮囊 频 繁 的体 积变 化过 大 也会缩 短使用 寿命 ；油 泵 电机组 选择过 大 又会造 成 功率 过 剩 、 能 量损 耗 、 多余 的油在 溢流造 成 系统发 热 。这些 问题 在设计 时都 要加 以考 虑 。 1 ． 1 蓄 能器 的选择 计算 蓄能器 在剪 板机 工作 过程 中将 多余能 量 蓄积起 来 ， 在 需要 时快 速释放 液压 能 。 在该 系统 中蓄 能和 快 速 释放 压力 油 的过程 均可 近似视 为绝 热过 程 。蓄 能 器 的容 积选 择可 按下式 计 算 ， △ 呵 式 中 。 蓄 能器贮 油前 气体 体积 ； △ 蓄 能器 的有效 排 油 量 ， △ 蓄 能 器 最低 工 作 压力 时 的气 体体 积 一 蓄 能 器 最 高 工作 压力 时 的气体 体积 ； p 一蓄能器 贮 油前充 气压 力 ； P 蓄能器 的最 低工 作压 力 ； p 广蓄能器 的最 高工 作压 力 ； n 多变 指数 ， 一般 推荐 n 1 ． 2 5 ～ 1 ． 4 。 P 的确定首 先应 考虑 使 蓄能器 容积最 小 ，即单 位容积 的蓄能器 储存 能量 最大 ，然后 考虑 气囊 的寿 命 ， 尽 量延 长其 使用 期 。对于皮 囊式 蓄能 器 ， 推荐 的 经验值 p 0 0 ． 8 ～ 0 ． 8 5 p1 。 P 的确定 既要考 虑 蓄能器 的使 用寿命 ，也要 考 虑适 当增 加有 效供 油量 ，同时又不 至于 过多 增加 系 统压 力 。推荐 的经 验值 P 1 ． 2 ～1 ． 3 p 。 1 ． 2油 泵 的 选 择 目前 开 卷 线 液 压 系 统 较 多 采 用 中 压 1 6 MP a ， 这是 沿用 了上 世纪 7 0 ～ 8 0年代 的设计 思路 。在 此之 件 以 中 、 低压 系列产 品为 主 ， 国 内市 场较 多 日系 中、 低 压产 品 。上世 纪 8 0 ～ 9 0年代 后 ， 产 品系列 齐全 、 性能 稳定 、 液压 系统 总 成配 熟 。 控制 系统选 择 高压其 最大 优势 是可 以减 小 、降低 阀 口和沿程 管路 的压力 损失 、 有 利 于 对 于 中厚 板 开卷线 ， 设备 工作 需要 的力 增 大 ， 提 高 系统 工作 压力优 势 明显 。 2解决 系统 频繁 补油 造成功 率浪 费 问题 一 般 来说 开卷 线 中液压剪 板机 由单 独 的液 压站 剪 板 机液 压 站 提 供 动力 和 控制 ， 由另 外 一个 液 压 站 开卷 线液 压站 或横剪 线液 压站 、纵 剪线 液压 站 等 为线上 其他 执行 机构 提供 动力 和控制 ， 目的是 保 证剪 板机 的正 常工作 频率 ，同时避 免工 作机 构 问相 互 影 响 。 目前 开卷线 液压 站大 多采用 电机带 定量 泵 做 动 力 源 。 在开卷 线 正常工 作过 程 中一些 执行 机构 要求 保 持恒 定 的工作 压力 ，该力 不能 受外 界条 件 的变化 影 响 ， 如板料 的厚 薄 、 料 卷开 卷 、 收卷等 。 为保 持压力 恒 定 ， 通常 的做法 是油 泵 给蓄能器 供油 ， 当蓄 能器压 力 达 到压 力继 电器 预先 设 定 的上 限值后 系统 卸荷 ， 由 蓄能 器为 这些油 路提 供压 力进 行保 压 。由于 各路 2 12 作机 构使用 的压 力不 同 ，通常 在各控 制 路加 一减 压 阀分 别调整 所需 的工 作压 力 。减 压 阀在 此处 的作 用 一 是 各路所 需工 作压 力不 同需 要分别 调 压 ，二是 利 用其二 次压 力 的稳定 性 ，以减 压 阀的二 次压 力作 为 稳 压 源给执 行机 构补 充油 液 、 保 持稳 定 的工作 压 力 ， 如横 剪线 中的校平牵 引辊 、 定尺 送进 ， 飞 剪 中的夹 送 缸 ， 纵剪线 中的校平 牵 引辊 、 毛 毡 张紧 、 分 卷 剪床 、 后 桥 、 铲 板 、 开卷 涨缩 、 收卷涨 缩等 。 由于这些 回路 中 的滑 阀 、 减 压 阀等均 存 在泄 漏 ， 控制 油路组 数越 多其 总泄 漏量 越大 。蓄 能器 给油 路 补压 ， 压力 就要 下 降 ， 当压 力 降到压 力继 电器 预先 设 定 的下 限值 后 发讯 ， 系统 重新升 压 为蓄 能器 补压 ； 在 开卷 线工 作过 程 中 ，液压 控制 系统 不断 循环 以下 过 程 系统 升压 给蓄 能器补 油一 蓄能 器油 路达 到继 电 器 设 定 的 压 力 上 限一 系 统 卸 荷 一 蓄 能 器 给 所 需 油 路 提供 保压 一 蓄能器 压力 降到压 力继 电器 预 先设 定 的 下 限值后 发讯 一 系统再 升压 给蓄 能器补 油 。 在 开卷线 工作 过程 中 ，液压 系统不 断 重复 这个 循 环 ， 相 邻两 次 补 油 间 隔时 间 约 为 3 0 s ～ 6 0 s ， 每 次补 压 时 间 为 1 0 s ～ 2 0 s ，即系 统 为 蓄能 器补 压 占用 了约 1 ／ 3的时 间 ， 而且 是 在 全 功率 情 况下 补 油 ， 以 电机功 率 1 l k W 算 这一 项 就要 消 耗 约 3 ． 6 k W； 另 一 方 面 ， 因 为频 繁 补压 ， 在开 卷线 整个 工作过 程 中 电机 不停 机 ， 虽 然在 不补 油 时液压 系统处 于卸 压状 态 ，但 泵 出 口 处单 向阀 、 溢 流 阀和管 路存在 一定 的压 力 损失 ， 电机 要 消耗 一定 的 功率 ， 约 0 ． 7 k W～ 1 ． 5 k W。 以上 两项 消耗 的功率 大部 分做 了无用 功发 热造 成 系统温 升 ，而 且 由于 系统 压力 的频繁 升 降 、泵 阀和蓄 能器 的频繁 动 作 降低 了元器 件使 用 寿命 ，同时也 使 工作 压力 处 于 波动 状态 ， 不 利 于系 统 的平稳 性 。 基 于上 述原 因 ，我们 研发 了适 合 开卷 线 工况 的 低 能耗 液压 系统 ， 系统采 用变 量 泵代替 定 量泵 。 正常 工作 时泵 按 系统 设定 的压力 全流 量输 出 ；在 转入 保 压 状 态 时泵 则 以全 流 量 的 5 ％～ 1 0 ％的流 量 供 油 ， 将 泵输 出的流 量调 整 到维 持补偿 系统 中 阀的泄 漏 和某 些 油 缸 需 要 的 微 小 进 给 量 即 可 ， 此 时 电 机 所 消 耗 的 功 率 也极 小 ， 约 为全功 率 的 5 ％～ 1 0 ％ ， 没 有 了 多余 压力 油 的溢 流 ，输 出有效 功率 高 ，大大 降低 了系统发 热 量 。由于该 补 油过 程 系统是 连 续 、 稳 定供 油 ， 可 使 系 统 工作 处 于平稳 状 态 ，非 常有 利 于设备 的工 作稳 定 性 。 3避 免 执 行 机 构 之 间 相 互 干 扰 开卷线 工 作过 程 中有许 多 执行 机构 是 同 时工作 的 ， 它们 之 间 有些 会 相 互 影 响 ， 可 能 是 流量 因素 ， 也 可 能 是 压 力 因 素 。 如果某 个 执行 机 构工 作负 荷满 、系统 压力 波 动 对 其影 响较 大 ， 则需 考 虑独 立 出来 ， 设 计 成 独立 的液 压 站 或独立 的泵供 油 系统 。上 述剪 板机 液 压站 就是 基 于这 种考 虑 。 当某 些 执 行 机 构共 用 同一 泵 供 油 系统 工 作 时 ， 泵 流量 的选 择 要考 虑 同时 工作 的执 行机 构 重叠 工作 时所需 最 大流 量 的总 和 ，当然 合适 情况 下 应考 虑用 蓄 能器 辅 助供 油 以减小 泵 的排 量 。以下 是 两个 避免 执 行 机构 之 间相互 干 扰 的例子 。 如 图 1所 示 ，几组 同时工 作 的油缸 工作 压 力不 同 ，为避 免压 力低 的油缸 工作 时影 响压 力 高 的油缸 正 常工 作 ， 可考 虑采 用 增加 减压 阀的方法 。 如 图 2所 图 1采用液压 阀方案 图 2 采用单 向阀方案 示 ， 正在工 作 的 A路 工作 压 力 较 高 且 需 要 压 力 稳 定 ， 而 B路工 作压 力低 或 有 压 力 波动 ， 可 以采用 单 向阀隔离 的方 法 。当系统 压 力 P因 B路 工 作 造 成 压 力 降 低 时 A路 的单 向 阀 自动关 闭 ， 保 证 了 A路 工 作 压 力 不 受 系 统 压 力 降低 的影 响 。 液压 控 制 中避免 相互 干扰 的方 法很 多 ，应 视实 际工 况分 析选 择合 适 的方 案 。 【 参 考文 献 】 [ 1 ] 雷天觉 ， 主编． 新 编液压 工程手 册[ M] ． 北京 北京 理工 大学 出版 社 ， 1 9 9 8 ． 【 2 ] 路 甬祥 ， 主编 ． 液压 气动 使用 手册 [ M] ． 北京 机 械工 业 出版社 ， 2 o 0 2 ． f 3 ]3 成大先 ， 主编． 机械设计手册[ M] ． 北京 化学 工业出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 4 ] 钱倩， 等．基于不同油源的液压系统传动效率分析I J 】 ． 液压气动 与密封 ， 2 0 1 4 ， 1 0 ． Hy dr a ul i c c o n t r o l s y s t e m f o r t he hi g h-e ffi c i e n c y a n d l o w-po we r c o i l pr o c e s s i ng l i ne W U Ha n l i n g ，L I L i h u a ， J I AN G Da we i ， Z HANG Yu n h e 1 ． Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y We i h a i ， We i h a i 2 6 4 2 0 0 ， S h a n d o n g C h i n a ； 2 ． J i n a n F o u n d r y a n d Me t a l f o r mi n g Ma c h i n e ry Re s e a r c h I n s t i t u t e C o ． ， L t d ． ， J i n a n 2 5 0 3 0 6 ， S h a n d o n g C h i n a ； Ke ywor ds Co i l p r o c e s s i n g l i ne ； Hy d r a