258机组环形加热炉夹钳液压系统改造.pdf

2 0 1 0 年第1 期 天．i牵 岔 2 5 8机组环形加热炉夹钳液压系统改造 刘瑞王怀民潘志广 天津钢管集团股份有限公司轧管一部 ， 天津 3 0 0 3 0 1 [摘要] 针对钢管公司 2 5 8 机组环形加热炉装料夹钳升降液压系统的缺陷，分析了装料夹钳的升降液压回路的工作过 程， 提出了改进方案。改进后在比例阀进口、 出[5 1 增加压力补偿器， 改善了夹钳的运动平稳性， 延长了四连杆机构中轴承的使用 寿命， 效果良好。 关键词加 热炉 夹钳液 压 系统 比例 阀 压 力补偿 器 流 量 改造 1 前言 环形炉的作用是将待轧制管坯加热到 I 2 6 0℃～ 1 3 0 0 o C，使管坯达到能够轧制的高温状态。在加热 时， 先由装料夹钳夹起管坯送入环形炉内， 管坯伴随 加热炉加热转动一周后 ， 被出料夹钳夹出放到出炉拨 又上。夹钳的上下运动靠液压缸驱动， 以实现管坯的 上升 、 下降、 前进和后退动作 ， 其动作的准确性与管坯 在炉中的定位密切相关。针对天津钢管集团公司 2 5 8 机组环形炉夹钳升降液压系统存在的设计缺陷， 对其 液压系统做了改进 ， 取得了良好效果。 2 夹钳结构和工作方式 夹钳升降驱动为液压带动连杆机构， 结构示 意 图如 图 1 所示 。 升降液压缸 图 1 装 、 出料机械 手机械结构示意图 在工作中， 夹钳的头部要夹住管坯送人环形加热 炉内， 而液压缸和四连杆都要留在炉外 ， 只有比较长 的夹钳才能满足使用要求。 由于夹钳和四联杆较长及 其 自身有弹性， 再加上管坯 1 ． 5 3 t 自重 ， 使夹钳的上 升和下降运动出现不稳定 ， 产生较大的振动， 导致经 常损坏四连杆机构中的轴承。因此， 需要改造夹钳升 降液压回路解决动作不稳定的问题。 原始设计控制升降缸的液压原理如图2 。比例阀 换向阀 1 控制液压缸上下和速度快慢运动， 液控单向 阀2控制夹钳带料在高位时防止由于自重下滑， 电磁 阀 3 是控制液控单向阀2的开合。 图2升 降缸 液 压原 理 2 5 8机组环形加热炉夹钳液压系统 改造 3 故障分析和技改措施 3 ． 1 故障分析 从图 2中可以看出， 液压缸的速度控制完全靠比 例阀 1 来控制。 但比例阀只能通过电信号线形控制阀 的开口度 即通流截面积 ， 根据薄壁孔 口流量计算公 式[ I1 ． q v A 2 d p ／ p f 1 式中口 r流量 m 3 ／ s ； l 广流量系数 ； A 孔 口面积 m z ； △P孑 L 口前后压差 P a ； P 流体的密度 k g ／ m 3 。 从薄壁孔 口流量公式可以得出 对比例阀控制的 回路， 流量系数 流体的密度 P 是一定的。 也就是说 流量 q v 与孔口面积 A和孑 L 口前后压差△P平方根都 成正比关系。 所以比例阀前后的压差对流量控制非常 关键。同时， 通过液压缸的受力公式可知 P进S J P出5 2 F 负 2 式中 P厂液压缸进 口压力 ； S ， 液压缸进油腔面积 ； P 液压缸出 口压力 ； 5 液压缸 出油腔面积 ； F负 液压缸负载力。 当公式 2 成立时 ， 液压缸应该匀速前进或者静 止不动 ； 当 P进S P出S 2 F负时， 液压缸加速前进； 当 P进5 P出5 2 F ， 液压缸应该静止不动或者减速。 对于装出料夹钳上升和下降运动时， 液压缸负载 力发生很大的变化 ，特别是在液压缸下降过程中， 液 压缸的负载力完成为负数，这时 P进5 远远大于 P出 S 2 F负 的力 ， 液压缸速度很难控制， 最终导致夹钳振动 大， 速度失控。 要想使速度稳定， 要使公式 2 成立 ， 可 通过控制液压缸出口压力 P m ，来控制夹钳上升下降 的速度 。 要想使夹钳动作稳定 ， 可以通过控制比例阀 1 前 后的压差AP和控制液压缸出口压力 P出 ，来控制夹 钳上升下降的速度。 3 ． 2夹钳运动稳定性的技 改方案 在比例阀 1 下面， 增加进口压力补偿器和出口压 力 补偿器 俗 称平衡 阀 型号分 别 为 Z D C 1 6和 S CA1 6。 3 ． 2 ． 1 在比例阀下面增加进口压力补偿器 从薄壁孔 口流量公式f 1 可知， 流量与孔 口面积 A 和孔 口前后压差△P平方根都成正比关系。比例阀的 给定电压或者电流决定了比例阀的开口度 ， 也就是孔 口面积 A 。 比例阀的开口度可通过电信号控制。 但要想得到 一 定的流量， 比例阀前后的压差AP必须为恒定。而 进口压力补偿器就起到了这种作用 ， AP压差公式如 下 A P P I P 2 3 式中 P J 比例阀入口压力 P a ； P ， 比例阀出口压力 P a 。 比例阀出口压力 B决定于负载压力和回油压 力 ， 在夹钳作上下运动时 ， 一会重载 一会空载， 而且 上升是正负载， 下降是负负载。 P 2 是不断变化的。 要想 得到准确的AP ， P l 也必须随着 P 2 变化而变化。 图 3 是进 口压力补偿器的原理图[2 l 。进 口压力补 偿器相当于特殊的减压阀， 减压阀的出口接 只， 减压 阀的泄漏油 口接 P 2 。根据减压阀的工作原理 ， P l 的压 力等于 P 2 的压力加上弹簧设定压力。当 P 2 压力随着 负载压力变化时， Z D C阀会根据 P 的变化， 对减压阀 出口P l 的压力做出调整， 始终保持P l 、 P 2 的压差不变。 P1 l l 0 l J 【 l n - 。一 1 X A Y - - ① I ’ ⋯ ② ‘ J Y} l’ R l 型号 Z D C ． P 一 2 X P A 图3 进口压力补偿器原理图 比例阀可以准确地控制通流节面积 ， 进 口压力补 偿器可以准确地控制比例阀进出口的压差。 所以两着 的结合能够精确的控制回路流量。 3 ． 2 ． 2 在比例阀下面增加出口压力补偿器 俗称平衡 阀 虽然比例阀和进 口压力补偿器结合一起 ， 可以很 好地控制流量 ， 但是对于出现负负载的回路 ， 还是容 易出现速度失控。 因为比例阀和进口压力补偿器流量 控制， 主要还是入口节流控制。 当负载严重时， 液压缸 被动运动， 从比例阀提供的流量不够， 出现吸空现象， 这时速度完全失控。为了避免这种现象。我们选用一 种出口压力补偿器， 型号为 S C A1 6平衡阀， 可以很好 地控制回油压力 ， 其工作原理如图4所示。 2 0 1 0 年第1 期 天舜 冶 分 图 4 平衡 恻工作原理 压力油从 A 进人后， 将 1 平衡阀打开， 由于负载 和回油的压力作用 ，在液压缸无杆腔建立起压力 ， 压 力 P l 推动 2 平衡阀打开 ，液压缸有杆腔的油液通过 2 平衡阀的阀口流回油箱， 同时在 端建立背压 P 。 B、 P 2 和弹簧在 2 平衡阀内建立一种平衡，使阀 口开度随负载变化不断变化来保证液压缸运行平稳。 当出现负负载时 ， 液压缸动作瞬间加快 ， 压力油口A 供油不足 ， P l 会瞬间降低， 这时 2 平衡阀阀芯会在弹 訇 出 簧力的作用下， 阀芯向左运动， 阀口开口度变小， 则背 压 P ， 会升高， 对执行动作起制动作用 ， 防止执行动作 失控现象。反之， 当 P ’ 升得过高， 液压缸回油压力增 加，由于 P l 决定于负载和回油压力，这时 P I 压力升 高， 把 平衡阀阀芯再次打开。2 平衡阀的口开度随 负载变化不断变化来保证液压缸运行平稳， 避免动作 失控。 平衡阀还可以起到液压锁的作用 ，当A 和 B 压 为零时， 1 和 2 平衡阀阀芯会关闭，可以保证液压缸 两个腔的油液不泄漏 ， 执行机构不会因自身重力作用 而下滑。 4 技改效果 改造前压力曲线见图5 ， 从图5中可以看出， 在夹 钳下降过程中， 下降速度比较快 ， 而且在快到位时， 出 现回油压力冲击大的现象 高达 1 9 MP a ， 在夹钳下 降过程中速度控制不稳定 ， 振动过大 ， 经常损坏四连 杆机构中的轴承。 { l ～同 } l 5 压力 P 曲鳍 { } ‘ * { i ／ 、 l 一 、 、 i 。 一 一 j } _ | { } ， ， ＼ ； 、 遗口 压 力 P 曲 线 、 l l l } 7 } 时 间 ／ 图5 改造前夹钳下降压力曲线图 f 回油压力 P 曲线 ＼ } ～ ≮ 热 糍 ⋯ i 榴 弋 ． ∥ 一 } 一 叶 ＼ 0 厂 | 、 { V 、 、 ． ．／、 ～ 一一 进 口压力 P 曲线 ， ／ 时间／ s 图6 改造后夹钳升降缸降压力曲线图 蠊| 张l 档 ％ 。 下转 第 4 4页 一～～一 ～～～i g 2 l l l 1 q f R 2 0 1 0 年第1 期 天律， 幺 分 6 ． 2 安装构件的吊点选择要准确并且经过计算 ， 在 构件有棱角处要垫半圆钢管和方木保护吊绳。 各吊具 和索具的安全系数应大于 5 ， 钢丝绳与构件水平夹角 不得小于 4 5 o 。 6 ． 3 为保证整体稳定性 ，柱子安装找正后应及时进 行灌浆并安装梁及柱间支撑。 6 ． 4 现场氧气、 乙炔瓶要分开放置 ， 且分置距离不小 于 5 m， 并做好防晒、 防震、 防火 、 防油措施 ， 设专人管 理 。 6 ． 5 认真做好防暑降温的工作， 并设置煤气报警器。 7 结束语 通过此次对钢结构与设备安装方案的正确运用， 使整个工程工期缩短了近两个月。 施工成本也大大降 低 ， 3 2 t 天车的充分利用使 吊装费用节省了 6 0 ％， 额 外仅用了两个大型吊车台班即完成了全部钢结构平 台和设备的安装工作。 由于有针对性地安全控制要点 穿插了工程的始末， 使复杂、 烦琐的高空多层平台施 工安全得以保障。总体来说， 天铁 R H真空精炼炉安 装技术的运用是一个成功的实例， 希望以此能对未来 类似的施工提供一些借鉴。 收稿2 0 0 9 1 2 2 3 责编赵实鸣 参考文献 [ 1 ] 中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会专家组． 中国大型钢 结构工程设计 与施工『 M】 ．北京 中国建筑工业出版社， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 杜容军．建筑施工安全手册 [ M ] ．北京中国建筑工业出版社， 2 0 0 7 ． [ 3 ] G B 5 0 2 0 5 2 0 0 1 ，钢结构工程施工质量验收规范【 s 】 ． 作者简介 杨志勇 ， 男 ， 高级工程 师 ， 2 0 0 3年 6月毕业于天津师 范大学政 治经济学 市场营销与工商管理方向 专业研究生课程进修班。 现任 天津二十冶建设有限公 司副总经理兼 天铁项 目部项 目经理 。 上接第 3 4页 通过使用进 口的压力补偿器和平衡阀， 改造夹钳 的液压系统 ， 改善了夹钳的运动平稳性。图 6 是改造 后液压缸两腔的压力曲线。 从图 6中可以看出回油压 力 P ， ， 一会高一会低， 来回振荡。说明了图 4中的 2 平衡阀阀芯不停地打开和关闭， 通过调节背压控制夹 钳下降速度 ， 从而避免夹钳在下降过程中， 由于负负 载过大导致速度失控的现象。夹钳改造后动作稳定 ， 四连杆机构中的轴承使用寿命得到延长。 5结论 5 ． 1 通过这次改造 ， 夹钳在后期使用过程中， 运动很 平稳 ， 四连杆机构轴承使用寿命得到了延长 ， 应该说 这次改造非常成功。可以通过改变液压回路设计， 达 到提高机械设备工作的稳定性。 5 ．2 通过液压缸两腔的压力曲线分析 ，可以知道液 压缸的动作情况。 通过压力曲线可以把液压缸机械动 作和液压控制回路很好地联系起来， 更好对设备进行 受 力分析。 5 。 3 进口节流压力补偿器和比例阀相结合，可以实 现准确地流量控制。 出口节流压力补偿器和比例阀结 合成出口流量控制回路来控制正载荷和负载荷。 这三 种阀有机地结合，可以广范地应用于现在液压系统 中， 特别是负载变化比较大、 执行动作速度要求高的 液压回路 。 收稿2 0 0 9 8 2 6 责编赵实呜 参考文献 [ 1 ] 机械设计手册联合编写组． 机械设计手册下册【 M 】 ． 北京 石油 化学工业 出版社 ， 1 9 7 8 ． 1 0 3 1 1 5 ． [ 2 ] 曹玉平、 阎祥安．液压传动与控制[ M 】 ．天津 天津大学出版社 ， 2 0 0 7．1 9 ～ 4 0 ． 作者简介 刘瑞， 男， 毕业于湖北工业大学， 工程师， 毕业后一直从事液压 技术工作 。