热轧粗轧机高压液压系统回油管爆裂分析.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 7 ．2 0 1 0 热轧粗轧机高压液压系统回油管爆裂分析 姚威 朱培 显 马鞍 山钢铁 股 份有 限公 司 ， 安徽 马鞍 山 2 4 3 0 0 0 摘 要 近年来 ， 国内一些特 大型钢铁公 司都相继从 国外 引进 了现代化 的热轧带钢生产机组。这些机组的共 同之处是都配置 了工作压 力高 、 流量大、 控制精度高的液压 系统 ， 这为生产大压下量 、 大规格 、 高精度的板带材提供 了必要 的设备条件 。 本文分析了某大型热轧轧 机液压 回油管路多次爆裂所 导致 的事故 ， 并提出了解决方法和改进措施 。 关键词 回油管路 ； 液压缸 ； 自动宽度控制 中 图分 类 号 T H1 3 7 ． 8 文献 标 识 码 B 文 章 编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 0 7 0 0 3 9 0 4 Ana l y s i s o f Re t u r n P i pe h n e Bu r s t i n g o n Ho t M i Ⅱ Hi Pr e s s u r e Hy d r a u hc S y s t e m YA0 We i ’ ZHU Pe i - x i a n Ma a n s h a n I r o n S t e e l C o ． L t d ． 。 Ma a n s h a n 2 4 3 0 0 0， Ch i n a Ab s t r a c t I n r e c e n t y e a r s , s o me d o me s t i c s t e e l c o r p o r a t i o n s i mp o r t mo d e m h o t mi l l e q u i p me n t ，s o me o f t h e s a me t r e a t s o f t h o s e s y s t e ms a r e e q u i p p e d h i g h p r e s s u r e ， h i g h fl o w v o l u me ， p r e c i s i o n c o n t r o l l e d h y d r a u l i c s y s t e m． T h e s e s y s t e ms p r o v i d e n e c e s s a r y c o n d i t i o n s f o r r o l l i n g h i g h l y s c r e w d o w n ， l a r g e s c a l e ， h i g h p r e c i s e n e s s c o i l s t e e 1 ． 1 ’ h i s a rt i c l e a n a l y z e s s o me a c e i d e n c e s o f a h y d r a u l i c s y s t e m r e t u r n l i n e b u r s t i n g ， p r o p o s e s s o l u t i o n s a n d mo d i f i c a t i o n ． Ke y W o r d s r e t u rn l i n e ；c y l i n d e r ；,AWC a u t o ma t i c wi d t h c o n t r o 1 U 引 舀 某特大型钢铁公司从 国外 引进的现代化热连轧带 钢生产线 ． 历经三年建设于近期投产。该生产线 的粗轧 机组按照粗轧工序 ， 要对板坯进行来 回八道次的轧制 ， 把厚度为 2 5 0 m m 的板坯轧制到 3 0 mm。由于粗轧机组 压下量大 ， 动作频繁 ， 粗 轧机液压 系统工作压力高 ， 达 到 2 9 0 b a r ， 系统流量大， 达到 1 9 2 0 L ／ mi n 。但是在生产线 投产初期 ．发生 了几次粗轧高压液压系统 回油管爆裂 事故 ， 给生 产造 成 了一定 的影 响 。 1 回油管爆 管故 障情况 1 ． 1 系统原 理 介绍 回油管的几 次爆裂部位都发生在 A WC液压 阀台 后 的回油管路上 ， A WC液压阀台是该液压系统中较重 要 的组成部分 。它主要的功能是对带钢宽度实现 自动 控制 。 A WC液压 阀 台的功 能 ， 是通 过 液压 缸来 控制 立辊 ， 最终实现对带钢的 自动宽度控制 ， A WC控制机构主要 有两个 A WC液压缸和一个平衡缸所组成 见图 1 。该 液 压 阀 台通 过 对 三 个 液 压 缸 的 控 制 来 实 现 立 辊 打 开 、 立辊关闭 、 立辊快开三个动作。其液压原理图和详细控 制如 图 2和表 1 所 示 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 1 4 作者简介 姚威 1 9 8 2 一 ， 男 ， 大学 本科 ， 毕业于安徽 工业 大学机械工程学 院机械设计制造及其 自动化专业 ， 现从事冶金企业机械设备维护工作 。 图 1 液压缸运动简图 图 2 A WC液压缸部分 的液压原理 图 39 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 0年 第 7期 表 1 电气 控 制 图 表 液压元 件 功能 A w 1 A wC -2 A w c_3 A WC _4 Aw c_5 a b 立辊 打开 1 0 1 1 1 ％ 立辊 关闭 1 0 1 1 1 ％ 立辊不带伺服快开0 1 0 0 0 O ％ 立辊带伺服快开0 1 1 1 1 9 6 注 1电磁 阀得 电 ， 0电磁 阀失 电 ， ／ 一 n ％伺 服 阀参 考 值 。 从图 2和表 1中可以看出立辊打开时平衡缸有 杆腔进压力油 ， 此时两个 A WC液压缸在此过程中通过 伺服阀控制打开。 立辊关闭时平衡缸无杆腔进油． A WC 液压缸在此过程中通过伺服阀控制关闭。立辊快开有 两种快开的控制模式 ， 一种是不带伺服的控制模式 ． 此 时立辊的快开主要靠中间的平衡缸拉着 两侧 的 A WC 液压缸打开， 此时 AWC液压缸的油通过编号为 A WC 一 1电磁阀控制的溢流阀流回油箱 ； 另外一种是带伺服的 控制模 式 ， 此种 模式是 在立 辊快开过 程 中 ， A WC通 过伺 服阀控制 自动打开 ， 不需要靠平衡缸的拉力了， 所以带 伺服的快开速度远大于不带伺服的快开。 1 ． 2回油管爆管的故障描述 该热轧生产线粗轧机组在正常计划检修结束 ， 投 人生产前要对各个设备进行正常标定 。但是在对该粗 轧机组进行标定后约 5分钟 ，该轧机的高压液压站停 机， 监控画面显示油箱液位下降到停机位。经检查发现 该轧机高压系统操作侧 回油管道爆裂 ，油液泄漏导致 液位下降。经过近 6个小时的紧急抢修 ， 对爆裂的管道 进行了更换，但是在试车和标定过程 中传动侧高压 回 油管又出现再次爆裂。 2 故障分析 粗轧机标定的过程 中需要的一个动作是 立辊带 伺服快 开 。这时 A WC液 压缸快 速 打开 ， 大 量 的液压 油 从 回油 管 回到油 箱去 。 由于 回油路 上 只有一 个 回油单 向阀，一个回油过滤器，加上管道沿程阻力和局部压 损 ， 正常情况下回油压力不超过 1 0 b a r ， 因此爆管的可 能原 因有两 个 一是 回油 管路 堵塞 导 致 回油压 力过 高 ． 二是 回油管路选型错误导致。于是设备人员对 回油管 路进行了检查， 并对管路选型进行校核 。 2 ． 1 回油管路堵塞检查 回油管路上 的液压元件只有 回油单向阀和回油过 滤器两个主要元件 ， 设备人员对其进行逐个检查。 2 ． 1 ． 1 回油单 向阀 单向阀是只允许液流向一个方向流动 ，而不允许 反向流动的阀。本系统所使用 的回油单 向阀如图 3所 示 。 j丑 J J 【 』 ] Q 1 - 日 一 3止 回 阀结 构 图 回油单 向阀解体后 ， 发现单向阀阀芯无任何磨损 ， 开关 自如 ， 经检验单 向阀工作正常。 2 ． 1 ． 2回油 过滤器 此次故障如果是回油过滤器方面的原 因，首先检 查压差报警元件和滤芯是否正常工作 ；其次要检查该 过滤器是否满足该系统的设计需要。 过滤器元件经设备维护人员的认真检查均未发现 异常。该轧机高压液压系统共设计九台工作泵 用八 备一 ， 工作泵的额定流量是 2 4 0 L ／ mi n， 故该 系统的总 流量 Q 2 4 0 8 1 9 2 0 L ／ m i n ， 从 回油过滤器的压降流量曲 线 见图 4 上不难看出 ， 该过 滤器满足系统的 回油要 求。 R F L 4 O 0 o ／ 4 O 2 0 ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ 4 油 过 滤 器 的 压 降 流量 曲线 2 ． 2回油 管路选 型校核 2 - 2 ． 1 回油管管径计算 由公式 d ≥4 ． 1 6 、 ／ 卫 V q 等于两个 A WC液压缸 设计流量是 5 9 1 L ／ m i n 和 一 个 平衡 缸 设计 流量 是 1 3 7 L ／ m i n 的 总流量 ； q 5 91 21 3 7 1 31 9L ／ mi n 回油状态下 的范围是 1 ． 7 4 ． 5 n ti s 。 目前 ， 现场装 的回油管是 1 1 4 x 3 ． 6 m m的不锈钢管 ， 可 以根据 管径 d的尺 寸计 算 出现 场 回油 管油 液流 速是 否在 的范围。 由 ≥ 4 ．16 、 ／ 一 1 l4 3 ．6 2 ≥ 4 ．1 6 、 ／ 然而通过上面对 回油管路选型的计算可知 ．在理 论流量下的管道尺寸是满足要求的 ，压力冲击是如何 产生 的 呢 经 P L C数 据 分析 发 现立 辊 的快 开速 度超 过 了设计要求 ， 也就是 A WC液压缸实际流量超过了设计 流量 ， 从而引起 回油管压力冲击 。为了消除或降低压力 冲击必须对立辊控制进行优化 ，即降低液压缸的动作 速度减小其流量 以消除故障。 3 解决 方案 3 ． 1 A WC快 开 参数调 整 现场通过 P L C的数据采集显示 ，无论哪种模式下 的快开 ， 都有压力冲击 ， 但是超 出管路强度范 围的压力 冲击发生在 A WC液压缸带伺服快开时， 冲击产生 的高 压 持续 时 间 6 m s 左 右 。 经过试验发现 ，伺服阀的给定量是快开过程中的 关键参数。 事故发生时， 伺服阀的给定量是 1 0 0 ％。 于是 对伺服阀的给定量进行了多次现场调整试验 。在满足 工艺要求的情况下 ，最后把伺服阀的给定量调整到最 小 2 0 ％。 经过用 P L C一段时间的数据跟踪采集 ． 发现最 高冲击压力下降到 4 ． 6 MP a 。 3 - 2 A WC 回油管 重新 选型 并更 换 通 过 对 A WC控 制参 数 的重 新 调整 ， 该 回油管 道 的 最大压力冲击仍有 4 ． 6 MP a ，仍稍微超过原管路最大可 以承受 的 4 ． 3 8 MP a 压力。鉴于这种情况下设备状态仍 不够安全 ， 故要对管道进行重新选型。 由 ≥ 3 ． 7 6 mm 即 需要 更 换 管 壁 厚 度 大 于 3 ． 7 6 mm 的无 缝 钢 管才 能满 足 生产需 要 。 4 结束语 通常情况下 ， 液压系统 回油管路的压力都很低 ， 基 本 上 就 是 回 油 单 向 阀 所 产 生 的 背 压 ，一 般 不 超 过 l MP a ， 所 以类 似本 机组 发生 的液压 系统 回油管 路爆 裂 的 故障案例实属少见 ， 且仅从理论计算的角度分析 ， 故障 原因也很难查找 出来 。 而利用 P L C进行数据采集 ， 将各 时问段 的参数进行对 比分析 ， 设备状态便可一 目了然 ， 找到故障原因也就相对容易。 当前设备诊断技术进步很快 、状态监测方法不断 创新 ， 在设备维护中注重采用新技术 、 新方法、 新手段 ， 可 以快 速准确地发现和排除设备故障 ，保障生产的顺 行 ， 这对于提升设备维护管理水平 ， 提高企业 的经济效 益 有着 很强 的现 实 意义 。 } ≤ 2． 0 m／ s 符合 的范围 所 以在设计流量下 ，管道 的管径尺寸是符合要求 的。 2 _ 2 _ 2 回油 管能 承 受的最 大 压力计 算 蚣 器 t 取 现场 回油管 的壁厚 3 ． 6 ra m 内径 d 取现场的 1 1 4管子， d 1 1 4 3 ． 6 x 2 1 0 6 ． 8 m m [ 】 n c r b 为不锈钢管按力学性能取 O b 5 2 0 ， 凡为安全 系 数 ． 取 n 8 『 1 5 2 0 ／ 8 6 5 F ／ , 如果按现场管子厚度 t 3 ． 6 mm计算 ， 由 ￡ ≥ 6 t - - - * p4 ． 3 8 MP a 从以上过程我们可以看到 ，按管道 的实际尺寸计 算 ，现 场 回油 管 所 能 承 受 的 回油 最 大 压 力 是 4 - 3 8 Y I Pa。 2 ． 3回油 管路压 力 数据 采集 对 于 内径 为 1 0 6 ． 8 m m 壁 厚 3 ． 6 m m 的不 锈 钢 管 。 最 大 可以承受 4 ． 3 8 MP a的压力 ， 在这种情况下出现爆管 ， 毫无疑问是爆管处的压力远远超出了 4 ． 3 8 MP a 。 但为什 么会产生这么高的压力及究竟在什 么时候产生这么高 的压力由于理论计算没有找到问题所在 ， 设备人员想 到 了用 以下 技 术手 段 寻 找答 案 ，即在 回油 管路 上 安 装 了压力传感器 ，这样一来可 以通过 P L C来监控该 回油 管 路上 的瞬 时压 力 。通过 一 段时 间 的观察 发 现 ， 设 备 标 定对 A WC液压缸做快开时 ， P L C显示有瞬时的压力冲 击 ， 最高达 1 3 ． 6 2 MP a ， P L C的监测画面如图 5所示。 图 5回油管路 P L C压力 检测曲线图 这样 就 找 到 了 回油 管 的爆裂 的直 接 原 因 ，就 是 在 设 备标 定 A WC液 压缸 做快 开 时 ，回油 管路 中产 生 1 3 ．6 2 M P a 的压力冲击，远远超过现场回油簧所能承受 的 4 ． 3 8 MP a最高压力 ， 从而造成 回油管路的爆裂 。 下转第5 2 页 41 液 压 气动 与 密 封／ 2 01 0年 第 7期 c o s 0； C 广柱 塞节 流 口流 量特性 系数 ； 柱 塞节 流 口面积 梯度 ； 液流射流角度 ； K 、 K 厂主、 次弹簧的弹性系数 ； 、 广 主 、 次弹簧的压缩量。 此 时液压 缸柱塞 的平衡 方程 P L A L 2 W p L Au 2 式 中 负载 力 ； A。 厂液压缸上腔有效作用面积； A 液压缸下腔有效作用面积 。 柱塞 的流量 方程 r - 一 Q o C w lx V - p E p 。 3 式 中 一 柱塞 节流 口开度 p 通油箱的压力 ， 一般p o 一0 P a 。 由于稳定状态下泄流可 以忽略 ，通过柱塞的流量 等于流人泵的输出流量 ； Q p C aw 吾 p L 4 根据式 1 、 2 以及 4 做出导通压力 P 为负载力 W 关系曲线 ， 以及液压缸下腔压力P 为负载力 w 关系 曲线 。 由于该平衡阀由 B口的压力作为补偿 ，在相 同的 主阀开度下， 所需要的P 也就越小。该平衡阀的主要优 点是开启压力低 ， 节约效率， 在相同负载力的情况下 ， 比 一 般平衡阀的导通压力要低很多 ，图 3为在流量 同为 Q 。 2 0 0 L ／ m i n 、 液压缸尺寸相 同的情况下 ， 平衡 阀导通 压力和负载力的关系以及液压缸下腔压力和负载力 的关系曲线 ，虚线表示对东德型平衡 阀的仿真曲线 ， 实线表示对新 型平衡 阀的仿 真曲线 ， 由此可见 ， 新型 平衡阀的液压缸下腔压力 P ， 随负载增高而增高 ， 在相 同负 载时 略 小 于东 德 型平 衡 阀的 P ； 一 般 的 负载 力 为 6 ～ 8 k N， 图中明显可 以看 出。 此时新型平衡阀的导通压 力 p x -- 7 9 MP a是东德平衡阀的 1 ， 7 ～ 1 ／ 6 t 。 ■ 一- 一 一 一 一 上接第 4 1页 参 考 文 献 f l 】 王积伟， 吴振顺 ． 控制工 程基 础[ M】 ． 北京 高 等教育 出版社 2 0 o1 ． 【 2 】 雷天觉． 新编液压工程 手册【 M】 ． 北京 北京理工大学 出版社 1 9 9 8 ． 【 3 】 官忠范． 液压传动系统[ M】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 7 3 ． [ 4 】 张利 平． 液压气 动系统设计手册[ M 】 ． 北 京 机械工业 出版社 1 99 8． 5 2 a 导通压力一 负载力曲线 负 载 7 J ， N b 液压缸下腔压力一负载力曲线 图 3 3 结束语 本文介绍了一种新型平衡阀， 它的性能优 良， 其最 大优点是导通压力非常低 ，能够随着负载的变化而动 态调整背压的大小 ， 还能满足多种工况需求。本文给出 其基本工作原理 以及静态特性 。 参 考 文 献 【 1 】 麻井伟． 负载敏感平衡阀的研究【 D 】 ． 太原理工大学， 2 0 0 7 5 ． [ 2 J 张雅琴， 张祝新． 关 于平衡阔和平衡 回路【 J 】 ． 机械工程， 2 o o 6 1 ． 【 3 】 姚平喜， 张晓俊． 液压平衡回路辨析[ J 】 ． 液压与气动， 2 0 0 5 0 ． [ 4 】 麻井伟， 姚 平喜． 一种新 型负载敏感平衡 阀[ J ] ． 液压气 动与密 封． 2 0 0 7 2 ． 【 5 ] 黄 宗益， 等． 液压 传动 的负载敏感 和压 力补偿 【 J 】 ． 建筑机 械， 2 0 0 4 4 2 0 - 2 2 ． 【 6 ] 李含春． 一种新型 比例平衡 阀的原理与应用[ J ] ． 液压气动与密 封。 2 0 0 7 6 ． f 7 ] 张雅文． 新型 P HY --H1 2 1 8 L远控平衡阀的研制[ J 】 ． 节能技术， 1 9 8 5 3 4 ～ 6 ． [ 5 】 马玉贵， 马志军． 液压件检修与故障排除问答【 M】 ． 北京 中国建 材 工 业 出版 社． 2 0 01 ． [ 6 1 杨培元， 朱福元． 液压 系统设计简明手册【 M】 ． 北京 机械工业 出 版社 ， 2 0 0 3 ．