液压辊缝控制系统的液压刚度分析及背压选择.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 2年 第 8期 液压辊缝控制系统的液压 刚度分析及背压选择 陶桂林 ， 向忠辉 ， 罗 辉 ， 李 伟 武钢股份设备维修总厂 ， 湖北 武汉4 3 0 0 8 0 摘 要 该文根据液压辊缝 控制系统工作原理 ， 建立 了辊缝控制的液压刚度模 型。重点分析 了油液弹性模量和背压对液压刚度 的影 响 关系 ， 给出了负载变化产生压力 冲击 的估算方法。 最后结合一起典 型故障的处理 ， 阐明合理选择背压的重要性和选择方法的具体应用。 关键词 液压辊缝控制 ； 液压刚度 ； 伺服 阀； 背压 ； 弹性模 量 中图分类号 T H1 3 7 ．9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 8 0 0 1 8 0 4 An a l y s i s o n Hy d r a u l i c Ri g i d i t y a n d Cho i c e o f Ba c k Pr e s s u r e f o r t h e Hy d r a ul i c Ga u g e Co n t r o l S y s t e m T A0 Gui l i n， XI ANG Zh o n g-h ui ， LUO Hu i ， L I We i T h e E q u i p me n t Ma i n t e n a n c e P l a n t o f WI S C O， Wu h a n 4 3 0 0 8 0 ， C h i n a Ab s t r a c t b a s e d o n t h e w o r k p ri n c i p l e o f t h e h y d r a u l i c g a u g e c o n t r o l s y s t e m， a r a t i o n a b l e mo d e l i s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r t o a n a l y z e t h e h y d r a u l i c r i g i d i t y， w h i c h e x p o u d e d h o w t h e h y d r a u l i c rig i d i t y h a d b e e n a f f e c t e d b y t h e v o l u me e l a s t i c mo d u l u s a n d t h e b a c k p r e s s u r e ． a n d h o w t o c h o o s e t h e b a c k p r e s s u r e ． A t t h e e n d o f t h e p a p e r ， o n e t i p i e al ma lf u n c t i o n v e ri fi e d t h e a n a l y s i s b e f o r e ， a n d u n d e r l i n e d t h e i mp o r t a n t o f r e a s o n a b l e b a c k p r e s s u r e f o r t h e n o r ma l o p e r a t i o n o f h y d r a u l i c g a u g e c o n t r o l s y s t e m． Ke y wo r d s h y d r a u l i c g a u g e c o n t r o l ； h y d r a u l i c rig i d i t y ； s e lw o v a l v e ； b a c k p r e s s u r e ； e l a s t i c mo d u l u s O 引言 液压系统 由于能量密度高 ，控制精度高等优点在 工矿企业得到广泛的应用。当前 ， 轧机的辊缝控制几乎 都采用液压辊缝控制系统 。通常热轧轧机的轧制力在 1 0 0 0 ～ 3 0 0 0 t ，在 巨大的压力下 ，轧机牌坊大约拉伸 1 ～ 3 mm， 而板材的厚度精度却要控制在 3 0 1 x m 以内。要到 达如此高 的控制精度 ，液压系统本身的精度 自然越高 越好 。根据相关资料『 l 、 2 l ， 在研究辊缝控制精度时 ， 油液 的压缩性 已经不能忽略。从提高辊缝控制精度 的角度 来看 ， 液压缸背压越高越有利。然而 ， 如果背压过高， 再 加上轧机咬钢或抛钢瞬间产生的压力冲击 ，将危及管 路 和密封 的正常使用 ，因此合适 的背压是液压 系统正 常工作的基本条件。 1 液压油 的压缩特性与弹性模 量 研究液压辊缝控制系统的工作特性时 。必须首先 了解液压油 的压缩特性。液压油 的压缩特性一般用液 体的压缩系数 来表示 ， 即 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 1 2 作者简介 陶桂林 1 9 7 0 一 ， 男 ， 湖南襄 阳人 ， 高级工程师 ， 工 学博士 ， 从事 热轨电气控制研究 。 1 8 专。 一 等 ㈩ 式 中d p 压力变化值 ； d 液体被压缩后体积的变化值 ； 液体压缩前 的体积。 由于液体体积压缩系数 很小 ， 通常取其倒数 ， 称 为体积弹性模量 K。 即 K 2 p 根据资料 ， 液压油 的弹性模量 随压力变化如 图 1所示 。体积弹性模量 K与压缩过程 、 温度 、 压力等 因素有关 ，等温压缩下的 K值不同于绝热压缩下的 K 值 ， 由于差别较小 ， 温度升高时， K值减小 ， 在液压油正 常工作的温度范围内， K值会有 5 ％一 2 5 ％的变化 。压力 加大时 ， K值加大 。 压力p ／ MP a 图 1 液压油的弹性模量K随压力变化 曲线 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ， NO ． 8 ． 2 01 2 通常在 1 ． 4 ～ 2 ． 0 x l 0 MP a之 间，当液压油混入空气 后 ， 液压油的可压缩性显著增强 ， 弹性模量显著下降。 且 其变化不呈线性关系。因此 ， 当研究液压辊缝控制系统 的动态特性时必须根据压力工作范围选择相应的 值。 2 液压系统的液压刚度分析 2 ． 1 轧机液压 辊缝控 制 系统 简介 轧机的液压辊缝控制系统在冶金企业具有很强 的 代表性 ， 其系统组成有很多相似和共 同点。某轧钢厂辊 缝控制液压原理如图 2所示 图 2轧 机 液压 压 下机 构 原 理 图 如图 2所示 ，伺服阀P E 0 1 Y V HS 一 3和一 4为液压 缸无杆腔提供压下的驱动力 ， 一主一从 ， 互为备用 。 提 高系统的可靠性 ；溢流阀 P E 0 4 Y V H P 一 1 为有杆腔提 供恒定 的背压 ， P E 0 3 YV H 一 2为系统提供保护 ，当轧 制力超出允许范围时 ， 使液压缸快速卸荷。 2 ． 2 液压 刚度模 型 在咬钢前 ，液压缸根据带钢 目标厚度和预报轧制 力设定辊缝值 ； 在轧机咬钢时 ， 巨大的轧制力对辊缝产 生干扰 ，辊缝控制系统将根据实际轧制力对辊缝进行 调整 。如果系统设计合理 ， 控制足够先进 ． 辊缝值的波 动应控制在带钢厚度偏差允许的范围之 内，从而保证 产 品尺寸在正常范围之 内。 显然 ， 如果液压油 的压缩性越小 ， 辊缝控制系统的 调整量就会越小 ， 带钢厚度波动就较小 如果液压油压 缩性很大 ， 当轧机咬钢时辊缝就会出现较大偏差 ． 甚至 超 出控制系统的修正范围， 造成产品的尺寸不合 。 因此 液压辊缝控制系统必须设定一定 的背压 ，将液压油 的 压缩性影响降低。 根据油液的压缩特性 ，显然液压缸 的背压越高越 好。为 了解轧机在咬钢／ 抛钢时压力的波动情况 ， 假设伺 服阀在轧机咬钢／ 抛钢瞬间来不及响应 ， 处于关闭状态 ． M U l L 制力对油缸的冲击情况如图 3所示 ． 为液压缸活 塞及运动部 件的等效质量 ， B 。 为液压缸的粘性阻尼系 数 ， G为运动体的机械弹性 系数 ， 为咬钢或抛钢时扰 动外力 ， Y为活塞位移距离 ， 各变量正方向如图 3所示。 G ，、 二 ] l M 一 n ]__1 l _厂] l } j _ j 口 图 3液压 辊 缝控 制 系统 分 析 模 型 在轧机咬钢前 ，无杆腔压力 P 与有杆腔压力 P 保持液压缸两侧 的受力平衡 ， 忽略轧辊 自重等因素 ， 有 如下方程 A。 P L - A r 0 d p R 0 2 在轧机咬钢瞬间 ， 液压缸活塞将发生微小 的移动 ． 从而导致无杆腔压力增加 ， 有杆腔压力减小。在极短 的 时间内， 液压缸将 在新 的位置达到平衡 ， 此过程中有方 程 Ap s t Pp s - A d Pr 0 d My B p ， G y 3 根据液压油的压缩特性式 1 有 p p s △ p p sl 一 ， n 却 n y 4 对于辊缝控制系统， G- -0 。 将其带人 3 式并整理得 My B p y - 0 5 方程 5 是一个二阶常系数微分方程 ， 可 以给出该 方程 的显式解『 5 _ 。 2 ． 3 液 压 刚度公 式 根据参数情况 ， 方程 5 可能是一个过阻尼衰减过 程 ， 也可能是一个振荡衰减过程 。 在振荡衰减过程中． 位 移量 Y可能出现超调 ， 压力波动将增大。 无论方程 5 是 过阻尼衰减过程还是振荡衰减过程 ， 其稳态解均为 6 式 6 反应 了活塞在外力作用下产生位移量 ． 显然 A r o d 越大 ， 位移量越小 ， 它因此为描述系统抗 干扰能力的重要指标 ，通常将其定义 为液压系统的刚 度 ， 即 1 9 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 8期 l_ J I 根据式 7 ， 当油缸活塞所在 的位置发生变化 ， 各 腔的体积发生相应变化 ， 系统刚度也随之发生变化 ； 当 活塞处于中间部位时 ， 刚度最小。正是 由于该原因， 在 实际应用 中，要求液压辊缝控制系统要求活塞的伸出 量不超过总行程的 1 ／ 3 t4 1 。另外 ， 随着背压的升高 ， 液压 油 的缩性系数减小 ， 系统刚度将显著增加。可见背压的 高低对系统刚度产生重要影响。 将 6 代人 4 可求得液压缸各腔的压力波动幅值 分别为 App s t - 蕊 △ p 尸 F a s t A r o e , V w t 8 从上述分析来看 ，辊缝控制系统受干扰产生的位 控波动与系统刚度成反 比， 系统刚度越高 ， 位控波动越 小 ； 而干扰产生的压力波动幅值与系统刚度无关 ， 主要 决定于活塞的截面积和腔体 的体积。当辊缝控制系统 为振荡衰减过程时 ，位控系统在干扰作用下将出现超 调 ， 位移和压力波动范围将增大 ． 下面将以具体实例予 以说明。 3 典型案例分析 3 ． 1 系统 简介 某轧钢厂 自投产 以来 ， 轧机液压压下调整缸 实质 上是一种液压辊缝控制 频繁发生外泄漏油故障。仅 2 0 0 9年 1月～ 2 0 1 0年 6月的一年半时间内，漏油故障 高达 2 2次 ，每次均需花费大量时间来更换液压缸 ， 严 重影响了正常生产。 液压压下调整缸系统原理如 图 4所示 ， 系统压力 u l I M 1 8M l 9 ． B l 五 五 ． t _ J I I T I ⋯ 一 l I ● I x 1 娅 口 L x L r PS3 i DN 6 2 0 P压力传感器 I位置传感器 图 4某钢厂液压辊缝控制系统原理 图 改进前 为 3 0 MP a ， 调整缸的有杆腔与系统管路连接 ， 液压缸 的 规格尺寸为 44 6 0 ／ 4 3 0 1 5 5 。 轧辊及活塞杆 的质量 约 为 20 0 0 k g ， 正常轧制过程中， 轧制力不超过 1 00 0 0 k N。 3 ． 2 静 态 工作点 根据掌握的数据资料和实际生产情况 ，该轧机轧 制 H型钢的最大轧制力为 4 0 0 0 k N左右 。单侧液压缸 出力约 2 0 0 0 k N。由此得油缸的截面积为 A p s t订 2 3 ． 1 4 1 5 9 0 ． 1 6 6 2 m d 订 - R r 0 d 3 ． 1 4 1 5 9 x [ 一 】 0 ． 0 2 1 L ＼ ， ＼ ， J ’ 取油缸在 1 ／ 3位置为工作点时， 两腔的体积分别为 l ， p 8 0 ． 1 6 6 2 x 0 ． 0 5 0 0 ． 0 0 8 3 伸 d 0． 0 21 x 0． 1 05 0 ． 00 2 2 当轧机处于等待状态时 ， 有杆腔压力为 3 0 MP a ， 则 无杆腔的压力 P 为 p p s t ． pr o d 3 ． 8 MP a 当轧机咬钢时，以液压缸推力 20 0 0 k N为参考 ， 根 据 9 式 ， 各腔压力波动为 △ p 一 V p t A 0 d 0 d A p t 1 鱼 Q 拿 鱼 Q 2 一 1 1 ．3 5 M P a 0 ． 0 0 8 3 x O． 021 ‘ O ．0 0 2 2 x0 ． 1 6 6 2‘ 卸 L p s tA md 0 d ps t 里 Q 墨 5 ．4 8MP a 0． 0 08 3 x0 ． 021 ‘ 0 ．0 02 2 x0 ． 1 6 6 2 而活塞的位移量与液压油的弹性模量 的具体数值 有关 ． 下面将根据不同的弹性模量进行仿真分析。 3 ． 3动态仿 真 为了解油缸 的实际动作情况 。 根据相关资料f6 卅确 定各参数 ． 对油缸的运动情况进行仿真。当有杆腔压力 为 3 0 MP a时 ， 液压油的弹性模量取经验值 K 7 x l 0 P a ， 活塞位移和各腔压力变化如图 5所示 。 仿真计算表明 ， 此时是一个过阻尼衰减过程 。如图 5所示 ， 轧机 在咬钢／ 抛钢瞬 间， 活塞的位移约 0 ． 8 mm， 经历时间约 2 0 m s ， 压力波动与静态估算结果完全一致。 当轧机抛钢时 ， 有杆腔压力的绝对幅值接近 3 5 MP a 。 当液压油 的弹性模量增加时 ， 压力变化变陡， 当液 压油的弹性模量 K 5 1 0 p a时，系统开始呈现振荡衰 减 过程 ，如 图 6所示 ，整个过程 活塞的位 移不超过 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ N o ． 8 ． 2 0 1 2 1 5 1 x m， 经历时间不超过 0 ． 5 ms ， 由于位移振荡并 出现超 调 ， 压力波动更加大 。当轧机抛钢时 ， 有杆腔压力的绝 对幅值超过 3 5 MP a 。 。 莲嚣 匪蚕 2．9 鍪 - 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w H1 0 2 传感器 传感器 图 7某钢厂液压辊缝控制系统原理 改进后 实践与理论分析都表 明该液压缸漏油故障的主要 原因是背压偏高。 分析表 明该轧机轧制普通 H型钢时 ， 液压缸有杆腔的压力都会超过 3 5 MP a 。当轧制更 高强 度的品种 ， 轧制力更大时 ， 压力冲击更大。以系统单缸 最大轧制力 5 0 0 0 k N估算 ，有杆腔压力波动约 1 4 MP a 。 若整个管路许用压力按压力按 3 0 MP a为限 ，则有杆腔 背压 以不超过 1 6 MP a为宜。 4结 论 对液压辊缝控制 系统来说 ，有杆腔背压越高对位 控精度越有利 ， 但是 ， 背压的选择必须兼顾位控精度和 压力 冲击 ，使各腔的压力绝对幅值在系统承受范 围之 内。忽略辊缝控制电气反馈的作用 ， 压力 冲击可以根据 式 8 进行估算 ， 背压的选择应注意 1 背压压力升高时 ， 液压油的可压缩性减小 ， 系 统的刚度增加 ， 位置控制的精度提高 ， 位控精度与系统 刚度成 比例关系； 2 当系统刚度过高时 ， 辊缝控制系统呈振荡衰减 过程 ， 位移和压力波动将趋于剧烈 ， 控制的精度反而会 降低 ； 当背压偏低时 ， 系统刚度过小 ， 活塞位移幅值大 ， 位置控制精度较差 3 负载突变将产生压力冲击 ， 压力 冲击的幅值与 液压系统 的背压无关 ，主要决定于液压缸 的机械尺寸 和干扰作用力 ，但有杆腔压力的绝对幅值会随背压 的 升高而相应升高； 4 为减小负载突变对有杆腔产生的压力冲击 ， 应 尽量减小负荷的变化率 ， 避免突然甩负荷。 参 考 文 献 [ 1 ] 路 甬祥． 液压气动技术手册【 M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 】 明仁雄， 万会雄． 液压 与气动传 动[ M】 ． 北京 国防工业 出版 社， 2 0 0 3 ． 【 3 】 时培成， 王幼 民． 液压油液数字 建模与仿真[ J ] ． 农业机 械学报， 2 0 0 7 ， 1 2 ． [ 4 ] 崔英伟， 孙坤， 等 ． 油液体积 弹性模量 的测量 [ J ] ． 液压 气动与密 封， 2 0 1 2 ， 3 ． [ 5 ] 数学手册编写组． 数学手册【 M] ． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 0 2 ． 【 6 】 李永 堂， 雷步芳， 等． 液压系统 建模与仿 真[ M】 ． 北京 冶金 工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 7 】 曹钧合． 抽油杆柱动态方程等效粘 滞阻尼系数 的确定[ J ] ． 石油 钻采工艺， 1 9 8 8 ， 2 ． [ 8 1 杨铁皂， 方在 华， 等． 柴油机调速器 粘性阻尼 系数 的识 别【 J 1 ． 农 业工程学报， 2 0 0 0 ， 2 ． [ 9 ] 李风芹． 浅谈液压系统背压f J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 l ， 4 ． [ 1 0 】 李 红侠 ， 杨仁金． 铸轧 液压 A G C系统的设计 [ J 1 ． 液压气动 与密 封 ， 2 0 0 8， 2 ． 21 霾 g ∞ d ／ 苣 ∞ d ， 。 雾 5 5 O 2 5 ● 5 2 4 2 3