基于二通插装阀的换辊装置液压控制回路故障分析及优化.pdf

２０１６ 年 ４ 月 第 ４４ 卷 第 ８ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ａｐｒ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ８ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０８􀆱 ０２７ 收稿日期 ２０１５－０３－０５ 作者简介 李宇林， 男， 本科， 研究方向为液压气动技术在冶金领域的研究与应用。 Ｅ－ｍａｉｌ ｙｕｌｉｎ􀆱 ｌｉ＠ ｃｉｓｄｉ􀆱 ｃｏｍ􀆱 ｃｎ。 基于二通插装阀的换辊装置液压控制回路故障分析及优化 李宇林 （中冶赛迪工程技术股份有限公司流体系统部， 重庆 ４０１１２２） 摘要 简要阐述了某万能轧机换辊装置的工艺要求、 原设计的液压控制回路及二通插装阀的工作原理， 对使用过程中 的故障进行了分析与排查， 并提出了优化后的控制回路。 从使用效果来看， 回路优化后故障彻底消除。 关键词 二通插装阀； 换辊装置； 故障分析； 优化 中图分类号 ＴＧ３１５ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ０８－０８３－２ Ｆａｕｌｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｌｏｏｐ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ２⁃ｗａｙ Ｃａｒｔｒｉｄｇｅ Ｖａｌｖｅ ｆｏｒ Ｒｏｌｌ Ｃｈａｎｇｅ Ｄｅｖｉｃｅ ＬＩ Ｙｕｌｉｎ （Ｆｌｕｉｄｓ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ， ＣＩＳＤＩ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０１１２２， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｒｏｌｌ ｃｈａｎｇｅ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｍｉｌｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｏｏｐ， ａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ２⁃ｗａｙ ｃａｒｔｒｉｄｇｅ ｖａｌｖｅ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． Ｆｕｒｔｈｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｕｒｖｅｙ ｏｎ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｏｏｐ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｉｎ ｅｆｆｅｃｔ， ａｆｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｒｅｍｏｖｅｄ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ２⁃ｗａｙ ｃａｒｔｒｉｄｇｅ ｖａｌｖｅ； Ｒｏｌｌ ｃｈａｎｇｅ ｄｅｖｉｃｅ； Ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ； Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ 某万能轧机换辊装置， 其横移由一只液压缸推 动， 装置需要在 Ａ、 Ｂ 两个换辊位置作较长时间的位 置保持， 以保证新旧辊系的顺利推入和拉出， 换辊位 置由行程开关检测。 １ 原设计液压控制回路 原设计的液压控制回路如图 １ 所示 液压缸采用 比例方向阀控制， 以满足快速 ２００ ｍｍ／ ｓ、 慢速 １００ ｍｍ／ ｓ、 定位速度 ２０ ｍｍ／ ｓ 的工艺动作速度要求， 同 时， 在比例阀 Ｂ 位采用了特殊阀口形式， 以实现液 压缸伸出的差动控制， 达到节能目的； 在比例阀与油 缸之间设置液控单向阀， 以实现停位时位置保持； 针 对液压缸通径大、 速度快、 流量较大 （无杆腔达 ９６５ Ｌ／ ｍｉｎ） 的特点， 液控单向阀采用了二通插装阀形 式， 所有元件均为进口产品。 图 １ 中， 元件 １ 为比例方向阀， 元件 ２ 和 ６ 为插 装阀， 元件 ３ 和 ５ 为盖板， 电磁换向阀 ４􀆱 １ 和 ４􀆱 ２ 用 于控制插装阀的通断， 其先导控制油 Ｘ 从压力油路 Ｐ 引入。 ２ 二通插装阀的组成及基本原理 如图 ２ 所示， 二通插装阀主要包括控制盖板 １ 和 插件 ２ （由图中红线框以内元件组成）。 插件 ２ 主要 包括阀套 ３、 阀座 ４、 复位弹簧 ５［１］。 图 １ 原液压回路图 图 ２ 二通插装阀典型结构图 二通插装阀的驱动取决于压力。 对阀的驱动， 有 ３ 个重要的承压面积 Ａ１、 Ａ２、 Ａ３， Ａ１为阀座的面积， Ａ３为弹簧腔控制油作用面积， Ａ２为环形面积， Ａ２＝ Ａ３ －Ａ １。 其中 面积 Ａ１ 和 Ａ２的液压油压力作用在阀 开启方向， 面积 Ａ３的控制油压力和弹簧力作用在阀 关闭方向， 合成力的有效方向 （开启力或关闭力） 决定了二通插装阀的开关状态［２－３］。 合成力公式为 ∑Ｆ ＝ ｐＡＡ１ ＋ ｐ ＢＡ２ － ｐ ＸＡ３ － Ｆ Ｋ － Ｆ Ｈ （１） 式中 ｐＡ为油口 Ａ 处压力； ｐＢ为油口 Ｂ 处压力； ｐＸ为 控制腔 Ｘ 处压力； ＦＫ为弹簧力； ＦＨ为阀口液动力。 当∑Ｆ ＜ ０时， 阀芯下压， 阀口关闭； 当∑Ｆ ＞ ０ 时， 阀芯上抬， 阀口打开。 ３ 工作原理及故障现象 图 １ 所示的液压回路的工作原理为 首先， 换向 阀 ４􀆱 １ 和 ４􀆱 ２ 电磁铁 ａ 得电加载， 控制油 Ｘ 被切断， 此时插件弹簧腔与泄油管路 Ｙ 连通。 此时， 如果比 例方向阀 １ 得到正的指令信号， 作用于插件 ２ 的合力 ∑Ｆ ＞ ０， 座阀打开， 压力油由 Ａ 到 Ｂ 流动， 到达 液压缸无杆腔， 同时， 有杆腔压力 ｐＢ２上升， 作用于 插件 ６ 的合力∑Ｆ ＞ ０， 座阀打开， 油流从 Ｂ 到 Ａ， 液压缸伸出； 相反地， 如果比例方向阀 １ 得到负的指 令信号， 油流方向相反， 液压缸缩回。 其次， 当液压 缸达到 Ａ 或 Ｂ 两个换辊位置时， 行程开关发讯， 比 例电磁铁得到中位信号， 换向阀 ４􀆱 １ 和 ４􀆱 ２ 电磁铁 ａ 断电， 控制油 Ｘ 与插件弹簧腔联通， ｐＡ１和 ｐＡ２压力近 似为零， 此时， 插件受到的合力∑Ｆ ＜ ０，油口 Ａ 无泄漏关闭， 理论上， 液压缸停止运动并会长时间保 持在停止位置。 但在调试时， 不能实现要求的长时间位置保持功 能。 在电气控制液压缸停止后， 液压缸很快就出现缓 慢前伸的现象， 并一直持续。 一段时间后， 平台位置 超差报警， 自动换辊失败。 ４ 故障分析及优化 从原理上分析， 此故障现象可能是由液压缸内泄 或压力油进入液压缸无杆腔而产生。 作者采取了以下 步骤来进行排查 首先， 关闭球阀 ８， 液压缸停止运动， 排除了液 压缸内泄原因； 然后， 在液压缸缓慢前进时， 测量液 压缸两腔压力， ｐＢ１和 ｐＢ２均缓慢上升， 这表明有压力 油同时进入了液压缸两腔管道。 从图 １ 可知， 有以下 几种可能会造成此情况（１） 比例阀未处于中位， 压力油从 Ｐ 口进入 Ａ 口， 通过插装阀进入液压缸； （２） 插装阀盖板上的梭阀出现故障， 关闭不严， 控 制油 Ｘ 由此与插装阀 Ｂ 通道联通； （３） 插件的控制 腔与 Ｂ 通道间存在内泄漏。 对于可能性一， 根据合 成力公式 （１）， 由于 ｐＸ＝ ｐ， ｐＢ＜ｐＸ， Ａ３ ＝ Ａ １ ＋Ａ ２， 此 时比例阀即使处于 Ｐ 通 Ａ 的状态， ｐＡ＝ｐ， 合力∑Ｆ 仍小于 ０， 插装阀关闭， Ａ、 Ｂ 通道不能连接。 对于 可能性二， 作者将盖板上 Ｘ 口封堵后， 现象仍存在， 不成立。 对于可能性三， 由图 ２ 可知， 插件的阀套 ３ 和阀座 ５ 之间是滑阀结构， 存在着内泄漏的可能性。 经咨询制造商， 其内泄量能达 ３２ Ｌ／ ｍｉｎ， 但厂家的样 本未做任何说明， 原设计师忽略了这一因素， 从而导 致了故障发生。 原因查出后， 对原控制回路进行优化， 如图３所示。 图 ３ 优化后液压回路图 （下转第 １２１ 页） ４８机床与液压第 ４４ 卷 ＷＡＩＴ ＵＮＴＩＬ ＰＲＯＣ＿ＳＴＡＴＵＳ ＰＲＯＣ（２） ＜＞ ０ ＷＡＩＴ ＵＮＴＩＬ ＰＲＯＣ＿ＳＴＡＴＵＳ ＰＲＯＣ（２） ＝ ０ ／ ／ 双轴耦合 ′Ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｎａｂｌｅ ＲＵＮ ＂ＧＡＮＴＲＹ＿ＤＥＭＯ＿ＰＲＯＦＩＬＥ＂，２ ＷＡＩＴ ＵＮＴＩＬ ＰＲＯＣ＿ＳＴＡＴＵＳ ＰＲＯＣ（２） ＜＞ ０ ＷＡＩＴ ＵＮＴＩＬ ＰＲＯＣ＿ＳＴＡＴＵＳ ＰＲＯＣ（２） ＝ ０ ／ ／ 电机使能 ′Ｓｙｓｔｅｍ ｒｕｎ ／ ／ 系统运行 ３ Ｇａｎｔｒｙ 同步控制测试 测试使用 ＴＲＩＯＭＣ４Ｎ， 基于 ＡＲＭ１１ ５１２ＭＨｚ Ｅｔｈ⁃ ｅｒｃａｔ 通信的控制器， ＬＴ⁃Ｉ ＳＯ ＣＭ⁃３􀆱 ０００６ｖ１􀆱 ２５􀆱 ０２， ６Ａ Ｅｔｈｅｒｃａｔ ｔｒｉｐｌｅ⁃ａｘｉｓ 驱动模块， 电机为 ＬＳＭＬ０６⁃０４０⁃ ２Ｆ⁃１００， 额定参数为 ３ ０００ ｒ／ ｍｉｎ、 １􀆱 ５５ Ａ、 １􀆱 ２５ Ｎ ｍ， 测试曲线为基于电子凸轮表格的五次多项式拟合 曲线， 总行程为 ９０， 拟合的位置、 速度和加速分别 使用以下公式［８］ ｙ ＝ ｆｘ５ ＋ ｅｘ ４ ＋ ｄｘ ３ ＋ ｃｘ ２ ＋ ｂｘ ＋ ａ（１） ｙ′ ＝ ５ｆｘ４＋ ４ｅｘ３＋ ３ｄｘ２＋ ２ｃｘ ＋ ｂ（２） ｙ″ ＝ ２０ｆｘ３＋ １２ｅｘ２＋ ６ｄｘ ＋ ２ｃ（３） 当控制器循环时间为５００ μｓ， 驱动器使用三次样 条插补时， 如图 ６ 所示， 此时的速度前馈给定信号优 秀， 能在 ４５ ｍｓ 内完成测试曲线。 图 ６ 速度前馈给定信号 此时的主从位置跟随曲线如图 ７ 所示， 主从之间 产生了因通信循环时间导致的延时， 但位置同步从轴 的同步性优秀， 实际位置误差不超过 ０􀆱 ５ ｍｍ。 图 ７ 主从位置跟随曲线 ４ 总结 通过对路斯特公司最新的 ＳＯ⁃ＣＭ 三轴驱动器与 ＴＲＩＯＭＣ４Ｎ 多轴控制器的功能研究， 实现双直线电机 的 Ｇａｎｔｒｙ 功能及自动纠偏等功能。 由于使用了控制 器的虚拟主轴功能， 控制器与驱动器的通信延时造成 的位置跟随误差不会影响同步运动的双从轴 Ｇａｎｔｒｙ， 相比其他同步控制方式有较为明显的优势。 参考文献 ［１］ 白玉成，唐小琦，陈吉红，等．基于工业以太网的数控系 统多轴同步控制的研究［Ｊ］．制造技术与机床，２００８（８） ６１－６５． ［２］ Ｌｕｓｔ Ａｎｔｒｉｅｂｓｔｅｃｎｉｋ Ｇｍｂｈ． ＳｅｒｖｏＯｎｅ ｉＰＬＣ Ｂａｓｉｃ ［ Ｍ］， ２０１４． ［３］ 舒志兵，谢福亮，郑之开．专用机械手控制系统设计与分 析［Ｊ］．机床与液压，２０１３，４１（２２）１１３－１１５． ［４］ 舒志兵，瞿敏敏，翟正磊，等．基于矢量控制的数控系统 的伺服驱动优化［Ｊ］．电气传动，２０１４，４４（８）６４－６８． ［５］ 曹毅，周会成，唐小琦．双轴同步控制技术的研究［Ｊ］．制 造技术与机床，２００８（２）６５－６８． ［６］ 肖艳军，王志锋，肖艳春，等．基于 ＰＬＣ 的模切机同步控 制系统设计［Ｊ］．机械设计与制造，２００９（２）７６－７７． ［７］ 运动控制参考手册 Ｔｒｉｏ ｂａｓｉｃ 指令集［Ｍ］，２０１３． ［８］ 舒志兵，翟正磊，吴奕飞，等．基于电子凸轮的高速横切 机飞剪系统设计分析［Ｊ］．电气传动，２０１３（１０）４７－ ４９． （上接第 ８４ 页） 将插装阀的 Ｂ 通道与比例阀、 Ａ 通道与液压缸相 连接。 这样原来的联锁关系和控制模式不发生改变， 液压缸停位时， 插装阀 Ａ、 Ｂ 通道无泄漏关闭， 液压 缸能长时间保持位置， 不产生运动， 而此时插装阀的 控制腔压力油虽然有部分内泄到 Ｂ 通道， 但通过比 例阀中位机能， 回到油箱， 对功能不产生影响。 从优 化后使用效果来看， 液压缸实现了长时间位置保持功 能， 原故障彻底消除。 ５ 结束语 对于大流量系统， 二通插装阀具有降低液阻和压 力损失、 提高系统效率、 启闭灵敏等优点， 应用比较 广泛。 但在设计时， 要特别注意规避插装阀自身缺 陷， 准确选择控制油引入方式和压力油进出方向， 防 止因内部泄漏造成文中出现的故障现象。 参考文献 ［１］ 高马达，李宏伟，杨可森．二通插装阀工作原理及在锻压 机械中的应用［Ｊ］．液压气动与密封，２００２（３）４５－４６． ［２］ 王庆国，苏东海．二通插装阀控制技术［Ｍ］．北京机械 工业出版社，２００１． ［３］ 黄人豪．二通插装阀控制技术［Ｍ］．上海上海实用科技 研究中心，１９８４． １２１第 ８ 期江顺友 等 基于 ＴＲＩＯ 的 Ｇａｎｔｒｙ 同步控制系统设计