劉文勇，林建筑

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司中厚板廠，天津 300301；2.天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

中板軋機(jī)推床液壓系統(tǒng)提速改造

劉文勇1，林建筑2

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司中厚板廠，天津 300301；2.天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

軋機(jī)推床速度隨著軋制節(jié)奏的加快不能滿足工況要求，壓下機(jī)構(gòu)完成輥縫預(yù)擺和推床完成轉(zhuǎn)鋼的時(shí)間不匹配，輥縫預(yù)擺時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于推床完成轉(zhuǎn)鋼時(shí)間，制約軋制節(jié)奏，影響機(jī)時(shí)產(chǎn)量。經(jīng)工藝測(cè)算，當(dāng)原來(lái)推床速度由100 mm/s增加到350 mm/s時(shí)可滿足軋制節(jié)奏要求。對(duì)推床液壓系統(tǒng)泵源進(jìn)行了改造，通過(guò)增加泵組和蓄能器組，加大管路通徑，調(diào)整系統(tǒng)壓力，使推床速度達(dá)到350 mm/s以上。機(jī)時(shí)產(chǎn)量提高了30 t/h，年可提高產(chǎn)量19.5萬(wàn)t。

軋機(jī) 液壓系統(tǒng) 速度 改造

1 引言

天津鋼鐵有限公司3 500 mm中厚板軋機(jī)是新建的一條獨(dú)立完整的現(xiàn)代化中厚板軋機(jī)生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)產(chǎn)能120萬(wàn)t。這條中厚板生產(chǎn)線，其雙機(jī)架軋機(jī)的配置及合理的工藝布局，集機(jī)械設(shè)備、液壓設(shè)備、電氣設(shè)備及自動(dòng)化設(shè)備完整配套為一體，體現(xiàn)出了目前國(guó)內(nèi)中厚板軋機(jī)的最高裝機(jī)水平。

隨著各方面管理及職工技能的提高，已達(dá)到年產(chǎn)150萬(wàn)t的生產(chǎn)能力。但在生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中還存在機(jī)時(shí)產(chǎn)量偏低的現(xiàn)象，這主要是由于在粗軋機(jī)在開(kāi)坯時(shí)推床速度慢造成的，在實(shí)際軋制過(guò)程中，壓下機(jī)構(gòu)完成輥縫預(yù)擺和推床完成轉(zhuǎn)鋼的時(shí)間不匹配，輥縫預(yù)擺時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于推床完成轉(zhuǎn)鋼時(shí)間，制約軋制節(jié)奏，影響機(jī)時(shí)產(chǎn)量。為最大限度地發(fā)掘設(shè)備潛能，提高軋制節(jié)奏，對(duì)粗軋機(jī)推床進(jìn)行了提速改造。

2 改造前推床液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介

中板軋機(jī)推床是鋼坯在軋制過(guò)程中的主要設(shè)備，其主要功能是使軋件對(duì)中于軋制中心線，使軋件安全順利通過(guò)軋機(jī)，同時(shí)對(duì)軋件進(jìn)行測(cè)寬。其動(dòng)作的完成由液壓系統(tǒng)執(zhí)行的。

改造前液壓系統(tǒng)為4臺(tái)180排量的泵，3用1備，系統(tǒng)壓力16 MPa。蓄能器組由8個(gè)SB330-50A1皮囊蓄能器組成。閥組原理如圖1，軋機(jī)前后推床共由4組如下圖的閥組組成，執(zhí)行元件為8條Φ160/120×1 760的油缸。由1個(gè)泵站提供動(dòng)力源。

系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。

以鋼坯尺寸3 200 mm（長(zhǎng)）×2 100 mm（寬）×180 mm（高）為例，在開(kāi)坯橫頓轉(zhuǎn)鋼時(shí)，推床液壓缸單邊行程將近1 500 mm，推床打開(kāi)滿足轉(zhuǎn)鋼寬度須用15 s，制約了軋制節(jié)奏，影響機(jī)時(shí)產(chǎn)量。

3 改造液壓系統(tǒng)方案、主要參數(shù)、元件的確定

圖1 改造前控制閥組原理圖

表1 改造前系統(tǒng)參數(shù)表

為解決推床速度慢的問(wèn)題，應(yīng)從電調(diào)、增加泵源流量和降低用戶點(diǎn)使用流量入手，增加泵源流量、增加管路通徑和降低用戶點(diǎn)使用流量是推床提速的兩種根本方法，電調(diào)只是起到輔助作用。降低用戶點(diǎn)使用流量，即減小油缸的活塞面積涉及機(jī)械設(shè)備改動(dòng)和運(yùn)行的安全可靠性，不宜優(yōu)先采用，經(jīng)分析增加泵源流量，改變管路通徑成為首選。

3.1 油缸速度的確定

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及軋機(jī)壓下速度，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算，擬定推床速度為350 mm/s，預(yù)留400 mm/s的能力。

3.2 液壓缸參數(shù)的校核[1]

原系統(tǒng)油缸利舊，為保證設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，必須對(duì)推床油缸的缸桿強(qiáng)度和缸桿與活塞的連接螺紋強(qiáng)度，按重新確定的系統(tǒng)壓力和速度進(jìn)行校核。為安全可靠，適當(dāng)提高油缸使用壓力對(duì)其進(jìn)行校核。

油缸主要參數(shù)為：

活塞直徑：D=160 mm;

活塞桿直徑：d=120 mm；

油缸最大行程：S=1 760 mm；

支承長(zhǎng)度：LB=3 600 mm（推床最大行程時(shí)）；

設(shè)計(jì)壓力：17 MPa。

3.2.1 缸桿強(qiáng)度校核

活塞桿強(qiáng)度計(jì)算：

活塞桿受力：

F1為負(fù)載壓力

塞桿壓應(yīng)力：

若缸杠桿材質(zhì)為40Cr，則查手冊(cè)可知屈服極限δs=600 MPa，許用應(yīng)力[σ]=δs/ns，取安全系數(shù)ns=5，則[σ] =120 MPa。

因σ≤[σ]，故活塞桿強(qiáng)度符合要求。

3.2.2 缸桿與活塞連接螺紋強(qiáng)度校核[2]

螺紋的剪切應(yīng)力應(yīng)滿足以下條件：

式中：τ為螺紋牙根部所受的剪切應(yīng)力；[τ]為材料的許用剪切應(yīng)力，τ≥0.6[σ]，[σ]=δs/n，其中[σ]為材料許用抗拉強(qiáng)度，δs為材料屈服強(qiáng)度，n為安全系數(shù)，通常取1.5；Q為螺紋牙軸向所受拉力（或壓力）；D為螺紋根部直徑，內(nèi)螺紋取D大徑，外螺紋取d1小徑（螺紋小徑，p為螺距）；b為螺紋牙根部寬度，普通螺紋一般取0.8～1p，p為螺距；z為螺紋牙數(shù)。

由液壓缸設(shè)計(jì)圖紙及工作系統(tǒng)參數(shù)可知，連接處為細(xì)牙普通螺紋，在液壓缸推程時(shí)缸桿與活塞連接螺紋處有肩臺(tái)，故可不考慮推程螺紋剪切強(qiáng)度，僅需校核回程。其公稱直徑d=80 mm，螺距p=2 mm，螺紋旋緊長(zhǎng)度l=66 mm，工作壓力P=17 MPa，液壓缸缸筒直徑D1=160 mm，活塞桿直徑D2=120 mm，缸桿材料為40Cr，[t]1=400 MPa，活塞螺紋連接處材料為：45#鋼，[t]2=178 MPa。

回程時(shí)活塞的受力按下式計(jì)算

式中：P為液壓缸工作壓力；D1為液壓缸缸筒直徑；D2為液壓缸缸桿直徑。

由以上數(shù)據(jù)計(jì)算，得出：

則改造后液壓缸缸桿及活塞連接螺紋強(qiáng)度滿足系統(tǒng)要求。

3.3 控制閥組及泵源形式的確定

由推床設(shè)計(jì)速度V=350 mm/s，參照原液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用單閥控制雙缸，根據(jù)油缸活塞及活塞桿的直徑可計(jì)算出4個(gè)閥組控制8條缸所需最大流量為3 376 L/min，考慮系統(tǒng)泄漏等影響，泵源流量應(yīng)有所增加，一般需乘以1.2倍的系數(shù)，則泵源的能力應(yīng)為：

這顯然是一個(gè)龐大的泵站，即使是250排量的泵，選擇1 450 r/min的電機(jī)，也需要12臺(tái)泵。這不符合節(jié)能的要求。需從閥組設(shè)計(jì)入手，采用差動(dòng)控制，以減小泵源提供的流量，同時(shí)由于推床間歇工作制。因此，可選擇泵+蓄能器組的泵源形式。這樣了降低泵的組數(shù)，達(dá)到節(jié)能目的。

3.3.1 閥組控制回路確定及控制閥的設(shè)計(jì)[3]

8條缸同時(shí)閉合是系統(tǒng)供油量最大的極限，為最大限度地達(dá)到節(jié)能的目的，在閉合時(shí)擬采用差動(dòng)控制回路，即無(wú)桿腔工作，P→A；B→A口接通，有桿腔的回油不回油箱通過(guò)比例閥的B口經(jīng)A口直接進(jìn)入無(wú)桿工作腔。這樣可減小泵源能力、降低比例閥通徑的選擇，起到節(jié)約能源、減小投資的目的。以單閥組為例進(jìn)行計(jì)算。

差動(dòng)回路所需流量為：

考慮到系統(tǒng)泄漏等影響，故比例閥的額定流量應(yīng)增加1.2倍：

考慮到油缸速度的富余量及其他因素，故選擇比例閥為4WRKE35R3-1000L-3X/6EG24K31/F1D3M。經(jīng)過(guò)分析和計(jì)算和元件選型，設(shè)計(jì)控制閥組原理見(jiàn)圖2。

圖2 改造后控制閥組原理圖

3.3.2 泵源電機(jī)功率的確定

式中：Q為1臺(tái)泵流量，Q=360 L/min；P為系統(tǒng)最大工作壓力；η總為效率，η總=η泵×η電機(jī)，取η泵=0.9η電機(jī)= 0.90；選擇電機(jī)功率：N=132 kW，轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min；泵裝置型式：油泵電機(jī)組。

3.3.3 泵組及蓄能器選定

根據(jù)差動(dòng)原理，考慮到極限工作狀態(tài)，即軋機(jī)前后推床8條油缸同時(shí)閉合，4個(gè)比例閥同時(shí)工作所需流量：

該流量比非差動(dòng)系統(tǒng)減少了1 771.2 L/min流量。

極限工作狀態(tài)，油缸滿行程所需時(shí)間：

綜合系統(tǒng)整體工況，采用了泵組+蓄能器組的動(dòng)力源方式。

3.3.3.1 泵組選定

泵的排量q=250 ml/r、電機(jī)轉(zhuǎn)速v=1 450 r/min，泵容積效率η=0.9，5臺(tái)套工作泵組，一臺(tái)套備用，則泵組可提供流量：

3.3.3.2 蓄能器的選定[4]

設(shè)系統(tǒng)工作壓力P=17 MPa。

該站蓄能器的功能是當(dāng)推床動(dòng)作時(shí)系統(tǒng)在P=17 MPa下工作時(shí),補(bǔ)充泵所欠缺的流量,當(dāng)推床在υ=350 mm/s速度下滿行程動(dòng)作時(shí)，所需時(shí)間T=1 760/350=5 s。

當(dāng)T=5 s時(shí)，液壓系統(tǒng)需油量為:

液壓泵排油量:

蓄能器應(yīng)補(bǔ)充油量：

皮囊蓄能器的選擇計(jì)算:

已知系統(tǒng)工作壓力P=17 MPa，系統(tǒng)最低壓力P2= 13 MPa，充氣壓力P3=1.7 MPa，充氣壓力比e=P3/P2= 0.9，工作壓力比a=P/P2=1.31，平均工作壓力P=15 MPa。

得：F=0.129 3

根據(jù)公式ΔV=V×e×η×F,得出蓄能器的總?cè)莘eV=ΔV（/e·η·F）

式中：η為蓄能器的容積效率，取η=0.95，

因此，V=54.1（/0.9×0.95×0.066）=489.4 L。

為設(shè)備的運(yùn)行安全和預(yù)留富余量，可適當(dāng)增加氮?dú)馊莘e，通過(guò)查看樣本，選用12個(gè)SB330-50A1皮囊蓄能器，總?cè)莘eV=50×12=600 L，能夠滿足要求。

蓄器分別在20℃和35℃時(shí)壓力-容積演示曲線如圖3所示。

圖3 壓力-容積圖

通過(guò)模擬，所預(yù)設(shè)選擇的參數(shù)完全滿足系統(tǒng)工藝要求。

3.4 提速后液壓系統(tǒng)參數(shù)（見(jiàn)表2）

表2 提速后液壓系統(tǒng)參數(shù)

4 改造成效

改造前機(jī)時(shí)產(chǎn)量為240 t/h；改造后機(jī)時(shí)產(chǎn)量最低達(dá)到270 t/h，增加30 t/h，一年多創(chuàng)產(chǎn)量19.5萬(wàn)t，效益相當(dāng)可觀。

5 結(jié)論

對(duì)推床液壓系統(tǒng)的泵組、蓄能器組、比例閥組的重新設(shè)計(jì)選型，增加了系統(tǒng)的流量，完善了閥組設(shè)計(jì)，在保持速度不變的前提下，采用差動(dòng)回路設(shè)計(jì)，最大限度地降低了系統(tǒng)流量，起到了節(jié)能的效果，通過(guò)上述的改造設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)1年多的使用，已滿足了使用要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

[1]唐宗軍.機(jī)械制造基礎(chǔ)[M].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)出版社，2002：37-65.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1993：44-69.

[3]關(guān)肇勛，黃奕振.實(shí)用液壓回路[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1982：30.

[4]雷天覺(jué).新編液壓工程手冊(cè)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998：46-78.

Speed Increasing Revamp of Pusher Hydraulic System of Plate Mill

LIU Wen-yong1and LIN Jian-zhu2
1)Plate Mill,Tianjin Iron and Steel Group Company Limited, Tianjin 300301;2)Tianjin Tiangang Special Steel Joint Company Limited,Tianjin 301500,China

The rolling process was restricted and specific production affected by pusher speed not meeting the requirement of working conditions with rolling process speed-up and incorrect time matching of roll gap preset by screw down device with plate turning by pusher since roll gap preset was much faster than plate turning.Process calculation showed the rolling process could be fulfilled if pusher speed was raised from 100 mm/s to 350 mm/s.Modification was made at pusher hydraulic system to increase pusher speed to more than 350 mm/s through adding pump units and accumulators,enlarging pipe diameter and adjusting system pressure.Specific production was increased by 30 t/h,thus,annual production,195 000 t.

rolling mill;hydraulic system;speed;revamp

劉文勇（1969—），男，天津人，高級(jí)工程師，主要從事設(shè)備維護(hù)管理工作，E-mail：jixiulwy@163.com。

（收稿 2012－05－23 編輯 潘娜）