杜光遠(yuǎn)
(天津鋼鐵集團(tuán)有限公司,天津300301)
中厚板四輥可逆軋機(jī)的平衡系統(tǒng)是平衡軋機(jī)支承輥、工作輥實(shí)現(xiàn)隨電動(dòng)APC同步動(dòng)作,配合液壓AGC正常而穩(wěn)定地工作的重要組成機(jī)構(gòu),在軋鋼過程中起到了不可替代的作用。本文以四輥軋機(jī)平衡控制系統(tǒng)為例,對(duì)液壓設(shè)備的蓄能器選型設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。
四輥軋機(jī)平衡系統(tǒng)包括軋輥平衡系統(tǒng)、接軸平衡系統(tǒng)。其中軋輥平衡系統(tǒng)包括上支承輥平衡系統(tǒng)、上工作輥平衡系統(tǒng)、下工作輥平衡系統(tǒng);接軸平衡系統(tǒng)包括上接軸平衡系統(tǒng)和下接軸平衡系統(tǒng)。以某廠3 500 mm中板軋機(jī)為例進(jìn)行說明,圖1左所示為軋輥平衡設(shè)備示意簡圖,圖1右為接軸平衡原理圖。
蓄能器是液壓氣動(dòng)系統(tǒng)中的一種能量儲(chǔ)蓄裝置。它在適當(dāng)時(shí)會(huì)將系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s能或位移能,轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤夯驓鈮旱饶芏尫懦鰜?,重新補(bǔ)給系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)瞬間壓力增大時(shí),它可以吸收這部分能量,以保證整個(gè)系統(tǒng)壓力正常。四輥軋機(jī)平衡系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)形式,液壓蓄能主要有皮囊蓄能洗和活塞蓄能器。本文主要對(duì)平衡系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,采用增加蓄能器的形式對(duì)平衡系統(tǒng)進(jìn)行流量補(bǔ)償,并對(duì)采用不同種類蓄能器時(shí)系統(tǒng)的模擬工作狀態(tài)進(jìn)行比較,以選擇更加優(yōu)化的方式。
本文主要通過HYDAC公司蓄能器模擬選型設(shè)計(jì)軟件AST,對(duì)平衡控制系統(tǒng)液壓蓄能器的選型設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行分析,通過對(duì)比液壓系統(tǒng)分別在采用皮囊蓄能器和活塞蓄能器時(shí)的不同狀態(tài),對(duì)其蓄能器選型設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。
AST軟件是HYDAC公司對(duì)液壓系統(tǒng)蓄能器設(shè)計(jì)選型的專門應(yīng)用軟件,主要是將系統(tǒng)實(shí)際使用中的技術(shù)參數(shù),主要包括壓力、溫度、流量等蓄能器參數(shù)統(tǒng)計(jì)到數(shù)據(jù)庫,然后通過設(shè)計(jì)中選用的計(jì)算方式等對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以此來得出不同參數(shù)變化對(duì)計(jì)算設(shè)計(jì)的影響。通過大數(shù)據(jù)的整理分析及不斷對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修正,以使設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際使用,更加接近系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況。軟件數(shù)據(jù)庫的建立,避免了每次設(shè)計(jì)時(shí)的大工作量計(jì)算;數(shù)據(jù)庫的修正更新,使設(shè)計(jì)進(jìn)一步符合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。
該軋機(jī)主機(jī)平衡系統(tǒng)共19臺(tái)液壓缸,各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體參數(shù)、耗量等詳見表1。
軋機(jī)平衡系統(tǒng)通過液壓缸實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中的聯(lián)動(dòng)在實(shí)際運(yùn)行中,主要存在5種運(yùn)行模式,設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)需要的最大流量分別進(jìn)行計(jì)算,以得到最大流量。
表1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)表
2.1.1 換輥模式上支承輥快抬
該模式只有上支撐輥平衡缸單獨(dú)動(dòng)作,為伸出狀態(tài),所以此時(shí)系統(tǒng)的總流量為:
2.1.2 換輥模式上工作輥快抬
該運(yùn)行模式涉及上工作輥平衡缸、上接軸平衡缸同時(shí)動(dòng)作,以滿足軋機(jī)輥縫的調(diào)整,在采用液壓系統(tǒng)運(yùn)行過程中,該動(dòng)作需要較大的短時(shí)流量,是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要參數(shù),最大流量的計(jì)算通過聯(lián)動(dòng)時(shí)各液壓缸的運(yùn)行速度與液壓缸運(yùn)行時(shí)活塞有效截面積之積獲得。
上工作輥更換時(shí),上工作輥平衡缸伸出,上接軸平衡缸隨動(dòng),均為伸出狀態(tài),總流量為:
2.1.3 下工作輥快速壓下即下平衡系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)
該運(yùn)行模式涉及下工作輥平衡缸、下接軸平衡缸同時(shí)動(dòng)作,以滿足軋機(jī)更換軋輥時(shí)下工作輥與下支承輥有效接觸,在其運(yùn)行過程中該動(dòng)作需要較大的短時(shí)流量,該流量也記為一個(gè)重要參數(shù),并計(jì)算獲得。
下工作輥更換時(shí),下工作輥平衡缸伸出,下接軸平衡缸隨動(dòng),均為伸出狀態(tài),總流量為:
2.1.4 軋制模式上支承輥及上工作輥快抬
即上平衡系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。該運(yùn)行模式涉及上支承輥平衡缸、上工作輥平衡缸、上接軸平衡缸同時(shí)動(dòng)作,以滿足軋機(jī)輥縫的調(diào)整,在采用液壓系統(tǒng)運(yùn)行過程中,該動(dòng)作需要較大的短時(shí)流量,是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要參數(shù),最大流量的計(jì)算通過聯(lián)動(dòng)時(shí)各液壓缸的運(yùn)行速度與液壓缸運(yùn)行時(shí)活塞有效截面積之積獲得。
上支承輥及上工作輥同時(shí)動(dòng)作,上接軸平衡缸隨動(dòng),均為伸出狀態(tài),總流量為:
2.1.5 背壓模式
背壓模式只是保證系統(tǒng)液壓缸的伸出位置不變,在實(shí)際使用中只用輕微的行程變化,流量變化幾乎可以忽略不計(jì),則流量為:
從以上系統(tǒng)分析情況可知:換輥模式支承輥快抬時(shí)所需系統(tǒng)流量為471 L/min,換輥模式上工作輥快抬時(shí)所需的系統(tǒng)流量為770 L/min,換輥模式下工作輥快速壓下時(shí)所需的系統(tǒng)流量為776 L/min,軋制模式時(shí)上平衡系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)所需的系統(tǒng)流量為1 241 L/min,背壓模式時(shí)所需的系統(tǒng)流量為0 L/min,由此可以得出系統(tǒng)所需的最大流量為1 241 L/min。
軋制模式時(shí),上支承輥及上工作輥快抬,同時(shí)動(dòng)作,上接軸平衡缸隨動(dòng),此時(shí)為系統(tǒng)最大需求流量為:
最大流量的持續(xù)時(shí)間由軋機(jī)設(shè)計(jì)決定,主要是由最低位置運(yùn)行到最高位置時(shí)所需的時(shí)間,設(shè)計(jì)時(shí)間為11 s;
考慮液壓系統(tǒng)計(jì)算式有1.05的泄露系數(shù),則系統(tǒng)需求流量為:
折算蓄能器供油容積為:
如果系統(tǒng)選用4臺(tái)排量為250ml/r的恒壓柱塞泵(3用1備),電機(jī)轉(zhuǎn)速1 000r/min,則3臺(tái)液壓泵的總供油流量為:
系統(tǒng)工作壓力14 MPa,系統(tǒng)最低工作壓力12.7 MPa(環(huán)境溫度20~35 ℃)。
本文采用了HYDAC公司的設(shè)計(jì)選型軟件,對(duì)選用蓄能器進(jìn)行了選型設(shè)計(jì),分別對(duì)采用皮囊式蓄能器和活塞式蓄能器兩種方式進(jìn)行分析。
2.3.1 采用皮囊式蓄能器時(shí)系統(tǒng)模擬
采用50 L皮囊蓄能器,分別將2.2中計(jì)算得到的最大需求流量Q,供油容積V,以及系統(tǒng)泵元提供的流量q泵系統(tǒng)的工作壓力及最低工作壓力等參數(shù)輸入,得出20℃及55℃時(shí)系統(tǒng)的壓力變化曲線。計(jì)算中,為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在計(jì)算的前后分別加入了2 s的延時(shí),使計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)際。
由模擬計(jì)算結(jié)果可以看出,在20℃及55℃時(shí),系統(tǒng)在15 s的運(yùn)行過程中,最小壓力分別為127.54 MPa和128.34 MPa,滿足系統(tǒng)的最低工作壓力,最小流量分別為1 882.761 L/min和1 997.588 L/min,滿足系統(tǒng)需要的流量要求,模擬達(dá)到了蓄能器的選型設(shè)計(jì)要求,計(jì)算結(jié)果在圖2(3)中可以看出,需采用皮囊蓄能器個(gè)數(shù)為48個(gè)。
2.3.2 采用活塞式蓄能器時(shí)系統(tǒng)模擬
方案二選用活塞蓄能器,容積為130 L,氣瓶容積為100 L×10只,由圖3(3)中模擬計(jì)算結(jié)果可以看出,在20℃及55℃時(shí),系統(tǒng)在15 s的運(yùn)行過程中,最小壓力分別為128.36 MPa和129.11 MPa,滿足系統(tǒng)的最低工作壓力,最小流量分別為2 012.412 L/min和2 135.147 L/min,滿足系統(tǒng)需要的流量要求,模擬達(dá)到了蓄能器的選型設(shè)計(jì)要求,計(jì)算結(jié)果在圖3(4)中可以看出,需采用活塞蓄能器數(shù)量為2組。
由以上兩種方案可以看出,該液壓系統(tǒng)的蓄能器若選用50L皮能蓄能器,共需要48只,大數(shù)量蓄能器的選用會(huì)增加設(shè)備損壞的幾率,并在一定程度上增加設(shè)備維護(hù)的成本,這對(duì)于平衡液壓站的布置及日常蓄能器設(shè)備的維護(hù)都會(huì)造成極大的困難;而采用活塞蓄能器,按選用的規(guī)格只需要2組,便于布置和日常維護(hù),可以降低維護(hù)成本。
對(duì)比圖 2(1)和圖 3(2)可以看出,采用活塞蓄能器時(shí)的系統(tǒng)壓力變化在溫度發(fā)生變化時(shí)比采用皮囊蓄能器時(shí)波動(dòng)小,系統(tǒng)會(huì)更加穩(wěn)定。可以看出,采用活塞蓄能器相較于皮囊蓄能器能夠獲得更加穩(wěn)定的系統(tǒng)壓力。
通過對(duì)皮囊蓄能器和活塞蓄能器在該液壓系統(tǒng)中的模擬計(jì)算,可以得出以下結(jié)論:泵源流量在達(dá)不到液壓系統(tǒng)要求時(shí),可以通過選用蓄能器進(jìn)行補(bǔ)償;皮囊蓄能器和活塞蓄能器的流量補(bǔ)償作用在本案例中均能實(shí)現(xiàn);活塞蓄能器相較皮能蓄能器能夠提供更加穩(wěn)定的系統(tǒng)壓力。