卸板台液压同步系统改造_陈帆.pdf

Total No 280December 2022冶金设备METALLURGICAL EQUIPMENT总第 280 期2022 年 12 月第 6 期改造与应用卸板台液压同步系统改造陈帆(北京首钢股份有限公司河北迁安 064400)摘要连铸车间所用卸板台一般为液压驱动型，改造前的升降及快慢速调节主要由两通插装阀、电磁换向阀和二通流量控制阀共同控制。本文分析了现有卸板台液压同步系统速度无法远程调节、调速不稳、元件易损坏、液压缸同步精度不高等问题，提出将 4WRKE 型比例换向阀应用于卸板台液压同步系统控制中，分别对比例阀在相同设定值下的同步输出特性和在不同设定值下的速度调节输出特性进行仿真分析，最终搭建正式阀台及系统进行应用测试。结果表明:由比例阀控制的卸板台液压同步升降系统具有远程精准调速、油缸同步精度高、泄漏点少、运行更可靠等优点，该同步调速系统的改造为今后卸板台液压系统的优化及降低故障率提供了有利依据。关键词卸板台调速系统同步回路液压系统中图法分类号TF341TG315 4文献标识码BDoi:10.3969/j.issn.1001 1269.2022.06.021Retrofit of Hydraulic Synchronization System of Unloading PlatformChen Fan(Beijing Shougang Co，Ltd，Qian an 064400)ABSTRACTThe unloading table used in the continuous casting workshop is generally hydraulically drivenThe lifting and speed adjustment before the transformation are mainly controlled by the two way cartridge valve，the electromagnetic reversing valve and the two way flow control valve This paper analyzes the problems of theexisting hydraulic synchronous system of plate unloading platform，such as the inability to adjust the speedremotely，the instability of speed regulation，the easy damage of components and the low precision of hydrauliccylinder synchronization It is proposed to apply the 4WRKE type proportional directional valve to the control of thehydraulic synchronizationsystemoftheunloadingtableSimulateandanalyzethesynchronousoutputcharacteristics of the proportional valve under the same setting value and the speed regulation output characteristicsunder different setting values Finally，the formal valve platform and the system are set up for application testingThe results showed that:The hydraulic synchronous lifting system of the unloading table controlled by theproportional valve has the advantages of remote accurate speed regulation，high synchronization accuracy of thecylinder，fewer leakage points，and more reliable operation The transformation of the synchronous speed controlsystem provides a favorable basis for the optimization of the hydraulic system of the unloading table and thereduction of the failure rate in the futureKEYWORDSUnloading platformSpeed control systemSynchronization loopHydraulic system1前言随着国家工业的不断发展，液压技术以其结构简单、传动平稳、易获得较大力和力矩的优势被广泛应用于矿山、石油、冶金、航天等工业领域。液压驱动型卸板台具有承载能力大、结构简单、占地面积小、便于集中控制且检修周期长等优点，在59作者简介:陈帆，男，1990 年生，硕士，工程师，邮箱:fanchenysu163 com满足生产要求的同时，可提高铸坯的成材率和劳动生产率，在诸多钢铁企业中被广泛应用1。本文研究了一种比例阀控制型液压同步升降系统，控制精度更加准确可靠，在实际使用中极大的减少了系统故障次数，确保设备稳定运行。2结构原理分析图 1 为卸板台结构原理图，卸板台的升降是通过升降液压缸直接驱动来实现的，液压缸两端均采用球面向心关节轴承，以保证卸板台即使在偏载情况下仍能升降自如、无卡阻。堆垛架四面及上下均设有导向轮，确保卸板台升降时，导向轮沿四面分别固定在基础上的导轨作垂直运行2。升降行程由安装在液压缸上的位置传感器来控制，使卸板台可以准确地停在所需位置，此传感器还可实时监测两侧液压缸位置，当升降位置出现一定偏差时，将会触发电磁换向阀使一侧油缸进行 快 慢 速 调 整，从 而 调 整 偏 差，使 升 降同步7 10。图 1卸板台结构原理图1 缸头支座;2 推垛架;3 导向装置;4 导轨;5 支架;6 螺旋扣;7 卡环;8 销轴;9 缸尾支座;10 液压缸3改造前分析31改造前系统原理分析图 2 为改造前卸板台液压同步系统原理图。该系统(液压源部分由符号 P 简化，回油管路由符号 T 简化)由减压阀、二位四通换向阀、两通插装阀、电磁换向阀、压力补偿器、二通流量控制阀、液控单向阀、安全阀、带位移传感器的液压缸等元件所组成。图 2改造前卸板台液压同步系统图1 减压阀;2 二位四通换向阀;3 两通插装阀;4 电磁换向阀;5 压力补偿器;6 二通流量控制阀;7 液控单向阀;8 安全阀;9 液压缸当需要油缸快速上升时，电磁阀 Y011、Y013均得电，液压泵所供油液可同时通过两通插装阀和二通流量控制阀，此时流量处于最大状态，油缸可快速上升;当需要油缸慢速上升时，电磁阀Y011 得电、Y013 失电，油液只能通过二通流量控制阀，液压泵所输出油液仅有部分流量供给油缸，其余部分通过溢流阀流回油箱，由于二通流量控制阀内存在一节流阀，可通过调整节流孔开口度692022 年 12 月第 6 期总第 280 期冶金设备从而调整运行速度及同步精度。改造前卸板台液压同步系统电磁铁动作表如表 1 所示(其中，a表示电磁换向阀得电，b表示电磁换向阀失电，表示动作中保持同步)。表 1改造前卸板台液压同步系统电磁铁动作表工况Y011Y013Y010Y012Y014ababababab液压缸快速上升 液压缸慢速上升液压缸快速下降 液压缸慢速下降 停止32改造前系统缺陷分析因卸板台在使用过程中常处于较为复杂的工况下，常需要考虑承受放坯时的冲击力，同步升降系统出现误差严重时也会使台架倾斜，如果台架受力和受热后变形，液压缸要能随其变动。在改造前卸板台液压同步系统的日常使用及维护中常会存在以下几点问题:(1)该系统液压元件数量较多，且型号较为陈旧，因元件加工精度存在差异，安装不合理等原因，增加了泄漏点位的数量。(2)由于负载工况的不稳定，卸板台常会出现升降不稳的现象，同时二通流量控制阀无法远程调节，需要现场人员本地手动调节来实现同步速度的控制，调整难度较大;并且因常需要电磁换向阀的通断，对于液压阀是一种损坏。(3)二通流量控制阀上存在一节流阀，其输出流量的平稳性与节流口的结构形式有关，节流口通常有轴向三角沟槽式、偏心式、周边缝隙式、轴向缝隙式等。简化这一节流调速系统可看作入口节流调速回路，液压缸在上升平稳运动时的受力平衡方程如下式:p1A1 p2A2=F(1)式中:A1、A2液 压 缸 无 杆 腔、有 杆 腔 作 用 面积，m2;p1、p2液压缸无杆腔、有杆腔压力，Pa;F液压缸外负载，N。不计管路压力损失时，则:p1A1=p2A2+F(2)p1与液压泵输出压力 pp相等，为使油液流动，节流阀前后存在一定压差 p，设通过节流阀的流量为 q1，可表示为:q1=CdAT2槡p(3)式中:Cd流量系数;AT节流阀过流面积，m2;油液密度，kg/m3。令:K=Cd2槡(4)则液压缸的运动速度 v 为:v=q1A1=KATA1ppFA槡1(5)由式 5 可以看出，当外负载 F 为常数时，液压缸的运动速度 v 会随着节流阀过流面积 AT的减小而减小，但由于液压执行元件的负载常发生变化，节流阀前后的压差 p 为变值，因而在阀开口面积一定时，通过阀口的流量 Q 为变值，执行元件的运动速度也就不稳定。(4)在长时间使用中，因阀芯磨损，造成调整后的节流阀的节流口断面发生了变化，油路块内部产生内泄漏，从而导致液压缸无法同步，维护难度较大且不易分析损坏点位3 5。4改造后分析4 1改造后系统原理分析随着液压技术的发展，比例阀在液压调速及换向系统中的应用也更加广泛，特别是在液压同步系统中，比例阀同步系统最大的优点是精确高、准确可靠、响应快。图 3 为改造后的卸板台液压同步系统原理图，该液压系统由板坯后部出坯液压泵站提供动力源(液压源部分由符号 P 简化，回油管路由符号 T 简化)，其主要由二位四通换向阀、比例阀、平衡阀、液控单向阀、安全阀、带位移传感器的液压缸等元件所组成6 8。图 3 中两个比例阀 2 1、2 2 分别配合带位移传感器的液压缸控制卸板台同步升降，简化了系统，可远程比例调节运行偏差，控制两液压缸位移同步。如果两个液压缸升降位移相差 20mm，位移在前的液压缸将慢速升降，待两个液压缸位移相同时，两个液压缸再同速升降。改造后卸板台液压同步系统电磁铁动作表如表2 所示，其中 a表示电磁换向阀得电，b表示电磁换向阀失电，79陈帆:卸板台液压同步系统改造2022 年 12 月第 6 期电压值为比例阀给定值。图 3改造后卸板台液压同步系统图1 二位四通换向阀;2 比例阀;3 平衡阀;4 液控单向阀;5 安全阀;6 液压缸表 2改造后卸板台液压同步系统电磁铁动作表工况Y018Y019Y020ababab液压缸快速上升+8V+8V液压缸慢速上升+5V+5V液压缸快速下降10V10V液压缸慢速下降8V8V停止42改造后液压元件选型4WRKE 型比例换向阀，是一种高性能闭环比例换向阀，通过先导比例阀控制主阀芯的动作，在主阀体上装有一高精度的电位置反馈器及内置放大器，用于阀自身的闭环控制，可对液流的方向及流量进行成比例的精确控制。根据最大铸坯负载和堆 垛 架 等 计 算 得 出 系 统 所 受 最 大 负 载 为640kN，系统溢流阀设定值为 22MPa，油缸最大运行速度为 30mm/s。主要元件型号选取如表 3所示。43改造后系统优势分析改造后卸板台液压同步系统相比于原系统主要有以下几点优势:(1)相较于原系统减少了原阀台上的接口和部分控制元件，控制更加便捷，新元件加工精度更高，减少了泄漏，使系统可靠性增强。(2)油缸的升降及快慢速调节只需由预设定的电压值调节比例阀即可，所选用的比例阀为三位四通比例流量控制阀，图 4 为比例阀特性曲线。该阀不仅用于控制油缸上升和下降的切换，而且通过给定电压的变化来控制开口度的变化来控制流量，达到速度调整的目的，避免了频繁切换电磁换向阀而产生的冲击及损坏。表 3改造后卸板台液压同步系统主要元件型号序号元件型号1比例换向阀4WRVE10 W75 2X/G24K31/F1V2液控单向阀SV10PA1 4X3电磁溢流阀DBW20A 2 5X/3156G24N9K44电磁换向阀 4WE6D73 6X/EG24N9K4/A12+75L5液压缸D250/d180 H900图 4比例阀特性曲线(3)速度可远程调节，采用比例阀加位移传感器的形式，实现了闭环控制，升降机构任意位置可停，满足卸板台正常升降的工艺需求。892022 年 12 月第 6 期总第 280 期冶金设备(4)每个油缸单独由一个比例阀控制，系统既可两缸同步升降，也可单个油缸进行局部调整。(5)控制程序中设置了斜坡函数，能够保证升降启停时运动的平稳性，在运行中能够实时采集单台液压缸位移数值，并以该油缸位移值为参考基准，其他液压缸位移值与之比较得到偏差值，将偏差值送入 PLC 中处理，通过控制比例阀的给定值调节分系统的流量，从而实现消除位移偏差最终达到两缸同步的要求9 11。5仿真及样机实验51改造后液压系统仿真分析为便于分析改造后卸板台液压同步系统输出特性，使用 AMEsim 仿真软件搭建系统模型(如图5 所示)，为简化系统，这里将原系统中的二位四通换向阀、液控单向阀和安全阀省略，设置主要模型参数如表 4 所示。图 5改造后卸板台液压同步系统方仿真模型表 4模型参数参数数据电机转速1440r/min液压泵排量125ml/r液压缸无杆腔直径D=250mm液压缸有杆腔直径D=180mm液压缸行程H=900mm溢流阀设定值220bar比例阀通径10mm2负载400kN设液压缸所受外负载为恒值 400kN，分别进行两项仿真实验。(1)仿真 1:分别设定两比例阀开口度为80%，不考虑泄漏损失，在 0s 处同时使比例阀切换，液压缸同时上升，仿真时间设为10s，采样周期0.001s，得到左、右两台液压缸输出速度特性图如图 6 所示。结果表明:改造后的卸板台液压系统可保证两液压缸的同步升降，同步平稳准确。图 6同步特性仿真曲线(2)仿真 2:设定左侧比例阀开口度为 80%，右侧比例阀开口度为 60%，不考虑泄漏损失，在0s 处同时使比例阀切换，液压缸同时上升，仿真时间设为 10s，采样周期 0.001s，得到左、右两台液压缸输出速度特性图如图 7 所示。结果表明:比例阀给定值越大，开口度越大，升降速度越快，改造后的卸板台液压系统可根据现场实际单独调整速度。图 7调速特性仿真曲线52改造后液压系统样机实验搭建正式液压系统及阀台，使用液压检测仪对系统运行过程中液压缸有杆腔和无杆腔的压力进行检测，设定比例阀开口度为 60%，采样的时间压力曲线如图 8 所示。分别测定在液压缸下降过程中，有杆腔压力约为 13MPa;液压缸上升过程中，无杆腔压力为18MPa，这是因为在堆垛架下降过程中只需要克服摩擦阻力和系统背压调定值，在上升过程中需要克服堆垛架和铸坯重力、摩擦阻力，所以上升过99陈帆:卸板台液压同步系统改造2022 年 12 月第 6 期程中高压侧负载压力较高。图 8时间压力特性曲线6结论本文通过对改造前卸板台液压同步系统进行原理详细研究，分析出现有控制系统的不足及问题原因，并进行系统改造，提出采用 4WRKE 型比例换向阀控制方式进行液压缸升降切换及快慢速调节，利用 AMEsim 软件进行改造后系统油缸同步性和分级调速特性仿真，并通过实践搭建新型控制系统验证了理论分析的正确性。得出以下结论:(1)采用比例阀控制的液压同步升降系统具有同步精度高、远程可控、调速精准等优点。(2)比例换向阀兼具换向及调速的功能，极大程度上简化了系统，减少了泄漏点位，系统运行更加可靠。(3)通过比例阀的流量与阀的开口度(设定值)成正比关系。本课题的研究对于今后处理类似液压同步系统控制问题提供了参考依据，对于降低卸板台设备故障率具有一定的借鉴意义。参考文献 1 季维佳 液压垛板台的研制 J 鞍钢技术，1995(06):25 29+32 2 陈永民 垛板台液压系统故障分析及改进 J 连铸，2014(06):28 31+34 3 吴海荣 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6 陈凯，高海波，张阵超，等 浅谈转炉干法除尘系统泄爆成因及处理预案 J 科技风，2019(03):154 7 于春强 转炉中途提枪后干法除尘系统防泄爆方法 J 河北冶金，2020(02):58 60，64(收稿日期:2022 03 17)0012022 年 12 月第 6 期总第 280 期冶金设备