方坯长水口机械手液压系统的改进

陈建新 董新宇 刘景辉 郭 洁 段振海

(安阳钢铁股份有限公司)

方坯长水口机械手液压系统的改进

陈建新 董新宇 刘景辉 郭 洁 段振海

(安阳钢铁股份有限公司)

针对安钢第一炼轧厂方坯连铸机械手液系统存在的油温过高、压力波动大等问题进行了分析，提出了相应改进措施。通过增设循环冷却过滤单元、合理布局工作泵等，提高了设备运行效率，取得了良好的效果。

机械手液压站 柱塞泵 冷却器 过滤器

0 前言

安钢第一炼轧厂方坯连铸机自投产以来，机械手液压站暴露出了液压泵寿命短、阀芯卡阻、油温高、压力波动大、系统工作不可靠等缺陷。针对上述原因，对钢包长水口机械手的使用要求、液压系统的设计原理及现场环境进行了认真分析，找出了问题的症结，提出了改进的方案。

1 设备概况

钢包长水口机械手由回转体、支撑臂、升降液压缸等几部分组成，主要用来安装和拆卸连接在钢包和中间包之间的长水口。当钢包旋转到浇铸位置时，转动并提升带有长水口的机械手，使长水口与钢包滑板的下水口相连。钢包降低时，机械手会被自动压下，使长水口的一端浸入到中包液面下，实现保护浇铸。原液压系统如图1所示。

图1 原液压系统原理图

2 存在的问题

2.1 液压泵设计不合理

2.1.1 液压泵位置过高

轴向柱塞泵的自吸能力较弱，且要求其吸油口至最低油位的距离不得大于500mm。而该液压站的柱塞泵安装在油箱上，实际吸油液面大于500mm，给泵的吸油造成一定困难。同时，该站采用的工作介质为水乙二醇HS－620，在常温状态下，水的饱和蒸汽压高于油，因此更易产生气穴现象。气穴现象的出现，造成压力波动大、工作泵、管路及阀台产生振动、噪音，不仅损坏元件，而且振动容易引起接头或其他紧固件松动，引发泄漏等问题。［1］

2.1.2 系统可靠性低

原液压系统仅设置一台工作泵，无备用泵，一旦出现问题，长水口机械手即不能正常使用，只能敞开浇铸或停机，对生产和产品质量造成较大影响。

2.2 系统冷却性能差

原液压系统未设置冷却装置，仅依靠油箱本体散热。在实际应用过程中，由于执行元件靠近热源，在连续生产状态下，油液温升较快，造成工作温度过高，有时达到80℃以上。高温环境下的液压元件、密封件性能受到直接影响，引起系统内外泄漏、执行元件动作不灵敏等问题频繁发生。

2.3 系统无过滤单元

原液压系统无过滤单元，造成系统清洁度低。

3 改进措施

3.1 合理布局工作泵

针对原设计中存在的问题，为了改善泵的吸入条件，避免气穴现象的产生，将柱塞泵从油箱上移至油箱旁的底座上，利用介质自重，增加泵吸油口的液体正压，使吸油效果更好。

3.2 增加备用工作泵

系统增加了一台备用泵，采用开一备一的工作模式，一旦一台泵出现问题，可以迅速切换到另一台泵，大大增加了系统的可靠性。

3.3 增设循环冷却单元

为了避免温升过高造成的危害，设计增设了循环冷却单元，以满足系统散热的需要。

3.3.1 冷却器的选用及计算

1)系统发热量和散热量的估算。液压系统的发热量主要产生于能量损失。一般而言，合理、高效的液压系统总效率为70% ～80%，而一般系统仅达到50% ～60%。据此估算该系统发热量Nk为［2］:

式中:Np——输入泵的功率，W;

ηC——系统的总效率。

除了必要的冷却器散热外，油箱、管路等也是液压系统有效的散热途径。该系统油箱容量V为1000 L，当六面体油箱长、宽、高比例为1∶1∶1～1∶2∶3时，其散热面积A近似计算为:

据此估算系统散热量NKd为:

式中:K1——油箱散热系数(根据设计手册，整体式油箱通风差K1值取11 W/(m2·℃));

△t——系统温升(根据现场测量温升为54℃)。

2)冷却器的选用。根据冷却器的种类和特点选用管式冷却器。水冷式冷却器的冷却面积计算为:

式中:AT——冷却器的冷却面积，m2;

Nk——液压系统发热量，W;

NKd——液压系统散热量，W;

K——冷却器散热系数(根据设计手册，多管式冷却器散热系数110～175 W/(m2·℃));

△Tav——平均温差(由进出口油温与水温综合考虑，选取△Tav为15℃)。

经过计算，冷却器的散热面积AT=3.1 m2。因此，根据设计手册选用散热面积为4.2 m2的管式换热器，型号为4LQF3W－A4.2F。

3.3.2 循环泵的选用

本液压系统油箱的容积为1000 L，冷却器散热面积为4.2 m2。根据设计手册，选用循环泵为齿轮泵，型号为RCU－16。

3.4 增设过滤单元

设计中将循环冷却单元通过回油过滤器返回油箱，实现了介质的循环过滤。介质清洁度的提高，使由污染引发的故障得到了控制。

系统使用的高压泵为A10VSO45DR，排量为45 mL/r，电机转速为960 r/min。

系统最大流量Q为:

根据设计手册:该液压系统为NAS.7，回油过滤精度应选10 μm。过滤器选用为管式纸质过滤器，型号为ZU－A63×10S。

改进后液压系统如图2所示。

图2 改进后液压系统原理图

4 改进效果

4.1 提高了设备运行效率

改进后工作泵运行平稳，系统压力稳定在14 MPa。噪声、振动、阀芯卡阻等现象得到了明显改善，工作油温长期处于40℃左右的良好状态。设备运行一年以来，未出现任何事故，有效的保证了生产的连续性。

4.2 降低了劳动强度

改进前，频繁进行更换工作泵，油箱清理、换油、补油等工作，工作量繁重。改进后，大大缩减了维修人员的劳动时间和劳动强度。

4.3 降低了维护成本

除了定期更换过滤器滤芯外，改进前工作泵的更换周期为3个月，油品约消耗2桶/月，每年需要更换两次油液并清理油箱。改进后工作泵的更换周期为2～3年，只要每年更换一次油液并清理油箱即可。

［1］陈奎生.液压与气压传动［M］.武汉:武汉理工大学出版社，2001:127－128.

［2］成大先.机械设计手册［M］.北京.化学工业出版社，2010:21－671.

IMPROVEMENT ON HYDRAULIC SYSTEM FOR BILLET SHROUD MANIPULATOR

Chen Jianxin Dong Xinyu Liu Jinghui Guo Jie Duan Zhenhai
(Anyang Iron and Steel Stock Co.，Ltd)

It analyzes the high oil temperature and big pressure fluctuation etc problems remaining in hydraulic system for manipulator in Anyang Steel and put forwards the relevant improvement measures.Equipment operating efficiency has improved by adding the circulation cooling filtering unit and reasonably arranging operation pump.

manipulator hydraulic station plunger pump cooler filter

2012—2—9