钢包机械手液压系统故障分析和改进

胡小刚，夏飞，王文胜，袁坤，游桂良

（湖北新冶钢有限公司，湖北 黄石 435000）

钢包回转台是连铸机的关键设备之一，起着连接上下两道工序的重要作用。钢水从盛钢包注入中间罐，如果不采取措施，即使连铸钢水经过了各种处理，钢水的纯度很高，还是会前功尽弃，结果往往在铸坯、钢板和成品加工过程中出现种种表面或内部缺陷，使钢坯的机械性能变坏。因此在连铸过程中必须使钢水与空气隔绝，这就是无氧浇铸技术。

如图1所示，长水口机械手机构就是通过各种动作把长水口的上端与大包滑动水口相接，下口伸入中间罐钢水内，从而使钢水流通过长水口注入中间罐，用长水口将注流与空气隔绝。为了防止从上水口与大包滑动水口的连接处吸入空气，选用Ar气体密封，这也是无氧浇注中大包与中间罐之间保护形式的一种，是品种钢浇铸的必要技术。

该厂某连铸机采用的蝶式钢包回转台，两端装有单独的钢包升降装置和称量装置。机械手可将长水口顺利对中钢包滑动水口，对中后机械手不再动作，但浇铸位的大包臂还得继续下降，将长水口底端压入中间罐钢水中，保证钢水质量，故机械手升降缸必须达到与钢包随动的效果。但实际生产过程中，该液压系统屡屡出现故障，造成连铸开浇失败，严重影响生产。

1 原液压系统工况分析（图2）

1.1 上升过程

系统压力为18MPa，减压阀调整压力为10MPa，满足油缸上升动作要求。做上升动作时手动换向阀4推到b位，高压油P一方面通过三通减压阀减压后进入油缸14的无杆腔，另一方面作为液控单向阀的控制油，将单向阀5打开，油缸的有杆腔与回油T口相通，形成回路。

1.2 下降过程

图1 钢包及机械手动作示意图

当手动换向阀4推到a位，高压油P通过换向阀经入油缸的有杆腔，由于三通减压阀调整压力为10MPa，油缸无杆腔通过三通减压阀回油，油缸做下降动作。

1.3 随动过程

当长水口对中完毕后，换向阀4回中位，油缸无杆腔与高压油相通使长水口紧贴住大包出钢口，同时大包臂开始做下降动作，由于压差的作用，长水口油缸在重大外力作用下被迫下降，有杆腔的进油由单向阀8从回油T自吸提供，无杆腔端三通减压阀A口与T口相通，形成回路。

图2 原液压系统原理图

2 故障分析

设备在初使用阶段使用良好，但是经过一段时间的使用后，经常出现在浇铸过程中，长水口油缸无杆腔失压，导致长水口与大包出钢口脱开，形成敞开浇铸，严重影响钢水质量，被迫停浇。

经过分析，减压时（P到A）随着通过减压阀的流量的增大，减压阀主阀开口越大（Y路的溢流量可以基本忽略），压降会变小，所以减压阀的输出压力会有所变小（相对于设定值）；当负载升高时，减压阀开口变小，压降变大，当负载端0流量输出（此时经过减压阀的微小流量会全部从Y路溢流掉，这是减压阀发热的主要原因之一），减压输出为真正的设定值。当负载端出现外部干扰，突然增大时，该减压阀主阀芯会进一步移动，由P至A变成A至T，此时出现溢流回油（流量可以远大于先导减压控制的Y路溢流量），随着流量的增大，溢流压力会有所提高。

现实工况中，大包加上钢水的重量近130t，完全作用于长水口油缸之上，原有液压系统在长期使用过程中，三通减压阀存在着较大的负荷，特别是长水口油缸在受负载的影响被迫下降时，无杆腔完全靠三通减压阀进行溢流回油。蓄能器容积选型过小，压力吸收的作用不大，加上现场工作环境及油质的影响，三通减压阀失效的几率增大，导致长水口油缸工作中无杆腔不保压，长水口在自重的情况下脱落。

3 系统改进

为确保长水口及机械手在任何状态都与大包出钢口贴合，对水口密封处进行一个受力分析，要达到使用要求，机械手支撑力N应满足：

式中：F1为钢包长水口及机械手折算在水口密封处的自重，F2为钢水在水口处的静压力，F3为钢水经过水口产生的冲击力（摩擦力），F4为长水口的压紧力，N为机械手油缸在长水口在密封处的输出支撑力。

钢水在水口密封处的静压力F2等于钢水在长水口碗部的压强P(P=ρgh)乘以长水口碗部接触面在水平方向上的截面积简算。即：

式中：ρ为钢水密度，g为重力加速度，h为钢水在此处的高度，S为长水口碗部接触面在水平方向上的截面积。

钢水经过水口产生的冲击力（摩擦力）F3没有确切的数据，可认为钢水与长水口产生最大的摩擦力以至于钢水无法使长水口靠自重脱离，粗算为长水口内滞留的钢水的重力。

F4即为钢包出钢口与钢包长水口间的密封压力，该力既需要不影响长水口的使用寿命，不至于将碗口压裂压破，又要起到良好密封效果为宜。根据耐材现场使用情况及取样检测结果取5kN合适。

根据其使用要求及受力分析，重新设计控制回路，由于三通减压阀对油液的精度要求更高，而且相对于普通换向阀价格较为昂贵，将原三通减压阀直接去掉，同时为保证紧压力的稳定，不受三通减压阀剔除后的压力波动时的影响，增加蓄能器的容积到10L，让无杆腔的进油与回油完全由蓄能器提供，改进后的系统如图3所示。上升时靠蓄能器9供压，下降时靠系统压力与蓄能器压力的压差将回油压回蓄能器，随动时负载外力将回油压回蓄能器（若条件具备，还可以在蓄能器本体上加装安全溢流阀），另加装两个常闭高压球阀，分别与高压油管和回油管接通，取到给蓄能器充压和卸压的作用，通过有杆腔与无杆腔的面积比计算，预充10~13MPa,满足动作要求。注意的是充压时要关注压力表10的指示，勿要充至与系统压力相等，由于有杆腔面积小于无杆腔面积，无法做下降动作。

图3 改进后液压系统原理图

4 结语

液压系统的设计不仅要考虑设备工况的要求，还要充分考虑在使用过程中系统的可靠性。原系统设计中的控制回路虽然可以完成设备的动作要求，却忽略了控制阀在现实应用当中，长期工作后会出现问题。改进后的系统更简单明了，制作成本更低，维护更方便。而且该控制回路使蓄能器的作用得到更进一层的发挥，是一次大胆的创新应用。经过实施后，液压系统出现的故障次数大为减少，也提高了生产效率，降低了成本。