推进式加热炉推进液压系统改进

朱印涛 滕 芳 周少见

(河钢集团承钢公司 河北承德 067000)

1 前言

随着现代化的冶金设备不断向大型化、高度自动化的方向发展，在节能降耗等方面也提出了更高的要求[1]。推进式加热炉是进行热轧的前道工序的设备，设备的驱动系统为液压传动。推进系统采用双液压缸将铸锭推入加热炉加热，使铸锭被加热到轧制温度并确保均匀受热。加热炉的性能以及可靠性在很大程度上是由驱动运动的液压系统决定的。可见，对加热炉的液压系统进行研究和改进是十分有必要的[2-3]。

本次改造主要是根据操作工人提出问题进行的，主要是推进速度较低，双缸的同步精度差以及噪声较大等方面。

2 推进液压系统问题

1) 推进速度低

推进式加热炉的推进液压系统图如图1所示。设备液压系统的工作过程为：液压缸推铸锭进入加热炉均匀加热，加热好的铸锭由炉底机械送入粗轧机进行粗轧。当液压缸退回后加热炉关闭，此时推进液压系统油液由溢流阀回油箱。泵开最大流量而且是没有节流的情况下，推进过程速度还是比较慢，由于是手动换向阀，需要操作工人一直按着前进操纵杆，无疑加大了工人劳动强度。

图1 推进系统液压原理图

2) 同步精度不高

由于设备已经运行多年，推进的两个液压缸常出现不同步现象，需要经常调节，严重情况下出现卡死。

3)停机噪声大

据现场工人反映，液压系统的振动和噪声比较大。当声音超过70dB时便成为噪声，使现场工人听起来极不舒服，甚至使人烦躁不安，噪声作为污染已经日益受到人们的重视。因此研究和分析液压噪声和振动的机理，从而减少与降低液压系统的振动和噪声，并改善液压系统的性能以及工人工作环境，都有着积极而深远的意义[4]。

3 推进液压系统分析和改进

1) 推进速度低改进措施

液压执行元件的速度取决于进入执行元件的流量，速度低是因为进入液压缸的流量小。还有可能是液压缸内泄漏严重，但是空载和满载速度基本一样，这个原因可以排除。换成大流量的液压泵，肯定能够解决这个问题，但是为了节约成本，首选采用快速回路，下面是提高推进速度的思路以及措施。

提高液压执行元件的速度采取的措施主要有以下几种[5]：

(1)液压缸差动连接的快速运动回路

液压泵输出的液压油同时与液压缸的左右两腔相通，两腔压力相等，由于液压缸无杆腔的有效面积大于有杆腔的有效面积，使活塞受到的向右作用力大于向左的作用力，导致活塞向右运动。于是无杆腔排出的油液与泵输出的油液合流进入无杆腔，亦即相当于在不增加泵的流量的前提下增加了供给无杆腔的油液量，使活塞快速向右运动。对于此液压缸，活塞杆直径较大，所以分析采用差动连接效果不明显。

(2)双泵供油快速回路

也可以增加一个辅助泵的方法，双泵供油提高流量，从而提高执行元件的速度。但是考虑到降低成本，暂不采用此方法。

(3)采用蓄能器的快速回路

采取提高流量的措施：采用蓄能器，推进液压缸不工作时储存液压能，当液压缸工作时，蓄能器和液压泵同时供油来提高其速度。

经过分析推进回路的特点，发现采取蓄能器实现快速最经济最快捷。由于推进液压缸属于间歇式工作，停止工作期间，液压泵向蓄能器充液，储存能量，当液压缸推进需要快速运动时，由蓄能器与液压泵同时给推进缸供油，从而加大流量提高速度。

采用蓄能器实现推进液压缸快速，由于蓄能器辅助供油系统，蓄能器的释油流量是一个变量，故在快进阶段速度是一个变量。蓄能器的主要参数为容积和工作压力，本次改造选用的皮囊式蓄能器，容积选择按照下式进行计算[6]：

(1)

式中p1为充气压力，p2为系统的最低工作压力，p3为系统的最高工作压力，ΔV为工作容积，也就是蓄能器能够为系统提供的油液体积，n为指数，是不随状态改变的常数。

蓄能器提供的油液和液压泵的最大流量联合作用满足在推进过程中的液压缸所需要的流量。假设推进系统理想的安全推进时间为t，由于此系统对速度精度没有特殊要求，所以可近似推导出蓄能器的工作容积为：

(2)

对于此系统，式中A为两个液压缸的活塞面积之和，L为推进的行程，q为液压泵的流量。

p2和p3的值根据系统实际确定，充气压力的选择参照下式[7]：

0.25p2

(3)

因为蓄能器作为辅助动力源，排油速度快，所以n按照绝热过程取值为1.4，相关参数代入式(1)即可以得出所需要的蓄能器的容积。

2) 提高同步精度的措施

在液压系统中，常常会遇到要求两个或两个以上的执行元件同时动作的情况，并要求它们在运动过程中克服负载、摩擦阻力、泄漏、制造精度和结构变形上的差异，维持相同的速度或相同的位移，即作同步运动。由于负载、摩擦、泄漏等因素的影响，很难做到精确同步[8]。

推进液压系统原来的同步回路采用的是机械结构和节流阀实现的同步，分析其原因可能是由于应用时间较长，两缸的摩擦阻力和泄露等因素误差造成两缸负载出现不同，从而影响同步精度，很难通过节流调速提高同步精度，长时间下来还可能会导致活塞和导向套的破损，造成内外泄漏的。

两缸同步的方法很多，比如采用“同等方式”和“主从方式”等控制策略[9]，但是成本相对较高。为了提高两缸的同步精度，并节约成本，改用同步精度较高的分流集流阀。

分流集流阀的工作原理如图2所示，进口压力为P0，流量为Q0，进口流量P0先通过节流孔1和节流孔2进入腔体，完成油液分流，然后从两个可变节流口流出两个相等流量分别为Q1和Q2。腔体中的流量通过阀芯内部的小孔分别被引到集流阀阀芯两端的弹簧腔，执行机构的负载不同时，分流集流阀阀芯在两端弹簧腔油液压差作用下产生位移，进而改变两个可变节流口的通流面积，进而保持均匀分配可变节流口流出的流量[10]。分流集流阀在两个方向上都能实现流量的相等，使相同两个液压缸双方向实现同步。

分流集流阀同步误差可以用ζ表示为：

(4)

分流集流阀分流误差在2%-5%，完全满足所述的推进系统。采用分流集流阀的同步是速度同步，即当两油缸由于摩擦力或泄露的误差时，分流集流阀可以通过内部的压力和流量敏感部件自动调节，使两个相同的液压缸运动保持同步。采用分流集流阀改造后，此系统液压缸的往复行程都能实现较高的同步精度。

图2 分流集流阀的结构原理图

3) 降低噪声的措施

液压传动噪声的来源主要包括机械噪声和流体噪声。机械噪声主要是电动机的轴线与液压泵轴线不同轴，使联轴节产生倾斜，在运动中产生强烈的摩擦和别劲造成的，对刚性联轴节这一情况比较严重。流体噪声是液压油流动过程中的冲击和空穴以及泄露等原因。噪声产生原因比较复杂，仅从理论上分析往往难以达到预期的效果，必须针对不同的情况，采用不同的措施，才能有效的降低噪声[11]。

通过现场分析排除，此液压传动系统的噪声主要来源于流体噪声，声音刺耳。所以本次改造主要是通过清洗液压泵吸油口过滤器，并针对悬置的液压管路增加管夹等，快速回路中设置安装的蓄能器也能够消除部分冲击和脉动以及产生的噪声。

改造后的液压系统原理图如图3所示。

4 结论

通过此次改造，可以得出以下结论：

1)影响液压系统速度的是进入执行元件的流量，这还与液压缸的内外泄漏相关，当泵的流量一定的情况下，采用蓄能器实现执行元件的快速是最经济实用的办法，但蓄能器充液需要一定的时间，所以此方法仅适用于间歇运动的执行元件。

2)双液压缸实现同步的方法很多，由于本系统中两液压缸结构尺寸完全相同，所以采用分流集流阀的同步更适合本系统，而且能在两缸负载有误差的情况下还能实现较高精度。

3)液压系统的噪声无法避免，但是可以根据噪声源的分析，采取相应措施减小，本次改造中由于蓄能器的加入，噪声得到了很好的控制，说明蓄能器的在吸收液压冲击和脉动造成的噪声可以起到很重要的作用。

图3 改进后的推进系统液压原理图

推进式加热炉，是热轧前的重要设备，在实际工作现场，由于企业里设备陈旧，操作工人劳动强度大，此次改造是针对工人在使用过程中发现的问题进行改造的，经过一段时间的运行，发现完全排除了以前的问题，推进速度得到提升，而且同步精度较高，噪声也降低了。此加热炉推进液压系统的改造，从经济性上和技术上都是成功的，可以为类似设备的设计开发和改造提供参考。