一种立式穿孔机上轧辊平衡装置液压回路设计

王小平

（太原重工股份有限公司技术中心，山西 太原 030024）

引言

穿孔机是无缝钢管生产流程中的第一道工序，是将经过加热后的管坯在穿孔机上穿孔成厚壁毛管，毛管应无内外表面缺陷，以便在下一道工序中轧制[1]。本文所述Φ258 立式穿孔机两辊斜轧锥形穿孔机，斜轧穿孔方式在无缝钢管生产中有着最为广泛的应用。穿孔机使用圆形管坯，两个相互成一定角度的轧辊通过自身旋转以及挤压带动管坯向前输送，管坯发生塑性变形而成为具有一定厚度且内外表面光滑的毛管。穿孔机设备主要由穿孔机主机、前、后台输送后设备以及主传动装置来共同完成毛管穿制。

1 穿孔机上轧辊平衡装置简介

穿孔机上轧辊平衡装置主要用来消除上轧辊装置与上轧辊装置调节丝杠之间的间隙，不论辊距增大或者减小，轧辊都能够有效紧贴丝杠底部，与丝杠一起上下动作。上轧辊平衡装置通过上轧辊平衡缸实现轧辊提升与下降。如图1 所示，穿制毛管时，上轧辊平衡装置处于平衡锁紧状态，其中，纵向高压平衡通过上轧辊平衡缸使上轧辊装置紧贴机架上盖，横向锁紧通过上轧辊装置锁紧缸实现。

图1 机架及上轧辊装置简图

辊距或者角度调整时，上轧辊横向锁紧缸处于低压锁紧状态，以保证上轧辊装置紧贴机架上的导向滑套而不完全压紧。辊距增大时，丝杆垂直向上运动，此时在丝杆和上轧辊装置之间就产生了间隙，平衡缸用来消除间隙方便实际辊距的测量。辊距减小时，丝杆垂直向下运动，此时平衡缸内的液压油需要通过液压回路实现回油，平衡回路需要实现缸内的油压力稳定在一定的数值，既要保证顺利回油，也不能使上轧辊装置与丝杠之间产生间隙。

穿孔机上轧辊平衡装置由两个左右布置的液压缸来控制机上轧辊装置的上升与下降，而轧辊前侧连接主传动万向联轴器，受力比较复杂，既受到联轴器水平方向分力，也受到联轴器垂直方向分力，使得上轧辊装置产生倾翻力矩，平衡缸需要的平衡力将更大。并且当滑道磨损后，向上的平衡力也会增加，使得上轧辊装置不能完全消除其与丝杠之间的间隙，当毛管穿制时，轧制力的径向力超过上轧辊装置横向锁紧力时，辊距发生变化，使毛管质量下降，需要重新调整才能达到工艺要求，降低了产品质量和生产效率。

2 液压回路设计

穿孔机上轧辊平衡缸使用柱塞缸提升上轧辊装置，这意味着上轧辊液压控制回路需要考虑依靠自重回油问题。通过对立式穿孔机上轧辊平衡装置进行结构分析，认为其液压控制回路需要满足下列工艺及控制要求：上升或者下降时液压缸运行速度稳定并且能够按照实际需要进行调整；辊距调整时液压缸能同步跟随，且向下跟随以及高压平衡的压力可调；实现回路背压功能，防止上轧辊装置自由下落，同时背压力可调；换辊时能自动泄压并能够完全下降到换辊位。按照以上工艺要求设计了下页图2所示的平衡阀支承的液压回路，在液压缸的下腔管路中接一个平衡阀，以防止活塞部件因自重而下滑，并使活塞平稳运动[2]。此平衡阀的设定压力取决于负载的重量及摩擦力大小等其他因素，并且因平衡阀存在内泄漏，此平衡回路只适用于重物位置短时间锁定，长时间锁紧必须设计额外回路持续供给液压缸压力油。

图2 液压控制回路

用一组由一个叠加式三位四通电磁换向阀、一个叠加式双单向节流阀和一个叠加式液控单向阀组成的液压回路来实现平衡缸快速上升。电磁铁Y1、Y2b 得电，Y2a、Y3 失电，换向阀的压油腔P 腔通A腔，回油腔T 腔通B 腔，压力油经过三位四通电磁换向阀、叠加式双单向节流阀以及液控单向阀供给回路压力油，再经过单向阀将14 MPa 高压油送至柱塞式平衡缸，实现平衡、纵向锁紧的功能，溢流阀及单向阀安装在阀站出口。电磁铁Y1、Y2b 得电，Y2a、Y3 失电，溢流阀及单向阀组成平衡回路，平衡缸处于低压平衡状态，低压平衡状态为上辊平衡装置的调整状态之一，当辊距减小，平衡装置被迫下调，此低压状态既可以保证平衡装置不会自由下落，也可释放掉因调整机构丝杆挤压上辊平衡装置而使液压缸上升的压力，所产生的高压油通过溢流阀泄到到叠加阀。因电磁铁Y2b 得电，液控单向阀被打开，溢流阀的回油经液控单向阀、叠加式双单向节流阀及三位四通电磁换向阀回油。因电磁铁Y1 得电，电磁球阀1.1的A 腔通T 腔，溢流阀回油也可经电磁球阀回油。溢流阀的设定压力调定值只需比上辊平衡装置自重以及摩擦等其他因素所产生的压力高出1 MPa 即可，可在调试时调定此压力。压力传感器用来监测并向PLC 反馈纵向锁紧以及低压平衡信号，向下调整时，当压力持续上升并超过溢流阀设定值，报警并停止压下，并查找溢流阀无法打开的原因。

穿孔机上轧辊受力比较复杂，加上滑道磨损等因素，平衡缸需要的平衡力将更大，14 MPa 压力已经不能完全保证平衡缸完全提升并锁紧。设计一组由一个叠加式电磁球阀、叠加式减压阀组成的液压回路来向上轧辊平衡缸提供持续、高压、稳定的压力油。电磁铁Y1、Y2a、Y2b、Y3 均失电，高压油经叠加式电磁球阀、叠加式减压阀供给回路压力油，再经过单向阀将25 MPa 高压油送至柱塞式平衡缸，达到高压平衡、锁紧的目的。压力传感器用来监测并向PLC反馈高压平衡锁紧信号。快速提升阀组叠加有液控单向阀，可阻断快高压平衡锁紧阀液压油进入到快速提升回路系统[3-5]。

轧辊属于消耗件，当轧辊到达一定的使用工况后，需要更换或者维修，必须使上轧辊平衡缸的液压油完全泄压之后方可进行下一步操作，以免造成人员或者设备损坏。可用一组由一个叠加式电磁球阀、节流阀和阀板组成的液压回路来完成平衡缸的泄油。电磁铁Y1、Y3 得电，Y2a、Y2b 失电，高压油被阻断，电磁球阀的A 腔通T 腔，平衡缸液压油通过阀板、节流阀以及电磁球阀回油，整个回路处于泄压状态，上辊下降至最低位，可进行换辊或者维修。

本设计Φ258 穿孔机上辊平衡缸液压控制回路能够能够实现轧制过程的高压锁紧、检修以及换辊后快速提升、辊距调整时向上调整跟随、向下调整安全溢流、碾轧角调整时纵向位置保持，能够实现检修以及换辊时的快速卸荷。

3 结论

本文所述液压回路是一种可实现高低压切换的背压回路，通过三组液压回路实现液压缸高压平衡锁紧、低压背压调整、卸荷，能够根据实际使用工况调整背压大小。Φ258 穿孔机上辊平衡缸液压回路与以往回路相比，解决了更多工艺控制问题，使设备运行更加平稳可靠，提高了生产效率和产品质量。