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高精度高响应液压压下系统的综合 污染控制及其工业实践 陈 坚,杨爱民,卢长耿 The Combined Contamination Control of High Accuracy and Response HGC and Its Industrial Practice Chen Jian ,Yang Ai2min ,Lu Chang2geng 集美大学轮机工程学院,福建省厦门市 361021 摘 要根据液压压下系统开发及其工业实践的成功经验,简介了自动辊缝控制AGC系统的控制 功能,分析了液压压下系统的控制特点及其对油液清洁度的要求,探讨了伺服阀的失效模式及原因,提 出了综合污染控制及其保证措施,给出了过滤系统的设计实例及使用效果。 关键词AGC;液压压下系统;液压伺服控制;伺服阀;污染控制 中图分类号TH137 文献标识码B 文章编号1002485820010820024205 1 AGC系统的控制功能及控制特点 111 控制功能 板带轧机AGC实质为液压辊缝控制HGC 补 偿控制。 HGC系统是一个高精度、 高响应的电液位置伺服 系统,它是AGC系统的关键组成部分,其性能决定了 AGC系统的基本性能。 补偿控制有轧机弹跳补偿MSC、 支撑辊偏心补 偿ECC、 轧辊热凸度补偿TEC、 支撑辊油膜厚度补 偿BEC、 质量流量控制MFC、 伺服阀流量非线性补 偿FNC、 压下缸油柱压缩性补偿OCC及两侧同步补 偿SYC等。具体的AGC系统,将根据轧机的类型单 机或连轧机,四辊轧机、 六辊轧机或二十辊轧机、 轧制 工艺冷轧或热轧、 单板或连轧、 轧材的类型普通钢、 不锈钢、 硅钢、 合金钢或合金铝,薄板或中厚板、 出口 板厚精度、 投资大小等,针对性地采用补偿控制中的几 种主要补偿方法。 112 控制特点 液压压下系统是一个涉及轧制工艺、 液压伺服控 制、 传感器、 计算机控制、 电气控制等多学科的机、 电、 液一体化的系统,就控制而言,它具有如下特点 1大功率 表1列出了3种有代表性的轧机AGC系统的有 关参数,从表1中不难看出其作用力和控制功率是很 大的。 表1 3种有代表性的轧机AGC系统的有关参数 轧机名称 2800 mm 四辊中 板轧机 1700 mm 四辊冷 轧机 1300 mm 二十辊 ZR轧机 额定压下力kN25000212500278502 压下速度mm/ s≥632 压下伺服缸规格mm 1200/ 1000100 965/ 800100 160/ 70140 伺服油源压力MPa282521 伺服阀额定压力MPa353521 伺服阀额定流量L/ min3855760 2高精度 HGC系统定位精度冷轧机及ZR轧机GHC系统 为01002 mm; 热轧及中板轧机GHC系统为 01005 mm; 收稿日期2001203216 作者简介陈坚1966 , 男,福建泉州人,讲师,学士,主要 从事液压系统污染控制方面的研究工作。 42液压与气动2001年第8期 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 出口板厚误差冷轧机及ZR轧机 ≤01003 mm稳 速段 ; 中厚板轧机≤011 mm5～10 mm板。 3高响应 HGC系统频宽为8～15 Hz。根据轧机类型及轧 制速度的实际需要而定。 4高可靠性 要求压下伺服缸精度高、 起动摩擦力小,且能可靠 地连续工作2年以上。要求液压压下系统能稳定可靠 地连续工作。 2 伺服阀及伺服阀对系统油液清洁度的要求 211 伺服阀的组成及其特征 为达到高精度、 高响应、 高可靠性地工作,液压压 下系统必须采用高精度、 高响应、 高稳定性的伺服阀。 目前世界上,除日立公司专门开发的HYROP - F 液压压下系统采用非标的抗污染FMV型单级电反馈 力马达伺服阀外,绝大多数都采用MOOG公司的力矩 马达喷嘴挡板式伺服阀。 冷轧和ZR轧机液压压下系统所用的MOOG伺服 阀一般采用高压中等流量的两级伺服阀,热连轧和中 厚板轧机中所用的MOOG伺服阀一般采用高压大流 量的三级伺服阀。轧机压下系统为位置控制,因此采 用流量型伺服阀。 喷嘴档板式流量型伺服阀的结构及性能特征 如下 1 输入功率小功率,MOOG伺服阀额定输入电 流的典型值为 10、20、30 mA; 2 级数两级或三级。第一级均为喷嘴挡板阀, 第二、 三级功率放大级均为滑阀; 3 级间反馈形式两级伺服阀的级间反馈有机械 反馈、 电反馈和机械反馈加电反馈3种形式。电反馈 伺服阀的精度及响应速度高。三级伺服阀的第三级必 为电反馈; 4 功率滑阀中阀芯与阀套的遮盖开口形式零 遮盖零开口 ; 5 输出Q0对输入I的关系线性关系,即输出 的空载流量Q0CI; 6 死区极小,如011 、012 、013 、014 、 015 ,根据具体伺服阀及其反馈形式而定; 7 滞环很小,如012 、013 、015 或1 、2 、 3 ,根据具体伺服阀及其反馈形式而定; 8 频宽很高,100～200 Hz ,根据具体伺服阀及其 反馈形式而定。 212 伺服阀对油液清洁度的要求 表2汇集了主要伺服阀对油液清洁度的要求, 不难看出,喷嘴挡板伺服阀对油液清洁度的要求 很高。 根据作者的经验,MOOG伺服阀功率级滑阀供油 系统的清洁度达到ISO 440615/ 12NAS1638 6 级,喷 嘴挡板先导级供油系统的清洁度达到ISO 440614/ 11 NAS1638 5 级,伺服阀才可能正常工作;要想伺服阀 工作可靠、 寿命长,必须严格达到表2要求。 表2 MOOG喷嘴挡板式伺服阀清洁度等级推荐 MOOG 伺服阀系列 清洁度等级 能正常工作能长寿命工作 过滤器过滤比 能正常工作能长寿命工作 两 级 SV D661⋯G/ S/ HISO 4406 16/ 13ISO 4406 14/ 11 β15≥75β10≥75 72 β25≥75 730最大ISO 4406 16/ 13推荐ISO 4406 14/ 11 D761ISO 4406 14/ 11ISO 4406 13/ 10 β10≥75β5≥75 D765ISO 4406 14/ 11ISO 4406 13/ 10 β10≥75β5≥75 770最大ISO 4406 16/ 13推荐ISO 4406 14/ 11 三 级 SV 79～100最大ISO 4406 16/ 13推荐ISO 4406 14/ 11 79～200最大ISO 4406 16/ 13推荐ISO 4406 14/ 11 79～200HR最大ISO 4406 16/ 13推荐ISO 4406 14/ 11 522001年第8期液压与气动 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 随着过滤技术的发展,表2指标是可以实现的,并 已被列入工业标准,例如,美国工业标准NFPA/JICT2 2411990规定伺服元件供油系统的清洁度等级应 达到ISO 4406 - 14/ 10级。这一规范已被其他一些工 业规范支持并加强。例如1991年12月发布的BMW 汽车制造商规范BVH - HO和Saturn公司的规范都推 荐采用伺服阀的系统清洁度为ISO 4406 - 13/ 10级。 PALL过滤器公司推荐采用伺服阀的系统清洁度 等级为PPC 14/ 13/ 10 ,并且指出该等级是目前PALL 过滤器所能实现并能达到的经济等级。 根据加拿大航空公司的技术报告,其飞行模拟器 上使用精细过滤,油液清洁度达到PCL 13/ 12/ 10 ,经 过8年连续运行后检查伺服机构,没有磨损痕迹。 为什么伺服阀要求这么高的清洁度,必须分析伺 服阀的失效模式及失效原因。 3 伺服阀的失效模式及失效原因 311 伺服阀的失效模式 31111 阀芯与阀套的失效模式 1冲蚀失效图 1 图1 阀芯/阀套冲蚀和腐蚀损坏简图 成因油液中大量微小的固体颗粒随高速油液流 过阀口时,冲蚀阀芯与阀套上的节流棱边所致。 后果节流棱边倒钝,导致伺服阀零区特性改变, 压力增益降低,零位泄漏增大。 2淤积失效 成因由 ≤r半径间隙的颗料聚积于阀芯与阀套 之间的环形间隙所致。 后果加快阀芯与阀套的磨损,起动摩擦力和动摩 擦力增大,滞环增大,响应时间增长,工作稳定性变差, 严重时出现卡涩现象。 3卡涩失效 成因阀芯与阀套环形间隙中不均匀的颗粒淤积 造成侧向力,侧向力使阀芯与阀套的金属表面接触,从 而出现微观粘附冷压接触 , 造成卡紧。 后果卡紧使起动摩擦力加大,造成阀的工作不稳 定,严重卡紧时将引起卡涩失效。 4腐蚀失效 成因油液中的水分和油液添加剂中的硫或零件 清洗溶剂中的残留氯产生硫酸或盐酸,致使节流棱边 腐蚀图 2 。 后果与冲蚀造成的后果相同。 31112 第一级喷嘴挡板阀的失效 成因内装LCF过滤器堵塞或喷嘴、 挡板、 反馈杆 端部小球的冲蚀磨损所致。 后果LCF堵塞降低喷嘴挡板阀的灵敏度及响应, 严重堵塞时难以驱动功率滑阀。长期的冲蚀磨损可能 造成固定节流孔、 喷嘴、 档板及小球的冲蚀损坏。 312 引起伺服阀失效的主要原因 31211 固体颗粒含纤维的污染 液压伺服系统中85 以上的故障是油液污染造 成的,污染以固体污染物为主,危害也最大。典型脏油 液的颗粒尺寸分布如图2所示,图示表明,≤5μm颗 粒占总数的86 。伺服阀的阀芯与阀套半径间隙的 典型值为1～215μ m 视阀芯尺寸而定 , 且阀口上的 流速高达50 m/ s以上,因此 ≤5μm的大量微小颗粒是 造成阀芯与阀套冲蚀失效、 淤积失效和卡涩失效的主 要原因,也是造成第一级中固定节流孔、 喷嘴、 挡板和 小球冲蚀磨损的主要原因。 图2 典型脏油液颗粒尺寸分布 由于喷嘴与挡板的间距为20～30μm左右,因此 20μm左右的颗粒最易造成第一级喷嘴挡板阀及LCF 的失效。 31212 水及溶剂污染 水也是液压油中一种极为有害的污染物。虽然新 油中不含水分,但潮湿空气可以通过空气滤清器进入 油箱并凝聚成水珠,水也可以通过冷却系统或液压缸 活塞杆密封处带入系统油液中。 液压油的吸水饱和度为 2 ～ 3 10 - 4 ,含水量未 超过饱和度时水以溶解态存在,超过饱和度时以游离 态存在。游离水易引起金属腐蚀。水与油液中某些添 加剂作用易产生沉淀物和胶质,加速油液的劣化与污 染。高速紊流下的水使油液乳化,降低了油液的润滑 性,从而加快磨损。笔者为比较自行开发HGC系统与 62液压与气动2001年第8期 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 引进设备HGC系统的清洁度,曾检查测试过引进已使 用1年的HGC系统清洁度,发现油液相当脏,建议用 户更换油液并循环清洗系统,结果发现在油箱高度1/ 3以下油液成胶状物。 某些油液添加剂中含有硫,清洗零件的溶剂可能 残留氯,水与硫、 氯结合会产生硫酸与盐酸,从而腐蚀 泵、 阀及伺服阀金属表面。 当油液中同时存在固体颗粒物与水时,元件的磨 损和腐蚀比它们单独存在时要严重得多。国外有过实 例,当系统被一种氯化了的溶剂所污染时,数小时内伺 服阀的节流棱边便被损坏得难以修理。 4 综合污染控制及其技术措施 要达到ISO 440614/ 11系统清洁度,必须进行全 面的综合污染控制,并采取一系列保证措施。 411 设计方面的主要保证措施 1设计完善的过滤系统,优化配置过滤系统参 数,以确保系统清洁度; 2设计结构合理的全封闭不锈钢油箱,以防外 部侵入污染及再生性污染; 3设计上确保压下缸活塞杆处密封可靠,防止 轧制用油或乳化液进入系统; 4选用高质量的液压元件及辅件,以防元件或 辅件造成的再生性污染。 412 制造方面的主要保证措施 1保证液压部件液压站、 控制阀组、 压下缸等 的制造质量及装配清洁度; 2规范、 彻底地进行钢管、 管件的酸洗及清洗; 3按规范开坡口,并用氩弧焊焊接油箱及管道; 4采用高清洁度的清洗系统对要总装的零部 件、 元件、 管件进行严格的冲洗和清洗; 5在高清洁环境的车间进行总装; 6总装时严防纤维及密封胶带等进入系统; 7先用本系统的循环过滤系统进行连续的循环 冲洗,确认油箱内油液清洁度达到主泵要求后,方可起 动主泵组。 8起动所有泵组进行全流量的系统循环冲洗, 循环冲洗时采用过渡板并装上电磁阀或电液阀代替伺 服阀;设计一控制程序,确保系统中每根管道或回路都 能进行高速有效的自动循环冲洗;循环冲洗时宜提高 系统油温 50 ℃ ～60℃ ; 循环冲洗后宜更换滤芯。 9确认主供油系统清洁度达到ISO 440615/ 12、 先导供油系统达14/ 11级后,方可装上调试伺服阀 进行制造厂厂内的闭环系统调试,模拟加载及系统静 态、 动态性能测试。 413 现场车间配管及其循环冲洗时的主要保证措施 1规范、 彻底地进行钢管的酸洗及冲洗; 2按规范开坡口并用氩弧焊焊接管道; 3车间管道焊接、 预装后,再进行彻底地的酸洗 和冲洗; 4总装冲洗时,严防纤维及密封胶带等进入 系统; 5采用专用的中压大流量冲洗系统对总装好的 车间管道进行循环冲洗,用中压软管将车间管道接成 循环回路,确保所有管道都被冲洗; 6管道内油液清洁度达到ISO 440615/ 12后 方允许将车间管道与液压站、 控制阀组及压下缸相接; 7车间管道与液压部件相接后,利用系统主泵 供油继续进行全系统自动循环冲洗,并利用循环泵进 行液压站内循环冲洗; 8确认主供油系统达到ISO 440615/ 12 ,先导 供油系统达到ISO 440614/ 11级后方可装上伺服阀 进行现场调试、 联调及性能测试。 414 系统日常维护主要保证措施 1定期检查系统中各过滤器的工作状态; 2过滤器上压差超限PALL过滤器Δp 0134 MPa 时应及时更换滤芯,更换滤芯时,应避免外部浸 入污染; 3定期从采样阀处采出油样,并进行油液清洁 度检验; 4牢记 “新油是脏油” 概念,务必通过高清洁度 的过滤小车向系统加油,一次补油量不得超过油箱体 积的1/ 4 ; 5填写日常维护日记,以备污染控制分析。 5 液压压下过滤系统的设计实例 511 过滤系统组成 HGC过滤系统见图4 ,图中省略了无关元件,同类 元件如主泵、 蓄能器、 伺服阀、 压下缸只画1个。 512 实际使用效果 ①HGC系统出厂闭环调试、 加载试验、 测试及出 厂验收时达NAS 16386级相当于ISO 4406 15/ 12 ; ②现场车间配管连续循环冲洗7天达不到NAS 16386级; ③因生产紧急,将车间配管与液压站及压下控制 阀组相接,利用液压站及短路软管进行中压全流量、 全 722001年第8期液压与气动 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 同步回路中液压缸的新结构 赵 军 New Structure of Hydraulic cylinder for Synchronizing circuit Zhao Jun 黑龙江八一农垦大学工程学院液压室,黑龙江省密山市裴德 158308 中图分类号TH137151 文献编织码B 文章编号10002485820010820028201 液压系统中,使2个或2个以上的液压缸,在运动 中保持相同位移或相同速度的基本回路,称为同步回 路。同步回路是1个一泵多缸系统,理论上,液压缸的 有效工作面积相等,就能够实现液压缸的同步动作。 但是,由于运动中所受负载不均衡,摩擦阻力不相等, 泄漏量不同以及制造上的误差,往往不能使液压缸同 步动作而产生失调现象。为此,设计了一种新结构的 液压缸,对其流量进行补偿,达到同步动作。 这种液压缸就是在双作用液压缸的进出油口处设 置补油口,这里以联合收获机拨禾轮升降系统为例说 明。拨禾轮升降系统是由活塞缸和柱塞缸组成的串联 同步回路。上升时,压力油进入活塞缸的下腔,活塞缸 上腔油液进入柱塞缸;下降时,利用机体自重,液压油 反向流回油箱。这里称活塞缸为主动缸,柱塞缸为被 动缸,在主动缸上开有补油口。具体结构如图1所示。 拨禾轮上升时,主动缸运动到上止点,压力油可通 过主动缸上腔补油孔进入串联油路,直到被动缸也上升 至上止点。同理可知拨禾轮下降时两缸的动作情形。 图1 新型液压缸结构简图 该液压缸结构简单、 工作可靠、 同步精度较高。在 国外收获机械上已应用这种结构的液压缸。□ 收稿日期2001203213 作者简介赵军1969 , 男,山东省平原县人,讲师,学士, 主要从事液压传动的教学与研究工作。 11 高压过滤器 5 μ m 21 先导级过滤器 3 μ m 31 空气滤清器 3 μ m 41 回油过滤器 10 μ m 51 循环过滤器 3 μ m 61 超精循环过滤器 1 μ m 71 磁性过滤器 图4 HGC过滤系统实例 系统压下缸未接入循环冲洗3天,主供油系统达到 NAS 16386级,先导供油系统达到NAS 16385级; ④HGC系统现场调试、 性能测试2天,AGC系统 调试并性能测试2天。HGC系统频宽10 Hz定位精度 高于2μm; ⑤联调完毕立即投入3班连续试生产,一周后完 成功能考核并转入正式连续生产。 ⑥第1台与第2台AGC系统功能和性能达到并 超过用户1996年引进的同类设备先进的技术水平,2 套AGC系统至今为止一直连续可靠地稳产高产地 工作。 参考文献 [1] 卢长耿,李金良 1 液压控制系统的分析与设计[M]1 北 京煤炭工业出版社,19921 [2] 夏志新 1 液压污染控制[M]1 北京机械工业出版社, 19981 82液压与气动2001年第8期 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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