穿孔机推坯机液压比例控制回路设计.pdf

总第 1 6 2期 2 0 1 6年 第4期 山西冶金 S HANXI ME T AL L URGY To t a l 1 62 N o ．4， 2 01 6 姆 D O I 1 0 ．1 6 5 2 5 0 ．c n k i．c n 1 4 - 1 1 6 7 ／tf ．2 0 16 ．0 4 ．3 1 穿孑 L 机推坯机液压比例控制回路设计 谢 增刚 太原重工股份有限公司技术中心， 山西太原0 3 0 0 2 4 摘要 介绍了一种用液压比例阀来控制穿孔机推坯机推坯的控制回路。通过使用比例阀控制有效改善了现有回 路在速度切换过程中引起的速度冲击、 阀台震动过大及穿孔机液压站容量过大等缺点， 更好地满足了穿孔机轧制 速度要求， 从而获得更高质量毛管。 关键词 穿孔机推坯机液压控制 回路比例 阀 中图分类号 T G3 3 3 ． 8 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 1 1 5 2 2 0 1 6 0 4 0 0 9 1 0 3 在无缝钢管生产中，穿孑 L 工序的作用是将实心 的管坯穿成空心的毛管n ] 。整个生产过程一般包括 穿孔 、 轧管和定减径工序。 穿孔作为金属变形的第一 道工序 ， 穿 出的管子壁较厚 、 长度较短 、 内外表面质 量较差 ， 因此被叫做毛管 。如果毛管存在缺陷 ， 经过 后面的工序也很难消除或减轻，因此穿孔工序在钢 管生产 中起着重要作用。 1 推坯 机 1 ． 1 推坯机的作用 为了将管坯推入轧辊之间， 在穿孔机的前台安置 推坯机。老式 的推坯机采用气动控制方式， 另外还有 链式推坯机和液压推坯机。 现代的推坯机可以根据机 组生产节奏的变化设定不同的推进速度， 即靠近轧辊 前高速推进以节省时间， 靠近轧辊时降速以适应管坯 的咬人 ， 轧辊咬人后迅速返 回待料位， 见图 1 。 1 一推头； 2 一支座 1 ； 3 一导向； 4 一推坯缸； 5 一支座 2 图 1 推坯机 1 ．2 推坯机的工作过程 推坯机推坯大致分为 推坯位 、 快速推坯 、 慢速 推坯 、 快速返回。具体过程是初始位为待料位 ， 当坯 料落入受料槽后 ， 推坯缸伸出快速推出坯料 保证管 坯温度 ； 在行进过程 中到达设定减速位 ， 推坯缸开 始转入工进慢速推坯过程 ，直到穿孔机轧辊咬人钢 收稿 日期 2 0 1 6 0 7 0 1 作者简介 谢增刚 1 9 8 4 一 ， 男， 工程师， 现就职于太原重工股 份有限公司技术中心轧钢机械研究所， 从事轧钢设备的液压、 干油、 稀油系统的应用、 设计和调试工作。 坯后 ，推坯缸得到咬人信号后反 向快速返 回到推坯 位 ， 见下页图 2 。 2 现有液压控制系统的缺点 现有 的液压控制 回路基本是按照下页图 3来对 推坯缸进行控制的。采用两组普通电磁换 向阀控制 的两组回路组合变换来实现高低速切换 ，快速时两 组阀同时工作， 低速时通过断开一组阀来实现降速。 这种控制方式主要存在 以下问题 1 高低速切换时速度变化过于直接 ， 没有 办法 来克服降速引起的速度冲击， 继而引发阀台、 管路震 动 ， 长时间会导致阀台过劳和管路附件损坏。 2 由于滑阀存在内部结构问题， 现场容易出现 穿孔机区液压站长时间停机现象 ， 同时 ， 推坯缸有 自 动伸出的情况 液压系统中蓄能器的残留能量 。 3 现有系统设计没有考虑将推坯缸快进时存在 杆腔 的液压油重新使用问题 ， 而直接回油箱 ， 这样设 计出来的液压站容量往往比较大。 4 使用双组阀控制 ， 由于所需流量大、 双组阀 占 用空间大 ， 所以制造的集成块也比较大 ， 并且 出现问 题的概率也相对较高。 3 介绍几种比例阀控制方法 由于上述 2中出现的问题 ，在 已经生产好的阀 台上进行改造的空间几乎没有 ，而且这种老式液压 回路是在传统斜轧机组基础上的沿用 ，传统斜轧 1 8 O机 组 年产 1 0 ～ 1 5万 t 左 右 ，而现 在 的钢 管 1 8 0 连轧机组最低年产为 3 O万t [2 ] ， 老式控制方式 从控制精度和节奏上已经不能满足现代连轧机组 的 需要 ，所以急需要液压工程师设计一种新 的回路来 替换它以满足现在连轧机组的生产节奏和控制精 山西冶金 E - m a i l s x y j b j b 1 2 6 ． c o rn 第 3 9卷 度 ， 所 以比例 阀的控制精度高 、 响应速度快 、 更换规 格易实现的优势就完全体现出来 了，下面就简单描 述几种比例阀的控制思路 1 图3 是希望达到的时序图， 在推坯缸速度变化 时 ， 期望有一定的速度斜坡 ， 而且不影响整个穿孔机 组的生产节奏。 图4 为比例阀在输入信号为阶跃信号 时阀的过渡性能。在阶跃信号增大时阀芯行程增大 ， 通过流量增加， 执行元件速度加快， 在阶跃信号递减 后阀芯行程变小， 流量变小 ， 执行元件速度变慢 ， 并且 有一定斜坡， 可以满足所期望的控制要求， 但是这并 不能完全消除速度变化对系统和设备的冲击。 快进 。 i 时间 L 一 一 快 图 2 推坯机时序图 图 3 期望时序 图 l 00 9 0 8 0 7 0 6o 薹 30 20 1 0 时 间 ／ ms 时1 日 J ／ ms 4 - 1行程增长期4 - 2行程递减期 图 4 阶跃信号时阀的过渡性能 2 为 了更好地满足速度斜坡 的平滑调速过程 ， 精确掌握液压缸 的行程数据 ，需要在液压缸 的行程 监控上安装辅助设备 ，因此选择在油缸外部安装激 光测距仪或者油缸 内部安装位移传感器 ，通过激光 测距仪或者位移传感器实时准确地检测油缸的运动 数据 ， 通过 P L C程序与比例阀实现闭环控制口 ] 。 3 还可以通过 比例阀 接近开关的控制方式来 实现平滑调速 ， 这种控制的时序 图基本与图 4吻合 ， 也基本能满足现场使用， 优点是成本低廉， 控制相对 精确 ， 速度变化冲击较小。 以上是使用 比例 阀控制 回路 的三种控制思路 ， 可以根据项 目 资金状况灵活匹配使用。 4比例 阀控制的液压回路设计 [ 4 该设计使用的比例阀电流控制为 4 ～ 2 0 m A ， 由 于描述换 向阀 1 换 向不够直观 ，所以后面就直接取 换 向阀 1的两个 电磁铁 Y a 4～1 2 m A 和 Y b 1 2～ 2 0 m A 来进行说明 如图 5 ， 具体工作过程如下 推 坯缸 l 一 比例阀； 2 一单 向阀； 3 一测压接头 图 5比例阀控 制回路 1 快进 。电磁铁 Y b得 电， 比例阀 1 停 留右位 ， 推坯缸无杆腔连通压力油管 P ，压力油管 P的液压 油经 由比例阀 1 直接进入推坯缸无杆腔 ，推动活塞 向有杆腔施压 ， 有杆腔中液压油压力增大 ， 但 由于回 管路上单向阀 2 ． 1的止 回作用 ，使得有杆腔 中的液 压油推开反 向止 回管路的单 向阀 2 ． 2向压力油管 P 补充液压油 ，由于无杆腔作用面积大于有杆腔作用 面积 ， 可以理解为液压缸 的差动 回路 ， 有杆腔 中的液 压油也进入无杆腔参与工作， 从而降低了系统流量， 并且增加液压缸伸出速度 ，从而达到节省液压站容 量 的 目的。 2 工进。 仍保持在快进时比例阀 1的右位 ， 减小 电磁铁 Y b的电流 ，比例阀 1 起节流 目的，进行 降 速 ， 由于 比例 阀的阶跃特性 ， 从 快进 高速 到工进 慢速 并没有明显的停顿或者冲击振动现象。 3 快速返 回。电磁铁 Y a 得 电， 比例 阀 1 停留左 位 ， 推坯缸无杆腔连通回油管 T， 推坯缸有杆腔连通 压力油管 P ， 单 向阀 2 ． 1 可被推 开 ， 压力油管 P的液 压油经由比例 阀 1 直接进入推坯缸有杆腔，推动活 塞向推坯缸无杆腔施压 ，推坯缸无杆腔中液压油返 至回油管 T 。 这时， 由于压力油管 P中的压力远大于 单向阀2 ． 1 的预加的弹簧压力，单向阀 2 ． 1 打开， 此 时单向阀 2 ． 1中压力与压力油 P接通 ，由于单向阀 2 ． 2也有预加的弹簧压力 ， 通过力平衡可得 出， 单 向 阀 2 ． 2是不能打开的， 也就是说不能反向泄漏油液 。 5 比例 阀的选择 首先选择阀芯零遮盖 ，并且具有适 当的断电机 2 0 1 6年第 4期 谢增刚 穿孔机推坯机液压比例控制回路设计 能， 防止电路故障系统出现的损坏， 其次位置控制时 尽量 选择线性 阀芯 ，最后重复精 度和滞环不大 于 0 ． 2 ％。由于推坯机推进时主要是做直线运动， 在选型 时需要确定固有频率 O J 。 、 最小斜坡时间 、 最大速度 V m、 最大加速度 一 以及比例阀压差 A p阀 等参数。 1 固有频率 。 。按照公式 1 可确定 to 。 ∞ o 4 0 EA1 一 、 ／ [ ] ． 1 式中 C为行程 ， m m； M为负载质量 ， k g ； A 为活塞面 积 ， o n ； 2 ／ ／ 1 l ， A 2 为环形面积 ， O I T I 。 2 最小斜坡时间 t 。 根据公式 2 可确定 f t n 3 5 ／ t o 0 ． 2 最小斜坡时间 t ⋯ 一般大于 O ． 1 S 。 3 最大速度 一。根据公式 3 可确定 一 V S ／ t z - t ． 3 式 中 5 为总行程， mm； t 为总循环时间， S 。 4 最大加速度 0 r 。根据公式 4 可确定 n r n 一 I ， ． 4 5 比例 阀压差 △ P阀 。根据公式 5 、 6 可确定 AP 阀 △P阀 P油一 - AP路， 5 F 坂 。 ． 6 式 中 P油 为系统设计压力 ； 为负载所需压力 ； A p路 为管路损失压力 ， 根据经验 ， 一般取 1 6 ～ 2 0 b a r ； F为加速度载荷 ； M为负载质量； k g ； g 为重力加速 度 。根据结果在 比例 阀厂家样本 中选 择合适 的比 例 阀。 选 阀时还应该 注意 ， 当控制单 元 P L C 和 阀的 距离较远时， 应该选择 4 ～ 2 0 m A的电流输入信号来 代替 1 0 V D C ； 阀芯的最大流量应高于阀本身可调 节流量 1 0 ％ 2 5 ％； 如果有特殊的穿孔机组需要频繁 更换轧制钢管规格， 就需要频繁更换钢坯， 由于不同 规格钢坯的质量不同 ，此时在 比例阀控制回路中必 须使用合适手段对负载效应进行校正，其目的就是 保证△ P阀 为一近似定值 ， 不随负载压力的波动而改 变，从而保证通过比例阀的流量与输入的电信号成 比例的变化[ ， 具体情况要根据工程实际选择合适 的压力补偿控制方案 。 6 结论 1 有效改善了推坯缸由快进 高速 到工进 慢 速 时的冲击振动和略微停顿现象； 2 有效降低了液压系统的设计容量， 大大降低 了液压系统制造成本 ； 3 原理较现有原理简化很多 ， 阀块尺寸变小 、 加 工更加简单， 有效降低了系统出现故障的概率； 4 当变换钢坯规格时， 推坯缸的速度调节更加 简单和方便 ，只需要在工控机上给定 比例阀不 同的 电流就可达到改变速度的目的。 参考文献 [ 1 ] 张秀芳． 热轧无缝钢管生产 [ M ] ．北京 冶金工业 出版社 ， 2 0 1 5 ． [ 2 ] 严泽生 ． 现代热连 轧无 缝钢管生 产 [ M ] ．北京 冶金 工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 3 ] 石壮 用 于穿孔 机推坯 装置 的几种控 制方法 [ J ] ．山西冶金 ， 2 0 1 5 ， 3 8 4 1 2 4 1 2 5 ． [ 4 ] 谢 增 刚． 一 种 穿孔机前 推坯 缸 的液 压控 制 系统 及控 制方 法 B 2 1 D 2 8 ／ 2 8 [ P ] ． 2 0 1 3 1 1 1 5 ． [ 5 ] 黄志坚． 液压伺服与 比例控制实用技术 [ M ] ． 北京 中国电力 出版 社 。 2 0 1 2 ． 编 辑 赵 婧 Th e De s i g n o f Hy d r a u l i c Pr o p o r t i o n a l Co n t r o l Lo o p a b o u t t h e Pu s he r o f Pi e r c i ng M i l l XI E Ze n g g a n g T e c h n o l o g y C e n t e r o f T a i y u a n He a v y I n d u s t r y C o ． ， L t d ． ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4 Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e d a h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l c o n t r o l l o o p a b o u t t h e p u s h e r o f p i e r c i n g mi l l ， a u t h o r u s e d p r o p o r t i o n al v alv e t o e ff e c t i v e l y i mp r o v e t h e v e l o c i t y s h o c k、 v a l v e s t a n d v i b r a t e wh e n the c y h n d e r - p u s h e r w o r k ， a l s o t o e f f e c t i v e l y d e c r e a s e t h e c a p a c i ty o f p i e r c i n g mi l l h y d r a uli c s t a t i o n ， a n d the l o o p i s b e t t e r me e t t h e s p e e d r e q u i r e me n t o f p i e r c i n g mi l l a n d h J g h g r a d e h o l l o w b i l l e t t h a n the o l d l o o p ． Ke y wo r d s p i e r c i n g mil ， p u s h e r o f p i e r c i n g mi l ， h y d r a u l i c c o n t r o l l o o p ， p r o p o r t i o n al v a l v e