20MN挤压机液压系统改造.pdf

总第 1 4 4期 2 0 1 3年第4期 山西冶金 S HANXI ME T AL L URGY To t a l 1 4 4 No ． 4 ， 2 0 1 3 文章编号 1 6 7 2 1 1 5 2 2 0 1 3 0 4 0 0 5 2 0 3 2 0 MN挤压机液压系统改造 吴伟， 薛占军， 张 强， 刘 杰， 温 肖 中国重型机械研究院股份公司， 陕西西安7 1 0 0 3 2 摘要 全面介绍了2 0MN挤压机液压系统改造思路， 在其过程中阐述了改造后新的挤压机能达到的性能， 并 重点分析 了挤压机工作过程中避免爬行现象的方案。 关键词 挤压机液压系统改造爬行现象 中图分类号 T G 3 7 5 ． 2 3 文献标识码 B 收稿日期 2 0 1 3 0 4 0 1 某铝材加工厂的挤压机组经过几十年的使用， 面 临挤压低速性不稳、 能耗大、 采购不到易损件、 不适应 新的铝合金材料等一系列问题， 故此铝材加工厂委托 中国重型机械研究院在尽量保留原有设备结构的基 础上对包括 2 0 MN在内的多种不同吨位的挤压机组 进行改造， 以适应新材料的挤压工艺要求， 提高效益。 1 改造内容 1 将传动介质由水改为油。原有水压机存在运 行不稳、 冲击大、 效率低而能耗高等固有缺陷， 改为 油压机后除避免以上缺陷外 ，还易于实现恒速和 自 动化控制， 且以油为介质使密封件寿命有所提高。 2 重新设计主挤压缸， 保留原有安装尺寸、 外形。 3 按原有安装尺寸 、 外形 ， 对 1 台主缸、 2台附缸 、 2台挤压筒缸 、 1 台锁 紧缸 、 1台挤 压垫分 离缸和 1 台残料分离缸全部重新设计。 4 设计液压控制系统 ， 并且优 先使用原有液压管路及管路附件。 2 具体方案 2 ． 1 液压站部分 见 图 1 图 1 液压站原理简图 乙 l 呈l I I l 三 I 罨石 I I 首先确定以比例变量泵 1 3号泵 作为挤压动 力源， 主要因为 比例泵的工作压力与泵的排量无关， 在挤压过程中压力波动不影响流量输出， 即不影响运 行速度 ； 通过 比例阀对流量按不同铝材所需的不同的 挤压速度进行匹配， 可减小能源消耗。而且挤压机工 作速度范围广， 如果用阀来调速， 没有哪种阀的性能 能够满足其调速范围的需求， 最简单的思路就是设置 数种不同流量规格的调速阀， 但这样既不经济又增加 第一作者简介 吴伟 1 9 8 0 一 ， 男， 主要从事流体控制 技 术 方 面 的 工 作 ，工 程 师 。T e l 1 3 0 7 2 9 8 0 3 4 8 ， E m a i l 2 3 7 1 6 7 4 2 9 3 q q ． C O I n 图 2比例泵控 制方块图 了控制难度。图 2是比例泵控制方块图。 比例泵需要以单独的恒压变量泵 4 号泵 控制 油源 ， 以提高比例泵 的快速运行和低速稳定性 ； 为提 高生产节奏， 并防止辅助缸工作时影响主缸的速度稳 定性 ， 系统设置独立的辅泵装置 5 号泵 l台。 此外， 给系统配置 1 台小排量恒压变量泵 6号 泵 ，专门用于主挤压低速工况 挤压机极低速度运 行， 能满足特殊产品的挤压要求， 提高挤压产品质量。 以上所有泵均由 2 台螺杆泵 7 ～ 8 号泵 强制 供油， 通过调节旁路上的止回阀弹簧设置供油压力。 这种供油方式能够使油液在进入变量泵前得到过 2 0 1 3 年第 4期 吴伟， 等 2 0 M N挤压机液压系统改造 滤， 且带有一定压力。 这两点好处使液压系统在运行 过程中故障率大幅度降低，元件寿命特别是泵和比 例阀的寿命延长， 可有效降低维护成本和时间， 提高 设备利用率。 液压系统参数见表 1 。 表 1 液压系统设备参数 参数 螺杆泵 比例泵 控制泵 辅助 泵 I氐 速挤压泵 流量／ L m i I 一 2 X 8 6 8 3 X 3 7 0 1 2 5 1 2 5 l 8 工作 压力 P a 1 m 8 x 3 0 1 5 2 8 3 0 2 ． 2 主缸部分 主挤压缸在高压下的极低速稳定运行控制是液 压系统的核心 ，如何在满足快速性能的同时避免爬 行现象是改造的重点。 2 ． 2 ． 1 主缸本体 1 该缸为柱塞式伺服液压缸， 具有低摩擦、 低启 动压力、 高频响、 快速行等优点， 从而更容易实现超 低速运行 。 2 密封件需要低摩擦因数， 且有负载大、 偏载大、 负载变化大、 需保压 、 运行速度范围广等特性。 当摩擦 面处于边界摩擦状态时， 动、 静摩擦力的差值变化和 动摩擦系数随速度的增加而降低。 故需采用工作压力 在 4 0 M P a 及温度在 一 3 5 1 2 0 oC内的 V形组合密 封， 材质为聚四氟乙烯 F ， r F E ][ ， 其耐磨性好， 摩擦因 数稳定且接触应力小， 动、 静摩擦力矩的差值小。 3 油缸内间隙配合和加工精度要求高。活塞和 缸体、 活塞杆和导向套之间的滑动配合间隙要合理， 太大会引起卡滞和单边磨损， 太小则使摩擦力过大， 两者都会导致低速爬行。理论上配合间隙为 H 9 ／ f 8 或 H 8 ／ f 8 ， 但根据经验可知， 如果按此值设计， 对较大 缸径 ≥2 0 0 m m 和杆径 ≥1 4 0 r n m 的配合问隙显 得过大， 在应用中， 这类油缸比小缸径的油缸更容易 出现低速爬行现象， 所以确定 2 0 M N主缸配合间隙 为 0 ． 0 5～0 ． 1 5 mm。缸筒 内壁镀铬、 活塞杆工作表面 高频淬火后镀铬； 考虑国内基础材料水平有限， 坯料 的直线度差、 壁厚不均、 硬度不平均等原因， 对缸筒 内壁采用镗削一 滚压、 镗削一 研磨工艺； 保证活塞杆同 活塞同轴度公差不大于 0 ．0 1 5 m m， 端面与轴线的垂 直度公差不大于 O ． 0 4 m m ／ 1 0 0 mI T f 2 ] 。 4 在对油缸组装时， 避免其端盖处密封圈压得 过松或过紧， 保证活塞无泄漏地平稳运行。 组装后油 缸实验启动压力设定为 1 ．5 M P a 。 5 由于安装方式为水平安装 ， 固主缸排气装置 设在腔体上部 。 2 ． 2 ． 2 主缸的安装调试 1 将主缸与 2台附缸相连的活动横梁放在导轨 上，活动横梁与导轨问的摩擦力影响到主缸的低速 性能， 尤其当主缸 一 横梁轴线与导轨不平行时。 所以 安装时， 确保主缸、 附缸、 横梁与导轨的就位精度； 在 导轨上涂润滑油后主缸的运行使润滑油均匀分布， 可使全行程内摩擦力基本一致并且达到最小，还可 以减小动、 静摩擦力的差值。 2 在液压系统任意一处混入空气并且最终都会 进人主缸， 由于空气具有压缩性和滞后扩张陛， 会导 致油缸在工作中颤振和爬行。 所以在正式运行前， 系 统以6 M P a 给定压力使主缸满行程 1 5 2 0 个周期， 能够有效从其排气口排出空气。 2 ． 2 ．3 主缸液压控制回路 见图3 图 3 主缸部分液压原理简图 1 提高系统阻尼比可以降低油缸临界速度， 改善 低速爬行状况；而提高系统总的压力流量系数可以 提高系统阻尼 ， 所以设计 时考虑了较大 的压力 流量系数 K 。 2 按工艺要求的最大挤压速度 2 4 m m ／ s 控制主 缸 ， 则需要超过 1 0 0 0 L ／ mi n的流量 ， 故选择插装阀。 插装阀回油单元先导回路中带有两级溢流功能， 可 有效减轻高压大流量下插装阀开闭时的震动，避免 对挤压机的冲击。精确速度的控制由比例泵 1 ～ 3 号 以闭环形式、 容积调速 见下页表 2 实现。 3 某种特殊铝材其工艺要求的极低挤压速度为 0 ． 0 2 8 ～0 ． 4 m m ／ s ，对应流量是 1 ． 1 9 2～1 7 ． 0 1 L ／ mi n ， 见图 3 中电液比例阀回路。6 号泵提供动力， 在 6 号 泵出口并联蓄能器， 可以消除脉动引起的压力波动， 山西冶金 E ma i l s x y j b j b 1 2 6 ． t o m 第 3 6卷 而压力波动是诱发油缸爬行的主要因素。在比例阀 前安装 5 in 级的过滤器，确保比例阀能获得清洁 油源。在这里， 使用了两级比例流量调节， 第一级由 比例方向阀来实现； 若其不能正常工作， 则第二级流 量阀参与控制， 此时第一级比例方向阀开口 度最大。 两级调节的好处是 有备用回路， 减少因设备故障导 致停车的机率。此处用容积节流调速 见表 2 。 表 2 常用调速方式的比较 项 目 节流调速 容积调速 容积节流 调速 低速稳定性 好 较好 好 调 速范围 较大 大 大 效 率 低 较高 高 适用范围 中 小功率系统 几乎所有系统 精 度要求高的系统 最低稳定挤压速度所需流量与单台比例泵流量 二者之 比为 0 ． 0 0 3 2 2 ， 即如果用 比例泵控制流量 ， 则 其精度的理论值必须大大高于-I- 0 ． 1 6 1 ％，实际这种 泵理想流量精度在 - I- 1 ％左右。在 以正常速度挤压 时， 足够大的主缸缸径可 以抵消 4 - 1 ％左右的流量误 差， 因为比例泵自 身的误差相当于几升流量， 反映到 速度上不过每秒零点几毫米，这对于每秒几十毫米 的速度控制要求来说完全可以忽略； 但极低速时， 只 能使用精度更高的模式。6 号泵的流量略高于极低 挤压速度的上限要求 ， 二者基本匹配； 如果用比例泵 供油有大马拉小车之嫌；比例泵控制系统响应时间 比比例阀控系统多了泵这个环节 ，故后者响应快于 前者 。 必须指 出， 对 比例方向阀规格 的选择很重要 ， 因 为其额定流量值通常被确定在一个特定 的压降上 ， 若应用所需的压降与阀的额定压降相差悬殊大的 话 ， 该 阀往往不合适 ， 比如会带来油缸爬行等现 4 ] 。 在实际工程中，设计人员习惯性偏向选用流量规格 较大的阀， 但这样可能使调节范围变小而滞环增大。 正确选型原则是 使最大使用流量尽量接近于与 1 0 0 ％额定 电流相对应 的额定流量 ， 即尽量利用阀芯 行程， 以扩大调节范围， 提高控制性能。 2 ． 3 辅助缸 所有辅助缸都为非标缸 ，其外形和安装必须符 合原有结构。 锁紧缸锁紧力如果偏小， 挤压筒就会离 开模具 ， 两者之间形成“ 大帽” ， 影响挤压 。由于对新 铝材挤压力的要求比以前更高， 故通过提高锁紧缸 工作压力使锁紧力增加。有资料统计挤压筒锁紧力 尽量按照挤压力的 5 ％ 1 2 ％设定 。 2 ． 4 充液阀 原有充液阀过流截面积偏小，不适应新工艺下 主缸快进、 快退的速度要求。 新的充液阀最小过流截 面直径为 2 2 5 m i l l ， 并且采用径向增压式密封结构和 减震垫设计， 具有寿命长、 高压泄漏小、 启闭平稳和 阻力小等特点。 2 ．5 完备的自 动化系统 主挤压缸安装高精度位移及压力传感器形成自 动控制的基础， 高精度位移和压力信号经 P L C用特 殊模块实时采集，通过计算在不同位置发出不同控 制命令。 由于采用闭环控制， 主缸速度调节十分方便 可靠， 表现为 在计算机上设定主缸任意位置参数 ， 通过模块给定到液压比例控制器控制比例泵输出流 量或比例阀通流量， 从而控制主缸速度， 当缸运行到 设定位置时减速 ， 直到为零 。 液压系统其他部位也安装压力、 油温、 液位等检 测元件， 完成液压系统的自动监测和保护。 3 结语 改造后的挤压机连续平稳地在考核速度范围内 实现了自动挤压，在使挤压机性能大幅度提高的同 时， 节约了成本， 为同类设备的改造或新设备的设计 提供了有益参考 。 参考文献 ‘ [ 1 ] 林伊． 液压油缸选型设计[ J ] ．采矿技术， 2 0 0 7 3 4 5 -- 4 7 ． 【 2 ] 王宣银， 岳继光， 刘庆和． 高精度伺服油缸的设计及组合密封圈 总摩擦阻力计算[ J ] ． 组合机床与自 动化加工技术， 1 9 9 5 4 2 - 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0 P a ， 保证更换部位为正压，专人看管斜型测压计及鼓风 机房压力。 7 吊出阀体， 用圆球塞子封堵阀体连接口， 用铜 质工具将粘在集气管法兰上的杂物清理干净 在清 理过程中需用水管洒水 ， 防止冒火星 。 清理干净后 ， 控制集气管 内压力为 一 5 - 0 P a 后慢慢将新阀体 吊装 到位 ， 紧固好几个螺栓 ， 关 闭新阀体翻板 ， 往新阀体 里面加适量水进行密封， 紧固阀体法兰螺栓 ， 恢复集 气管压力， 取出上升管底座孔盖上的铁板， 吊装上升 管、 桥管， 连接好水封进水管、 氨水喷洒管， 对承插口 进行加填料密封， 打开氨水喷洒阀门， 打开新阀体翻 板 ， 恢复正常运行。 3 结语 上升管阀体的更换是一项复杂的工作，更换过 后应对上升管阀体进行维护； 另外， 在更换阀体过程 中如何应对突发事件， 比如更换过程中的突然停电、 停鼓风机、 集气管煤气着火等尤为重要。 编辑 胡玉香 上接第 5 4页 Re t r o fit o f t h e Hy d r a u l i c S y s t e m f o r t h e 2 0 M N Ex t r u d e r WU We i ， X UE Z h a n j u n ， Z HA NG Qi a n g ， LI U J i e ， WE N X i a o C h i n a N a t i o n a l H e a v y Ma c h i n e r y R e s e a r c h I n s t i t u d e C o ． ， L t d ． ，X i a n 7 1 0 0 3 2 ， C h i n a Abs t r a c t Th e p a p e r i nt r o d uc e s t he t r a i n o f tho ug h t a bo u t t he r e tro fit o f t he h y dr a u l i c s y s t e m f o r 2 0 MN e x t r u d e r i n the r o u n d ，a n d e l u c i d a t e s the p e r f o r ma n c e abo u t t h e n e w e q u i p me n t ，a n d e m p h a t i c a l l y m a al y z e s the p r o j e c t s f o r a v o i d i n g l o w g r e e p p h e n o m e n t i n w o r k i n g ． Ke y wo r d s e x t r u d e r ， h y d r a u l i c s y s t e m，r e t r o fi t ， g r e e p p h e n o me n t