冷轧机组液压AGC系统的优化设计.pdf

２０１５ 年 １１ 月 第 ４３ 卷 第 ２２ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｎｏｖ􀆱 ２０１５ Ｖｏｌ􀆱 ４３ Ｎｏ􀆱 ２２ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１５􀆱 ２２􀆱 ０３３ 收稿日期 ２０１４－１１－０３ 作者简介 王党飞 （１９８２）， 男， 学士， 工程师， 主要从事冷轧机组配套的液压、 润滑系统的设计与研究工作。 Ｅ－ｍａｉｌ ｃｈｅｎｆｅｎｇ６４７＠ １２６􀆱 ｃｏｍ。 冷轧机组液压 ＡＧＣ 系统的优化设计 王党飞 （西安凯宏冶金设备技术有限公司， 陕西西安 ７１００７５） 摘要 分析了某厂冷轧机组液压 ＡＧＣ 系统存在的问题， 对其进行优化设计与改造， 解决了原系统中所存在的问题， 提 高了液压 ＡＧＣ 系统的稳定性、 可靠性与控制精度。 关键词 液压 ＡＧＣ 系统； 优化设计； 三通比例减压阀 中图分类号 ＴＨ１３７ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１５） ２２－０９９－３ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ＡＧＣ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｌｄ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｍｉｌｌ ＷＡＮＧ Ｄａｎｇｆｅｉ （Ｋａｉｈｏｎｇ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄ．， Ｘｉ􀆴ａｎ Ｓｈａａｎｘｉ ７１００７５， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ＡＧＣ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａ ｐｌａｎｔ􀆴ｓ ｃｏｌｄ ｒｏｌｌｉｎｇ ｍｉｌｌ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅ⁃ ｆｏｒｍ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｎ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ． Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ， ｒｅｐｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ＡＧＣ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ＡＧＣ ｓｙｓｔｅｍ； Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ； ３⁃ｗａｙ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｖａｌｖｅ ＡＧＣ 系统是指为使带钢厚度达到设定的目标偏 差范围而对轧机在线调节的一种控制系统。 液压 ＡＧＣ 即 ＨＡＧＣ （Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｕｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｗｉｔｈ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ａｃｔｕａｔｏｒ）， 是采用液压执行组件 （压下或 压上缸的） 的 ＡＧＣ， 国内称液压压下 （或压上） 系 统。 液压 ＡＧＣ 系统是六辊可逆冷轧机组自动控制中 一个极为重要的组成部分， 以其响应速度快、 控制精 度高等优点， 被广泛应用于轧机等设备的厚度自动控 制系统， 其运行的好坏直接影响板材厚度的控制精度 和产品的成材率。 作者在参与某钢厂 １ ２５０ ｍｍ 六辊可逆冷轧机组 液压 ＡＧＣ 系统调试的过程中发现该液压 ＡＧＣ 系统设 计存在着一定问题， 且液压系统设计复杂， 调试与故 障检测维修不方便、 耗时长， 严重影响了整条生产线 的调试进度与试车计划。 所以作者在分析六辊轧机液 压 ＡＧＣ 系统工作原理的基础上， 结合现场设备的安 装调试， 通过故障检测与维修， 对液压 ＡＧＣ 系统进 行了优化设计， 使其存在的问题得以解决， 达到了设 计者的意图， 使得调试得以顺利进行。 １ 液压 ＡＧＣ 系统的现状 １􀆱 １ 液压 ＡＧＣ 系统的基本结构 一个完整液压 ＡＧＣ 系统主要由 ＡＧＣ 油缸、 伺服 阀、 供回油管道、 液压阀、 轧机、 压力或位移传感 器、 控制调节器等动态组件构成。 １􀆱 ２ 原液压系统的工作原理 某厂 １ ２５０ ｍｍ 单机架六辊冷轧机机组原液压伺 服系统原理图见图 １。 图 １ 改造前的液压 ＡＧＣ 系统原理图 原系统工作原理如下 （１） 在轧钢的状态下， 为了调整板形及其误差， ＡＧＣ 油缸活塞杆不断地伸出与缩回。 当活塞杆伸出时， ２５ ＭＰａ 高压油通过液控单向 阀 ３􀆱 １ （电磁换向阀 ４􀆱 １ 得电打开液控单向阀 ３􀆱 １）， 高压过滤器 ６􀆱 １ 和 ６􀆱 ２， 伺服阀 ７􀆱 １ 和 ７􀆱 ２ （伺服阀 处于右位； 同时电磁换向阀 ４􀆱 ２ 和 ４􀆱 ３ 失电， 液控单 向阀 ３􀆱 ２ 和 ３􀆱 ３ 关闭， 安全阀 ８􀆱 １ 和 ８􀆱 ２ 调整压力为 ２６ ＭＰａ）， 进入 ＡＧＣ 油缸 １０􀆱 １ 和 １０􀆱 ２ 的无杆腔， 同 时高压油还先后经过两级减压阀 １１􀆱 １ 和 １１􀆱 ２ （减压 至 ２ ＭＰａ）， 两个电液换向阀 １３􀆱 １ （电磁铁得电） 和 １３􀆱 ２ （电磁铁失电） 进入 ＡＧＣ 油缸杆腔， 低压油用 于 ＡＧＣ 油缸的瞬时补油和背压， 由于 ＡＧＣ 油缸活塞 腔面积、 供油压力远大于杆腔面积和压力， 杆腔的液 压油经过两个电液换向阀 １３􀆱 ２ （电磁铁得电） 和 １３􀆱 １ （电磁铁失电）， 背压阀 １２􀆱 １ （调整压力为 ２􀆱 ５ ＭＰａ， 又做溢流阀用） 回到油箱， 活塞伸出压上。 当活塞杆缩回时， 高压油通过二级减压至 ２ ＭＰａ 后， 通过两个电液换向阀 １３􀆱 １ （电磁铁得电） 和 １３􀆱 ２ （电磁铁失电） 进入 ＡＧＣ 油缸 １０􀆱 １ 和 １０􀆱 ２ 的 杆腔补油， 防止在活塞杆瞬间缩回杆腔产生吸空现 象， 活塞腔油液通过伺服阀 ７􀆱 １ 和 ７􀆱 ２ （伺服阀处于 左位） 回到油箱 （此时电磁换向阀 ４􀆱 １ 得电， 液控 单向阀 ３􀆱 １ 打开）， 活塞杆缩回。 （２） 在换辊状态下， 需要 ＡＧＣ 油缸活塞杆需要 全部缩回时， 高压油通过二级减压至２ ＭＰａ 后， 通过 两个电液换向阀 １３􀆱 １ （电磁铁得电） 和 １３􀆱 ２ （电磁 铁失电） 进入 ＡＧＣ 油缸 １０􀆱 １ 和 １０􀆱 ２ 的杆腔推动活 塞， 活塞腔油液通过伺服阀 ７􀆱 １ 和 ７􀆱 ２ （伺服阀处于 左位） 回到油箱 （此时电磁换向阀 ４􀆱 １ 失电， 液控 单向阀 ３􀆱 １ 打开）， 活塞杆缩回。 （３） 在轧钢状态下， 突然断带或轧机必须急停 快速卸载时， 高压油通过减压阀 １１􀆱 １ （减压至 ７ ＭＰａ）， 电液换向阀 １３􀆱 ２ （电磁铁得电） 到 ＡＧＣ 油 缸杆腔， 活塞腔的高压油经过液控单向阀 ３􀆱 ２ 和 ３􀆱 ３ （电磁换向阀 ４􀆱 ２ 和 ４􀆱 ３ 得电， 单向阀打开） 快速泄 掉， ＡＧＣ 油缸卸载； 同时液控单向阀 ３􀆱 １ （电磁换向 阀 ４􀆱 １ 失电） 关闭， 电液换向阀 １３􀆱 １ 失电， 溢流阀 １２􀆱 ２ 安全压力调整至 ８ ＭＰａ 用于调节稳定减压阀 １１􀆱 １ 二次压力。 １􀆱 ３ 原 ＡＧＣ 液压系统设计存在的问题 首先 针对以上 ３ 种工况， 原系统采用了二级减 压与背压的设计原理来满足实际的工况需要， 在轧钢 状态下 ＡＧＣ 油缸伸出时， 溢流阀 １２􀆱 １ 作背压阀用； 但是 ＡＧＣ 缸长期处于动态下， 油缸活塞杆伸出时， 对于减压阀 １１􀆱 ２ 来说， 负载反向运动， 出口瞬时压 力高于其调定值 （２ ＭＰａ）， 外加溢流阀 １２􀆱 １ 的压力 设定为 ２􀆱 ５ ＭＰａ， 同时反向流量远大于减压阀的泄油 流量， 减压阀 １１􀆱 ２ 阀芯完全关闭， 当瞬时压力升至 ２􀆱 ５ ＭＰａ 时， 溢流阀 （作背压用） １２􀆱 １ 打开， 液压 油回油箱； 当 ＡＧＣ 油缸瞬时缩回时， 减压阀 １１􀆱 ２ 又 瞬间打开为 ＡＧＣ 油缸活塞杆腔补油； 在轧钢过程中， 为了调整板形， ＡＧＣ 油缸不断地微调， 造成减压阀 １１􀆱 ２ 的阀芯不断地打开与关闭。 以上此种设计方案 虽然能满足实际使用要求， 但是不符合减压阀的设计 使用要求， 长期使用会降低减压阀的寿命。 其次 由于此处将 ３ 对减压阀、 溢流阀与电液换 向阀同时集成于一个阀块上， 用于满足系统中的背压 与快速卸荷的要求， 设计过于复杂、 成本较高； 且在 调试过程中减压阀 （１１􀆱 １、 １１􀆱 ２） 和溢流阀 （１２􀆱 １、 １２􀆱 ２） 压力标定复杂， 故障检测、 维修复杂极其不 方便。 ２ 液压系统优化设计 ２􀆱 １ 优化设计方案及原理 针对原液压系统存在的不足与问题， 作者做了以 下优化设计。 ２􀆱 １􀆱 １ 优化设计方案 采用电磁换向阀 ４􀆱 ２、 液控单向阀 ３􀆱 ２、 三通比 例减压阀 １２ （工作原理是减压和溢流压力同步设定， 液压油正向流动由 Ｐ－Ａ 起减压作用， 反向由 Ａ－Ｔ 起 溢流作用） 和压力传感器 １􀆱 ２ 来代替原系统中的二级 减压背压设计方案 （图 １ 中右下角双点划线部分）， 具体的方案如图 ２ 所示。 图 ２ 优化设计后的液压 ＡＧＣ 系统原理图 ００１机床与液压第 ４３ 卷 ２􀆱 １􀆱 ２ 优化设计后的工作原理 （１） 在轧钢的状态下， 活塞杆伸出时， 高压油 进入 ＡＧＣ 油缸活塞腔的同时， 通过三通比例减压阀 １２ 减压后 （减压溢流压力设定为 ２ ＭＰａ） 进入 ＡＧＣ 油缸有杆腔作瞬时补油背压用， 由于 ＡＧＣ 油缸两腔 面积、 供油压力差作用， 活塞杆腔的液压油通过比例 减压阀的 Ａ⁃Ｔ 口回到油箱。 当活塞杆缩回时， 高压油通过三通比例减压阀 １２ 减压后进入 ＡＧＣ 油缸 １１􀆱 １ 和 １１􀆱 ２ 的杆腔 （电磁 换向阀 ４􀆱 １ 得电打开单向阀 ３􀆱 １， 电磁换向阀 ４􀆱 ２ 得 电打开单向阀 ３􀆱 ２）， 防止吸空， 活塞腔油液通过伺 服阀 ７􀆱 １ 和 ７􀆱 ２ （伺服阀处于左位） 回到油箱， 活塞 杆缩回。 （２） 在换辊状态下， ＡＧＣ 缸活塞杆需要缩回时， 高压油通过三通比例减压阀 １２ 减压后进入 ＡＧＣ 油缸 １１􀆱 １ 和 １１􀆱 ２ 的杆腔 （电磁换向阀 ４􀆱 １ 失电关闭单向 阀 ３􀆱 １， 电磁换向阀 ４􀆱 ２ 得电打开单向阀 ３􀆱 ２） 推动 活塞， 活塞腔油液通过伺服阀 ７􀆱 １ 和 ７􀆱 ２ （伺服阀处 于左位） 回到油箱， 活塞杆缩回。 （３） 在急停快速卸载状态下， ＡＧＣ 油缸活塞杆 须快速退回时， 高压油通过三通比例减压阀 １２ （减 压至 ７ＭＰＡ）， 进入 ＡＧＣ 油缸杆腔推动活塞； 活塞腔 的高压油经过液控单向阀 ３􀆱 ３ 和 ３􀆱 ４ （电磁换向阀 ９􀆱 １ 和 ９􀆱 ２ 得电， 单向阀打开） 快速泄掉， ＡＧＣ 油缸 卸载。 ２􀆱 ２ 新系统的优点 （１） 利用三通比例减压阀结构特点完全解决了 减压阀 １１􀆱 ２ 阀芯在轧钢状态下不断地关闭与打开的 问题。 （２） 三通比例减压阀是电流信号比例放大控制， 压力无极调节， 压力标定更准确、 简单， 且稳定误差 小， 提高了背压的稳定性、 可靠性与控制精度。 （３） 三通比例减压阀减压、 溢流压力同步设定， 大大简化了液压系统， 同时也满足了使用要求。 ３ 结论 六辊可逆冷轧机组液压 ＡＧＣ 系统经过上述的优 化设计改造后， 工作状况良好， 完全满足用户的使用 要求； 而且系统的稳定性、 可靠性及控制精度等方面 得到了很大的提高。 参考文献 ［１］ 成大先．机械设计手册润滑与密封单行本［Ｍ］．北京 化学工业出版社，２００４． ［２］ 重型机械标准编写委员会．重型机械标准［Ｓ］．北京 中国标准出版社，１９９８． ［３］ 柴光远，李国军，许玉杰．液压 ＡＧＣ 系统改造［Ｊ］．机床 与液压，２００８，３６（７）１６１－１６３． ［４］ 张利平．液压阀原理、使用与维修［Ｍ］．北京化学工业 出版社，２００７． （上接第 ３３ 页） 加工结果表明， 应用该 ＣＡＰＰ 加工工艺模板可以 快速、 合理、 规范地设置模具型面的工艺参数和工艺 流程， 不仅保证了型面加工的质量， 而且使工艺规划 和数控编程的时间缩减大约 ２０％， 大大提高了模具 制造效率。 ４ 结束语 实际生产应用中， 由于汽车覆盖件模具种类较 多， 而且模具型面的形状曲率和加工工艺都不近相 同， 下一步将对工艺数据库进行补充和完善， 将相似 型面的加工工艺归类设置， 将可视化的开发平台和数 控加工软件相结合， 开发出功能更加强大的 ＣＡＰＰ 数 控加工工艺模板， 合理规划覆盖件模具生产中的各个 加工环节， 增强数控工艺及加工代码编制的实用性和 可靠性， 在很大程度上提高汽车覆盖件模具的加工质 量与效率， 有效提升企业竞争力， 促进汽车产业的 发展。 参考文献 ［１］ 冯长林，杨旭静，何洁，等．汽车覆盖件模具数控加工工 艺模板开发及应用［Ｊ］． 制造技术与机床，２００８（３） １４４－１４６． ［２］ 卢金火．汽车模具的型面数控加工［Ｊ］．模具技术，１９９８ （６）７５－８１． ［３］ 杨福增．曲面型腔高速切削加工关键技术研究［Ｊ］．长江 大学学报（自科版），２００５（４）１７０－１７１． ［４］ 王玉，高崇辉，徐和国．模具型腔数控加工计算机辅助刀 具选择研究［Ｊ］．计算机集成制造系统 ＣＩＭＳ，２００４ （２）２２６－２２９． ［５］ 程志刚，王巧生，王成勇．模具高速加工中的走刀路径策 略［Ｊ］．模具制造，２００６（８）６１－６４． ［６］ 黄晓峰．影响模具曲面加工精度的工艺分析及对策［Ｊ］． 机械制造，２００５（４）４９－５１． ［７］ ＬＥＥ Ｒｏｎｇ⁃Ｓｈｅａｎ，ＣＨＥＮ Ｙｕｈ⁃Ｍｉｎ，ＣＨＥＮＧ Ｈｓｉｎ⁃Ｙｕ，ｅｔ ａｌ． Ａ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｏｆ ａ Ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｌｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９９８（１１）１７１－１９０． ［８］ 熊建武，周进．模具制造工艺设计及 ＣＡＰＰ 系统的研究 ［Ｊ］．机械与电子，２００７（２）４６－４７． ［９］ ＬＩＭ Ｊ Ｔ，ＲＨＯ Ｈ Ｍ，ＣＨＯ Ｋ Ｋ．Ａ Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ⁃ｂａｓｅｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ｉｎ Ｉｎ⁃ ｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９４，２７（１／２／３／４）９５－９８． ［１０］ 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