穿孔后臺(tái)升降輥道液壓系統(tǒng)改造

劉瑞 張旭 （天津鋼管集團(tuán)股份有限公司258廠，天津 300301)

穿孔后臺(tái)升降輥道液壓系統(tǒng)改造

劉瑞 張旭 （天津鋼管集團(tuán)股份有限公司258廠，天津 300301)

針對(duì)鋼管公司258機(jī)組穿孔后臺(tái)升降輥道存在的升降輥道速度慢等問題進(jìn)行了分析，找出了故障原因。對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行改造，采取了提高升降輥道動(dòng)作速度和定位精度、對(duì)比例閥重新進(jìn)行選型，改變對(duì)比例閥控制方式等措施。改造后升降輥道運(yùn)行平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確，提高了液壓回路的響應(yīng)速度，動(dòng)作完全能夠滿足生產(chǎn)需要，加快了生產(chǎn)節(jié)奏，提高了生產(chǎn)效率。

穿孔 輥道 液壓回路 比例閥 響應(yīng) 速度 改造

1 引言

軋管廠258項(xiàng)目主要是生產(chǎn)外徑為258 mm系列的無縫鋼管，基本工藝是將鋸切好的管坯經(jīng)過環(huán)形加熱到1 200℃左右，再經(jīng)過穿孔機(jī)穿成毛管，毛管經(jīng)過PQF連軋機(jī)、定徑機(jī)，成為相應(yīng)規(guī)格的荒管，再經(jīng)過冷床冷卻、定尺鋸切、矯直、探傷、修磨，成為成品管運(yùn)出。

新建廠以來，穿孔后臺(tái)7個(gè)升降輥道一直存在動(dòng)作缺陷。主要體現(xiàn)在升降輥道速度很慢、定位不準(zhǔn)，滿足不了現(xiàn)場的使用要求，影響生產(chǎn)節(jié)奏，通過對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)的回路分析，查找各方面影響因素，最終得到解決。本文將分析和解決過程敘述如下。

2 升降輥道工作方式和控制原理

2.1 升降輥道的工作方式

升降輥道的主要作用：當(dāng)穿孔主機(jī)將毛坯穿成毛管后，升降輥道升到毛管位，輥道旋轉(zhuǎn)把毛管帶出來，撥料機(jī)構(gòu)將毛管撥走，升降輥道升至頂桿位，托運(yùn)頂桿運(yùn)送到軋鋼位;在軋鋼過程中，升降輥道降到最低位。也就是說升降輥道要實(shí)現(xiàn)3個(gè)位置控制功能，即毛管位、頂桿位、最低位（軋鋼位)。

輥道和液壓缸鉸接連接，由液壓缸驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)毛管位、頂桿位、最低位。液壓缸帶有位移傳感器，控制系統(tǒng)能夠通過位移傳感器、液壓缸、比例閥、控制單元等，實(shí)現(xiàn)一套位置控制閉環(huán)。

2.2 液壓原理及基本參數(shù)

2.2.1 液壓原理

液壓回路如圖1所示，主要是由液壓缸和比例閥組成，通過比例閥來控制液壓缸的速度和定位，通過4～20 mA電氣信號(hào)來控制比例閥的開口度，來控制液壓缸的動(dòng)作方向和速度。再通過液壓缸尾部的位置傳感器將液壓缸的實(shí)際位置反饋給PLC，進(jìn)行位置閉環(huán)控制。穿孔后臺(tái)共有7組升降輥道，每一組的液壓回路和參數(shù)完全一樣。

圖1 升降輥道液壓原理圖

2.2.2 基本參數(shù)

比例閥型號(hào)：4WRKE10E閥;液壓缸型號(hào)：100 70-90（帶有位置傳感器);速度要求：500 ms內(nèi)完成每個(gè)動(dòng)作;定位要求：3 mm以內(nèi)。

3 故障分析

3.1 故障現(xiàn)象

在穿孔軋完鋼后，升降輥道升至毛管位時(shí)，每個(gè)毛管位的高度不完全一致，最大高度差達(dá)到10 mm毛管經(jīng)常帶不出來，嚴(yán)重制約生產(chǎn)順行。通過調(diào)整比例閥的給定值，可以把毛管帶出來，但升降輥道動(dòng)作很慢，每個(gè)動(dòng)作近2 000 ms，嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)奏?？偟膩碚f，升降輥道液壓缸動(dòng)作慢，而且液壓缸定位精度低，滿足不了生產(chǎn)需要。

3.2 故障分析

圖2是比例閥設(shè)定、液壓缸位置設(shè)定、液壓缸實(shí)際位置曲線圖，圖中線1代表液壓缸位置給定線;2代表液壓缸實(shí)際位置線;3代表比例閥的設(shè)定線。從圖2中可以看出，升降輥道中完成一個(gè)給定動(dòng)作最快需要2 000 ms左右。

圖2 比例閥給定、液壓缸實(shí)際位置圖

從圖2中也可以看出，比例閥的開口度給定只有在大于15%左右時(shí)，液壓缸才開始動(dòng)作。雖然通過調(diào)節(jié)比例閥的開口度，可以加大統(tǒng)回路流量，速度也隨之變快，但實(shí)現(xiàn)液壓缸位置很不穩(wěn)定。導(dǎo)致升降輥道經(jīng)常找不到毛管位、頂桿位，輥道不停的上下抖動(dòng)，這種情況下根本帶不出毛管。為了更好地保證液壓缸動(dòng)作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，要求比例閥開口度設(shè)定必須減少，同時(shí)又必須確保實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的快捷。

通過對(duì)控制圖分析，可以判斷出比例閥的控制方式有一定問題。如圖2所示，從線3可知只有當(dāng)比例閥的給定大于15%時(shí)，比例閥閥芯才打開，液壓缸才開始動(dòng)作，而在比例閥打開期間，有一個(gè)很長的過渡區(qū)間。比例閥達(dá)到15%給定值時(shí)，已經(jīng)消耗近1 000 ms。比例閥閥芯打開的等待時(shí)間完全沒有必要，這個(gè)過渡區(qū)間嚴(yán)重影響到比例閥開口度打開，影響了液壓缸的動(dòng)作時(shí)間。

從上述分析可判斷，在比例閥的控制方式上存在很大的缺陷;比例閥的死區(qū)太大，影響動(dòng)作控制精度，因此比例閥需要重新選型。

4 解決措施

4.1 比例閥控制方式更改

通過故障分析可以知道，比例閥的控制方式存在一定的問題，影響液壓缸的速度。圖3所示為改造完成后比例閥閉環(huán)控制原理。

圖3 比例閥閉環(huán)控制原理圖

通過液壓缸位移傳感器得到液壓缸實(shí)際位置和液壓缸設(shè)定值作比效，把它們的差值經(jīng)過放大器等環(huán)節(jié)進(jìn)行信號(hào)處理，把最終值傳輸給比例閥，控制比例閥閥芯開口度。當(dāng)最開始動(dòng)作時(shí)，液壓缸的實(shí)際值與給定值差值最大，通過比例計(jì)算，控制比例閥的給定值也最大，閥的開口度最大，液壓缸的起啟動(dòng)速度很快;但隨著液壓缸逐步到位，差值越來越小，控制比例閥的給定也越來越小，閥的開口度出逐步減少，液壓缸的的速度越來越慢;最后實(shí)際位置和設(shè)定值相等，差值為零，比例閥的給定也為零，閥芯開口關(guān)閉動(dòng)作，最終液壓缸停止不動(dòng)。

這種控制在整個(gè)控制過程中，比例閥的給定值是動(dòng)態(tài)控制，在啟動(dòng)時(shí)，比例閥的給定達(dá)到最大，液壓缸啟動(dòng)很快，速度也很快;當(dāng)快到位時(shí)，由于位置接近，比例閥的給定值減少，動(dòng)作變慢。

這種比例閥控制方式理論上完全能滿足液壓缸啟動(dòng)快、停止定位精確要求。

4.2 比例閥重新選型

從改造前控制度圖2中可以看出，當(dāng)比例閥的設(shè)定值大于15%，液壓缸才開始動(dòng)作。查閱力士樂比例閥樣本中4WRKE10E的比例閥流量特性。從圖4中可以看出這種閥有±15%的死區(qū)，閥的給定值一旦進(jìn)入死區(qū)后，這種閥是沒有流量輸出的，液壓缸也就沒有動(dòng)作，死區(qū)嚴(yán)重影響了整個(gè)閉環(huán)控制。

為了解決這種問題，比例閥必須重新選型，把4WRKE10E閥換成4WRTE10V閥。從圖4中可以看出這種閥的死區(qū)只有0.5%，死區(qū)幾乎為零。

在改變比例閥的控制方式后，選用4WRTE10V比例閥，能滿足液壓缸定位準(zhǔn)確的需要。

5 改造后的效果

圖44 WRKE10E和4WRTE10V流量特性

圖5 后續(xù)改造完后效果圖

（1)從改造完成后的控制圖5中可以看出，液壓缸位置設(shè)定曲線1和實(shí)際到位曲線2基本重合，其誤差不超過3 mm。

（2)從控制信號(hào)發(fā)出（線2開始有動(dòng)作)，到液壓缸實(shí)際位置到位（線2與線1重合)每次動(dòng)作時(shí)間都在0.5 s以內(nèi)。

（3)改造完后的液壓缸的整個(gè)動(dòng)作時(shí)間，位置精度都達(dá)到了現(xiàn)場工藝要求。

6 結(jié)束語

（1)通過對(duì)穿孔后的升降輥道動(dòng)作的高度不一致、無法將毛管帶出這一故障現(xiàn)象，進(jìn)行了深入的分析，發(fā)現(xiàn)升降輥道故障是由于整個(gè)液壓回路在控制方式上存在缺陷、比例閥選型不合適造成的。

（2)根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn)，在控制方式上選用先進(jìn)的閉環(huán)連續(xù)控制方式，同時(shí)選用了高頻響應(yīng)、無死區(qū)比例閥。

（3)改造完后，升降輥道的每次動(dòng)作都能在0.5 s內(nèi)完成，液壓缸的實(shí)際位置與設(shè)定位置能控制在3 mm以內(nèi)，完全能滿足生產(chǎn)需要，加快了生產(chǎn)節(jié)奏，提高了生產(chǎn)效率。

[1]曹玉平，閻祥安.液壓傳動(dòng)與控制[M].天津：天津大學(xué)出版社，2007：19-40.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：40-72.

[3]邢鴻雁，張磊.實(shí)用液壓技術(shù)300題[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：103-152.

Modification of Hydraulic System for Piercer Outlet Roller Table

Liu Rui,Zhang Xu

The authors analyzed the slow lifting speed problem of piercer outlet roller table of 258 Rolling Block of Tianjin Pipe Corporation and found out the causes.Modification was carried out on hydraulic system and measures of raising the moving speed and position accuracy of the roller table,reselecting proportional valve type and changing the control mode of proportional valve were taken.After modification,the roller table ran stably and positioned accurately;the response speed of hydraulic circuit was increased.All movement met production requirement.Therefore,the production was promoted and productivity increased.

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（收稿 2011-11-24 編輯 趙實(shí)鳴)

劉瑞，男，畢業(yè)于湖北工業(yè)大學(xué)，工程師，主要從事液壓技術(shù)工作。