一種高效低能耗開卷線液壓控制系統(tǒng)

吳瀚山夌，李麗華，江大偉，張云鶴

（1.哈爾濱工業(yè)大學（威海），山東 威海264200；2.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南250306；3.山東威高集團有限公司，山東 威海264200）

近年來，在金屬板材加工行業(yè)，因卷料開卷線具有的多功能、高效率、自動化以及板料的定尺送進功能，增加了下料精確度，提高了材料利用率，使其市場占有份額逐年加大。從薄板線到中板線再到厚板線，可加工板料厚度達20mm～30mm。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，開卷線的加工適應(yīng)能力越來越強，同時生產(chǎn)效率也在不斷提高； 從送料速度到剪板機的剪切速度，整線的運行速度都有很大提升； 為提高生產(chǎn)效率，剪板機的剪切方式也由停剪提升到飛切方式。

開卷線中設(shè)備的工作大量使用液壓控制，通常開卷線液壓控制油路也有20～30 組，而厚板線中液壓控制油路多達60 多組。優(yōu)化設(shè)計開卷線液壓控制系統(tǒng)對提高整線生產(chǎn)率、提高設(shè)備運行平穩(wěn)性、延長液壓系統(tǒng)及元件的使用壽命、降低能耗、降低用戶使用成本均有良好的效果。對液壓控制系統(tǒng)的優(yōu)化、改進從以下幾個方面加以分析。

1 合理匹配動力，提高效率，降低能耗

目前開卷線中的剪板機大多采用液壓剪板機。在帶有液壓剪板機的開卷線中由于剪板機所需動力大、工作頻率高、工作負荷重。為避免與其他設(shè)備的相互干擾，通常分為兩個獨立的液壓站：一個為液壓剪板機專用，另一個控制其他輔助機構(gòu)。液壓剪板機的能耗在整條線中占較大的比重，其工作速度也是影響開卷線工作節(jié)奏的重要因素。合理設(shè)計剪板機液壓系統(tǒng)可有效降低能耗、提高整線工作效率。為提高生產(chǎn)線效率，開卷線中剪板機越來越多地采用與送料速度一致的飛剪，這就要求提高剪板機的工作速度，提高剪切缸的剪切、回程速度。

液壓剪板機的工作方式是典型的間歇式流量控制回路，適合使用泵+蓄能器聯(lián)合控制回路。在剪板機兩次剪切工作之間的間歇，泵可向蓄能器供油，蓄能器將壓力油存儲。當剪板機剪切和回程時蓄能器釋放高壓油與泵同時向油缸供油，提高油缸運動速度。

采用蓄能器可大大減少泵的排量、降低電機功率，同時油泵電機組和蓄能器的選擇、匹配直接影響到剪板機的剪切頻率及能量的利用率。在選擇泵的排量和蓄能器的容積時要按工況統(tǒng)籌考慮，合理匹配。泵的排量和蓄能器的容積選擇過小不能滿足油缸的剪切、回程速度要求；蓄能器選擇過小則在蓄能時皮囊壓縮量過大或釋放壓力油時過度放油而致蓄能器皮囊損壞，且皮囊頻繁的體積變化過大也會縮短使用壽命； 油泵電機組選擇過大又會造成功率過剩、能量損耗、多余的油在溢流造成系統(tǒng)發(fā)熱。這些問題在設(shè)計時都要加以考慮。

1.1 蓄能器的選擇計算

蓄能器在剪板機工作過程中將多余能量蓄積起來，在需要時快速釋放液壓能。在該系統(tǒng)中蓄能和快速釋放壓力油的過程均可近似視為絕熱過程。蓄能器的容積選擇可按下式計算：

式中：V0——蓄能器貯油前氣體體積；

△V——蓄能器的有效排油量，△=蓄能器最低工作壓力時的氣體體積-蓄能器最高工作壓力時的氣體體積；

p0——蓄能器貯油前充氣壓力；

p1——蓄能器的最低工作壓力；

p2——蓄能器的最高工作壓力；

n——多變指數(shù)，一般推薦n=1.25～1.4。

p0的確定首先應(yīng)考慮使蓄能器容積最小，即單位容積的蓄能器儲存能量最大，然后考慮氣囊的壽命，盡量延長其使用期。對于皮囊式蓄能器，推薦的經(jīng)驗值：p0≈（0.8～0.85）p1。

p2的確定既要考慮蓄能器的使用壽命，也要考慮適當增加有效供油量，同時又不至于過多增加系統(tǒng)壓力。推薦的經(jīng)驗值：p2≈（1.2～1.3）p1。

1.2 油泵的選擇

目前開卷線液壓系統(tǒng)較多采用中壓（＜16MPa），這是沿用了上世紀70～80年代的設(shè)計思路。在此之前液壓元件以中、低壓系列產(chǎn)品為主，國內(nèi)市場較多的是采用日系中、低壓產(chǎn)品。上世紀80～90年代后，高壓元件產(chǎn)品系列齊全、性能穩(wěn)定、液壓系統(tǒng)總成配套環(huán)境成熟。

液壓控制系統(tǒng)選擇高壓其最大優(yōu)勢是可以減小油缸直徑、降低閥口和沿程管路的壓力損失、有利于遠程控制。

對于中厚板開卷線，設(shè)備工作需要的力增大，提高系統(tǒng)工作壓力優(yōu)勢明顯。

2 解決系統(tǒng)頻繁補油造成功率浪費問題

一般來說開卷線中液壓剪板機由單獨的液壓站（剪板機液壓站）提供動力和控制，由另外一個液壓站（開卷線液壓站或橫剪線液壓站、縱剪線液壓站等）為線上其他執(zhí)行機構(gòu)提供動力和控制，目的是保證剪板機的正常工作頻率，同時避免工作機構(gòu)間相互影響。目前開卷線液壓站大多采用電機帶定量泵做動力源。

在開卷線正常工作過程中一些執(zhí)行機構(gòu)要求保持恒定的工作壓力，該力不能受外界條件的變化影響，如板料的厚薄、料卷開卷、收卷等。為保持壓力恒定，通常的做法是油泵給蓄能器供油，當蓄能器壓力達到壓力繼電器預(yù)先設(shè)定的上限值后系統(tǒng)卸荷，由蓄能器為這些油路提供壓力進行保壓。由于各路工作機構(gòu)使用的壓力不同，通常在各控制路加一減壓閥分別調(diào)整所需的工作壓力。減壓閥在此處的作用一是各路所需工作壓力不同需要分別調(diào)壓，二是利用其二次壓力的穩(wěn)定性，以減壓閥的二次壓力作為穩(wěn)壓源給執(zhí)行機構(gòu)補充油液、保持穩(wěn)定的工作壓力，如橫剪線中的校平牽引輥、定尺送進，飛剪中的夾送缸，縱剪線中的校平牽引輥、毛氈張緊、分卷剪床、后橋、鏟板、開卷漲縮、收卷漲縮等。

由于這些回路中的滑閥、減壓閥等均存在泄漏，控制油路組數(shù)越多其總泄漏量越大。蓄能器給油路補壓，壓力就要下降，當壓力降到壓力繼電器預(yù)先設(shè)定的下限值后發(fā)訊，系統(tǒng)重新升壓為蓄能器補壓；在開卷線工作過程中，液壓控制系統(tǒng)不斷循環(huán)以下過程：系統(tǒng)升壓給蓄能器補油→蓄能器油路達到繼電器設(shè)定的壓力上限→系統(tǒng)卸荷→蓄能器給所需油路提供保壓→蓄能器壓力降到壓力繼電器預(yù)先設(shè)定的下限值后發(fā)訊→系統(tǒng)再升壓給蓄能器補油。

在開卷線工作過程中，液壓系統(tǒng)不斷重復這個循環(huán)，相鄰兩次補油間隔時間約為30s～60s，每次補壓時間為10s～20s，即系統(tǒng)為蓄能器補壓占用了約1/3 的時間，而且是在全功率情況下補油，以電機功率11kW 算這一項就要消耗約3.6kW；另一方面，因為頻繁補壓，在開卷線整個工作過程中電機不停機，雖然在不補油時液壓系統(tǒng)處于卸壓狀態(tài)，但泵出口處單向閥、溢流閥和管路存在一定的壓力損失，電機要消耗一定的功率，約0.7kW～1.5kW。以上兩項消耗的功率大部分做了無用功發(fā)熱造成系統(tǒng)溫升，而且由于系統(tǒng)壓力的頻繁升降、泵閥和蓄能器的頻繁動作降低了元器件使用壽命，同時也使工作壓力處于波動狀態(tài)，不利于系統(tǒng)的平穩(wěn)性。

基于上述原因，我們研發(fā)了適合開卷線工況的低能耗液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)采用變量泵代替定量泵。正常工作時泵按系統(tǒng)設(shè)定的壓力全流量輸出； 在轉(zhuǎn)入保壓狀態(tài)時泵則以全流量的5%～10%的流量供油，將泵輸出的流量調(diào)整到維持補償系統(tǒng)中閥的泄漏和某些油缸需要的微小進給量即可，此時電機所消耗的功率也極小，約為全功率的5%～10%，沒有了多余壓力油的溢流，輸出有效功率高，大大降低了系統(tǒng)發(fā)熱量。由于該補油過程系統(tǒng)是連續(xù)、穩(wěn)定供油，可使系統(tǒng)工作處于平穩(wěn)狀態(tài)，非常有利于設(shè)備的工作穩(wěn)定性。

3 避免執(zhí)行機構(gòu)之間相互干擾

開卷線工作過程中有許多執(zhí)行機構(gòu)是同時工作的，它們之間有些會相互影響，可能是流量因素，也可能是壓力因素。

如果某個執(zhí)行機構(gòu)工作負荷滿、系統(tǒng)壓力波動對其影響較大，則需考慮獨立出來，設(shè)計成獨立的液壓站或獨立的泵供油系統(tǒng)。上述剪板機液壓站就是基于這種考慮。

當某些執(zhí)行機構(gòu)共用同一泵供油系統(tǒng)工作時，泵流量的選擇要考慮同時工作的執(zhí)行機構(gòu)重疊工作時所需最大流量的總和，當然合適情況下應(yīng)考慮用蓄能器輔助供油以減小泵的排量。以下是兩個避免執(zhí)行機構(gòu)之間相互干擾的例子。

圖1 采用液壓閥方案

圖2 采用單向閥方案

如圖1 所示，幾組同時工作的油缸工作壓力不同，為避免壓力低的油缸工作時影響壓力高的油缸正常工作，可考慮采用增加減壓閥的方法。如圖2 所示，正在工作的A 路工作壓力較高且需要壓力穩(wěn)定，而B 路工作壓力低或有壓力波動，可以采用單向閥隔離的方法。當系統(tǒng)壓力P 因B 路工作造成壓力降低時A 路的單向閥自動關(guān)閉，保證了A 路工作壓力不受系統(tǒng)壓力降低的影響。

液壓控制中避免相互干擾的方法很多，應(yīng)視實際工況分析選擇合適的方案。

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