蓄能器在四輥軋機(jī)平衡控制系統(tǒng)的應(yīng)用

杜光遠(yuǎn)

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）

0 引言

中厚板四輥可逆軋機(jī)的平衡系統(tǒng)是平衡軋機(jī)支承輥、工作輥實(shí)現(xiàn)隨電動(dòng)APC同步動(dòng)作，配合液壓AGC正常而穩(wěn)定地工作的重要組成機(jī)構(gòu)，在軋鋼過(guò)程中起到了不可替代的作用。本文以四輥軋機(jī)平衡控制系統(tǒng)為例，對(duì)液壓設(shè)備的蓄能器選型設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

四輥軋機(jī)平衡系統(tǒng)包括軋輥平衡系統(tǒng)、接軸平衡系統(tǒng)。其中軋輥平衡系統(tǒng)包括上支承輥平衡系統(tǒng)、上工作輥平衡系統(tǒng)、下工作輥平衡系統(tǒng)；接軸平衡系統(tǒng)包括上接軸平衡系統(tǒng)和下接軸平衡系統(tǒng)。以某廠3 500 mm中板軋機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明，圖1左所示為軋輥平衡設(shè)備示意簡(jiǎn)圖，圖1右為接軸平衡原理圖。

蓄能器是液壓氣動(dòng)系統(tǒng)中的一種能量?jī)?chǔ)蓄裝置。它在適當(dāng)時(shí)會(huì)將系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s能或位移能，轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤夯驓鈮旱饶芏尫懦鰜?lái)，重新補(bǔ)給系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)瞬間壓力增大時(shí)，它可以吸收這部分能量，以保證整個(gè)系統(tǒng)壓力正常。四輥軋機(jī)平衡系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)形式，液壓蓄能主要有皮囊蓄能洗和活塞蓄能器。本文主要對(duì)平衡系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，采用增加蓄能器的形式對(duì)平衡系統(tǒng)進(jìn)行流量補(bǔ)償，并對(duì)采用不同種類蓄能器時(shí)系統(tǒng)的模擬工作狀態(tài)進(jìn)行比較，以選擇更加優(yōu)化的方式。

本文主要通過(guò)HYDAC公司蓄能器模擬選型設(shè)計(jì)軟件AST，對(duì)平衡控制系統(tǒng)液壓蓄能器的選型設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比液壓系統(tǒng)分別在采用皮囊蓄能器和活塞蓄能器時(shí)的不同狀態(tài)，對(duì)其蓄能器選型設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

1 蓄能器模擬選型設(shè)計(jì)軟件AST

AST軟件是HYDAC公司對(duì)液壓系統(tǒng)蓄能器設(shè)計(jì)選型的專門應(yīng)用軟件，主要是將系統(tǒng)實(shí)際使用中的技術(shù)參數(shù)，主要包括壓力、溫度、流量等蓄能器參數(shù)統(tǒng)計(jì)到數(shù)據(jù)庫(kù)，然后通過(guò)設(shè)計(jì)中選用的計(jì)算方式等對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此來(lái)得出不同參數(shù)變化對(duì)計(jì)算設(shè)計(jì)的影響。通過(guò)大數(shù)據(jù)的整理分析及不斷對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修正，以使設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際使用，更加接近系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況。軟件數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，避免了每次設(shè)計(jì)時(shí)的大工作量計(jì)算；數(shù)據(jù)庫(kù)的修正更新，使設(shè)計(jì)進(jìn)一步符合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

2 平衡系統(tǒng)引進(jìn)蓄能器優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

2.1 平衡液壓站最大流量分析

該軋機(jī)主機(jī)平衡系統(tǒng)共19臺(tái)液壓缸，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體參數(shù)、耗量等詳見(jiàn)表1。

軋機(jī)平衡系統(tǒng)通過(guò)液壓缸實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中的聯(lián)動(dòng)在實(shí)際運(yùn)行中，主要存在5種運(yùn)行模式，設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)需要的最大流量分別進(jìn)行計(jì)算，以得到最大流量。

表1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)表

2.1.1 換輥模式上支承輥快抬

該模式只有上支撐輥平衡缸單獨(dú)動(dòng)作，為伸出狀態(tài)，所以此時(shí)系統(tǒng)的總流量為：

2.1.2 換輥模式上工作輥快抬

該運(yùn)行模式涉及上工作輥平衡缸、上接軸平衡缸同時(shí)動(dòng)作，以滿足軋機(jī)輥縫的調(diào)整，在采用液壓系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，該動(dòng)作需要較大的短時(shí)流量，是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要參數(shù)，最大流量的計(jì)算通過(guò)聯(lián)動(dòng)時(shí)各液壓缸的運(yùn)行速度與液壓缸運(yùn)行時(shí)活塞有效截面積之積獲得。

上工作輥更換時(shí)，上工作輥平衡缸伸出，上接軸平衡缸隨動(dòng)，均為伸出狀態(tài)，總流量為：

2.1.3 下工作輥快速壓下即下平衡系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)

該運(yùn)行模式涉及下工作輥平衡缸、下接軸平衡缸同時(shí)動(dòng)作，以滿足軋機(jī)更換軋輥時(shí)下工作輥與下支承輥有效接觸，在其運(yùn)行過(guò)程中該動(dòng)作需要較大的短時(shí)流量，該流量也記為一個(gè)重要參數(shù)，并計(jì)算獲得。

下工作輥更換時(shí)，下工作輥平衡缸伸出，下接軸平衡缸隨動(dòng)，均為伸出狀態(tài)，總流量為：

2.1.4 軋制模式上支承輥及上工作輥快抬

即上平衡系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。該運(yùn)行模式涉及上支承輥平衡缸、上工作輥平衡缸、上接軸平衡缸同時(shí)動(dòng)作，以滿足軋機(jī)輥縫的調(diào)整，在采用液壓系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，該動(dòng)作需要較大的短時(shí)流量，是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要參數(shù)，最大流量的計(jì)算通過(guò)聯(lián)動(dòng)時(shí)各液壓缸的運(yùn)行速度與液壓缸運(yùn)行時(shí)活塞有效截面積之積獲得。

上支承輥及上工作輥同時(shí)動(dòng)作，上接軸平衡缸隨動(dòng)，均為伸出狀態(tài)，總流量為：

2.1.5 背壓模式

背壓模式只是保證系統(tǒng)液壓缸的伸出位置不變，在實(shí)際使用中只用輕微的行程變化，流量變化幾乎可以忽略不計(jì)，則流量為：

從以上系統(tǒng)分析情況可知：換輥模式支承輥快抬時(shí)所需系統(tǒng)流量為471 L/min，換輥模式上工作輥快抬時(shí)所需的系統(tǒng)流量為770 L/min，換輥模式下工作輥快速壓下時(shí)所需的系統(tǒng)流量為776 L/min，軋制模式時(shí)上平衡系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)所需的系統(tǒng)流量為1 241 L/min，背壓模式時(shí)所需的系統(tǒng)流量為0 L/min，由此可以得出系統(tǒng)所需的最大流量為1 241 L/min。

2.2 平衡液壓站蓄能器核算參數(shù)計(jì)算

軋制模式時(shí)，上支承輥及上工作輥快抬，同時(shí)動(dòng)作，上接軸平衡缸隨動(dòng)，此時(shí)為系統(tǒng)最大需求流量為：

最大流量的持續(xù)時(shí)間由軋機(jī)設(shè)計(jì)決定，主要是由最低位置運(yùn)行到最高位置時(shí)所需的時(shí)間，設(shè)計(jì)時(shí)間為11 s；

考慮液壓系統(tǒng)計(jì)算式有1.05的泄露系數(shù)，則系統(tǒng)需求流量為：

折算蓄能器供油容積為：

如果系統(tǒng)選用4臺(tái)排量為250ml/r的恒壓柱塞泵（3用1備），電機(jī)轉(zhuǎn)速1 000r/min，則3臺(tái)液壓泵的總供油流量為：

系統(tǒng)工作壓力14 MPa，系統(tǒng)最低工作壓力12.7 MPa（環(huán)境溫度20～35 ℃）。

2.3 蓄能器選型分析

本文采用了HYDAC公司的設(shè)計(jì)選型軟件，對(duì)選用蓄能器進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)，分別對(duì)采用皮囊式蓄能器和活塞式蓄能器兩種方式進(jìn)行分析。

2.3.1 采用皮囊式蓄能器時(shí)系統(tǒng)模擬

采用50 L皮囊蓄能器，分別將2.2中計(jì)算得到的最大需求流量Q，供油容積V，以及系統(tǒng)泵元提供的流量q泵系統(tǒng)的工作壓力及最低工作壓力等參數(shù)輸入，得出20℃及55℃時(shí)系統(tǒng)的壓力變化曲線。計(jì)算中，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在計(jì)算的前后分別加入了2 s的延時(shí)，使計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)際。

由模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，在20℃及55℃時(shí)，系統(tǒng)在15 s的運(yùn)行過(guò)程中，最小壓力分別為127.54 MPa和128.34 MPa，滿足系統(tǒng)的最低工作壓力，最小流量分別為1 882.761 L/min和1 997.588 L/min，滿足系統(tǒng)需要的流量要求，模擬達(dá)到了蓄能器的選型設(shè)計(jì)要求，計(jì)算結(jié)果在圖2（3）中可以看出，需采用皮囊蓄能器個(gè)數(shù)為48個(gè)。

2.3.2 采用活塞式蓄能器時(shí)系統(tǒng)模擬

方案二選用活塞蓄能器，容積為130 L，氣瓶容積為100 L×10只，由圖3（3）中模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，在20℃及55℃時(shí)，系統(tǒng)在15 s的運(yùn)行過(guò)程中，最小壓力分別為128.36 MPa和129.11 MPa，滿足系統(tǒng)的最低工作壓力，最小流量分別為2 012.412 L/min和2 135.147 L/min，滿足系統(tǒng)需要的流量要求，模擬達(dá)到了蓄能器的選型設(shè)計(jì)要求，計(jì)算結(jié)果在圖3（4）中可以看出，需采用活塞蓄能器數(shù)量為2組。

由以上兩種方案可以看出，該液壓系統(tǒng)的蓄能器若選用50L皮能蓄能器，共需要48只，大數(shù)量蓄能器的選用會(huì)增加設(shè)備損壞的幾率，并在一定程度上增加設(shè)備維護(hù)的成本，這對(duì)于平衡液壓站的布置及日常蓄能器設(shè)備的維護(hù)都會(huì)造成極大的困難；而采用活塞蓄能器，按選用的規(guī)格只需要2組，便于布置和日常維護(hù)，可以降低維護(hù)成本。

對(duì)比圖 2（1）和圖 3（2）可以看出，采用活塞蓄能器時(shí)的系統(tǒng)壓力變化在溫度發(fā)生變化時(shí)比采用皮囊蓄能器時(shí)波動(dòng)小，系統(tǒng)會(huì)更加穩(wěn)定?？梢钥闯?，采用活塞蓄能器相較于皮囊蓄能器能夠獲得更加穩(wěn)定的系統(tǒng)壓力。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)皮囊蓄能器和活塞蓄能器在該液壓系統(tǒng)中的模擬計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：泵源流量在達(dá)不到液壓系統(tǒng)要求時(shí)，可以通過(guò)選用蓄能器進(jìn)行補(bǔ)償；皮囊蓄能器和活塞蓄能器的流量補(bǔ)償作用在本案例中均能實(shí)現(xiàn)；活塞蓄能器相較皮能蓄能器能夠提供更加穩(wěn)定的系統(tǒng)壓力。