地輥裝置液壓回路設(shè)計

黃軍銘

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川610052)

某鋼鐵公司1780 mm熱軋擬配套建設(shè)1條剪切式取樣機組，滿足熱軋產(chǎn)品取樣需求，取樣機組取樣主要產(chǎn)品為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、冷軋超高強鋼等。該取樣機組具備“地輥+開卷器+反彎輥”設(shè)置，可實現(xiàn)自動開卷、回卷自動化控制功能。其中地輥站用來拆除捆帶或改變帶頭旋轉(zhuǎn)方向，將帶頭展開送入其它設(shè)備，地輥可以正向和反向轉(zhuǎn)動，通過地輥轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)鋼卷，使鋼卷的捆帶能夠從機組的操作側(cè)順利抽出。

1 地輥裝置驅(qū)動形式確定

取樣機組地輥裝置位于液壓剪前面，由兩個大小相同的地輥組成，兩個地輥布置在鋼卷運輸車中心線兩側(cè)。當(dāng)需對鋼卷取樣時，可使鋼卷按要求進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，在開卷時地輥正轉(zhuǎn)(逆時針)，將鋼卷外圈打開，使鋼卷頭部進(jìn)入取樣剪，剪切帶鋼取樣。完成剪切帶鋼試樣后，地輥反轉(zhuǎn)(順時針)，將鋼卷重新卷好。

從結(jié)構(gòu)上來說，地輥驅(qū)動一般有單輥傳動和雙輥傳動兩種方式，這兩種驅(qū)動方式各有優(yōu)缺點。這里針對取樣機組的地輥進(jìn)行分析。

單輥驅(qū)動，一個地輥為主動，另一個為從動輥。假設(shè)地輥1是主動輥，地輥2是從動輥，鋼卷逆時針旋轉(zhuǎn)時，地輥1和從動輥2分別對鋼卷底部形成力F1和F2，產(chǎn)生方向相反的分力F1cosα和F2cosα，如圖1所示。取樣鋼卷厚度為1.2～12.7 mm，根據(jù)現(xiàn)場使用經(jīng)驗，對于厚度小于2 mm的鋼卷，形成的作用力作用于鋼卷表面時可能使鋼卷表面擠壓變形，形成褶皺或者起拱，影響取樣產(chǎn)品質(zhì)量，見圖2。

圖1 單輥驅(qū)動地輥鋼卷受力圖

圖2 鋼卷表面變形

同理，地輥1是從動輥，地輥2是主動輥時，薄鋼卷順時針旋轉(zhuǎn)也可能產(chǎn)生表面變形。因此本取樣機組地輥不宜采用單輥驅(qū)動方式。

雙輥驅(qū)動，兩個地輥同時動作。兩個地輥線速度基本相同，鋼卷不易產(chǎn)生錯動，在理想情況下，不論正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，兩個地輥對鋼卷底部形成的力F1和F2；產(chǎn)生方向相同的分力F1cosα和F2cosα，如圖3所示，該作用力對鋼卷表面形狀影響較小，有條件的情況下前進(jìn)輥略快于后輥，使兩輥之間的鋼板承受拉力，更有利于取樣前后鋼卷產(chǎn)品的板型控制，可以確定本取樣機組地輥采用雙輥傳動方式。

圖3 雙輥驅(qū)動地輥鋼卷受力圖

2 地輥轉(zhuǎn)動設(shè)計分析

以取樣最大鋼卷進(jìn)行計算，通過技術(shù)附件知道相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：

最大鋼卷外徑：D=2150 mm

最大鋼卷重量：G=32.6 t

地輥中心間距：H=890 mm

地輥輥身外徑：d=360 mm

地輥傳動軸承內(nèi)徑：d1=150 mm

地輥重量：G1=1.265 t

鋼卷與輥子中心距：L=(D+d)/2=1255 mm

地輥雙輥傳動即兩個地輥輥子工作時同時動作，可做出受力分析，如圖3所示。

鋼卷所受地輥1的摩擦力F1=μN1；鋼卷所受地輥2的摩擦力F2=μN2；鋼卷所受地輥1的支持力N1；鋼卷所受地輥2的支持力N2；摩擦系數(shù)μ=0.16。

根據(jù)力的平衡公式有：

(1)水平方向

F1cosα+N1sinα+F2cosα=N2sinα

即：μN1cosα+N1sinα+μN2cosα=N2sinα

N1=N2(sinα-μcosα)/(μcosα+sinα)=0.4066N2

式中，sinα=(h/2)/L=0.3546

地輥支持力N1、N2與重力的方向夾角為α。

(2)垂直方向

F1sinα+G=N1cosα+N2cosα+F2sinα

N1=0.4066N2=96305.5 N

由靜力矩公式：

M=(N+G1)fd1/2+Fd/2

式中，潤滑良好的地輥軸承摩擦系數(shù)f=0.004。可以算出取樣機組地輥裝置工作時，地輥1所需靜矩為：

M1=(N1+G1)fd1/2+μN1d/2=2900.29 N·m

地輥2所需靜矩為：

M2(N2+G1)fd1/2+μN2d/2=6990.3 N·m

M2>M1

所以單個地輥所需最大驅(qū)動力矩為：T=M2=6900.3 N·m

3 液壓回路設(shè)置

一般電機達(dá)不到單個地輥的最大驅(qū)動力矩，特殊電機成本太高，故采用低速大扭矩液壓馬達(dá)進(jìn)行雙輥驅(qū)動，兩個地輥的液壓回路設(shè)置相同。由技術(shù)附件可知：

液壓系統(tǒng)壓力P=16 MPa；取樣要求最大線速度v=310 mm/s。根據(jù)液壓系統(tǒng)壓力選擇液壓馬達(dá)最大扭矩為1490 N·m，顯然遠(yuǎn)小于額定力矩T，因此，需要在液壓馬達(dá)和地輥之間增加減速機，考慮到馬達(dá)的價格和現(xiàn)場安裝空間等因素，選擇低速擺線式液壓馬達(dá)TG195，排量q=0.195 L/r，系統(tǒng)壓力16 MPa時馬達(dá)額定輸出扭矩Me=425 N·m，如圖4。

圖4 液壓馬達(dá)樣本資料

地輥工作過程中需要克服馬達(dá)和減速機自身的轉(zhuǎn)動力矩，可以取安全系數(shù)k=1.1。

Mmax=kT=7866.342 N·m

減速機減速比i>T/Me=18.509，取i=18.6。

馬達(dá)轉(zhuǎn)速n=60vl/πd=355.2338 r/min

馬達(dá)流量Q=qn/1000=69.27 L/min

根據(jù)單個馬達(dá)流量選擇所匹配的液壓閥回路通徑為DN10。

要實現(xiàn)取樣鋼卷正反轉(zhuǎn)，需控制液流方向，選擇液壓換向閥，該閥有三個中位機能，可實現(xiàn)液壓馬達(dá)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。對于較重的鋼卷，鋼卷慣性較大，地輥啟停時地輥和鋼卷之間可能產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，造成事故或地輥編碼器讀數(shù)與實際鋼卷的轉(zhuǎn)動量有偏差。為避免該現(xiàn)象，選擇比例換向閥，在普通方向閥的基礎(chǔ)上可以控制液流的流量，通過電調(diào)可以實現(xiàn)地輥啟停的加減速動作。同時比例換向閥配合地輥自帶的編碼器可以實現(xiàn)兩個輥子同時動作，防止錯動。根據(jù)比例電磁閥特性曲線選擇與液壓馬達(dá)流量Q匹配的通徑為10 mm，如圖5所示。

圖5 比例閥流量特性曲線

為了提高地輥液壓馬達(dá)工作的穩(wěn)定性，避免壓力波動對馬達(dá)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，選擇壓力補償器，穩(wěn)定閥后壓力，壓力補償器用于主閥P口的負(fù)載補償。

地輥裝置停機或者工作流程中地輥需要停止轉(zhuǎn)動的時候，地輥不能因為外力如鋼卷的自重等作用下自行轉(zhuǎn)動，必須鎖定，因此選擇疊加式液控單向閥。為保證疊加式液控單向閥的正確動作，當(dāng)方向閥處于中位時，閥的工作油口需與油箱相連，即比例換向閥選擇J型三位四通閥。

負(fù)載沖擊或誤動作等都會產(chǎn)生壓力波動，過高的壓力可能對液壓閥和馬達(dá)等元件產(chǎn)生沖擊，影響元件使用功能或者使用壽命，需要使用疊加式溢流閥，對液壓回路的壓力進(jìn)行上限控制。溢流閥彈簧調(diào)定壓力需略大于系統(tǒng)壓力16 MPa，設(shè)為17 MPa。

其他液壓回路工作時液壓系統(tǒng)主管產(chǎn)生的壓力波動對馬達(dá)動作產(chǎn)生影響，在液壓回路t口安裝單向閥。為測量壓力，在地輥液壓馬達(dá)的AB口安裝測壓接頭。液壓馬達(dá)A口或者B口油液的壓力數(shù)值對于前期液壓系統(tǒng)的調(diào)試和后期液壓系統(tǒng)的故障診斷有重要作用。

檢修地輥或地輥液壓回路時關(guān)閉，避免誤操作對設(shè)備或人員造成損害，在閥組與馬達(dá)之間安裝球閥，起開關(guān)作用，工作時處于打開狀態(tài)。

地輥液壓回路由比例換向閥4WRAE10W1、壓力補償器ZDC10P、疊加式液控單向閥Z2S10、疊加式溢流閥Z2DB10VC2、插裝式單向閥M-SR15KE05-1X、測壓接頭G1/4-M16×2、球閥和液壓馬達(dá)TG195組成。地輥液壓回路見圖6。

圖6 地輥液壓回路圖

4 結(jié)語

本文給出了一種雙輥傳動地輥站液壓控制回路的設(shè)計方法，使用后，運行合理。作為一種常見的設(shè)備，地輥裝置應(yīng)用場景不同，使用要求不同，控制方式也可能不同。確定地輥傳動方式及后續(xù)研究時，要考慮地輥的具體用途，從功能和成本上進(jìn)行設(shè)計，達(dá)到設(shè)備使用需求。