丘銘軍，郭星良，張永鋒，陳國(guó)防

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 引言

現(xiàn)有的鋼水真空冶煉技術(shù)中，為了減少鋼包的周轉(zhuǎn)時(shí)間，提高鋼水的真空處理效率，鋼包提升同步控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于鋼水處理環(huán)節(jié)。鋼包臺(tái)車(chē)沿著運(yùn)行軌道將鋼包運(yùn)送至鋼水處理工位，由提升裝置將鋼包單獨(dú)從鋼包臺(tái)車(chē)上提升至工藝要求的處理高度，待鋼水真空處理結(jié)束后，提升裝置將鋼包下放至運(yùn)行軌道上的鋼包臺(tái)車(chē)上，鋼包臺(tái)車(chē)運(yùn)送鋼包離開(kāi)鋼水處理位置進(jìn)入下一個(gè)工藝環(huán)節(jié)。這種鋼包提升形式，由于鋼包獨(dú)立于鋼包臺(tái)車(chē)單獨(dú)提升，鋼包臺(tái)車(chē)在鋼包提升后進(jìn)行鋼水處理期間能參與其他工序的工作，從而減少了鋼包的周轉(zhuǎn)時(shí)間，提高了鋼水的真空處理效率。

1 現(xiàn)狀

目前，在真空冶煉領(lǐng)域，鋼包同步提升控制系統(tǒng)采用的控制方式均為大流量同步馬達(dá)控制四個(gè)提升液壓缸的提升框架的同步動(dòng)作。

如圖1 所示為改造前使用的框架同步馬達(dá)提升控制系統(tǒng)，圖中1為鋼包，2為提升液壓缸，3為位置鎖定閥裝置，4為八聯(lián)同步馬達(dá)裝置，5為雙作用變量泵。

根據(jù)四個(gè)提升液壓缸對(duì)提升框架的同步控制要求，大流量同步馬達(dá)平均分配來(lái)自液壓站的流量，使提升框架上的四個(gè)液壓缸同步動(dòng)作。

圖1 改造前使用的鋼包同步馬達(dá)提升控制系統(tǒng)Fig.1 Control the hoisting using synchronized motor before revamping

在鋼包提升過(guò)程中，由于提升液壓缸提升重量大、速度快，所以液壓缸需要的流量非常大，普通大流量同步馬達(dá)無(wú)法滿足該流量要求，通常采用多聯(lián)大流量同步馬達(dá)并聯(lián)對(duì)某一個(gè)液壓缸供油的方式來(lái)滿足鋼包提升液壓缸的快速提升的使用工況要求，因此制造成本非常高;同時(shí)在使用過(guò)程中，假如其中任意一聯(lián)同步馬達(dá)出現(xiàn)問(wèn)題，則需要整體更換同步馬達(dá)裝置，因此維護(hù)工作量大，后期備件費(fèi)用及運(yùn)行成本非常高;提升框架的同步提升誤差由同步馬達(dá)的精度決定，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，同步馬達(dá)部件的磨損，同步控制精度將明顯下降，嚴(yán)重影響鋼包提升臺(tái)架的連續(xù)生產(chǎn)使用。

2 工程改造實(shí)例

2.1 液壓比例控制技術(shù)

液壓比例控制技術(shù)是介于普通液壓閥的開(kāi)關(guān)控制技術(shù)和電液伺服控制技術(shù)之間的一種控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)液體壓力和流量連續(xù)按比例地跟隨控制信號(hào)而變化，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制及復(fù)雜程序控制，利用反饋信號(hào)能提高液壓系統(tǒng)的動(dòng)作穩(wěn)定性和控制精度。因此，電液比例控制技術(shù)是一種可靠、價(jià)廉的控制方式，已成為現(xiàn)代控制工程的基本技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。

液壓比例控制系統(tǒng)由指令元件、比較元件、比例放大器、電液比例閥、液壓執(zhí)行元件、信號(hào)檢測(cè)反饋元件等組成，其系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 液壓比例控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of control system for hydraulic proportional system

如圖中所示，液壓比例控制技術(shù)的核心是電液比例閥，系統(tǒng)的指令信號(hào)在比例放大器中通過(guò)處理、運(yùn)算、功率放大后輸入到電液比例閥，電子放大器根據(jù)一個(gè)輸入電信號(hào)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)，這個(gè)電流信號(hào)作為輸入量被送入電液比例閥中的比例電磁鐵，電磁鐵將此電流轉(zhuǎn)換成作用于電液比例閥中閥芯上的力，以克服彈簧的彈力。電流增大，輸出的力相應(yīng)增大，該力或位移又作為輸入量加給電液比例閥，后者產(chǎn)生一個(gè)與前者成比例的流量或者壓力。通過(guò)這樣的轉(zhuǎn)換，輸入信號(hào)的變化，不但可以控制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方向，而且可對(duì)其作用力和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行無(wú)級(jí)的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)的輸出量與給定值保持在允許的范圍內(nèi)，與此同時(shí)輸出功率也被大幅度放大。

隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，大流量比例閥的使用技術(shù)已經(jīng)非常成熟。本論文將大流量比例閥技術(shù)用于改造現(xiàn)有的鋼包提升同步控制系統(tǒng)，該改造具有成本低、安裝難度小、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、運(yùn)行成本低、并可單獨(dú)補(bǔ)償同步誤差等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 工程改造實(shí)施

在目前的鋼包提升系統(tǒng)中，由于采用大流量同步馬達(dá)來(lái)控制，系統(tǒng)有以下問(wèn)題:

①為了滿足提升速度的要求，需要采用大流量同步馬達(dá)，但是大流量同步馬達(dá)價(jià)格昂貴;由于大流量同步馬達(dá)價(jià)格非常昂貴，通常采用多聯(lián)中等規(guī)格的馬達(dá)并聯(lián)組成大流量同步馬達(dá);

②當(dāng)同步馬達(dá)的某一聯(lián)損壞，則需要整體更換，或視損壞情況返回同步馬達(dá)生產(chǎn)廠家維修，維修價(jià)格昂貴，維修周期較長(zhǎng);

③同步馬達(dá)在使用一段時(shí)間后，由于維護(hù)不當(dāng)或者磨損等原因，同步馬達(dá)的同步性能將明顯降低，造成鋼包提升的同步性不能滿足使用要求，導(dǎo)致提升框架導(dǎo)軌磨損嚴(yán)重;

結(jié)合鋼包提升工藝的使用要求以及現(xiàn)有鋼包液壓控制系統(tǒng)的配置，需要一種同步控制系統(tǒng)，能滿足以下要求:

①一種使用廣泛且技術(shù)成熟的同步控制方式用來(lái)控制該鋼包同步升降控制系統(tǒng);

②該同步控制系統(tǒng)應(yīng)該具備某個(gè)液壓缸單獨(dú)調(diào)節(jié)的可能，以滿足生產(chǎn)的需要;

③該同步控制系統(tǒng)應(yīng)該獨(dú)立控制各個(gè)提升液壓缸，維修簡(jiǎn)單，使用方便;

④該改造投入少，改造工作量小，充分利用原有的液壓系統(tǒng)包括液壓站，提升液壓缸等。

液壓比例控制系統(tǒng)，其控制性能遜于液壓伺服控制系統(tǒng)，但是對(duì)油液的清潔度要求較低，且價(jià)格低廉，特別適用于冶金行業(yè)等環(huán)境較差的工況，其控制特性也完全能滿足精度要求不是很高，響應(yīng)不是非?？斓膱?chǎng)合。基于液壓比例控制技術(shù)的優(yōu)越性，并充分考慮以上工藝的要求，決定采用電液比例控制技術(shù)應(yīng)用于該鋼包同步提升系統(tǒng)的改造項(xiàng)目。

改造后的鋼包比例閥同步提升控制系統(tǒng)如圖3 所示，圖中1為鋼包，2為提升液壓缸，3為位置鎖定裝置，5為雙作用變量泵，6為比例閥，7為位置檢測(cè)元件，8為電氣控制系統(tǒng)。

圖3 改造后的鋼包比例閥同步提升控制系統(tǒng)Fig.3 Control the hoisting using proportional system after revamping

該改造方案包含以下部分:

(1)同步控制液壓閥臺(tái)部分?？紤]到原有的同步提升控制系統(tǒng)同步馬達(dá)為集成式，維護(hù)不便且維修費(fèi)用高，所以在本改造中采用四個(gè)獨(dú)立的比例閥用于分別控制各個(gè)提升液壓缸。該四個(gè)獨(dú)立的比例閥安裝在一個(gè)閥臺(tái)上，用于取代原有的同步馬達(dá)裝置，閥臺(tái)的管路方向與原有的同步馬達(dá)出管方向相同且通徑相等，改造安裝非常容易且完成時(shí)間較短。

比例閥的相關(guān)計(jì)算及選取:

①確定所需要的流量以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器達(dá)到要求的速度。

式中:Q為流量，L/min;A為執(zhí)行器的有效面積，cm2;Vmax為執(zhí)行器最大速度，m/s。

②確定閥壓降

式中，PV為允許的閥壓降，105Pa;PS為系統(tǒng)的工作壓力，105Pa;FD為加速和速度保持時(shí)所需的力，N;A為執(zhí)行器的有效面積，cm2。

③比例閥的選用。鋼包的負(fù)載(提升力由四臺(tái)提升液壓缸提供并已考慮鋼包鋼水重量、提升框架導(dǎo)輪與導(dǎo)軌的摩擦力、慣性力等):5.9 MN;四臺(tái)提升液壓缸，每臺(tái)液壓缸的尺寸:φ420/220－3700 mm;最大速度:Vmax=50 mm/s;系統(tǒng)的工作壓力:16 MPa。

以上參數(shù)代入公式，得出

查閱比例閥的相關(guān)樣本中的“流量增益”曲線，25 通徑的比例閥能滿足以上計(jì)算所得的壓降流量增益，常規(guī)設(shè)計(jì)方法選用25 通徑的比例閥即可以滿足使用要求。

但在該系統(tǒng)中，比例閥的作用其一在滿足鋼包高速提升及下降的工況下單向提供足夠大的流量;其二通過(guò)檢測(cè)元件的實(shí)時(shí)反饋及時(shí)自動(dòng)修正比例閥的流量輸出，使四個(gè)提升液壓缸能滿足同步要求;即比例閥的作用是在大流量狀態(tài)下起比例通斷油路(節(jié)流)作用，由于25 通徑的比例閥價(jià)格較昂貴，為了降低改造投入，本改造采用16 通徑的比例閥，通過(guò)優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，比例閥的P 口與B 口、T 口與A 口在外部閥塊中連通，比例閥通電打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)，兩個(gè)通油道同時(shí)工作，流量較單通道工作時(shí)增加了一倍，靜動(dòng)態(tài)特性與使用單通道時(shí)一致，完全能滿足鋼包同步提升的使用要求。

(2)提升液壓缸檢測(cè)部分。帶閉環(huán)的比例控制系統(tǒng)，需要檢測(cè)提升液壓缸的實(shí)時(shí)位置來(lái)反饋給電氣控制器，從而控制比例閥的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸的速度及位置的控制。

液壓缸的位置檢測(cè)通常采用磁致伸縮位移傳感器的形式，該檢測(cè)形式要求液壓缸后部有足夠的檢修空間用于維護(hù)或者更換位移傳感器，而且原有的提升液壓缸沒(méi)有預(yù)留位移傳感器安裝孔，改造難度大，費(fèi)用高且時(shí)間長(zhǎng)。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的安裝空間及各項(xiàng)因素，本改造決定采用拉繩一體式編碼器作為提升液壓缸的位置檢測(cè)元件，該編碼器為整體式，獨(dú)立安裝在固定臺(tái)架上，拉繩端固定在提升液壓缸的運(yùn)動(dòng)活塞桿端即可，安裝方便，費(fèi)用低，完成改造時(shí)間短。

(3)電氣控制部分。新改造系統(tǒng)需要一套電氣控制系統(tǒng)，用于分別實(shí)時(shí)檢測(cè)提升液壓缸的位置，并反饋給該電氣控制系統(tǒng)，通過(guò)信號(hào)的計(jì)算、放大后輸入給比例閥，用于即時(shí)調(diào)整比例閥的閥芯開(kāi)口度，從而控制經(jīng)過(guò)比例閥的流量來(lái)控制提升液壓缸的速度及位置。

該電氣控制部分由常規(guī)PLC組成，并通過(guò)以太網(wǎng)與原有的電氣部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸及控制。改造周期短，工作量小，現(xiàn)場(chǎng)容易實(shí)施。

圖4為改造后的比例控制閥臺(tái)，閥臺(tái)布置在原同步馬達(dá)閥臺(tái)旁邊;圖5為改造后提升框架的運(yùn)行動(dòng)作。該改造實(shí)施周期短、改造后系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、工作可靠，完全能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

圖4 改造后的比例控制閥臺(tái)Fig.4 Proportional valve stand after revamping

圖5 改造后提升框架的運(yùn)行動(dòng)作Fig.5 Ladle frame hoisting after revamping

3 結(jié)論

本改造將比例閥取代大流量同步馬達(dá)的方案用于解決現(xiàn)有的鋼包提升同步控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題，該改造方案具有成本低、安裝難度小、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、運(yùn)行成本低、并可單獨(dú)補(bǔ)償同步誤差等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決長(zhǎng)期困擾生產(chǎn)企業(yè)的鋼包提升同步控制系統(tǒng)實(shí)際使用中存在的問(wèn)題。

隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，大通徑比例閥的使用技術(shù)已經(jīng)非常成熟但價(jià)格較為昂貴。中等通徑的比例閥價(jià)格低廉且供貨周期較短，本改造將中等通徑比例閥的兩個(gè)通油道經(jīng)液壓集成塊在外部連通代替價(jià)格昂貴的大流量比例閥，使比例閥的通流量增大一倍，完全滿足鋼包提升控制系統(tǒng)的使用要求，大大減少企業(yè)的改造投入及后期運(yùn)行維護(hù)及備件成本。

通過(guò)解決該工程實(shí)際問(wèn)題，說(shuō)明液壓比例控制技術(shù)應(yīng)用在鋼包提升裝置中是非常成功的，鑒于液壓比例控制技術(shù)理論的通用性，本文也能為相關(guān)控制問(wèn)題提供有價(jià)值的借鑒作用。

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