鄒俊玲

摘 要：推鋼機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要對(duì)其工作原理、重要原件等進(jìn)行深入分析和計(jì)算，采用可靠的串聯(lián)系統(tǒng)計(jì)算方法，建立液壓系統(tǒng)的可靠模型予以模擬，利用軟件進(jìn)行仿真分析，才能對(duì)設(shè)計(jì)的可靠性加以保障。推鋼機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了控制系統(tǒng)的功能得到進(jìn)一步提升，更穩(wěn)地將鋼坯推入爐內(nèi)，提高鋼的產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：推鋼機(jī) 液壓系統(tǒng) 可靠性分析 工作原理

中圖分類號(hào)：TG333.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）01（c）-0046-03

推鋼機(jī)是軋鋼生產(chǎn)線上一種專用設(shè)備，用于將生產(chǎn)線上的鋼坯推進(jìn)熱爐。其工作要求推力要大，推頭同步性高。傳統(tǒng)推鋼機(jī)的工作原理是機(jī)械式的，體積較為巨大，故障率較高，而且采購(gòu)和維修成本較高。隨著技術(shù)的逐步先進(jìn)以及軋鋼生產(chǎn)的發(fā)展，利用液壓油缸等對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造、升級(jí)，使推鋼機(jī)具有推理大、體積小和操作簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)。在推料工序等方面具有更強(qiáng)的可靠性。

1 工作原理

推鋼機(jī)的工作原理通過系統(tǒng)主令控制器啟動(dòng)后，位于三位四通閥的電磁鐵1DT和三DT得電。二位四通閥五DT得電，壓力油從油泵中輸出，經(jīng)過二位四通閥和同軸馬達(dá)進(jìn)入兩組油缸中四個(gè)無桿腔中，回油經(jīng)過調(diào)速閥、二位四通閥排回到油缸中的有桿腔中，產(chǎn)生四個(gè)油缸的同步運(yùn)動(dòng)，將熱鋼坯推入熱爐內(nèi)后，五DT斷電，系統(tǒng)處于待命、卸載狀態(tài)；通過主令控制器，主令控制器件三位四通閥的電磁鐵中二DT和四DT通上電后，油泵開始輸出壓力油，經(jīng)過二位四通調(diào)速閥，進(jìn)入有桿腔，帶動(dòng)油缸的同軸馬達(dá)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，經(jīng)過調(diào)速閥等回油排回油箱。

采用冗余設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)，具有可靠性能較高以及左右對(duì)稱的特點(diǎn)，如果鋼坯較小還可以單組兩個(gè)油缸工作，通過兩個(gè)兩位四通閥串聯(lián)在同軸馬達(dá)后進(jìn)行工作[1]。設(shè)計(jì)了四個(gè)限位開關(guān)對(duì)兩組四個(gè)油缸的位置誤差予以消除，避免系統(tǒng)同步精度的限位作用產(chǎn)生誤差積累。（如圖1）

2 參數(shù)計(jì)算

（1）液壓缸的計(jì)算，是要以推鋼機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)情況位理論基礎(chǔ)，通過液壓缸在實(shí)際作用的作用力進(jìn)行參數(shù)計(jì)算的。

（2）對(duì)液壓泵的計(jì)算。

液壓泵的工作壓力計(jì)算公式中，包括執(zhí)行元件的最大工作壓力，單位為MPa，液壓泵出口至執(zhí)行元件間的壓力損失，單位為MPa。

對(duì)液壓泵的流量公式，經(jīng)過液壓缸工作時(shí)的最大流量進(jìn)行計(jì)算，以L為每分鐘計(jì)算單位，得到的系數(shù)為1.2，Qmax≥129 L/min。

液壓本的功率由液壓泵的最大工作壓力、液壓泵的流量、液壓泵的總效率進(jìn)行計(jì)算得出最終的計(jì)算結(jié)果為19.3 kW[2]。

3 對(duì)推鋼機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠性分析

經(jīng)過推算，部分液壓元件的失效概率已經(jīng)得到了總結(jié)，從表1可以看到基本概況。

對(duì)推鋼機(jī)液壓雄的可靠性可以通過上述可靠性數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，利用軟件進(jìn)行仿真，得到可靠性曲線，通過曲線的直觀顯示，可以得知推鋼機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠性與工作時(shí)間成反比，且可靠性在工作時(shí)間推遲過程中，前期下降較快，后期下降較快，因此，從可靠性曲線可以看出，對(duì)工作時(shí)間的限定，可使液壓系統(tǒng)的可靠性得到調(diào)節(jié)和保障[3]。

4 實(shí)例分析推鋼機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與可靠性

（1）天鋼集團(tuán)有限公司的初軋廠方坯冷床推鋼機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)工作，使用先進(jìn)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)替代機(jī)械液壓系統(tǒng)。以提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。改造前該廠使用的冷床推鋼機(jī)采用的是曲柄連桿式機(jī)械傳統(tǒng)，隨著生產(chǎn)的先進(jìn)性要求，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件容易受到磨損，傳動(dòng)功率大、維修成本高、技術(shù)難度大等已經(jīng)成為阻礙生產(chǎn)發(fā)展的障礙，無法適應(yīng)新的推鋼機(jī)的工作要求。為了保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行，加大現(xiàn)代化生產(chǎn)，擬采用先進(jìn)的推鋼機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，替代現(xiàn)有笨重的機(jī)械系統(tǒng)。采用油缸式液壓式推鋼機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以提高液壓傳送的調(diào)速等功能，而且易于控制、自行潤(rùn)滑。

（2）在進(jìn)行液壓系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)之前，首先對(duì)原有推鋼機(jī)的工藝參數(shù)進(jìn)行了考察。得知推行行程為89 cm，速度為0.43 m/s，推桿爪距70 cm，活動(dòng)推桿和撥桿自重為3 949 kg。

在對(duì)推鋼機(jī)的工藝參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算后，根據(jù)原有的工藝參數(shù)，初步設(shè)計(jì)為，使用液壓缸代替連桿，將擺桿加以推動(dòng)運(yùn)動(dòng)， 同步于液壓缸，對(duì)機(jī)械連桿的回路進(jìn)行同步，保持系統(tǒng)的負(fù)載基本恒定，使用節(jié)流閥對(duì)系統(tǒng)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（3）推桿需要往返頻繁移動(dòng)，負(fù)荷較重，運(yùn)行阻力需要進(jìn)行計(jì)算，通過運(yùn)行阻力P1和靜止到啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)增加的阻力P2相加得出運(yùn)行后的阻力值，而增加的阻力值可以通過冷床上的軋件重量、活動(dòng)推桿和撥爪的自重以及軋件與冷床的摩擦系數(shù)、滾動(dòng)摩擦系數(shù)等相加得出。例如：軋件和冷床的摩擦系數(shù)為0.3，滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.25，冷床上的軋件總重為3 323 kg，活動(dòng)推桿與撥爪自重為2 843 kg，則推動(dòng)桿運(yùn)行阻力最終可計(jì)算出數(shù)值為18 490 N，從靜止到運(yùn)行增加的阻力為28 463 N。

（4）正常情況下加熱爐液壓站的供油壓力為14 MPa，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行改造的設(shè)計(jì)，要考慮的因素包括：要將推鋼機(jī)的壓力由減壓閥降低到12 MPa，完成步進(jìn)梁的升降和評(píng)議，并控制出鋼機(jī)和爐門升降機(jī)。改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)配有三位四通電磁換向閥、雙向液控單向閥、疊加式節(jié)流閥、分流閥等部件。在設(shè)計(jì)中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況以及外部環(huán)境進(jìn)行了勘察后，發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)思路中的原有思路與實(shí)際情況相差較大，系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，但是同步精度卻差強(qiáng)人意，只能控制在2%～5%之間。當(dāng)鋼坯橫向從輥道運(yùn)送到爐內(nèi)時(shí)，這中間有4 m的距離，由于加熱爐爐門為整體式，再加上推鋼機(jī)的設(shè)計(jì)為軌道式，因此，當(dāng)兩個(gè)油缸驅(qū)動(dòng)兩個(gè)頂板分開橫向推入爐內(nèi)時(shí)，兩側(cè)的油缸的受力和摩擦力不同，導(dǎo)致了鋼坯停止位置的不同，鋼坯一推就傾斜，給操作人員造成一定的困擾，為了解決這個(gè)問題，操作人員采用入爐軌道上涂抹潤(rùn)滑油的辦法予以解決。但是當(dāng)爐門打開后，軌道的溫度達(dá)到了300 ℃，潤(rùn)滑油很快蒸發(fā)了，因此，這種方法的效果也很一般。采用從機(jī)械方面的改進(jìn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，就是將現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行配置，將原來的兩個(gè)油缸驅(qū)動(dòng)的機(jī)械頂板合并為整體式機(jī)械頂板，將兩個(gè)液壓缸中的一個(gè)取消，使用一個(gè)油缸驅(qū)動(dòng)的方式，這樣，既保證了鋼坯的入爐，又能完成改造方案，解決鋼坯入爐歪斜的問題。

（5）從理論角度來講，分流集流閥的功能是向兩個(gè)液壓缸按照一定比例供油，或者接受兩個(gè)液壓缸或者液壓馬達(dá)的一定比例的回油，這種采用液壓控制元件保證分流集流閥在穩(wěn)定狀態(tài)下保持流量相等的方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行元件的速度進(jìn)行同步控制。當(dāng)推鋼機(jī)的推板與鋼坯接觸的瞬態(tài)時(shí)間內(nèi)，使用執(zhí)行元件來控制兩個(gè)施力液壓缸中兩個(gè)回路的液壓油的流量，但這種方法無法對(duì)同步誤差進(jìn)行糾正。而且，分流集流閥的開環(huán)控制特征存在固定節(jié)流孔的制造誤差，即便是穩(wěn)定的工作狀態(tài)，也可能發(fā)生負(fù)載壓力，導(dǎo)致兩側(cè)液壓力、彈簧力、泄漏流量發(fā)生不對(duì)稱。這些因素同時(shí)發(fā)生作用后，推鋼機(jī)偶爾會(huì)同步將鋼坯送入爐內(nèi)，但并不是穩(wěn)定性的[4]。當(dāng)分流集流閥在設(shè)計(jì)流量較低的狀態(tài)下工作時(shí)，分流位置和集流位置會(huì)發(fā)生同步誤差，導(dǎo)致液壓元件得到試驗(yàn)規(guī)范內(nèi)的特定的負(fù)載條件，而且當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載和試驗(yàn)的負(fù)載相比較后產(chǎn)生較大數(shù)值的誤差時(shí)，分流、集流位置的同步誤差指標(biāo)相差也較大，而且這一指標(biāo)是速度同步誤差指標(biāo)，因此，容易造成推鋼機(jī)分流閥與現(xiàn)場(chǎng)工況不符，產(chǎn)生同步較大的誤差，對(duì)生產(chǎn)制約作用。采用輥輪式的方式，兩個(gè)液壓缸的負(fù)載要均衡的多，但是目前尚缺乏理論依據(jù)，全憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作。

5 推鋼機(jī)液壓系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)中的故障表現(xiàn)及原因分析

（1）推鋼機(jī)在啟動(dòng)、回程過程中會(huì)出現(xiàn)閥臺(tái)附近的管路出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)或者巨大的噪聲問題，或者在管路中間應(yīng)力集中部分、焊接部分等出現(xiàn)破裂、漏油的情況，降低液壓系統(tǒng)的動(dòng)力，導(dǎo)致推鋼機(jī)無法正常運(yùn)行。再就是液壓管接頭處容易出現(xiàn)密封件損壞，降低密封件的使用壽命。一旦密封件出現(xiàn)損壞導(dǎo)致內(nèi)卸，則推鋼機(jī)工作不正常，彈簧力和泄漏流量的不對(duì)稱等因素也將導(dǎo)致兩路流量不相等，甚至在液壓缸缸筒內(nèi)出現(xiàn)拉傷等情況導(dǎo)致液壓缸整體報(bào)廢，這都是推鋼機(jī)可靠性差的表現(xiàn)。

（2）對(duì)上述故障發(fā)生的原因進(jìn)行分析，導(dǎo)致推鋼機(jī)可靠性差的原因，一般都與系統(tǒng)內(nèi)的液壓沖擊力量過大有關(guān)系。導(dǎo)致故障出現(xiàn)的主要原因是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、元件規(guī)格選擇、場(chǎng)地布局因素。

①當(dāng)插裝閥開啟速度過快時(shí)，會(huì)產(chǎn)生外控供油方式的變化。產(chǎn)生的閥門A、B腔的壓力以及控制油腔的流動(dòng)阻力很大。因此，閥芯上下作用力差加大，開啟的速度變快，帶來很大沖擊和振動(dòng)。當(dāng)推鋼機(jī)靜止后，作用在B口的插裝閥以及A口的插裝閥保持著系統(tǒng)壓力的高壓狀態(tài)，積累了相當(dāng)大的壓力能，經(jīng)過插裝閥的通徑被打開的瞬間，由于巨大壓差導(dǎo)致壓力能急劇增大，通過插裝閥，高壓、大流量流入回路，出現(xiàn)巨大的液壓沖擊。

②當(dāng)元件的尺寸規(guī)格選擇不合理，使得插裝閥的通流能力由于回路阻力較大引起振動(dòng)和噪聲。例如：在該文所舉案例中，改推鋼機(jī)液壓系統(tǒng)包括了三位四通P型電磁閥以及插裝閥，形成了電液插裝閥閥的回路，控制油由主油路經(jīng)過中位機(jī)能三位四通電磁換向閥進(jìn)入插裝閥的控制腔，當(dāng)電磁換向進(jìn)入中位時(shí)，各插裝閥被關(guān)系，各個(gè)出口互不聯(lián)通。這種結(jié)構(gòu)容易引起壓力的干擾因素，出現(xiàn)短時(shí)的溝通現(xiàn)象。液壓缸的慣性給A腔加壓，出現(xiàn)壓力升高，插裝閥一旦打開，就有油流存在，使得系統(tǒng)工作出現(xiàn)不正常情況，導(dǎo)致推鋼機(jī)可靠性變差。

③還有一個(gè)原因就是由于場(chǎng)地布局不合理，導(dǎo)致液壓站和控制閥臺(tái)之間的液壓管和彎頭不符合實(shí)際工作要求，出現(xiàn)數(shù)量和高度上的差別，導(dǎo)致液壓站的蓄能器組僅僅起到補(bǔ)償壓力流量的作用，不能起到緩沖作用，因此，帶來管路的振動(dòng)和噪聲。

（3）要解決上述故障，需要采取的措施包括以下幾點(diǎn)。

①將液壓系統(tǒng)中每組插裝閥控制腔內(nèi)的排油管路進(jìn)行單向節(jié)流閥的安裝，通過這個(gè)裝置對(duì)插裝閥的開閉時(shí)間進(jìn)行控制，減少閥件快速開閉后引起的液壓沖擊。

②通過增加單向閥的方法，取控制油中壓力最大的腔進(jìn)行中位布置，使得插裝閥按照預(yù)定的控制，保持正確工作狀態(tài)預(yù)防壓力的干擾。

③選擇插裝閥規(guī)格時(shí)，選擇尺寸大些的插裝閥，增加過流能力，也可減少噪聲和振動(dòng)。

④對(duì)液壓管路節(jié)能型重新布置，將推鋼機(jī)控制閥臺(tái)移動(dòng)到推鋼機(jī)液壓缸中間的為止，減小管道長(zhǎng)度，保持閥臺(tái)和推鋼機(jī)的距離相等，有利于推鋼機(jī)同步運(yùn)行。同時(shí)減少?gòu)濐^數(shù)量或者采用鈍角轉(zhuǎn)彎的模式，取消直角彎頭，減小管道引起的沖擊力，優(yōu)化推鋼機(jī)硬管，采用軟管吸振功能，改造軟管管道連接方式，不僅能減少振動(dòng)，還方便拆裝[5]。

⑤將蓄能器組從液壓站位置轉(zhuǎn)移到操作臺(tái)下方盡量靠近閥臺(tái)的位置，可以起到吸收壓力脈動(dòng)的作用，并充分發(fā)揮其功能減小液壓沖擊。

6 推鋼機(jī)液壓系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)后的效果分析

天鋼集團(tuán)有限公司的初軋廠方坯冷床推鋼機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)工作后，取消了液壓系統(tǒng)原有的同步裝置，減少了配套設(shè)備，改由一個(gè)液壓缸進(jìn)行單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，提高了經(jīng)營(yíng)效益，受到了很好效果，降低了設(shè)備維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，而且生產(chǎn)后的需要得到了充分滿足。（如圖2）

7 結(jié)語

推鋼機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了控制系統(tǒng)的功能得到進(jìn)一步提升，更穩(wěn)定地將鋼坯推入爐內(nèi)，提高鋼的產(chǎn)量。因此，推鋼機(jī)的性能和精度是保證液壓控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵。目前我國(guó)在推鋼機(jī)的液壓控制系統(tǒng)上多采用的國(guó)外先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)。但是經(jīng)過實(shí)踐和試驗(yàn)后，自主研發(fā)的設(shè)計(jì)也取得很大成果。對(duì)推鋼機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)以及可靠性研究，可以因地制宜地對(duì)運(yùn)行、故障等進(jìn)行分析，驅(qū)利去弊，研究?jī)?nèi)部和外部的問題，找到解決問題的途徑，增加推鋼機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，我國(guó)液壓技術(shù)與世界先進(jìn)技術(shù)水平上還存在不少距離，第一是產(chǎn)品的種類結(jié)構(gòu)的問題；第二是產(chǎn)品的變型和派生的問題；第三是產(chǎn)品性能指標(biāo)以及使用壽命的問題；第四是自主研發(fā)設(shè)計(jì)水平的問題。今后，應(yīng)在推鋼機(jī)液壓系統(tǒng)改進(jìn)和設(shè)計(jì)工作不斷探索，加大試驗(yàn)和實(shí)踐，趕超世界先進(jìn)技術(shù)水準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)液壓技術(shù)水平的飛躍。

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