王龍

（蘇州有色金屬研究院有限公司，江蘇蘇州215026）

鋁板帶加工設(shè)備用液壓脹形輥超高壓流體輸送方法

王龍

（蘇州有色金屬研究院有限公司，江蘇蘇州215026）

超高壓力液壓脹形輥的流體輸送對(duì)液壓系統(tǒng)有多個(gè)方面的要求，需要兼顧液壓系統(tǒng)流量、脹形輥的轉(zhuǎn)速及液壓壓力等級(jí)等因素。采用全局高壓力液壓系統(tǒng)和采用增壓器的局部高壓力系統(tǒng)這兩種方案各有特點(diǎn)。綜合比較了兩種系統(tǒng)的技術(shù)門檻、改造便利性及成本經(jīng)濟(jì)性各因素。通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，采用增壓器的局部高壓力方案在工程實(shí)踐更具有可行性。關(guān)鍵詞：液壓脹形輥；流體輸送；增壓器；超高壓流體

鋁加工生產(chǎn)中的板形控制方法中，采用液壓脹形輥來(lái)調(diào)節(jié)板形是其中之一。以日本和美國(guó)對(duì)該技術(shù)的研究較深入，其工業(yè)應(yīng)用也最多。我國(guó)是鋁加工生產(chǎn)的大國(guó)。由于液壓脹形輥的在線調(diào)節(jié)板形能力，國(guó)內(nèi)鋁加工企業(yè)也希望在生產(chǎn)使用該技術(shù)。自80年代末開(kāi)始有部分學(xué)術(shù)報(bào)道。國(guó)內(nèi)的高校，如北京科技大學(xué)、東北大學(xué)等也對(duì)該技術(shù)有研究。部分研究團(tuán)隊(duì)還試制了樣機(jī)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，液壓脹形輥的變形是由輥體內(nèi)部超高壓壓力油膨脹產(chǎn)生。如何給轉(zhuǎn)動(dòng)工作的輥體輸送超高壓油流，相關(guān)研究和探討目前鮮見(jiàn)報(bào)道。

1 液壓脹形輥概述

液壓脹形輥系統(tǒng)及其原理最早由日本提出。初期主要作為黑色金屬軋機(jī)軋輥使用，多用于板形的在線實(shí)時(shí)調(diào)控。隨后逐漸擴(kuò)展到有色金屬加工領(lǐng)域。液壓脹形輥其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓脹形輥結(jié)構(gòu)示意圖

液壓脹形輥由芯軸與輥套組成。在芯軸與輥套之間設(shè)有液壓腔，高壓流體經(jīng)過(guò)回轉(zhuǎn)接頭由芯軸進(jìn)入液壓腔。在高壓流體的作用下，輥套外脹并產(chǎn)生一定的凸度變形。調(diào)整流體壓力的大?。ǔＲ?jiàn)的控制壓力范圍為0~50 MPa），能夠極平滑地改變輥套凸度，迅速校正輥體的彎曲變形，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)板形的控制[1]。在輥體結(jié)構(gòu)上，輥套與芯軸兩端在一定軸向長(zhǎng)度區(qū)間內(nèi)采用過(guò)盈配合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓流體的密封，同時(shí)在承受軋制載荷時(shí)傳遞扭矩并保證軋輥的整體剛度。

液壓脹形輥在工作時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的，必須有回轉(zhuǎn)接頭類裝置實(shí)現(xiàn)流體的輸送。

在金屬板帶軋制實(shí)際應(yīng)用中，液壓脹形輥既可以用于工作輥，又可以用作支撐輥。對(duì)于黑色金屬和有色金屬軋制過(guò)程中的板形控制均有明顯的效果[2]。

2 方案及探討

2.1脹形輥對(duì)壓力流體輸送的技術(shù)要求

由液壓脹形輥的結(jié)構(gòu)及原理可以看出，高壓流體的輸送和控制是輥體實(shí)現(xiàn)其功能的重要因素。綜合來(lái)看，在壓力流體的輸送方面，主要有以下幾個(gè)方面的要求：

（1）壓力調(diào)節(jié)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)超高壓力范圍的（常見(jiàn)的為0~50 MPa）壓力調(diào)節(jié)；同時(shí)可在高轉(zhuǎn)速情況下實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)（升高或降低），最高轉(zhuǎn)速可達(dá)500 r/min.

（2）適應(yīng)性的流量性能要求。低壓時(shí)能有較大流量充滿密閉腔體，由于液體的不可壓縮性，在腔體已充滿液體并升至高壓的過(guò)程只需要極小的流量。

（3）具備較好的密封性能，不能有液體泄漏。因?yàn)槊浶屋伖ぷ鲿r(shí)需要壓力能維持穩(wěn)定，液體泄漏會(huì)導(dǎo)致脹形輥工作狀態(tài)不良或增加壓力調(diào)節(jié)的難度。

（4）由于液壓脹形輥是作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，因此輸送壓力液體必須有回轉(zhuǎn)接頭類裝置。

基于前述的技術(shù)要求和使用條件，主要有兩種不同的方法實(shí)現(xiàn)高壓力流體的輸送。

2.2 高壓力流體直接輸送方案

液壓站實(shí)現(xiàn)流體壓力調(diào)節(jié)及對(duì)外輸送，期望壓力流體直接通過(guò)回轉(zhuǎn)接頭輸入到脹形輥。

困難點(diǎn)：高壓力時(shí)回轉(zhuǎn)接頭的在回轉(zhuǎn)狀態(tài)下的密封性能較差，極易產(chǎn)生泄漏，導(dǎo)致流體壓力損耗。回轉(zhuǎn)接頭在高壓力情況下，無(wú)法同時(shí)滿足壓力和流量的要求。方案如圖2所示。

圖2 高壓力流體直接輸送方案

2.3 使用增壓器實(shí)現(xiàn)局部高壓力的輸送方案

液壓站實(shí)現(xiàn)流體壓力調(diào)節(jié)及對(duì)外輸送，低壓力流體通過(guò)回轉(zhuǎn)接頭后再進(jìn)入增壓器升高壓力至目標(biāo)壓力值。增壓器一般具有固定的增壓比。通過(guò)調(diào)節(jié)液壓站對(duì)外輸送的流體的壓力即可調(diào)節(jié)增壓器輸出口的流體壓力。其方案如圖3所示。

圖3 使用增壓器的流體輸送方案

2.4 討論

工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)合，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境、設(shè)備的安全性，性能穩(wěn)定性都有一定的要求，以保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

2.4.1 高壓力流體直接輸送方案的特點(diǎn)

（1）目前通用回轉(zhuǎn)接頭產(chǎn)品基本不能應(yīng)付這類嚴(yán)苛的使用場(chǎng)合，產(chǎn)品壽命及可靠性達(dá)不到使用要求。在輸送壓力達(dá)到31.5 MPa以上的流體時(shí)，大多數(shù)回轉(zhuǎn)接頭允許的轉(zhuǎn)速低于20 r/min.產(chǎn)品在高壓力高轉(zhuǎn)速下的壓力流體輸送能力不夠。高壓力時(shí)，回轉(zhuǎn)接頭在回轉(zhuǎn)狀態(tài)下的密封性能較差，極易產(chǎn)生泄漏，導(dǎo)致流體壓力損耗。

（2）就成本而言，超高壓回轉(zhuǎn)接頭成本高昂，使用和維護(hù)成本高。對(duì)配套的液壓站及管路的技術(shù)要求和使用維護(hù)都有較高的要求。由于全管路均維持在高壓狀態(tài)，由于元件失效容易導(dǎo)致設(shè)備事故或人員傷害。

（3）在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造的便利性。由于全部是超高壓管路，常規(guī)液壓系統(tǒng)壓力一般在31.5 MPa以內(nèi)，無(wú)法滿足工程需要。大多情況下需要重新添置整套設(shè)備或管路及元件。

2.4.2 使用增壓器的局部高壓的輸送方案的特點(diǎn)

（1）方案解決了高轉(zhuǎn)速高壓力情況下對(duì)回轉(zhuǎn)接頭要求嚴(yán)苛的問(wèn)題。為通用型低壓力高轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)接頭的選用提供了可能。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，工作壓力不高于16 MPa，轉(zhuǎn)速不高于500 r/min的情況下，可選型的回轉(zhuǎn)接頭的流體輸送能力完全滿足工程需要。

（2）具有成本和安全優(yōu)勢(shì)。由于系統(tǒng)只在局部（增壓器之后的部分，主要為脹形輥內(nèi)部）是超高壓狀態(tài)，外部液壓系統(tǒng)壓力為低壓液壓系統(tǒng)。系統(tǒng)絕大部分為低壓系統(tǒng)，具有較好的安全性和可靠性，降低了對(duì)液壓系統(tǒng)的維護(hù)要求。

（3）在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造的便利性。只需要在原系統(tǒng)增加增壓器即可實(shí)現(xiàn)，無(wú)需增加更多的液壓元件[3-4]。

（4）增加壓器可以有不同的增壓比（即出口壓力與入口壓力的比值），能適應(yīng)各種壓力范圍[5]。在達(dá)到增壓器增壓時(shí)的臨界壓力閾值前，增壓器具有較大的流量，增壓開(kāi)始后，流量大幅減小。這些特性完全適合脹形輥的工作需要。

2.4.3 綜合使用與維護(hù)

（1）在技術(shù)門檻方面。全部采用超高壓系統(tǒng)，對(duì)液壓裝置、元件均有較高的技術(shù)要求。因元件或裝置的耐壓等級(jí)提高，超高壓力的液壓元件或裝置不易選型。整個(gè)液壓系統(tǒng)運(yùn)行在高壓力狀態(tài)下，由于泄漏引起的危險(xiǎn)也有所增加，相應(yīng)的防護(hù)措施也更嚴(yán)格。日常維護(hù)周期及工作內(nèi)容也較多，而采用增加器，實(shí)現(xiàn)局部超高壓的系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要的部分運(yùn)行在常規(guī)壓力狀態(tài)下，與主體機(jī)組常規(guī)液壓系統(tǒng)要求基本一致。處于超高壓狀態(tài)的局部系統(tǒng)依然是需要良好維護(hù)的，但總體維護(hù)工作量大幅減少。

（2）改造的經(jīng)濟(jì)性。在現(xiàn)有常規(guī)壓力液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造并采用全局超高壓系統(tǒng)，大多數(shù)情況下，需要獨(dú)立布置全新超高壓系統(tǒng)，這無(wú)疑增加了經(jīng)濟(jì)投入。在一些空間緊湊的場(chǎng)合可能還有布管的困難。采用增壓器實(shí)現(xiàn)局部高壓的方案則可直接在原有系統(tǒng)中增加為數(shù)不多的液壓器件（主要是增壓器及必要的管路及接頭），在液壓系統(tǒng)的末端或局部實(shí)現(xiàn)超高壓力，避免了過(guò)多的經(jīng)濟(jì)投入。

3 驗(yàn)證

基于項(xiàng)目研發(fā)的目標(biāo)，項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套控制壓力最大為50 MPa的可變凸度輥系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)樣機(jī)

在測(cè)試初期，采用靜態(tài)輸送壓力油的方式。壓力油由手動(dòng)泵供給壓力油。在此方式下，輥體靜止，進(jìn)油口與輸油液壓管直連，不經(jīng)回轉(zhuǎn)接頭。通過(guò)驗(yàn)證，油壓力達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)值50 MPa時(shí)輥體仍然密封良好。

動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程中，使用了自行設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)接頭及第三方的回轉(zhuǎn)接頭。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是自行設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)接頭還是外購(gòu)的回轉(zhuǎn)接頭，在低壓力低轉(zhuǎn)速時(shí)（壓力<10 MPa且轉(zhuǎn)速<30 r/min），能夠有效輸送壓力液體且回轉(zhuǎn)接頭處極少有泄露；當(dāng)壓力升高至15 MPa以上時(shí)，壓力油開(kāi)始有可視泄露。更高壓力時(shí)，壓力油泄露嚴(yán)重。同樣的，即使在較低的壓力等級(jí)下，如不大于10 MPa時(shí)，當(dāng)工作轉(zhuǎn)速達(dá)到100 r/min及以上時(shí)，回轉(zhuǎn)接頭處壓力油泄露嚴(yán)重。

在此情況下，由于壓力油泄露，導(dǎo)致可變凸度輥控制壓力波動(dòng)。影響其脹形效果并最終導(dǎo)致控制精度下降。

試驗(yàn)后期采用了帶增壓器的方案進(jìn)行壓力油輸送。采用了通用的小型液壓站和壓力控制器件，壓力油輸送和操作壓力的控制均取得到良好的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）液壓脹形輥的超高壓力液體輸送過(guò)程中，由于系統(tǒng)液壓壓力很高，對(duì)液壓系統(tǒng)提出了較高的要求。

（2）現(xiàn)有的回轉(zhuǎn)接頭類產(chǎn)品不能兼顧超高壓力、高工作轉(zhuǎn)速下流體輸送的要求。

（3）在現(xiàn)有常規(guī)壓力液壓系統(tǒng)增加液壓增壓器，能方便地實(shí)現(xiàn)局部超高壓。

（4）采用增壓器實(shí)現(xiàn)局部超高壓的技術(shù)方案具有經(jīng)濟(jì)性好，易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。

[1]Hara Senri，Yamada Junzo，Hirooka Eiji，Takigawa Toshiji et al.Development of Sumitomo VC Roll System[J].Sumitomo Metals，1981，33（3）：25-42.

[2]Yamada J.，Ono H.，Takigawa T.，Yasui E.，NunokawaT.et al. Development of the Sumitomo VC Roll System[J].Iron and Steelmaker，1982，9（6）：37-42.

[3]Eibe W W.inflatable crown rolls—Characteristics，Design and Applications[J].Iron and steel Engineer，1984，61（9）：20-25.

[4]Ginzbrug V.B.Strip Profile Control with Flexible Edge Back Rolls[J].Iron and Steel Engineer，1987，64（7）：23-24.

[5]雷天覺(jué)．液壓工程手冊(cè)[M]．北京：理工大學(xué)出版社，1994．

Ultrahigh Pressure Fluid Delivery Methods for Hydraulic Variable Crown Roller of Metal Strip Mill

WANG Long
（Suzhou Nonferrous Metals Research Institute Co.，Ltd.，Suzhou Jiangsu 215026，China）

Ultrahigh pressure fluid delivery of variable crown roller has many requirements on hydraulic system，such as the flow，pressure rating and roller rotary speed.The two kinds of hydraulic system，global high pressure hydraulic system and hydraulic system with booster who has local high pressure，have different features.The paper compared the technical parameter，fluid delivery convenience and cost of each，the local high pressure with booster is preferred in industry.

hydraulic variable crown roller；fluid delivery；booster；ultrahigh pressure fluid

TG339

A

1672-545X（2017）06-0186-03

2017-03-01

王龍（1981-），男，安徽舒城人，工程師，主要從事有色金屬加工裝備及自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的研究工作。