晁強(qiáng)

（新疆八一鋼鐵股份有限公司）

1 前言

八鋼150t連鑄產(chǎn)線投產(chǎn)于2013年8月，采用雙水口雙中間包澆鑄模式，配套有兩套機(jī)械式長水口把持器，通過配重形式保持把持器在工作時(shí)支點(diǎn)前后兩端平衡，而長水口把持器跟隨大包升降動(dòng)作需隨時(shí)通過人工增加或減少配重塊來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)常發(fā)生因配重塊重量選擇不合適造成長水口保持器大臂彎曲變形或直接斷裂影響正常的生產(chǎn)。因配重重量大、數(shù)量多，上水口簡單的動(dòng)作都需要大量人力才能完成，工作效率低而且存在極大的安全隱患。因此，八鋼公司第一煉鋼廠自行設(shè)計(jì)了液壓長水口把持器，并應(yīng)用于生產(chǎn)。

2 機(jī)械式長水口把持器的局限

機(jī)械式長水口把持器是以懸掛配重的形式來保持支點(diǎn)前后的平衡，需人工手動(dòng)掛、摘配重來調(diào)整重量施加作用力驅(qū)動(dòng)長水口把持的升降或平移，整個(gè)上、下長水口的過程中需多人（至少3人）配合完成，并且在對(duì)長水口與大包下水口對(duì)中作業(yè)時(shí)無法一次調(diào)整到位，操作難度較大。

2.1 支點(diǎn)兩端無法準(zhǔn)確達(dá)到的平衡

機(jī)械式長水口把持器適合用于固定式回轉(zhuǎn)臂的大包回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)即受包位與澆鑄位無高度差，套入長水口后把持器的位置固定不變。隨著產(chǎn)品的不斷拓展，對(duì)澆鑄過程的質(zhì)量控制要求不斷提高，為保證整個(gè)澆鑄過程中的溫度及成分達(dá)到要求均采用升降式回轉(zhuǎn)臂的大包回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，即受包位與澆鑄位存在高度差。八鋼一煉鋼廠采用的150t連鑄大包回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)受包位與澆鑄位高度差為800mm，這就要求長水口把持器在套入長水口后需根據(jù)回轉(zhuǎn)臂的升降隨之而動(dòng)（簡稱隨動(dòng)），且長水口要與大包的位置始終保持相對(duì)靜止的狀態(tài)。這就要求把持器兩端受力要平衡，機(jī)械式長水口把持器的隨動(dòng)功能是由操作端懸掛或摘下配重來完成，根據(jù)計(jì)算把持器支點(diǎn)兩端受力情況來選擇配重量，即把持器水口端產(chǎn)生的力矩略小于操作端（如圖1所示）

當(dāng)支點(diǎn)兩端產(chǎn)生的力矩差過大將會(huì)造成兩種情況：（1）水口端產(chǎn)生的力矩小于操作端產(chǎn)生的力矩會(huì)造成隨動(dòng)失效從而在回轉(zhuǎn)臂下降過程中將力量傳遞至把持器較為薄弱的部位使之發(fā)生變形或斷裂；（2）水口端產(chǎn)生的力矩大于或等于操作端產(chǎn)生的力矩即同樣會(huì)造成隨動(dòng)失效在正常澆鑄過程中或回轉(zhuǎn)臂上升時(shí)會(huì)發(fā)生長水口與大包脫離的情況。

圖1 機(jī)械式長水口把持器

2.2 開澆過程中無法對(duì)配重量進(jìn)行調(diào)整

機(jī)械式長水口把持器懸掛和摘下配重都必須在大包開澆前或大包澆鑄完后，開澆過程中無法調(diào)節(jié)配重量，這就造成配重的重量只能為固定重量。該重量是在理想狀態(tài)下（液面高度、流速等條件不發(fā)生改變）核算的重量，但在實(shí)際澆注過程中不會(huì)存在理想狀態(tài)故而長水口把持器始終處于支點(diǎn)兩端力矩不平衡的狀態(tài)，狀態(tài)變化所產(chǎn)生的力矩將會(huì)傳遞到把持器的薄弱部位，易引發(fā)事故。

3 把持器改造設(shè)計(jì)思路

解決長水口把持器隨動(dòng)和替代配重隨時(shí)進(jìn)行力矩調(diào)節(jié)是關(guān)鍵問題，長水口把持器的升降動(dòng)作不再需要配重來完成，通過施加其他外力來實(shí)現(xiàn)升降動(dòng)作，同樣隨動(dòng)功能要能夠根據(jù)澆注過程中的狀態(tài)變量隨時(shí)調(diào)整控制，使把持器能夠隨時(shí)可以將多余的外力進(jìn)行釋放，在不改變機(jī)械式長水口把持器的基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)增加液壓系統(tǒng)作為把持器的驅(qū)動(dòng)和控制單元，使把持器的升降動(dòng)作及隨動(dòng)功能由液壓系統(tǒng)來完成。

（1）通過液壓控制系統(tǒng)替代人工操作，以實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)功能；

（2）對(duì)長水口把持器結(jié)構(gòu)及電氣控制改造,在不改變?cè)虚L水口把持器的基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加升降連桿及油缸支撐座。

4 液壓把持器的設(shè)計(jì)及改造

4.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1.1 確定液壓系統(tǒng)技術(shù)要求

本次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)主要用于完成長水口把持器的升降與隨動(dòng)功能，主要工作線路由液壓泵提供壓力經(jīng)過系統(tǒng)壓力控制推動(dòng)液壓缸完成驅(qū)動(dòng)的過程。主體設(shè)計(jì)思路采用簡單易操作且故障率較低的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，載荷計(jì)算考慮長水口重量、鋼水最大沖擊力及支點(diǎn)兩端力臂長度，核算時(shí)盡量考慮長水口端的安全力矩，即設(shè)計(jì)力矩稍大于載荷力矩。工況環(huán)境方面考慮溫度需求盡量選擇本體與液壓站分開，且管路設(shè)計(jì)時(shí)需考慮油品成本及突發(fā)故障時(shí)安全性。

4.1.2 確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù)

（1）初選系統(tǒng)工作壓力：在系統(tǒng)工作壓力的選擇上主要依靠支點(diǎn)兩端受力情況的公式（+）×＜×來計(jì)算水口端的近似受力情況，其中長水口單重35kg，水口端長臂重量約為300kg，而大包對(duì)長水口沖擊力無法精確計(jì)算，故通過×即機(jī)械式長水口把持器懸掛的配重量來推算更為合適，×產(chǎn)生的力矩即為液壓缸應(yīng)克服的力矩，通查計(jì)算可得液壓缸需客服的最小力矩大于50kN，通過液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)-按載荷選擇工作壓力范圍為5～8MP，通過已選定的工作壓力范圍即可做執(zhí)行元件和動(dòng)力元件的選擇。

（2）初選液壓缸尺寸：缸徑φ50mm，桿徑φ36mm，行程 300mm，系統(tǒng)壓力20MP，測(cè)試壓力25MP,中間耳軸兩端緩沖帶防護(hù)罩，液壓介質(zhì)選擇46#液壓油。

（3）選取液壓泵排量：軸向柱塞泵，型號(hào)25PCY14-1B,排量 26.6ml/r，額定壓力 31.5MP,最高壓力40MP。

（4）液壓系統(tǒng)控制原理（如圖 2、圖 3、圖 4所示）：為節(jié)省空間采用上置式液壓站，液壓站容積700L，供兩臺(tái)把持器使用，配套元件液壓泵、液壓閥、加熱器、蓄能器、回油過濾器及檢測(cè)元件，控制部分由電磁換向閥、節(jié)流閥、液控單向閥、直動(dòng)式溢流閥組成、集成塊組成。其控制原理為：液壓泵輸出的帶壓液壓油通過電磁換向閥（三位四通換向閥帶中位機(jī)能4-1、4-2）控制供油方向，并通過節(jié)流閥（雙向節(jié)流閥5-1、5-2）調(diào)節(jié)流量，當(dāng)需要把持器上升時(shí)通過電磁換向閥打開無桿腔供油通道使無桿腔進(jìn)油有桿腔回油，形成完整回路使液壓缸推動(dòng)把持器連桿驅(qū)動(dòng)把持器上升，當(dāng)需要把持器下降時(shí)，通過電磁換向閥打開有桿腔供油通道使有桿腔進(jìn)油同時(shí)帶壓油液打開液控單向閥（6-1、6-2）使無桿腔回油通道暢通，形成完整回路使液壓缸拉動(dòng)把持器連桿驅(qū)動(dòng)把持器下降，當(dāng)需要完成長水口把持器隨動(dòng)功能時(shí)，將把持器升至所需位置后電磁換向閥一直處于無桿腔供油位置，當(dāng)把持器受向下的外力驅(qū)動(dòng)使之下降時(shí)液壓缸活塞向無桿腔推動(dòng)，無桿腔壓力逐漸增大，因無桿腔回路中的液控單向閥無法打開導(dǎo)致無桿腔無法通過回油通道卸荷，此時(shí)將使油液通過溢流閥（設(shè)定壓力與系統(tǒng)工作壓力一致，7-1、7-2）實(shí)現(xiàn)回油卸荷，當(dāng)外力減小或消失時(shí)因電磁換向閥始終處于無桿腔供油狀態(tài)則液壓缸活塞桿將會(huì)隨著有桿腔的壓力逐漸減小而向有桿腔推動(dòng)，活塞桿的運(yùn)動(dòng)與受外力的大小呈線性關(guān)系，從而滿足把持器隨動(dòng)的要求。

圖2 液壓把持器工作原理圖

圖3 液壓系統(tǒng)控制原理圖

注意事項(xiàng)：溢流閥的開啟壓力與系統(tǒng)工作壓力一致，這是為滿足整個(gè)系統(tǒng)的壓力平衡條件而決定的，如溢流閥開啟壓力設(shè)定過高則在隨動(dòng)過程中將會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)憋壓，反之將會(huì)造成系統(tǒng)失壓，兩種情況都會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響或者使把持器無法使用。

圖4 液壓站原理圖

4.2 電氣控制改進(jìn)

電氣控制設(shè)計(jì)改造，只需滿足把持器上升、下降、隨動(dòng)三個(gè)動(dòng)作即可，而且這三個(gè)動(dòng)作都屬于獨(dú)立動(dòng)作，不需要進(jìn)行復(fù)雜的邏輯關(guān)系組合，只需要對(duì)上升、下降、隨動(dòng)三個(gè)動(dòng)作的開關(guān)量進(jìn)行控制即可。設(shè)計(jì)條件：上升和下降時(shí)電氣控制為點(diǎn)動(dòng)控制，隨動(dòng)時(shí)電氣控制為自?？刂?。電氣控制按鈕的安裝位置位于把持器操作端手柄處，便于操作（如圖5所示）。

圖5 長水口把持器電控按鈕安裝位置

4.3 機(jī)械式長水口把持器結(jié)構(gòu)改造

（1）在原機(jī)械式長水口把持器的結(jié)構(gòu)上增加升降連桿，由液壓缸來驅(qū)動(dòng)把持器的上升及下降動(dòng)作。改造后見圖6所示。

圖6 把持器升降連桿

（2）增加液壓缸安裝底座：在原把持器立柱基礎(chǔ)上增加安裝和固定液壓缸的支撐座，支撐座用來固定液壓缸的位置，保證液壓缸在固定位置上進(jìn)行擺動(dòng)（如圖7所示）。

圖7 液壓缸支撐座

液壓長水口把持器總體示意如圖8所示。

圖8 液壓長水口把持器整體示圖

5 生產(chǎn)應(yīng)用情況

2018年7月改造后的液壓把持器通過離線測(cè)試后上線使用，使用效果與設(shè)計(jì)初衷一致，并得到現(xiàn)場(chǎng)使用者的認(rèn)可。現(xiàn)場(chǎng)使用液壓把持器后，在操作上、下大包長水口的整個(gè)作業(yè)過程可由1人完成；在進(jìn)行長水口與大包下水口對(duì)中作業(yè)時(shí)，可根據(jù)大包下水口的位置通過把持器的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)功能及液壓升降功能準(zhǔn)確定位，避免了因?qū)χ胁僮麟y度過大而造成的鋼水噴濺傷人的情況，在便捷操作和本質(zhì)化安全方面得到了有效的保障。

6 結(jié)束語

本次改造的重點(diǎn)在于對(duì)長水口把持器的液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)增加的液壓系統(tǒng)解決了支點(diǎn)兩端的平衡以及對(duì)配重量進(jìn)行調(diào)整的問題，從而使長水口把持器的操作優(yōu)化并提高了勞動(dòng)效率。

液壓長水口把持器操作方便維護(hù)成本低，可降低人員勞動(dòng)負(fù)荷、提升勞動(dòng)效率，更為重要的是其在本質(zhì)化安全方面發(fā)揮了支撐作用，消除了安全隱患。