全液压装出料系统的优化设计

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(马鞍山钢铁股份有限公司, 安徽 马鞍山　243000)

引言

某公司2009年对回火炉系统进行全面升级改造，为实现适应完全自动化生产模式的要求，将该区域设置为一台顶升机配合一台机械手负责，将放置在辊道上的车轮顶起后，由机械手将车轮放置到环形炉的指定位置，另一台机械手负责到环形炉的指定位置取出放置到输出辊道上。原液压部分设计参照资料进行设计，每个装置采用一套单独液压系统，整个系统装机容量达100 kW，投用后液压泵启动频繁损耗严重，系统油温无法得到有效控制，漏油状况时有发生，故障率居高不下，无法实现低耗绿色发展的要求。2014年对该系统进行了优化设计并组织实施。

1　装出料系统的结构组成

整个装出料系统由一台顶升机配合一台机械手组成装料部分，一台机械手独立完成出料工作，2台机械手的结构完全一致，如图1所示。

该机械手为双桁架桥结构， 采用全液压驱动。主要包括桥式框架、行走小车系统、四连杆系统及液压系统等部分组成。行走小车由液压马达驱动， 通过齿条和小齿轮系统完成整个装置的水平移动，由双垂直液压缸驱动的四连杆机构来完成夹钳系统的垂直方向运动，夹钳系统由带位置监测的液压缸驱动连杆机构完成夹钳的夹持动作，夹紧力采用压力监控，确保夹持动作有效。所有轴的运动参数可以通过比例阀进行无级调速。

1.桥式框架　2.夹钳系统　3.连杆系统　4.垂直液压缸5.液压马达　6.行走小车图1　出入料机械手结构

1.电机　2.恒压变量泵　3.高压过滤器　4.溢流阀　5.单向阀　6.蓄能器安全阀　7.蓄能器　8.压力开关　9.高压球阀　10.减压阀11.电磁换向阀　12.双液控单向阀13.双单向节流阀　14.单向阀　15.电机　16.循环泵　17.过滤器　18.单向阀　19.溢流阀　20.换热器图2　液压泵站的液压原理

2　液压泵站的液压原理

液压泵站的液压原理如图2所示。新的系统选用2台37 kW电机分别驱动一台A10VSO100的恒压变量泵作为动力源，系统采用一用一备的工作方式。

恒压变量泵变量压力设为16 MPa，在未达到泵上调压阀设定压力之前，变量泵斜盘处于最大偏角，泵排量最大且排量恒定，在达到调压阀设定压力之后，控制油进入变量液压缸推动斜盘减小泵排量，实现流量在0～Qmax之间随意变化，从而保证系统在没有溢流损失的情况下正常工作，大大减轻系统发热，节省能源消耗。

在泵出口接一个先导式溢流阀作为系统安全阀限定安全压力，为保证泵在调压阀设定压力稳定可靠工作，将系统安全阀调定压力17 MPa。每台泵的供油侧各安装一个单向阀，以避免备用泵被系统压力“推动”。为保证比例阀工作的可靠性，每台泵的出口都设置了一台高压过滤器，用于对工作油液的过滤。

为适当减小装机容量，结合现场工作频率进行蓄能器工作状态模拟，最终采用四台32 L的蓄能器7作为辅助动力源，当低速运动时载荷需要的流量小于液压泵流量，液压泵多余的流量储入蓄能器，当载荷要求流量大于液压泵流量时，液体从蓄能器放出，以补液压泵流量。蓄能器仿真计算结果见图3。经计算，系统最低压力为14.2 MPa,实际使用过程中监控系统最低压力为14.5 MPa，完全满足使用要求。

图3　蓄能器模拟结果

顶升机液压系统在泵站阀块上，由于系统工作压力低于系统压力，故设计了减压阀以调定顶升机系统工作压力，该系统方向控制回路采用三位四通电磁换向阀，以实现液压缸的运动方向控制，当液压缸停止运动时，依靠双液控单向阀锥面密封的反向密封性，能锁紧运动部件，防止自行下滑，在回油回路上设置双单向节流阀，双方向均可实现回油节流以实现速度的设定，为便于在故障状态下能单独检修顶升机液压系统，系统在进油回路上设置了高压球阀9，在回油回路上设置了单向阀14。

该液压站采用了单独的油液循环、过滤、冷却系统设计，此外还设置有油压过载报警、滤芯堵塞报警、油位报警、油温报警等。

3　机械手机体阀台的液压原理

对于每台机械手都单独配置一套机体阀台，机体阀台采用集成阀块设计，通过整合优化液压控制系统，将各相关液压元件采用集约布置方式，使全部液压元件集中安装在集成阀块上，元件间的连接通过阀块内部油道沟通，从而最大限度地减少外部连接，基本消除外泄漏。其液压原理如图4所示。机体阀台的四个出入油口(P-压力油口，P2-补油油口，T-回油油口，L-泄漏油口)分别与液压泵站的对应油口相连接。

压力油由P口进入机体阀台后，经高压球阀1及单向阀2.1后，一路经单向阀4给蓄能器6供油以作为系统紧急状态供油，一路经插装阀3给系统正常工作供油。为保证每个回路产生的瞬间高压不影响别的工作回路，在每个回路的进出口都设置了单向阀，对于夹钳工作回路因设置了减压阀16进行减压后供油，无需设置单向阀。

对于小车行走系统，由比例阀12.1控制液压马达21的运动方向，液压马达设置了旋转编码器，对于马达行走采用闭环控制，以实现平稳起制动以及小车的精准定位。为避免制动时换向阀切换到中位，液压马达靠惯性继续旋转产生的液压冲击，设置了双向溢流阀11分别用来限制液压马达反转和正转时产生的最大冲击压力，以起到制动缓冲作用，考虑到液压马达制动过程中的泄漏，为避免马达在换向制动过程中产生吸油腔吸空现象，用单向阀9.1和9.2从补油管路P2向该回路补油，为实现单台机械手的故障检修，在补油管路P2上设置了高压球阀8，为实现检修时，可以将小车手动推动到任意检修位置，系统设置了高压球阀5.2。

对于双垂直液压缸回路，由比例阀12.2控制液压缸22的运动方向，液压缸安装了位移传感器，对于液压缸位置采用闭环控制，实现液压缸行程的精准定位，液压缸驱动四连杆机构来完成夹钳系统的垂直方向运动；为防止液压缸停止运动时自行下滑，回路设置了双液控单向阀13.1，其为锥面密封结构，闭锁性能好，能够保证活塞较长时间停止在某位置处不动；为防止垂直液压缸22因夹钳系统及工件自重而自由下落，在有杆腔回路上设置了单向顺序阀14，使液压缸22下部始终保持一定的背压力，用来平衡执行机构重力负载对液压执行元件的作用力，使之不会因自重作用而自行下滑，实现液压系统动作的平稳、可靠控制； 为防止夹钳夹持超过设计重量的车轮， 在有杆腔设置了溢流阀15.1作为安全阀的运动，来驱动连杆机构完成夹钳的夹持动作，回路设置了双液控单向阀13.2，来保证活塞较长时间停止固定位置，考虑到夹钳开启压力原小于关闭压力(液压缸向无杆腔方向运动夹钳关闭)，在液压缸无杆腔回路上设置了溢流阀15.3，调定无杆腔工作压力，当比例换向阀17右位工作时，压力油经液控单向阀13.2后，一路向有杆腔供油，一路经电磁球阀18向蓄能器19供油，当夹钳夹住车轮，有杆腔建立压力达到压力继电器20设定值后，比例换向阀17回中位，蓄能器19压力油与有杆腔始终连通，确保夹持动作有效，当比例换向阀17左位工作时，蓄能器19压力油经电磁球阀18与有杆腔回油共同经过比例换向阀17回回油口。

对于夹钳液压缸回路，工作压力经减压阀16调定工作压力后由比例阀17控制带位置监测的液压缸23紧急情况下，电磁换向阀7得电(与系统控制电源采用不同路电源)，将蓄能器6储存的压力油，一路经单向阀9.11供给夹钳液压缸23，使夹钳打开，同时有杆腔回油经电磁球阀18，单向阀9.9回回油T口；一路压力油经节流阀10，单向阀9.3使液压马达21带动小车向炉外方向运动，液压马达回油经比例换向阀12.1，单向阀9.5回回油T口。以确保设备能放下待取车轮，退出加热炉内部，保护设备安全。

1.DN25高压球阀　2.DN30单向阀　3.插装阀　4.DN20单向阀　5.DN10高压球阀　6.蓄能器　7.换向阀　8.DN16高压球阀9.DN10单向阀　10.节流阀　11.双溢流阀　12.比例阀　13.双液控单向阀14.单向顺序阀　15.溢流阀　16.减压阀　17.比例阀18.电磁球阀　19.蓄能器　20.压力继电器　21.液压马达　22.液压缸　23.夹钳液压缸图4　机体阀台液压原理

4　结论

全液压装出料系统经优化设计，系统的装机容量由100 kW下降到37 kW，大大降低能源消耗，适应了当今绿色发展的要求。由于系统采用备用泵设计，确保了系统的长期稳定运行；蓄能器的大量使用，保证了系统的流量和压力满足生产实际的要求；集成阀块的设计方式，减少了系统下泄漏的几率，降低了油液消耗，保护了环境；紧急回路的设计，可以有效保护设备的使用安全。该技术成果具有向同类加热炉装出料机构推广应用经济价值。

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