500,t管端加厚机的步进运输机构液压回路分析以及改进措施

刘朝池

(天津钢管集团股份有限公司 天津 300301)

500,t管端加厚机的步进运输机构液压回路分析以及改进措施

刘朝池

(天津钢管集团股份有限公司 天津 300301)

步进运输机构是管端加厚机的主要设备之一，其功能是完成对管坯的取料和落料，采用液压传动和连杆机构的传动方式。针对管端加厚机的步进运输机构在工作过程中出现的振动和冲击现象，对其液压控制回路进行分析。通过对比例换向阀阀口压力、液压锁的开锁压力等重要参数的计算分析，得出500,t管端加厚机的步进运输机构在下降过程中产生振动和冲击的原因，提出了解决措施，通过生产实践，改造后的液压系统完全满足生产要求，达到了良好的效果。

步进运输机构 比例换向阀 液压锁 开锁压力 振动

500,t管端加厚机的步进运输机构传动方式采用液压传动和连杆机构，其结构图见图1。步进运输机构的升、降运动是通过升降液压缸来实现的。升降液压缸推动摆臂二，通过连杆、摆臂一及滚轮带动滚动托架作升降运动。在升降过程中，水平运动的液压缸被锁定。滚动支架的水平运动由平移液压缸驱动，同样，在平移过程中，升降运动液压缸被锁定。通过升降液压缸和平移液压缸的运动实现滚动支架对管坯的“举起”、“平移”、“落下”，以满足管端加厚机对管坯端部进行加厚的工艺要求。在现场生产过程中，当步进机构上升时，步进机构运行平稳；而当步进运输机构下降时，升降缸控制液压回路出现“嗤嗤”的声音，同时伴随着振动和冲击现象，严重影响步进运输机构的工作稳定性。通过对比例换向阀与液压锁组成的液压回路进行分析计算，得出了引起步进运输机构振动和冲击的原因。

图1 步进运输机构结构图Fig.1 Structure of a stepping conveyer

1 双向液控单向阀开锁压力计算

在步进运输机构上升到停止位以后，驱动液压缸的有杆腔和无杆腔都需要锁紧。原理图如图2所示。

图2 液压控制回路原理图及液压锁结构图Fig.2 Schematic diagram of hydraulic control circuit and structure of a piloted check valve

1.1 液压缸无杆腔的开锁条件

如图2(b)所示，当比例换向阀处于左位时，压力油p2进入液压缸的有杆腔，在无杆腔没有开锁之前闭锁压力进一步提高，根据液压缸活塞的平衡力方程式：

液压锁开锁的充分条件：

将(1)式代入(2)式得：

式中：1F——液压缸无杆腔面积；F2——液压缸有杆腔面积；φ——液压缸的速比，；D——液压锁控制活塞有效作用面积；d——液压锁锥阀有效作用面积；R——作用在液压缸上的外载荷；p′——液压锁的背压；K1——无杆腔弹簧力以及阻力之和；K2——有杆腔弹簧力以及阻力之和。

1.2 液压缸有杆腔的开锁条件

当比例换向阀处于右位时，压力油p1进入液压缸的无杆腔，在有杆腔没有“开锁”之前闭锁压力进一步提高，根据液压缸活塞的平衡力方程式，同式(1)。

液压锁开锁的充分条件：

将(1)式代入(4)式得：

2 比例换向阀p3、p4的求取方法

从液压锁的开锁条件可知，只要能求出液压缸在上升以及下降两种状态下比例换向阀p3、p4的压力，通过比较p3与式(3)、(5)数值的大小就能知道液压锁是否正常开启。

2.1 液压缸上升时比例换向阀p3、p4的求取

该种状态下，液压缸受阻力性负载(又称阻性负载)，这种负载的特点是始终与液压缸的运动方向相反。简化回路如图3(a)所示。

图3 液压简化回路Fig.3 Simplified hydraulic circuit

由流量公式：

式中：a1、a2分别为进、回油阀口开启面积，令：

所以：

由力平衡得：

由公式(6)与公式(7)联立可推导出：

2.2 液压缸下降时比例换向阀p3、p4的求取

该种状态下，液压缸受助力性负载(又称负负载)。这种负载的特点是始终与液压缸的运动方向相同。简化回路如图3(b)所示。

由流量公式：

式(8)、式(9)、式(10)、式(11)是工程上简便实用的计算公式，当采用比例换向阀与内控液压锁组合的液压回路时，必须计算出p3、p4的大小，并与上面计算的液压锁开锁压力进行比较。

3 加厚线液压步进运输机构液压回路的实例分析

现场比例换向阀4WRZ16W6-150-7X/，查样本，可知阀口面积比；液压锁液压锁控制活塞有效作用面积为706.5,mm2，F4液压锁锥阀有效作用面积为254.3,mm2，面积比＝2.8；液压缸φ160/φ90-300，液压缸的速比φ＝1.46，液压缸无杆腔面积1F＝20,096,mm2，液压缸有杆腔面积F2＝13,737.5,mm2；系统供油压力pP为9,MPa；负载范围R＝31,800～77,480,N，计算时代入最大值。

3.1 比例换向阀p3、p4压力计算

3.1.1 当液压缸无杆腔进油时

将上述已知参数代入式(8)、(9)得：

液压缸无杆腔压力p3=5.1,MPa；

液压缸有杆腔压力p4=1.82,MPa。

3.1.2 当液压缸有杆腔进油时

将上述已知参数代入式(10)、(11)，得：

3.2 液压锁开锁压力计算

3.2.1 当液压缸有杆腔进油时

3.2.2 当液压缸无杆腔进油时

液压缸有杆腔所需的开锁压力p1＞1.07 MPa。

通过现场检测发现，液压缸在上升与下降时，液压缸有杆腔与无杆杆腔的压力，与上述计算结果几乎吻合。

3.3 计算结果比较

3.3.1 当液压缸有杆腔进油时

3.3.2 当液压缸无杆腔进油时

由于液压缸无杆腔压力p3=5.1,MPa大于液压缸有杆腔所需的开锁压力p1=1.07,MPa，所以液压缸在上升过程中，液压缸有杆腔一直处于打开状态，不会出现冲击和振动现象。

4 改进措施

① 提高系统供油压力pP，当系统供油压力提高到17.9,MPa时，MPa，振动现象消失。

② 重新设计液压控制回路，原理图见图4。采用两个液控单向阀(带泄油口)组成锁紧回路，液控单向阀的开启由电磁换向阀直接控制，避免了p4对液控单向阀的影响，大大降低系统供油压力。

图4 改造后的液压控制回路原理图Fig.4 Schematic diagram of hydraulic control circuit after transforming

5 结 语

从上面计算结果可以得出如下结论：

① 采用比例方向阀与内控液压锁组成无泄漏闭锁方案，一定要进行工程验算，以确保步进运输机构在升、降过程中液压锁能正常开启。

② 从上面验算可知，改变液压缸结构参数、限制负载值及提高系统压力，可以解决步进运输机构的振动、冲击现象。

③ 采用两个液控单向阀组成锁紧回路，可使系统供油压力大大降低，缺点是造价较液压锁回路高很多。■

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Analysis on Hydraulic Circuit of the Stepping Conveyer for 500,t Tube-end Upsetting Machine and Its Improvement Measures

LIU Chaochi
(Tianjin Pipe(group)Corporation，Tianjin 300301，China)

Stepping conveyer is one of the main facilities of a tube-end upsetting machine．Driven by hydraulic system and linkage devices，it is used to kick billets in and out．To understand the phenomena of vibration and impact of a working stepping conveyer of the tube-end upsetting machine，its hydraulic control circuit was analyzed．After calculating and analyzing parameters of the inlet pressure of proportion directional valve and the unlock pressure of the piloted check valve，the paper presents the cause of the phenomena which take place while stepping conveyer is moving down．In addition，relevant solutions were presented．As practical production indicated，the transformed hydraulic system can completely meet production requirements.

stepping conveyer；proportional directional valve；piloted check valve；unlock pressure；vibration

TH137

A

1006-8945(2016)06-0063-04

2016-05-10