钢管热锯液压系统的改进

王嘉赋

（湘潭大学 机械工程学院，湖南 湘潭 411100）

钢管热锯液压系统的改进

王嘉赋

（湘潭大学 机械工程学院，湖南 湘潭 411100）

钢管热锯是钢管热轧机组切断红热态钢管的主要设备，锯片进给由比例换向阀控制的液压缸驱动。通过对某大口径厚壁管热锯的故障进行分析，纠正了回路中平衡阀使用不当，液压缸超压的问题，找出比例换向阀选型不合理的设计缺陷，重新计算所需流量并选型予以改进，为比例换向阀的选型和平衡阀的使用提供了参考。

热锯；比例阀；平衡阀；死区

钢管热锯是轧管机组切断红热态钢管的主要设备，国内某公司使用的热锯锯切钢管最大外径800mm,最大壁厚120mm。由于不同批次钢管的外径、壁厚、材质均不同，钢管温度、硬度不一致，锯切负载也随之变化。因此锯切进给速度要根据需要调整。故而要求精确控制进给行程和进给速度。

1 问题描述

为缩短锯片空载下降的待切时间，需要根据钢管规格设置快进行程。由于现有比例换向阀不能实现所需要的精确控制，常出现锯片快速下降撞击钢管的事故。根据锯切负载的变化，需要调节锯切进给速度。同样由于现有比例换向阀不能实现所需要的精确控制，速度调节不准确。进给量过大锯片堵转，引起锯片粘钢甚至破裂；进给量过小锯切时间过长，钢管冷却后硬度升高锯切负载加大，锯片会发热损坏。锯切过程中，系统压力不能低于180Pa，否则由于设备自重，锯片及传动减速箱不能升起。由于进给腔加压和设备自重以及回油节流的影响，系统压力180Pa时油缸有杆腔压力超过320Pa，存在管道爆破、液压缸爆裂、液压油泄漏起火的安全隐患。

2 液压系统的分析

（1）锯切工作原理。热锯以摆动梁为杠杆，轴承座为支点，液压缸驱动摆动梁摆动实现锯切周期的动作循环。摆动梁通过轴承和轴承座安装在热锯基座上，传动减速箱和摆动梁为整体焊接件，主传动电机安装于摆动梁上。主电机和传动减速箱之间由万向轴传动以驱动锯片高速旋转。锯片通过法兰安装在主传动减速箱的输出轴上，外加防护罩防止锯片破裂飞出。待锯切的钢管通过V型运输辊道运送至锯片下方并定位，用一套液压缸驱动的夹管机构夹紧固定。

（2）液压系统原理及分析。液压系统改造前后原理图如图1所示。热锯进给系统选用ATOS的DPZO-AE-271 -D3型电液比例换向阀控制进给液压缸动作，该阀正遮盖非线性，P-A为全流量，P-B为1/2全流量，不带位置反馈。图2所示曲线3为该阀流量增益曲线。液压缸参数为160/110-600，热锯设计进给速度为20～100mm/s，返回速度为50～300mm/s，摆动梁液压缸驱动端与锯片端力臂长度比为1：2.51。系统压力调定为180Pa。当比例阀接收到指令信号，输入流量进入液压缸，液压缸驱动摆动梁上升，利用杠杆原理实现锯片下降进给。

图1 液压系统改造前后原理图

图2 阀流量增益曲线

根据工艺要求，空载时快进，锯切时慢进。锯切负载大的钢管时，进给速度实际调整为5mm/s。计算出液压缸无杆腔进油流量Q1和有杆腔回油流量Q2。

液压缸的进给速度V1=5/2.51≈2mm/s

液压缸的无杆强面积A1=20096mm2

液压缸的有杆腔面积A2=10598mm2

Q1=V1×A1=40192mm3/s≈2.4L/min

Q2=V1×A2=21196mm3/s≈1.27L/min

热锯进给时液压缸流量为2.4L/min，从图2曲线3可以看出，比例阀在热锯进给工作时，输入信号在死区附近。而且输入信号要非常准确，因为信号稍微变化，引起的流量变化较大，液压缸的速度变化也较大。需要对速度进行微调时，满足不了需求。

对热锯进给有杆腔的增压现象进行分析，得出以下三个原因：①液压缸动作缓慢，液压缸回油时被控制阀节流的作用明显。②热锯摆动梁上所装设备锯片侧较重，且两边力臂长度比为1：2.51，增压效果明显，液压缸此时所承受的是一个超越负载。③液压缸无杆腔和有杆腔面积比为2：1，无杆腔通压力油时造成了有杆腔的增压效果。三个作用叠加，造成了液压缸有杆腔压力增大到320Pa。

（3）改进方案的确定。为降低系统压力，降低爆管的危险性，在热锯摆动梁及其上面安装的设备无法改进、液压缸无法改进时，只能改进液压缸承受超越负载的受力结构。故在现有热锯基座上增加一个门型受力框架，将液压缸由现状缸筒在下，活塞杆向上伸出改为缸筒在上，活塞杆向下伸出（如图1改造后的原理图）。

由于液压缸安装方向改变，平衡阀在回路需要更改为A口接液压缸无杆腔，消除了液压缸进给回油节流时无杆腔和有杆腔面积比带来的增压效应。由前面计算可知，改进后热锯进给时所需流量约为1.2L/min。根据实际需要，选用了伊顿公司VICKERS系列比例阀，型号为KBFDG4V -3-2C20N10。图3曲线**C20N为该比例阀单流道（例如P-A）压降为Δp=5bar（72psi）的流量增益曲线。KBF阀在出厂时已经做了预先调整，对阀芯的正遮盖效应进行了补偿。所示曲线包括了利用威格士欧洲放大器插件板EEA-PAM-533-*-32（由用户调整）为KF阀所提供的死区补偿。

图3 比例阀单流道

从图3可以看出，当比例阀输出流量Q2=1.27L/min时，比例阀输入信号在20%左右调节，能够实现在此流量下对比例阀的可靠有效控制。改进后系统原理图如图2所示。改进之后，系统压力降为90Pa即可满足系统正常运行，完全消除了压力过高爆管的安全隐患。在此，需要说明的是原电液比例换向阀名义通径为DN16，改进后的电磁比例换向阀名义通径为DN6，需要油路转换块安装在原DN16电液换向阀的安装位置，DN6的电磁叠加于油路块之上。

3 结语

文章对比例换向阀和平衡阀在使用中存在的问题进行了研究并进行改进，解决了热锯在实际生产中存在的设备故障和安全隐患。改进后，热锯进给平稳，并且可根据需要进行速度调节，满足了工厂生产需要。

（1）比例阀必须根据实际流量需要来选用，控制信号不能位于死区范围内。

（2）平衡阀必须控制液压缸的正负载腔，且必须控制液压缸两腔面积较大的一腔，以免出现增压效应。

［1］高震.等热锯液压系统的分析［J］.包钢科技，2006，（8）.

［2］张德明.液压平衡回路应用实例分析［J］.液压气动与密封，2007，（6）.

［3］李本海，等.比例换向阀和内控液压锁构成的平衡回路适用条件分析［J］.液压气动与密封，2010，（1）.

Improvement of Steel Tube Hot Saw Hydraulic System

WANG Jia-fu
（Mechanical Engineering Department，Xiangtan University，Xiangtan，Hunan 411100，China）

The hot shear saw of steel pipe is the main equipment for pipe mill cut red hot steel.Feed of saw blade is driven by hydraulic cylinder controlled by proportional directional control valve.Through the analysis of the fault of the large diameterthick-wall steel pipe，the design corrects the problem of hydraulic cylinder overpressure caused by the improper use of the balance valve in the hydraulic circuit.It is found out the defects of the selection of the proportional directional valve.And there quired flow and select the type is calculated，providing a reference for the choice of proportional control valve and the use of the balance valve.

hot saw；proportional valve；balance valve；dead zone

TP271.31

A

2095-980X（2016）10-0042-02

2016-09-16

王嘉赋（1981-），男，硕士研究生，主要从事机械工程领域的技术应用及研究工作。