蓄能器在四辊轧机平衡控制系统的应用

2019-03-08杜光远

天津冶金 2019年1期

杜光远

（天津钢铁集团有限公司，天津300301）

0 引言

中厚板四辊可逆轧机的平衡系统是平衡轧机支承辊、工作辊实现随电动APC同步动作，配合液压AGC正常而稳定地工作的重要组成机构，在轧钢过程中起到了不可替代的作用。本文以四辊轧机平衡控制系统为例，对液压设备的蓄能器选型设计进行了分析。

四辊轧机平衡系统包括轧辊平衡系统、接轴平衡系统。其中轧辊平衡系统包括上支承辊平衡系统、上工作辊平衡系统、下工作辊平衡系统；接轴平衡系统包括上接轴平衡系统和下接轴平衡系统。以某厂3 500 mm中板轧机为例进行说明，图1左所示为轧辊平衡设备示意简图，图1右为接轴平衡原理图。

蓄能器是液压气动系统中的一种能量储蓄装置。它在适当时会将系统中的能量转变为压缩能或位移能，转变为液压或气压等能而释放出来，重新补给系统，当系统瞬间压力增大时，它可以吸收这部分能量，以保证整个系统压力正常。四辊轧机平衡系统采用液压系统形式，液压蓄能主要有皮囊蓄能洗和活塞蓄能器。本文主要对平衡系统各参数进行计算，采用增加蓄能器的形式对平衡系统进行流量补偿，并对采用不同种类蓄能器时系统的模拟工作状态进行比较，以选择更加优化的方式。

本文主要通过HYDAC公司蓄能器模拟选型设计软件AST，对平衡控制系统液压蓄能器的选型设计应用进行分析，通过对比液压系统分别在采用皮囊蓄能器和活塞蓄能器时的不同状态，对其蓄能器选型设计进行优化。

1 蓄能器模拟选型设计软件AST

AST软件是HYDAC公司对液压系统蓄能器设计选型的专门应用软件，主要是将系统实际使用中的技术参数，主要包括压力、温度、流量等蓄能器参数统计到数据库，然后通过设计中选用的计算方式等对实际数据进行分析，以此来得出不同参数变化对计算设计的影响。通过大数据的整理分析及不断对数据库进行修正，以使设计更加符合实际使用，更加接近系统实际运行情况。软件数据库的建立，避免了每次设计时的大工作量计算；数据库的修正更新，使设计进一步符合系统实际运行状态。

2 平衡系统引进蓄能器优化设计分析

2.1 平衡液压站最大流量分析

该轧机主机平衡系统共19台液压缸，各执行机构的具体参数、耗量等详见表1。

轧机平衡系统通过液压缸实现运行中的联动在实际运行中，主要存在5种运行模式，设计时需对不同运行状态时系统需要的最大流量分别进行计算，以得到最大流量。

表1 执行机构参数表

2.1.1 换辊模式上支承辊快抬

该模式只有上支撑辊平衡缸单独动作，为伸出状态，所以此时系统的总流量为：

2.1.2 换辊模式上工作辊快抬

该运行模式涉及上工作辊平衡缸、上接轴平衡缸同时动作，以满足轧机辊缝的调整，在采用液压系统运行过程中，该动作需要较大的短时流量，是液压系统设计中需要考虑的一个重要参数，最大流量的计算通过联动时各液压缸的运行速度与液压缸运行时活塞有效截面积之积获得。

上工作辊更换时，上工作辊平衡缸伸出，上接轴平衡缸随动，均为伸出状态，总流量为：

2.1.3 下工作辊快速压下即下平衡系统的联动

该运行模式涉及下工作辊平衡缸、下接轴平衡缸同时动作，以满足轧机更换轧辊时下工作辊与下支承辊有效接触，在其运行过程中该动作需要较大的短时流量，该流量也记为一个重要参数，并计算获得。

下工作辊更换时，下工作辊平衡缸伸出，下接轴平衡缸随动，均为伸出状态，总流量为：

2.1.4 轧制模式上支承辊及上工作辊快抬

即上平衡系统的联动。该运行模式涉及上支承辊平衡缸、上工作辊平衡缸、上接轴平衡缸同时动作，以满足轧机辊缝的调整，在采用液压系统运行过程中，该动作需要较大的短时流量，是液压系统设计中需要考虑的一个重要参数，最大流量的计算通过联动时各液压缸的运行速度与液压缸运行时活塞有效截面积之积获得。

上支承辊及上工作辊同时动作，上接轴平衡缸随动，均为伸出状态，总流量为：

2.1.5 背压模式

背压模式只是保证系统液压缸的伸出位置不变，在实际使用中只用轻微的行程变化，流量变化几乎可以忽略不计，则流量为：

从以上系统分析情况可知：换辊模式支承辊快抬时所需系统流量为471 L/min，换辊模式上工作辊快抬时所需的系统流量为770 L/min，换辊模式下工作辊快速压下时所需的系统流量为776 L/min，轧制模式时上平衡系统联动所需的系统流量为1 241 L/min，背压模式时所需的系统流量为0 L/min，由此可以得出系统所需的最大流量为1 241 L/min。

2.2 平衡液压站蓄能器核算参数计算

轧制模式时，上支承辊及上工作辊快抬，同时动作，上接轴平衡缸随动，此时为系统最大需求流量为：

最大流量的持续时间由轧机设计决定，主要是由最低位置运行到最高位置时所需的时间，设计时间为11 s；

考虑液压系统计算式有1.05的泄露系数，则系统需求流量为：

折算蓄能器供油容积为：

如果系统选用4台排量为250ml/r的恒压柱塞泵（3用1备），电机转速1 000r/min，则3台液压泵的总供油流量为：

系统工作压力14 MPa，系统最低工作压力12.7 MPa（环境温度20～35 ℃）。

2.3 蓄能器选型分析

本文采用了HYDAC公司的设计选型软件，对选用蓄能器进行了选型设计，分别对采用皮囊式蓄能器和活塞式蓄能器两种方式进行分析。

2.3.1 采用皮囊式蓄能器时系统模拟

采用50 L皮囊蓄能器，分别将2.2中计算得到的最大需求流量Q，供油容积V，以及系统泵元提供的流量q泵系统的工作压力及最低工作压力等参数输入，得出20℃及55℃时系统的压力变化曲线。计算中，为保证系统的稳定性，在计算的前后分别加入了2 s的延时，使计算结果更加接近实际。

由模拟计算结果可以看出，在20℃及55℃时，系统在15 s的运行过程中，最小压力分别为127.54 MPa和128.34 MPa，满足系统的最低工作压力，最小流量分别为1 882.761 L/min和1 997.588 L/min，满足系统需要的流量要求，模拟达到了蓄能器的选型设计要求，计算结果在图2（3）中可以看出，需采用皮囊蓄能器个数为48个。

2.3.2 采用活塞式蓄能器时系统模拟

方案二选用活塞蓄能器，容积为130 L，气瓶容积为100 L×10只，由图3（3）中模拟计算结果可以看出，在20℃及55℃时，系统在15 s的运行过程中，最小压力分别为128.36 MPa和129.11 MPa，满足系统的最低工作压力，最小流量分别为2 012.412 L/min和2 135.147 L/min，满足系统需要的流量要求，模拟达到了蓄能器的选型设计要求，计算结果在图3（4）中可以看出，需采用活塞蓄能器数量为2组。