地辊装置液压回路设计

黄军铭

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川610052)

某钢铁公司1780 mm热轧拟配套建设1条剪切式取样机组，满足热轧产品取样需求，取样机组取样主要产品为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、冷轧超高强钢等。该取样机组具备“地辊+开卷器+反弯辊”设置，可实现自动开卷、回卷自动化控制功能。其中地辊站用来拆除捆带或改变带头旋转方向，将带头展开送入其它设备，地辊可以正向和反向转动，通过地辊转动旋转钢卷，使钢卷的捆带能够从机组的操作侧顺利抽出。

1 地辊装置驱动形式确定

取样机组地辊装置位于液压剪前面，由两个大小相同的地辊组成，两个地辊布置在钢卷运输车中心线两侧。当需对钢卷取样时，可使钢卷按要求进行正反转，在开卷时地辊正转(逆时针)，将钢卷外圈打开，使钢卷头部进入取样剪，剪切带钢取样。完成剪切带钢试样后，地辊反转(顺时针)，将钢卷重新卷好。

从结构上来说，地辊驱动一般有单辊传动和双辊传动两种方式，这两种驱动方式各有优缺点。这里针对取样机组的地辊进行分析。

单辊驱动，一个地辊为主动，另一个为从动辊。假设地辊1是主动辊，地辊2是从动辊，钢卷逆时针旋转时，地辊1和从动辊2分别对钢卷底部形成力F1和F2，产生方向相反的分力F1cosα和F2cosα，如图1所示。取样钢卷厚度为1.2～12.7 mm，根据现场使用经验，对于厚度小于2 mm的钢卷，形成的作用力作用于钢卷表面时可能使钢卷表面挤压变形，形成褶皱或者起拱，影响取样产品质量，见图2。

图1 单辊驱动地辊钢卷受力图

图2 钢卷表面变形

同理，地辊1是从动辊，地辊2是主动辊时，薄钢卷顺时针旋转也可能产生表面变形。因此本取样机组地辊不宜采用单辊驱动方式。

双辊驱动，两个地辊同时动作。两个地辊线速度基本相同，钢卷不易产生错动，在理想情况下，不论正转或反转，两个地辊对钢卷底部形成的力F1和F2；产生方向相同的分力F1cosα和F2cosα，如图3所示，该作用力对钢卷表面形状影响较小，有条件的情况下前进辊略快于后辊，使两辊之间的钢板承受拉力，更有利于取样前后钢卷产品的板型控制，可以确定本取样机组地辊采用双辊传动方式。

图3 双辊驱动地辊钢卷受力图

2 地辊转动设计分析

以取样最大钢卷进行计算，通过技术附件知道相关技术参数如下：

最大钢卷外径：D=2150 mm

最大钢卷重量：G=32.6 t

地辊中心间距：H=890 mm

地辊辊身外径：d=360 mm

地辊传动轴承内径：d1=150 mm

地辊重量：G1=1.265 t

钢卷与辊子中心距：L=(D+d)/2=1255 mm

地辊双辊传动即两个地辊辊子工作时同时动作，可做出受力分析，如图3所示。

钢卷所受地辊1的摩擦力F1=μN1；钢卷所受地辊2的摩擦力F2=μN2；钢卷所受地辊1的支持力N1；钢卷所受地辊2的支持力N2；摩擦系数μ=0.16。

根据力的平衡公式有：

(1)水平方向

F1cosα+N1sinα+F2cosα=N2sinα

即：μN1cosα+N1sinα+μN2cosα=N2sinα

N1=N2(sinα-μcosα)/(μcosα+sinα)=0.4066N2

式中，sinα=(h/2)/L=0.3546

地辊支持力N1、N2与重力的方向夹角为α。

(2)垂直方向

F1sinα+G=N1cosα+N2cosα+F2sinα

N1=0.4066N2=96305.5 N

由静力矩公式：

M=(N+G1)fd1/2+Fd/2

式中，润滑良好的地辊轴承摩擦系数f=0.004。可以算出取样机组地辊装置工作时，地辊1所需静矩为：

M1=(N1+G1)fd1/2+μN1d/2=2900.29 N·m

地辊2所需静矩为：

M2(N2+G1)fd1/2+μN2d/2=6990.3 N·m

M2>M1

所以单个地辊所需最大驱动力矩为：T=M2=6900.3 N·m

3 液压回路设置

一般电机达不到单个地辊的最大驱动力矩，特殊电机成本太高，故采用低速大扭矩液压马达进行双辊驱动，两个地辊的液压回路设置相同。由技术附件可知：

液压系统压力P=16 MPa；取样要求最大线速度v=310 mm/s。根据液压系统压力选择液压马达最大扭矩为1490 N·m，显然远小于额定力矩T，因此，需要在液压马达和地辊之间增加减速机，考虑到马达的价格和现场安装空间等因素，选择低速摆线式液压马达TG195，排量q=0.195 L/r，系统压力16 MPa时马达额定输出扭矩Me=425 N·m，如图4。

图4 液压马达样本资料

地辊工作过程中需要克服马达和减速机自身的转动力矩，可以取安全系数k=1.1。

Mmax=kT=7866.342 N·m

减速机减速比i>T/Me=18.509，取i=18.6。

马达转速n=60vl/πd=355.2338 r/min

马达流量Q=qn/1000=69.27 L/min

根据单个马达流量选择所匹配的液压阀回路通径为DN10。

要实现取样钢卷正反转，需控制液流方向，选择液压换向阀，该阀有三个中位机能，可实现液压马达的正转、反转和停止。对于较重的钢卷，钢卷惯性较大，地辊启停时地辊和钢卷之间可能产生打滑现象，造成事故或地辊编码器读数与实际钢卷的转动量有偏差。为避免该现象，选择比例换向阀，在普通方向阀的基础上可以控制液流的流量，通过电调可以实现地辊启停的加减速动作。同时比例换向阀配合地辊自带的编码器可以实现两个辊子同时动作，防止错动。根据比例电磁阀特性曲线选择与液压马达流量Q匹配的通径为10 mm，如图5所示。

图5 比例阀流量特性曲线

为了提高地辊液压马达工作的稳定性，避免压力波动对马达转速产生影响，选择压力补偿器，稳定阀后压力，压力补偿器用于主阀P口的负载补偿。

地辊装置停机或者工作流程中地辊需要停止转动的时候，地辊不能因为外力如钢卷的自重等作用下自行转动，必须锁定，因此选择叠加式液控单向阀。为保证叠加式液控单向阀的正确动作，当方向阀处于中位时，阀的工作油口需与油箱相连，即比例换向阀选择J型三位四通阀。

负载冲击或误动作等都会产生压力波动，过高的压力可能对液压阀和马达等元件产生冲击，影响元件使用功能或者使用寿命，需要使用叠加式溢流阀，对液压回路的压力进行上限控制。溢流阀弹簧调定压力需略大于系统压力16 MPa，设为17 MPa。

其他液压回路工作时液压系统主管产生的压力波动对马达动作产生影响，在液压回路t口安装单向阀。为测量压力，在地辊液压马达的AB口安装测压接头。液压马达A口或者B口油液的压力数值对于前期液压系统的调试和后期液压系统的故障诊断有重要作用。

检修地辊或地辊液压回路时关闭，避免误操作对设备或人员造成损害，在阀组与马达之间安装球阀，起开关作用，工作时处于打开状态。

地辊液压回路由比例换向阀4WRAE10W1、压力补偿器ZDC10P、叠加式液控单向阀Z2S10、叠加式溢流阀Z2DB10VC2、插装式单向阀M-SR15KE05-1X、测压接头G1/4-M16×2、球阀和液压马达TG195组成。地辊液压回路见图6。

图6 地辊液压回路图

4 结语

本文给出了一种双辊传动地辊站液压控制回路的设计方法，使用后，运行合理。作为一种常见的设备，地辊装置应用场景不同，使用要求不同，控制方式也可能不同。确定地辊传动方式及后续研究时，要考虑地辊的具体用途，从功能和成本上进行设计，达到设备使用需求。