冶金机械液压系统运行可靠性研究

2021-12-26危荣华

世界有色金属 2021年19期

危荣华

（江西晶安高科技股份有限公司，江西南昌 330000）

在当前冶金行业中，随着连轧、连铸等钢铁生产工艺的出现，液压系统的稳定性主要得到越来越多学者的关注，这是因为冶金机械液压系统一旦出现质量问题，不仅会影响冶金的生产质量，也有可能对工作人员的人身安全构成威胁，增加企业所承担的损失。因此为了能够好的适应未来生产要求，则需要寻找到提升液压系统可靠性的新方法，这也是本文研究的主要目的。

1 冶金机械液压系统的运行工况研究

作为冶金行业生产的核心设备，冶金机械液压系统与其他系统相比较存在以下特征：①系统对控制的要求更高。为满足当前冶金行业自动化生产要求，设备中的连扎与连铸等均采用了连锁控制的模式，在该模式下所有设备的启动与停止都必须实现快速、精准的反应。②工作时间长。冶金系统所承受的工作压力较大，普遍为连续生产模式，因此为设备提供的停产检修时间少，所以必须确保液压系统的稳定性。③系统的压力高。冶金机械液压系统普遍为重型设备，具有运行功率达的特征，最高值可能达到35MPa。④设备运行现场的环境恶劣。这是因为冶金设备普遍处于水雾、灰尘以及高温的运行环境下，导致设备的磨损速度加快，更容易出现设备运行质量问题。

2 提升冶金机械液压系统可靠性的措施

2.1 完善液压系统的设计方案

从设备运行的角度来，在液压系统设计过程中必须兼顾工况的影响，在综合考虑液压系统性能的基础上，重点考虑到以下因素对设备性能的影响。

（1）液压回路的设计方案。从设备性能的角度来看，冶金机械液压系统的系统图设计是其中的重点内容，根据设备的性能要求，需要相关人员从液压系统的性能以及动作等几方面入手，选择理想的液压回路结构，再将各个回路进行整合，最终形成一套完整的回路系统。根据现有的经验，在液压回路系统设计中设计人员必须考虑到调压、调速以及顺序动作等几方面的要求，并兼顾绿色生产、设备生命周期等方面的要求。本文图介绍了一种基于液压控制顺序阀的平衡回路模式，该回路通过液控顺序阀，能够适应复杂条件下的负载变化情况。其基本运动特征为：当换向阀切换至右位时，液压泵所提供的压力可经过单向阀进入到液压缸的下腔，由此可完整重物上举的过程；而换向阀切换至左位时，压力油进入液压缸的上腔位置，并且在该压力下可提升至设定压力，经控制油路打开液控顺序阀门，引导活塞运动并放下重物。而当换向阀切换至中位后，液压缸的上腔开始卸压，此时随着卸压的进行，液控顺序间关闭，活塞的终止运动。结合上述对该夜空顺序阀的介绍可知，该回路可通过液控顺序阀的启动/关闭过程调整控制口的油压水平；并且在压力油的作用下，液压控制阀启动并降低液压缸上腔压力水平，这个动作过程可以促使液控顺序阀关闭；而在设备运行期间，随着压力的上升则可以进一步启动液控顺序阀，并完成整个动作。所以在活塞断续下降并出现“点头”效应时，可选择在控制油路上增设节流阀，在装设该装置后可以降低液控顺序阀的启闭速度，保证了液压系统的性能[1]。

（2）合理选择液压油。根据麻省理工学院相关学者的研究可知，冶金液压系统的失效与液压油污染之间存在密切关系，所以为切实保证液压机械液压系统的可靠性，不仅要保证液压油的性能满意，也要兼顾污染防控的要求。

从设备运行的角度来看，液压油作为一种重要的工作介质，在液压系统中具有润滑、传递动力的功能，所以在选择也要有期间应严格按照冶金设备液压系统的特征，在液压系统性能满意的情况下，根据润滑油的性能要求考虑黏度等方面的要求，一般黏度较低的情况下会增加泄漏并导致液压系统的运行效率下降，设备的磨损更加严重。而如果润滑油的粘度较高，将会增加液体流动时所遭受的阻力，所以为保证液压系统的稳定性，选择性能满足的液压油则成为其中的关键点。目前性能相对满意的液压油包括L-HM液压油等，可基本满足冶金机械设备的运行要求。

同时考虑到液压油污染等方面的考虑，主要污染源来自于液压元件的磨损以及系统内部的固有污染、油品自身的污染等，这些污染物会加剧元件磨损，并直接危及液压系统的可靠性。所以为达到提高稳定性的目的，则需要有效控制污染，常见的设计思路包括：①要避免污染物进入系统中，其预防方法包括优化油箱结构，即确保油箱顶盖的有效封闭，尤其是露天环境以及粉尘较大的环境下必要确保密封性。根据马鞍山钢铁厂的经验，该厂区的混运堆料机液压系统故障问题频发的主要原因，是油箱并未设计成全封闭结构，在污染物的作用下导致油液出现严重的乳化现象。②同时要考虑布置滤油装置来清除油液中的污染物，在布置期间需要考虑的内容包括：过滤的精度要求。在设计期间关于设备的过滤精度需要根根据系统中关键元件的性能做统一评价，目前我国相关标准中关于过滤精度的评估标准是以绝对精度来验算的，即通过一定条件计算过滤器最大球形颗粒的直径水平。但是在计算过程中，还需要考虑到过滤比β的影响，计算公式如公式（1）所示。

在公式（1）中，n代表上游大于尺寸X的颗粒数；N表示下游大于尺寸X的颗粒数。在数据运算过程中，β越大，则证明装置的过滤能力越强。

通流能力变化。滤油器的通流能力主要是根据系统中的最大流量来确定的，理想状态下滤油器的额定流量应高于系统流量，若小于该数值可能会造成严重的压力损失情况，并导致滤芯堵塞等[2]。

2.2 安装液压系统

从运行效率的角度来看，液压系统的安装水平对其运行可靠性有直接影响，所以在液压系统安装之前，工作人员需要重点检查设备连接表面的状态以及密封件的沟槽尺寸大小，不仅要确保设备无质量缺陷，也要保证其加工精度等满足规定，尤其是所有长时间保存的软件需要注意检查内部孔道的清洁度水平，避免使用老化的零部件。针对修复的零部件，在安装在液压系统中之前需用煤油做彻底清洗并做校验，必要情况下可通过压力以及密封实验等做进一步评估。例如目前较为常见的方法是控制液流通的方向，避免因为误动而造成卡死等质量问题。

在液压系统安装过程中可遵照“先难后易”“先内后外”的流程进行加工，针对液压元件的性能要求合理选择安装的精度，确保设备的性能满足预期。在安装液压缸期间，注意确保液压缸轴线与移动机构导轨面的平行度小于等于0.1mm，这是提高设备安装精度的重要组成部分。

3 冶金机械液压系统运行可靠性的仿真分析

在仿真分析阶段，本文并以液压机械的调高系统为研究对象，通过液压系统模型的方法展展开进一步分析。

（1）数学模型的建立。冶金机械也要调高系统主要通过调高油缸伸缩调节滚筒位置的，其基本的系统运行结构如图1所示。

图1 液压调高系统的结构图

按照图1介绍的内容，在忽略液压系统管路件压力损失的情况下，设定液压油的温度恒定，则可以做系统建模，则模型的基本结构如公式（2）所示。

在公式（2）中，qL代表电液比例阀流量，单位为“m3/s”。Kq为流量增益，单位为“m2/s”。Kc为流量-压力系数，单位为“m3·（s·Pa）-1”。pL为负债压差，单位为“Pa”。

同时在液压系统运行稳定的情况下，则有开环传递函数，其表达关系结构如公式（3）所示。

公式（3）中，K为开环放大系数；为液压阻尼比；s为调高油缸的行程；ω为液压固有频率。

（2）调高行程对稳定性的影响。根据上文介绍的关系式，本文在建立上述模型的基础上，分析调高油缸行程对液压系统可靠性的影响，其主要参数内容如表1所示。

表1 液压系统的参数表

在表1所介绍的参数下，分别设置油缸行程为1.2m、1.0m、0.8m，通过改变油缸的安装位置使其达到同一调高范围，根据上文介绍的数学函数，得知油缸行程分别为1.2m、1.0m、0.8m时，对应的阻尼比分别为0.094、0.103、0.155，绘制开环传递函数图形之后行程bodc图，则有资料如图2所示。