轧机升降台液压系统设计与计算

依旧

1　前言
0 O4 c2 @8 l. o　　大型轧机升降台，目前多采用传统的“垂锤平衡，曲柄连杆机构驱动”的结构型式。此类升降台因其重锤惯性大，相应的机械传动、紧固装置容易受损，故设备故障多、维修费用高、管理工作量大、年停机时间长。研究新型的液压升降台取代传统的结构型式已成为一种发展趋势。
8 M2 o& g/ M4 \4 h' M- X3 j2　升降台液压系统及其工作原理
7 Y" X9 O9 w' N1 v7 ~* I. @; o　　图1为液压升降台工作示意图，图中FG为升降台及钢坯重力，Fs为升降缸柱塞推力，Fp为平衡缸柱塞推力。
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图1　轧机液压升降台工作示意图
) d, L  q/ K% R6 y) [　　图2为升降台液压系统原理图，该系统由油源、平衡回路、升降回路和卸荷回路组成。当升降台处于水平位置时，有固定支承承载升降台和钢坯的自重，系统进入预备工作状态时，起动油泵电机，油泵15输出的压力油经单向阀5进入平衡蓄能器8，当其压力达到pp1=xcFG/xp时，电接点压力表12发讯，IDT得电，锥阀1开启，液压油经锥阀1进入升降缸7，升降缸的压力不断上升，升降缸与平衡缸一起推动升降台上升，在升降台上升过程中，平衡回路的压力pp由大到小变化，而升降回路的压力ps则由小到大变化(见图3)，当升降台上升到设定位置时，由旋转编码器检测并发讯使3DT得电，锥阀3开启，泵对蓄能器9充液，当压力达到ps2+0.3MPa后，由电接点压力表13发讯，使IDT失电，锥阀1关闭，接着使4DT得电，锥阀4开启，泵卸荷，蓄能器9实施对升降回路的补油功能，防止升降台因升降回路的泄漏而下降，保持在上止点位置。平衡蓄能器8也提供必需的先导阀控制油源，以保证系统工作的可靠性和连续性。当升降台下降时，3DT失电，锥阀3关闭，接着2DT得电，锥阀2开启，升降缸的油液经锥阀2和液控节流阀J回油箱，升降台在自重力矩xcFG和平衡缸、升降缸的上托力矩xpAppp和xsAsps的共同作用下下降，在下降过程中，平衡回路的压力pp由小变大(平衡缸的油液此时被压入平衡蓄能器8中)，升降回路的压力ps则由大变小，最后变为零。当升降台下降到下止点时，由旋转编码器发讯，使2DT失电，锥阀2关闭，一个工作循环结束。

2 S( T7 P/ i( Z: _$ w9 l) ]# P图2　轧机升降台液压系统原理图

图3
4 Z  C4 z* X. Y　　该系统设置了备用泵和备用阀组(图中未画出)，以保证系统工作的可靠性。
/ w: E& _/ f  p! u8 G/ T- ?3　有关参数的计算和选择
　　升降台的基本数据如下：
3 o. F5 `* `3 F0 {0 M0 |2 L　　升降台理论长度：L=12.75m；
8 ^: q) d) B/ n7 c; k. {　　升降台上升的理论高度：H=0.9m；
9 T2 V2 P! v2 y6 v4 P. c( C7 {) Q　　升降台最大转角：φ=4.038°；
3 H- L3 c* O4 z' A3 c/ z" C1 I. i, @　　升降台自重：FG=1.274×106N；
　　升降台质心位置：xc=5.34m；
　　升降缸位置：xs=3.75m；
　　平衡缸位置：xp=6.75m；
- g0 j# G  M: A" U& ?6 T8 |　　升降台上升或下降时间：t=2.4s。
　　(1)平衡回路有关参数的计算与选择
　　①平衡蓄能器8的低端压力pp1
　　当升降台及于水平位置时，平衡缸6的推力矩与升降台和钢坯的重力矩平衡，即xpAppp1=xcFG
& K% c1 }7 F9 q! L　　∴pp1=xcFG/(xpAp)　(1)
式中：Ap——平衡缸6的柱塞面积(m2)，Ap=πDp2/4，Dp为平衡缸6的柱塞直径，Dp=0.25m。
6 u' c1 d! R; y　　②平衡蓄能器8的高端压力pp2
) J! Q; ?6 T1 F9 q8 D  h　　因升降台上或或下降时间t=2.4s很短，可将其视为等温过程，故有
　　V6-1pp1=V6-2pp2
' s0 F( {3 x  Q+ z5 O* P) ]　　∴pp2=V6-1pp1/V6-2　(2)
0 r" h  X/ p2 n: e式中：V6-1——压力为pp1时平衡蓄能器8的氮气体积，V6-1=0.18m3；
　　　V6-2——压力为pp2时平衡蓄能器8的氮气体积，V6-2=0.20335m3。
/ i0 m: |' p6 N, s% o　　③平衡缸6的流量Qp
　　Qp=ApHp/t　(3)
9 a( ?4 `. I0 k; d式中：Hp——平衡缸6的行程，Hp=0.4757m。
3 g- V( n9 m* L/ N0 B　　(2)升降回路有关参数的计算与选择
2 h# Y/ ^! H) N% o　　①升降缸7的低端压力ps1
# ?/ D; x: T1 s+ ]　　因升降台处于水平位置时有固定支承承载升降台和钢坯的自重，而且当处于预备上升状态时，平衡缸8的柱塞推力矩与升降台和钢坯重力矩平衡，所以，此时升降缸压力为零，即ps1=0
　　②升降缸7的高端压力ps2
　　当升降台处于高端位置时，升降缸7的柱塞推力矩和平衡缸8的柱塞推力矩之和与升降台和钢坯重力矩平衡，即
6 d$ e2 ^; X8 }+ u　　xsAsps2+xpAppp2=xcFG
　　∴ps2=(xcFG-xpApV6-1pp1/V6-2)／(xsAs)=(xcFGV6-2-xpApV6-1)/(xsAsV6-2)　(4)
9 o( n" Q; s+ l# [式中：As——升降缸7的柱塞面积，As=πDs2/4，Ds为升降缸7的柱塞直径，Ds=0.2m。
　　③升降缸7的流量Qs
　　Qs=AsHs/t　(5)
3 ?5 J' O. w* n式中：Hs——升降缸7的行程，Hs=0.2647m。
　　将已知参数代入上述各式算得有关参数为：
4 Q8 O) H! s1 H4 S0 N　　pp1=20.5MPa；pp2=18MPa；Qp=583L/min；
　　ps1=0；ps2=7.2MPa；Qs=208L/min。
* I: `7 }' a* j* o7 `2 F4　结束语
0 [5 i- y1 |8 R& @　　轧机升降台液压系统采用液压平衡、液力驱动，与传统的重锤平衡、曲柄连杆机构驱动相比，无惯性力的不利影响，故障减少，可靠性高。通过对系统的计算机仿真，检验了系统参数设计的正确性，通过模拟试验，升降台工作平稳，位置控制精度高。这一研究为工程应用打下了良好的基础。
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