邹俊玲
摘 要：推钢机系统的设计，需要对其工作原理、重要原件等进行深入分析和计算，采用可靠的串联系统计算方法，建立液压系统的可靠模型予以模拟，利用软件进行仿真分析，才能对设计的可靠性加以保障。推钢机液压系统的设计是为了控制系统的功能得到进一步提升，更稳地将钢坯推入炉内，提高钢的产量。
关键词：推钢机 液压系统 可靠性分析 工作原理
中图分类号：TG333.3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（c）-0046-03
推钢机是轧钢生产线上一种专用设备，用于将生产线上的钢坯推进热炉。其工作要求推力要大，推头同步性高。传统推钢机的工作原理是机械式的，体积较为巨大，故障率较高，而且采购和维修成本较高。随着技术的逐步先进以及轧钢生产的发展，利用液压油缸等对系统进行改造、升级，使推钢机具有推理大、体积小和操作简便的优势。在推料工序等方面具有更强的可靠性。
1 工作原理
推钢机的工作原理通过系统主令控制器启动后，位于三位四通阀的电磁铁1DT和三DT得电。二位四通阀五DT得电，压力油从油泵中输出，经过二位四通阀和同轴马达进入两组油缸中四个无杆腔中，回油经过调速阀、二位四通阀排回到油缸中的有杆腔中，产生四个油缸的同步运动，将热钢坯推入热炉内后，五DT断电，系统处于待命、卸载状态；通过主令控制器，主令控制器件三位四通阀的电磁铁中二DT和四DT通上电后，油泵开始输出压力油，经过二位四通调速阀，进入有杆腔，带动油缸的同轴马达进行联动，经过调速阀等回油排回油箱。
采用冗余设计后的系统，具有可靠性能较高以及左右对称的特点，如果钢坯较小还可以单组两个油缸工作，通过两个两位四通阀串联在同轴马达后进行工作[1]。设计了四个限位开关对两组四个油缸的位置误差予以消除，避免系统同步精度的限位作用产生误差积累。（如图1）
2 参数计算
（1）液压缸的计算，是要以推钢机的实际生产情况位理论基础，通过液压缸在实际作用的作用力进行参数计算的。
（2）对液压泵的计算。
液压泵的工作压力计算公式中，包括执行元件的最大工作压力，单位为MPa，液压泵出口至执行元件间的压力损失，单位为MPa。
对液压泵的流量公式，经过液压缸工作时的最大流量进行计算，以L为每分钟计算单位，得到的系数为1.2，Qmax≥129 L/min。
液压本的功率由液压泵的最大工作压力、液压泵的流量、液压泵的总效率进行计算得出最终的计算结果为19.3 kW[2]。
3 对推钢机液压系统的可靠性分析
经过推算，部分液压元件的失效概率已经得到了总结，从表1可以看到基本概況。
对推钢机液压雄的可靠性可以通过上述可靠性数学模型的计算，利用软件进行仿真，得到可靠性曲线，通过曲线的直观显示，可以得知推钢机液压系统的可靠性与工作时间成反比，且可靠性在工作时间推迟过程中，前期下降较快，后期下降较快，因此，从可靠性曲线可以看出，对工作时间的限定，可使液压系统的可靠性得到调节和保障[3]。
4 实例分析推钢机液压系统的设计与可靠性
（1）天钢集团有限公司的初轧厂方坯冷床推钢机液压系统进行了改进工作，使用先进的液压传动系统替代机械液压系统。以提高系统的运行可靠性。改造前该厂使用的冷床推钢机采用的是曲柄连杆式机械传统，随着生产的先进性要求，其结构复杂、零件容易受到磨损，传动功率大、维修成本高、技术难度大等已经成为阻碍生产发展的障碍，无法适应新的推钢机的工作要求。为了保证生产的正常运行，加大现代化生产，拟采用先进的推钢机液压系统的设计方式提高系统运行的可靠性，替代现有笨重的机械系统。采用油缸式液压式推钢机的结构设计，可以提高液压传送的调速等功能，而且易于控制、自行润滑。
（2）在进行液压系统的重新设计之前，首先对原有推钢机的工艺参数进行了考察。得知推行行程为89 cm，速度为0.43 m/s，推杆爪距70 cm，活动推杆和拨杆自重为3 949 kg。
在对推钢机的工艺参数进行了详细计算后，根据原有的工艺参数，初步设计为，使用液压缸代替连杆，将摆杆加以推动运动， 同步于液压缸，对机械连杆的回路进行同步，保持系统的负载基本恒定，使用节流阀对系统的速度进行调节。
（3）推杆需要往返频繁移动，负荷较重，运行阻力需要进行计算，通过运行阻力P1和静止到启动状态时增加的阻力P2相加得出运行后的阻力值，而增加的阻力值可以通过冷床上的轧件重量、活动推杆和拨爪的自重以及轧件与冷床的摩擦系数、滚动摩擦系数等相加得出。例如：轧件和冷床的摩擦系数为0.3，滚动摩擦系数为0.25，冷床上的轧件总重为3 323 kg，活动推杆与拨爪自重为2 843 kg，则推动杆运行阻力最终可计算出数值为18 490 N，从静止到运行增加的阻力为28 463 N。
（4）正常情况下加热炉液压站的供油压力为14 MPa，对液压系统进行改造的设计，要考虑的因素包括：要将推钢机的压力由减压阀降低到12 MPa，完成步进梁的升降和评议，并控制出钢机和炉门升降机。改进后的液压系统配有三位四通电磁换向阀、双向液控单向阀、叠加式节流阀、分流阀等部件。在设计中，对现场实际情况以及外部环境进行了勘察后，发现，设计思路中的原有思路与实际情况相差较大，系统具有简单和经济的优势，但是同步精度却差强人意，只能控制在2%～5%之间。当钢坯横向从辊道运送到炉内时，这中间有4 m的距离，由于加热炉炉门为整体式，再加上推钢机的设计为轨道式，因此，当两个油缸驱动两个顶板分开横向推入炉内时，两侧的油缸的受力和摩擦力不同，导致了钢坯停止位置的不同，钢坯一推就倾斜，给操作人员造成一定的困扰，为了解决这个问题，操作人员采用入炉轨道上涂抹润滑油的办法予以解决。但是当炉门打开后，轨道的温度达到了300 ℃，润滑油很快蒸发了，因此，这种方法的效果也很一般。采用从机械方面的改进进行设计，就是将现有设备进行配置，将原来的两个油缸驱动的机械顶板合并为整体式机械顶板，将两个液压缸中的一个取消，使用一个油缸驱动的方式，这样，既保证了钢坯的入炉，又能完成改造方案，解决钢坯入炉歪斜的问题。
（5）从理论角度来讲，分流集流阀的功能是向两个液压缸按照一定比例供油，或者接受两个液压缸或者液压马达的一定比例的回油，这种采用液压控制元件保证分流集流阀在稳定状态下保持流量相等的方法，可以实现对执行元件的速度进行同步控制。当推钢机的推板与钢坯接触的瞬态时间内，使用执行元件来控制两个施力液压缸中两个回路的液压油的流量，但这种方法无法对同步误差进行纠正。而且，分流集流阀的开环控制特征存在固定节流孔的制造误差，即便是稳定的工作状态，也可能发生负载压力，導致两侧液压力、弹簧力、泄漏流量发生不对称。这些因素同时发生作用后，推钢机偶尔会同步将钢坯送入炉内，但并不是稳定性的[4]。当分流集流阀在设计流量较低的状态下工作时，分流位置和集流位置会发生同步误差，导致液压元件得到试验规范内的特定的负载条件，而且当现场负载和试验的负载相比较后产生较大数值的误差时，分流、集流位置的同步误差指标相差也较大，而且这一指标是速度同步误差指标，因此，容易造成推钢机分流阀与现场工况不符，产生同步较大的误差，对生产制约作用。采用辊轮式的方式，两个液压缸的负载要均衡的多，但是目前尚缺乏理论依据，全凭经验进行操作。
5 推钢机液压系统改造设计中的故障表现及原因分析
（1）推钢机在启动、回程过程中会出现阀台附近的管路出现剧烈抖动或者巨大的噪声问题，或者在管路中间应力集中部分、焊接部分等出现破裂、漏油的情况，降低液压系统的动力，导致推钢机无法正常运行。再就是液压管接头处容易出现密封件损坏，降低密封件的使用寿命。一旦密封件出现损坏导致内卸，则推钢机工作不正常，弹簧力和泄漏流量的不对称等因素也将导致两路流量不相等，甚至在液压缸缸筒内出现拉伤等情况导致液压缸整体报废，这都是推钢机可靠性差的表现。
（2）对上述故障发生的原因进行分析，导致推钢机可靠性差的原因，一般都与系统内的液压冲击力量过大有关系。导致故障出现的主要原因是液压系统设计、元件规格选择、场地布局因素。
①当插装阀开启速度过快时，会产生外控供油方式的变化。产生的阀门A、B腔的压力以及控制油腔的流动阻力很大。因此，阀芯上下作用力差加大，开启的速度变快，带来很大冲击和振动。当推钢机静止后，作用在B口的插装阀以及A口的插装阀保持着系统压力的高压状态，积累了相当大的压力能，经过插装阀的通径被打开的瞬间，由于巨大压差导致压力能急剧增大，通过插装阀，高压、大流量流入回路，出现巨大的液压冲击。
②当元件的尺寸规格选择不合理，使得插装阀的通流能力由于回路阻力较大引起振动和噪声。例如：在该文所举案例中，改推钢机液压系统包括了三位四通P型电磁阀以及插装阀，形成了电液插装阀阀的回路，控制油由主油路经过中位机能三位四通电磁换向阀进入插装阀的控制腔，当电磁换向进入中位时，各插装阀被关系，各个出口互不联通。这种结构容易引起压力的干扰因素，出现短时的沟通现象。液压缸的惯性给A腔加压，出现压力升高，插装阀一旦打开，就有油流存在，使得系统工作出现不正常情况，导致推钢机可靠性变差。
③还有一个原因就是由于场地布局不合理，导致液压站和控制阀台之间的液压管和弯头不符合实际工作要求，出现数量和高度上的差别，导致液压站的蓄能器组仅仅起到补偿压力流量的作用，不能起到缓冲作用，因此，带来管路的振动和噪声。
（3）要解决上述故障，需要采取的措施包括以下几点。
①将液压系统中每组插装阀控制腔内的排油管路进行单向节流阀的安装，通过这个装置对插装阀的开闭时间进行控制，减少阀件快速开闭后引起的液压冲击。
②通过增加单向阀的方法，取控制油中压力最大的腔进行中位布置，使得插装阀按照预定的控制，保持正确工作状态预防压力的干扰。
③选择插装阀规格时，选择尺寸大些的插装阀，增加过流能力，也可减少噪声和振动。
④对液压管路节能型重新布置，将推钢机控制阀台移动到推钢机液压缸中间的为止，减小管道长度，保持阀台和推钢机的距离相等，有利于推钢机同步运行。同时减少弯头数量或者采用钝角转弯的模式，取消直角弯头，减小管道引起的冲击力，优化推钢机硬管，采用软管吸振功能，改造软管管道连接方式，不仅能减少振动，还方便拆装[5]。
⑤将蓄能器组从液压站位置转移到操作台下方尽量靠近阀台的位置，可以起到吸收压力脉动的作用，并充分发挥其功能减小液压冲击。
6 推钢机液压系统改造设计后的效果分析
天钢集团有限公司的初轧厂方坯冷床推钢机液压系统进行了改进工作后，取消了液压系统原有的同步装置，减少了配套设备，改由一个液压缸进行单独驱动，提高了经营效益，受到了很好效果，降低了设备维护人员的工作强度，而且生产后的需要得到了充分满足。（如图2）
7 结语
推钢机液压系统的设计是为了控制系统的功能得到进一步提升，更稳定地将钢坯推入炉内，提高钢的产量。因此，推钢机的性能和精度是保证液压控制系统稳定性和可靠性的关键。目前我国在推钢机的液压控制系统上多采用的国外先进设备和技术。但是经过实践和试验后，自主研发的设计也取得很大成果。对推钢机液压系统进行设计以及可靠性研究，可以因地制宜地对运行、故障等进行分析，驱利去弊，研究内部和外部的问题，找到解决问题的途径，增加推钢机液压系统设计的经验。在实践中发现，我国液压技术与世界先进技术水平上还存在不少距离，第一是产品的种类结构的问题；第二是产品的变型和派生的问题；第三是产品性能指标以及使用寿命的问题；第四是自主研发设计水平的问题。今后，应在推钢机液压系统改进和设计工作不断探索，加大试验和实践，赶超世界先进技术水准，实现我国液压技术水平的飞跃。
参考文献
[1]王海芳，戴亚威，汪澄，等.推钢机液压系统的设计与可靠性分析[J].机床与液压，2016，44（13）：178-179，190.
[2]杨莉华.液压推钢机故障分析与对策[J].机床与液压，2015（8）：180-181，183.
[3]徐启杨，陈业，曾明波，等.大流量压力补偿器及液压系统中的应用[J].液压气动与密封，2013，33（8）：63-65.
[4]王玉飞.液压推钢机系统的缺陷分析及改造[J].科技创新与应用，2015（5）：64.
[5]缪少军.基于阀芯位移观测的步进梁速度闭环控制[D].合肥工业大学，2014.
