王守琦

（中冶东方工程技术有限公司 山东 青岛 266555）

1 前言

随着现代化进程的加速，我国已步入“十四五”规划的开局之年，坚持创新驱动发展成为“技术工匠”的首要任务。我国液压技术的工业化始于20世纪50年代，其产品起初仅用于机床和锻压设备，直到20世纪80年代，国内更加重视国外先进液压产品和技术的进口、研究以及国产化的相关工作，以保证国内液压技术能在质量、研发、效益等方面达到行业及世界领先水平［1，2］。如今的工业化大生产使液压系统应用于越来越多的领域，这同时对降低设备成本、提高控制精度及响应速度提出了更高要求。

根据多年现场经验，利用压力可调的补偿元件，匹配不同工况下比例阀的流量要求，从而使型钢生产线翻钢设备在动作时保持平稳状态。本次液压系统改造的总体目标是使翻钢设备能适应不同工况下比例阀及其他流量阀的要求，减少节流损失、降低能耗、节约资源、节省成本。

2 设备组成及液压系统介绍

2.1 设备组成

型钢轧件在经过加热、轧制、剪切、冷却、矫直等工艺流程后进行成品打包装车。翻钢设备往往布置在开坯机入口侧推钢机的前部，与辊道相衔接，将推钢机无法翻转的轧件进行翻转。翻钢设备由控制系统、驱动系统、执行系统组成，其设备结构主要由底部轨道、翻钢小车、夹紧机构（由夹紧辊、夹辊支座及轨迹模板等组成）、翻转机构（由销齿条、齿轮及翻转架等组成）等组成。

2.2 液压系统介绍

此次改造的翻钢设备液压系统包括：翻钢设备横移、翻钢设备夹送翻转。其中，翻钢设备横移液压控制是由定差进口压力补偿器、比例方向阀控制执行机构动作；翻钢设备夹送翻转是由定差出口压力补偿器、比例方向阀控制设备动作。

图1为改造前翻钢设备液压系统原理图。

图1 改造前翻钢设备液压系统原理图

3 压力控制

3.1 定差式压力补偿器

液压系统在现实工作中主要用于对执行机构的压力、驱动力、速度进行相关控制。压力的控制可以通过减压阀、溢流阀等压力阀实现；驱动力可通过压力与液压缸的作用面积或压力与液压马达排量的组合控制；速度控制则需通过调节负载流量实现，且一般采用阀控调速及泵控调速［3］。

在液压系统控制过程中，若要使执行机构精确动作，则需配合比例控制，这同时也是使输入与输出之间保持线性关系的关键。但是往往在轧件轧制过程中，由于型钢产品种类的不尽相同，所以执行机构的负载是不断变化的，在这种情况下，绝大多数的比例阀已很难实现对负载变化的执行机构进行精确的速度控制。

鉴于此种情况，稳定负载运动速度，就成了解决问题的关键。

定差压力补偿器能保证节流阀前后的压差不变，从而达到流量恒定，使执行机构动作稳定、速度恒定。但在液压技术增速发展的今天，现有的定差压力补偿器已较难满足生产应用的要求，比例阀、流量阀由于负载的不断变化，在不同工况下进出口压差已有所不同［4］。因此，若只是应用定差压力补偿器，已难以适应当前比例阀、流量阀压差的变化。

3.2 压力补偿器数学模型

液压系统的速度调整主要通过调节流向负载的流量实现，最常用的是阀控调速［5］。对于阀控调速，负载流量遵循如公式（1）所示：

式中：qL—负载流量；

k—与节流口形式有关的流量系数；

A—节流阀的开口面积；

Pp—节流阀阀前压力；

Pl—负载压力。

压力补偿器的概念正是为实现负载流量的稳定而提出的。在无法预知负载压力变化趋势的情形下，保持节流阀前后的压差不变，即可实现流量的稳定。对于阀控调速，通过阀的流量将随压差的变化而改变。负载压力上升，流量减小；负载压力下降，流量增大。只有当负载压力波动不大或几乎不波动时，节流阀才能起到流量控制器的作用。根据公式（2）：

式中：Pv—阀的压差，bar；

Ps—系统压力，bar；

ΔPL—油箱压力，bar；

ΔPT—负载压力，bar。

根据式（2），流量的变化取决于阀进出口的压差。而在油泵出口的压力和油箱压力为常数时，压差与负载压力相关。

由图2可知，实际上定差减压阀加节流阀串联的型式是两通调速阀。当负载压力波动时，节流阀的阀前压力始终跟随负载压力的变化并保持节流阀的工作压差恒定，于是负载流量得以相对稳定。

图2 定差减压型压力补偿器示意图

在一个带有压力补偿的液压系统中，通常定差减压阀通过与比例换向阀相互配合，使得流入比例阀与流出比例阀的流量保持相对稳定。

3.3 可调进口压力补偿器

随着比例控制技术应用的日益广泛，定差压力补偿器在一些特定条件下已无法满足生产需求，而可调节压差的压力补偿器能更匹配负载特性，实现更加精准的控制，也可匹配不同工况下比例阀的流量要求［6］。

可调进口压力补偿器采用一种紧凑的组合结构，主要由插装式减压阀、压力平衡卸荷分配元件组成。在与可调压力补偿器相配合的系统中，设置一个叠加的比例换向阀，并与一个锻造的阀体进行逻辑组合。此种可调进口压力补偿器工作时可以限定通过比例方向阀的进口P至A、P至B的ΔP（压差）为恒值，从而保证比例阀在一定开口度（响应值）下的流量稳定。图3为可调压力补偿器原理图，由图中的比例换向阀、插装减压阀、压力平衡卸荷元件组成了可调进口压力补偿器。

图3 可调压力补偿器原理图

由可调压力补偿器原理图可知，当比例阀P与A相通，T与B相通时，压力油会顺利的通过比例阀然后进入油缸有杆腔，从而使得活塞杆缩回，而无杆腔的液压油则通过比例阀的T口回到油箱。这时，压力平衡卸荷元件感应到系统的压力变化，从而使自身的阀芯在压力油的作用下右移，将压力及时补充到油缸有杆腔压力管道。由此，插装减压阀与压力平衡卸荷元件形成了定差减压状态，限定了比例换向阀P至A的压差，从而克服负载力的变化对比例换向阀P至A的压差干扰，使比例换向阀可以保持原来较好的流量控制特性，使油缸可以获得理想稳定的运行效果。

同理，当执行机构油缸伸出时，即比例方向阀P与B相通，T与A相通时，油缸无杆腔压力变大，压力平衡卸荷元件的阀芯在压力油的作用下左移，及时补充比例方向阀后的压力，从而限定比例阀P至B的压差，同样的，油缸在反向运动时也可获得理想稳定的运行效果。

4 液压系统改造

4.1 翻钢设备横移机构

1）机构说明

钢坯在经过加热后，具备轧制条件，在钢坯轧制过程中，受轧件品种多样性的影响，需要将不同品种及负载的轧件经过翻钢小车进行运送，横移液压缸伸缩带动与其连接的翻钢小车在底部轨道上移动，保证翻钢机工作与维修时的不同位置。

2）故障现象

翻钢小车在底部轨道上移动时不连续，液压管路伴随明显震动。

3）故障分析

由图1可知，翻钢小车在底部轨道上移动时，电磁换向阀的电磁铁b得电，横移油缸无杆腔进油，推动翻钢小车沿着轨道移动到预定位置；同理，电磁换向阀的电磁铁a得电，横移机构带动翻钢小车移动到原始位置。由于轧件规格的多样性，导致负载经常变化，在横移小车移动瞬间会出现一个速度增加量V。由于瞬时系统流量无法满足负载速度变化，液压油补充至无杆腔不及时，导致无杆腔形成滞后空间，使进油管路与无杆腔之间产生瞬时负压，致使液压管路产生强烈震动。

4.2 翻钢设备夹送翻转机构

1）机构说明

在轧件到达预定位置后，翻钢设备开始对其进行夹持，液压阀控制液压马达带动夹紧机构夹紧轧件，并沿着模板轨迹转动，实现轧件的翻转。

2）故障现象

翻转机构在动作时，运动轨迹僵硬速度不恒定，且液压马达漏油。

3）故障分析

由图1可知，当轧件在预定方向上需要翻转的时候，翻钢设备夹送机构先对轧件进行夹持，此时电磁比例换向阀的电磁铁b得电，进口压力补偿器开启，液压马达正转带动夹送机构对轧件进行夹持；待轧件完成翻转后，电磁铁a得电，液压马达反转带动夹送机构对轧件放松夹持。夹送机构在夹持轧件旋转的过程中，由于轧件自身重量的原因，翻钢设备带动轧件旋转的时候会突然出现速度增量，导致液压马达油腔的压力瞬间增大，同时伴随液压马达密封件老化等原因，进而致使液压马达漏油。

4.3 改造措施

针对翻钢小车移动不连续及翻转机构运动轨迹僵硬速度不恒定的现象，可以把图1中进口压力补偿器与电磁换向比例阀控制改为可调压力补偿器与电磁换向比例阀控制。

比例阀都配备有比例电磁铁，输入电流与输出信号（压力、流量）均成比例。比例阀的控制精度非常高，它的静态输入与输出特性与电液伺服阀类似，可以实现对压力、流量进行无极调节，且可以远程控制。

改造后的翻钢液压系统经过测试，翻钢设备横移小车动作平稳，未再出现移动卡顿与液压管路震动；翻转机构运动轨迹顺滑，液压马达再无漏油情况出现。

改造后翻钢设备液压系统原理图如图4所示。

图4 改造后翻钢设备液压系统原理图

5 结论

（1）使用可调压力补偿器优化后的型钢翻钢设备液压系统，可适应不同工况下比例阀的控制要求，实现设备动作的稳定，同时达到减少节流损失、降低能耗、节约资源、节省成本的目的。

（2）型钢翻钢设备在动作时，无法预知负载压力变化，而负载流量的波动直接导致了系统的不稳定。若要从根本上减小甚至消除负载变化对机构稳定性的影响，需将保证阀前后的压差不变、系统流量稳定作为着手点。

（3）可调压力补偿器是大型设备动作中配合比例阀实现速度控制和负载控制的重要元件，其以定差压力补偿器为基础，添加逻辑单元和调节单元，可更加匹配负载特性，控制更加精准，使液压系统的适应性更高，且对于负载敏感类液压系统的优化具有可观的前景。