棒材冷床制動裙板液壓控制*

任國振， 陳 松

(遼寧科技大學 機械工程與自動化學院， 遼寧 鞍山 114051)

冷床是棒材生產線重要的輔助設備，主要由輸入輥道、上鋼裝置、冷床本體、卸料裝置和輸出輥道等設備組成.上鋼裝置是冷床的關鍵設備之一，其作用是將精軋后的棒材送上冷床，并滿足軋線軋制速度和每小時產能的需求.對于普通規格棒材生產，一般采用裙板式上鋼裝置，軋制速度可達到18 m/s，而對于小規格棒材生產，最近幾年國內多采用高速上鋼系統，軋制速度最高達到50 m/s，例如，西馬克雙轉轂高速上鋼系統HSD和達涅利高速雙通道輸送系統HTC[1-2].

對于裙板式上鋼裝置，制動裙板是上鋼裝置的核心設備，其運行的穩定性將直接影響到成材率和作業率.制動裙板的液壓控制屬于多液壓缸同步控制問題，對于運行的穩定性和同步精度都有一定要求.然而對于多液壓缸同步控制系統，由于結構剛度、負載、摩擦阻力、泄漏量等存在差異，很難實現高精度同步控制.因此，研究滿足實際同步精度要求的液壓控制系統，具有重要的理論意義和實用價值.

對于多液壓缸同步控制問題，國內外技術人員進行了大量研究和實際應用.曹毅[3]提出了帶糾偏功能的同步馬達控制多缸同步液壓控制系統；李敏[4]給出了比例控制的中間罐升降四缸同步液壓控制系統；周鑫等[5]針對方坯連鑄翻轉冷床同步控制，提出了比例閥和同步馬達開環控制方案；唐志軍等[6]針對預彎機電液比例同步控制系統，提出了基于單軸帶負載力補償的位置速度雙閉環控制四軸同步控制策略；李勝永[7]針對鍛造液壓機雙缸同步比例控制系統，采用誤差反饋的同步控制結構實現雙液壓缸同步精確控制；劉芮葭等[8]針對多缸調平液壓伺服同步控制系統，提出基于模糊相鄰耦合的控制方法，具有較好的同步性能；馬長華等[9]針對傳統機械同步的不足，提出了基于粒子群算法的PID參數整定方法，達到了很好的同步性能.

制動裙板由液壓缸通過連桿機構驅動升降，十幾組連桿機構由長軸連接機械同步，要求同步性能好，停位準確可靠，動作響應快，行程周期短.針對長軸連接存在結構撓性和安裝間隙造成的結構剛度低、同步性能差，以及制動裙板液壓缸動作快、行程短、頻繁換向產生的液壓沖擊等問題，本文提出了兩種液壓控制原理，現場測試和實踐表明，兩種液壓控制原理都能滿足性能要求，較好地解決了同步性能和液壓沖擊等問題，具有良好的實用價值.

1 裙板式上鋼裝置結構及工作原理

某棒材廠冷床裙板式上鋼裝置結構如圖1所示，主要由液壓缸、連桿機構、長軸和制動裙板等組成.制動裙板升降由液壓缸通過連桿機構驅動，14組連桿機構均勻布置，通過1根由多個聯軸器連接的168 m長的長軸連接，保證14組制動裙板機械同步動作.長軸上設置了3個接近開關，用于檢測制動裙板的高、中、低3個工作位置.

裙板式上鋼裝置工作原理如下：從最后一架軋機軋制出來的高速棒材軋件經倍尺飛剪剪切后，進入倍尺飛剪出口和冷床入口加速輥道，由于加速輥道速度高于最后一架軋機軋制速度，因此，倍尺棒材軋件在加速輥道上由于速度差，實現前后棒材軋件拉開設定的距離，從而給制動裙板動作創造一個動作周期時間.制動裙板初始位置為高位等待，當前一根棒材軋件全部或者絕大部分進入制動裙板區域時，制動裙板由高位下降到低位，在傾斜輥道上行進的棒材軋件由于重力作用滑到制動裙板上減速并制動，實現了棒材軋件與輥道的分離，此時制動裙板迅速上升到中位，擋住后一根棒材軋件，起分鋼作用.延遲后，制動裙板再升到高位，將前一根棒材軋件拋到冷床矯直板第1個齒槽中冷卻矯直，完成一個動作周期.工作原理示意圖如圖2所示.

圖1 裙板式上鋼裝置結構Fig.1 Structure of delivery unit for braking aprons

圖2 工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of working principle

2 制動裙板液壓控制原理

制動裙板升降為多缸驅動機械同步運動，屬于多液壓缸同步控制問題.由于采用長軸連接，存在結構撓性和安裝間隙等剛度問題，導致升降不同步.負載變化、每個液壓缸的摩擦阻力和泄漏量都不一樣，也會導致升降不同步.另外液壓缸動作快、行程短、頻繁換向會產生液壓沖擊，對系統運行穩定性和元件使用壽命造成影響.

圖3 位置動作周期示意圖Fig.3 Schematic diagram of position-action cycle

為了解決上述問題，本文著重設計了兩種制動裙板液壓控制回路，原理圖如圖4～5所示，其中，圖4為常規閥液壓控制回路原理圖，圖5為比例閥液壓控制回路原理圖.

圖4 常規閥液壓控制回路原理圖Fig.4 Schematic diagram of hydraulic control circuit of conventional valve

圖4中，換向閥選取O型中位機能，換向時間開啟為45 ms、關閉為20 ms的電磁換向閥，充分保證制動裙板準確可靠停位和動作響應.節流閥起調速作用，保證制動裙板動作的速度要求.安全閥組起油液超壓溢流和低壓補油的作用，當液壓缸油液壓力超過設定壓力時，溢流閥溢流，使油液流回回油管道，降低了油液壓力沖擊，同時也保護了液壓閥和液壓缸等元件.當某一組換向閥不能正常工作時，由于單向閥的補油作用，使該組液壓缸能被動地跟隨其他正常液壓缸一起動作，消除了反向負載對機械同步長軸的影響，最大限度地保證了制動裙板的同步動作.由于制動裙板機械同步長軸為168 m長，并均勻設置了14組液壓控制回路，在該距離下，液壓站提供的油源很難保證遠端液壓控制回路及時供油，因此，為了避免遠端由于供油不足、速度跟不上而影響長軸機械同步，從液壓站出來的主管路(壓力油和回油管路)要鋪設到14組液壓控制回路中間位置后再分別向兩端進行鋪設連接對應回路，在14組液壓控制回路兩端以及中間位置均勻布置3組蓄能器，保證液壓控制回路及時補油，降低油液壓力沖擊，提高液壓缸等元件使用壽命.

圖5 比例閥液壓控制回路原理圖Fig.5 Schematic diagram of hydraulic control circuit of proportional valve

圖5中，用比例閥取代圖4中的換向閥和節流閥，其他不變.比例閥選取O型中位機能，帶閥芯位置電反饋直控式比例方向閥，保證制動裙板準確可靠停位和動作響應.由于比例閥采用了閥芯位置電反饋，構成閥芯位移閉環控制，使閥芯位移只取決于輸入信號，閥輸出流量取決于給定信號和閥口兩端的壓差，有效提高了液壓缸同步性.另外，通過調節比例閥輸入信號，可以有效地調整液壓缸兩端的緩沖，提高液壓缸的使用壽命.比例閥控制液壓缸速度曲線如圖6所示.圖6中，0～t1為加速段，t1～t2為勻速段，t2～t3為減速段，vmax為180 mm/s.

圖6 比例閥控制液壓缸速度曲線Fig.6 Speed curve of hydraulic cylinder controlled by proportional valve

兩種液壓控制回路設計各有優缺點，常規閥液壓控制回路比較實用，電氣控制簡單，容易維護，性價比高，但是在同步精度、停位控制精度、抗負載和油液溫度變化以及緩解壓力沖擊上相對較差；比例閥液壓控制回路在同步精度、停位控制精度上相對較好，可以有效緩解油液壓力沖擊提高元器件使用壽命，但是電氣控制復雜，日常維護要求高，投資大.由于制動裙板在同步精度以及停位控制精度方面要求不是特別高，負載變化也不大，兩種設計液壓控制回路均能滿足要求，因此可根據實際情況進行選擇.

以上兩種液壓控制回路設計均是分別獨立控制每組制動裙板，針對小型冷床，制動裙板組數較少，液壓控制回路設計可以采用電液換向閥加二通調速閥和橋式整流回路的集中控制回路，由每個二通調速閥和橋式整流回路分別調節每組制動裙板.由于二通調速閥本身帶有壓力補償器，可以保持油液流量的恒定，而與壓力和溫度無關，具有抗負載和油液溫度變化的能力，因此，在同步精度控制上，集中控制回路要優于獨立控制的常規閥液壓控制回路.選擇電液換向閥需要注意換向時間和最高切換頻率，需滿足制動裙板動作周期和換向頻率的要求.制動裙板升降為機械同步，液壓控制回路設計上不宜再選用同步馬達控制，同步馬達本身屬于剛性同步[10]，機械同步也屬于剛性同步，兩者相加，或者加速不同步，或者相互制約，導致設備運行異常，產生振動和噪音，使液壓系統發熱量增加，加速設備損壞.對于控制性能要求更高的冷床制動裙板，則需取消機械同步長軸，采用電液比例閉環同步控制技術，在每個液壓缸上設置位移傳感器，單獨采用比例閥閉環控制，再分組進行閉環同步控制，比例閥采用H型中位機能，以滿足性能要求.

3 現場調試及測試結果

本文以常規閥液壓控制回路在某棒材廠實際應用為例，進行了現場調試.制動裙板同步長軸由于安裝產生的同軸度誤差，以及本身的結構撓性，其機械同步性能相對較差，為了保證機械同步性能，減少液壓缸及液壓元件由于本身特性差異對同步長軸運動反向阻力的影響，現場調試時，根據14組制動裙板機構，分別脫開制動裙板長軸聯軸器連接，根據設計要求先調好某一組制動裙板升降動作，再以此為參照點，分別調節其余組制動裙板升降動作，并固定相應的聯軸器連接，使14組制動裙板升降動作全部機械同步，最后保證14組換向閥同時得電與失電，使換向閥輸出一致，保證制動裙板升降動作同步.

制動裙板升降動作非常頻繁，正常生產情況下平均每天動作次數約為15 000次，換向閥需要頻繁換向.在換向閥突然換向過程中，油液由于能量轉換而產生液壓沖擊，另外，當液壓缸突然停止運動時，負載及執行機構慣性作用力也會引起液壓沖擊.為了降低液壓沖擊，在14組液壓控制回路兩端以及中間位置均勻布置了3組蓄能器，利用蓄能器吸收液壓沖擊，使壓力不會劇增，有效減輕液壓沖擊對液壓缸、閥等元件的損害.制動裙板液壓缸工作壓力為14 MPa，經過現場測試，液壓缸兩腔最大沖擊壓力約為17 MPa，符合設計要求.現場測試采樣曲線如圖7所示.采樣周期為30 ms，動作周期約為2.5 s，各位置停留和動作時間非常短，壓力峰值出現在裙板由中位上升到高位的過程中，兩腔沒有出現負壓情況.裙板由低位上升到中位，以及由中位上升到高位過程中，由于換向閥迅速換向，負載的變化以及執行機構的運動慣性，無桿腔產生了一定的壓力沖擊和波動.壓力沖擊和波動會使腔體磨損和密封損壞，但從曲線上看，壓力波動不大，持續時間很短，最后都趨于穩定.

圖7 現場測試采樣曲線Fig.7 Sampling curve of spot test

4 結 論

冷床制動裙板液壓控制系統在棒材生產線中有著非常重要的作用，其設計的好壞直接影響冷床的正常生產.本文針對制動裙板同步性能差和液壓沖擊等問題，提出了兩種液壓控制原理，即常規閥液壓控制回路和比例閥液壓控制回路.現場測試和實踐表明，兩種液壓控制原理都能滿足性能要求，較好地解決了同步性和液壓沖擊等問題，具有良好的實用價值，為棒材冷床制動裙板液壓控制系統的設計、調試和維護提供有益參考.