液压AGC原理及其液压缸

液压AGC原理及其液压缸冶金部自动化所何宜业本文主要介绍了液压下的主要优点，滋泾 AGC的原理和压下液压 虹在液压土词中於作用，压下，衣压红的结构型式及工作状态，压下液压如的逸用及其设汁：7 |ACso +一、液压压下的优点曲于电控技术的不断发展， 液压元件 的 精度和质屋的不断提高，以及梢密检测 仪表 的由现，在现代板带钢生产中越来越 广泛地 采用全浅压压下或电动压下加液压 微调的轧 机，代替机械-液压同服系统的轧机。液压压下和电动压下相比共主要优点为，1?以惯性小的液压缸作为执行元件，比电动机机械传动质量小。2.快速性好（特别是调节量小的情况下更明显），比一般电动压下快10倍以 上。.3?压下加速度很大，最大可达200?400mm/s 2,也即是系统频带宽 10? 20Hz,而？电 动压下一般为0.5? 2H “4?精度高，产品头尾差小（武钢热 轧 产品厚度为3mm的带钢，电动压下自由轧钢 时头尾差为0.4mm,上电动AGC后头尾差为 0.2mm,电动AGC再力口液压AGC轧钢，头尾差 为 0.05mm ）。5?电动压下诚速机构有间隙，一般 为 20? 50从，液压压下液压缸不存在这一问题。? 352?6?消耗功率小，效率高。而电动压 下 的老轧机压下系统的效率只有 10? 15%左右, 根本不能带钢压下。7?轧机结构简单，重舐轻。8?液压压下可起过载保护作用，避 免 由现断耦事故。:、液压缸在液压微调中的作用在全液压压下和液压微调的轧机中， 液 电缸作为一个传递动力（轧制力）和调 节整 缝（改变位置）的执行元件存在于系 统中， 它既是执行盘又是被调节虽。在电液随动系统中，通过电液随动控 制 系统控制液压缸，使得轧机刚度很快而 容易 地随着轧制工艺的要求而改变，即所 谓变刚 度轧机。在反馈控制系统中遵循下面公式（见 图1 ）:k _L PPh=So+ _K_AC K7=So式中s0初始辐缝；c卡通过轧制压力反馈 补偿掉的轧机弹跳Ke = 了芝花一一轧机当量刖度；K-一轧机固有刚友；II C- 一轧机刚度调节系数.下面分析式（1 ）的物理意义：当c=i时，h=s。,即由口板厚等 于初始辐缝值，而Ke=TAy = a,相当 于轧机刚度a,即是tgOj = a。则轧机弹性 变形 线KC变成一条垂直于 Oh线的垂线 KC,如图 3 （当然在咬钢抛钢时，轧机刚 度应自动调 节为软待性，即完全补偿了轧 制力的影响）。 来料厚度虽然增加了 AH,由口厚度不变，轧机 实现硬特性轧制，通过电控系统刚度调节器 调节C值，实现恒 棍缝轧制。由图1可以看 出,为了消除来 料厚度AH所影响的由口板 厚差Ah,保证 由口厚度为h,对于预控系统来 说，从电控上讲是将检测误差信号送入延滞器，此 信号通过刚性调节器送到位控调节器，使 液压缸移动AHcD/Kn的距离，以消除 AH 的影响，实现厚度自动控制，这一任务是 由电控系统控制执行元件液压缸来完成 的。当J = 0时？ 上=s j T -豪一，轧机处于固有刚度（自然刚度）轧制。由式（1）yA-=Ke,Kc = K nr 贝f h = So+$-=P=s+盍，轧机的当灵刚度等于自然刚度，即自宙轧钢状态当C= -a时，对上式取增录 Ah = As o+-A-贝U 4P = （4hbAso ） Ke= 0 ,这时轧机处 于软特 性轧制，即轧制力姮定，平整机就 属于这种 情况。为了更好地理解调节 C值以达到实现 轧机的不同轧制状态，从液压的角度控制执行元件一液压缸的动作加以说明*当C=-a时，Ke=0,见图2,假 定将安全阀1调定为一定值P；,来料厚 度为H由口厚度 为也，假定液压缸内的压力为PL,而使P：-PL=5? 10kg/ cm?。当来料厚度为盅， 比比H 增加了 4H,液压缸内压力升高，当P&P:时， 液压缸内的油液就通过安全阀挤生，使得规缝增大，则由口厚度变为h2 （h2h,）,即来料厚度虽然增加了，但轧机负荷变化却很小，? 353 ,这就是恒压轧制的平整机。轧钢时实际是控制伺服阀使液压缸排油O1-安全阀；2一洗压缸；3-何服阀；4 一泵组图2由前面，当调节 C=-a时，Ke = O, P=0,则tg巾向=0,轧机弹性变形线 KC变成条水平 线，相当于刚度等于0 (见图3) o当调节C= 1时，Ke = a,也就是相当于轧 机刚度无穷大。见图 2,将安全阀 设定在过负荷 怩护压力点，在正常轧制 时，来料厚度为H,由 口厚度hl 。当来 料厚料变为比时(比HJ，若 不通过AGC系统调节棍缝，则由口厚度将变成? 354 ?h2(h2hj。为了使出口厚度仍为这时必须通过AGC控制伺服阀向液压缸充 油，缸体向下移动， 补偿轧机的变形盘：， 保证由口厚度h】不变。 由于来料增加了 AH,则轧制压力将增大，方面牌 坊进-步拉长，另-方面桂系轴承座进 2步Hi 缩问下移动，实现琨缝恒定，保证由口厚度为比,相对来说就相当于轨机的刚度是无穷大的，通过刚度调节器的调节，也就实现了对C的调节，虽然理论上当 C= 1时，轧机当虽刚度可等 于无穷大，但实际 上轧钢时，受到轧机原来固 有刚度的限制，不可能在任意大的轧制压力情 况下轧钢，即是保持轧机刖度无穷大。调节过 程也就是通过电控液压系统控制执行元件-一液压缸来完成的。当C=0时，也就是对轧机的刚度系数不进行调节，轧机的当昆刚度等于自然刚度，即Ke = Kn,轧机处于自由虬窗包状 态。这时对执行 元件液压缸不进行充油、排油的任何控制。二、液压缸 柱塞缸、活塞缸的机械结构特点图4为柱塞缸示意图，柱塞上有加导向套，也有不加导向套的。具密封型式有“昵耐油橡胶密封圈、人字密封圈、“悌聚氨脂密封圈、聚四氟乙烯 (PTFE)三角形密封圈以及用 尼龙6做 成的其它型式的密封圈。液压缸采用 导向 柱或键防转导向。图5为单杆活塞缸，在液压压下中采用的故多。活塞上除设有密封圈外，还有 导向 套，在缸盖上同样设有密封圈和导向套，活塞缸的机械稳定性比柱塞缸好，活塞缸在负载作用下，偏摆小。一种为双活塞杆活塞缸，如美国的 4200 轧机，意大利米诺公司生产的 1200轧 机采用 的就是这种液压缸，这种缸偏摆 小，稳定性 好。还有一种是日本三菱和石JI甜播磨采 用的一种新型式液压缸，它的工作状态同 单 杆活塞缸，燃而它又具有双杆活塞缸的 机械 性能，即稳定性好，但靡擦力大。四、柱基缸、活基缸在液压 系统中的工作状态及特点柱塞缸在二作时只是单向向液压缸供油，单杆活塞缸从工作状态看是以柱塞缸的型式工作，在控制方式上也是采用控制柱缸的方法，只是轧钢时在杆侧通入稳定的低压油(5? 10kg/cm2),在上腔造成 背压，既能起 到密封润滑作用，同时述能防止活塞高速调整时(压下)带进空气或灰尘等。而在轧制线调零及换馄时通入稍高的液压油？Okg/cmJ,以保证液压缸返程快而可靠，而杖塞皿空我 返程仅靠自逅或借沏于扎机上支桥禺平衡缸 和工作棍 平衡轨。就供油状态来说，都是将 四逋的 词服阀堵上一输由泊口由三通阀用。向液 压缸充油时，伺服阀的流呈放大系数比 四 通阀控制的双活塞杆缸增大1刁倍，即伺 服阀输生流量增加1刁倍。图6中单杆活 塞缸的活塞杆侧背压是不经过伺服阀而由单独图7双活寒杆液压红供油状态? 355?的减压回路供泊。囚 7为双活塞杆液 压缸的 供油状态。图6 单杆活塞缸供油状态四通伺很阀的两个供油口分别逋向液压缸的上下腔，伺服阀按本身负载转性工作，同时与前面两种相同直径的柱塞缸相比，其下腔的效率低，如美国的4200轧机、意大利米诺轧机就是采用这种型式的液压缸。按呢动特性选择，根据系统稳定性的要求，液压缸的固有频率应满足下式：CDh 匕理 2,(2)0.2 ? 0*0.3 ? 7式中3.-一系统娥止频率，rad/s,GL?2?f0.7?oh -液压缸固有频率，rad/s。液压缸的固有频率与液压缸的结构有 关，对四通阀控制的双活塞杆缸，液压缸 固有频率为：1 液压缸初始油柱高度，cm o双作用液压缸的固有频率采用下式，可(5 )式中A活塞面积 cm2；At活塞杆面积,cm2,P. 液压浊体枳弹性模数，kg/cnv $V;-社液压缸行程一半时活塞侧的封闭容积，v;在液压缸行程一半时活塞 .杆侧的封闭容积，cm8,m.e t 总的质量， kg-s7cm,m = nii+m2+m3mi负载庾量Jm2在液压缸活塞侧到伺服阀之间的管道中的介质折合到液压缸上的质屋，（4 ）? 356对三通阀控制的柱塞缸BeAJ式中Be 液压缸系统的弹性模数，若忽略管道弹性及混在油中的极少舐气体，则系统的弹性模数筹于液压缸的弹性模数，kg/cm2,Ap液压缸的有效面积，cm2, m 一移动部分的质量， kg-s2/ cm ；V从伺服阀出口到双活塞杆液压缸两腔的封密容积，cm3.从伺服阀出口到柱塞缸下腔 的封闭容积，cm%V ! = Ar 1 Jm2 = m (八道中的油)? ()”一 p? L|? Apap液压油的密度,kg-s 2/cm3,p=0.85X IO 8, tj*一管道长度，cm ;a一管道的横截面积，cm2, m3在液压缸活塞杆侧到伺服 阀之间的管道中的介质折合到液压缸上的质屋。m3与的求法相同。如果活塞处在中间位置，就由现最低固有频率，以此作为标准，即 s = s_/2, 3h/3n =f(S) , 9是处于中间位迓(S/2)的液压缸的固有频率，其固有频率的变化为活塞位置的函数，见图8。单作用液压缸(磬缸)的固有频率* 3h空中(6)v? m在液压缸为全行程时，会由现最低固 有频率，C0h/C0nt) = f(s), 3 是全行程 肘液压缸 的固有频率。固有频率的变化为活塞位置的函数，见图9。为了改善系统的动态待性，也就是改变伺服阀向液压缸充油或从液压缸排油特性，不管是柱塞缸或是活塞缸，在电气上都采用了流低补偿环节，以提高压下速度和加速度，改善伺服阀的供排油状况。五、液压缸的选用及设计1 .液压缸的选用新设计的液压压下轧机，不受轧机窗口尺寸限制，选用单活塞杆液压缸为宜，其稳定性比纯柱塞缸好，由于通入恒定的低压作为背压，密封润滑性也好，返程快而可靠。但结构复杂，加工制造困难，摩擦力又大。旧轧机增设液HAGC,往往受到轧机窗口 尺寸的限制，同时还姜保证装上液 压缸后满 足换褊噢武，迈选炖柱寒缸 ？不仅液压缸高 度尺寸小，效冷也高。当然在 轧机窗口尺寸 允许的情况下，采用单杆活 瘗缸豉好，尤其 是中板轧机要求返程快。2 .液压缸的设计(1)液压缸直径D或活塞杆直径d的确 定，必须满足最大轧制力以及最大静 压力的 要求。按最大轧制压力计算2Ap ? PL = (ma+ B pvp + P n+P 丁+ 匕,+ 即 P: + P Jkg/ 曲(7)式中 m移动部分的质量，kg-s2/cmja调节加速度， cm/s a -(ol? VF = 2ftf o ? 7 *v? -fo.7系统频宽，H?；vp-调节速度，cm/sjBp液压缸粘性阻尼系数，一般取Bp=0 ?P,最大轧制力，kg:PT一液IE缸摩擦阻力，kg Po一平衡力，kgsP;一正弯辘力，kg;Pi一活蹇杆侧背压。满足最大静压力的要求2AP? PL =静+巾 + P +P； +P j kg/cm2( 8 )式中PL = PS。一般P静/Pd,故 轧钢时液 压缸的P(W%Ps。单活塞杆缸活塞杆直斥 d的确定，应考 虑在换觐时，调轧机开口度，以及轧制线调零的返程推力，并考虑在柱塞里装进? 357?阿形压头和止推轴承的可能性Ohw-第一道次由口最大板厚;（2 ）确定液压缸初始油柱 1时，对双活塞杆缸，初始油柱高度应满足下式初始油柱的高度将决定于红钢时液更缸的封闭容积大小，并影响到液i；缸的固 有频率。；液压缸的最大行程 S,对于单 道次压 下的连轧机仅作为液压微调用的液压缸，只考虑液压缸初始油柱的高度1及 各品种中道次最大板厚值hmax,轧钢肘 轧制力引起的轧机 道次最大弹跳 道次调节量（带钢压下鱼）和轧 棍偏心值均很小，可不必考虑。即S14-（h laax d nax）（11）在设计时必须使 Sl + （h时实际的辐缝调零是将液压缸内充满l+Chm.-E 一）的油柱高度 将油路封闭，调整电动压下 螺丝将轧烧预压靠，辐缝为零。然后液压缸 排油缸体上 升，摆辐缝为此一 6。1700带钢轧机和中板轧机，作为液压微调用，液压缸行程 S一般为20? 30mm。干 油作为传动介质的液压缸（伺服阀和液压缸之 间还有增压缸），其行程S为12mm o对于单 机可逆轧制的带钢轧机和中板轧机作为液压压下用的液压缸最大行程 SMl+Oi-x imax）ohm.x 第一道次轧机城大弹跳民若为全液压压下的液压缸，最大行程 还应包括为保持轧制线不变轧烧重磨量的补偿、轧制线负波动强的补偿，为提高其刚度，一般另设补尝装置。液压缸的密封堇式及其密封材料日勺合理选用不单纯是一个密封性能好坏及使用寿命的同题，而目？还关系到摩擦力的大小，而摩擦力又将影响到系统的动态品质。当密封型式和材料一定时，摩擦力又与液压缸调节速度和液压缸压力有关。即PT=Fsin 等（11）摩擦力PT的方向与调节速度符相反， Ff液压缸摩擦力幅值，与液压缸压力有关，由式（11）可知摩擦力为一 非线性因素。由武钢冷轧和H本冈村虎雄所著液压 缸 一书介绍，以及冶金部自动化所制做的液压缸证实，采用聚四氯乙烯做成的三和形密封，其摩擦系数最小（0.0）,使 用寿命长。 其次是51氨脂做成的小“丫”形密封，摩擦系数决之（V0.02），使用寿命较长，但抗水性 差。再其次是耐油橡 胶做成的“Y胪形密封、 “泥密封和人字形密封。在设计液压缸时，除了考虑以上主要因索外，还应考虑液压缸的稳定性，防止扭转，良好的加工二艺性能以及安装维护方便。? 358