铝扁锭液压吊具液压系统的研发

田政平 王朝辉 刘 健 常怀德 钟伟添 武明森

辽宁忠旺集团有限公司 辽宁辽阳 111003

1 研发背景

对于铝锭,传统工艺是使用纯机械吊具,完全依靠铝锭自身重力夹紧,优点是安全可靠。在生产中发现,这种机械吊具无法翻转铝锭,并且铝锭质地较软,机械吊具会造成很深的沟痕,影响后续加工。液压技术具有体积小、质量轻、传动平稳、机构紧凑、可远程控制等独特优势,液压吊具代替传动机械吊具,可以满足高精度铸锭的要求。液压吊具可以在地面上完成翻转铝锭动作,在满足沟痕深度前提下设定系统压力,弥补机械吊具的不足。液压吊具的最大问题是保持工作压力的时间。现有液压吊具液压系统原理简单,使用滑阀类液压阀,在泄漏方面得不到保障。现场环境温度高,影响安全的因素较多,液压方面的保护措施基本没有,一旦出现胶管破裂等液压故障,很难继续保压。

针对现有情况,对铝扁锭液压吊具液压系统进行研发,研究重点是吊锭过程的安全性和断电之后的保压时间。

2 技术参数

铝扁锭液压吊具通过吊轴悬挂在吊车吊钩上,液压缸伸缩,带动夹钳的钳臂运动,实现夹钳钳腿的张开和夹紧。吊具工作压力为20 MPa～25 MPa,断电后可保压12 h,钳口形式为钳牙轴,技术参数见表1。

表1 铝扁锭液压吊具技术参数

3 液压系统原理

铝扁锭液压吊具由机架、夹爪、称重传感器等组成,外形如图1所示。

图1 铝扁锭液压吊具外形

铝扁锭液压吊具液压系统原理如图2所示,液压站提供动力,蓄能器提供保压压力。

图2 液压系统原理

4 电机泵组

电机泵组是铝扁锭液压吊具液压系统的核心,由于空间受限,因此尽可能降低液压部分装机功率。降低电机泵组电机功率有三种方案,第一种是采用三相异步电机加恒功率变量泵,第二种是采用变频电机加高压齿轮泵,第三种是采用高低压泵。

第一种方案虽然可以实现高压小流量、低压大流量,但是恒功率变量泵自身受到功率限制,在相同功率等级下最大输出压力没有高压泵压力大。以某常见品牌泵为例,5.5 kW恒功率变量泵才可以达到30 MPa,所以不建议采用。第二种方案的缺点是需要增加变频器和强冷风扇,比普通电机复杂。当然,第二种方案完全可以通过可编程序控制器设置实现无级变速,是进口吊具的常用方案。第三种方案泵的曲线为两级压力流量,吊具在未接近铝扁锭时快速移动,负载小,且基本恒定,虽然不能无级变速,但是对于吊具而言已经满足实际工况,所以建议选用第三种方案。

推荐高压定量柱塞泵、低压齿轮泵组合双级阀串联使用,可以实现两级压力流量,电机泵组电机功率也可以降到最低。双级压力阀由高低压泵供给,能够使两个独立的泵输送的流量汇合为共同流量输出。当达到预先设定的低压参数时,能够使低压油路切换到无压旁通状态,并防止高压回路超出最大设定工作压力。

双级压力阀设定压力为4 MPa和30 MPa,当压力大于4 MPa后,低压齿轮泵将卸荷,只有高压定量柱塞泵工作。功率3 kW的电机就可以实现流量31.6 L/min时压力4 MPa,累积流量3.6 L时压力30 MPa,既节省成本,又使结构简单。电机泵组如图3所示。

图3 电机泵组

5 保压回路

典型保压回路分为三种,第一种为采用液控单向阀的保压回路,第二种为辅助泵的保压回路,第三种为采用蓄能器的保压回路。三种保压回路都有优缺点,液压吊具通常采用蓄能器加液压锁的保压回路。从原理上分析,选用两通零泄漏的减压阀,设置在蓄能器与油缸中间,可以增大蓄能器的工作压力,即增大蓄能器的有效容积。高压小流量辅助泵可以为蓄能器提供高压。实际油缸的输出压力为减压阀后压力,不会对铝锭造成过深沟痕。根据设计手册,有:

(1)

式中:P0为蓄能器充气压力,18 MPa;V0为蓄能器总容积,5 L;P1为系统工作压力,30 MPa;P2为系统工作压力,20 MPa;n为安全因数,1.4;Q1为油缸最大泄漏量,1.1 mL/min;Q2为零泄漏阀最大泄漏量,0.1 mL/min;A为安全因数,1.4。

通过计算,保压回路保压时间为12.5 h,满足全部断电后保压时间12 h的要求。流量3.6 L/min的高压定量柱泵塞输出1.2 L油需要20 s。无杆腔与蓄能器都设置有传感器,有一个传感器低于设定值,卸荷阀就会得电起压,为系统供能,安全性得到保障。

6 蓄能器

蓄能器的充气压力为18 MPa,铝扁锭液压吊具在快速慢速移动的过程中,系统压力不大于5 MPa,在蓄能器与无杆腔连通的状态下急停,不会造成蓄能器释放能量。在蓄能器管路中增设球阀,可以在紧急情况下泄压。

7 油缸减压阀组

油缸减压阀组是保持油缸压力的关键,集成在油缸上,通过钢管与油缸相连。液压站与油缸减压阀组采用胶管连接,应用防爆阀,避免胶管破损造成铝扁锭掉落。油缸上的小蓄能器可以用于在紧急情况下短暂保压,避免安全事故发生。油缸减压阀组如图4所示。

图4 油缸减压阀组

油缸减压阀组上的两通减压阀的作用是将初始压力在输入压力较大并且变化的情况下持续保持恒定。在具有较低恒定压力水平的油路中,针对由变化的、较高压力水平油路供给的情况,可以使用两通减压阀。两通减压阀是直动式阀门,与传统有泄漏的滑阀式调压阀相比,在关闭状态下无泄漏,在保压回路中具有更高的零泄漏能力。

8 差动回路

铝扁锭液压吊具需要快慢速移动配合,目的是慢速接近铝扁锭,避免速度过快将铝扁锭磕伤。动力阀块选用插装阀,差动回路泵组的特点是自动切换快慢速,达到顺序阀低点设定值4 MPa后,自动切换为慢速,不需要电磁阀的介入。随着系统压力的增大,电气程序自动关闭差动电磁阀,泄除有杆腔压力,增大油缸输出力。系统实现自动切换动作,只需要一个夹紧按键,就可以实现快速、慢速移动和夹紧的全过程。

9 总结

铝扁锭液压吊具液压系统采用了高压定量柱塞泵、低压齿轮泵和双级阀组合,存在缺点。在大流量输出的情况下,通过节流阀调节速度时,会出现顺序阀卸荷达不到设计速度的问题,并且负载波动也会造成顺序阀卸荷。产生这种现象的主要原因是顺序阀压力设定值过小。通过试验对比,顺序阀设定压力需要达到7 MPa,适当提高电机功率,可以避免在工作中速度无法提高或波动大的现象。

分别对不同批次同一型号的20个油缸进行保压试验,带负载均在24 h内油缸压力保持不变,仅蓄能器的压力有所减小。对比无两通减压阀的保压回路,采用两通减压阀具有更好的保压特性,设备安全得到保障。

进行胶管破裂试验,验证了防爆阀的功能。油缸减压阀组的小蓄能器压力也足够保压2 h,证明铝扁锭液压吊具液压系统在极端恶劣高温环境下也具有较高的安全性。

所研发的铝扁锭液压吊具液压系统在符合生产要求的前提下结构简单,装机功率小,保压时间长,具有应用价值。