液压比例技术在RH 钢包提升系统改造上的应用

丘铭军，郭星良，张永锋，陈国防

(中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032)

0 引言

现有的钢水真空冶炼技术中，为了减少钢包的周转时间，提高钢水的真空处理效率，钢包提升同步控制系统被广泛应用于钢水处理环节。钢包台车沿着运行轨道将钢包运送至钢水处理工位，由提升装置将钢包单独从钢包台车上提升至工艺要求的处理高度，待钢水真空处理结束后，提升装置将钢包下放至运行轨道上的钢包台车上，钢包台车运送钢包离开钢水处理位置进入下一个工艺环节。这种钢包提升形式，由于钢包独立于钢包台车单独提升，钢包台车在钢包提升后进行钢水处理期间能参与其他工序的工作，从而减少了钢包的周转时间，提高了钢水的真空处理效率。

1 现状

目前，在真空冶炼领域，钢包同步提升控制系统采用的控制方式均为大流量同步马达控制四个提升液压缸的提升框架的同步动作。

如图1 所示为改造前使用的框架同步马达提升控制系统，图中1为钢包，2为提升液压缸，3为位置锁定阀装置，4为八联同步马达装置，5为双作用变量泵。

根据四个提升液压缸对提升框架的同步控制要求，大流量同步马达平均分配来自液压站的流量，使提升框架上的四个液压缸同步动作。

图1 改造前使用的钢包同步马达提升控制系统Fig.1 Control the hoisting using synchronized motor before revamping

在钢包提升过程中，由于提升液压缸提升重量大、速度快，所以液压缸需要的流量非常大，普通大流量同步马达无法满足该流量要求，通常采用多联大流量同步马达并联对某一个液压缸供油的方式来满足钢包提升液压缸的快速提升的使用工况要求，因此制造成本非常高;同时在使用过程中，假如其中任意一联同步马达出现问题，则需要整体更换同步马达装置，因此维护工作量大，后期备件费用及运行成本非常高;提升框架的同步提升误差由同步马达的精度决定，随着使用时间的延长，同步马达部件的磨损，同步控制精度将明显下降，严重影响钢包提升台架的连续生产使用。

2 工程改造实例

2.1 液压比例控制技术

液压比例控制技术是介于普通液压阀的开关控制技术和电液伺服控制技术之间的一种控制技术，可以实现液体压力和流量连续按比例地跟随控制信号而变化，实现远距离控制及复杂程序控制，利用反馈信号能提高液压系统的动作稳定性和控制精度。因此，电液比例控制技术是一种可靠、价廉的控制方式，已成为现代控制工程的基本技术之一，被广泛应用于工业控制系统中。

液压比例控制系统由指令元件、比较元件、比例放大器、电液比例阀、液压执行元件、信号检测反馈元件等组成，其系统框图如图2 所示。

图2 液压比例控制系统框图Fig.2 Block diagram of control system for hydraulic proportional system

如图中所示，液压比例控制技术的核心是电液比例阀，系统的指令信号在比例放大器中通过处理、运算、功率放大后输入到电液比例阀，电子放大器根据一个输入电信号的大小转换成相应的电流信号，这个电流信号作为输入量被送入电液比例阀中的比例电磁铁，电磁铁将此电流转换成作用于电液比例阀中阀芯上的力，以克服弹簧的弹力。电流增大，输出的力相应增大，该力或位移又作为输入量加给电液比例阀，后者产生一个与前者成比例的流量或者压力。通过这样的转换，输入信号的变化，不但可以控制执行元件的运动方向，而且可对其作用力和运动速度进行无级的调节，使系统的输出量与给定值保持在允许的范围内，与此同时输出功率也被大幅度放大。

随着液压技术的发展，大流量比例阀的使用技术已经非常成熟。本论文将大流量比例阀技术用于改造现有的钢包提升同步控制系统，该改造具有成本低、安装难度小、运行可靠、维护方便、运行成本低、并可单独补偿同步误差等优点。

2.2 工程改造实施

在目前的钢包提升系统中，由于采用大流量同步马达来控制，系统有以下问题:

①为了满足提升速度的要求，需要采用大流量同步马达，但是大流量同步马达价格昂贵;由于大流量同步马达价格非常昂贵，通常采用多联中等规格的马达并联组成大流量同步马达;

②当同步马达的某一联损坏，则需要整体更换，或视损坏情况返回同步马达生产厂家维修，维修价格昂贵，维修周期较长;

③同步马达在使用一段时间后，由于维护不当或者磨损等原因，同步马达的同步性能将明显降低，造成钢包提升的同步性不能满足使用要求，导致提升框架导轨磨损严重;

结合钢包提升工艺的使用要求以及现有钢包液压控制系统的配置，需要一种同步控制系统，能满足以下要求:

①一种使用广泛且技术成熟的同步控制方式用来控制该钢包同步升降控制系统;

②该同步控制系统应该具备某个液压缸单独调节的可能，以满足生产的需要;

③该同步控制系统应该独立控制各个提升液压缸，维修简单，使用方便;

④该改造投入少，改造工作量小，充分利用原有的液压系统包括液压站，提升液压缸等。

液压比例控制系统，其控制性能逊于液压伺服控制系统，但是对油液的清洁度要求较低，且价格低廉，特别适用于冶金行业等环境较差的工况，其控制特性也完全能满足精度要求不是很高，响应不是非常快的场合。基于液压比例控制技术的优越性，并充分考虑以上工艺的要求，决定采用电液比例控制技术应用于该钢包同步提升系统的改造项目。

改造后的钢包比例阀同步提升控制系统如图3 所示，图中1为钢包，2为提升液压缸，3为位置锁定装置，5为双作用变量泵，6为比例阀，7为位置检测元件，8为电气控制系统。

图3 改造后的钢包比例阀同步提升控制系统Fig.3 Control the hoisting using proportional system after revamping

该改造方案包含以下部分:

(1)同步控制液压阀台部分。考虑到原有的同步提升控制系统同步马达为集成式，维护不便且维修费用高，所以在本改造中采用四个独立的比例阀用于分别控制各个提升液压缸。该四个独立的比例阀安装在一个阀台上，用于取代原有的同步马达装置，阀台的管路方向与原有的同步马达出管方向相同且通径相等，改造安装非常容易且完成时间较短。

比例阀的相关计算及选取:

①确定所需要的流量以驱动执行器达到要求的速度。

式中:Q为流量，L/min;A为执行器的有效面积，cm2;Vmax为执行器最大速度，m/s。

②确定阀压降

式中，PV为允许的阀压降，105Pa;PS为系统的工作压力，105Pa;FD为加速和速度保持时所需的力，N;A为执行器的有效面积，cm2。

③比例阀的选用。钢包的负载(提升力由四台提升液压缸提供并已考虑钢包钢水重量、提升框架导轮与导轨的摩擦力、惯性力等):5.9 MN;四台提升液压缸，每台液压缸的尺寸:φ420/220－3700 mm;最大速度:Vmax=50 mm/s;系统的工作压力:16 MPa。

以上参数代入公式，得出

查阅比例阀的相关样本中的“流量增益”曲线，25 通径的比例阀能满足以上计算所得的压降流量增益，常规设计方法选用25 通径的比例阀即可以满足使用要求。

但在该系统中，比例阀的作用其一在满足钢包高速提升及下降的工况下单向提供足够大的流量;其二通过检测元件的实时反馈及时自动修正比例阀的流量输出，使四个提升液压缸能满足同步要求;即比例阀的作用是在大流量状态下起比例通断油路(节流)作用，由于25 通径的比例阀价格较昂贵，为了降低改造投入，本改造采用16 通径的比例阀，通过优化创新设计，比例阀的P 口与B 口、T 口与A 口在外部阀块中连通，比例阀通电打开或关闭时，两个通油道同时工作，流量较单通道工作时增加了一倍，静动态特性与使用单通道时一致，完全能满足钢包同步提升的使用要求。

(2)提升液压缸检测部分。带闭环的比例控制系统，需要检测提升液压缸的实时位置来反馈给电气控制器，从而控制比例阀的开度来实现对液压缸的速度及位置的控制。

液压缸的位置检测通常采用磁致伸缩位移传感器的形式，该检测形式要求液压缸后部有足够的检修空间用于维护或者更换位移传感器，而且原有的提升液压缸没有预留位移传感器安装孔，改造难度大，费用高且时间长。

结合现场的安装空间及各项因素，本改造决定采用拉绳一体式编码器作为提升液压缸的位置检测元件，该编码器为整体式，独立安装在固定台架上，拉绳端固定在提升液压缸的运动活塞杆端即可，安装方便，费用低，完成改造时间短。

(3)电气控制部分。新改造系统需要一套电气控制系统，用于分别实时检测提升液压缸的位置，并反馈给该电气控制系统，通过信号的计算、放大后输入给比例阀，用于即时调整比例阀的阀芯开口度，从而控制经过比例阀的流量来控制提升液压缸的速度及位置。

该电气控制部分由常规PLC组成，并通过以太网与原有的电气部分实现数据的可靠传输及控制。改造周期短，工作量小，现场容易实施。

图4为改造后的比例控制阀台，阀台布置在原同步马达阀台旁边;图5为改造后提升框架的运行动作。该改造实施周期短、改造后系统运行平稳、工作可靠，完全能满足现场使用要求。

图4 改造后的比例控制阀台Fig.4 Proportional valve stand after revamping

图5 改造后提升框架的运行动作Fig.5 Ladle frame hoisting after revamping

3 结论

本改造将比例阀取代大流量同步马达的方案用于解决现有的钢包提升同步控制系统存在的问题，该改造方案具有成本低、安装难度小、运行可靠、维护方便、运行成本低、并可单独补偿同步误差等优点，能够有效解决长期困扰生产企业的钢包提升同步控制系统实际使用中存在的问题。

随着液压技术的发展，大通径比例阀的使用技术已经非常成熟但价格较为昂贵。中等通径的比例阀价格低廉且供货周期较短，本改造将中等通径比例阀的两个通油道经液压集成块在外部连通代替价格昂贵的大流量比例阀，使比例阀的通流量增大一倍，完全满足钢包提升控制系统的使用要求，大大减少企业的改造投入及后期运行维护及备件成本。

通过解决该工程实际问题，说明液压比例控制技术应用在钢包提升装置中是非常成功的，鉴于液压比例控制技术理论的通用性，本文也能为相关控制问题提供有价值的借鉴作用。

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