穿孔机顶杆循环装置液压控制系统的研究

穿孔机顶杆循环装置液压控制系统的研究

袁海

靖江特殊钢有限公司

摘要：穿孔机组是生产圆钢的主要设备，主要用于轧钢过程中穿孔，是轧钢设备的核心部分，穿孔机顶杆循环装置是穿孔机的关键设备，该装置采用液压缸作为动力来源，通过操纵控制顶杆旋转运动，从而实现顶杆循环。顶杆循环装置是穿孔机顶杆运动的动力来源，顶杆循环装置的运动轨迹和运行速度直接影响到轧件的质量，因此设计合理的顶杆循环装置对保证轧件质量有着重要意义。本文针对穿孔机顶杆循环装置，对其进行了理论分析和计算，并对其液压控制系统进行了分析和研究。

关键词：穿孔机顶杆；循环装置；液压控制

引言：顶杆循环装置是穿孔机轧辊的重要组成部分，其作用是使轧辊在工作过程中，保持其处于进给方向上的水平位置，从而保证轧制过程的正常进行。顶杆循环装置的性能直接影响着穿孔机工作的效率。在设计中，如果顶杆循环装置出现了问题，就会影响穿孔机的工作效率。

1顶杆循环装置工作原理

顶杆循环装置是穿孔机的关键设备，通过对其运动进行控制，可以实现轧件的循环过程。顶杆循环装置的作用是通过液压缸推动顶杆在孔内旋转，实现顶杆的循环。该装置由前进缸、后退缸、转向缸组成。前进缸用于顶杆向左旋转时顶杆的前进运动，后退缸用于顶杆向右旋转时顶杆的后退运动，转向缸用于顶杆向左和右旋转时的转向运动。

通过操纵控制前进缸顶杆向左或右转动，从而实现顶杆循环。在工作过程中，如果需要改变顶杆循环的方向或速度，只需将操纵手柄向左或向右旋转一定角度即可。通过对前进和后退两个方向进行操纵，可以实现对顶杆循环装置运动方向和速度的控制。顶杆循环装置在运行过程中会受到来自外界的力、力矩、阻力等多种因素影响：顶杆循环装置在工作过程中会受到来自外界的力，这些力包括水平方向上的重力、垂直方向上的压力、电动机所产生的扭矩、液压缸产生的拉力和扭矩等；顶杆循环装置在工作过程中会受到来自外界力和力矩两方面作用影响。

外界因素包括来自外力作用影响、自身重力影响和液压缸产生拉力影响等。内部因素包括电机所产生的扭矩、电动机所产生扭矩、液压缸所产生的推力等。其中最主要的是液压缸产生拉力作用。因此在设计顶杆循环装置时需要综合考虑这些因素，尽可能地减小外界对顶杆循环装置工作性能的影响，提高顶杆循环装置运行性能。

2液压缸计算

穿孔机顶杆循环装置采用两个液压缸作为动力来源，液压缸与顶杆连接方式有两种：一种是螺纹连接，一种是销轴连接，两种方式的优缺点各有不同。螺纹连接具有成本低、易更换、便于安装等优点，但螺纹容易磨损，不适合长时间的工作。销轴连接具有结构简单、工作可靠的优点，但是容易损坏。

在穿孔机顶杆循环装置中，两个液压缸通过销轴与顶杆连接，而两个液压缸与液压泵之间存在一定的距离。当采用螺纹连接时，两个液压缸与顶杆之间的距离要大于两个液压缸与液压泵之间的距离。因此为了确保顶杆循环装置能够平稳运行，在设计时应该避免两个液压缸之间出现较大的缝隙。

在采用螺纹连接时，两个液压缸之间的最小间隙为8 mm。当采用销轴连接时，最大间隙为12 mm。通过对两者进行比较可知，采用螺纹连接时能够有效避免两个液压缸之间出现较大的间隙，保证了顶杆循环装置运行平稳。在实际使用过程中，为保证顶杆循环装置的正常运行和平稳运行，需要在其内部装设减震弹簧等减振元件。

3比例阀的选择

比例阀的选用是液压系统设计的重要环节，它决定着系统的控制性能，影响着整个液压系统的稳定和精度。比例阀作为一种能量转换元件，其转换效率直接决定了液压系统的性能。比例阀有先导式和被动式两种类型，先导式比例阀结构简单，控制方便，但因其内部无反馈通道，所以精度低；被动式比例阀在控制时，负载变化时压力波动较大，易产生振荡现象。两种类型比例阀各有优缺点。被动式比例阀结构简单，价格便宜，但其机械特性较差、速度特性差、响应速度慢、换向性能差；主动式比例阀结构复杂、价格昂贵，但其机械特性较好、速度特性较快、换向性能好。

4溢流阀的选型及计算

溢流阀是系统中的一个重要组成部分，它的作用是保持系统压力恒定，防止高压油窜入低压油路。溢流阀主要由阀体、阀芯、弹簧和阀套组成。为了防止溢流阀中的弹簧磨损，可在弹簧中加适量的润滑油。溢流阀的作用是在系统压力高于一定压力时，使液压缸产生节流作用，防止液压缸超压或因油液中混入空气而引起事故。溢流阀在工作时，由于液压缸进油口和出油口压力不等，有可能造成溢流阀和主阀出现不能关闭的情况。如果不能及时关闭，将导致油液大量泄露，出现巨大的浪费。因此，溢流阀必须具有良好的性能和良好的调节性能。

对此，可以采用 PID控制原理，并选择一个比例伺服阀作为主阀芯，通过比例伺服阀的工作原理实现对液压缸进、出口压力的调节。在 PID控制中， PID控制器在比例方向调节器中的作用是对比例放大器输出信号进行放大处理，通过对比例方向调节器输出信号进行积分运算及微分运算控制比例方向调节器的输出信号进行比例控制。

5液压控制系统设计要求

顶杆循环装置是轧制过程中不可缺少的设备，在工作中，必须保证其能够正常工作。在设计中，要根据不同的生产需要，设计出不同的顶杆循环装置。如：穿孔工序的主要设备是轧辊，在轧制过程中，要使轧辊保持正常的运行状态。因此，为了保证穿孔机轧制的正常进行，顶杆循环装置的运行时间要大于24h。

在设计中，为了满足穿孔机轧制过程的正常进行，要求顶杆循环装置能够在1 min之内完成工作。在设计中，要保证顶杆循环装置能够达到这一要求。具体设计要求为：（1）控制系统的动力由液压泵站提供，同时还能够根据工作需要来调节顶杆循环装置的压力、流量以及速度等参数。（2）液压泵站所提供的动力是可以进行调整和调节的。当工作压力、流量以及速度等参数不能满足要求时，可以根据实际情况来调整工作压力。（3）系统设计时，要保证其稳定性和可靠性。为了保证整个液压系统的工作稳定性，需要对系统中的各种元件进行合理地选择和安装。在选择元件时，要根据具体情况来选择合适的元件。（4）液压泵站在使用过程中，需要对液压管路进行合理布置，同时还需要设计好管路压力损失以及管道布置等参数。同时，还要保证整个液压系统具有较好的抗污染能力和抗冲击能力等。（5）液压泵站中的油液在工作过程中不能出现泄漏现象。因此，在设计中要设置溢流阀、安全阀以及节流阀等元件来对系统进行保护和控制。（6）为了保证液压泵站提供的动力满足工作要求，要在油箱内安装减压阀以及减压装置等元件来降低油液压力损失等。（7）系统设计时要选择合适的压力继电器以及控制元件来控制压力、流量和速度等参数。

6穿孔机顶杆循环装置液压控制系统的应用策略

6.1顶杆循环装置结构

顶杆循环装置是穿孔机的重要组成部分，其作用是使轧辊在工作过程中保持其水平位置。顶杆循环装置一般由顶杆升降机构、液压控制系统等组成。顶杆升降机构包括有定位销、顶杆夹紧装置、液压缸和升降机构等。顶杆升降机构由滑块、活塞和杆体等组成，其作用是使液压缸推动杆体沿滑块的轴线方向上升和下降，从而实现顶杆在进给方向上的位置调整。

液压控制系统由油泵、安全阀、溢流阀和柱塞泵等组成。当液压缸推动活塞向上运动时，可将油液从进油口压入油泵的油缸中，使油液从出油口排出。当液压缸推动活塞向下运动时，则可将油液从出油口排出，从而完成对顶杆升降机构的控制。在穿孔机中，液压控制系统一般由泵、阀和控制台等组成。在实际应用中，将阀件安装在控制台上即可实现对液压缸的控制[1]。

6.2主要零部件设计计算

本设计采用顶杆循环装置的主运动机构为：压下油缸。在此设计中，主要考虑了以下几个方面的问题：（1）需要保证所设计的压下量为顶杆的轴向长度，即需保证最大压下量不能超过顶杆长度的50%，而压下量最小值为顶杆长度的50%；（2）要求该设计是可调式设计，即根据不同规格轧辊直径，调节液压缸的进给速度来实现不同规格轧辊所需压下量。

该设计在工作过程中，需要保证油缸与机架之间不会出现打滑现象，同时要保证油缸的轴向行程不会超过300 mm。经过计算，可得：最大压下量为320 mm，最小压下量为60 mm。根据上述公式可得出：最大压下量为320 mm时，最小压下量为60 mm；当最大压下量大于320 mm时，需要考虑是否会出现打滑现象。

因此，可以采用弹簧式缓冲结构来消除滑块与缸筒之间的摩擦力。经计算可知：弹簧式缓冲结构可以将最大压下量减小到270 mm左右。在计算中可以看出，弹簧式缓冲结构的稳定性非常好，能够有效地防止滑块与缸筒之间的摩擦力导致的滑块打滑现象[2]。

6.3程序设计

该系统采用 PLC为控制器，由变频器和电磁阀组成。PLC内部有两个功能模块，一个是脉冲输出模块，它主要完成系统的运行状态的监测、处理和控制；另一个是液压系统的控制模块，它主要完成顶杆循环装置液压系统的运行控制。PLC控制部分由 PLC内部的 PID子程序、计数、自举功能、顺序控制和 PID子程序构成[3]。

在 PID子程序中，当压力达到设定值时， PID控制器根据设定值自动调节电磁阀的开度；当压力低于设定值时， PID控制器根据设定值自动调节电磁阀的开度；当压力大于设定值时， PID控制器根据设定值自动调节电磁阀的开度。当 PLC接收到变频器发出的控制信号时，可以立即判断当前顶杆循环装置是否处于工作状态。如果当前顶杆循环装置处于工作状态，则直接对电磁阀进行控制。如果顶杆循环装置不能正常工作，则将相应的信号反馈给 PLC。在 PID控制算法中，选择了“先减后增”算法作为 PID控制器的控制算法。该算法简单、实用，在整个系统中具有良好的适应性。程序设计时采用自举功能来完成顶杆循环装置的自举。自举功能是利用 PLC中的“自举子程序”来实现的。通过这种方法，可以在很短时间内完成一系列动作[4]。

结束语：顶杆循环装置在轧制过程中的作用十分重要，对于穿孔机的工作效率有很大影响。但是由于穿孔机的工作环境比较恶劣，所以在设计顶杆循环装置时要注意以下几点：1.液压缸的工作压力要达到200 MPa以上。2.对顶杆循环装置液压控制系统进行设计时，要根据实际情况选择合适的控制方式，保证控制系统能够安全稳定的运行。3.在设计中要考虑到环境对顶杆循环装置液压系统造成的影响。4.对穿孔机顶杆循环装置液压控制系统进行设计时，要考虑到各个环节出现问题时对顶杆循环装置造成的影响，从而保证整个系统能够正常工作。

参考文献：

[1]胡俊,孙天健,李军.穿孔机顶杆循环装置液压控制系统的研究[J].机床与液压,2023,51(01):115-119.

[2]贾豹.Φ177 mm PQF连轧管机穿孔机顶杆小车系统故障分析与改进[J].钢管,2018,47(05):29-32.

[3]庞玉华,王杨,刘东,杨艳慧,庄博,于亮.斜轧穿孔机顶杆弯曲挠度及临界失稳力计算分析[J].塑性工程学报,2018,25(03):282-288.

[4]贾豹,赵海明,赵春生,韩瑛.Φ177mm PQF连轧管机组穿孔机顶杆支撑系统改进[J].钢管,2017,46(01):50-52.