Гидравлическое установочное устройство
HYDRAULIC INSTALLATION DEVICE

Изобретение относится к прокатному оборудованию, преимущественно к установочным устройствам валков рабочих клетей обжимных реверсивных станов.
Известно гидравлическое установочное устройство блюминга 850, содержащее насосно-аккумуляторную станцию, нажимные и возвратные цилиндры; системы управления потоками жидкости для каждого нажимного цилиндра, включающие каждая следящий золотник, мультипликатор, переключающий золотник, механизм перемещения следящих золотников (Иванченко Ф.К., Полухин П.И., Полухин В.П., Тылкин М.А. Динамика и прочность прокатного оборудования. - М.: Металлургия, 1970, С. 132, рис. 63).
Недостатками данного устройства являются:
- повышенный расход жидкости из аккумулятора при перемещении валка вниз. Связано это с тем, что эта жидкость расходуется не только на заполнение нажимных цилиндров, но и на заполнение полостей высокого давления мультипликаторов при возврате их подвижных элементов в исходное положение.
- значительные потери энергии на дросселирование потока жидкости в следящих золотниках при перемещениях валка вниз. Связано это с тем, что размеры нажимных цилиндров и давление жидкости в аккумуляторе определяются силой прокатки и значение этих параметров намного больше значений, необходимых для установочных перемещений валка вниз.
Оба недостатка в совокупности снижают КПД устройства.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является гидравлическое установочное устройство прокатного стана, содержащее насосно-аккумуляторную станцию, нажимные и возвратные цилиндры, плунжеры которых попарно соединены с каждой подушкой валка; системы управления потоками жидкости для каждого нажимного цилиндра, включающие каждая трехходовой трехпозиционный следящий золотник с механизмом перемещения, охваченный отрицательной обратной связью по перемещению; мультипликаторный блок в составе соосно расположенных основного и дополнительного мультипликаторов, одноименные элементы которых (подвижные плунжеры-цилиндры, неподвижные цилиндры низкого давления, неподвижные полые плунжеры цилиндров высокого давления) жестко связаны попарно между собой; четырех обратных клапанов, четырехходового двухпозиционного золотника с устройством переключения, взаимодействующим с подвижными плунжерами-цилиндрами, при этом насосно-аккумуляторная станция соединена с возвратными цилиндрами и с одним из входов следящих золотников, вторые входы которых соединены со сливом, а выход - с нажимным цилиндром и с одним из входов четырехходового двухпозиционного золотника, второй вход которого соединен со сливом, а полые плунжеры мультипликаторных блоков раздельно через обратные клапаны соединены с нажимными цилиндрами и раздельно через обратные клапаны - с выходами четырехходового двухпозиционного золотника (А.с. СССР №1435343, кл. В21В 31/32, 07.11.88. Бюл. №41).
Недостатком данного устройства являются значительные потери энергии на дросселирование потоков жидкости в следящих золотниках при перемещениях валка вниз. Связано это с тем, что размеры нажимных цилиндров и давление жидкости в аккумуляторе определяется силой прокатки и значение этих параметров намного больше значений, необходимых для установочных перемещений валка вниз, что в итоге снижает КПД устройства.
Задачей заявляемого устройства является повышение его КПД за счет снижения расхода жидкости из аккумулятора при установочных перемещениях валка вниз.
Поставленная задача достигается тем, что в гидравлическом установочном устройстве, содержащем насосно-аккумуляторную станцию, нажимные и возвратные цилиндры, плунжеры которых попарно соединены с каждой подушкой валка; системы управления потоками жидкости для каждого нажимного цилиндра, включающие каждая трехходовой трехпозиционный следящий золотник с механизмом перемещения, охваченный отрицательной обратной связью по перемещению; мультипликаторный блок в составе соосно расположенных основного и дополнительного мультипликаторов, одноименные элементы которых (подвижные плунжеры-цилиндры, неподвижные цилиндры низкого давления, неподвижные полые плунжеры цилиндров высокого давления) жестко связаны попарно между собой; четырех обратных клапанов, четырехходового двухпозиционного золотника с устройством его переключения, взаимодействующим с подвижными плунжерами-цилиндрами, при этом насосно-аккумуляторная станция соединена с возвратными цилиндрами и с одним из входов следящих золотников, вторые входы которые соединены со сливом, а выход - с нажимным цилиндром и с одним из входов четырехходового двухпозиционного золотника, вторые выходы которых соединены со сливом, а полые плунжеры мультипликаторных блоков разделено через обратные клапаны соединены с нажимными цилиндрами и раздельно через обратные клапаны - с выходами четырехходового двухпозиционного золотника, согласно изобретению системы управления потоками жидкости для каждого нажимного цилиндра снабжены каждая реле давления, дополнительным отсечным золотником с электромагнитным управлением, устройством для контроля позиции следящего золотника при движении валка вверх, а в состав мультипликаторного блока дополнительно включены четыре обратных клапана и шесть отсеченных золотников с электромагнитным управлением, при этом цилиндры низкого давления раздельно через обратные клапаны соединены с нажимным цилиндром и с баком для жидкости и через нормально закрытые отсеченные золотники с выходами четырехходового двухпозиционного золотника, связанными с полыми плунжерами разноименных мультипликаторов, а на трубопроводах, идущих от полых плунжеров к нажимному цилиндру, последовательно с обратными клапанами установлены отсеченные нормально закрытые золотники и на трубопроводах, идущих от полых плунжеров к выходам четырехходового двухпозиционного золотника параллельно с обратными клапанами установлены отсеченные нормально открытые золотники, при чем реле давления подключено к нажимному цилиндру и взаимодействует с электромагнитами отсеченных золотников, входящих в состав мультипликаторного блока, а дополнительный нормально закрытый отсеченный золотник установлен на трубопроводе, соединяющим выход следящего золотника с нажимным цилиндром и его электромагнит взаимодействует с устройством контроля позиции следящего золотника при движении валка вверх.
Включение в состав систем управления потоками жидкости для каждого нажимного цилиндра реле давления, дополнительного отсеченного золотника с электромагнитным управлением, устройства для контроля позиции следящего золотника при движении валка вверх; включение в состав мультипликаторного блока, дополнительно четырех обратных клапанов и шести отсеченных золотников с электромагнитным управлением; соединение цилиндров низкого давления раздельно через обратные клапаны с нажимным цилиндром и с баком для жидкости и - через нормально закрытые отсеченные золотники с выходами четырехходового двухпозиционного золотника, связанными с полыми плунжерами разноименных мультипликаторов; установка на трубопроводах, идущих от полых плунжеров к нажимному цилиндру последовательно с обратными клапанами отсеченных нормально закрытых золотников и на трубопроводах, идущих от полых плунжеров к выходам четырехходового двухпозиционного золотника параллельно с обратными клапанами отсеченных нормально открытых золотников; подключение реле давления к нажимному цилиндру и его взаимодействие с электромагнитами отсеченных золотников, входящих в состав мультипликаторных блоков, а также установка дополнительного отсеченного нормально закрытого золотника на трубопроводе, соединяющем выход следящего золотника с нажимным цилиндром и взаимодействие его электромагнита с устройством контроля позиции следящего золотника при движении валка вверх, значительно снижает расход жидкости из аккумулятора при установочных перемещениях валка вниз и, как следствие, повышает КПД устройства.
Гидравлическое установочное устройство поясняется чертежом, где показана гидравлическая схема устройства.
Устройство состоит из насосно-аккумуляторной станции (НАС) 1, нажимных цилиндров 2 и возвратных цилиндров 3, плунжеры которых попарно связаны с подушками 4 валка 5 (показана одна подушка из двух). Между каждым нажимным цилиндром и НАС находится система управления потоками жидкости в нажимные цилиндры (показаны элементы одной системы из двух), включающая трехходовой трехпозиционный следящий золотник 6 с механизмом перемещения 7, смонтированный на подвижной траверсе 8, соединенной штангами 9 с подушками валка. Траверса 8 и штанги 9 обеспечивают охват следящих золотников отрицательной обратной связью по перемещению. В систему управления входит также отсечной золотник 10 с электромагнитным управлением, реле давления 11, устройство 12 для контроля позиции следящего золотника при перемещении валка вверх, мультипликаторный блок 13 в составе основного 14 и дополнительного 15 мультипликаторов; шести отсеченных золотников 16, 17, 18, 19, 20, 21 с электромагнитным управлением; восьми обратных клапанов 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29; четырехходового двухпозиционного золотника 30 с устройством переключения 31. Мультипликаторы состоят из подвижных плунжеров-цилиндров 32, 33, связанных штангами 34; неподвижных цилиндров 35 и 36 низкого давления, неподвижных полых плунжеров 37 и 38 цилиндров высокого давления, связанных штангами 39. На подвижных плунжерах-цилиндрах закреплена штанга 40, взаимодействующая с устройством 31 переключения золотника 30.
НАС трубопроводами напрямую соединена с возвратными цилиндрами и с одним из закрытых входов следящих золотников, вторые входы которых соединены со сливом. Закрытый выход следящего золотника через отсеченный нормально закрытый золотник 10 соединен с нажимным цилиндром и с одним из входов золотника 30, второй вход которого соединен со сливом. Электромагнит золотника 10 по электросхеме (не приведена) взаимодействует с устройством 12. Полые плунжеры 37 и 38 мультипликаторов раздельно через последовательно установленные отсеченные нормально закрытые золотники соответственно 16 и 17 и обратные клапаны, соответственно 22 и 25, соединены с нажимным цилиндром и раздельно через параллельно установленные отсеченные нормально открытые золотники, соответственно 18 и 19, и обратные клапаны, соответственно 28 и 29 соединены с одним из выходов золотника 30. По схеме с выходом А соединен полый плунжер дополнительного мультипликатора 15, с выходом В соединен полый плунжер основного мультипликатора 14.
Цилиндры низкого давления 35 и 36 мультипликатора раздельно через обратные клапаны соответственно 24 и 26, соединены с нажимным цилиндром и раздельно через обратные клапаны, соответственно 23 и 27, соединены с баком для жидкости цилиндры низкого давления 35 и 36 соединены также с выходами золотника 30 через отсечные обратные нормально закрытые золотники, соответственно 21 и 20 с выходами золотника 30. Цилиндр 35 основного мультипликатора соединен с выходом А, цилиндр дополнительного мультипликатора 36 - с выходом В.
Реле давления подключено к нажимному цилиндру и по электросхеме (не приведена) взаимодействует с электромагнитами отсеченных золотников, входящих в состав мультипликаторного блока.
Устройство работает следующим образом.
В исходной позиции следящие золотники занимают средние позиции, перекрывая все ходы. Выход из нажимного закрывает отсеченный золотник 10 и обратные клапаны 22, 24, 25, 26. При отсутствии металла в валках давление в нажимных цилиндрах создается усилием постоянно подключенных к НАС возвратных цилиндров 3, и его значение достигает величины
ОН
где Р - давление в нажимных цилиндрах;
- давление жидкости в аккумуляторе;
B
F - площадь плунжеров возвратных цилиндров;
B
G - сила веса валка;
H
F - площадь плунжеров нажимных цилиндров.
ОН
ОН
Срабатывание реле давления настраивается на давление в нажимном цилиндре больше чем Р, поэтому при давлении Р все отсечные золотники, входящие в мультипликаторный блок занимают исходные позиции и при этом состоянии системы осуществляется перестановка валка в нужное положение по высоте путем перемещения его подушек вниз или вверх (по схеме).
При перемещении валка вниз следящие золотники механизмом 7 смещаются вверх. При этом НАС соединяется со входом золотника 30. В зависимости от того какую позицию (из двух) занимает этот золотник, жидкость далее будет поступать по двум направлениям. При нахождении золотника в основной позиции (схема) жидкость через отсеченный золотник 19 и обратный клапан 29 поступает через полый плунжер 38 и мультипликатора 15 в полость плунжера-цилиндра 33, смещая его вправо (по схеме) с вытеснением жидкости из полости цилиндра низкого давления 36 через обратный клапан 26 в нажимной цилиндр.
Плунжер-цилиндр 32 мультипликатора 14, двигаясь вместе с плунжером-цилиндром 33 вправо, вытесняет жидкость из своей полости высокого давления через отсеченный золотник 18 и золотник 30 на слив. Полость цилиндра низкого давления 35 заполняется жидкостью из бака для жидкости через обратный клапан 23. В конце хода подвижных плунжеров-цилиндров вправо штанга 40, связанная с этим блоком, входит в контакт с устройством 31 и переводит золотник 30 во вторую позицию, при которой жидкость от НАС через отсеченный золотник 18, обратный клапан 28 и полый плунжер 37 поступает в полость плунжера-цилиндра 32, смещая его влево (по схеме) с вытеснением жидкости из полости цилиндра низкого давления 35 через обратный клапан 24 в нажимной цилиндр. Плунжер-цилиндр 33, двигаясь вместе с плунжером-цилиндром 32 влево, вытесняет жидкость из своей полости высокого давления через отсеченный золотник 19 и золотник 30 на слив. Полость цилиндра низкого давления 36 заполняется жидкостью из бака для жидкости через обратный клапан 27.
В конце хода подвижных плунжеров-цилиндров влево штанга 40 входит в контакт с устройством 31 и переводит золотник 30 в исходную позицию. Начинается новый цикл работы мультипликаторного блока. В итоге обеспечивается непрерывная подача жидкости в нажимной цилиндр. Мультипликаторный блок в этом случае работает в режиме гидравлического редуктора, создавая при подаче жидкости в нажимном цилиндре давление
Н
где Р - давление в нажимном цилиндре при работе мультипликаторного блока в режиме гидравлического редуктора;
- давление в аккумуляторе НАС;
- коэффициент редукции;
p
d - диаметр плунжера цилиндра высокого давления редуктора;
p
D - диаметр плунжера цилиндра низкого давления редуктора;
В итоге результирующая сила, действующая на валок будет определяться как
B
где R - сила, действующая на валок.
p
H
B
При соблюдении условия K⋅F<F, что не представляет затруднений результирующая сила направлена вниз и валок перемещается вниз. В нажимные цилиндры, как описано выше, поступает жидкость с расходом
H
H
H
Q=F⋅V,
H
где V - скорость перемещения валка вниз.
H
Q - расход жидкости в нажимные цилиндры;
Расход жидкости из аккумулятора при этом будет равным
где  - расход жидкости из аккумулятора.
p
Поскольку K<1, то . Соответственно снижается потребная мощность при перемещении валка вниз, которая при насосно-аккумуляторном приводе определяется как
где N - потребляемая мощность.
Перемещение валка вверх обеспечивается смещением следящих золотников из средней позиции вниз, которое также осуществляет механизм 7. При этом срабатывает устройство 12 и подает сигнал на включение электромагнита отсечного золотника 10, который и меняет свою позицию. В итоге, нажимной цилиндр через отсеченный золотник 10 и следящий золотник соединяется со сливом. Давление в нажимном цилиндре уменьшается практически до нуля и поскольку давление в возвратных цилиндрах остается постоянным, равным , результирующая сила действует вверх, валок перемещается вверх, а жидкость из нажимных цилиндров вытесняется в бак для жидкости.
В обоих случаях, при движении валка и вверх и вниз, перемещение следящих золотников от механизма 7 компенсируется их перемещением вместе с подушками валка за счет наличия отрицательной обратной связи по перемещению, роль которой выполняют траверсы 8 и штанги 9. При установившихся режимах скорость перемещения золотников от механизма 7 и скорость их перемещения вместе с подушками валка становится равными и противоположно направленными.
При отключении механизма 7 следящие золотники, двигаясь вместе с подушками валка, выходят в среднюю позицию, перекрывают свои ходы, отключают устройство 12. Движение валка прекращается, и золотник 10 занимает исходную позицию.
При захвате прокатываемой полосы валками возрастающее усилие прокатки, действуя через подушки валка на плунжеры нажимных цилиндров, резко увеличивает в них давление до величины
пн
OH
пр
H
P=P+R/F,
пн
где Р - давление в нажимных цилиндрах при прокатке;
пр
R - усилие прокатки.
Происходит срабатывание реле давления и, как следствие, смена позиций отсечных золотников, входящих в состав мультипликаторных блоков (16, 17, 18, 19, 20, 21). Одновременно при смещении следящего золотника вверх, что происходит за счет его перемещения вместе с подушкой валка, вследствие сжатия жидкости в нажимном цилиндре, НАС соединяется с золотником 30 и далее жидкость поступает по двум направлениям, в зависимости от того, какую позицию (из двух) занимает золотник 30. При нахождении золотника в исходной позиции (схема) жидкость одновременно поступает через отсечной золотник 21 в цилиндр низкого давления 35 основного мультипликатора 14 и через обратный клапан 29 и полый плунжер 38 в полость высокого давления плунжера-цилиндра 33 дополнительного мультипликатора 15. При этом подвижные плунжеры-цилиндры перемещаются вправо, (по схеме) вытесняя жидкость из полости высокого давления плунжера-цилиндра 32 через полый плунжер 37, отсечной золотник 16 и обратный клапан 22 в нажимной цилиндр; жидкость из цилиндра низкого давления 36, дополнительного мультипликатора 15 плунжером-цилиндром 33 вытесняется через отсеченный золотник 20 и золотник 30 на слив. В конце хода подвижных плунжеров-цилиндров вправо (по схеме) штанга 40, связанная с этим блоком, входит в контакт с устройством 31 и переводит золотник 30 во вторую позицию, при которой жидкость от НАС одновременно поступает через отсеченный золотник 20 в цилиндр низкого давления 36 дополнительного мультипликатора 15 и через обратный клапан 28 и полый плунжер 37 в полость высокого давления плунжера-цилиндра 32 основного мультипликатора 14. При этом подвижные плунжеры-цилиндры перемещаются влево (по схеме) вытесняя жидкость из полости высокого давления плунжера-цилиндра 33 через полый плунжер 38, отсеченный золотник 17 и обратный клапан 25 в нажимной цилиндр; жидкость из цилиндра низкого давления 35 основного мультипликатора 14 плунжером-цилиндром 32 вытесняется через отсеченный золотник 21 и золотник 30 на слив. В конце хода подвижных плунжеров-цилиндров влево (по схеме) штанга 40 входит в контакт с устройством 31 и переводит золотник 30 в исходную позицию. Начинается новый рабочий цикл мультипликаторного блока. В итоге обеспечивается непрерывная подача жидкости в нажимной цилиндр. Мультипликаторный блок работает в этом случае по прямому назначению, создавая в нажимном цилиндре высокое давление, что удерживает валок в исходном положении. Давление этой жидкости может достигать величины
м
2
2
где К=(1+D/d)>1 - коэффициент мультипликации.
ОН
При выходе металла из валков давление в нажимных цилиндрах резко уменьшается до Р и сжатый объем жидкости в нажимных цилиндрах расширяется, вследствие чего валок, а вместе с ним и следящий золотник смещается вниз и, воздействуя на устройство 12, переключает отсечной золотник. В результате нажимной цилиндр соединяется со сливом и под действием возвратных цилиндров валок и следящий золотник возвращаются в исходное положение.
Введение в состав систем управления потоками жидкости для каждого нажимного цилиндра реле давления, дополнительного отсеченного золотника и устройства для контроля позиции следящего золотника при движении валка вверх и включение в состав мультипликаторных блоков четырех обратных клапанов и шести отсеченных золотников обеспечивает работу мультипликаторного блока при перемещении валка вниз в режиме гидравлического редуктора. В результате значительно снижается расход жидкости из аккумулятора жидкости и, как следствие, снижается расход энергии и повышается КПД устройства.