Гидравлическое установочное устройство прокатного стана
HYDRAULIC INSTALLATION DEVICE OF ROLLING STEEL

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, трехходовой двухпозиционный переключающий золотник с гидроуправлением, мультипликаторный блок в составе двух подвижных жестко связанных противоположно ориентированных плунжеров-цилиндров, двух неподвижных жестко связанных цилиндров низкого давления, двух неподвижных жестко связанных полых плунжеров-цилиндров высокого давления, 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 которых соединены со сливом, а выходы - с входами переключающих золотников, закрытые выходы которых соединены с одним из входов четырехходового двухпозиционного золотника, второй вход которого соединен со сливом, а плунжеры-цилиндры мультипликаторного блока раздельно через обратные клапаны соединены с взаимодействующими с ними цилиндрами низкого давления и далее попарно с одним из выходов четырехходового двухпозиционного золотника и раздельно через обратные клапаны - с нажимными цилиндрами и с открытыми выходами переключенных золотников (АС СССР №1435343, кл. В21В 31/32, 07.11.88. Бюл. №41).
Недостатком устройства является 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 прокатного стана, 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, трехходовой двухпозиционный переключающий золотник с гидроуправлением, мультипликаторный блок в составе двух подвижных жестко связанных противоположно ориентированных плунжеров-цилиндров, двух неподвижных жестко связанных цилиндров низкого давления, двух неподвижных жестко связанных полых плунжеров-цилиндров высокого давления, 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 выходы - с входами переключающих золотников, закрытые выходы которых соединены с одним из входов четырехходового двухпозиционного золотника, второй вход которого соединен со сливом, а плунжеры-цилиндры мультипликаторного блока раздельно через обратные клапаны соединены с взаимодействующими с ними цилиндрами низкого давления и далее попарно - с одним из выходов четырехходового двухпозиционного золотника и раздельно через обратные клапаны с нажимными цилиндрами и с открытыми выходами переключенных золотников.
Согласно изобретению системы управления потоками жидкости для каждого нажимного цилиндра снабжены каждая двумя отсечными золотниками и гидравлическим редуктором в составе подвижного блока плунжеров и двух неподвижных цилиндров высокого и низкого давления, при этом цилиндры высокого давления соединены с открытыми выходами переключающих золотников и через нормально закрытые отсечные золотники с электромагнитным управлением - с нажимными цилиндрами, а цилиндры низкого давления через нормально открытые отсечные золотники с гидроуправлением - с нажимными цилиндрами.
Включение в состав систем управления потоками жидкости для каждого нажимного цилиндра гидравлического установочного устройства прокатного стана двух отсеченных золотников и гидравлического редуктора в составе подвижного блока плунжеров и двух неподвижных цилиндров высокого и низкого давления; соединение цилиндров высокого давления с открытыми выходами переключающих золотников и через нормальные закрытые отсеченные золотники с электромагнитным управлением - с нажимными цилиндрами и соединение цилиндров низкого давления через нормально открытые отсеченные золотники с гидроуправлением с нажимными цилиндрами значительно снижает расход жидкости из аккумулятора при установочных перемещениях валка вниз и, как следствие, повышает КПД устройства.
Гидравлическое установочное устройство прокатного стана 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 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 потоками жидкости в нажимные цилиндры входит также трехходовой двухпозиционный переключающий золотник 10 с гидроуправлением, гидравлический редуктор 11, два отсеченных золотника, один из которых 12 с гидравлическим управлением, второй - 13 с электромагнитным управлением, и мультипликаторный блок 14, который состоит из подвижных плунжеров-цилиндров 15 и 16, связанных штангами 17, неподвижных цилиндров 18 и 19 низкого давления, неподвижных полых плунжеров 20 и 21 цилиндров высокого давления, связанных штангами 22. В состав мультипликаторного блока входит также четыре обратных клапана 23, 24, 25, 26, четырехходовой двухпозиционный золотник 27 с устройством его переключения 28, с которым взаимодействует штанга 29, жестко связанная с подвижными плунжерами-цилиндрами 15 и 16. Гидравлический редуктор 11 включает подвижный блок плунжеров 30 и два неподвижных цилиндра: высокого давления - 31 и низкого давления - 32. Крайнее левое положение (по схеме) блока плунжеров 30 контролирует концевой переключатель 33, а крайнее верхнее положение валка - концевой переключатель 34.
НАС трубопроводами напрямую соединена с возвратными цилиндрами 3 и с одним из закрытых входов следящих золотников, вторые входы которых соединены со сливом. Закрытые выходы следящих золотников соединены с входами переключающих золотников, закрытые выходы которых соединены с одним из входов золотников 27, вторые входы которых соединены со сливом. Плунжеры-цилиндры 15 и 16 соединены с цилиндрами низкого давления 18 и 20 через полые плунжеры 20 и 21 и обратные клапаны 25 и 26 соответственно и далее попарно с цилиндрами низкого давления они соединены раздельно с одним из выходов золотника 27. Плунжеры-цилиндры 15 и 16 также соединены через обратные клапаны 23 и 24 соответственно с нажимным цилиндром.
Цилиндры высокого давления 31 гидравлических редукторов соединены с открытыми выходами переключающих золотников 27 и через нормально закрытые отсеченные золотники 13 - с нажимными цилиндрами. Цилиндры низкого давления 32 через нормально открытые отсеченные золотники 12 соединены с нажимными цилиндрами.
Гидравлические устройства переключения золотников 10 и 12 подключены к нажимному цилиндру. Электромагнит переключения золотника 13 по электросхеме (не приводится) связан с концевыми переключателями 33 и 34 и с приводом механизма 7.
Устройство работает следующим образом.
В исходной позиции переключающие золотники 10 соединяют следящие золотники 6 с цилиндрами высокого давления 31 гидравлических редукторов и перекрывают трубопроводы, идущие к мультипликаторным блокам 14. Отсеченные золотники 12 соединяют цилиндры низкого давления 32 гидравлических редукторов с нажимными цилиндрами. Меняют позиции переключающие золотники и отсеченные золотники 12 под действием давления в нажимных цилиндрах при условии
H
а
р
P≥Р⋅K,
H
где P - давление в нажимном цилиндре;
а
Р - давление в аккумуляторе НАС;
- коэффициент редукции;
p
d - диаметр плунжера цилиндра высокого давления редуктора;
p
D - диаметр плунжера цилиндра низкого давления редуктора.
При отсутствии металла в валках давления в нажимных цилиндрах создается усилием постоянно подключенных к НАС возвратных цилиндров 3 и его значение может достигать величины
,
OH
где P - давление в нажимных цилиндрах при отсутствии металла в валках;
B
F - площадь плунжеров возвратных цилиндров;
B
G - сила веса валка;
H
F - площадь плунжеров нажимных цилиндров.
B
H
р
ОН
а
р
При обеспечении условия F/F<K, что не представляет затруднений, будет выполняться условие Р<Р⋅K, переключающие золотники 10 и отсеченные золотники 12 будут занимать исходные позиции и в эти периоды осуществляется установка валка в нужное положение по высоте путем перемещения его вниз или вверх.
Н
а
р
B
Перемещение валка вниз осуществляется смещением следящих золотников из средней позиции вверх, которое обеспечивает механизм 7. При этом НАС соединяется с цилиндрами высокого давления 31 редукторов и в нажимных цилиндрах устанавливается давление равное Р=Р⋅K и создается результирующая сила R, действующая на валок.
B
а
p
H
B
а
B
R=Р⋅K⋅F+G-Р⋅F
р
H
B
H
Поскольку, исходя из принятых условий K⋅F>F, результирующая сила направлена вниз, и валок будет перемещаться вниз, жидкость от НАС при этом заполняет цилиндры высокого давления 31 редукторов, перемещает блоки плунжеров 30 вправо (по схеме), которые вытесняют жидкость из цилиндров низкого давления 32 в нажимные цилиндры с расходом Q,
H
H
H
Q=F⋅V,
H
где V - скорость перемещения валка вниз.
a
a
H
H
р
Расход жидкости из НАС Q при этом будет равным: Q=F⋅V⋅K.
р
a
H
Поскольку K<1, то Q<Q.
a
а
Соответственно снижается потребляемая мощность N, которая при насосно-аккумуляторном приводе определяется как N=Q⋅Р.
а
Перемещение валка вверх осуществляется смещением следящих золотников из средней позиции вверх, которое также обеспечивает механизм 7. При этом следящий золотник соединяет цилиндры высокого давления 31 редуктора со сливом, давление в которых резко уменьшается. Соответственно уменьшается и давление в нажимных цилиндрах и поскольку давление в возвратных цилиндрах остается постоянным равным Р, результирующая сила действует вверх и валок перемещается вверх. При этом жидкость из нажимного цилиндра переливается в цилиндр низкого давления редуктора, переместив блок цилиндров 30 влево (по схеме), который вытесняет жидкость из цилиндров высокого давления 31 на слив через следящий золотник.
В обоих случаях, при движении валка 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 становятся равными и противоположно направленными.
При отключении механизма 7 следящие золотники, двигаясь вместе с подушками валка, выходят в среднюю позицию, перекрывают свои ходы и движение валка прекращается.
пp
При захвате прокатываемой полосы валками возрастающее усилие прокатки R, действуя через подушки валка на плунжеры нажимных цилиндров, резко увеличивает в них давление до величины
,
пн
где Р - давление в нажимных цилиндрах при прокатке.
пн
а
р
При достижении равенства Р=Р⋅K переключающий золотник 10 и отсеченный золотник 12 меняют свои позиции. Золотник 12 отсекает редуктор от нажимного цилиндра, а переключающий золотник соединяет следящий золотник с золотником 27, перекрывая одновременно трубопровод, идущий к цилиндру низкого давления 31 редуктора. Одновременно, при смещении следящего золотника вверх, что происходит за счет его перемещения вместе с подушкой валка, вследствие сжатия жидкости в нажимном цилиндре, жидкость от НАС поступает, в зависимости от положения золотника 27, в цилиндр 18 низкого давления, или в цилиндр 19, мультипликаторного блока.
В соответствии с приведенной схемой жидкость поступает в цилиндр 18. Под действием этой жидкости подвижный плунжер-цилиндр 15, а вместе с ним и плунжер-цилиндр 16 перемещаются вниз (по схеме). При этом жидкость из полости плунжера-цилиндра 15 через неподвижный полый плунжер 20 и обратный клапан 23 вытесняется в нажимной цилиндр, что удерживает валок в исходном положении в период прокатки. Давление этой жидкости может достигать величины
,
m
где D - наружный диаметр плунжера-цилиндра (15, 16);
m
d - наружный диаметр полого плунжера (20, 21).
Одновременно с этим плунжер-цилиндр 16 вытесняет жидкость из цилиндра 19 низкого давления, которая частично через обратный клапан 26 и полый цилиндр 21 поступает в полость плунжера-цилиндра 16, а остальная часть поступает через золотник 27 в сливную магистраль.
пн
При достижении плунжерами-цилиндрами 15 и 16 крайнего нижнего положения штанга 29 воздействуя на устройство переключения 28 меняет позицию золотника 27. Теперь жидкость от НАС поступает в цилиндр 19 низкого давления. Это обеспечивает движение плунжеров-цилиндров 15 и 16 вверх (по схеме). В результате жидкость из полости плунжера-цилиндра 16 через полый плунжер 21 и обратный клапан 24 поступает в нажимной цилиндр под давлением Р, обеспечивая удержание валка в исходном положении. Одновременно с этим часть жидкости, вытесняемой плунжер-цилиндром 15 из цилиндра 18? заполняет полость плунжера-цилиндра 15 через полый плунжер 20 и обратный клапан 25, а остальная часть - поступает в сливную магистраль через золотник 27.
При достижении плунжерами-цилиндрами 15 и 16 крайнего верхнего положения происходит переключение золотника 27 и цикл работы мультипликаторного блока повторяется.
Золотник 12, отсекая редуктор от нажимного цилиндра в периоды прокатки, уменьшает объем жидкости, воспринимающей высокое давление. Этим уменьшается расход жидкости (и соответственно уменьшаются потери энергии), необходимой для удержания валка в исходном положении.
ОН
При выходе прокатываемой полосы из валков, давление в нажимных цилиндрах резко уменьшается до Р и золотники 10 и 12 занимают исходные позиции, соединяя нажимные цилиндры со следящими золотниками через гидравлический редуктор. Сжатый объем жидкости в нажимных цилиндрах расширяется, вследствие чего валок, а вместе с ним и следящий золотник смещается вниз, соединяя переключающий золотник со сливом. Под действием возвратных цилиндров подушки валка с плунжерами нажимных цилиндров движутся вверх; жидкость из нажимного цилиндра заполняет полость цилиндра низкого давления 32 редуктора, сдвигает блок плунжеров 30 влево (по схеме), вытесняя жидкость из цилиндра 31 высокого давления на слив через переключающий и следящий золотники. Валок и следящий золотник занимают исходные позиции.
Отсечный золотник 13 в исходной позиции отсекает открытый выход переключающего золотника от нажимного цилиндра, обеспечивая этим работу гидравлического редуктора в установочных перемещениях валка.
К концу цикла прокатки полосы плунжера нажимных цилиндров будут находиться в крайнем нижнем положении и объемы жидкости в нажимных цилиндрах, которые будут вытесняться из них при перемещении валка в крайнее верхнее положение будут превышать объемы, которые могут принять редукторы при смещении их блоков плунжеров 16 в крайнее левое положение (по схеме). Поэтому при выходе блока плунжеров редуктора в крайнее левое положение подается сигнал (например, от концевого переключателя 33) на переключение золотника 13 и остаток жидкости из нажимных цилиндров уходит на слив, минуя редуктор, через отсеченной золотник 13, переключающий и следящий золотники. При выходе плунжеров нажимных цилиндров в крайнее верхнее положение подается сигнал (например, от переключателя 34) на переключение золотника 13 в исходную позицию.
Введение в системы управления потоками жидкости в нажимные цилиндры гидравлических редукторов и отсеченных золотников обеспечивает значительное снижение расхода жидкости из аккумуляторов при установочных перемещениях валка, что уменьшает расход энергии и, в итоге, повышает КПД устройства.