基于AMEsim软件研究轧机液压辊缝控制系统回油压力冲击

声气9斧2$1气第2期(总秀$ 12期）问题研究基于AMEsim软件研究轧机液压辊缝控制系统回油压力冲击
李万海张秀超
(1.鞍钢股份有限公司设备工程部2.鞍钢股份申厚板事业部鲅鱼圈中厚板厂鞍山114000)
【摘要】论述了基于AMEsim软件建立液压辊缝控制系统AMEsim模型，模拟真实轧制过程的咬钢、抛钢 对HGC液压系统的冲击，分析液压回油单向阀本体频繁开裂的原因。

通过分析AMEsim软件仿真的结果，并依 据现场实际工况，提出对现有液压系统管路的改造优化方案。

【关键词】浹汪轭缒控刳糸仗 A M E s i m棋型羊向阄
Study on Oil Return Pressure Impact of M ill Hydraulic Roll Gap
Control System Based on AMEsim Software
LI Wan-hai,ZHANG Xiu-chao
(1.Equipment & Engineering Department o f A ngang Steel Co., Ltd.; 2.Bayuquan Heavy Plate Plant o f
Angang Steel Heavy Plate Division, Anshan 114000)
【Abstract】Discuss on the AMESim model of hydraulic roll gap control system,which is estah—lished based on AMESim software.The impact of real steel biting and throwing on the HGC hydraulic system is simulated,and the reason of frequent cracking on the hydraulic check valve body is analyzed.
Through analyzing the simulation results of AMESim software and the actual working conditions on site, an optimizing modification plan for the existing hydraulic system pipeline is put forward.
【Key words】Hydraulic roll gap control system,AMEsim model,check valve
1前言
在鞍钢股份鲅鱼圈钢铁分公司5500mni厚板 轧机咬钢、抛钢过程中，液压辊缝控制系统回油管 路震动大，回油冲击大，致使各控制阀台的回油单 向阀本体频繁开裂，与单向阀联接的管路法兰本 体幵裂。

由于管路震动大，成排的回油管路管夹 被震碎，管夹螺栓损坏，管夹底座开焊脱离基础。

由于漏油事故频发，造成不必要的油耗和备件消 耗。

此外，由于漏油事故的突发导致大量现货和 非计划产品的产生。

同时设备可开动率降低，在 很大的程度上制约了产线的生产。

2原因分析
在阀控缸电液位置伺服系统中，当伺服阀突 然关闭或开启时，管道中液体的压力会发生骤然 交替升降的阻尼波动过程，这种现象称为液压冲 击，随着管道长度的增加，这种压力冲击对阀控缸 电液位置伺服系统的影响也随之增大。

在管道内部，这种流量和压力的传播都是以纵波形式传递 的，它是一个动态的过程m。

一般来说,高压油到达伺服阀阀口之前，假如 阀口突然关闭，在阀前将出现压力升高，其峰值压 力严重危及液压元件的安全，并且伴随着振动和 噪音;若紧闭的阀口突然开启，管路中则会出现压 力突然降低的现象。

上述两种现象引起的压力冲 击都会影响液压系统的正常工作，对于阀控缸电 液伺服系统中的零开口四边滑阀来说，当其处于 中位时，经常在中位附近游动，其阀口频繁开闭 时，对阀前后的管路就会发生一定程度的压力冲 击，这种冲击长期存在就会对精密的液压元件产 生很大程度的损害121。

在轧钢过程中，咬钢、抛钢的瞬间，由于轧制 力的突然高幅变化，为了保持相应的辊缝位置，伺 服阀阀口必须快速关闭或开启，由此导致巨大的 压力冲击，下面用AMEsim软件仿真其产生过程。

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3仿真软件AMEsim简介
AMESim是 Advanced Modeling Environment for performing Simulations of engineering systems的简称。

AMESim主要用于流体传动与控制、机械、热流体 和控制系统等的仿真，它为用户提供了一个完善、优越的仿真环境及灵活的解决方案。

AMESim的应用领域广泛，可以用于液压元件 设计与优化、系统控制、动力操纵系统、气动系统、传动系统、液压回路、阀件的设计、柴油发动机高 压喷射系统、电子柴油喷射系统、车辆悬挂与动力 系统、冷却系统和热力控制、直升机机翼多回路控 制、飞行员训练生成器、飞机液压控制、离合器控 制、直升机燃气涡轮的油料供应、燃油回路、振动 与噪声、热效应等'
AMESim友好的图形化界面使用户可以通过 在完整的应用库中选择需要的模块来构建复杂系 统的模型并能方便地进行优化设计，非常适用于 机械与液压领域的设计|41。

4应用AMEsim对单侧液压辊缝控制系统的建 模与仿真
厚板轧机液压厚度控制系统包含两个HGC液压缸，其功能相同，且同步动作，具有对称性，因此，可简化研究其中一个，根据其液压工作原理，对单侧液压辊缝控制系统进行分析研究。

厚板轧 机液压厚度控制系统由液压缸、位移传感器、伺服 阀、压力传感器等元件组成。

其原理是由伺服阀 作为转化放大元件把输入的位移信号转换放大成 液压信号输出至液压缸，液压缸作为执行元件带 动负载移动。

同时，缸体的输出信号经位移传感 器反馈给伺服阀的放大器，并与给定的输入信号 进行比较，有偏差缸体就继续移动，直至偏差消除 为止，单侧液压辊缝控制系统为一个典型的位置 闭环控制系统。

此外，为了保证HGC缸动作平稳，在HGC缸的有杆腔设有恒压力控制系统,保证在 轧钢过程中液压缸有杆腔始终通有301mr的背压 油源，当液压缸向下释放时，有杆腔压力变为120har,保证液压缸能快速、完全缩回到位。

在AMEsim环境下建立单侧液压辊缝控制系 统的模型，如图1所示。

利用以下模型，仿真轧机液压辊缝控制系统 回油冲击大、震动大，频繁导致回油单向阀（如图1椭圆圈中所示)本体开裂、法兰本体开裂。

一
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根据实际系统参数及相关产品样本中技术参 数设定仿真模型系统参数,HGC液压缸垂直安装，负载质量545 500kg,活塞直径1650mm,活塞杆直 径1500 mm,行程95 mm;HGC缸无杆腔侧.二位四通 伺服阀各通路流量550 L/min，压降0.5 MPa;额定电 流40 mA,固有频率80 Hz;阻尼比0.8;有杆腔侧三位 四通伺服阀各通路流量250 IVmin,压降0.5 MPa,额 定电流40 mA，固有频率80 Hz,阻尼比0.8;无杆腔侧 回油单向阀1开启压力3har,通过阀后的压降2har,最大流量800 IVmin;有杆腔侧回油单向阀2开启压 力3 har,通过岡后的压降2 liar,最大流量500 L/m i n;总回油单向阀开启压力3har,通过阀后的压降2har,最大流量2000 Umin;过滤器:最大流量2000 L/min，压力损失0.2 bar;系统油源的压力270 bar;位移传感 器的增益1000;系统主供油路蓄能器容积为50L，充氮压力为220 har。

通过调整伺服阀前的PID控制器数值使系统 达到最佳的跟随状态，如图2所示(注:在空载状态 下调试，此时模拟乳制力输人信号为零)。

利用图1所建的AMEsim模型模拟现场轧钢 时状态，改变HGC工作位置点(无杆侧伺服阀输入 信号），在不同工作位置上同时为系统分别模拟加 人一个30 MN和40 MN~50 MN线性变化的轧制力 阶跃信号，模拟真实轧机在HGC缸不同工作位置 两个道次的轧制过程，加人的信号曲线如图3 所示。

图2伺服阀在给定位置及压力信号下的跟随情况
用图1的系统模型及图3的输入信号模拟轧 钢过程中，仿真实验伺服液压系统的回油冲击，从仿真结果中查看模型中液压系统回油管路三个回油单向阀两端压力的变化曲线，如图4,5,6所示。

图3两给定输入信号茌同一时间轴的叠加输入情况
图4回油单向阀1两端压力曲线
从以上三图可以看出，在轧制过程中回油单向 阀1两端的压力冲击最高达到55 har和35 bar，回油单 向阀2两端的压力冲击最高达到41 bar和35 har，总回 油单向阀非弹簧端的压力冲击最高达到35 har,而这 些回油单向阀的公称压力为PN16har。

回油单向阀 2及总回油单向阀的压力冲击超过了回油单向阀公 称压力的2倍,而回油单向阀1非弹賛端的压力冲击
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问题研究
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超过了回油单向阀公称压力的3倍。

仿真结果充分 诠释了真实系统中液压回油管路震动大，频繁导致 回油单向阀本体开裂、法兰本体开裂的原因。

图5回油单向阀2两端压力曲线图6在给定信号下总回油管路单向阀3两端压力曲线
对所建模型进行优化设计，以减少回油管路
单向阀两端的压力冲击，首先为HGC 缸两腔回油
管路分别增设一台20L 的蓄能器(图7所示蓄能器
T ,和蓄能器1),充氮压力为lOhar 。

图7系统回油管路增设蓄能器后，单侧液压辊缝控制系统AMEsim 模型
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参数设定后，运行模型进行仿真，查看仿真结 果，增设蓄能器t,、t2前后各回油单向阀两端的压 力曲线如图8,9,10所示：
通过优化前后的对比可以看出，增加回油管 路蓄能器^:后，单向阀1由之前两端的峰值压 力55har和35bar降至lOhar左右。

单向阀2由之 前两端的峰值压力55 bar和35 bar降至15 har和 9bar左右。

总回油单向阀由之前两端的峰值压力 35hai•降至lOhar以下。

模型优化后，各单向阀前后的压力波动明显减小，且都低于阀的设计公称 压力PN16har，但单向阀2的峰值压力仍然接近于 元件的使用公称压力，为安全起见,应留出足够的 裕量，因此，对模型中蓄能器选型参数继续优化，将蓄能器T,、T2改为25 L,充氮压力改为5 bar,重新 运行模型，并查看仿真结果,对比第二次参数优化 前各回油单向阀的两端的压力曲线如图11,12,13 所示：
原系统 增加回油管路蓄能器T,、T2后图8增设蓄能器^:前后回油单向阀1两端的压力曲线
原系统 增加回油管路蓄能器T,、T:后
-64-图9增设蓄能器1、1前后回油单向阀2
两端的压力曲线
问题研究第39卷202]年第2期(总第212期〉
原系统增加回油管路蓄能器T,、T2,
图10增设蓄能器T,、T2前后总回油单向阀3两端的压力曲线
20L,充氮压力lOhar25L,充氮压力5har
图11蓄能器T,、T2参数优化前后回油单向阀1两端的压力曲线
20L,充氮压力lOhar25L,充氮压力5har
图12蓄能器T,、T2参数优化前后回油单向阀2两端的压力曲线
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20L,充氮压力lOhar 25L,充氮压力5har
图13蓄能器T,、T2参数优化前后总回油单向阀3两端的压力曲线
通过对蓄能器选型及参数的进一步优化，回油单向阀2非弹簧端的压力的最大值为9bar,其余 各单叫阀两端的压力均为6har以下，远小于单向 阀的公称压力PN16har，且有足够的安全裕量，在 这样的工作压力下，这些回油单向阀的使用寿命 将会大大延长
5应对措施及效果评价
按照AMEsim模型的优化方案对现实中的液 压系统进行改造，在HGC缸两腔回油单向阀前合 适的位置分别增设一台25 L的蓄能器,并充入5 har的 氮气。

系统改造后，管路冲击噪音明显减小，且有 效地杜绝了回油单向阀本体开裂、法兰本体开裂 的现象，根除了回油管路漏油事故，提高了设备开动率，减少了油品消耗和备件消耗，减少了现货及 非计划产品的产生，为企业科技降本增效贡献出一份力量。

参考文献
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(2020-08-11 收稿)
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