推钢机液压系统的设计与可靠性分析

2016年7月机床与液压Jul.2016第 44 卷第13 期 MACHINE TOOL &HYDRAULICS Vol.44 No. 13 D O I：10.3969/j.issn. 1001-3881. 2016. 13.040

推钢机液压系统的设计与可靠性分析

王海芳，戴亚威，汪澄，韦博

(东北大学秦皇岛分校控制工程学院，河北秦皇岛〇66〇〇4)

摘要：在对推钢机传动系统相关资料深人研究的基础上，设计了一套液压传动系统，详细阐述其工作原理，并对其重 要元件的参数进行计算。基于液压元件基本失效概率，应用串联系统的可靠度计算方法建立该液压系统的可靠性数学模 型，最后利用MATLAB软件进行了仿真分析。结果表明：工作时间越长，推钢机液压系统的可靠性越低，而且其可靠度随 着时间先下降较快，后下降较缓，只有限定工作时间，液压系统的可靠性才能得到保障。

关键词：推钢机；液压系统；可靠性；串联系统；MATLAB

中图分类号：TH137 文献标志码：A 文章编号：1001-3881 (2016) 13-178-2

Design and Reliability Analysis on Hydraulic System of Rolling Pusher

WANG Haifang,D AI Yawei,WANG Cheng,W EI Bo

(School of Control Engineering,Northeastern University at Qinhuangdao,Qinhuangdao Hebei 066004, China) Abstract ：The hydraulic system of a pusher drive system was designed based on the analysis of the related materials, and its work principle was introduced, and the parameters of important components in the hydraulic system were calculated. Based on the basic fail­ure probability of the hydraulic element, the reliability mathematical model of the hydraulic system was established by using the relia­bility calculation method of the series system, and the simulation analysis was carried out by using the MATLAB software. The simula­tion results show that increasing working hours can short reliability of pusher hydraulic system, and its reliability decrease rapidly first along with the time, then decrease slowly gradually, the reliability can be guaranteed in the limited working time.

Keywords：Rolling pusher；Hydraulic system；Reliability；Series system ；MATLAB

〇前言

加热炉推钢机是轧钢生产线上将钢坯推进加热炉内进行加热的专用设备，推力要求大、推头 同步性要求高。旧式生产线上往往采用机械式推钢机，其体积大、价格高、故障率高、维修保养复杂。目前，推钢机的种类主要有螺旋式、齿条 式、曲柄连杆式等，其性能和要求各不相同[1]。随着轧钢生产的发展，利用液压油缸和液压系统的推力大、体积小、操作方便的优点，新型液压推钢机逐步取代了老式机械推钢机，使推料工序大大简化。

1工作原理

推钢机液压系统工作原理参见图1。启动主令控 制器，使三位四通阀的电磁铁1DT、3D T得电，二位 四通阀5D T得电，这时油栗输出压力油，经二位四 通阀、同轴马达分别进人两组4个油缸的无杆腔，4个油缸的有杆腔回油，经由调速阀、二位四通阀排回 油箱，这时4个油缸获得同步运动。推出热钢述后 (这时间很短）处于待命阶段，5D T断电，系统处 于卸荷状态。再次操纵主令控制器，使三位四通阀 的电磁铁2DT、4D T通电，同时二位四通阀的5DT 也通电，这时油栗输出压力油，经二位四通阀、两 同轴油马达分别进人两组4个油缸的有杆腔，4个 油缸的无杆腔回油，经由调速阀、二位四通阀排回 油箱[2]。

由于系统采用冗余设计，具有左右对称结构，工 作可靠性较高，而且如果钢坯比较小，只要求其中一 组两个油缸同步工作，只需使串接于油马达后的两个 两位四通阀其中一个工作，就可实现。系统通过设立 限位开关1SQ、2SQ、3SQ、4SQ来消除两组四个油缸 的位置误差，避免出现误差累积，影响系统同步精 度，同时也起限位作用[3]。

收稿日期：2015-05-15

基金项目：河北省自然科学基金资助项目（E2012407010; F2014203157);河北省博士后科研项目择优资助(B2014003012);河北省教育厅资助项目（2011136);秦皇岛科技支撑项目（201501B011);东北大学教改课题 资助项目（2014-47)

作者简介：王海芳（1976—），男，博士，副教授，研究方向为轧制过程自动化、液压伺服控制及可靠性研究。E-m ail: hfwang0335@ 126. com 〇

第13期王海芳等：推钢机液压系统的设计与可靠性分析

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179 •

I 一油箱2—滤油器3、5—泵4一电磁溢流阀6—压力表7—三位四通阀8—同轴马达 9 一单向调速阀10—二位四通阀II 一液压缸 12—挡铁

图1液压系统原理图

3S Q

4S Q

11.3

11.2

11.4

6D T

7D T

10.1

10.2

KFaniDT 3D T

4D T

2D T

5D T

2推钢机液压系统的参数计算2. 1 液压缸的计算

以此型推钢机实际生产情况为基准，在实际作用 力294 k N 下求液压缸的理论作用力：

式中：心为活塞杆的实际作用力，k N ; ♦为负载率， 0.5〜0.7; %为液压缸总效率。

= 666. 7 kN

单缸作用力：

F = —=166. 7 kN

4

无活塞杆侧缸筒内径：

/ 4F \ 1/2D = — x K T 3 = 94.06x l (T 3 m \w )

由活塞运动速比c />=l . 6，计算活塞杆直径:

d-D

取

100 ]

(小-1)= 61.24t/= 63 mrr O

2.2液压泵的计算

(1)液压泵的工作压力

Pm a ,=P+^P

⑵式中：P 为执行元件的最大工作压力，M Pa; A p 为液

压泵出口至执行元件间的压力损失，M Pa 。

Anax = 24.5M P a

(2)液压泵的流量

Qm ax ^K (^Q )m a x

式中：K 为系统泄漏系数，取1.2; (2(?)m a x 为全部

液压缸同时工作时的最大流量，L /m in 。

匕，120.8 L/m in

(3)液压泵的功率

N P =pP • Q v /t ]v

(3)

式中：

为液压泵的最大工作压力，MPa ; (>p

为液压泵的流量，L /m in ; r;p 为液压泵的总效率。

yvp = 19. 14 kW

3推钢机液压系统的可靠性分析3. 1

推钢机液压系统可靠性数学模型

由参考文献[4]和[5]，将部分液压元件基本

失效概率列于表1。

表1液压元件的基本失效概率

液压元件

基本失效概率 A o /U C T V 1)

液压元件基本失效概率

Ao/UO、-1)

油箱 1.3溢流阀 6.7滤油器0.4液压缸 3.5液压泵12.5二位四通阀7.5单向阀 4.5三位四通阀

4.6

调速阀

8.5

整个系统由液压元件的串联和并联结构组成，根 据可靠性理论，对于由〃个元件组成的串联系统的可靠度[6_8]:

^s (〇

= ^

(〇

• R2(t )-R n(t)=

n ^(

〇

=e "§A^

i- 1

(4)

式中：A 为元件的实际失效概率，A

，&表示

环境系数，此处取1〇; ^(0为单元〖的可靠度，

R X t)=e _\ i =l ，2,…，n 〇

对于由〃个元件组成的并联系统的可靠度：

A

(〇=l -[l -A (〇] • [1-足⑴]…[1-圪(〇]1-

n [i -^(〇] (5)

以液压系统最大推力为假想情况，利用以上公 式，求得慢进工况下每组液压缸工作的可靠度：

R

^ ^ _ ^^-15. 8xl 〇-5f _2e "24. 3xl 〇-sf _2e "19. 3xl 〇-5f +^-27. 8xl 〇-sf

慢进工况系统总的可靠度：

K

0= 1-[1-K

0]2 • [l -e-6.，

快退工况下每组液压缸工作的可靠度：r

( t ) _ 4e -ii.8x io _5f _2e _i5.3x10、_2e _i6.3x10、+已-19.8x10、

快退工况下系统总的可靠度：

K 〇

=l -[l -K 〇]2 • [l-e -6.，

液压系统总的可靠度为：

Rs(t)=Rls(t) -R 2s(t)

推钢机液压传动系统慢进工况平均无故障工作

时间：

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