液压控制在焦炉取门机构中的设计分析

2015-02-12 09:07阅读：

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取门机构是推焦机、拦焦机的重要部件，它决定整个设备使用的安全性及对环境污染的程度，其功能靠液压控制技术驱动实现，是整个液压系统控制中最复杂的部分。2006年之前一直沿用日本技术，采用定量泵与开关量元件控制，不能做到精确控制，安全、环保性较差，系统发热量大。2006年与德国合作的大型焦炉取门机构液压控制技术，与以往控制完全不同，主要是通过电液比例阀、磁致伸缩位移传感器油缸及变量柱塞泵等元件组成各种控制回路，实现不同功能。本文通过液压系统原理，设计分析对取门机构的性能特点进行了详细讨论。
1 取门机构功能及工艺流程
取门机构主要实现取门台车进退、提门、压拔门闩和倾斜等功能。其工艺流程为取门台车以10MPa的系统压力启动前进，在接近炭化室l m时减压至4.5 MPa后继续前进，直至到达炭化室炉门前。取门头倾斜浮动，门钩认定、压门闩（台车浮动）、提炉门、再提炉门旋转清扫。其中清扫后落门及倾斜是靠油缸中内置的磁致伸缩位移传感器产生记忆恢复功能实现的。
2 取门机构液压控制原理设计的分析
2.1 取门台车的进退控制
取门台车的进退控制原理见图1。如图1所示，台车系统压力前进，电液比例换向阀4根据输入的电信号连续按比例控制油液流量。同时电磁换向阀3得电开启液控单向阀6、7，压力油通过先导减压阀5（此时系统压力作用在减压阀Y口上，减压阀不起减压作用，只作为通道全打开）进入带内置磁致伸缩位移传感器的油缸10，推动台车前进取门。当台车移动到距离炭化室l m左右时，电磁换向阀8电磁铁带电，先导减压阀5使系统压力调整到低压值4

.5 MPa, 继续控制带内置磁致伸缩位移传感器的油缸10，推动台车前进到达提门位置。
当取门机构开始压拔门闩的同时通过电磁换向阀1电磁铁带电，系统压力打开液控单向阀2，油缸10无杆腔（压力腔）通过液控单向阀2直接与回油接通释放压力，此时油缸10两腔全部接回油，处于浮动状态。
液压控制在焦炉取门机构中的设计分析

液压控制在焦炉取门机构中的设计分析

图1 取门台车进退控制原理

图2 提门机构上下控制原理
2.2 提门与落门
提炉门不能一次完成，到炉门清扫位置要分3次进行，原理见图2。如图2所示, 一次提门通常称为门钩认定，也就是确认提门机构是否具备提门的条件。电磁换向阀1电磁铁b带电，系统压力通过减压阀2、调速阀3控制油缸8上升，门钩认定时为了避免提门机构与炉门的机械碰撞，通过减压阀2使系统压力调至5 MPa，到达门钩位置后完成一次提门。二次提门即为取炉门，三次提门为取炉门之后台车带动炉门旋转到炉门清扫位置，对炉门上的焦油进行清扫，其原理与二次提门相同。即电磁换向阀6电磁铁b带电，系统压力通过调速阀3控制油缸8上升，完成二、三次提门。下降时是靠电磁换向阀6电磁铁a带电，通过系统压力油将液控单向阀4和7开启。同时电磁换向阀1电磁铁a带电，系统压力油直接进入油缸8有杆腔，无杆腔回油经过调速阀5、已开启的液控单向阀4和7及电磁换向阀6回油，完成炉门下降恢复到原始位置。
2.3 取门台车倾斜
取门头倾斜控制原理见图3。如图3所示, 为适应炉门沿炭化室高度方向倾斜，设有取门倾斜油缸7。启闭炉门机构的适应能力很强，在其下部设有倾斜油缸7，使启闭炉门机构可以沿炭化室高度方向向外倾斜，这样在焦炉正面倾斜时，上下钩也可以确保进入正常位置，避免钩头上移时与门轴相碰。比例换向阀1根据输入的连续电信号控制油液流量，同时电磁换向阀2得电开启液控单向阀3、4，与磁致伸缩位移传感器油缸7的连续参量相互控制调整，控制油缸行程即倾角大小来实现不同炉体变形的要求。这个倾斜角度值是靠油缸的传感器产生记忆，在清扫炉门后自动恢复到倾斜设定位置。

图3 取门头倾斜控制原理
3 主要功能特点
3.1 台车启制动平稳性
取门台车前进、后退及倾斜采用比例控制技术，以实现台车运行及倾斜的启制动平稳。台车自身重量为13吨，炉门重量为10吨，外负载共为23吨，台车的工作行程为3100mm。若油缸运动的平稳性达不到要求，台车会出现明显颤动，系统压力也不稳定，压力不断突增或突降也会影响系统的密封性能。同时，当开关换向阀换向时，油缸运动的速度由最大（最小）瞬间变为最小（最大）。由于加速时间短而台车的刚性又不强，会引起取门头的剧烈颤动，从而严重影响设备及炉体的使用寿命。采用比例控制可以减缓换向阀的换向时间，让油缸的加速或减速有一个较缓慢的运动过程，改善系统的换向制动冲击。
通过比例换向阀输入连续不断的电流信号（4～20mA），根据比例阀的流量压差表可以做出两条电气参数曲线图，见图4。在油缸启动和制动时分别输入相应信号，阀的开口度与电流值成比例关联，取门台车及倾斜可以保证平稳运行。

图4 比例阀电流控制开口量
3.2 安全环保性
取门台车在接近炭化室、倾斜、提门时都设有压力保护措施。台车启动后为高速进给，当移动到接近炭化室时，原理图1中设置的先导减压阀5的泄油口Y直接与回油口连通，使压力得到释放，并以4.5MPa的低压推动台车前进到达提门的位置，避免台车以高压值前进在与炭化室接触时发生高压碰撞，使机械设备与炭化室同时受到损坏。因此，台车取门时两级压力控制对机械设备和炉体设备都有很好的保护，体现了较高的安全性。
当取门机门钩认定开始提门时，为了避免压门闩时台车与炉门的刚性碰撞而损坏设备，在压拔门闩的同时台车要处于浮动状态，也就是台车油缸进油腔与回油腔全部接回油。同时，为了避免台车在浮动时由于受外力使回油腔吸空而产生爬行现象，在回油腔增设了单向阀，对油缸的有杆腔进行补油。
由于炭化室温度在1000℃以上，随着焦炉炉龄的增长，炉体会沿炭化室方向外胀，如取门机不适应炉体变形，会导致取门台车不能提门。因此，在其下部设有倾斜油缸，使启闭炉门机可以沿炭化室高度方向向外倾斜。倾斜装置为了更好地适应变形的炉体，同时又不损坏炉体。在取门头与炉体刚接触时，原理图3中的比例换向阀1失电，电磁换向阀2继续得电，使油缸7有杆腔与无杆腔同时接入回油，使倾斜缸处于浮动状态，达到取门头与炭化室的无缝隙接触，避免烟尘逸出。同时在油缸无杆腔设置2MPa背压阀5，控制取门头倾斜浮动时倾斜角过大与炭化室产生过大缝隙，以防除尘功能失效，影响设备的使用效果。
3.3 高精度控制
取门机构的功能都是通过油缸与其连接系统动力控制的。以前油缸的位置控制采用限位开关，只有在启动及停止时才有信号。同时，由于安装位置及外部高温环境的影响，经常出现信号不准或没有信号的情况，严重影响取门机构中各种功能的精确定位。
设计采用最先进的油缸控制技术，带MTS磁致伸缩技术位移传感器，全程监控各个装置的所在位置。传感器控制原理如图5所示。MTS传感器的核心包括一条铁磁材料的测量感应元件（波导管）和一个可移动的永磁铁。利用两个不同磁场相交时波导管发生磁致伸缩现象，产生一个应变脉冲信号，计算这个信号被探测所需的时间周期，从而换算出准确的位置。这个过程是连续不断的，每当活动磁铁被带动时，新的位置很快被感测出来。此传感器技术由于磁铁和传感器并无直接接触，因此适应极恶劣环境。此外，传感器更能承受高温、高压和高震荡的环境。焦炉机械设备中油缸安装位置的环境温度都在1000℃以上。现场应用表明，其性能精确、稳定、可靠。
同时，靠此传感器收集到的信号储存到PLC中，在取门机构从清扫位置下落到取门位置时，就是油缸上的传感器在提门时产生记忆、落门后自动恢复到提门前的设定位置。炉门倾斜适应炉体变形取门之后恢复到正常位置也是靠传感器记忆功能实现的，提高了控制装置的位置精度和使用效率。

图5 传感器控制原理
3.4 减少系统发热
之前设计的焦炉液压系统动力源采用定量泵驱动，当油缸有杆腔进油时，很大一部分流量高压溢流造成不必要的能源浪费。同时由于焦炉设备液压系统控制执行机构很多，每个执行机构的速度及压力不同，有同时工作和单独工作的执行机构。单独工作的执行机构系统流量超大，多余流量高压溢流，过多的能量消耗会转化为热能，致使系统发热，加剧液压元件的磨损、泄漏及液压介质变质等，从而降低系统的使用寿命。因此，此设备采用恒压变量柱塞泵优化液压系统，本身能量的合理匹配来解决该问题。
泵的内部有一套伺服装置，可保证泵的输出压力始终比外负载压力高ΔP（1.4～1.6MPa），而输出流量也与外负载的需求流量相匹配，所以整个液压系统的功率会达到最优的能量匹配。泵本身的压力可以在2～35 MPa范围内调节，流量压差也可以在1～2MPa内调节，有效解决了高压溢流能量损失而发热，减少了泄漏，延长了设备的使用寿命。
4 结语
通过液压控制技术能够使取门机适应炉体变形、带记忆、安全准确、节能等，同时达到延长设备寿命及保护环境的作用。比例技术与油缸内置传感器的应用，在焦炉液压控制系统中具有突破性，控制精度明显提高，解决了焦炉取门机构控制不精确而使烟尘污染环境的现状。实际应用表明，采用此技术后取门机构启制动平稳精确，节能环保，提高了效率，延长了使用寿命。

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