液压伺服系统综合污染控制论文
液压伺服系统的综合污染控制及其工业实践
逄晓男吕智勇赵强乔廷刚王英军
（莱芜钢铁股份有限公司型钢厂，莱芜271104）
摘要根据液压伺服系统在莱钢大H型钢轧机实践的成功经验，简介了工艺控制系统（TCS）系统的控制功能，分析了液压伺服系统的控制特点及其对油液清洁度的要求，探讨了伺服阀的失效形式，提出了综合污染控制及其保证措施。
关键词TCS 液压伺服控制伺服阀污染控制
The C ombined Contamination Control of Hydraulic
Servo System and Its Industrial Practice
Pang Xiaonan Lv Zhiyong Zhao Qiang Qiao Tinggang Wang Yingjun
（The Section Steel Plant of Laiwu Iron and Steel Co., Ltd.，Laiwu, 271104）
Abstract According to successful practice for hydraulic servo system in heavy H beam, recommend the control function about the technological control system simple, analysis control characteristic of hydraulic servo system and request for oil cleanness, discuss servo valves invalidation form, put forward synthesized contamination control and guarantee measure.
Key words TCS, hydraulic servo control, servo valves, contamination control
1 引言
莱钢大H型钢万能轧机的主体设备是从德国SMS Meer公司引进的，该套设备设计先进、工艺结构合理，是国内引进的第一条具有二十世纪末先进技术水平的大H型钢生产线。该套设备的万能轧机采用了全液压压下控制。液压伺服系统与TCS（工艺控制系统Technological Control System）的完美结合，使轧制调整和轧件公差更易于控制，经济效益显著。
2 TCS系统的控制功能及特点
TCS用于控制液压辊缝调整系统的伺服阀和控制液控单向阀的电磁换向阀，提供动力源的液压站由TM 轧机PLC系统（一级）控制。液压站为TCS位置控制提供充足的液压流量和压力。
TCS控制计算机是一台集成到控制柜的工业计算机，安装有WinHMI软件和高速电气数据记录器的Edas 软件，通过与控制计算机的光缆连接来传输高速过程数据。在控制计算机和一级机、二级机之间通过因特网TCP/IP标准规定进行相互的数据转换，通过Profibus通讯传输直接将信息传输到一级机。
2.1 控制功能
TCS系统包括轧机AGC控制和TM轧机PLC系统（一级）控制，AGC控制实质为液压辊缝控制（HGC Hydraulic Gap Control）+补偿控制。
HGC系统是一个高精度、高响应的电液位置伺服系统，它是AGC系统的关键组成部分，其性能决定了AGC系统的基本性能。
逄晓男，1969年生，男，大学，型钢厂设备厂长，高级工程师，主要从事型钢轧机设备的管理工作。
2.2控制特点
液压压下系统是一个涉及轧制工艺、液压伺服控制、传感器、计算机控制、电气控制等多学科的机、电、液一体化的系统，就控制而言，它具有如下特点：
（1）大功率。
万能轧机水平辊轧制力：最大10000kN（径向）；2000kN（轴向）；
万能轧机立辊轧制力：450mm直径轧辊时6000kN；250mm直径轧辊时4000kN；
轧边机水平辊轧制力：最大4000kN。
（2）高精度。HGC系统定位精度为0.008mm。
另外，热轧及中板轧机系统定位精度能够达到0.005mm，冷轧机出口板厚误差在稳速段能够达到0.003mm的高精度控制。
（3）高响应。HGC系统频宽一般为8～15Hz，这根据轧机类型及轧制速度的实际需要而定。
（4）高可靠性。要求压下伺服缸精度高、启动摩擦力小，且能可靠地连续工作2年以上。
3 伺服阀特性及伺服阀对系统油液清洁度的要求
3.1伺服阀的组成及其特征
伺服阀一般包括机-液伺服阀、气-气伺服阀、气-液伺服阀、电-气伺服阀及电-液伺服阀等，由于电-液伺服阀用途广、用量大，因此，电-液伺服阀通常简称为“伺服阀”。
电-液伺服阀是一种接受模拟电控信号，输出随电控制信号大小及极性变化、且快速响应的模拟量流量或（和）压力变化的液压控制阀。
与电-液比例阀比较，电-液伺服阀具有快速的动态响应及良好的静态特性，如：分辨率高、滞环小、线性度好等。它是一种高性能、高精度的电-液控制部件，是电-液伺服系统的关键部件。它的性能及正确使用，直接关系到整个系统的控制精度和响应特性，也直接影响系统的工作可靠性和寿命[1]。
为达到高精度、高响应、高可靠性地工作，液压压下系统必须采用高精度、高响应、高稳定性的伺服阀。
电-液伺服阀通常按用途、性能和结构分为通用型和专用型。冶金设备系统一般采用的是通用型电-液伺服阀，其常见的液压放大器一般包括喷嘴挡板式、射流管式和滑阀式等，目前世界冶金设备上，绝大多数都采用MOOG公司的力矩马达喷嘴挡板式伺服阀和抗污染的射流管式伺服阀。
冷轧液压压下系统所用的MOOG伺服阀一般采用高压中等流量的两级伺服阀，热连轧和中厚板轧机中所用的MOOG伺服阀一般采用高压大流量的三级伺服阀。轧机压下系统为位置控制，因此采用流量型伺服阀。
莱钢大H型钢轧机采用的是MOOG公司抗污染的射流管式伺服阀，主要有D661-4594CG75KXAA5VSX2HA 和D661-4651G35JOAA6VSX2HA两种规格型号。
射流管式伺服阀有以下性能特征：
（1）小功率输入，输入信号值一般为±10mA、±10V；
（2）两级控制，第一级为射流管阀，第二功率放大级为滑阀；
（3）级间电反馈形式，电反馈伺服阀的精度高，响应速度快；
（4）功率滑阀中阀芯与阀套的遮盖（开口）形式为零遮盖（零开口）；
（5）输出流量对输入电流成线性关系；
（6）分辨率高，一般小于0.05%；
（7）滞环小于0.3%；
（8）响应时间快，一般不超过28ms；
（9）频宽高，一般为80～200Hz。
3.2伺服阀对油液清洁度的要求
伺服阀对油液清洁度的反应敏感，对油液清洁度的要求非常高，据统计伺服阀85%的失效是由油液的清
洁度达不到要求造成的[2]。在各类型的伺服阀中，喷嘴挡板伺服阀对油液清洁度的要求最高，而射流管式伺服阀由于射流管与喷嘴之间的距离比喷嘴挡板伺服阀式伺服阀喷嘴与挡板之间的距离大大增大，因此射流管式伺服阀的抗污染性明显增强。
根据莱钢大H型钢轧机的实践经验，MOOG伺服阀功率级滑阀供油系统的清洁度达到ISO4406 15/12 （NAS1638-6）级，射流管式先导级供油系统的清洁度达到ISO4406 14/11（NAS1638-5）级，才能确保伺服阀的正常工作。为保证伺服阀长寿命的工作，按照SMS Meer的要求，供油系统的清洁度要达到ISO4406 13/10（NAS1638-4）级。
为确保以上清洁度等级的实现，该液压站的过滤系统采用了循环过滤、回油过滤和高压过滤综合作用的方式，过滤器和滤芯均采用PALL公司产品。及时对油液进行化验，及时更换各部分滤芯，莱钢大H型钢轧机投产近两年以来，该液压站的油液清洁度等级基本控制在了NAS 1638-4～5的水平。
4 伺服阀的失效形式
伺服阀的失效形式主要有：机械部件故障、电气故障等，机械部件故障主要是阀芯与阀套的失效。4.1阀芯与阀套的失效形式
阀芯与阀套的失效形式主要有：冲蚀失效、淤积失效和卡涩失效[2]。
伺服阀的阀芯与阀套半径间隙一般为3～10μm，且阀口上的流速高达50m/s以上，因此≤5μm的大量微小颗粒是造成阀芯与阀套冲蚀失效、淤积失效和卡涩失效的主要原因。
4.2电气故障
电气故障主要表现在集成电路板损坏；输入信号超过额定值的20%～30%；线路板密封受损，造成渗漏；电源输入极性接反等。
5 综合污染控制及其技术措施
要达到NAS 1638-4～5 级清洁度要求，必须进行全面的综合污染控制，并采取一系列保证措施。
5.1 设计方面的主要保证措施
（1）设计完善的过滤系统，优化配置过滤系统参数，以确保系统清洁度；
（2）设计结构合理的全封闭不锈钢油箱，以防外部侵入污染及再生性污染；
（3）设计上确保压下缸活塞杆处密封可靠，防止轧辊冷却水进入系统。
5.2 现场车间配管及其循环冲洗时的主要保证措施
（1）采用氩弧焊打底焊接管道；
（2）车间管道焊接、预装后，进行彻底的酸洗和冲洗，条件允许的情况下尽量采用不锈钢管路；
（3）总装冲洗时，严防纤维及密封胶带等进入系统；
（4）用软管将车间管道接成循环回路，采用专用的中低压大流量冲洗系统对总装好的车间管道进行一次循环冲洗；
（5）管道内油液清洁度达到NAS 1638-6级后方允许将车间管道与液压站、控制阀台（伺服阀和比例阀用冲洗板代替）相接；
（6）车间管道与液压部件相接后，利用系统主泵供油继续进行全系统二次循环冲洗，并利用循环泵进行液压站内循环冲洗；
（7）确认供油系统达到NAS 1638-4～5级后方可装上伺服阀进行现场调试及性能测试；
（8）同时采用循环过滤系统进行连续的循环过滤，实践证明液压站的循环过滤是确保系统清洁度的有效过滤形式。
5.3 保证系统正常工作的日常维护措施
（1）定期检查系统中各过滤器的工作状态，过滤器上压差超限（PALL过滤器Δｐ=0.34MPa）时应及时更换滤芯，更换滤芯时，应将滤筒中的脏油放净，并应避免外部浸入污染；
（2）定期从取样阀处采出油样，进行油液清洁度检验，化验周期一般不超过一个月；
（3）建立“新油是脏油”的概念，务必先通过过滤小车向副油箱加油，经过滤合格后的油液方可加入到主油箱中。
参考文献
1雷天觉主编. 新编液压工程手册. 北京：北京理工大学出版社，1998.12
2路甬祥主编. 液压气动技术手册. 北京：机械工业出版社，2002