设计与改造4号加热炉液压系统主泵国产化改造侯铎徐才发许瑞章陆献华（武钢热轧带钢厂湖北武汉430083）赵亚风刘劲鹏（兰州华世泵业科技股份有限公司甘肃兰州730010）（武钢物资供应公司湖北武汉430083）行10年来系统元件存在的主要问题及实施改造的基本原则，国产化改造的具体措施内容同时介绍了荻得两项国家专利，完全拥有我国自己的知识产权的新型轴配流径向柱塞泵的功用特点及主要性能指标，以及国产化改造后投入实际生产运行考核的效果和效益。

　　1前言武钢热轧带钢厂4号加热炉1988年由法国斯坦因公司引进，1992年4月点火，5月投入生产。该步进梁为双层梁框架结构（即平移梁、升降梁单独移动）全液压驱动与控制。步进梁的液压系统由动力系统、控制系统、循环系统三大部分组成。主要液压元件有轴向柱塞泵、齿轮泵、压力阀、流量阀、方向阀及其它辅助元件，这些元件大多数是80年代初期以前的产品，有的在当时就已趋淘汰，所以为后来的备件准备、检修更换、使用维修，埋下了严重隐患。

　　2系统概况该步进梁液压动力系统有如下特点：电液伺服、外部控制，双向变量、闭式供油，前置助吸。主泵为双向变量式轴向柱塞泵，前置泵为外啮合齿侯铎等4号加热炉液压系统主泵国产化改造轮泵，主泵变量由四级溢流阀分级压力控制斜盘的倾角，来达到步进梁速度变化的目的，为典型的多泵并联组合供油容积调速系统。泵正反向供油转换，由三位四通电磁换向阀控制，变量过渡过程的快慢由节流阀调节。

　　该系统投入运行10年来，轴向柱塞泵的柱塞、缸体、滑履、控制斜盘的柱塞、铜套及控制阀本身的阀芯、阀套均有不同程度的磨损，致使控制油大量内泄，严重时控制系统建立不起应有的压力，导致步进梁不能正常运转，已趋半瘫痪状态，严重威胁4号加热炉正常烧钢，威胁整个热轧线的正常生产。由于原设计配套泵本身淘汰，国外已不再生产，要维持系统正常运转，解决备件来源迫在眉睫。

　　3液压系统的组成及工作原理3.1液压系统的组成4号炉步进梁液压系统，由三个子系统，六个单元组成。三个子系统为：驱动步进梁运动的主系统，即动力系统；控制主泵卸载负载、正反向变量及吸压油转换、泵输出流量大小调节、步进梁升降平移转换的控制系统；液压油污染控制（油液过滤）油温控制（油液冷却）的循环过滤系统。六个单元为：主泵站系统单元；控制泵系统单元；循环泵系统单元；油箱油液沉淀、冷却、回油过滤单元；步进梁升降平移转换控制单元和升降梁平移梁、升降液压缸、平移液压缸驱动控制单元。

　　3.2液压系统的工作原理王系统4台王泵三台工作，一台备用。1、2号泵负责步进梁升降。3、4号泵既负责平移的同时又兼管升降。1、2、3号泵工作时4号泵备用。1、2、4号泵工作时3号泵备用。3、4号泵转换工作由人工完成，在切换主泵压油截止阀和助吸泵吸油截止阀的同时，电气S131、S132、S141、S142、S143、S144、S191~S198联锁开关也被切换。就是说1、2、3号泵工作时，4号泵不能启动。1、2、4号泵工作时，3号泵不能启动。控制泵、循环泵均装机两台，一台工作，一台备用。所示为2号泵主系统和控制系统原理图。主泵变量由四级溢流阀分级控制轴向柱塞泵斜盘的倾角来实现步进梁升降、平移时的速度梯度变化，系统为多泵并联组合供油，变量泵梯级容积调速系统。步进梁的升降和进退，由主泵正反向变量直接控制，省去了电液换向阀。

　　3.3液压系统的优缺点3.3.1系统特点（1）步进梁加速、减速变化。采用容积调速方式，由电液伺服系统开环控制，系统效率高，功率损失小。

　　（2）双向变量。省去了电液换向回路，减少了设备的投资，简化了系统控制环节。

　　（3）闭式供油。油缸回油直接进入主泵的吸油口，减少了管路的压力损失和系统产生的热量，但当斜盘倾角为零，步进梁不运动时泵内无油循环。特别在轧取向硅钢时，步进梁5min左右才作周期运动一次，此时泵内热量无介质带走，全靠泵壳体自然散热，温升更高，加快了密封元件老化、龟裂、油液老化变质的速度，将大大减少泵的使用寿命。

　　（4）前置泵助吸。由前置泵确保主泵的吸油压力（补充油缸回油量不足），多余的油液经溢流阀低压溢流。

　　（1）控制主泵梯级变量的控制系统，控制斜盘倾角的控制阀及柱塞过余复杂、繁琐，判断故障、处理故障比较困难。

　　（2）控制系统四级溢流阀，同时控制四台主泵，当单台泵出现故障时，相互影响，判断和排除比较困难、比较麻烦。

　　（3）由于控制系统采用了多项电磁换向，电气接点联琐，致使电气液压设备，那怕是出现很小的故障都难以运转。使系统维护检修十分不便。

　　~3号炉步进梁的多泵并联组合供油定量泵分级旁路节流调速系统相比，系统效率略高，但设置与控制过余复杂，过于庞大，反而带来用户的诸多不便。

　　（5）故障率相对较高，电气、液压由于系统控制环节复杂，因而造成出故障的机遇也多，分析、判断、处理更慢、更难。

　　4改造的实施措施4. 1改造的基本原则由于生产任务重，取向硅钢的轧制量大，再加考虑设备的实际运行情况和改造投入，不允许长时间停炉改造。所以改造的基本原则是主系统、控制系统均不作大的改动，尽可能维持原液压系统设备不变或少变，电气控制系统元件不变或少设计与改造-变，以减少改造的投入，减少改造对生产时间的影响，尽量从替换泵本身着手，以小的工作量、小的投入换取大的收益，是国产化改造的基本思路和出发点。

　　4.2改造的主要内容将法国原装轴向柱塞泵，前置齿轮泵、底座、联轴器连同助吸补油控制系统管路全部拆除，更换为径向柱塞主泵，径向柱塞前置泵及所配套的全套助吸管路、补油单向阀、泵变量内控单向阀，补油、吸油管路、控制管路、泵支架、爪型弹性接手等。为改造后的径向柱塞泵系统原理图，改造后电液伺服控制方式不变；外部控制、闭式供油、前置助吸和双向变量、控制方式不变；四级溢流阀分级压力控制主泵变量级差、梯度不变；泵正反向变量供油的控制系统不变；调节变量过渡过程快慢的节流调速系统不变；改造后主泵输出的压力、流量不变。改造内容变化大的是轴向柱塞泵改变了斜盘倾角I变量，改变为径向柱塞泵，改变了定子偏心e变量，为改造后的径向柱塞泵结构原理图。性能比原泵更好，噪音比原泵更低，体积比原泵更小，结构比原泵更简单，维护检修更方便。

　　5新型径向柱塞泵的功用及特点截止目前为止，国内外高压大流量液压系统使用的液压泵绝大多数为轴向柱塞泵，而且以力士乐（REXROTH），丹尼逊（DENISON），为世界所公侯铎等4号加热炉液压系统主泵国产化改造认，质量好、寿命长，性能稳定。但轴向柱塞泵由于结构原理所限，径向力只能靠向心球轴承来平衡，因此在某种程度上讲轴承的寿命限制和决定了泵的使用寿命。而径向柱塞泵又因为配流轴烧损抱轴，定子一柱塞摩擦副寿命短，易烧损而成为的难题，在国内轴配流的径向柱塞泵长攻不下，而被列为国家“八五”重点科技攻关项目和火炬计划项目，以甘肃工业大学液压传动专业为主的课题组攻克多道难关，填补了国内空白。

　　5.1结构设计优化（1）结构设计。应用动承的原理，创造性地提出了转子和配流轴的过平衡设计方案，材料研制采用新型合金，奥氏体一贝氏体球墨铸铁新材料，优化热处理新工艺，成功地解决了径向柱塞泵高压重载时摩擦副发热，金属部件直接接触研磨胶合而抱轴的难题，从而显著地降低了泵的噪音，提高了泵的使用寿命。

　　（2）柱塞径向分布。液体压力产生的径向力，由柱塞和定子壳体相平衡，泵的输入轴、“+”子滑块、轴承基本不承受径向力、轴向力，只负责支撑转子定位，绕开了轴向柱塞泵受径向力的困扰，同时绕开了轴向柱塞泵滑履偏磨的难题，使其耐磨性能，抗液压冲击能力大大提高。

　　径向柱塞泵工作原理。驱动轴2.十字联轴器3.配流轴4.保持环5.变量活塞6.柱塞7.限位活塞8滑靴9.定子10.转子（3）变量方式。径向柱塞泵的变量通过变量柱塞和限位柱塞改变定子的偏心距e来实现的，该泵定子大偏心距为9mm，变量机构由控制系统输出的压力油外部控制。变量级差的大小、变量速度的快慢可根据主机调速性能的要求，随时任意调节。可一泵多用，作为定量泵时，一个规格的泵，可根据用户的需求，变换成若干个排量级的定量泵，减少了泵的规格，减少了泵的加工难度，调节十分方便，便于标准化管理。

　　（4）变量控制方式。变量方式采用集约化设计，极易实现系列化大批量生产，使该泵简单、方便、快捷地实现恒压变量，远程液控恒压、电液比例、电液伺服、恒功率控制等多种方式，既能满足开式系统，也能满足闭式系统。

　　（5）性能特点。该泵结构新颖，技术先进，性能可靠。泵的压力高、噪音低、寿命长，调速范围大，抗冲击能力强，经久耐用。主要性能指标达到或优于国外同类产品，是高压大流量系统和设计与改造替代进口产品一国产化的品牌。

　　5.2工艺材料优化该径向柱塞泵广泛采用轴向柱塞泵、叶片泵、低速大扭矩液压马达的优点，集各元件的先进技术与一身，同时根据径向柱塞泵的结构和工作原理，博采众长，综合分析，优化工艺材料，优化设计而成，因而成功地攻克了三摩擦副等关键技术难题，它是新结构、新材料的结晶，同时又是新工艺、新技术的结晶。

　　（1）转子与配流轴。转子一配流轴摩擦副是轴向柱塞泵的技术核心，也是几十年来久攻不下的重中之重，难中之难。由于涉及运动部件的动压平衡、结构、材质热处理及加工工艺诸多技术难题。在结构方面配流轴采用了压力过平衡技术，就是在转子和配流轴上采取可调阻尼平衡措施，进行压力补偿，达到动压平衡的目的。在材料方面专门研制了耐高温、耐高压、耐磨耗、抗疲劳的奥一贝合金球墨铸铁。因而极大地提高了配流轴的寿命和耐磨性能，提高了高压、高温时的抗热咬合性能，武钢现场使用的初期泵壳体的温度高时达到80.7一般在70°C左右（估计泵内温度在1⑴~120°C左右）至今正常使用。因此使径向柱塞泵的烧研抱轴问题从根本上得到圆满解决。

　　（2）连杆滑履与定子。连杆滑履一定子内表面摩擦副，不仅关系到泵的极限压力和极限转速，而且直接决定泵的性能和寿命，此摩擦副的性能好坏、寿命长短，取决于连杆滑履和定子材料性能，热处理工艺等因素，由于柱塞连杆滑履在泵运转过程的离心力作用，确定适宜的完全平衡系数，并采用奥一贝合金球墨铸铁材料是此泵的又一重大技术创新。经过在16K106MPa1480r/nin条件下连续运转2h试验泵壳体温度仅为36C左右，并从未出现连杆滑履与定子内表面的异常磨损。

　　（3）柱塞与缸体及泵端盖与保持环摩擦副。

　　柱塞一缸体摩擦副直接决定泵的容积效率和使用寿命，泵端盖一保持环摩擦副也同样与泵的性能和寿命密切相关，研制试验中同样采取了相应配套的材料、工艺、结构等技术措施。

　　5.3主要性能指标（压力）油液过滤精度20Mm（12）工作介质矿物油或其它液压油，使用耐磨液压油）允许使用高转速1800~2500r/min 6使用效果与效益该泵2002年1月中旬装机替代原法国进口的轴向柱塞泵，在温度高达66.5~80.7C的情况下，仍能正常运转至今，足以说明该泵的技术含量和成功之处。通过7个月的实际生产运行考核证明，完全可以取代进口原装泵。而且有体积小、重量轻、易维修、结构紧凑、价格低廉、变向、变量方便和操作控制简单等多项优势。

　　该泵成功的应用，是在原有液压控制、电气控制未作大的改动的前提下，仅对泵的吸油管路、压油管路、补油管路、泄油管路、控制管路作相应的改造，由原来的钢管更换为软管，同时修改了泵的安装方式和联接尺寸，只用了停炉检修几天时间，就顺利改造成功投入正常生产使用。至今未发现任何异常，成功地解决了武钢热轧厂替换备件的后顾之忧，化解了面临停产的燃眉之际。解开了近10年来未能解决的一道难题，是替代进口产品的理想产品，不仅取得了良好的经济效益，而且还将发挥巨大的社会效益。它是我国自行开发研制的产品，同时完全拥有我国自己的知识产权，已获两项专利，专利号分别为90100343.压行业的荣耀和骄傲。

　　（参加此项工作的还有：孙肇荣、朱汉生、李其高、陈建军、李宏忠、许毅、李如生、夏文选、刘显义、宋承勇等）