淺談步進(jìn)式加熱爐液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 前言

步進(jìn)加熱方式克服了直推式加熱時(shí)鋼坯下表面與支撐梁（固定梁）移動(dòng)摩擦所產(chǎn)生的表面磨損；同時(shí)，克服了直推式的鋼坯間相互靠攏的情況，可以使鋼坯散開(kāi)通過(guò)爐底，有利于鋼坯加熱。由于步進(jìn)加熱獨(dú)特的優(yōu)越性，使其在現(xiàn)代冶金工廠得到了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)梁采用液壓傳動(dòng)，使傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省去了一套凸輪、齒輪機(jī)構(gòu)，占地面積小，且傳動(dòng)平穩(wěn)，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，因此步進(jìn)加熱爐傳動(dòng)裝置一般都采用液壓驅(qū)動(dòng)。

下面就棒線材步進(jìn)式加熱爐液壓系統(tǒng)作一分析說(shuō)明：

根據(jù)工藝和設(shè)備的要求，一般的棒線材步進(jìn)式加熱爐液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有：

升降缸 Φ280/Φ180×685 2臺(tái)

平移缸 Φ200/Φ125×260 1臺(tái)

步進(jìn)梁上升，步進(jìn)梁前移，步進(jìn)梁下降，步進(jìn)梁后退到原始位置，完成一個(gè)工作循環(huán)。

工作周期一般要求在36S左右，步進(jìn)梁的速度曲線如下圖（圖1）所示：

1 確定液壓系統(tǒng)的流量、工作壓力以及泵的規(guī)格

首先根據(jù)坯料的重量和步進(jìn)梁重量，可以確定液壓系統(tǒng)的工作壓力：

通過(guò)計(jì)算，該液壓系統(tǒng)的工作壓力為15MPa。

液壓系統(tǒng)的流量可以根據(jù)液壓缸的速度來(lái)確定：

確定液壓缸的速度是一件很重要的事情。如果液壓缸的速度取的過(guò)小，則步進(jìn)梁的工作周期可能不能保證；如果液壓缸的速度取的過(guò)大，則一方面控制閥的規(guī)格可能選的很大，另一方面會(huì)造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性差、系統(tǒng)的沖擊大。

根據(jù)負(fù)載的慣性、液壓缸活塞的行程和工作周期的要求和實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，我們把升降缸的最大速度設(shè)定為100mm/S。平移缸的最大速度為110 mm/S，

因?yàn)樯蹈缀推揭聘撞粫?huì)同時(shí)工作，升降缸所需流量大于平移缸所需流量。加熱爐液壓系統(tǒng)的流量只需滿足步進(jìn)梁升降缸工作時(shí)所需流量就可以了。

上升時(shí)升降缸有桿腔所需最大流量為：

下降時(shí)升降缸無(wú)桿腔所需最大流量為：

由于本液壓系統(tǒng)升降缸下降時(shí)無(wú)桿腔的控制回路采用的是差動(dòng)回路，同時(shí)步進(jìn)梁的下降是靠自重來(lái)進(jìn)行的，無(wú)需供給壓力油。此時(shí)高壓油泵處于卸荷狀態(tài)，卸荷回路的油和升降缸有桿腔的油同時(shí)供給升降缸無(wú)桿腔。

取系統(tǒng)高壓油泵流量為：

Q1+Qm=477+433=910 l/min > Q2

因此卸荷回路的油和升降缸有桿腔的油可以滿足步進(jìn)梁的下降時(shí)升降缸無(wú)桿腔的需要。

這樣我們可以確定系統(tǒng)流量為：

因此我們確定選用三臺(tái)泵，二用一備，泵的額定流量為240。

根據(jù)泵的額定流量和工作壓力，根據(jù)元件選型手冊(cè)，可以確定該泵的型號(hào)。

根據(jù)系統(tǒng)工作壓力和泵的額定流量，我們可以確定每臺(tái)電機(jī)的功率：

N=240*150/612*.9=65kW

確定電機(jī)為Y280S-4 75kW 1480rpm

控制回路和控制閥的選擇：步進(jìn)式加熱爐液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制回路主要有升降缸控制回路和平移缸控制回路。

升降缸控制回路：因?yàn)椴竭M(jìn)梁在整個(gè)工作過(guò)程中動(dòng)作要平穩(wěn)，輕抬輕放，運(yùn)動(dòng)速度要求有連續(xù)的變化，不能有沖擊。因此，升降和平移的控制主閥選用比例閥，通過(guò)對(duì)比例閥的電磁鐵電流的控制，可以相應(yīng)的控制比例閥主閥芯的開(kāi)口度，進(jìn)而控制比例閥的進(jìn)出口流量。因此通過(guò)連續(xù)地改變比例閥的電流，就可以連續(xù)地控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)油缸的速度，以滿足工作要求。

在升降缸控制回路中，為了防止因負(fù)載的改變而引起比例閥的流量的變化，在比例閥的進(jìn)口。我們安裝了一個(gè)壓力補(bǔ)償器，確保比例閥的進(jìn)出口壓差恒定。

此壓力一般調(diào)定在左右，在系統(tǒng)壓力足夠的情況下，有時(shí)可以將該壓力調(diào)定到，此時(shí)通過(guò)比例閥的額定流量將會(huì)有很大的增加，假如原來(lái)選擇的比例閥是DN32通徑，通過(guò)調(diào)高此壓力，我們就有可能選擇DN25的比例閥，降低投資成本。

我們確定升降缸控制回路如（圖2）所示。

因?yàn)榛芈妨髁枯^大，所以元件采用插裝閥。

通過(guò)比例閥的額定流量為，根據(jù)元件選型手冊(cè)，可以確定該比例閥的型號(hào)。

本控制回路是一差動(dòng)回路，這正是本液壓系統(tǒng)的一大特點(diǎn)。步進(jìn)梁的下降是靠自重來(lái)進(jìn)行的，無(wú)需供給壓力油。此時(shí)高壓油泵處于卸荷狀態(tài)，卸荷回路的油和升降缸有桿腔的油同時(shí)供給升降缸無(wú)桿腔。在整個(gè)步進(jìn)梁的下降過(guò)程中，電機(jī)無(wú)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)電能是一個(gè)很大的節(jié)約。

如果我們不采用差動(dòng)控制回路，而采用如下圖（圖3）所示控制回路：

此時(shí)，升降缸下降時(shí)無(wú)桿腔所需最大流量為。

系統(tǒng)流量為 ：

同樣我們選用三臺(tái)泵，二用一備，泵的額定流量增加為 406

這樣整個(gè)液壓系統(tǒng)的投資成本增加了許多，同時(shí)流量的增加也帶來(lái)了電能耗的增加。

所以差動(dòng)控制回路的采用，可以為整個(gè)液壓系統(tǒng)帶來(lái)很多的好處。

另外有一點(diǎn)非常重要。在圖三中，件37平衡閥必須緊靠油缸安裝，平衡閥和油缸之間不能有軟管。否則，當(dāng)軟管發(fā)生爆裂時(shí)，平衡閥起不到保護(hù)作用，步進(jìn)梁就會(huì)快速下降，造成破壞，后果不堪設(shè)想。切記此點(diǎn)！

平移缸控制回路：我們確定平移缸控制回路如下圖（圖4）所示：

在平移缸的前進(jìn)和后退過(guò)程中，油缸速度需要由，保持，由，速度要求能夠連續(xù)改變。因此需要由比例閥來(lái)控制平移缸的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，因?yàn)槠揭茣r(shí)負(fù)載的變化不會(huì)很大。所以，此比例閥前就不需要再安裝一個(gè)壓力補(bǔ)償器。考慮到步進(jìn)梁的質(zhì)量比較大，為安全起見(jiàn)，在油缸的進(jìn)出口需加有安全閥，件42。同時(shí)，為了平移缸的準(zhǔn)確定位，此回路中還加有兩個(gè)液控單向閥，件40。該元件需與件41相配合使用。

平移時(shí)流量為 ：

根據(jù)元件選型手冊(cè)，可以確定該比例閥的型號(hào)。

油箱及輔助實(shí)施：根據(jù)系統(tǒng)流量，本油箱體積確定為6m3 。

因?yàn)榧訜釥t液壓系統(tǒng)是一個(gè)帶比例閥的液壓系統(tǒng)，油液清潔度要求比較高，要求達(dá)到NAS7級(jí)。為此，我們?cè)谝簤合到y(tǒng)中共設(shè)計(jì)了三重過(guò)濾（見(jiàn)圖5）。在泵的出口加有高壓過(guò)濾器；在油箱的回油口設(shè)有回油過(guò)濾器；同時(shí)還設(shè)有一循環(huán)冷卻過(guò)濾系統(tǒng)。每種過(guò)濾器本身都帶有堵塞報(bào)警裝置，在過(guò)濾器堵塞時(shí)報(bào)警，通知工作人員及時(shí)切換、清洗濾芯，保證過(guò)濾器每時(shí)每刻都能正常工作。通過(guò)這些措施，可以很好地讓液壓元件工作在清潔的環(huán)境中，極大地提高了元器件的工作壽命，減少了系統(tǒng)的故障率。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)化控制在液壓系統(tǒng)里的運(yùn)用越來(lái)越多，對(duì)比以往的液壓系統(tǒng)，本系統(tǒng)在此做了一些有益的改良（見(jiàn)圖5）。

（1）本系統(tǒng)的油箱液位和油溫檢測(cè)，選用了帶模擬量輸出的控制元件，其液位和油溫參數(shù)可以適時(shí)地在計(jì)算機(jī)畫(huà)面上顯示，直觀而又快捷。

（2）在每臺(tái)泵的出口設(shè)有一個(gè)帶模擬量輸出的壓力控制元件，可以每時(shí)每刻監(jiān)控泵的工作情況，如果泵的工作狀態(tài)不正常，馬上在主控室控制畫(huà)面上就會(huì)有顯示，此時(shí)在主控室就可切換備用泵，非常方便。

（3）在總壓力管上設(shè)有一個(gè)帶開(kāi)關(guān)量輸出的壓力控制元件，可以每時(shí)每刻監(jiān)控系統(tǒng)的工作情況，如果系統(tǒng)的工作壓力不在正常的數(shù)值內(nèi)，壓力控制元件立刻向主控室報(bào)警，通知工作人員檢查系統(tǒng)，查明情況。

以上這些措施對(duì)液壓系統(tǒng)的現(xiàn)代化管理和故障的及時(shí)診斷提供了有力的保證。

2 結(jié)語(yǔ)

至此，一個(gè)加熱爐液壓系統(tǒng)的大的框架基本上就確定了。進(jìn)一步的詳細(xì)計(jì)算和選型，在此就不一一描述了?？傊?，我們?cè)O(shè)計(jì)的加熱爐液壓系統(tǒng)必須是合理的、經(jīng)濟(jì)的、高效的，這樣才能有效地為生產(chǎn)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱新才.步進(jìn)加熱爐液壓控制系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓，2002.

[2]王志亮.步進(jìn)梁式加熱爐比例控制可靠性研究[D].燕山大學(xué)，2009.

[3]謝玲.步進(jìn)式加熱爐液壓系統(tǒng)分析及改造[J].冶金設(shè)備，2008.

作者簡(jiǎn)介：邵長(zhǎng)青（1982-），男，山東棗莊人，大專(zhuān)。