淺談步進式加熱爐液壓系統設計

0 前言

步進加熱方式克服了直推式加熱時鋼坯下表面與支撐梁（固定梁）移動摩擦所產生的表面磨損；同時，克服了直推式的鋼坯間相互靠攏的情況，可以使鋼坯散開通過爐底，有利于鋼坯加熱。由于步進加熱獨特的優越性，使其在現代冶金工廠得到了廣泛應用。步進梁采用液壓傳動，使傳動結構簡單，省去了一套凸輪、齒輪機構，占地面積小，且傳動平穩，容易實現自動控制，因此步進加熱爐傳動裝置一般都采用液壓驅動。

下面就棒線材步進式加熱爐液壓系統作一分析說明：

根據工藝和設備的要求，一般的棒線材步進式加熱爐液壓系統執行機構有：

升降缸 Φ280/Φ180×685 2臺

平移缸 Φ200/Φ125×260 1臺

步進梁上升，步進梁前移，步進梁下降，步進梁后退到原始位置，完成一個工作循環。

工作周期一般要求在36S左右，步進梁的速度曲線如下圖（圖1）所示：

1 確定液壓系統的流量、工作壓力以及泵的規格

首先根據坯料的重量和步進梁重量，可以確定液壓系統的工作壓力：

通過計算，該液壓系統的工作壓力為15MPa。

液壓系統的流量可以根據液壓缸的速度來確定：

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小，則步進梁的工作周期可能不能保證；如果液壓缸的速度取的過大，則一方面控制閥的規格可能選的很大，另一方面會造成系統的穩定性差、系統的沖擊大。

根據負載的慣性、液壓缸活塞的行程和工作周期的要求和實際的經驗，我們把升降缸的最大速度設定為100mm/S。平移缸的最大速度為110 mm/S，

因為升降缸和平移缸不會同時工作，升降缸所需流量大于平移缸所需流量。加熱爐液壓系統的流量只需滿足步進梁升降缸工作時所需流量就可以了。

上升時升降缸有桿腔所需最大流量為：

下降時升降缸無桿腔所需最大流量為：

由于本液壓系統升降缸下降時無桿腔的控制回路采用的是差動回路，同時步進梁的下降是靠自重來進行的，無需供給壓力油。此時高壓油泵處于卸荷狀態，卸荷回路的油和升降缸有桿腔的油同時供給升降缸無桿腔。

取系統高壓油泵流量為：

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梁的下降時升降缸無桿腔的需要。

這樣我們可以確定系統流量為：

因此我們確定選用三臺泵，二用一備，泵的額定流量為240。

根據泵的額定流量和工作壓力，根據元件選型手冊，可以確定該泵的型號。

根據系統工作壓力和泵的額定流量，我們可以確定每臺電機的功率：

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

確定電機為Y280S-4 75kW 1480rpm

控制回路和控制閥的選擇：步進式加熱爐液壓系統執行機構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：因為步進梁在整個工作過程中動作要平穩，輕抬輕放，運動速度要求有連續的變化，不能有沖擊。因此，升降和平移的控制主閥選用比例閥，通過對比例閥的電磁鐵電流的控制，可以相應的控制比例閥主閥芯的開口度，進而控制比例閥的進出口流量。因此通過連續地改變比例閥的電流，就可以連續地控制執行機構油缸的速度，以滿足工作要求。

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

此壓力一般調定在左右，在系統壓力足夠的情況下，有時可以將該壓力調定到，此時通過比例閥的額定流量將會有很大的增加，假如原來選擇的比例閥是DN32通徑，通過調高此壓力，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。

因為回路流量較大，所以元件采用插裝閥。

通過比例閥的額定流量為，根據元件選型手冊，可以確定該比例閥的型號。

本控制回路是一差動回路，這正是本液壓系統的一大特點。步進梁的下降是靠自重來進行的，無需供給壓力油。此時高壓油泵處于卸荷狀態，卸荷回路的油和升降缸有桿腔的油同時供給升降缸無桿腔。在整個步進梁的下降過程中，電機無負荷運轉，對電能是一個很大的節約。

如果我們不采用差動控制回路，而采用如下圖（圖3）所示控制回路：

此時，升降缸下降時無桿腔所需最大流量為。

系統流量為 ：

同樣我們選用三臺泵，二用一備，泵的額定流量增加為 406

這樣整個液壓系統的投資成本增加了許多，同時流量的增加也帶來了電能耗的增加。

所以差動控制回路的采用，可以為整個液壓系統帶來很多的好處。

另外有一點非常重要。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，當軟管發生爆裂時，平衡閥起不到保護作用，步進梁就會快速下降，造成破壞，后果不堪設想。切記此點！

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：

在平移缸的前進和后退過程中，油缸速度需要由，保持，由，速度要求能夠連續改變。因此需要由比例閥來控制平移缸的運動過程，因為平移時負載的變化不會很大。所以，此比例閥前就不需要再安裝一個壓力補償器。考慮到步進梁的質量比較大，為安全起見，在油缸的進出口需加有安全閥，件42。同時，為了平移缸的準確定位，此回路中還加有兩個液控單向閥，件40。該元件需與件41相配合使用。

平移時流量為 ：

根據元件選型手冊，可以確定該比例閥的型號。

油箱及輔助實施：根據系統流量，本油箱體積確定為6m3 。

因為加熱爐液壓系統是一個帶比例閥的液壓系統，油液清潔度要求比較高，要求達到NAS7級。為此，我們在液壓系統中共設計了三重過濾（見圖5）。在泵的出口加有高壓過濾器；在油箱的回油口設有回油過濾器；同時還設有一循環冷卻過濾系統。每種過濾器本身都帶有堵塞報警裝置，在過濾器堵塞時報警，通知工作人員及時切換、清洗濾芯，保證過濾器每時每刻都能正常工作。通過這些措施，可以很好地讓液壓元件工作在清潔的環境中，極大地提高了元器件的工作壽命，減少了系統的故障率。

隨著技術的進步，自動化控制在液壓系統里的運用越來越多，對比以往的液壓系統，本系統在此做了一些有益的改良（見圖5）。

（1）本系統的油箱液位和油溫檢測，選用了帶模擬量輸出的控制元件，其液位和油溫參數可以適時地在計算機畫面上顯示，直觀而又快捷。

（2）在每臺泵的出口設有一個帶模擬量輸出的壓力控制元件，可以每時每刻監控泵的工作情況，如果泵的工作狀態不正常，馬上在主控室控制畫面上就會有顯示，此時在主控室就可切換備用泵，非常方便。

（3）在總壓力管上設有一個帶開關量輸出的壓力控制元件，可以每時每刻監控系統的工作情況，如果系統的工作壓力不在正常的數值內，壓力控制元件立刻向主控室報警，通知工作人員檢查系統，查明情況。

以上這些措施對液壓系統的現代化管理和故障的及時診斷提供了有力的保證。

2 結語

至此，一個加熱爐液壓系統的大的框架基本上就確定了。進一步的詳細計算和選型，在此就不一一描述了。總之，我們設計的加熱爐液壓系統必須是合理的、經濟的、高效的，這樣才能有效地為生產服務。

參考文獻：

[1]朱新才.步進加熱爐液壓控制系統[J].機床與液壓，2002.

[2]王志亮.步進梁式加熱爐比例控制可靠性研究[D].燕山大學，2009.

[3]謝玲.步進式加熱爐液壓系統分析及改造[J].冶金設備，2008.

作者簡介：邵長青（1982-），男，山東棗莊人，大專。