步進(jìn)梁式電阻加熱爐步進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化改造

周 杰，王飛偉，朱秦嶺，吳潔蓓，彭常戶，靳喜泉，楊西寧，楊 波

（西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西西安 710018）

0 引言

步進(jìn)梁式電阻加熱爐采用步進(jìn)式運(yùn)動結(jié)構(gòu)，減少了棒料與爐底的摩擦，避免了爐膛內(nèi)棒料間的靠攏堆積，受熱更加充分均勻。電阻式加熱模式，避免了其他加熱形式如天然氣加熱對棒材加熱過程中化學(xué)成分的影響，非常適合于鈦及鈦合金等對加熱氣氛敏感的有色金屬的鍛造前加熱。

西部超導(dǎo)公司棒線材分廠精鍛機(jī)鍛造前加熱采用步進(jìn)梁式電阻加熱爐。該爐長8 m、寬2 m、高3 m，主要結(jié)構(gòu)分上下兩層，上層為電阻式加熱爐膛主體，下層為產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動的四連桿機(jī)械結(jié)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1 步進(jìn)梁式加熱爐步進(jìn)機(jī)構(gòu)原理

步進(jìn)梁式加熱爐步進(jìn)結(jié)構(gòu)為一組典型的四連桿機(jī)構(gòu)，其運(yùn)行的動力源為圖1 所示的動梁前進(jìn)后退油缸和起升降落油缸。通過2 組油缸的的依次動作，實(shí)現(xiàn)被加熱棒料在爐膛內(nèi)動、靜梁之間交替運(yùn)行達(dá)到步進(jìn)的目的，運(yùn)行流程見圖2。

步進(jìn)爐加熱節(jié)拍為全自動化控制，在爐門入口處設(shè)置一排放料架，被加熱棒料在放料架上依次排開，以步進(jìn)形式被一根接一根的送入爐膛內(nèi)完成加熱、保溫。在加熱爐膛內(nèi)，被加熱棒料由3 根靜梁和3 根動梁共同支撐。當(dāng)系統(tǒng)得到信號需要步進(jìn)時(shí)，②號油缸伸出，爐底四連桿機(jī)構(gòu)托起動梁及棒料一同起升達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定最高點(diǎn)后保持此狀態(tài)等待下一指令，然后①號油缸得到指令伸出，將動梁及棒料運(yùn)送一個(gè)步距后保持此狀態(tài)等待下一指令，之后②號油缸得到指令縮回，動梁及棒料隨之一同下降到指定位置，此時(shí)的棒料已處于靜梁上，等待下一指令，隨后①號油缸得到指令縮回，動梁被拉回到初始位置，整個(gè)步進(jìn)過程結(jié)束，而棒料完成一個(gè)完整的步進(jìn)節(jié)拍。

圖1 步進(jìn)梁式電阻加熱爐結(jié)構(gòu)

2 故障分析

2.1 故障現(xiàn)象

圖2 步進(jìn)式電阻爐步進(jìn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行流程

該步進(jìn)梁式電阻爐自動化程度高，多年來連續(xù)服役于生產(chǎn)，隨著設(shè)備長時(shí)間的使用，設(shè)備故障愈發(fā)頻繁，大多為機(jī)械故障，約占總故障的70%以上，其中以四連桿起升機(jī)構(gòu)故障為主。因整個(gè)爐底機(jī)體變形嚴(yán)重，造成四連桿起升機(jī)構(gòu)中軸承座、螺旋接頭、擺臂等各零部件頻繁斷裂（圖3），雖運(yùn)用了各種加強(qiáng)筋、堆焊搭接支撐等措施，但沒有從根本上解決問題，嚴(yán)重影響設(shè)備正常運(yùn)行。

圖3 擺臂斷裂

2.2 故障分析

通過長期的維修與觀察，電阻爐四連桿機(jī)構(gòu)在設(shè)備運(yùn)行過程中受力較大且?guī)в袥_擊，是故障率高的主要原因。該系統(tǒng)3 組動梁總重量為10 t，步進(jìn)機(jī)構(gòu)所有零部件長期負(fù)重，變形、磨損在所難免。運(yùn)行過程中每一次步進(jìn)對整個(gè)系統(tǒng)都是一次沖擊，整個(gè)下層機(jī)構(gòu)包括機(jī)體、四連桿機(jī)構(gòu)長期受到交變載荷的沖擊，零部件的疲勞強(qiáng)度降低直至斷裂。

2.3 故障維修

加熱爐在材料加工單位屬于關(guān)鍵核心工序，維修需要專業(yè)人員操作，同時(shí)由于加熱爐的特殊性，為了保證維修人員的人身安全及設(shè)備性能安全，維修前首先需要將爐溫降至200 ℃以下，由于四連桿機(jī)構(gòu)在步進(jìn)爐底部，維修空間狹小、維修難度大，維修工時(shí)長，如:液壓傳動大軸斷裂一根，需9 臺10 t 千斤頂同時(shí)支撐動梁，4 人8 h 協(xié)助才能完成維修任務(wù)，再加上降溫時(shí)間，每次維修所需工時(shí)至少24 h。

3 優(yōu)化改造

3.1 優(yōu)化改造方案

通過故障分析可知，四連桿機(jī)構(gòu)是使得整個(gè)步進(jìn)梁式電阻爐故障率居高不下的主要原因，因此優(yōu)化改造的主要對象為四連桿機(jī)構(gòu)。改造的目標(biāo)是在保證原有步進(jìn)功能的情況下降低設(shè)備故障率。改造的方式是通過轉(zhuǎn)移負(fù)重承受對象，降低沖擊，將原來由四連桿機(jī)構(gòu)在上升、下降過程中承受的負(fù)重通過垂直安裝的液壓缸轉(zhuǎn)移到地面，將負(fù)重、沖擊由基礎(chǔ)地面承受。

3.2 方案分析

3.2.1 功能分析

四連桿機(jī)構(gòu)在此設(shè)備中最重要的功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的步進(jìn)，確保了工藝過程的穩(wěn)定性。優(yōu)化改造方案分析中最主要是是步進(jìn)功能的分析對比，對比過程包括動梁上升、動梁前移、動梁下降、動梁后退等。通過對比分析，改造前與改造后，該機(jī)構(gòu)的主功能未發(fā)生變化，均能滿足被加熱棒料在爐膛內(nèi)的步進(jìn)功能，工藝穩(wěn)定性高。

3.2.2 功能完善

考慮到3 組動梁必須同步升高與降落，在動梁基座下部設(shè)計(jì)增加一套整體式剛性框架，框架兩邊各為位一組，每組平均分布4 個(gè)液壓油缸，每個(gè)油缸液壓支路安裝同步閥，保證每個(gè)油缸的同步性。新增機(jī)構(gòu)液壓原理如圖4 所示。在動梁前移、后退的過程中為了減少摩擦力，動梁基座與整體框架中間放置滾杠，動梁前移、后退過程屬于滾動摩擦，整個(gè)系統(tǒng)摩擦力大幅度降低，保證動梁前移、后退的運(yùn)行平穩(wěn)。

3.3 改造過程

按照既定方案對步進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改造，拆除原有四連桿機(jī)構(gòu)，重新制作液壓缸基礎(chǔ)，整體剛性框架，安裝滾杠及上升、下降液壓油缸，增設(shè)液壓回路及各支路的同步閥，改造后效果如圖5 所示。

4 結(jié)語

改造后的步進(jìn)梁式電阻加熱爐，由于采用多個(gè)小型油缸多點(diǎn)并聯(lián)同時(shí)直接舉升的方式，大幅減少了之前四連桿機(jī)構(gòu)的縱向載荷沖擊，使步進(jìn)系統(tǒng)的可靠性得到大幅提高，經(jīng)過兩年的實(shí)際生產(chǎn)使用，步進(jìn)機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定可靠，爐膛棒料運(yùn)行平穩(wěn)，生產(chǎn)過程使用順利，達(dá)到了改造的預(yù)期目的。

圖4 新增機(jī)構(gòu)液壓原理

圖5 同步油缸結(jié)構(gòu)