浅谈步进式加热炉液压系统设计

0 前言

步进加热方式克服了直推式加热时钢坯下表面与支撑梁（固定梁）移动摩擦所产生的表面磨损；同时，克服了直推式的钢坯间相互靠拢的情况，可以使钢坯散开通过炉底，有利于钢坯加热。由于步进加热独特的优越性，使其在现代冶金工厂得到了广泛应用。步进梁采用液压传动，使传动结构简单，省去了一套凸轮、齿轮机构，占地面积小，且传动平稳，容易实现自动控制，因此步进加热炉传动装置一般都采用液压驱动。

下面就棒线材步进式加热炉液压系统作一分析说明：

根据工艺和设备的要求，一般的棒线材步进式加热炉液压系统执行机构有：

升降缸 Φ280/Φ180×685 2台

平移缸 Φ200/Φ125×260 1台

步进梁上升，步进梁前移，步进梁下降，步进梁后退到原始位置，完成一个工作循环。

工作周期一般要求在36S左右，步进梁的速度曲线如下图（图1）所示：

1 确定液压系统的流量、工作压力以及泵的规格

首先根据坯料的重量和步进梁重量，可以确定液压系统的工作压力：

通过计算，该液压系统的工作压力为15MPa。

液压系统的流量可以根据液压缸的速度来确定：

确定液压缸的速度是一件很重要的事情。如果液压缸的速度取的过小，则步进梁的工作周期可能不能保证；如果液压缸的速度取的过大，则一方面控制阀的规格可能选的很大，另一方面会造成系统的稳定性差、系统的冲击大。

根据负载的惯性、液压缸活塞的行程和工作周期的要求和实际的经验，我们把升降缸的最大速度设定为100mm/S。平移缸的最大速度为110 mm/S，

因为升降缸和平移缸不会同时工作，升降缸所需流量大于平移缸所需流量。加热炉液压系统的流量只需满足步进梁升降缸工作时所需流量就可以了。

上升时升降缸有杆腔所需最大流量为：

下降时升降缸无杆腔所需最大流量为：

由于本液压系统升降缸下降时无杆腔的控制回路采用的是差动回路，同时步进梁的下降是靠自重来进行的，无需供给压力油。此时高压油泵处于卸荷状态，卸荷回路的油和升降缸有杆腔的油同时供给升降缸无杆腔。

取系统高压油泵流量为：

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

因此卸荷回路的油和升降缸有杆腔的油可以满足步进梁的下降时升降缸无杆腔的需要。

这样我们可以确定系统流量为：

因此我们确定选用三台泵，二用一备，泵的额定流量为240。

根据泵的额定流量和工作压力，根据元件选型手册，可以确定该泵的型号。

根据系统工作压力和泵的额定流量，我们可以确定每台电机的功率：

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

确定电机为Y280S-4 75kW 1480rpm

控制回路和控制阀的选择：步进式加热炉液压系统执行机构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：因为步进梁在整个工作过程中动作要平稳，轻抬轻放，运动速度要求有连续的变化，不能有冲击。因此，升降和平移的控制主阀选用比例阀，通过对比例阀的电磁铁电流的控制，可以相应的控制比例阀主阀芯的开口度，进而控制比例阀的进出口流量。因此通过连续地改变比例阀的电流，就可以连续地控制执行机构油缸的速度，以满足工作要求。

在升降缸控制回路中，为了防止因负载的改变而引起比例阀的流量的变化，在比例阀的进口。我们安装了一个压力补偿器，确保比例阀的进出口压差恒定。

此压力一般调定在左右，在系统压力足够的情况下，有时可以将该压力调定到，此时通过比例阀的额定流量将会有很大的增加，假如原来选择的比例阀是DN32通径，通过调高此压力，我们就有可能选择DN25的比例阀，降低投资成本。

我们确定升降缸控制回路如（图2）所示。

因为回路流量较大，所以元件采用插装阀。

通过比例阀的额定流量为，根据元件选型手册，可以确定该比例阀的型号。

本控制回路是一差动回路，这正是本液压系统的一大特点。步进梁的下降是靠自重来进行的，无需供给压力油。此时高压油泵处于卸荷状态，卸荷回路的油和升降缸有杆腔的油同时供给升降缸无杆腔。在整个步进梁的下降过程中，电机无负荷运转，对电能是一个很大的节约。

如果我们不采用差动控制回路，而采用如下图（图3）所示控制回路：

此时，升降缸下降时无杆腔所需最大流量为。

系统流量为 ：

同样我们选用三台泵，二用一备，泵的额定流量增加为 406

这样整个液壓系统的投资成本增加了许多，同时流量的增加也带来了电能耗的增加。

所以差动控制回路的采用，可以为整个液压系统带来很多的好处。

另外有一点非常重要。在图三中，件37平衡阀必须紧靠油缸安装，平衡阀和油缸之间不能有软管。否则，当软管发生爆裂时，平衡阀起不到保护作用，步进梁就会快速下降，造成破坏，后果不堪设想。切记此点！

平移缸控制回路：我们确定平移缸控制回路如下图（图4）所示：

在平移缸的前进和后退过程中，油缸速度需要由，保持，由，速度要求能够连续改变。因此需要由比例阀来控制平移缸的运动过程，因为平移时负载的变化不会很大。所以，此比例阀前就不需要再安装一个压力补偿器。考虑到步进梁的质量比较大，为安全起见，在油缸的进出口需加有安全阀，件42。同时，为了平移缸的准确定位，此回路中还加有两个液控单向阀，件40。该元件需与件41相配合使用。

平移时流量为 ：

根据元件选型手册，可以确定该比例阀的型号。

油箱及辅助实施：根据系统流量，本油箱体积确定为6m3 。

因为加热炉液压系统是一个带比例阀的液压系统，油液清洁度要求比较高，要求达到NAS7级。为此，我们在液压系统中共设计了三重过滤（见图5）。在泵的出口加有高压过滤器；在油箱的回油口设有回油过滤器；同时还设有一循环冷却过滤系统。每种过滤器本身都带有堵塞报警装置，在过滤器堵塞时报警，通知工作人员及时切换、清洗滤芯，保证过滤器每时每刻都能正常工作。通过这些措施，可以很好地让液压元件工作在清洁的环境中，极大地提高了元器件的工作寿命，减少了系统的故障率。

随着技术的进步，自动化控制在液压系统里的运用越来越多，对比以往的液压系统，本系统在此做了一些有益的改良（见图5）。

（1）本系统的油箱液位和油温检测，选用了带模拟量输出的控制元件，其液位和油温参数可以适时地在计算机画面上显示，直观而又快捷。

（2）在每台泵的出口设有一个带模拟量输出的压力控制元件，可以每时每刻监控泵的工作情况，如果泵的工作状态不正常，马上在主控室控制画面上就会有显示，此时在主控室就可切换备用泵，非常方便。

（3）在总压力管上设有一个带开关量输出的压力控制元件，可以每时每刻监控系统的工作情况，如果系统的工作压力不在正常的数值内，压力控制元件立刻向主控室报警，通知工作人员检查系统，查明情况。

以上这些措施对液压系统的现代化管理和故障的及时诊断提供了有力的保证。

2 结语

至此，一个加热炉液压系统的大的框架基本上就确定了。进一步的详细计算和选型，在此就不一一描述了。总之，我们设计的加热炉液压系统必须是合理的、经济的、高效的，这样才能有效地为生产服务。

参考文献：

[1]朱新才.步进加热炉液压控制系统[J].机床与液压，2002.

[2]王志亮.步进梁式加热炉比例控制可靠性研究[D].燕山大学，2009.

[3]谢玲.步进式加热炉液压系统分析及改造[J].冶金设备，2008.

作者简介：邵长青（1982-），男，山东枣庄人，大专。