步进梁式加热炉液压系统优化设计

步进梁式加热炉液压系统优化设计

张安龙，揭乐标，王飞朋，杨雯燕，李胜洲

（武钢（集团）国际经济贸易总公司，湖北武汉，430081） 摘要：结合步进梁的运动工况，分析了步进梁式加热炉液压系统的工作原理及其缺陷，并对原液压系统进行了优化设计，优化后的液压系统不但能满足系统的工况要求，还大幅提高了系统的可靠性和稳定性。

关键字： 步进梁；加热炉；液压系统；优化设计

中图分类号：TH137.3

The Optimization Design of Hydraulic System about Walking Beam

Heating Furnace

ZHANG An-long，JIE Le-biao，WANG Fei-peng, YANG Wen-yan, LI Sheng-zhou (International Economic and Trading Corporation, WISCO，Wuhan,430081,China)

Abstract: Combined with the working condition of walking beam, the principle of work and the defects of hydraulic system about walking beam heating furnace were analyzed, and then the hydraulic system was optimized, which could meet the challenge the system asked not only, but also improve the reliability and the stability of the system.

Keywords: walking beam; heating furnace; hydraulic system; optimization design

1 概述

现代化的钢坯加热炉不断向大型化、高度自动化的方向发展，在低耗能、环保等方面也提出了更高的要求。某钢厂热轧线步进式加热炉建于上世纪70年代，驱动方式为液压传动，至今该液压系统已经运行30多年，部分液压元件已淘汰，控制技术落后，控制精度低，已不能适应国家节能减排及当前该厂产能需求，急需对原液压系统进行改造和优化。

2 步进梁式加热炉原液压系统原理及其缺陷

2.1步进梁加热炉工况分析

为了钢坯的轻托轻放，步进梁周期动作为：步进梁上升（给定信号?加速→定速→中间减速→中间定速→中间加速→定速→减速→停止）→步进梁前进（给定信号→一次加速→二次加速→定速→一次减速→二次减速→停止）→步进梁下降（给定信号→加速→定速→中间减速→中间定速→中间加速→定速→减速→停止）→步进梁后退（给定信号→一次加速→二次加速→定速→一次减速→二次减速→停止）[1]。步进梁运动轨迹与速度图如图1所示，运动周期为45秒。

502l/min118mm/s753l/min43mm/s408l/min23mm/s753l/min43mm/s起点前进600mm运行下降上升649mm周期649mm45s后退600mm314l/min135mm/s泵供502l/min差动1338l/min76mm/s泵供251l/min差动670l/min38mm/s泵供502l/min差动1338l/min76mm/s

图1 步进梁周期运动轨迹与速度图

2.2 步进梁加热炉原液压系统原理

步进梁式加热炉液压原理简图如图2，该液压系统泵站采用了三台油压平衡型双联定量叶片泵泵供油，主泵最高工作压力17.5 MPa，在压力为15MPa，转速为960r/min时，H泵流量为157 L/min，S泵流量为94 L/min，总流量为251L/min。三台主泵不停机工作，通过AD阀（加、减速阀）进行调节流量，即通过逐渐地使部分供油泵卸荷或加载来实现调速。

图2 改造前液压原理简图

在正常工作时，AD阀只用两个工作位（阀2.1用的是中位和右位），切换AD阀的工作位，则可实现步进梁的加速或减速。单向节流阀3.1用于调定中位和右位切换的速度或者时间，即步进梁加速或减速的时间。通过调节进入或流出液压缸的流量来调节步进梁的速度，步进梁定速阶段的流量有753 L/min、408 L/min、502 L/min、251 L/min四种，流量通过H泵和S泵组合实现。

步进梁周期轨迹的变速是通过液压元件无触点位置极限开关，时间继电器和γ射线配合AD阀的动作来实现的。即通由无触点位置极限开关及时间继电器给指令，逐渐切断部分供油回路来实现。

提升液压缸和移动液压缸的工作原理如图3。提升液压缸下降采用差动系

统，当步进梁下降时，提升液压缸活塞杆侧的压力油经液控单向阀51直接补入液压缸的另一侧，从而减少泵的供油量。步进梁的自重用油压平衡阀52来平衡，调定压力值为15MPa。定比控制溢流阀53预调压力为15MPa，其有3个作用：步进梁下降时，当压力过高时溢流；如果平衡阀52损坏，53可起安全作用；当步进梁上升时，溢流阀53打开，使提升液压缸工作腔充分卸荷。如果遇到停电情况，当步进梁尚处于升起状态，可以手动打开截止阀76.1，使步进梁靠自重回到下限位置。在移动液压缸液压系统部分设有制动阀62，其调定压力为15MPa，作为安全阀使用。顺序阀65和66起背压的作用，以便减少移动液压缸在启动、制动时的冲击[2]。

图3 提升液压缸和移动液压缸工作回路

2.3 原液压系统缺陷

从原理设计上来看，该设计虽然能完成系统工作要求，并且已运行多年，但是仍然存在以下缺陷：

1）系统无备用主泵，三台主泵不停机工作，加速了主泵的磨损，造成系统压力波动，故障频繁，一旦主泵发生故障，就要停机检修，严重影响生产进度。

2）该系统属于旁路节流调速，即采用特殊结构的AD阀、极限开关和时间继电器进行控制，控制方式落后，定位精度低。

3）原系统中提升液压缸下降时，为了减少泵的供油量，采用了差动回路。在差动回路中，由于采用的是非对称缸，主系统需要补油、溢流回路[3]。一方面，当液压缸活塞杆运动方向发生变化时，两腔的压力会产生突变导致系统不稳；另一方面，当外负载变化范围过大时，液压缸会产生气蚀和压力超过油源压力的情况，溢流量大，能耗大。

4）原系统控制阀均采用AC110V电磁铁，容易因阀芯卡死引起电磁铁烧坏，

从而导致停机。

3 步进梁式加热炉液压系统优化设计

3.1液压动力源优化设计

为解决油缸两侧压力突变的情况，可将提升液压缸和移动液压缸均换成对称式的液压缸，缸的直径、活塞杆的直径及所有其它的尺寸均不变，则步进梁周期运动的时间与速度要相应进行调整，如图4所示，加上每个动作之间的缓冲时间0.5s,整个周期缩短为40s,提高了加热炉的工作效率。

502L/min118mm/s1000L/min57mm/s405L/min23mm/s1000L/min57mm/s600mm，5.1s前进上升649mm16s600mm，4.4s649mm14s下降1000L/min57mm/s669L/min38mm/s1000L/min57mm/s后退314L/min135mm/s

图4 步进梁周期运动轨迹与速度优化图

根据现场工况，系统正常的工作压力为15MPa，最大流量为1000L/min，型号为A4VSO180DR/22R-PPB13N00的手动变量泵工作压力为15MPa，额定工作压力为35MPa，最大排量为180cm/r，转速1480rpm时的流量为266L/min，其性能参数能满足工况要求可替代原动力源主泵。为增加系统可靠性，减少因主泵磨损引起的故障，新动力源采用五台泵（四用一备）的形式，当一台泵坏了，备用泵可以立即投入使用。升降缸动作时，四台泵工作，水平运动时，二台泵工作，另两台泵卸载。主泵电机组原理图如图5。

3

图5 主泵电机组部分液压原理图

系统的供油压力（15MPa）通过电磁溢流阀来调定，也可以通过远程电控卸荷以满足不同的工况要求。蓄能器用于保压和吸收压力的波动。

3.2 提升缸及移动缸液压工作回路设计

在本步进梁液压系统中，提升液压缸上升时负载较大，下降时空载，最高流量达1000L/min；移动液压缸前进时负载，后退时空载，最高流量为502L/min。比较适合选用比例节流阀进行调节流量，由于提升液压缸工作时，流量较大，一般比例方向阀的额定流量达不到要求，需选用二通插装式比例节流阀，并采用定差减压阀进行压力补偿；移动液压缸控制回路流量较小，宜采用比例方向阀+进口压力补偿器的形式。

图6为提升缸回路的原理图，主油管道分为主压油管P、主回油管T及主泄油管L。系统没有单独设置控制油泵，控制油直接由压油管分出。两个提升液压缸采用机械同步，上升、下降是通过两缸驱动滚轮沿着斜轨运动。系统的流量大，大量采用插装式结构阀。

图6 提升液压缸工作回路

在上升和下降的过程中，系统工作流量都是通过二通插装式节流阀50来调节控制；定差减压阀48起压力补偿器的作用，使节流阀50的进出口压差维持在1MPa,保证系统流量的稳定。由于步进梁是靠自重下降，工作压力低于系统供油压力，需通过减压阀45来减压。溢流阀42起背压的作用，调定压力为1MPa，

目的是减小冲击，使系统运行稳定。55为单向阀，67.1和67.2为安全阀，其它阀均为换向阀。

当系统正常工作时，电磁换向阀54.1得电，换向阀65.1及65.2一直处于开启的状态。上升时，换向阀44.1、44.3关闭，压力油依次流经换向阀52.1、二通插装比例节流阀50、单向阀55、换向阀65.1及阀65.2到提升液压缸的右腔；左腔的油液经阀44.2和阀42回油。步进梁依靠自重下降时，系统通过回油节流调速，换向阀52.1、阀44.2关闭，压力油经减压阀45、换向阀44.1补油到提升液压缸的左腔；右腔的油液流经换向阀65.1及65.2、阀52.2，再通过二通插装比例节流阀50调节流量，最后流经阀44.3、阀42回油。

在应急断电的情况下，电磁换向阀54.1失电，控制油路被切断，阀65.1和65.2关闭自锁，防止步进梁失控；当系统出现故障不能运行，而步进梁还承受负载时，可以通过打开截止阀68.1和68.2，然后手动调节截止阀58将负载卸下。可见，该回路能很好地实现步进梁上升和下降的动作要求。

图7 移动液压缸工作回路

图7为移动液压缸的工作回路，关键元件为比例换向阀70和进口压力补偿器69，用于对工作流量进行调节，从而控制移动液压缸的运行速度。电磁换向阀54.2配合液控单向阀（72.1、72.2）实现自锁，阀73.1、73.2组合实现双向补油，溢流阀67.3、67.4则实现安全溢流的作用，当意外停止运行时,该系统能缓冲释压及补油，当正常停止运行时，该系统能单独锁紧和定位。另外，系统还增设了位移传感器，用于精确检测定位。在应急断电的情况下，电磁换向阀54.2

失电，控制油路被切断，阀72.1和72.2关闭自锁，防止步进梁失控。 4 结论

经过优化设计后，新系统具有以下特点：

1）液压系统的可靠性高。主泵组共5套，采用4用1备的工作方式，阀类关键元件采用Rexroth等进口通用件，大幅度提高系统的可靠性和元件的可替换性，故障率大幅减小，可在不停机检修的情况下保证现场生产；

2）控制精度高，自动化程度高。采用先进的电液比例控制技术，用速度-位移传感器取代原极限开关，精确检测步进梁的位置；在进行比例流量控制时，采用进口压力补偿器+比例阀的形式，使比例阀进、出口压差保持恒定，控制精度高。

3）采用双出杆对称式液压缸，并且选用流量较大的插装式结构阀，避免了因采用差动回路而需增设的补油回路，减小了压力波动，减少了溢流量和能量消耗，使系统工作更加稳定。

4）步进梁运动周期由45s缩减为40秒，提高了加热炉的工作效率。

参考文献

[1] 任利民,步进加热炉液压系统对步进机构速度和时间的控制[J].钢铁设计,1997，(4)：31-36

[2] 陈奎生.液压与气压传动[M],武汉:武汉理工大学出版社,2001

[3] 张亚建,李洪人.非对称缸系统液压缸两腔压力特性的研究[J].机床与液压,2000,(5):63-64

本文作者简介：

张安龙（1980-），男，初级工程师，2007年7月获武汉科技大学工学硕士学位 现工作单位：武钢（集团）国际经济贸易总公司 联系方式：15926404774 027-86569402

电子邮箱：zhanganlong800921@126.com

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/m197.html