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
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。

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。

起点上升649mm 下降649mm 后退600mm
前进600mm 753l/min 43mm/s
408l/min 23mm/s
753l/min 43mm/s
泵供502l/min 差动1338l/min 76mm/s 泵供502l/min 差动1338l/min 76mm/s 泵供251l/min 差动670l/min 38mm/s 502l/min 118mm/s
314l/min 135mm/s 运行周期45s
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。

57mm/s
57mm/s 23mm/s
1000L/min
57mm/s 669L/min 38mm/s 1000L/min 57mm/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 3/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。

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。