步进梁式加热炉液压系统工厂设计.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l 8 ／ NO ． 1 1 ． 2 0 1 3 步进梁式加热炉液压系统工厂设计 张龙江． 李 萌 北京 无极 液 压工程 有 限公 司 ， 北京1 0 2 3 0 8 摘 要 介绍了改造后的武钢一热轧厂步进梁式加热炉液压系统工作 原理 ， 重点 阐述 了比例 阀和插装 阀相结合在大流量步进梁运 动速 度控制上 的优点 。根据改造现场实 际情况 ， 对液压站和液压阀台进行了精 心设 计。 关键词 步进梁式加热炉 ； 液压 系统 ； 比例阀 ； 插装 阀； 工厂设 计 中图分 类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 1 1 0 0 5 3 0 4 F a c t o r y De s i g n o f Hyd r a u l i c S ys t e m f o r W a l k i n g Be a m F u r na c e Z HANG L o i a n g， L I Me n g B e i j i n g Wu j i H y d r a u l i c E n g i n e e r i n g C o ． ，L t d ． ，B e i j i n g 1 0 2 3 0 8 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s a r t i c l e i n t r o d u c e s t h e r e c o n s t r u c t e d p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c s y s t e m f o r wa l k i n g b e a m f u r n a c e a t No 1 h o t r o l l i n g mi l l o f W I S C O， e l a b o r a t e s t h e a d v a n t a g e t h a t p r o p o r t i o n al v a l v e a n d c a r t ri d g e v a l v e a r e u s e d t o c o n t r o l t h e s p e e d o f w a l k i n g b e a m mo t i o n i n t h e l a r g e fl o w h y d r a u l i c s y s t e m． Ac c o r d i n g t o t h e f a c t o f r e c o n s t r u c t e d l o c ale ， h y d r a u l i c s t a t i o n a n d s t a n d are d e s i g n e d e l a b o r a t e l y ． Ke y wo r d s wa l k i n g b e a m f u rna c e ； h y d r a u l i c s y s t e m ； p rop o r t i o n al v alv e； c a r t r i d g e v a l v e ； f a c t o r y d e s i g n 0 引言 步进梁式加热炉具有均匀加热钢坯、防止表面磨 损的优点 ．在现代化钢坯加热炉中得到了越来越广泛 的运 用 武 钢一 热 轧厂 步 进梁 式 加热 炉 液压 系 统是 2 0 世纪 7 O年代从国外 引进的 ． 至今已运行 3 0多年 。 部分 液压元件 已被淘汰 ． 控制精度低 ． 已不能适应国家节能 减排和当前工厂产能需求 ． 需要对原加热炉进行改造。 1 改造后 的液压 系统工作原理 武钢一热轧厂步进梁式加热炉液压系统原理由武 汉科技大学在参照外方原理的基础上 ．针对 步进梁运 动的工艺特点 ， 进行大量改进后优化设计而成 。液压系 统 主 要 由主泵 装 置 、 循 环 过 滤 冷却 装 置 、 油 箱 装 置 、 蓄 能器组装置和步进梁升降平移 阀台组成 图 1 是 改 进 后 的加 热 炉 液 压 系 统 泵 源 原 理 图 ． 它 图 1 改进后的加热炉液压 系统泵源原理图 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 0 8 作者简介 张龙 Z 1 9 6 7 一 ， 男 ， 安徽含 山人 ， 高级工程 师， 硕士 ， 主要从事液 压系统设计工作 。 为步进梁的升降和平移提供动力 。 主电机功率 7 5 k W， 转速 1 4 8 0 d mi n ， 起动前 电磁溢 流 阀得电， 实现卸荷起动。主泵采用 R e x r o t h公司生产 的 A 4 V S O1 8 0 D R⋯恒压变量柱塞泵 ， 四用一备 ， 工作压 53 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 1 1期 力 1 5 MP a 。 循环泵 、 冷却器 、 加热器和循环过滤器共 同组成 了 循环系统 ． 控制液压油的温度和清洁度 。循环泵采用立 式 螺 杆泵 ， 工 作 压力 1 MP a ， 流量 4 2 4 L ／ m i n ． 循 环 电机 功 率 1 l k W．转速 1 4 6 0 r ／ m i n 。冷却器选用水冷板式冷却 器 ． 冷却效果更好 。循环过滤器选用带光电堵塞报警的 双筒过滤器 ． 便于人工巡查 。 油箱有效容积 7 0 0 0 L ， 设有翻板式液位计 、 温度传 感器 、 空气过滤器和棒式磁滤器。液位 、 温度和压力传 感器均采用模拟量控制 ．通过和可编程逻辑控制技术 P L C 相 结合 ， 在 主控 室 的 电视 画 面上 就能 显示 出液 压 系统 的各种运行参数 ．可对液压系统实行 自动控制和 实时监控 ． 提高了 自动化水平。 蓄能器组选用 四个公称容积 5 0 L的皮囊式蓄能器 ． 带有安全球阀。它为液压系统补充流量和吸收脉动。 图 2是改进后 的加热炉步进梁升降平移 阀台原理 图． 它控制步进梁升降和平移的运动速度 按武钢一热 轧厂生产工艺要求 ．分配给步进梁升降和平移 的运动 时间仅为 4 5 s ， 这就要求步进梁运动既要快 ， 又要稳 。 也 就 是说 液 压 系 统 的流 量要 从 0 1 O 0 0 L ／ m i n之 间按 照工 艺要求不断地变化。比例阀响应速度快 ． 通过阀的流量 受输入 比例 阀信号大小控制 ． 和压力补偿器配合使用 ， 能够不受外界负载变化的影响 ．进一步提高对通过阀 流量的控制精度 ． 插装 阀质量轻 ， 响应快 ， 流量大 ． 和不 同的盖板组合 。 能够实现多种功能 。下面具体分析步进 梁的运动过程 ， 说 明比例 阀、 插装 阀和恒压变量泵相结 合是如何按工艺要求控制步进梁运动速度 即系统流 量 变化的 ， 体现其在大流量液压系统控制上优点 1 步进 梁上 升 本系统在步进梁升 降回路上 ． 采用 R e x r o t h公司生 5 4 图 2改进后的加热炉步进梁升降平移阀台原理 图 Hv d r a ul i c s Pn e uma t i c s＆ S e a l s ／ No． 1 1 ． 2 01 3 产 的 F E S E 5 0 C A一 3 ／ 1 4 0 0 L K 0 Gl M 插 装 比 例 节 流 阀 5 O ． 1 、 插装压力补偿器 由插装减压阀 4 8 ． 1和调压阀盖 板 4 9 ． 1 组成 和其他插装阀相配合实现对步进梁升降 速度无级控制。步进梁上升前 ， 恒压变量泵在零摆角附 近 ． 仅输出维持泵泄漏所需的流量。 当 电磁 铁 Y A 7 、 Y A 8和 YA 1 2得 电 ， 所对 应 的插 装 阀打开 ．比例节流 阀 5 0 ． 1在一上升斜坡信号 从 4 1 6 m A左右 作用下 ． 节 流 E l 逐渐变大至 1 6 m A时的开 口度 ． 恒压变量泵摆角变大 ， 通过比例节流阀 5 O ． 1的流 量从 0增加到 l O 0 0 L ／ mi n ． 步进梁从静止状态开始匀加 速上升至 5 7 m m ／ s ， 并保持这一速度匀速上升 在步进梁 接触到静梁上 的钢坯前 ．比例节流阀 5 0 ． 1在一 向下斜 坡信号 从 1 6 ～ 1 0 m A左右 作用下 ， 节流 口逐渐变小至 1 0 mA时 的开 E l 度 ； 从 流量方程知 ， 通过 比例节流阀的 流量 式中口 通过比例节流阀的流量 ； C 阀的流 量 系数 ； ， ． 阀的开 口度 ； p 液压油的密度 ； 阀的前后压差 。 其 中 流量系数 c 和液压油的密度 P为常数。当通 过比例节流 阀的流量 q保持不变 ．而阀的开 口度 变 小时 ， 阀的前后压差 △ p必然变大 ， 阀后压 力 由负载决 定 ． 此 时没有改变 。 那么阀前压力必然变 大 ， 作用在插 装减压阀 4 8 ． 1 上腔压力增大 ． 阀芯向下移动 ． 主阀芯关 小 ． 插装减压阀 4 8 ． 1进 口压力变大 。 恒压变量泵出口压 力变大 ， 摆 角变小 ， 输 出流量随之减少 ， 随着通过插装 减压阀 4 8 ． 1的流量减少 ． 阀后压力随之减小 ． 阀的前后 压差 △ p变小 ， 当 变小到和调压阀盖板 4 9 ． 1的设定 压力值 1 MP a 相等时． 插装减压阀阀芯在新 的平衡位置 保持不动。恒压变量泵 出口压力不变 ， 输 出流量随之保 持不变。在这一变化过程中 。 泵输 出流量从 l O 0 0 L ／ mi n 减少到 4 0 5 L ／ mi n ． 步进梁上升速度从 5 7 mm ／ s 匀减速至 2 3 m m ／ s 。 并 以这一速度托起钢坯 步进梁以低速接触钢 坯 。 减少对钢坯 的冲击 。 做到轻托 匀速上升至静梁上 方 后 ．比例节流 阀 5 0 ． 1在一 上升斜坡信 号 从 1 0 ～ 1 6 m A左右 作用下 ． 节流 口逐步变大至 1 6 mA时 的开 口度 ． 当通过 比例节流阀的流量 q保持不变 ． 而阀的开 口度 ，， 变大时 ， 阀的前后压差 必然变小 ， 而压力补 偿器 4 8 ． 1和 4 9 ． 1 要维持 阀的前后压差 为 1 MP a 不变 ．插装减压 阀 4 8 ． 1主阀芯开大 ．插装减压 阀 4 8 ． 1 进 口压力 变 小 ． 恒 压 变 量泵 出 口压 力 变 小 ， 摆 角 变 大 ， 输 出流 量 从 4 0 5 L ／ mi n增 加 到 l O 0 0 l J m i n ．步 进 梁从 2 3 mm ／ s 匀速状态开始匀加速上升至 5 7 m m／ s ． 并保持这 一 速度匀速上升 在步进梁上升到最高点前 ． 比例节流 阀 5 0 ． 1 在一向下斜坡信号 从 1 6 4 mA 作用下 ． 节流 口 逐 渐 变小 至 关 闭状 态 ． 恒 压 变量 泵 摆角 变 小 ． 输 出流 量 从 l O 0 0 l J m i n减少到 2 0 L ／ mi n ． 仅维持泵泄漏需要 ． 步进 梁上升速度从 5 7 mm ／ s 匀减速至 0 m m ／ s ．使钢坯在运动 中保持稳定 。上升行程 6 5 0 m m。 用时 1 6 s 。 2 步进梁前进 在步进梁进退 回路上 ．采用 R e x r o t h公 司生产 的 4 WR K E 3 2 W6 6 0 0 L 一 3 X ／ 6 E G 2 4 K 3 1 ／ F 1 D 3 M 比例换向阀 7 0 ． 1 、 压力补偿器 6 9 ． 1 和其他 阀相配合 ， 实现对步进梁 进退速度无级控制 。步进梁在最高点时 ． 电磁铁 Y A1 3 得电 ． 液控单 向阀 7 2 ． 1和 7 2 ． 2打开 。 比例换 向阀 7 0 ． 1 在一上升斜坡信号 从 1 2 ～ 1 7 ． 1 6 m A左右 作用下 ， 节流 口逐渐变大至 1 7 ． 1 6 m A时的开 口度 ．恒压变量泵摆角 变大 ， 通过比例换向阀的流量从 0变到 5 0 2 L ／ mi n ． 步进 梁托住钢坯从静止状态开始匀加速前进至 1 1 8 m m ／ s ． 并 保持这一速度匀速前进 前进行程终 了前 ． 比例换 向阀 在一下降斜坡信号 从 1 7 ． 1 6 ～ 1 2 mA 作用下 ． 节流 口逐 渐变小直至关闭 ． 恒压变量泵摆角变小 ． 通过 比例换 向 阀的流量从 5 0 2 L ／ mi n变到 0 ．步进梁托住钢坯从匀速 状态开始匀减速前进 ， 从 1 1 8 mm ／ s 变为 0 。钢坯前进一 个步距 6 0 0 mm． 用时 5 ． 5 s 。 压力补偿器 6 9 ． 1 一方面使 比 例换 向阀 7 0 ． 1 进 出 口压 差稳 定 为 1 MP a ． 保 证步 进梁 运 动速度不受负载变化影响 ．只和 比例换向阀的开 口大 小有关 ．另一方面通过减压 口大小调节恒压变量泵 出 口压力 ． 改变其输出流量。 3 步进梁下降 当步进梁托住钢坯前进一个步距后 ， 电磁铁 Y A 7 、 YA 9 、 Y A1 0和 Y A1 1得 电。 所对应 的插装阀打开 ， 比例 节流阀 5 0 ． 1在一上升斜坡信号 从 4 ～ 1 6 mA左右 作用 下 ． 节流 口逐步变大至 1 6 mA时的开 口度 ． 压力油经减 压 阀 4 6 ． 1和 4 7 ． 1 、 插装方 向阀 4 4 ． 1 、 4 5 ． 1和 5 4 ． 1 进 入升 降液压缸 7 5 ． 1和 7 5 ． 2 上腔 ． 步进梁在 自重的作 用下开始下降 ．升降液压缸下腔液压油经插装单 向阀 6 5和 6 6 、 插装方 向阀 5 2 ． 2 、 5 3 ． 2和 8 3 ． 2 、 压 力补偿 器 4 8 ． 1和 4 9 ． 1 、 比例节流 阀 5 0 ． 1 、 插装方 向阀 4 4 - 3 、 4 5 ． 3和 5 4 ． 3 和插装溢流阀 4 2 ． 1和 4 3 ． 1 回油箱。在步 进 梁下降过 程 中．从静止 状态开始匀加 速下 降直至 5 7 m m ／ s ， 并保持这一速度匀速下降 ， 通过 比例节流阀的 流量从 0变到 l O 0 0 L ／ mi n 在步进梁接触到静梁放下钢 坯前 ． 比例节流 阀 5 0 ． 1 在一向下斜坡信号 从 1 6 ～ 1 0 m A 5 5 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 0 l 3年 第 l 1期 左右 作用下 ， 节流口逐步变小至 l O m A时的开 口度 。 通 过 比例节流阀的流量从 1 0 0 0 L ／ mi n减少到 4 0 5 L ／ m i n ． 步 进梁下 降速度从 5 7 mm ／ s 匀减速至 2 3 ra m ／ s ．并以这一 速度放下钢坯 使步进梁上的钢坯以低速接触静梁 ． 减 少对钢坯的冲击 ． 做到轻放 匀速下 降至静梁下方后 。 比例节流阀 5 0 ． 1在一上升斜坡信号 从 1 0 1 6 m A左 右 作用下 ， 节流 口逐渐变大至 1 6 m A时的开 V I 度 ， 通 过 比例节流 阀的流量从 4 0 5 L ／ m i n增加 到 1 0 0 0 L ／ m i n ． 步进梁下 降速度从 2 3 mm ／ s 匀加速至 5 7 m m ／ s ．并保持 这一速度匀速下降 下降行程终 了前 ． 比例节流阀 5 0 ． 1 在一向下斜坡信号 从 1 6 4 m A 作用下 ． 节流 口逐渐变 小至关 闭状态 ．通过 比例节流阀的流量从 1 0 0 0 I J m i n 减少到 O． 步进梁下降速度从 5 7 m m／ s 匀减速至 O ． 下降 行程 6 5 0 ra m． 用时也是 1 6 s 。在步进梁下降过程 中， 比 例节流阀 5 0 ． 1起 回油节 流的作 用 ；减压 阀 4 6 ． 1和 4 7 ． 1 一方面稳定升降缸上腔压力防止吸空 ． 另一方面 通过减压 口大小调节恒压变量泵出 口压力 ．改变其输 出流量 插装溢流阀 4 2 ． 1和 4 3 ． 1 使压力补偿器 4 8 ． 1 和 4 9 ． 1 出 口保 持一定 的压 力 ．稳定 了压力补偿 器 4 8 ． 1和 4 9 ． 1 的工作状态 ， 防止步进梁下降过程中产 生 啸 叫。 4 步 进梁后 退 步进梁在最低点时． 由于梁上没有钢坯 ． 运动速度 可以加快 电磁铁 Y A1 3得电． 液控单向阀 7 2 ． 1 和 7 2 ． 2 打开 ．比例换 向 阀 7 0 ． 1在一下 降斜 坡信号 从 1 2 7 ． 9 m A左右 作用下 节流 口逐渐变大至 7 ． 9 m A时的开 口度 ． 恒压变量泵摆角变大 ． 通过 比例换 向阀的流量从 0变到 3 1 4 L ／ mi n ． 步进梁从静止状态开始匀加速后退直 至 1 3 5 m t r d s ． 并保持这一速度匀速后退 后退行程终 了 前 ， 比例换 向阀在一上升斜坡信 号 从 7 ． 9 1 2 mA 作用 下 ， 节流 口逐渐变小直至关 闭， 恒压变量泵摆角变 小 ， 通过 比例换向阀的流量从 3 1 4 L ／ m i n变为 0 ．步进梁从 匀速状态开始匀减速后退， 从 1 3 5 ra m ／ s 变为 0 。步进梁 回到原始位置． 准备下一个循环 ， 用时 4 ． 5 s 。 2 液压系统工厂设计 在液压系统的工厂设计过程 中．必须根据设计单 位提供的液压系统原理图和土建资料 ．按照液压设备 场地大小 、 管道走 向、 大 门位置等条件 ， 综合考虑设备 的安装 、 运输 、 维修等多方 面因素 ， 才能设计出一个令 各方满意的产品 2 ． 1 液压 系统 布 置方 案设计 武钢一 热轧加 热炉液压 系统新设备 还要安装 在 原 来 的液 压 站 内 ， 房 间 长 l 1 2 7 0 ram、 宽 8 6 0 0 ram， 房 子 5 6 中间有一 8 0 0 m m 8 O O m m的正方形立柱 ．还要利用原 有 的三个主电机 电缆管。依据 以上实际情况 。 将 五台 主泵 ， 分成 四组 ， 一个双泵组和三个单泵组 ． 便 于利用 原有的三个主电机 电缆管。将蓄能器组安装在立柱 的 一 侧 ． 以有效地利用空间。经过几次反复修改后 ， 设计 完成 的液压设备结构 紧凑 ， 布 局美观 ， 留有足够 的检 修 空 问 2 ． 2液压 系统结构 设计 在液压设备承制过程中．对液压系统原理进行了 仔细的分析 ．并接合制造实际情况对液压系统提出了 一 些修改意见。 为了降低 电机一 泵组的振动 ． 减小噪声 ． 采取 了以 下五个方面措施①电机和主泵之间采用钟罩和弹性 联轴器连接； ②电机一 泵组底座加装减振器； ③泵吸油 口安装避振喉； ④泵出油口安装高压胶管； ⑤泵泄漏油 口安装低压胶管 为便于安装 、 维修 、 减少管道 和泄漏 ， 使设备 结构 更加紧凑 ． 大量采用集成块技术。在每台主泵出口设置 一 个调压块 ， 将泵出口的液压元件集成到一个 阀块上 ； 在五台泵 的合流处 ． 设置一个集中块 升降回路和平移 回路元件分别安装在升降阀块和平移阀块上 升降缸 缸 口元件集成到缸 口块上 7 0 0 0 L油箱采用矩形折弯结构 ． 提高强度。将翻板 式 液位 计 和取 样节 流 阀安 装在 立 柱一 侧 ．巧 妙地 利 用 了空间 。 3 结束语 武钢一热轧步进梁式加热炉液压设备不仅便于安 装 、 运输和维修 ， 而且结构紧凑 、 外形美观和减振降噪。 改造投产后 ， 步进梁运行平稳 ， 速度变化平滑无 冲击 ， 实现了对钢坯 的轻托轻放 ．确保 了钢坯不错动 ，不跑 偏 。控制精确 ， 安全可靠 ， 节能高效 ， 自动化水平高。 参考文 献 『 1 1 张安龙， 揭乐标， 王飞朋， 等． 步进梁式加热炉液压系统优 化设 计『 J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 1 ， 7 5 9 ． 【 2 ] 朱仁学， 袁阳． 步进式 加热炉 电液 比例 控制 系统设计 [ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 0 9 ， 4 7 7 7 9 ． 『 3 1 张德明． 比例液压 系统在高速线材加热炉步进梁控制 中的应 N[ J I ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 6 ， 2 2 9 3 0 ． [ 4 】 李壮云， 葛宜元． 液压元件与系统[ M 】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 9 ． f 5 1 官忠范． 液压传动系统[ M】 ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 6 ． f 6 1 周士昌． 工程流体力学[ M】 ． 沈 阳 东北工学院出版社 ， 1 9 8 7 ． 【 7 】 路甬祥． 液压气动技术手册【 M】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 2 ．