步进式加热炉液压系统设计.docx

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步进式加热炉液压系统设计

步进式加热炉液压系统设计

摘要

步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。

广泛应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。

本次设计任务是设计步进梁加热炉的液压系统，采用普通液压阀，由于在以一个运动周期中，要求能适应不同的负载变化和钢坯运动速度，要通过控制系统的流量来满足这些要求。

为了保证步进梁下降时平稳下降，在回路上采用了平衡阀，保证了其平稳下降。

为了实现钢坯在出现故障的时候能够在任意位置停止，系统加入了液压锁紧装置，以免出现系统失控。

关键词：

步进式加热炉；普通液压阀；锁紧

Stepbystepheatingfurnacehydraulicsystemdesign

Abstract

Stepbystepheatingfurnaceusethebeamatthebottomofthefurnaceofthecoolsteelbeamtorise，togoahead，tocomedown，togoback.Itiswidelyusedinthepetroleum，chemical，metalllurgy，machinery，heattreatment，surfacetreatment，buildingmaterials，electronic，materials，lightindustry，chemical，pharmaceuticalandotherindustries.

Thedesigninmainlytodesignthehydraulicproportioningsystemforthewalkingbeamtypefurnace.,Inthisdesign,thenormalhydraulicvalvewillbeused.Asweknowthespeedofthebeamwillchangeatthereasonofthechangeoftheloadinacircle,sowemustchangetheflowofhydraulicactuatingcylinder.Inordertoensureansteadydeclinewhenthewalkingbeamgoesdown.,thebalancevalveisbeenusedtoensureitssteadydecline.Asthesametime,weuselockingacuipementtofastingthebeamatanylocationincaseofmalfunction.

Keyword:

Walkingbeamtypefurnace;Thenormalhydraulicvalve;Locking

acuipement

1绪论

1.1背景及工艺

步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。

炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。

前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。

轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成。

步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。

同推钢式炉相比，它的优点是：

运料灵活，必要时可将炉料全部排出炉外；料坯在炉底或梁上有间隔地摆开，可较快地均匀加热；完全消除了推钢式炉的拱钢和粘钢故障，因而使炉的长度不受这些因素的限制。

改进的步进式加热炉，属于冶金行业生产设施，它包括炉体，炉体的侧墙由内向外分别是低水泥料层、隔热砖层、硅酸铝纤维毡隔热层，炉体分为预热段、加热段、均热段，加热段的两面侧墙上设置调焰烧嘴，均热段的上加热段设置平焰烧嘴，均热段的下加热段设置调焰烧嘴，调焰烧嘴的煤气和空气的混合气管道上设置电磁阀和调节阀，平焰烧嘴的煤气和空气的混合气管道上设置调节阀，空气总管道和煤气总管道设置在炉顶。

炉门是轧钢加热炉的重要设备。

大型步进式加热炉的炉门，以往多采用主减速机加平衡配重的机械传动方案，这种方案无法调节炉门开启与关闭的速度，停位时冲击较大，而且设备投资也较多。

为此，设计了一种针对大型炉门升降驱动的新型液压回路，采用了液压平衡回路与缓冲回路，使得炉门升降速度可以方便的调节，减少了设备停住时的冲击，并取得了良好的经济效益。

1.2中国步进式加热炉炉门液压系统的现状与未来技术发展

大型步进式加热炉，有双侧炉门。

其中，进料炉门一侧处于冷端，炉门采用常开状态，而出料炉门随着加热炉完成出料动作，需要频繁的开启和关闭。

而且出料炉门是保护炉子加热效率与板坯加热质量的重要设备，炉门钢结构的内衬侧镶嵌了大量的保温材料，自重也比较大，运动产生的惯性冲击也比较大。

1.液压软管2.平衡缓冲阀组3.液压缸4.链条5.滑轮

图1.1炉门出料设备安装示意

以往炉门驱动，采用电动机匹配减速机组成动力单元。

再加上滑轮组、链条和配重，构成一整套完整的驱动设备。

一般情况下这套设备投资也比较的大，例如以十吨重的炉门而言，就需要两套设备，投资相应翻倍。

整套设备安装于加热炉而言，就需要两套设备，投资也相应的翻倍。

整套设备安装于加热炉顶部，吊装与安装就位也需要很大的工作量。

炉门设备的运行速度无法调定过高，在实践中，链速达到4m/s时，曾发生惯性冲击使得链条断裂的事故。

为改善炉门机械传动时存在的不足，设计了一种采用液压传动的炉门升降驱动新方案，液压回路中采用平衡回路和缓冲回路的复合设计。

1.3步进式加热炉炉门升降液压系统的特点

通过对炉门驱动方式的重新设计，与机械传动方案相比，具有以下优点：

1液压系统采用了缓冲回路，可以使得炉门开启，关闭的速度调节到更快，而运行业更平稳。

还使得炉子加热效率得到提高，并改善了板坯加热质量。

2省却了机械传动中的庞大的减速机和配重，主设备液压油缸安装在地坪上，因此降低了安装难度与安装施工时间。

3相比机械传动方案来说，采用节约了大量的设备采购成本。

目前，已经将此炉门升降驱动液压回路应用到热轧线板坯步进式加热炉工程实践之中，收到良好的经济效益。

1.4加热炉的特点

步进式加热炉于1967年在日本问世,由于一系列的特点决定它的优势,很快地得到了工业发达国家的重视,在热轧厂、线材厂、管材厂等轧钢厂推广应用,现在世界上已有一百多座步进式加热炉,代替传统的推钢式加热炉。

与推钢式加热炉相比,

步进式加热炉具有以下特点

（1）不要均热床,在同等生产能力条件下,炉长较短,节约场地和相应的维修费用。

推钢式加热炉都用推钢机推送料,由于推钢机行程及推力的限制,炉长受到一定的限制,同时钢坯之间无间隔,因此炉内钢坯加热温度不均匀,在出料端设置了实底均热床,使钢坯温度实现均热步进式加热炉采用步进间隔送料,钢坯多面加热,温度均匀,均热段已满足钢坯加热温度均匀要求,不需均热床。

（2）钢坯在支承梁上无摩擦地运行,消除滑轨划伤,黑印小,因而提高了轧制钢材的产品质量。

（3）减少空气渗入,钢坯氧化少,提高了钢坯的成材率。

由于炉子的结构,易于用进出料机出钢和进钢坯,按轧制计划进出料,关闭炉门推钢式加热炉大多用滑道出钢坯,推钢机推钢坯进料,钢坯一块一块地从装料端到出料端连成一片,装入坯料才能推出坯料,因而炉门关闭时间短。

因空气渗入而产生的钢坯氧化损失和燃料损失,步进式加热炉比推钢式加热炉少。

（4）步进式加热炉由于炉内不产生拱钢现象,炉长不受限制,故可加长预热段,提高热能利用由于自身能出空炉料,缩短停炉和升温时间,节省燃料消耗,由于进出料炉门关启自动控制,减少热能损失由于采用了先进的节能烧嘴和余热利用,提高了热能利用以及自动化控制的完善,近几年投产的步进式加热炉燃料单耗为又‘左右,而年以前建的推钢式加热炉包括早期步进式加热炉燃料单耗为为‘以上,节约能源左右能耗数字摘自日本工业炉协会编工业炉手册页燃料单耗部分

（5）炉子可将炉内钢坯全部送出,轧机停机时不会造成炉内因送不出的钢坯氧化及热能损失现象。

也便于更换钢材规格、品种。

（6）步进式加热炉送料是无冲击平稳传动,从装料端到出料端跑偏量小,不会产生推钢式加热炉的“起拱”和“粘钢”等危险,因而任何时候可确定坯料在炉内位置,从而可预计坯料出炉的准确时间,便于实现装出料过程的自动不匕。

现代步进式加热炉不仅实现了装出料过程的自动控制,而且通过计算机控制炉内温度及各种控制项目,提高产品质量设定控制空燃比,节约燃料,减少污染具有监视控制机能及自己诊断的机能,确保安全生产

2设计任务

本次任务是设计步进式加热炉液压系统，具体细节如下。

2.1设计题目

步进式加热炉液压系统设计

2.2主要技术参数及要求

已知炉门质量m=3t

运行速度V=0.1m/s

工作行程S=1m

2.3设计方案

此次设计主要是设计一个步进式加热炉液压系统设计。

要求这个液压系统能实现自动化，能进行过载保护，工作平稳，能够在一定范围内进行无级调速，在步进梁式加热炉里，钢坯移动是通过固定梁和载有钢坯的移动梁进行的。

步进梁的一个工作周期分为上升下降两个动作。

在步进梁的升降运动中，运动过程都是先加速运动，后做匀速运动，最后做减速运动，速度减为0，然后切换到下一个运动过程。

在步进梁的运动中，我们始终要保证其平稳运动，既要控制进入或流出液压缸的流量。

为了满足上列工作要求，采用如下方案。

1压力的选定要根据设计任务的要求并考虑压力损失，初步选定液压系统的工作压力不能小于4MPa，由于系统工作压力应比最高工作压力低10%-20%,故系统的实际工作压力不能小于3.2MPa。

采用两个升降液压缸来完成步进梁的垂直运动，采用单向节流阀进行回油调速，从而保证升降液压缸的速度平稳，同时采用了平衡阀，保证液压缸在下降时平稳下落。

2本液压系统采用了平衡缓冲阀组成压力补偿回路，有效防止了液压缸升降时产生的惯性冲级，起到了缓冲作用。

3在快速运动的液压机械或系统需要大流量时为节省能源，通常采用多泵供油或将蓄能器作为辅动力源供油。

4以上液压缸的动作实现都要用一供一备的变量液压泵来提供压力油。

2.4拟订液乐系统原理图

液压系统原理图的拟订是从液压系统的作用原理和结构组成上润足各项设计要求的其体体现.可通过确定系统类型、选择液压基本回路以及由基本回路组成液压系统这三个步骤来实现。

2.4.1确定系统类型

液压系统主要分为开式系统和闭式系统两种类型，采用哪种类觅主要取决于液压系统的调速和散热方式。

一般来说.凡是具备较大空间可以存放油箱且不宜另外设2散热装里的系统.耍求结构尽可能简单的系统.或采用节流调速、容积一节流调速的系统，那适于采用开式类型;凡允许采用辅助泵进行补油并通过换油来达到冷却目的的系统.对工作毯

定性和效率有较高要求的系统，或采用容积调速的系统.都适于采用闭式类型。

2.4.2选择液压基本回路

主要根据执行机构的性能、负载、速度和运动形式来确定组成液压系统的基本回路.在液压系统.考书和设计手册中都可以找到关于液压基本回路的介绍内容，因此最好的方法是从参考书或设计手册介绍的诸多成熟方案中选择合适的基本回路来满足系统设计的要求.选择基本回路时既要保证主机的各项性能要求，也要考虑符合节约能深、减少发热、减少冲击等原则。

基本回路的选择应首先从对主机性能起决定作用的换向和调速回路开

始，然后根据需耍考虑其他回路。

（1）选择换向和调速方案

液压执行元件运动方向和运动速度控制是拟订液压回路的核心问超，应根据主机运动方向和调速性能要求选择合适的基本回路。

对于中小流盆的液压系统.大多采用换向阀的各种组合形式来实现系统对换向的要求:

对于高压大流量的液压系统.多采用先导式阀和插装阀来实现.对于调速回路，如果系统要求调速刚度大.回路简单，则采用节流调速方式.并根据系统对启动冲击、提升对密封件的影响等要求选择进口、出口还是旁路节流调速。

如果要求系统效率高、发热少，则采用容积调速方式。

回路的循环方式一般由调速方式来确定，节流调速通常采用开式回路.容积调速大多采用闭式娇环形式。

（2）选择压力控制方案

在液压系统工作过程中，耍求系统保持一定工作压力或压力在一定范围内变化，有时也要求压力能够多级或无级地连续调节。

对于节流阅速回路.由定最泵供油.用滋流阀调节系统所需压力，并保持系统压力基本恒定。

在容积调速系统中.用变量泵供油，安全阔起安全保护作用并限定系统的最大工作压力。

如果系统需要流流不大的高压油.可以考虑采用增压装置实现的增压回路.而不会采用高压液压泵.当考虑到系统间歇工作时的节能和发热等问题时，应考虑采用不同形式的卸荷回路.如果系统某个支回路的工作压力需低于主油源压力时.应考虑采用减压回路。

（3）选择顺序动作方案

不同的设备类型对主机执行机构的顺序动作要求也不同，有的耍求按照固定的方式运行.有的可以是随机的或人为控制的。

例如.工程机械工作装工的动作多是人为控制的.因此顺序动作可以由操作人员操纵手动多路阀来实现。

加工机械的暇序动作通常是由行程控制的.因此可以采用行程阀或行程开关来实现。

此外。

还可以采用时间控制（如时间继电器）或压力控侧（如压力继电器）的顺序动作方式。

除上述设计方式。

对有垂直运动工况的系统应考虑采用平衡回路，有快速运动部件的系统要考虑增设缓冲和制动回路，有多个执行元件的系统还要考虑同步或互不干扰回路等。

此外，在不同的工作阶段.系统所需要的流量差别较大时，可以考虑采用双泵或多泵供油方式.或者增设蓄能器作为辅助油源.

2.4.3由基本回路组成液压系统

由液压荃本回路组成系统的方法是首先选择和拟订液压系统的主回路.其次拟订所需要的辅助回路.之后把各种液压基本回路综合在一起，并加人其他起辅助作用的元件和装置。

例如加人保证顺序动作或自动循环的相应元件.接人起安全保险、连锁作用的阔和装置以及辅助元件。

然后进行整理合并.去掉作用相同或相近的元件和油路，使系统简单，成为完整的液压系统。

为便于液压系统的维护和监侧.在系统的关健部位还要装设必要的检侧元件，例如压力表、沮度计和流皿计等。

最后进行回路检查，粉是否能够实现系统的设计要求。

此外，还应注惫防止系统过热，提高系统效率.系统循环中的每一个动作是否安全可靠、相互间有无千扰等。

在实际的设计过程中.确定液压系统原理图时，应尽量参考已有的同类产品或相近产品的有关设计资料。

绘制液压系统原理图时，各液压元件图形符号应尽量采用国家标准中规定的图形符号，在图中要按照国家标准规定的液压元件职能符号的常态位置绘侧.对于自行设计的非标准元件可用结构原理图或半结构示愈图绘制。

在系统图中.应注明各液压执行元件的名称和动作、各液压元件的序号以及各电磁铁的代号，并附有电磁铁、行程阀及其他控制元件的动作顺序表。

图3.2系统原理图

1液压泵2电动机3电磁溢流阀4液压表5电磁换向阀6双向夜控单向阀7双向节流阀8截止阀9平衡阀10蓄能器11安全阀12单向阀13空气滤清器14温度计15液位计16嵌入式加热器17回油过滤器18油箱

2.5负载分析

加热炉炉门受到的重力G=mg=29.4KN

取静摩擦系数为0.2受到的摩擦力为f=0.2G=5.88KN

F=G-f=23.52KN

得出F=23.52KN、t=0.0128s、取P=4MPa、A=0.006M

、s=0.00112m

3液压系统的计算与选型

3.1系统工作压力的确定

压力的选定要根据设计任务的要求并考虑压力损失，初步选定液压系统的工作压力不能小于4MPa，由于系统工作压力应比最高工作压力低10%-20%,故系统的实际工作压力为5MPa。

3.2执行元件的计算与选型

升降液压缸分为上升和下降两个动作，采用两个升降液压缸完成，要完成液压缸的选取，先要计算其负载。

3.2.1升降液压缸

图3.1液压缸受力图

由上图可知：

（3.1）

由（3.1）式可得：

（3.2）

式中

------液压缸工作压力，初算时可取系统工作压力

系统类型

背压力/MPa

简单系统或轻载节流调速系统

0.2~0.5

回油路带调速阀的系统

0.4~0.6

回油路设有背压阀的系统

0.5~1.5

用补油泵的闭式回路

0.8~1.5

回油路较复杂的工程机械

1.2~1.3

回油路较短且直接回油箱

可忽略不计

表3.1

------液压缸回油腔背压力，初算时无法准确确定，根据《液压系统设计简明手册》表2-2，取P2为0.5MPa。

d/D-----活塞杆直径与液压缸内径之比，根据《液压系统设计简明手册》表2-3，取d/D=0.7.

F-------工作循环中最大的外负载。

------液压缸密封处摩擦力，它的准确值不易求得，常用液压缸的机械效率

进行估算

（3.3）

式中

-----液压缸的机械效率，一般

=0.9～0.97，这里取

=0.95。

外负载F=3×103×9.8=29400N

由于由两个液压缸同时作用，所以单个液压缸的负载为外负载的一半。

所以F=14700N

代入（3.2）式得

d=0.7D=33.6mm

根据《机械设计简明手册》表2-4，D圆整到63mm，d圆整到45mm。

由于升降缸的垂直位移是1000mm，查机械设计手册，采用升降缸的型号为

冶金液压缸UY-TF-20-63×1000-16

3.3执行元件速度的计算

由于设计任务要求的工作循环周期为15s，并且由于每个工况的运动速度不同，先将任务分配与如下

图3.3系统工况图

步进梁在每个运动阶段的运动过程中，都是先加速后匀速最后减速，由于加速和减速的过程中所有时间极短，可以忽略不计，故按平均速度计算。

上升速度

=1000mm/10s=100mm/s

下降速度

=1000mm/5s=200mm/s

运动周期T=10s+5s=15s

3.4执行元件流量的计算

3.4.1升降液压缸

基本参数D=56mm，d=40mm，V升=100mm/s，v降=200mm/s上升时进入升降缸的流量：

下降时进入升降缸的流量：

3.5绘制液压系统工况图

3.5.1流量循环图

图3.4系统流量循环图

3.5.2压力循环图

3.5.2.1升降缸实际工作压力计算

基本参数D=56mm，d=40mm，P2=0.5Mpa,F=14700N,ηcm=0.95,

由公式（2.1）和（2.3）可得：

当步进梁上升时升降液压缸实际工作压力P1=10.1Mpa；

当步进梁下降时液压缸通过重力自己下降，由重力提供压力，故其工作压力为17.73MPa

图3.5压力循环图

3.5.3功率循环图

由于功率N=PQ（3.4）

所以步进梁上升时所需的功率N=10.1Mpa×2×14.8L/min=5.8Kw；

步进梁下降时所需的功率N=17.73Mpa×2×14.4L/min=10Kw；

图3.6系统功率循环图

3.6液压元件的选择和专用件设计

3.6.1液压泵的选择

3.6.1.1确定液压泵的最大工作压力PP

（3.5）

式中P1----------液压缸或液压马达最大工作压力；

∑△p------从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。

∑△p的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取；管路简单，流速不大的，取∑△p=（0.2～0.5）Mpa；管路复杂，进口有调速阀的，取∑△p=（0.5～1.5）Mpa，这里取1.2Mpa。

由于上述计算的最大压力P1=10.1Mpa，所以pP≥11.3Mpa。

3.6.1.2确定液压泵的流量QP

多液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量应为

QP≥K（∑Qmax）（3.6）

式中K-----系统泄漏系数，一般取K=1.1～1.3，这里取1.2；

∑Qmax—同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量，可从（Q-t）图上查得。

对于在工作过程中用节流调速的系统，还须加上溢流阀的最小溢流量，一般取0.5×10-4m3/s。

根据上述计算，Qmax=14.8L/min，QP≥1.2×（14.8

2+0.5

4）=37.9L/min。

根据以上求得的pP和QP值，按系统中拟定的液压泵的形式，从产品样本或手册中选择相应的液压泵。

为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大25%～60%。

参照《液压技术实用手册》HVPVC型变量叶片泵，选取用HVPVC-F54-A1-02系列叶片泵，其性能参数如下所示排量：

54L/min，最高转速：

1800r/min，最大流量：

1800r/min时54L/min，800r/min时24L/min；容积效率：

0.9，额定压力：

14MPa。

3.6.1.3确定液压泵的驱动功率

由于在工作循环中，液压泵的压力和流量比较大，即（Q-t），（P-t）曲线起伏较大，所以必须分别计算出各个动作阶段内所需功率，驱动功率取其平均功率

（3.7）

式中t1，t2……tn--------一个循环内每一动作阶段内所需要的时间（s）；

N1，N2……Nn------一个循环内每一动作阶段内所需要的功率（W）。

其中N1=5.8KW。

t1=10s。

代入上式得Nper=7.46KW。

查阅《机械设计手册》第四卷表17-1-29，选取电动机型号为Y4-160L4.其参数为：

额定功率P额=15KW，转速n=1460r/min，效率η=0.85。

选用轴向弹性联轴器HL9型

3.6.2液压阀的选择

选择阀根据系统的工作压力和实际通过阀的最大流量，选择有定型产品的阀件，溢流阀按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，要考虑最小稳定流量应满足执行机构的最低稳定速度的要求。

控制阀地流量一般要选的比实际通过的流量大一些，必要时也允许有20%的以内的短时间过流量。

液压阀

型号

数目

平衡阀

截止阀

双单向节流阀

液压锁

三位四通电磁换向阀

蓄能器

单向阀

过滤器

FD12PB10

CJZQF10

VS01-06/MDSV

V-06/MCV

4WE6J6X/EG12N9K4

HAB35-330-2X/10G09G-2N111-CE

Z1S6C1-3X/V

ABZFR-S0140-10-1X/M-A

2

1

2

2

2

1

5

1

表3.2部分元件列表

3.6.3蓄能器的选择

蓄能用的蓄能器包括“做辅助动力源”，“补偿泄漏保持恒压”，“做应急动力源”，“改善频率特性”和做液压空气弹簧等。

由于本系统为高压系统，故选用皮囊式蓄能器。

蓄能器总容积的计算：

蓄能器的总容积V0，即充气容积（对活塞式蓄能器而言，是指气腔容积与液腔容积之和）。

根据玻尔定律：

（3.8）

蓄能器工作在绝热过程（t<1min）时，n=1.4，其总容积：

（3.9）

P0-----充气压力，MPa

P1-----最低工作压力，MPa

P2-----最高工作压力，MPa

以上压力均为绝对压力，相应的气体容积分别为V0，V1，

n------指数，绝热过程n=1.4（对氮气和空气），

Vw-----有效工作容积，L。

（1）计算P1

作为辅助动力源来说，蓄能器的最高工作压力为

P1=（P1）max+（∑Δp）m