345 步進式加熱爐同步頂升液壓控制系統(tǒng),步進,加熱爐,同步,液壓,控制系統(tǒng) 摘 要摘　　要加熱爐是將物料或者工件加熱的設備。在冶金工業(yè)中加熱爐習慣上指把金屬加熱到軋制成鍛造溫度的工業(yè)爐。步進梁式再加熱爐是連軋生產線提供鋼管再加熱所有。它是依靠專用的步進機械使工件在爐內移動的一種機械化爐子。步進梁式加熱爐設計一種連續(xù)式加熱爐它是靠專用的步進機構，按照一定的軌跡運動，使爐內鋼料一步一步地向前推進。步進梁式加熱爐爐底的結構和傳動方式要根據出料的頻率和爐子的生產能力決定，它要考慮被加工工件的尺寸參數和工地方面的尺寸大小。所以必須嚴格計算其內部參數，保證爐子的生產和安全。爐底機械采用雙輪斜軌機構。步進梁的升降和平移動作采用液壓缸驅動。加熱爐爐床由固定梁和步進梁兩部分組成，步進梁由雙重輪對的多軸框架支撐，其外側走輪由液壓缸驅動，可以在傾斜軌道上滾動，使步進梁作上升或者下降運動。上層托輪直接拖住步進梁，而步進梁則由另兩個液壓缸帶動，實現平移運動。關鍵詞：步進梁式加熱爐；步進梁；雙輪斜軌式機構；液壓傳動AbstractIAbstractHeating furnace is the material or workpiece heating equipment. In the metallurgical industry in the metal to heating habits heated to rolled into the industrial furnace temperature forging. Walking beam type furnace is provided to steel rolling line heating all again. It depend on special stepping machinery to make the work in the furnace stove a mechanized moving. Stepping beam furnace design a continuous reheating furnace of it is to rely on special stepping institutions, according to certain trajectory, making furnace of steel material within step forward. Step reheating furnace bottom structure and driving mode according to the material of the frequency and the production capacity of the stove, it should consider decision by the size of the machining parameters and the site of size. So must strictly calculation its internal parameters, guarantee the production and the stove safety. Furnace bottom machine adopts double inclined rail agencies. The rise and fall of walking beam by hydraulic cylinder for peace movement driven. Heating furnace bed by fixed girders and walking beam two parts, walking beam of by double round multiaxial framework, the lateral go round supported by hydraulic cylinder drive, can tilt orbit in rolling make walking beam rise or fall as sport. The upper roller direct tugged walking beam, and walking beam is driven by two other hydraulic cylinder, realize the shift movement.KeyWords：stepping beam furnace，walking beam，double inclined rail systems.common rail agencies，hydraulic transmission目 錄II目　　錄摘　　 要 .........................................................................................................................IAbstract..........................................................................................................................II1 緒論 ..........................................................................................................................11.1 步進式加熱爐 ..................................................................................................11.1.1 步進式加熱爐概述 ................................................................................11.1.2 選題背景 ................................................................................................41.1.3 設計目的 ................................................................................................51.1.4 設計方案 ................................................................................................72 液壓系統(tǒng)分析與設計 ..............................................................................................92.1 運動與負載分析 ..............................................................................................92.1.1 步進式加熱爐原始數據 ........................................................................92.1.2 步進式加熱爐工況速度曲線設計 ........................................................92.1.3 計算穩(wěn)態(tài)工作負載 ..............................................................................112.1.4 擬定液壓原理圖 ..................................................................................122.2 液壓缸參數及其型號 ....................................................................................132.2.1 平移液壓缸受力分析 ..........................................................................132.2.2 初選平移液壓系統(tǒng)工作壓力 ..............................................................142.2.3 平移液壓缸主要參數及其選取型號 ..................................................142.2.4 升降液壓缸受力分析 ..........................................................................162.2.5 初選升降液壓系統(tǒng)工作壓力 ..............................................................182.2.6 升降液壓缸主要參數及其選取型號 ..................................................182.3 液壓泵參數及其型號 ....................................................................................192.3.1 平移液壓泵工作壓力的確定 ..............................................................192.3.2 平移液壓泵流量的確定 ......................................................................192.3.3 平移液壓泵的選取 ..............................................................................202.3.4 升降液壓泵工作壓力的確定 ..............................................................202.3.5 升降液壓泵流量的確定 ......................................................................20目 錄III2.3.6 升降液壓泵的選取 ..............................................................................202.4 電動機參數及其型號 ....................................................................................212.4.1 平移液壓系統(tǒng)電動機參數及其型號 ..................................................212.4.2 升降液壓系統(tǒng)電動機參數及其型號 ..................................................212.5 液壓閥件參數及其型號 ................................................................................222.5.1 平移液壓系統(tǒng)閥件參數及其型號 ......................................................222.5.2 升降液壓系統(tǒng)閥件參數及其型號 ......................................................222.6 液壓油管道的選擇 ........................................................................................222.6.1 油管的選用 ..........................................................................................222.6.2 液壓油管管徑的確定 ..........................................................................232.6.3 液壓油管管壁厚的驗算 ......................................................................232.7 液壓油管道的選擇 ........................................................................................242.7.1 平移液壓系統(tǒng)油箱有效容積 ..............................................................242.7.2 升降液壓系統(tǒng)油箱有效容積 ..............................................................243 液壓系統(tǒng)性能驗算 ................................................................................................253.1 液壓系統(tǒng)壓力損失計算 ................................................................................253.1.1 平移液壓系統(tǒng)壓力損失 ......................................................................253.1.2 升降液壓系統(tǒng)壓力損失 ......................................................................263.2 液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升計算 ................................................................................263.2.1 平移液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升 ......................................................................273.2.2 升降液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升 ......................................................................274 液壓同步控制系統(tǒng)的設計 ....................................................................................294.1 控制系統(tǒng) ........................................................................................................294.1.1 電液比例位置控制系統(tǒng) ......................................................................294.1.2 設計方案 ..............................................................................................304.1.3 傳感器的選擇 ......................................................................................304.1.4 PLC 的選擇 ...........................................................................................314.1.5 控制系統(tǒng) I/O 分配 ...............................................................................34目 錄IV4.1.6 梯形圖編程 ..........................................................................................35結 論 ..........................................................................................................................41參考文獻 ......................................................................................................................42致 謝 ..........................................................................................................................44附 錄 ..........................................................................................................................45緒論［單擊此處鍵入 1 級標題］01 緒論1.1 步進式加熱爐1.1.1 步進式加熱爐概述隨著西方資本主義社會在 18 世紀進入工業(yè)革命以來，社會的發(fā)展進入到了一個全新的速度。據統(tǒng)計在工業(yè)革命以前世界上人均鋼鐵的使用量是不足 5kg。然而，現在的社會發(fā)展到人均鋼鐵擁有量為 418kg。越來越多的鋼結構出現在社會建設中。所以鋼鐵一直是現在社會發(fā)展的主要材料。甚至一度到了供不應求的狀況。這樣就促使了鋼鐵產業(yè)的迅速壯大。至 2007 年，世界鋼鐵量已經達到了近九億噸。但是由于技術有限，加上人們對鋼鐵的運用越加廣泛，出現對鋼材更多更新的要求。所以鋼鐵的冶煉技術要不斷地改良。1967 年第 1 座步進梁式加熱爐投產。中國 1979 年投產的步進梁式爐長為 32.5米，生產能力為每小時 270 頓。步進梁式爐比推鋼爐具有許多優(yōu)點，因而成為新建軋鋼廠的首選爐型。熱軋寬帶鋼廠的規(guī)模正向大型化發(fā)展，步進梁式爐的特點之一是爐長不受推鋼長度限制，因而能適應軋機的小時產量增長的形勢。北京鋼鐵設計研究總院近 20 年設計投產的 40 余座步進爐，已遍及熱連軋、型鋼、棒線材、帶鋼、無縫管、開坯、鍛壓等鋼廠以及鋼帶廠，1994 年相繼投產的太鋼、梅山熱連軋廠的步進梁式爐，額定產量分別為 180 t/ h 和 280 t/ h ，重慶鋼鐵設計研究院為攀鋼1450 熱連軋廠設計的步進梁式爐，額定產量為 150 t/ h ，也在 1992 年投產。早期加熱爐內部是用一種連續(xù)式推鋼機，它的作用是將鋼錠或鋼坯依次推入爐內。在端出料的加熱爐中，推鋼機可以將加熱好的鋼坯從加熱爐的另一端推出去。在側出料的加熱爐中，推鋼機將鋼坯推出至出料位置，再由出鋼機將鋼錠推出去；現在大多數采用的是步進式移動裝置。步進式加熱爐加熱溫度均勻，加熱時間快，產量高，生產靈活性大，必要時可以將爐內坯料排空。加熱時，坯料下表面的水管黑印小，坯料溫度均勻，加熱的效率也比較高。加熱特殊鋼材是，能滿足對坯料表面質量（氧化、脫碳、劃傷等）的高度要求；加熱大型板材時，由于板坯溫度均勻，有利于減少軋制時的厚度差。所以目前步進式爐在熱軋板帶車間以及中小型軋鋼車間都得到了廣泛的應用。緒論［單擊此處鍵入 1 級標題］1從上世紀 50 年代起由于步進式加熱爐移動裝置的出現并且日漸成熟，在許多鋼板和小型型鋼生產中得到了很好的應用。作為現代冶金行業(yè)普遍采用的一種加熱爐，他的優(yōu)點值得我們學習。步進式加熱爐的結構A、爐底結構從爐子的結構看，步進式加熱爐分為上加熱步進式爐、上下加熱步進式爐、雙步進梁步進式爐等。上加熱步進式爐顧名思義只有上部有加熱裝置，固定梁和移動梁是耐熱金屬制作的，固定爐底是耐火材料砌筑的。這種爐子基本上沒有水冷構件，所以熱耗較低。這種爐子只能單面加熱，一般用于較薄鋼坯的加熱。與推鋼式加熱爐一樣，為了滿足加熱大鋼坯的需要，步進式爐也逐步發(fā)展了下加熱的方式，出現了上下加熱的步進式加熱爐。這種爐子相當于把推鋼式爐的爐底水管改成了固定梁和移動梁。固定梁和移動梁都是用水冷立管支承的。梁也由水冷管構成，外面用耐火可塑性包扎，上面有耐熱合金的鞍座式滑軌，類似推鋼式加熱爐的爐底縱水管。爐底是架空的，可以實現雙面加熱（步進式爐鋼坯與鋼坯不是緊靠在一起，中間有空隙，可認為是四面受熱）。下加熱一般只能用側燒嘴，因為立柱擋住了端燒嘴火焰的方向，如果要采用端燒嘴，需要改變立柱的結構型式。上加熱可以用軸向端燒嘴，也可以用側燒嘴或爐頂燒嘴供熱?？紤]到軸向燒嘴火焰沿長度方向的溫度分布和各段溫度的控制，某些大型步進式爐在上加熱各段之間的邊界上有明顯的爐頂壓下，而下加熱各段間設有段墻，以免各段之間溫度的干擾；因此這樣的步進式爐沿爐子長度溫度調節(jié)有更大的靈活性，如果爐子寬度較大，火焰長度又較短時，可以在爐頂上安裝平焰燒嘴。B、傳動機構步進式爐的關鍵設備是移動梁的傳動機構。傳動方式分機械傳動和液壓傳動兩種。目前廣泛采用液壓傳動的方式。現代大型加熱爐的移動梁及上面的鋼坯重達數百噸，使用液壓傳動機構運行穩(wěn)定，結構簡單，運行速度的控制比較準確，占地面積小，設備重量輕，比機械傳動有明顯的優(yōu)點。液壓傳動機構如圖 2-12 所示。圖 2-12b、圖 2-12c、圖 2-12d 三種結構型式目前是比較常見的。我國應用較普遍為圖 2-12c 所示的斜塊滑輪式。以斜塊滑輪式為例說明其動作的原理：步進梁（移動梁）由升降用的下步進梁和進退用的上步梁兩部分組成。上步進梁通過輥輪作用在下步進梁上，下步進梁通過傾斜滑塊支承在輥子上。上下步進梁分別由兩個液壓油緒論［單擊此處鍵入 1 級標題］2缸驅動，開始時上步進梁固定不動，上升液壓缸驅動下步進梁沿滑塊斜面抬高，完成上升運動。然后上升液壓缸使下步進梁固定不動，水平液壓缸牽動上步進梁沿水平方向前進，前進行程完結時，以同樣方式完成下降和后退的動作，結束一個運動周期。為了避免升降過程中的振動和沖擊，在上升和下降及接受鋼坯時，步進梁應該中間減速。水平進退時開始與停止也應該考慮緩沖減速，以保證梁的運動平穩(wěn)，避免鋼坯在梁上擦動。辦法是用變速油泵改變供油量來調整步進梁的運行速。由于步進式爐很長，上下兩面溫度差過大，線膨脹的不同會造成大梁的彎曲和隆起。為了解決這個問題，目前一些爐子將大梁分成若干段，各段間留有一定的膨脹間隙，變形雖不能根本避免，但彎曲的程度大為減輕，不致影響爐子的正常工作。C、密封機構為了保證步進爐活動梁（床）能正常無阻礙地運動，在活動梁（床）和固定梁（床）之間要有足夠的縫隙，縫隙一般為 25mm 或 30mm，對步進梁來說則在梁支撐（或水管）穿過爐底部分有保證它運動的足夠大的開孔。這些縫隙或開孔的存在雖然是必要的，但也容易吸入冷風，影響加熱質量和降低燃料利用率，也可能造成爐氣外逸，危害爐底下部設備，對軋鋼用步進爐則必須考慮密封問題，目前有兩種密封結構，一是滑板式密封，一是水封，前者密封較差，尤其當滑板受熱變形后更不能起到密封作用，水封是用得最多的結構，密封效果比較好，水封由水封槽和水封刀兩部分組成，分開式和閉式兩種結構，開式結構有動床和定床二重水封刀，便于清渣；閉式結構僅有動床水封刀，優(yōu)點是占用空間小，緊湊。動床端頭水封槽的寬度要保證大于動床水平行程的長度，水槽下部開有集渣斗，由爐底縫隙中掉落的氧化鐵皮隨水流定期放出。這里不得不提到的是，之所以在 20 世紀 50 年代才采用（相對于鋼鐵鋼鐵行業(yè)來說），是因為液壓傳動本身的特殊才致使其發(fā)展較為緩慢。到 20 世紀初液壓傳動技術從理論到實際運用才基本成熟。在 21 世紀液壓技術的運用則標志著一個國家基礎工業(yè)發(fā)展水平。在步進式加熱爐移動裝置液壓傳動系統(tǒng)中，液壓傳動作為提供動梁運動的動力源起著至關重要的作用。如何設計高質量的液壓裝置則直接成為影響鋼坯的燒結質量。早期加熱爐內部是用一種連續(xù)式推鋼機，它的作用是將鋼錠或鋼坯依次推入爐內。在端出料的加熱爐中，推鋼機可以將加熱好的鋼坯從加熱爐的另一端推出去。在側出料的加熱爐中，推鋼機將鋼坯推出至出料位置，再由出鋼機將鋼錠推出去；緒論［單擊此處鍵入 1 級標題］3現在大多數采用的是步進式移動裝置。步進式加熱爐加熱溫度均勻，加熱時間快，產量高，生產靈活性大，必要時可以將爐內坯料排空。加熱時，坯料下表面的水管黑印小，坯料溫度均勻，加熱的效率也比較高。加熱特殊鋼材是，能滿足對坯料表面質量（氧化、脫碳、劃傷等）的高度要求；加熱大型板材時，由于板坯溫度均勻，有利于減少軋制時的厚度差。所以目前步進式爐在熱軋板帶車間以及中小型軋鋼車間都得到了廣泛的應用。加熱爐步進式移動裝置液壓傳動系統(tǒng)主要是由動梁和靜梁組成。當鋼坯被推進加熱爐后將其置于靜梁上的，此時鋼坯開始被加熱升溫。加熱爐是軋鋼工業(yè)必須配備的熱處理設備。隨著工業(yè)自動化技術的不斷發(fā)展，現代化的軋鋼廠應該配置大型化的、高度自動化的步進梁式加熱爐，其生產應符合高產、優(yōu)質、低耗、節(jié)能、無公害以及生產操作自動化的工藝要求，以提高其產品的質量，增強產品的市場競爭力。我國軋鋼工業(yè)的加熱爐型有推鋼式爐和步進式爐兩種，但推鋼式爐有長度短、產量低，燒損大，操作不當時會粘鋼造成生產上的問題，難以實現管理自動化。由于推鋼式爐有難以克服的缺點，而步進梁式爐是靠專用的步進機構，在爐內做矩形運動來移送鋼管，鋼管之間可以留出空隙，鋼管和步進梁之間沒有摩擦，出爐鋼管通過托出裝置出爐，完全消除了滑軌擦痕，鋼管加熱斷面溫差小、加熱均勻，爐長不受限制，產量高，生產操作靈活等特點，其生產符合高產、優(yōu)質、低耗、節(jié)能、無公害以及生產操作自動化的工藝要求。全連續(xù)、全自動化步進式加熱爐。1.1.2 選題背景軋鋼廠在熱軋鋼材時，需要對鋼坯進行加熱。為了更好的保證鋼材表面質量，使鋼坯受熱均勻，采用了步進加熱方式。鋼坯在加熱過程中其前移為矩形運動；即活動梁上升，將鋼坯從固定梁上托起；活動梁前移，使鋼坯前步進一次；活動梁下降，將鋼坯放在固定梁上；活動梁后退到原始位置完成一個工作循環(huán)。步進加熱克服了直推式加熱時鋼坯下表面與支撐梁（固定梁）移動摩擦所產生的表面磨損；同時，克服了直推式的鋼坯間相互靠攏的情況，可以使鋼坯散開通過爐底，有利于鋼坯的加熱。由于步進加熱獨特的優(yōu)越性，使其在現代冶金工廠得到了廣泛的應用。步進式鋼坯加熱爐產品質量好，熱效率高，操作靈活，適用于多種型材坯料的連續(xù)式加熱。緒論［單擊此處鍵入 1 級標題］4步進式連續(xù)加熱爐靠爐底或水冷金屬梁的上升、前進、下降、后退的動作把料坯一步一步地移送前進的連續(xù)加熱爐。爐子有固定爐底和步進爐底，或者有固定梁和步進梁。前者叫做步進底式爐，后者叫做步進梁式爐。加熱爐爐床由固定梁和步進梁組成。步進梁由雙重輪對的多軸框架支撐，外側走輪由升降缸驅動，從而使步進梁作上升或者下降運動。上層托輪直接托住步進梁，而步進梁直接由另一液壓缸帶動，可在托輪上作前進和后退運動，從而使步進梁作前進和后退運動。通過缸的操作，使步進梁做矩形跡運動，各段運動的形式可以調節(jié)，操作方式可以連續(xù)或者手動操作。同一液壓油源提供步進梁傳動，可以同時或交替動作；并可以逆向運動，用作為倒空爐內鋼坯之用。液壓傳動有著其不可替代的優(yōu)越性，主要表現在：A、可以獲得很大的輸出力或力矩，而結構并不復雜；B、可以實現較大范圍的無級調速，且可在運行中直接調節(jié)；C、易于實現過載保護；D、動作靈敏，啟動，停止和換向響應快，沖擊小；E、自潤滑性能好；F、易于實現通用化，系列化和標準化，設計組裝周期短；G、易于實現自動化與智能化與數控技術相結合。本課題的設計內容是設計一個步進式加熱爐同步頂升的液壓系統(tǒng)。1.1.3 設計目的由于步進爐的特點是步進周期短，運動速度較高，慣性負載大，連續(xù)工作，可靠性要求高等，所以根據這些特點系統(tǒng)采用液壓控制比較適宜。當今，隨著液壓機械自動化程度的飛速發(fā)展，液壓元件應用數量急劇增加，元件小型化，系統(tǒng)集成化是必然的發(fā)展趨勢。特別是近十年來，液壓技術與傳感技術，微電子技術緊密結合，出現了許多諸如電液比例控制閥，數字閥，電認伺服液壓缸等機（液）電一體化元器件，使液壓技術在高壓，告訴，大功率，節(jié)能高效，低噪聲，使用壽命長，高度集成化方面取得了重大進展。所以，隨著冶金軋鋼工藝自動化程度的不斷提高，步進式加熱爐以其靈活的加熱方式，加熱質量好，爐長不受限制，操作方便，易于實現自動控制等優(yōu)點，被愈緒論［單擊此處鍵入 1 級標題］5來愈多新建的軋鋼加熱爐采用。液壓傳動傳動因其體積小，負荷大，易于實現機電一體化控制等優(yōu)勢，在步進式加熱爐中有廣泛的應用。步進式加熱爐有著其他加熱爐無法比擬的優(yōu)點，諸如，不拱鋼，不粘鋼，氧化燒損少，脫碳少，加熱時間短，加熱操作靈活，易于和軋制節(jié)奏相匹配，加熱過程中不劃傷，爐子長度不受限制（從理論上講）自動化程度高，易于采用計算機控制等優(yōu)點。因此盡管步進爐第一次投資費用較高，但是 1967 年 4 月由美國德蘭公司設計的二面供熱的步進梁式爐首先在美國格蘭那特城鋼鐵公司問世以來，接著同年 5 月由日本中外爐公司為名古屋鋼鐵廠設計的世界上第二座步進梁式爐又相繼投產，以后步進式加熱爐在世界上獲得了長足的發(fā)展。和推鋼式連續(xù)加熱爐相比，步進式爐具有以下優(yōu)點：（1）加熱靈活。在爐長一定的情況下，爐內坯料數目是可變的。而在連續(xù)加熱爐中則是不可變的，那樣加熱時間就受到限制。例如爐子產量降低一半時，則 爐內坯料加熱時間就會延長一倍，對有些鋼種來說這是不利的，而步進爐在爐子小時產量變化的情況下可以通過改變坯料間距離來達到改變或保持加熱時間不變的目的。（2）加熱質量好。因為在步進爐內可以使坯料間保留一定的間隙，這樣擴大了坯料受熱面，加熱溫度比較均勻，鋼坯表面一般沒有劃傷的情況，兩面加熱時坯料下表面水管黑印的影響比—般推鋼式連續(xù)加熱爐的要小些。（3）爐長不受限制。對連續(xù)加熱爐來說爐長受到推鋼長度的限制，而步進爐則不受限制。而且對于不利于推鋼的細長坯料、圓棒、彎曲坯料等均可在步進爐內加熱。（4）操作方便。改善了勞動條件，在必要時可以將爐內坯料全部或部分退出爐外，開爐時間可縮短；由于不容易粘鋼，因此可減輕繁重的體力勞動；和軋機配合比較方便、靈活。（5）可以準確地控制爐內坯料的位置，便于實現自動化操作。尤其是近 10 多年來，隨著軋鋼技術向著連續(xù)化，大型化，自動化，多品種，高精度的發(fā)展，步進式加熱爐為適應工藝的要求，也朝著大型化，多功能，高產，低消耗和操作集成自動化的方向邁進?？梢灶A見，隨著液壓技術的不斷進步，更加高自動化的加熱爐會被人們所應用。緒論［單擊此處鍵入 1 級標題］61.1.4 設計方案步進爐的機械結構采用的是斜坡滾輪式液壓傳動。水平移動和升降都由液壓缸驅動,步進框架下面的滾輪沿斜臺面升降。 這種結構有兩層框架,下層是提升框架。上層為水平移動框架。在提升框架的上面和下面均安有滾輪,每個下滾輪放在一個斜臺面上,上滾輪供平移框架移動用，移動缸通過曲柄連桿和旋轉接頭與上框架連接,提升缸用旋轉接頭直接與下框架連接。下框架用斜面輥導向,上框架用水平輥導向。加熱爐的步進機構和液壓系統(tǒng)主要由雙層步進框架，液壓缸，液壓泵以及各種閥件組成。如圖：上一層為行進框架，下一層為升降框架。行進框架是通過支撐輥和輥道落在升降框架上，升降框架也通過支撐輥和輥道落在基礎上。當升降框架在在升降液壓缸驅動下沿斜軌道左升降運動時，步進梁和行進框架也一起作垂直方向的升降運動，在平移液壓缸的驅動下，在水平方向作進退運動，從而完成整個周期循環(huán)動作。對液壓系統(tǒng)的改進對原有系統(tǒng)中舉升液壓缸水平拉動動梁上升的部分，可以改為將此液壓缸放置在爐底，同時讓液壓缸與上升滾輪的斜面保持同樣的斜度。這樣就有效的解決了拉力大，液壓缸有桿腔推動無桿腔做大功率運動的情況，同時也減小了液壓缸的尺寸，便于設計和安裝。步進梁動作如圖 1 所示：圖 1 步進梁動作示意圖步進梁的升降和平移均采用電液比例閥來控制，其優(yōu)點是控制調整靈活方便，工作平穩(wěn)。在設計過程中，應該考慮到步進梁平移時可能會產生很大的慣性沖擊，緒論［單擊此處鍵入 1 級標題］7實現加速、減速、勻速，從而實現動梁對熱坯的輕托、輕放，以及通過加、減速有效降低動梁因運動慣性引起的機械沖擊，下降的時候依靠自身自重下降。通過 PLC 編程設置加減速曲線，既避免了沖擊對設備造成的傷害，又提高了系統(tǒng)的定位精度，通過 PLC 控制達到同步頂升精度要求。步進梁動作軌跡如圖 2 所示：圖 2 步進梁動作軌跡圖液壓系統(tǒng)分析與設計 ［單擊此處鍵入 1 級標題］82 液壓系統(tǒng)分析與設計2.1 運動與負載分析2.1.1 步進式加熱爐原始數據步進梁和爐底總質量 G=300×103kg，其中；行進框架及其以上部分質量 G1=200×103kg行進框架以下部分質量 G2=100×103kg爐子總長 21.95m，其中；爐底長 17.10m步進梁長 L=19.20m爐子寬 11.00m坯料規(guī)格 bbl=0.12×0.12×9.5m最大升降高度 H=H1+H2=0.05+0.05=0.1m最大水平移距 S=0.6m輥輪 D=0.65m；d=0.16m最大步進鋼坯根數 4 根升降液壓缸 2 個；平移液壓缸 2 個步進周期 21s其中：上升 4s，前進 6.5s，下降 4s，后退 6.5s支承輥有 2 排，每排 4 組，每組上下各有兩個輥，一共 16 個棍2.1.2 步進式加熱爐工況速度曲線設計步進式加熱爐的工作循環(huán)為：步進梁依次為上升，水平前進，下降，水平后退運動。步進爐運動時，上升為兩個液壓缸頂升，前進后退為兩個液壓缸，下降靠自重下降。液壓系統(tǒng)分析與設計 ［單擊此處鍵入 1 級標題］9現在對爐底步進梁的動作如圖 3 所示：圖 3（陰影部分為步進梁）為步進梁從起始位置（后下位）-上升（上升過程中接料）- 上升到位（后上位）-前進-前進（前上位）-下降（下降過程中交料）-下降到位（前下位）-后退-后退到位（即起始位置）圖 3 步進式加熱爐爐底機械步進梁的運動過程為了實現對鋼坯的輕拿輕放，設計了活動梁托鋼坯放鋼坯的加減速曲線，這樣大大降低了在對鋼坯步進的過程中，對坯料所造成的直接沖擊。液壓系統(tǒng)分析與設計 ［單擊此處鍵入 1 級標題］10首先，活動梁上升，在 1.5s 內達到 0.05m/s 的速度，然后直接減速，在 0.5s 的時間內減小到速度為 0m/s，這樣，活動梁達到固定梁面鋼坯下，實現無沖擊托起鋼坯。托起鋼坯后，繼續(xù)加速。在 1.5s 內達到 0.05m/s 的速度，然后直接減速，在0.5s 的時間范圍內速度降為 0m/s，達到頂升高度。然后，高度不變，平移缸開始動作。在 1.5s 的時間內，達到 0.12m/s，使步進梁做平移運動。以 0.12m/s 的速度運行 3.5s 后，在 1.5s 的時間內又降到 0m/s。平移結束。下降和后退同頂升和前進工況速度相同。步進梁的動作方式有周期方式和踏步方式，周期方式用于運送鋼管向前移動，而踏步方式用于等待出鋼。步進梁的周期方式：活動梁上升 100mm，前進 600mm，下降 100mm，后退 600mm，鋼管前進一個齒距。步進式加熱爐工況速度曲線如圖 4：`固定梁面1 . 5 s0 . 0 5 m / s0 . 5 s1 . 5 s3 . 5 s0 . 1 2 m / s鋼坯上升前進下降后退圖 4 步進式加熱爐工況速度曲線2.1.3 計算穩(wěn)態(tài)工作負載1.加熱爐整爐加熱根數N=L/b+a=128 根；L-步進梁長（ 19.20m）b-斷面邊長（0.12m）a- 鋼坯間隔（0.03m）2.爐內鋼坯總質量單根 q=rbbl=7.8×0.12×0.12×9.5=1.05×103kgr-鋼比重（7.8t/m 3）b- 斷面邊長（ 0.12m）l-鋼坯長度（9.5m ）液壓系統(tǒng)分析與設計 ［單擊此處鍵入 1 級標題］11總質量 Q=nq=128×1.05×103=134×103kg3.各工況總穩(wěn)態(tài)載荷 W⑴上升工況：H1 段未抬起鋼坯 W=G=300×103kgH2 段抬起了鋼坯 W=G+Q=300×103+134×103=434×103kg⑵前進工況：W=G1+Q=200×10 3+134×103=334×103kg⑶下降工況：同上升工況⑷后退工況：W=G1=200 ×103kg2.1.4 擬定液壓原理圖步進梁的升降和平移速度均采用電液比例閥來控制，為了使步進梁能在 X,Y 方向的任意位置上較長時間內可靠地自鎖。在進入液壓缸的油路上采用了雙向液壓鎖進行長時間的自鎖。用變量泵供油，用安全閥起安全保護作用。根據以上要求，反復修改后擬定以下液壓系統(tǒng)原理圖。圖 5 步進式加熱爐液壓系統(tǒng)原理圖液壓系統(tǒng)分析與設計 ［單擊此處鍵入 1 級標題］122.2 液壓缸參數及其型號2.2.1 平移液壓缸受力分析步進式加熱爐在平移運動時候，作用力如圖 6。圖 6 步進式加熱爐平移運動受力分析由實際工作狀態(tài)可知，平移液壓缸前進工況為受力最大工況因為平移液壓缸為 2 個，所以，計算平移缸最大負載 F 進 MAXF 進 MAX=(FR+FA) /2；FR-摩擦阻力 FA-慣性力依據表 1，選取滾動摩阻系數 δ 取 0.05×10-3(m)表 1 滾動摩阻系數 δ材料名稱 δ/（mm） 軟鋼-鋼 0.5鑄鐵 -鑄鐵 0.5 輪胎-路面 2-10鋼質車輪-鋼輥道 0.05 軟木-軟木 1.5所以，最大滾動摩阻力偶矩：Max1=δ×W×g=0.05×10-3×334×103×9.8=163.66N?m取滾動軸承摩擦系數 ц 取 0.015所以，滾動軸承摩擦阻力矩：Max2=ц×W×g×d/2=0.015×334×103×9.8×0.16/2=5646.27N?m所以，摩擦阻力為：F R=(Max1+Max2)/D/2=(163.66+5646.27)/0.65/2=17.88KN液壓系統(tǒng)分析與設計 ［單擊此處鍵入 1 級標題］13慣性力：F A=m?v/?t=334×103×0.12/1.5=17.82KN所以，平移液壓缸最大負載為：F 進 MAX=(FR+FA)/2=（17.88+17.82）/2=17.85KN2.2.2 初選平移液壓系統(tǒng)工作壓力因為平移缸最大工作負載經過計算為 17.85KN依據《液壓傳動》表 9-2，9-3；初估液壓系統(tǒng)工作壓力為 4Mpa取液壓缸的機械效率取 η=0.952.2.3 平移液壓缸主要參數及其選取型號液壓缸內徑 D 和活塞桿直徑 d 的確定根據表 2，確定 D/d=2/1表 2 液壓缸內徑與活塞桿直徑關系按機床類型選取 d/D 按液壓缸工作壓力選取 d/D機床類別 d/D 工作壓力 P(MPa) d/D磨床、研床 0.2-0.3 ≤2 0.2-0.3插床、拉床、刨床 0.5 ＞2-5 0.5-0.58鉆、鏜、車、銑床 0.7 ＞5-7 0.62-0.70- - ＞7 0.7P?π/4?D 2= F 進 MAX/η式中：P=4Mpa，D/d=2/1解得：D=0.0774m ；d=0.0387m依據表 3，表 4 圓整后取值：D=80mm；d=40mm液壓系統(tǒng)分析與設計 ［單擊此處鍵入 1 級標題］14表 3 液壓缸內徑尺寸系列 mm（GB2348-80）8 10 12 16 20 25 3240 50 63 80 （90） 100 （110）125 （140） 160 （180） 200 （220） 250320 400 500 630表 4 活塞桿直徑系列 mm（GB2348-80） 4 5 6 8 10 12 14 16 1820 22 25 28 32 36 40 45 5056 63 70 80 90 100 110 125 140160 180 200 220 250 280 320 360 400液壓缸工作行程的確定因為，平移液壓缸執(zhí)行機構的最大行程為 0.6m依據表 5 選取平移液壓缸工作行程為：630mm表 5 液壓缸活塞行程參數系列 mm（GB2348-80）25 50 80 100 125 160 200 250320 400 500 630 800 1000 1250 16002000 2500 3200 4000選擇液壓缸的規(guī)格由上述要求，選擇液壓缸的型號為：Y-HG1-C 80/45×660液壓缸參數如下：工作壓力：6.3Mpa 缸徑：80mm 桿徑：45mm 最大行程：660mm驗算選取液壓缸的穩(wěn)定性當液壓缸支撐長度 時，須考慮活塞桿彎曲穩(wěn)定性并進行驗算。dLB)150(??液壓缸的支撐長度是指活塞桿全部外伸時，液壓缸支點與活塞桿前進端連接處之間的距離。為了保證活塞桿不產生縱向彎曲，滿足壓桿的穩(wěn)定，活塞桿的推力與極限力的關系：Fk=nk*F1（N）式中 F1---液壓缸推力Fk----極限力nk----安全系數，一般取 nk=2～4液壓系統(tǒng)分析與設計 ［單擊此處鍵入 1 級標題］15選用歐拉公式求計算活塞桿的極限臨界力：Fk=π 2EJ/（nL1） 2n----系數，與安裝形式有關，對于該種安裝形式取 n=1E----彈性模量，對于鋼 E=0.21×106 N/mm2J----活塞桿斷面回轉慣量，J=πd 4/64 （mm 4）經計算得出極限力 Fk=956KN此時，ns=Fk/F1=956/17.85=53.56>>nk,說明此液壓缸壓桿穩(wěn)定性是安全的。2.2.4 升降液壓缸受力分析步進式加熱爐在升降運動時候，作用力如圖 7。FA1FA2F R 1FR2圖 7 步進式加熱爐升降運動受力分析受力最大工況在 H2段，即托起鋼以后的工況；計算升降缸最大負載 F 升 MAXH2段抬起鋼管的穩(wěn)態(tài)載荷為：W=G+Q=300×10 3+134×103=434×103kg行進框架及其以上部分載荷為：W=G 1+Q=334×103kg行進框架以下部分載荷為：W=G 2=100×103kg升降液壓缸為 2 個；計算升降缸最大負載 F 升 MAXF 升 MAX=(F 穩(wěn) +FR+FA ) /2 F 穩(wěn) -升降液壓缸穩(wěn)態(tài)負載；FR-摩擦阻力；FA-慣性力；⑴穩(wěn)態(tài)負載 F 穩(wěn)F 穩(wěn) =Wgsinα=(G+Q)gsinα=434×10 3×9.8×sin12°=884.29KN液壓系統(tǒng)分析與設計 ［單擊此處鍵入 1 級標題］16⑵慣性力 FAFA=FA1sinα+F A2；FA1-上輥輪與行進框架相對運動時的慣性力；FA1=W×?v/?t=(G1+Q)×?v/?t=334×0.05/1.5=11.13KNFA2-下輥輪與斜面相對運動時的慣性力；FA2=W×?v/sinα/ ?t=G2×?v/sinα/?t=100×0.05/sin12°/1.5=16.67KN所以慣性力為：FA=FA1sinα+F A2=11.13×sin12°+16.67=18.98KN⑶摩擦阻力 FRFR=FR1cosα+F R2；FR1-上輥輪與行進框架相對運動時摩擦阻力；滾動摩阻系數 δ 取 0.05×10-3；W=(G 1+Q)g+ FA1=334×9.8+11.13=3284.33KN最大滾動摩阻力偶矩：Max1=δ×W=0.05×10 -3×3284.33×103=164.22N?m滾動軸承摩擦系數 ц 取 0.015滾動軸承摩擦阻力矩：Max2=ц×W×d/2=0.015×3284.33×10 3×0.16/2=5665.47N?mFR1=(Max1+Max2)/D/2=(164.22+5665.47)/0.65/2=17.94KNFR2-下輥輪與斜面相對運動時摩擦阻力；滾動摩阻系數 δ 取 0.05×10-3；W=[(G+Q)g+FA1]cosα=(434×9.8+11.13)cos12°=4171.14KN最大滾動摩阻力偶矩：Max1=δ×W=0.05×10 -3×4171.14×103=208.56N?m滾動軸承摩擦系數 ц 取 0.015液壓系統(tǒng)分析與設計 ［單擊此處鍵入 1 級標題］17滾動軸承摩擦阻力矩：Max2=ц×W×d/2=0.015×4171.14×10 3×0.16/2=7195.22N?mFR2=(Max1+Max2)/D/2=(208.56+7195.22)/0.65/2=22.78KN所以摩擦阻力為：FR=FR1cosα+F R2=17.94×cos12°+22.78=40.33KN因為升降液壓缸為 2 個；計算升降缸最大負載 F 升 MAXFMAX=(F 穩(wěn) +FR+FA) /2=(884.29+40.33+18.98)/2=471.8KN2.2.5 初選升降液壓系統(tǒng)工作壓力因為升降液壓缸的最大工作負載經過計算為 471.8KN依據上圖《液壓傳動》表 9-2，9-3；初估液壓系統(tǒng)工作壓力為 20Mpa液壓缸的機械效率取 η=0.952.2.6 升降液壓缸主要參數及其選取型號液壓缸內徑 D 和活塞桿直徑 d 的確定P·π/4·D 2=FMAX/η；P=20Mpa，d/D=0.7解得：D=0.1779m；d=0.1245m依據上表 3，表 4 圓整后取值：D=180mm；d=125mm液壓缸工作行程的確定升降液壓缸執(zhí)行機構的最大行程為 0.1/sin12°=0.5m依據表 5 選取升降液壓缸工作行程為：500mm選擇液壓缸的規(guī)格由上述要求，選擇液壓缸的型號為：CD250B/180/125-600A液壓缸參數如下：缸徑：180mm 桿徑：125mm 工作壓力：25Mpa 最大行程：600mm液壓系統(tǒng)分析與設計 ［單擊此處鍵入 1 級標題］18當液壓缸支撐長度 時，須考慮活塞桿彎曲穩(wěn)定性并進行驗算。dLB)150(??液壓缸的支撐長度是指活塞桿全部外伸時，液壓缸支點與活塞桿前進端連接處之間的距離。顯而可見，選擇的此升降液壓缸支撐長度遠遠小于 10 倍的活塞桿桿徑，無需穩(wěn)定性驗算。2.3 液壓泵參數及其型號2.3.1 平移液壓泵工作壓力的確定確定液壓泵的最大工作壓力PP=P1+Σ△p P1-液壓缸或液壓馬達最大工作壓力；Σ△p-從液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達入口之間總的管路損失。Σ△p 的準確計算要待元件選定并繪出管路圖時才能進行，初算時可按經驗