步进式加热炉液压系统分析

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【摘要】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，在耗能、环保、加热质量等方面也提出了更高的要求。步进式加热炉以其灵活的加热方式、加热质量好，炉长不受限制、操作方便、易于实现自动控制等优点，被愈来愈多新建的轧钢加热炉采用。

【关键词】步进式加热炉； 液压系统

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，在耗能、环保、加热质量等方面也提出了更高的要求。步进式加热炉以其灵活的加热方式、加热质量好，炉长不受限制、操作方便、易于实现自动控制等优点，被愈来愈多新建的轧钢加热炉采用。

步进式加热炉步进机构通常按矩形轨迹运动，一个运动周期由4个动作组成：（1）活动梁上升，托起料坯；（2）活动梁及料坯按设定好的步距前进一定距离；（3）活动梁下降，将料坯放在固定梁上；（4）活动梁水平移动退回起始位置。

根据轧钢生产工艺，要求加热炉步进梁具有以下特点：1、步进动作周期要控制在一定的范围内并且速度周期均为可调。2、步进梁升降过程中要能实现对被加热料坯的轻托轻放，满足活动梁启停均匀、变速流畅等要求。3、加热炉整炉钢坯重可达500吨，要求步进梁要有足够的载重。4、活动梁在运动过程中负载变化极大，恒压液压系统负载对速度势必会产生影响，必须采取有效措施避免步进梁的运行速度出现波动。5、加热炉对板坯的加热，要求由先进的自动化程序进行控制。

液压传动因其体积小、负荷大、易于实现机电一体化控制等优势，在步进式加热炉中有广泛的应用。本文以河北省沧州中铁装备制造材料有限公司1250线步进式加热炉为例，对步进式加热炉液压系统运行特征进行分析，以利于处理分析设备故障。

步进梁周期动作为：步进梁上升（给定信号低速上升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（给定信号低速前进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（给定信号慢速下降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（给定信号低速后退一次加速二次加速定速一次减速二次减速停止）。

原理图如上图所示：

步进梁的升降运动：步进梁的上升和下降是通过二支并联液压缸驱动的，液压缸推动带上下轮组的提升框架沿斜轨道上升和下降，使水平框架及步进梁随之作垂直升降运动，在此过程中，水平缸被锁定。升降行程200mm。步进梁的水平运动：步进梁的水平运动是通过一支液压缸驱动的，它直接作用在水平框架上，使水平框架及步进梁在提升框架上层滚轮上作平移运动，在此过程中，升降液压缸被锁定。进退行程为600mm。其中提升与平移各有一条油缸带有线性位移传感器，用于检测位移的距离。

如图分析运动顺序：

控制信号，经比例放大器驱动比例阀的动作。

1、步进机构进退：进退控制阀组主要由电液比例换向阀和辅助阀件组成，控制平移液压缸驱动步进机构进退的准确运行，并可抑制高压冲击和漂移。PLC按控制曲线输出模拟量控制信号，经比例放大器驱动比例阀的动作。系统采用了三位四通的换向阀进行控制，步进梁升降时液压锁处于锁定状态。动作时比例阀给出信号、打开液压锁，液压缸内活塞一侧压力上升，转化成动能驱动活动梁移动。负载增大时，反映到液压缸活塞高压侧压力上升，压力补偿器通过高压侧先导阀控制比例换向阀P口压力，对压力进行补偿以稳定运行速度。使速度的控制只与比例方向阀的开口有关，而与负载的变化无关，实现加热炉运行平稳、速度稳定的效果。

2、在升降的过程中，由于是三通式进口P压力补偿器控制系统压力，实现了负载与压力相适应控制。原理与平移相同，唯一不同的是为了设备安全，防止突发事件导致液压停止时活动梁掉落，增加了FD型平衡阀。因升降缸负载远远大于平移缸，所以升降缸采用大液压缸，所需液压流量较大，单向阀采用插装式开关阀，以实现平移时升降缸的锁定。系统平滑的启动和制动是靠电气控制来实现的，系统是靠特定的输入信号对整个运动过程加以控制，当输入信号的变化曲线给定后，平台的运动曲线也随之确定，而与负载的变化无关。

该套系统易出现的问题及处理方法：1、出现出钢跑偏现象及钢结构脱焊变形、裂口、移位等情况。2、出现油缸冲顶现象表现为比例换向阀给信号后仍维持原动作直到液压缸到达机械限位。3、升降启动阶段震动异响现象。4、步进梁到位后自动下滑现象。

分析原因：

1、问题1主要是因为炉底机械升降液压缸不同步造成升降框架在升降过程中产生横向位移，两条纵梁在运行过程中升降定心导板受固定台升降定心导板侧向作用力，使靠近升降框架定心导板部位的纵梁长期受较大的横向力矩，造成该部位的纵梁横断面多处裂纹。原因主要有以下两方面a油缸的密封损坏，油缸内泄外部泄漏；b油缸的支座松动或支撑轴承损坏；解决对策：1）定期的检查油缸的泄漏情况，定期更换油缸，确保密封性能；2）使用摩擦性能优良的密封结构和密封材料；3）保证各关节点良好，保持较小的间隙；4）长期跟踪框架运行状态，定期比较位移传感器运行轨迹的变化。

2、问题2主要原因为阀芯卡阻，造成比例换向阀换向不灵活。主要现象为得电总不换向或是偶尔不换向，手动换向正常。造成阀芯卡阻的原因主要有以下两个方面：a液压油清洁度低，固体颗粒含量大，造成液压阀阀芯卡住，换向不灵活。b安装阀门时阀门紧固螺栓安装力度不均匀，造成液压阀壳体产生弹性甚至是塑性变形，阀套与阀芯配合精确度降低，导致阀芯动作不灵活。可以拆除电磁铁后，进行阀芯试动作，检查阀芯是否灵活，检查液压阀紧固螺栓受力是否均匀。同时加强对油品的监测，视结果对油品进行过滤或者换油清理油箱。

3、在步进式加热炉使用一段时间后升降启动阶段震动异响。有两个原因造成：a液压缸有一个内斜，造成炉底框架倾斜，与固定导板卡住，造成下降时有阻力产生震动或异响。b平衡阀泄露，造成管路内背压无法保住，缸体内无杆腔与管路压差过大，在液压缸与主管路液压油接通的一瞬间产生泄油震动现象。判断方法：液压缸静止时检查缸内无杆腔压力与上升时的压力是否相近、两个缸是否全部保压，再检查液压缸单向阀至平衡阀之间管路压力与液压缸无杆腔压力是否相近。如果液压缸有一个不能长时间保压则为液压缸故障，需更换新缸。如管路内压力远低于液压缸无杆腔压力，则需拆开检查平衡阀是否正常。

4、液压缸上升或下降到位后产生下滑现象。原因判断：a溢流阀不保压、内泄原因。b插装阀不保压内泄。C缸体上卸荷球阀内泄。d液压缸内泄。以上原因需逐个排除。液压缸停止后关闭液压缸无杆腔管路球阀，检查是否下滑，如不再继续下滑则插装阀故障。如继续下滑则在关闭有杆腔球阀，检查压力。如压力上升则液压缸或卸荷球阀内泄，如不上升即可判断液压缸阀块溢流阀故障。因卸荷球阀与液压缸杆侧腔侧相通，不具备单独判断方法。所以只能更换球阀进行验证。

该系统缺点：因步进梁载重较大，所以两个升降液压缸缸径均达320mm，上升时所需液压油供给量达770L/min。液压站内启动3台泵只能达到620L/min，液压缸启动时势必造成站内流量供应不足，表现为压力波动达8MPa。因流量波动过大造成恒压变量泵变量动作过于频繁，液压泵使用寿命短；液压站主管路压力冲击过大，接头弯头处漏油事故频发。到目前为止，为了满足步进梁上升提供的油量，降低压力波动必须启动4台液压泵才能达到要求。无形中造成大量能源浪费。技术改造路径有两条，其一更换液压泵的型号，尽可能选型至启动三台泵达到流量要求，其二增加蓄能器组，一个上升周期10秒补充油量25L。

结束语

虽然步进式加热炉较推钢式加热炉控制方式先进，板坯加热质量优秀，炉体检修方便，但是步进式加热炉维护检修专业性强，需要长期的实践摸索与经验积累，方可保证设备的正常运行。