加熱爐步進(jìn)梁液壓系統(tǒng)分析及改造

鄢 勇，陳新元，金明勇，陳恭權(quán)

(武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430081)

1 概述

某熱軋廠 1700熱軋線在軋鋼生產(chǎn)過程中，對鋼坯溫度的要求比較高。軋機(jī)所配備的步進(jìn)式加熱爐，每座最大裝鋼量約 600 t，活動(dòng)爐底自重約 330 t，總計(jì)近千噸。它采用步進(jìn)梁機(jī)構(gòu)使鋼坯在加熱爐內(nèi)做矩形運(yùn)動(dòng)來移送鋼坯，從而使鋼坯在爐內(nèi)均勻加熱。步進(jìn)梁采用液壓傳動(dòng)，其液壓系統(tǒng)可以分為動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)兩大部分。

2 步進(jìn)梁的動(dòng)作分析

步進(jìn)梁相對于固定梁按矩形軌跡做周期運(yùn)動(dòng)，如圖 1所示。

圖1 步進(jìn)梁動(dòng)作圖

一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期由 4個(gè)動(dòng)作組成：(1)步進(jìn)梁上升，托起鋼坯;(2)步進(jìn)梁及鋼坯按設(shè)定好的步距前進(jìn);(3)步進(jìn)梁下降，將鋼坯放在固定梁上;(4)步進(jìn)梁水平移動(dòng)退回到起始位置。每個(gè)動(dòng)作過程又分為加速、勻速、減速 3個(gè)階段，步進(jìn)梁的變速是通過液壓元件無觸點(diǎn)位置極限開關(guān)，時(shí)間繼電器配合 AD閥的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)的。即通過無觸點(diǎn)位置極限開關(guān)及時(shí)間繼電器給指令，逐漸切斷部分供油回路來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

3 原液壓系統(tǒng)分析

為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)梁上升、前進(jìn)、下降、后退的矩形運(yùn)動(dòng)軌跡以及調(diào)節(jié)步進(jìn)梁的運(yùn)動(dòng)速度，原系統(tǒng)液壓傳動(dòng)部分采用了 3臺(tái)油壓平衡型雙聯(lián)定量泵供油，并用專門的 AD閥(加、減速閥)調(diào)節(jié)流量，如圖 2所示。即通過逐漸地使部分供油泵卸荷或加載來改變系統(tǒng)的供油量，從而調(diào)節(jié)液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度。這種定量泵 +AD閥(A表示加速、D表示減速)形式的調(diào)速回路屬于旁油路節(jié)流調(diào)速。

圖2 AD閥調(diào)速回路原理簡圖

其中 AD閥 6的閥芯位移是由控制油來驅(qū)動(dòng)的。當(dāng)電磁閥 4的電磁鐵 a失電時(shí)，AD閥閥芯在彈簧的作用下，由右位逐漸回復(fù)中位，油泵 2的壓力油，經(jīng)減壓閥 7和 AD閥流回油箱，此時(shí)系統(tǒng)供油量減小，油缸的運(yùn)動(dòng)速度逐漸變小。當(dāng)電磁閥 4的電磁鐵 a得電時(shí)，控制油通過單向節(jié)流閥 3進(jìn)入到 AD閥的右腔，使閥芯由中位逐漸過渡到右位，通過 AD閥流入油箱的油減少，此時(shí)系統(tǒng)供油量增大，油缸的運(yùn)動(dòng)速度也隨之增大。

目前，2號加熱爐步進(jìn)梁液壓系統(tǒng)和電氣自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行 30多年，部分液壓元件、設(shè)備已經(jīng)老化、磨損，而且廠家已不再生產(chǎn)，難以補(bǔ)充備件。導(dǎo)致液壓系統(tǒng)效率低下，發(fā)熱量大，運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定。采用 AD閥、極限開關(guān)和時(shí)間繼電器進(jìn)行控制，控制方式落后且精度低，已不能滿足當(dāng)前生產(chǎn)要求。針對 2號加熱爐步進(jìn)梁液壓系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中暴露的問題，熱軋廠決定對該液壓系統(tǒng)、電氣控制部分進(jìn)行升級改造。

4 液壓系統(tǒng)改造方案分析

結(jié)合步進(jìn)梁的實(shí)際工作情況并與熱軋廠多次協(xié)商后，最終擬定了步進(jìn)梁液壓系統(tǒng)的改造方案。

經(jīng)過計(jì)算后得出系統(tǒng)所需最大流量為1000 L/min，故新設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)采用 5臺(tái)(其中 1臺(tái)備用)恒壓變量柱塞泵，這種液壓泵可以根據(jù)液壓缸實(shí)際所需流量來調(diào)節(jié)其輸出流量，這樣可以降低功耗，減少系統(tǒng)發(fā)熱量。新系統(tǒng)油箱容積為 6000 L，故增加了循環(huán)冷卻過濾系統(tǒng)，以降低系統(tǒng)中油液溫度和過濾系統(tǒng)中的雜質(zhì)。此外還增加了 2個(gè) 50 L的蓄能器，它在系統(tǒng)中可以保持系統(tǒng)壓力恒定，儲(chǔ)存液壓泵輸出的多余壓力油，當(dāng)系統(tǒng)中液壓油不足時(shí)又可以及時(shí)的給系統(tǒng)補(bǔ)油，從而使系統(tǒng)運(yùn)行的更加平穩(wěn)。

新液壓系統(tǒng)采用比例閥節(jié)流調(diào)速，即通過調(diào)節(jié)比例閥的閥口開度來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量，從而調(diào)節(jié)液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度。其中平移缸回路中采用了比例換向閥調(diào)速，如圖 3所示。在比例換向閥兩端連接壓力補(bǔ)償器 1，使比例換向閥兩端的壓力差保持為一定值，使流過閥的流量不隨負(fù)載大小的變化而變化，從而使系統(tǒng)流量穩(wěn)定。兩個(gè)液控單向閥 4在系統(tǒng)中組成液壓鎖，兩個(gè)溢流閥 5在系統(tǒng)中對液壓缸起過載保護(hù)作用。另外，還在移動(dòng)液壓處設(shè)有位移傳感器 9，不僅可以在線監(jiān)測缸的位移，還可以將信號反饋給比例閥進(jìn)行閉環(huán)控制。

升降缸則采用定差減壓閥和比例節(jié)流閥來進(jìn)行調(diào)速，上升時(shí)是進(jìn)油節(jié)流調(diào)速，下降時(shí)則是回油節(jié)流調(diào)速。兩個(gè)升降缸機(jī)械同步，共同托起步進(jìn)梁，兩缸上面也裝有位移傳感器。且工作腔前面有溢流閥，起過載保護(hù)作用，液壓鎖和手動(dòng)換向裝置可以防止系統(tǒng)突然斷電時(shí)，液壓缸快速下降，發(fā)生重大事故。

圖3 平移回路原理簡圖

5 電氣控制系統(tǒng)方案分析

電氣控制部分的改造主要是更換相應(yīng)的電氣控制設(shè)備，編寫新的控制程序，以提高系統(tǒng)的控制精度和自動(dòng)化程度。改造后步進(jìn)梁運(yùn)動(dòng)速度的變化由液壓系統(tǒng)中的比例閥的控制來實(shí)現(xiàn)，而步進(jìn)梁的運(yùn)動(dòng)極限位置以及運(yùn)動(dòng)速度改變點(diǎn)分別由升降缸和平移缸外置的線性位移傳感器來確定。通過限位開關(guān)的觸發(fā)信號和PLC程序來控制步進(jìn)梁的運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間，從而控制步進(jìn)梁的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

在步進(jìn)梁液壓系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過控制系統(tǒng)中相應(yīng)的電磁閥的開閉，從而控制步進(jìn)梁的升降、平移動(dòng)作，系統(tǒng)框圖如圖 4所示。當(dāng)步進(jìn)梁液壓系統(tǒng)調(diào)試完畢后，通過定差減壓閥或者壓力補(bǔ)償器可以使比例閥兩端的壓力差保持為一定值，因此只需調(diào)節(jié)比例閥的閥口開度即可調(diào)節(jié)步進(jìn)梁的運(yùn)行速度和時(shí)間。比例閥閥口開度大致與閥內(nèi)電磁線圈電流成正比例，線圈電流大小由比例閥放大器的輸入電壓決定，該輸入電壓可由 PLC模擬輸出通道給定。所以，在程序中改變放大器輸入電壓值，即可以調(diào)節(jié)步進(jìn)梁的運(yùn)行速度和時(shí)間。

圖4 液壓缸控制系統(tǒng)框圖

整個(gè)步進(jìn)梁控制系統(tǒng)由西門子 S7-400主站、兩個(gè)ET200M子站以及計(jì)算機(jī)等構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 5所示。

圖5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中有一條 MPI總線和一條 PROFIBUSDP總線。其中 MPI總線主要用于主站 S7-400 PLC和編程器之間的數(shù)據(jù)通訊。PROFIBUS-DP總線主要用于S7-400 PLC主站與 2個(gè) ET200M子站之間的數(shù)據(jù)傳輸。

主站采用西門子 S7-400系列 PLC，其具有很高的處理和通訊能力，它的擴(kuò)展模塊部分用來控制與步進(jìn)梁動(dòng)作相關(guān)的電磁閥的開關(guān)和比例閥的電信號。從站為 2個(gè) ET200M分布式 I/O子站，ET200M是一個(gè)模塊化的 I/O站，通過 IM 153接口模塊把 ET200M子站連接到 PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線上。主站 PLC中的CPU通過 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)訪問 ET200M中的 I/O模塊。2個(gè) ET200M子站分別安裝在控制室和泵站，用來控制泵站各電氣控制點(diǎn)。

6 結(jié)束語

改造后的新液壓系統(tǒng)相比之前的液壓系統(tǒng)，具有系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性大大提高，系統(tǒng)功耗損失小，效率高，電氣控制系統(tǒng)精度高，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

[1] 陳奎生.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2001.

[2] 劉鍇，周海.深入淺出西門子 S7-300PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.