步進梁式電阻加熱爐步進系統優化改造

周 杰，王飛偉，朱秦嶺，吳潔蓓，彭常戶，靳喜泉，楊西寧，楊 波

（西部超導材料科技股份有限公司，陜西西安 710018）

0 引言

步進梁式電阻加熱爐采用步進式運動結構，減少了棒料與爐底的摩擦，避免了爐膛內棒料間的靠攏堆積，受熱更加充分均勻。電阻式加熱模式，避免了其他加熱形式如天然氣加熱對棒材加熱過程中化學成分的影響，非常適合于鈦及鈦合金等對加熱氣氛敏感的有色金屬的鍛造前加熱。

西部超導公司棒線材分廠精鍛機鍛造前加熱采用步進梁式電阻加熱爐。該爐長8 m、寬2 m、高3 m，主要結構分上下兩層，上層為電阻式加熱爐膛主體，下層為產生步進運動的四連桿機械結構。整體結構如圖1 所示。

1 步進梁式加熱爐步進機構原理

步進梁式加熱爐步進結構為一組典型的四連桿機構，其運行的動力源為圖1 所示的動梁前進后退油缸和起升降落油缸。通過2 組油缸的的依次動作，實現被加熱棒料在爐膛內動、靜梁之間交替運行達到步進的目的，運行流程見圖2。

步進爐加熱節拍為全自動化控制，在爐門入口處設置一排放料架，被加熱棒料在放料架上依次排開，以步進形式被一根接一根的送入爐膛內完成加熱、保溫。在加熱爐膛內，被加熱棒料由3 根靜梁和3 根動梁共同支撐。當系統得到信號需要步進時，②號油缸伸出，爐底四連桿機構托起動梁及棒料一同起升達到系統設定最高點后保持此狀態等待下一指令，然后①號油缸得到指令伸出，將動梁及棒料運送一個步距后保持此狀態等待下一指令，之后②號油缸得到指令縮回，動梁及棒料隨之一同下降到指定位置，此時的棒料已處于靜梁上，等待下一指令，隨后①號油缸得到指令縮回，動梁被拉回到初始位置，整個步進過程結束，而棒料完成一個完整的步進節拍。

圖1 步進梁式電阻加熱爐結構

2 故障分析

2.1 故障現象

圖2 步進式電阻爐步進機構運行流程

該步進梁式電阻爐自動化程度高，多年來連續服役于生產，隨著設備長時間的使用，設備故障愈發頻繁，大多為機械故障，約占總故障的70%以上，其中以四連桿起升機構故障為主。因整個爐底機體變形嚴重，造成四連桿起升機構中軸承座、螺旋接頭、擺臂等各零部件頻繁斷裂（圖3），雖運用了各種加強筋、堆焊搭接支撐等措施，但沒有從根本上解決問題，嚴重影響設備正常運行。

圖3 擺臂斷裂

2.2 故障分析

通過長期的維修與觀察，電阻爐四連桿機構在設備運行過程中受力較大且帶有沖擊，是故障率高的主要原因。該系統3 組動梁總重量為10 t，步進機構所有零部件長期負重，變形、磨損在所難免。運行過程中每一次步進對整個系統都是一次沖擊，整個下層機構包括機體、四連桿機構長期受到交變載荷的沖擊，零部件的疲勞強度降低直至斷裂。

2.3 故障維修

加熱爐在材料加工單位屬于關鍵核心工序，維修需要專業人員操作，同時由于加熱爐的特殊性，為了保證維修人員的人身安全及設備性能安全，維修前首先需要將爐溫降至200 ℃以下，由于四連桿機構在步進爐底部，維修空間狹小、維修難度大，維修工時長，如:液壓傳動大軸斷裂一根，需9 臺10 t 千斤頂同時支撐動梁，4 人8 h 協助才能完成維修任務，再加上降溫時間，每次維修所需工時至少24 h。

3 優化改造

3.1 優化改造方案

通過故障分析可知，四連桿機構是使得整個步進梁式電阻爐故障率居高不下的主要原因，因此優化改造的主要對象為四連桿機構。改造的目標是在保證原有步進功能的情況下降低設備故障率。改造的方式是通過轉移負重承受對象，降低沖擊，將原來由四連桿機構在上升、下降過程中承受的負重通過垂直安裝的液壓缸轉移到地面，將負重、沖擊由基礎地面承受。

3.2 方案分析

3.2.1 功能分析

四連桿機構在此設備中最重要的功能是實現機構的步進，確保了工藝過程的穩定性。優化改造方案分析中最主要是是步進功能的分析對比，對比過程包括動梁上升、動梁前移、動梁下降、動梁后退等。通過對比分析，改造前與改造后，該機構的主功能未發生變化，均能滿足被加熱棒料在爐膛內的步進功能，工藝穩定性高。

3.2.2 功能完善

考慮到3 組動梁必須同步升高與降落，在動梁基座下部設計增加一套整體式剛性框架，框架兩邊各為位一組，每組平均分布4 個液壓油缸，每個油缸液壓支路安裝同步閥，保證每個油缸的同步性。新增機構液壓原理如圖4 所示。在動梁前移、后退的過程中為了減少摩擦力，動梁基座與整體框架中間放置滾杠，動梁前移、后退過程屬于滾動摩擦，整個系統摩擦力大幅度降低，保證動梁前移、后退的運行平穩。

3.3 改造過程

按照既定方案對步進機構進行優化改造，拆除原有四連桿機構，重新制作液壓缸基礎，整體剛性框架，安裝滾杠及上升、下降液壓油缸，增設液壓回路及各支路的同步閥，改造后效果如圖5 所示。

4 結語

改造后的步進梁式電阻加熱爐，由于采用多個小型油缸多點并聯同時直接舉升的方式，大幅減少了之前四連桿機構的縱向載荷沖擊，使步進系統的可靠性得到大幅提高，經過兩年的實際生產使用，步進機構工作穩定可靠，爐膛棒料運行平穩，生產過程使用順利，達到了改造的預期目的。

圖4 新增機構液壓原理

圖5 同步油缸結構