【文章內(nèi)容簡介】 ，使鋼坯前步進(jìn)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(jìn)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(chǎn)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(jìn)加熱獨特的優(yōu)越 性，使其在現(xiàn)代冶金工廠得到了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)式鋼坯加熱爐產(chǎn)品質(zhì)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 錯誤 !未找到引用源。 5 步進(jìn)式連續(xù)加熱爐靠爐底或水冷金屬梁的上升、前進(jìn)、下降、后退的動作把料坯一步一步地移送前進(jìn)的連續(xù)加熱爐。爐子有固定爐底和步進(jìn)爐底，或者有固定梁和步進(jìn)梁。前者叫做步進(jìn)底式爐，后者叫做步進(jìn)梁式爐。 加熱爐爐床由固定梁和步進(jìn)梁組成。步進(jìn)梁由雙重輪對的多軸框架支撐，外側(cè)走輪由升降缸驅(qū)動，從而使步進(jìn)梁作上升或者下降運動。上層托輪直接托住步進(jìn)梁，而步進(jìn)梁直接由另一液壓缸帶動，可在托輪上作前進(jìn)和 后退運動，從而使步進(jìn)梁作前進(jìn)和后退運動。 通過缸的操作，使步進(jìn)梁做矩形跡運動，各段運動的形式可以調(diào)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(jìn)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(nèi)鋼坯之用。 液壓傳動有著其不可替代的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在： A、可以獲得很大的輸出力或力矩，而結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜； B、可以實現(xiàn)較大范圍的無級調(diào)速，且可在運行中直接調(diào)節(jié)； C、易于實現(xiàn)過載保護(hù)； D、動作靈敏，啟動，停止和換向響應(yīng)快，沖擊小； E、自潤滑性能好； F、易于實現(xiàn)通用化，系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計組裝周 期短； G、易于實現(xiàn)自動化與智能化與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合。 本課題的設(shè)計內(nèi)容是設(shè)計一個步進(jìn)式加熱爐同步頂升的液壓系統(tǒng)。 設(shè)計目的 由于步進(jìn)爐的特點是步進(jìn)周期短，運動速度較高，慣性負(fù)載大，連續(xù)工作，可靠性要求高等，所以根據(jù)這些特點系統(tǒng)采用液壓控制比較適宜。 當(dāng)今，隨著液壓機(jī)械自動化程度的飛速發(fā)展，液壓元件應(yīng)用數(shù)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(shù)與傳感技術(shù)，微電子技術(shù)緊密結(jié)合，出現(xiàn)了許多諸如電液比例控制閥，數(shù)字閥，電認(rèn)伺服液壓缸等機(jī)（液）電一體化元器件，使液壓技術(shù) 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(jìn)展。 所以，隨著冶金軋鋼工藝自動化程度的不斷提高，步進(jìn)式加熱爐以其靈活的加熱方式，加熱質(zhì)量好，爐長不受限制，操作方便，易于實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點，被愈緒論 錯誤 !未找到引用源。 6 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(fù)荷大，易于實現(xiàn)機(jī)電一體化控制等優(yōu)勢，在步進(jìn)式加熱爐中有廣泛的應(yīng)用。 步進(jìn)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(jī)控制等優(yōu)點。 因此盡管步進(jìn)爐第一次投資費用較高，但是 1967 年 4 月由美國德蘭公司設(shè)計的二面供熱的步進(jìn)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(shè)計的世界上第二座步進(jìn)梁式爐又相繼投產(chǎn)，以后步進(jìn)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(jìn)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(nèi)坯料數(shù)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(chǎn)量降低一半時，則 爐內(nèi) 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(jìn)爐在爐子小時產(chǎn)量變化的情況下可以通過改變坯料間距離來達(dá)到改變或保持加熱時間不變的目的。 （ 2）加熱質(zhì)量好。因為在步進(jìn)爐內(nèi)可以使坯料間保留一定的間隙，這樣擴(kuò)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(jìn)爐則不受限制。而且對于不利于推鋼的細(xì)長坯料、圓棒、彎曲坯料等均可在步進(jìn)爐內(nèi)加熱。 （ 4）操作方便。改善了勞動條件，在必要時可以將爐內(nèi)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(jī)配合比較方便、靈活。 （ 5）可以準(zhǔn)確地控制爐內(nèi)坯料的位置，便于實現(xiàn)自動化操作。 尤其是近 10 多年來，隨著軋鋼技術(shù)向著連續(xù)化，大型化，自動化，多品種，高精度的發(fā)展，步進(jìn)式加熱爐為適應(yīng)工藝的要求，也朝著大型化，多功能，高產(chǎn)，低消耗和操作集成自動化的方向邁進(jìn)。 可以預(yù)見，隨著液壓技術(shù)的不斷進(jìn)步，更加高自動化的加熱爐會被人們所應(yīng)用。 緒論 錯誤 !未找到引用源。 7 設(shè)計方案 步進(jìn)爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(qū)動 ,步進(jìn)框架下面的滾輪沿斜臺面升降。 這種結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)接頭與上框架連接 ,提升缸用旋轉(zhuǎn)接頭直接與下框架連接。下框架用斜面輥導(dǎo)向 ,上框架用水平輥導(dǎo)向。 加熱爐的步進(jìn)機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)主要由雙層步進(jìn)框架，液壓缸，液壓泵以及各種閥件組成。如圖：上一層為行進(jìn)框架，下一層為升降框架。行進(jìn)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(chǔ)上。當(dāng)升降框架在在升降液壓缸驅(qū)動下沿斜軌道左升降運動時，步進(jìn)梁和行進(jìn)框架也一起作垂直方向的升降運動，在平移液壓缸的驅(qū)動下，在水平方向作進(jìn)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(jìn) 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(shè)計和安裝。 步進(jìn)梁動作如圖 1 所示： 圖 1 步進(jìn)梁動作示意圖 步進(jìn)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(diào)整靈活方便，工作平穩(wěn)。在設(shè)計過程中，應(yīng)該考慮到步進(jìn)梁平移時可能會產(chǎn)生很大的慣性沖擊，緒論 錯誤 !未找到引用源。 8 實現(xiàn)加速、減速、勻速，從而實現(xiàn)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(jī)械沖擊，下降的時候依靠自身自重下降。 通過 PLC 編程設(shè)置加減速曲線，既避免了沖擊對設(shè)備造成的傷害，又提高了系統(tǒng)的定位精度，通過 PLC 控制達(dá)到同步頂升精度要求。 步進(jìn)梁動作軌跡如圖 2 所示： 圖 2 步進(jìn)梁動作軌跡圖 液壓系統(tǒng)分析與設(shè)計 錯誤 !未找到引用源。 9 2 液壓系統(tǒng)分析與設(shè)計 運動與 負(fù)載分析 步進(jìn)式加熱爐原始數(shù)據(jù) 步進(jìn)梁和爐底總質(zhì)量 G=300 103kg，其中； 行進(jìn)框架及其以上部分質(zhì)量 G1=200 103kg 行進(jìn)框架以下部分質(zhì)量 G2=100 103kg 爐子總長 ，其中； 爐底長 步進(jìn)梁長 L= 爐子寬 坯料規(guī)格 bbl= 最大升降高度 H=H1+H2=+= 最大水平移距 S= 輥輪 D=； d= 最大步進(jìn)鋼坯根數(shù) 4 根 升降液壓缸 2 個；平移液壓缸 2 個 步進(jìn)周期 21s 其中：上升 4s，前進(jìn) ，下降 4s，后退 支承輥有 2 排，每排 4 組，每組上下各有兩個輥，一共 16 個棍 步進(jìn)式加熱爐工況速度曲線設(shè)計 步進(jìn)式加熱爐的工作循環(huán)為：步進(jìn)梁依次為上升，水平前進(jìn)，下降，水平后退運動。步進(jìn)爐運動時，上升為兩個液壓缸頂升，前進(jìn)后退為兩個液壓缸，下降靠自重下降。 液壓系統(tǒng)分析與設(shè)計 錯誤 !未找到引用源。 10 現(xiàn)在對爐底步進(jìn)梁的動作如圖 3 所示： 圖 3（陰影部分為步進(jìn)梁）為步進(jìn)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(jìn) 前進(jìn)（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(jìn)式加熱爐爐底機(jī)械步進(jìn)梁的運動過程 為了實現(xiàn)對鋼坯的輕拿輕放，設(shè)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(jìn)的過程中，對坯料所造成的直接沖擊。 液壓系統(tǒng)分析與設(shè)計 錯誤 !未找到引用源。 11 首先，活動梁上升，在 內(nèi)達(dá)到 ，然后直接減速，在 的時間內(nèi)減小到速度為 0m/s，這樣，活動梁達(dá)到固定梁面鋼坯下，實現(xiàn)無沖擊托起鋼坯。托起鋼坯后，繼續(xù)加速。在 內(nèi)達(dá)到 ，然后直接減速，在 的時間范圍內(nèi)速度降為 0m/s，達(dá)到頂升高度。 然后， 高度不變，平移缸開始動作。在 的時間內(nèi)，達(dá)到 ，使步進(jìn)梁做平移運動。以 ，在 的時間內(nèi)又降到 0m/s。平移結(jié)束。 下降和后退同頂升和前進(jìn)工況速度相同。 步進(jìn)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(jìn)梁的周期方式：活動梁上升 100mm，前進(jìn) 600mm，下降 100mm，后退 600mm，鋼管前進(jìn)一個齒距。 步進(jìn)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(jìn)下 降后 退 圖 4 步進(jìn) 式加熱爐工況速度曲線 計算穩(wěn)態(tài)工作負(fù)載 N=L/b+a=128 根； L步進(jìn)梁長（ ） b斷面邊長（ ） a鋼坯間隔（ ） 單根 q=rbbl= = 103kg r鋼比重（ ） b斷面邊長（ ） l鋼坯長度（ ） 液壓系統(tǒng)分析與設(shè)計 錯誤 !未找到引用源。 12 總質(zhì)量 Q=nq=128 103=134 103kg W ⑴上升工況： H1 段未抬起鋼坯 W=G=300 103kg H2 段抬起了鋼坯 W=G+Q=300 103+134 103=434 103kg ⑵前進(jìn)工況： W=G1+Q=200 103+134 103=334 103kg ⑶下降工況：同上升工況 ⑷后退工況： W=G1=200 103kg 擬定液壓原理圖 步進(jìn)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(jìn)梁能在 X,Y 方向的任意位置上較長時間內(nèi)可靠地自鎖。在進(jìn)入液壓缸的油路上采用了雙向液壓鎖進(jìn)行長時間的自鎖。用變量泵供油，用安全閥起安全保護(hù)作用。 根據(jù)以上要求，反復(fù)修改后擬定以下液壓系 統(tǒng)原理圖。 圖 5 步進(jìn)式加熱爐液壓系統(tǒng)原理圖 液壓系統(tǒng)分析與設(shè)計 錯誤 !未找到引用源。 13 液壓缸參數(shù)及其型號 平移液壓缸受力分析 步進(jìn)式加熱爐在平移運動時候，作用力如圖 6。 圖 6 步進(jìn)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(jìn)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(fù)載 F 進(jìn) MAX F 進(jìn) MAX=(FR+FA) /2； FR摩擦阻力 FA慣性力 依據(jù)表 1，選取滾動摩阻系數(shù)δ取 103(m) 表 1 滾動摩阻系數(shù)δ 材料名稱 δ /（ mm） 軟鋼 鋼 鑄鐵 鑄鐵 輪胎 路面 210 鋼質(zhì)車輪 鋼輥道 軟木 軟木 所以，最大滾動摩阻力偶矩： Max1=δ W g= 103 334 103 =?m 取滾動軸承摩擦系數(shù)ц取 所以，滾動軸承摩擦阻力矩： Max2=ц W g d/2= 334 103 ?m 所以，摩擦阻力為： FR=(Max1+Max2)/D/2=(+)/液壓系統(tǒng)分析與設(shè)計 錯誤 !未找到引用源。 14 慣性力： FA=m?v/?t=334103 所以，平移液壓缸最大負(fù)載為： F 進(jìn) MAX=(FR+FA)/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(fù)載經(jīng)過計算為 依據(jù)《液壓傳動》表 92， 93；初估液壓系統(tǒng)工作壓力為 4Mpa 取液壓缸的機(jī)械效率取 η = 平移液壓缸主要參數(shù)及其選取型號 液壓缸內(nèi)徑 D 和活塞桿直徑 d 的確定 根據(jù)表 2，確定 D/d=2/1 表 2 液壓缸內(nèi)徑與活塞桿直徑關(guān)系 按機(jī)床類型選取 d/D 按液壓缸工作壓力選取 d/D 機(jī)床類別 d/D 工作壓力 P(MPa) d/D 磨床、研床 ≤ 2 插床、拉床、刨床 ＞ 25 鉆、鏜、車、銑床 ＞ 57 ＞ 7 P?π /4? D2= F 進(jìn) MAX/η 式中： P=4Mpa， D/d=2/1 解得： D=； d= 依據(jù)表 3，表 4 圓整后取值： D=80mm； d=40mm 液壓系統(tǒng)分析與設(shè)計 錯誤 !未找到引用源。 15 表 3 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列 mm（ GB234880） 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （ 90） 100 （ 110） 125 （ 140） 1