步进式加热炉同步顶升液压控制系统说明书_毕业设计(编辑修改稿)

步进式加热炉同步顶升液压控制系统说明书_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

，使钢坯前步进一次；活动梁下降，将钢坯放在固定梁上；活动梁后退到原始位置完成一个工作循环。 步进加热克服了直推式加热时钢坯下表面与支撑梁（固定梁）移动摩擦所产生的表面磨损；同时，克服了直推式的钢坯间相互靠拢的情况，可以使钢坯散开通过炉底，有利于钢坯的加热。 由于步进加热独特的优越 性，使其在现代冶金工厂得到了广泛的应用。 步进式钢坯加热炉产品质量好，热效率高，操作灵活，适用于多种型材坯料的连续式加热。 绪论 错误 !未找到引用源。 5 步进式连续加热炉靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。 炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。 前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。 加热炉炉床由固定梁和步进梁组成。 步进梁由双重轮对的多轴框架支撑，外侧走轮由升降缸驱动，从而使步进梁作上升或者下降运动。 上层托轮直接托住步进梁，而步进梁直接由另一液压缸带动，可在托轮上作前进和 后退运动，从而使步进梁作前进和后退运动。 通过缸的操作，使步进梁做矩形迹运动，各段运动的形式可以调节，操作方式可以连续或者手动操作。 同一液压油源提供步进梁传动，可以同时或交替动作；并可以逆向运动，用作为倒空炉内钢坯之用。 液压传动有着其不可替代的优越性，主要表现在： A、可以获得很大的输出力或力矩，而结构并不复杂； B、可以实现较大范围的无级调速，且可在运行中直接调节； C、易于实现过载保护； D、动作灵敏，启动，停止和换向响应快，冲击小； E、自润滑性能好； F、易于实现通用化，系列化和标准化，设计组装周 期短； G、易于实现自动化与智能化与数控技术相结合。 本课题的设计内容是设计一个步进式加热炉同步顶升的液压系统。 设计目的 由于步进炉的特点是步进周期短，运动速度较高，惯性负载大，连续工作，可靠性要求高等，所以根据这些特点系统采用液压控制比较适宜。 当今，随着液压机械自动化程度的飞速发展，液压元件应用数量急剧增加，元件小型化，系统集成化是必然的发展趋势。 特别是近十年来，液压技术与传感技术，微电子技术紧密结合，出现了许多诸如电液比例控制阀，数字阀，电认伺服液压缸等机（液）电一体化元器件，使液压技术 在高压，告诉，大功率，节能高效，低噪声，使用寿命长，高度集成化方面取得了重大进展。 所以，随着冶金轧钢工艺自动化程度的不断提高，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，被愈绪论 错误 !未找到引用源。 6 来愈多新建的轧钢加热炉采用。 液压传动传动因其体积小，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。 步进式加热炉有着其他加热炉无法比拟的优点，诸如，不拱钢，不粘钢，氧化烧损少，脱碳少，加热时间短，加热操作灵活，易于和轧制节奏相匹配，加热过程中不划伤，炉子长度不受限制 （从理论上讲）自动化程度高，易于采用计算机控制等优点。 因此尽管步进炉第一次投资费用较高，但是 1967 年 4 月由美国德兰公司设计的二面供热的步进梁式炉首先在美国格兰那特城钢铁公司问世以来，接着同年 5 月由日本中外炉公司为名古屋钢铁厂设计的世界上第二座步进梁式炉又相继投产，以后步进式加热炉在世界上获得了长足的发展。 和推钢式连续加热炉相比，步进式炉具有以下优点： （ 1）加热灵活。 在炉长一定的情况下，炉内坯料数目是可变的。 而在连续加热炉中则是不可变的，那样加热时间就受到限制。 例如炉子产量降低一半时，则 炉内 坯料加热时间就会延长一倍，对有些钢种来说这是不利的，而步进炉在炉子小时产量变化的情况下可以通过改变坯料间距离来达到改变或保持加热时间不变的目的。 （ 2）加热质量好。 因为在步进炉内可以使坯料间保留一定的间隙，这样扩大了坯料受热面，加热温度比较均匀，钢坯表面一般没有划伤的情况，两面加热时坯料下表面水管黑印的影响比 — 般推钢式连续加热炉的要小些。 （ 3）炉长不受限制。 对连续加热炉来说炉长受到推钢长度的限制，而步进炉则不受限制。 而且对于不利于推钢的细长坯料、圆棒、弯曲坯料等均可在步进炉内加热。 （ 4）操作方便。 改善了劳动条件，在必要时可以将炉内坯料全部或部分退出炉外，开炉时间可缩短；由于不容易粘钢，因此可减轻繁重的体力劳动；和轧机配合比较方便、灵活。 （ 5）可以准确地控制炉内坯料的位置，便于实现自动化操作。 尤其是近 10 多年来，随着轧钢技术向着连续化，大型化，自动化，多品种，高精度的发展，步进式加热炉为适应工艺的要求，也朝着大型化，多功能，高产，低消耗和操作集成自动化的方向迈进。 可以预见，随着液压技术的不断进步，更加高自动化的加热炉会被人们所应用。 绪论 错误 !未找到引用源。 7 设计方案 步进炉的机械结构采用的 是斜坡滚轮式液压传动。 水平移动和升降都由液压缸驱动 ,步进框架下面的滚轮沿斜台面升降。 这种结构有两层框架 ,下层是提升框架。 上层为水平移动框架。 在提升框架的上面和下面均安有滚轮 ,每个下滚轮放在一个斜台面上 ,上滚轮供平移框架移动用，移动缸通过曲柄连杆和旋转接头与上框架连接 ,提升缸用旋转接头直接与下框架连接。 下框架用斜面辊导向 ,上框架用水平辊导向。 加热炉的步进机构和液压系统主要由双层步进框架，液压缸，液压泵以及各种阀件组成。 如图：上一层为行进框架，下一层为升降框架。 行进框架是通过支撑辊和辊道落在升降框 架上，升降框架也通过支撑辊和辊道落在基础上。 当升降框架在在升降液压缸驱动下沿斜轨道左升降运动时，步进梁和行进框架也一起作垂直方向的升降运动，在平移液压缸的驱动下，在水平方向作进退运动，从而完成整个周期循环动作。 对液压系统的改进 对原有系统中举升液压缸水平拉动动梁上升的部分，可以改为将此液压缸放置在炉底，同时让液压缸与上升滚轮的斜面保持同样的斜度。 这样就有效的解决了拉力大，液压缸有杆腔推动无杆腔做大功率运动的情况，同时也减小了液压缸的尺寸，便于设计和安装。 步进梁动作如图 1 所示： 图 1 步进梁动作示意图 步进梁的升降和平移均采用电液比例阀来控制，其优点是控制调整灵活方便，工作平稳。 在设计过程中，应该考虑到步进梁平移时可能会产生很大的惯性冲击，绪论 错误 !未找到引用源。 8 实现加速、减速、匀速，从而实现动梁对热坯的轻托、轻放，以及通过加、减速有效降低动梁因运动惯性引起的机械冲击，下降的时候依靠自身自重下降。 通过 PLC 编程设置加减速曲线，既避免了冲击对设备造成的伤害，又提高了系统的定位精度，通过 PLC 控制达到同步顶升精度要求。 步进梁动作轨迹如图 2 所示： 图 2 步进梁动作轨迹图 液压系统分析与设计 错误 !未找到引用源。 9 2 液压系统分析与设计 运动与 负载分析 步进式加热炉原始数据 步进梁和炉底总质量 G=300 103kg，其中； 行进框架及其以上部分质量 G1=200 103kg 行进框架以下部分质量 G2=100 103kg 炉子总长 ，其中； 炉底长 步进梁长 L= 炉子宽 坯料规格 bbl= 最大升降高度 H=H1+H2=+= 最大水平移距 S= 辊轮 D=； d= 最大步进钢坯根数 4 根 升降液压缸 2 个；平移液压缸 2 个 步进周期 21s 其中：上升 4s，前进 ，下降 4s，后退 支承辊有 2 排，每排 4 组，每组上下各有两个辊，一共 16 个棍 步进式加热炉工况速度曲线设计 步进式加热炉的工作循环为：步进梁依次为上升，水平前进，下降，水平后退运动。 步进炉运动时，上升为两个液压缸顶升，前进后退为两个液压缸，下降靠自重下降。 液压系统分析与设计 错误 !未找到引用源。 10 现在对炉底步进梁的动作如图 3 所示： 图 3（阴影部分为步进梁）为步进梁从起始位置（后下位） 上升（上升过程中接料） 上升到位（后上位） 前进 前进（前上位） 下降（下降过程中交料） 下降到位（ 前下位） 后退 后退到位（即起始位置） 图 3 步进式加热炉炉底机械步进梁的运动过程 为了实现对钢坯的轻拿轻放，设计了活动梁托钢坯放钢坯的加减速曲线，这样大大降低了在对钢坯步进的过程中，对坯料所造成的直接冲击。 液压系统分析与设计 错误 !未找到引用源。 11 首先，活动梁上升，在 内达到 ，然后直接减速，在 的时间内减小到速度为 0m/s，这样，活动梁达到固定梁面钢坯下，实现无冲击托起钢坯。 托起钢坯后，继续加速。 在 内达到 ，然后直接减速，在 的时间范围内速度降为 0m/s，达到顶升高度。 然后， 高度不变，平移缸开始动作。 在 的时间内，达到 ，使步进梁做平移运动。 以 ，在 的时间内又降到 0m/s。 平移结束。 下降和后退同顶升和前进工况速度相同。 步进梁的动作方式有周期方式和踏步方式，周期方式用于运送钢管向前移动，而踏步方式用于等待出钢。 步进梁的周期方式：活动梁上升 100mm，前进 600mm，下降 100mm，后退 600mm，钢管前进一个齿距。 步进式加热炉工况速度曲线如图 4： `固 定 梁 面1 . 5 s0 . 0 5 m / s0 . 5 s1 . 5 s3 . 5 s0 . 1 2 m / s钢 坯上 升前 进下 降后 退 图 4 步进 式加热炉工况速度曲线 计算稳态工作负载 N=L/b+a=128 根； L步进梁长（ ） b断面边长（ ） a钢坯间隔（ ） 单根 q=rbbl= = 103kg r钢比重（ ） b断面边长（ ） l钢坯长度（ ） 液压系统分析与设计 错误 !未找到引用源。 12 总质量 Q=nq=128 103=134 103kg W ⑴上升工况： H1 段未抬起钢坯 W=G=300 103kg H2 段抬起了钢坯 W=G+Q=300 103+134 103=434 103kg ⑵前进工况： W=G1+Q=200 103+134 103=334 103kg ⑶下降工况：同上升工况 ⑷后退工况： W=G1=200 103kg 拟定液压原理图 步进梁的升降和平移速度均采用电液比例阀来控制，为了使步进梁能在 X,Y 方向的任意位置上较长时间内可靠地自锁。 在进入液压缸的油路上采用了双向液压锁进行长时间的自锁。 用变量泵供油，用安全阀起安全保护作用。 根据以上要求，反复修改后拟定以下液压系 统原理图。 图 5 步进式加热炉液压系统原理图 液压系统分析与设计 错误 !未找到引用源。 13 液压缸参数及其型号 平移液压缸受力分析 步进式加热炉在平移运动时候，作用力如图 6。 图 6 步进式加热炉平移运动受力分析 由实际工作状态可知，平移液压缸前进工况为受力最大工况 因为平移液压缸为 2 个，所以，计算平移缸最大负载 F 进 MAX F 进 MAX=(FR+FA) /2； FR摩擦阻力 FA惯性力 依据表 1，选取滚动摩阻系数δ取 103(m) 表 1 滚动摩阻系数δ 材料名称 δ /（ mm） 软钢 钢 铸铁 铸铁 轮胎 路面 210 钢质车轮 钢辊道 软木 软木 所以，最大滚动摩阻力偶矩： Max1=δ W g= 103 334 103 =•m 取滚动轴承摩擦系数ц取 所以，滚动轴承摩擦阻力矩： Max2=ц W g d/2= 334 103 •m 所以，摩擦阻力为： FR=(Max1+Max2)/D/2=(+)/液压系统分析与设计 错误 !未找到引用源。 14 惯性力： FA=m∆v/∆t=334103 所以，平移液压缸最大负载为： F 进 MAX=(FR+FA)/2=（ +） /2= 初选平移液压系统工作压力 因为平移缸最大工作负载经过计算为 依据《液压传动》表 92， 93；初估液压系统工作压力为 4Mpa 取液压缸的机械效率取 η = 平移液压缸主要参数及其选取型号 液压缸内径 D 和活塞杆直径 d 的确定 根据表 2，确定 D/d=2/1 表 2 液压缸内径与活塞杆直径关系 按机床类型选取 d/D 按液压缸工作压力选取 d/D 机床类别 d/D 工作压力 P(MPa) d/D 磨床、研床 ≤ 2 插床、拉床、刨床 ＞ 25 钻、镗、车、铣床 ＞ 57 ＞ 7 P•π /4• D2= F 进 MAX/η 式中： P=4Mpa， D/d=2/1 解得： D=； d= 依据表 3，表 4 圆整后取值： D=80mm； d=40mm 液压系统分析与设计 错误 !未找到引用源。 15 表 3 液压缸内径尺寸系列 mm（ GB234880） 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （ 90） 100 （ 110） 125 （ 140） 1。