步进炉动梁液压驱动系统AMESim分析与优化

管建峰 王远飞 戚志文

(1.常熟理工学院,江苏 常熟 215500，2.裕克施乐塑料制品(太仓)有限公司，江苏 苏州 215500)

0 引言

液压比例技术随着时代发展，应用生产诸多领域。为响应国家可持续发展战略，常熟市盈丰钢管有限公司天然气步进炉进行设计改造，涉及到步进炉动梁液压驱动比例控制技术，液压回路设计、液压元件选型、比例控制等。在选择液压元件时要考虑工况所需载荷、速度，流体的流量、压力等通过AMESim分析比较，择出优解，避免因型号参数不适导致高能耗，功率损耗，大梁惯性冲击等问题。

1 步进炉动梁液压系统的工作分析

步进炉动梁液压驱动主要是用于实现动梁的升与降、前进与后退，其4个运动过程组成1个周期，2个油缸循环运动见图1油缸循环运动图：首先升降液压缸伸出，利用斜板推动大梁上升，然后平移液压缸伸出，将已经上升的动梁向前推进，再次升降液压缸收缩，使动梁沿着斜板下降，最后平移缸收缩，使动梁后退回起点并准备下一次的循环。动梁按照矩形运动轨迹[1,2]对钢坯实现步进输送，动梁与所运载的钢坯重量比较大，具有很大惯性质量，需要对液压系统执行机构加速度加以控制，以保证在上升过程中缓慢托起，下降过程中缓慢放下，存在加速、匀速、减速过程，并且在平移过程中也有2次加速、匀速、减速。

图1 液压油缸循环运动图

2 油缸运动参数要求及AMESim液压原理图

天然气步进炉动梁的上升与下降由倾斜放置液压油缸推动，平移过程由水平液压缸前进与后退来驱动，具体两油缸运动参数如图所示(见图2)。

图2 抬升油缸、前后运动油缸运动参数

图3 电液比例控制液压原理图

液压系统主要技术参数：最大载重5t、步进周期：14.08s、步进动梁升降行程120mm、水平移动300mm、斜轨角度13°、动梁自身重量2t、物料重量2.25t、抬升速度40～50mm/s、平移速度75～88mm/s。

根据相关参考文献和分析步进炉的运动要求和控制要求，考虑运动参数可调性，设计相关电液阀控液压系统AMESim原理图如图3所示，在AMESim软件中构建模型草图，元件1代表升降油缸，元件8代表平移油缸，元件1～7模拟升降回路，元件8～12模拟的是平移回路，元件13～22模拟液压源。

3 部分液压系统的设计计算和选型

经过液压系统的负载循环、速度循环、功率循环及相关的分析后得知：

升降液压缸在启动时负载最大，其推力为7.33×104N,初步设计油缸活塞直径D=125mm,活塞杆直径d=0.707×D=90mm；液压缸工作压力为6MPa，设升降液压缸的最大流量为qmax，液压缸的最大速度为0.23m/s，计算升降过程中液压缸的最大流量qmax=Avm=2.8×10-3m3/s,即168L/min；升降油缸在上升阶段的启动阶段为6.01MPa；压力损失取0.5MPa，得：泵的最大工作压力为6.5MPa；此系统中，升降油缸与平移油缸不是同时运动，所需流量最大值为升降缸流量的最大值，即168L/min，取KL为1.1，溢流阀的最小溢流量为2L/min，经公式(qp≥KL∑qmax)计算后得到液压泵最大流量qp为187L/min,选泵18型号为200 GY14-1B，公称压力为20MPa，额定转速为1000r/min，公称流量为200L/min。计算功率为p=75.2kW,选用电动机的型号为YR250M-6，电机功率为90kW。

比例溢流阀15压力约为最大工作压力的1.1～1.3倍，公称压力为7MPa，选比例溢流阀的型号为S-BSG-06-3C2-A200-L-51，调压范围为0.4～25MPa，最大流量为200L/min，比例溢流阀的输入信号为周期性方波，实现适当卸荷，输入信号如图4所示，最大输入70mA,最小输入信号60mA。

二位三通比例换向阀4，由油缸最大流量和最大压力选换向阀的型号为3BYL-250B，该阀最高公称压力为25MPa，额定流量为250L/min，流量调整范围为2.5～250L/min，给该阀以信号如图5所示，使其能与缸的运动相匹配。

系统的最高工作压力P1为7MPa，维持系统工作的最低工作压力P2为1MPa，选用蓄能器：Q-L10/10-L-H。

三位四通电液比例换向阀6：4WRZ10EA25-30B M，该型号的通径为10mm，主阀流量为270L/min，主阀工作压力为32MPa，给其信号图6所示。

图4 电液比例溢流阀输入电信号图(mA)

图5 二位三通比例阀输入信号图

平移回路液压元件的参数计算及选型,与升降回路参数计算分析：最终得出平移回路液压元件清单如下：蓄能器：NXQ-L10/10-L-H；三位四通电液比例换向阀：4WRZ 10 EA 25～30B M；减压阀：DR 10 DP 2～40/75 M；信号控制类推(略)。

升降油缸利用AMESim软件进行仿真，已有参数值默认，不能得到比较好的液压缸速度图、流量图、压力图，通过批处理比较，修正差动连接处的二位三通换向阀的压降值(比例电磁阀的压降一般为0.5～2MPa,代入压降值0.1、1、2MPa得出速度、流量、压力曲线，对比后发现：当压降值设2MPa时，得较为完善流量曲线见图7、速度曲线见图8、压力曲线见图9。

对于主回路为达到节能的目的，将比例溢流阀15的输入信号设定一个范围图4所示，达到仿真：当升降缸工作时给定70MPa的所需信号，当平移缸工作时给定60MPa的所需信号，优化状态最好。

图6 7号元件信号源输入信号

图7 速度曲线图

图8 压力曲线图

图9 压力曲线图

对于平移回路用升降回路为例，采用同样的处理方法，最终得到：当比例换向阀10的压降为0.6MPa时也得到一组速度、流量以及压力的相对合理曲线(略)。

5 结束语

在AMESim软件中绘出两缸的原理图，设置它的参数可以模仿出设备运转状况；结合节能与优化的要求，选择出适合的元器件的型号在AMESim软件中通过不断修正参数，替换合适的元件，最终得出更适宜结果，从而在保证设备性能前提下，节约对设备成本的投入和满足节能可靠的要求。