一种步进式加热炉液压系统的势能回收装置

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种步进式加热炉液压系统的势能回收装置。

背景技术

加热炉是整个轧钢生产线上不可或缺的一环，而步进式加热炉因其独特的优越性，已经逐步取代了原有的推钢式加热炉、辊底式加热炉等。步进式加热炉一般负载大，动作频繁。因此，液压传动因其体积小、负载大、容易实现机电一体化控制等特点在步进式加热炉中被广泛应用，通过按照上升、前进、下降、后退的既定程序循环运动实现钢坯的匀速前进。

目前国内步进式加热炉有着大型化，快节奏的趋势。常规步进式加热炉的液压系统主要采用恒压变量泵与比例控制阀的设计模式，棒、线材加热炉因系统最大流量小，通常采用比例换向阀的速度控制回路，板坯加热炉因系统负载大，系统最大流量大，通常采用比例节流阀的速度控制回路。这两种设计无法有效利用大重量炉底机械下降时产生的重力势能，并且这部分势能还转化成了热能，升高了液压油的温度，增加了循环冷却系统的能量消耗。

因此如何对炉底机械托钢下降时产生的巨大重力势能进行回收再利用决定了整个系统的节能指标，也是整个系统节能的关键。

经调研，目前线棒材加热炉生产线上常用的有一种利用特制两级液压缸进行步进梁势能回收的节能系统，其中一级液压缸与高低压蓄能器组分别连接，分别负责回收步进梁负载下降与空载下降的重力势能，并在下一次步进梁上升中分级释放。这类势能回收装置可以有效回收部分步进梁下降时的重力势能，并减少系统工作泵的数量，但回收势能需要依托特制的双极液压缸，装置结构较复杂，检修维护成本较高。还有一种利用主动缸、从动缸配合泵源比例压力调节阀和蓄能器组的势能回收装置，该装置因为增加了两个油缸，装备结构和控制逻辑也非常复杂，且无法有效减少工作泵的数量，节能效果有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种步进式加热炉液压系统的势能回收装置，结构简单，维修、改造成本低，能够保证在减少在线工作泵数量后，步进梁升降升降运动特性曲线不变，由势能回收装置负责填补流量缺口，从而降低能耗。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种步进式加热炉液压系统的势能回收装置，包括升降油缸、速度控制回路和势能回收装置，升降油缸的两端腔体的油口分别与速度控制回路连接，势能回收装置并联于升降油缸无杆腔回路上，势能回收装置与速度控制回路之间的连接主管道上设有开关调节阀组和流量传感器，开关调控阀组由若干二通插装阀组成。

按照上述技术方案，势能回收装置包括两个各自独立的蓄能器组，分别为一次增压蓄能器组和二次增压蓄能器组，开关调控阀组包括两组方向控制阀组，一组方向控制阀组位于油缸无杆腔与蓄能器组及速度控制回路之间，用于控制回收步进梁下降时重力势能转化成的液压能，同时负责控制节能回路与速度控制回路之间的切换工作，另一组方向控制阀组位于蓄能器组与速度控制回路进油管之间，负责参与控制能量的释放过程。

按照上述技术方案，增压蓄能器组包括蓄能液压管道和连接于液压管道上的多个蓄能器，蓄能液压管道的一端通过单向阀经方向控制阀组与升降油缸的无杆腔连接，单向阀用于保证液压能单项流动，蓄能液压管道的另一端经方向控制阀组与速度控制回路的进油管连接。

按照上述技术方案，液压管道上连接有电磁溢流阀和补油泄油回路；电磁溢流阀防止势能回收装置过载，当蓄能器组压力过高时，对系统进行卸荷。

按照上述技术方案，补油泄油回路包括依次连接的压力传感器、调速阀、液压锁和电磁换向阀。蓄能器通过液压管道与调速阀的一端连接，调速阀的另一端依次与液压锁和电磁换向阀连接，通过压力传感器反馈的信号控制电磁换向阀的动作，对蓄能器组进行补压或泄压，维持蓄能器组压力恒定。

按照上述技术方案，开关调控阀组包括四个二通方向控制阀，分别为第一二通方向控制阀、第二二通方向控制阀、第三二通方向控制阀和第四二通方向控制阀，组成两组方向控制阀组(即第一二通方向控制阀、第二二通方向控制阀为一组形成一个方向控制阀组，第三二通方向控制阀和第四二通方向控制阀为另一组形成另一个方向控制阀组)，每个二通方向控制阀上均带有方向控制盖板，第一二通方向控制阀一端与一次增压蓄能器组和二次增压蓄能器组相连，另一端与油缸无杆腔回路相连；第二二通方向控制阀一端与速度控制回路相连，另一端与油缸无杆腔回路相连；第一二通方向控制阀开启时第二二通方向控制阀必须关闭，反之亦然；第三二通方向控制阀一端与一次增加蓄能器组相连，另一端与速度控制回路进油管相连；第四二通方向控制阀一端与二次增压蓄能器组相连，另一端与速度控制回路进油管相连；第三二通方向控制阀开启时，第四二通方向控制阀必须关闭，反之亦然。

按照上述技术方案，第二二通方向控制阀的两端设置有溢流阀，负责调节节能回路与速度控制回路切换时产生的压力波动。

按照上述技术方案，速度控制回路进油管上装有单向阀，用于防止液压油回流。

按照上述技术方案，升降油缸上设有位移传感器。

按照上述技术方案，速度控制回路包括依次连接的平衡阀、比例换向阀1和压力补偿器。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过在步进梁升降速度控制回路上并联势能回收装置的方式，能够有效利用蓄能器组回收步进梁负载下降时产生的巨大重力势能，并将其转化成液压能，通过流量传感器与位移传感器交叉控制开关调控阀组的开闭，在步进梁下一次上升时加以利用，填补因减少在线运行工作泵的数量而产生的流量缺口，维持步进梁升降速度特性曲线不变；同时，本发明中势能回收装置与速度控制装置分别独立，用户可以直接在通用设计上增加势能回收装置，而不需要对整个系统进行拆除重建就能达到节能效果，具备维修、改造成本低，适用性高等特点。

附图说明

图1是本发明实施例中步进式加热炉液压系统的势能回收装置的结构示意图；

图中，1-比例换向阀，2-平衡阀，3-蓄能器组，4-升降油缸，5-位移传感器，7-单向阀，10-电磁溢流阀，11-溢流阀，13-电磁换向阀，14-液压锁，15-调速阀，16-压力补偿器，17-流量传感器；

8.1-第一压力传感器，8.2-第二压力传感器，8.3-第三压力传感器；

9.1-第一二通方向控制阀，9.2-第二二通方向控制阀，9.3-第三二通方向控制阀，9.4-第四二通方向控制阀；

12.1-第一高压球阀，12.2-第二高压球阀，12.3-第三高压球阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1所示，本发明提供的一个实施例中的一种步进式加热炉液压系统的势能回收装置，包括升降油缸4、速度控制回路和势能回收装置，升降油缸4的两端腔体的油口分别与速度控制回路连接，势能回收装置并联于升降油缸4无杆腔回路上，势能回收装置与速度控制回路之间的连接管道上设置有开关调控阀组和流量传感器17，由系统流量传感器17及升降油缸4的位移传感器5共同参与控制开关调控阀组的开闭。势能回收装置一端与油缸无杆腔连接，负责回收步进梁下降时产生的重力势能，另一端与速度控制回路进油管连接，负责填补流量缺口。

进一步地，势能回收装置包括两个并联的蓄能器组3，分别为一次增压蓄能器组和二次增压蓄能器组，开关调控阀组包括两组方向控制阀组，一组方向控制阀组位于油缸无杆腔与蓄能器组及速度控制回路之间，用于控制回收步进梁下降时重力势能转化成的液压能，同时负责控制节能回路与速度控制回路之间的切换工作，另一组方向控制阀组位于蓄能器组与速度控制回路进油管之间，负责参与控制能量的释放过程。

进一步地，主P管即压力油进油管，一般进油管为P，回油管为T，行业通用。

流量传感器17与升降油缸的位移传感器5共同参与方向控制阀组的调控，当流量传感器17检测到系统流量接近最大值时，流量传感器17将发讯让蓄能器组进行能量释放，对步进梁上升运动进行提速；当升降油缸的位移传感器5检测到步进梁接近托钢位或终止位时，位移传感器5将发讯让蓄能器组停止能量释放，由比例阀负责控制步进梁最终减速直至停止，流量传感器17和位移传感器5分别与各蓄能器组的控制器连接，各蓄能器组的控制器与开关调控阀组及比例阀连接。

进一步地，一次增压蓄能器组与二次增压蓄能器组之间设置有两个二通单向阀7，用于保证液压能的单项流动，两个蓄能器组独立工作。

增压蓄能器组包括蓄能液压管道和连接于液压管道上的多个蓄能器，蓄能液压管道的一端通过单向阀7经方向控制阀组与升降油缸4的无杆腔连接，单向阀7用于保证液压能单项流动，蓄能液压管道的另一端经方向控制阀组与速度控制回路的进油管连接。

液压管道上连接有电磁溢流阀10和补油泄油回路；电磁溢流阀10防止势能回收装置过载，当蓄能器组压力过高时，对系统进行卸荷。

进一步地，补油泄油回路包括依次连接的压力传感器、调速阀15、液压锁14和电磁换向阀13。蓄能器通过液压管道与调速阀15的一端连接，调速阀15的另一端依次与液压锁14和电磁换向阀13连接，通过压力传感器反馈的信号控制电磁换向阀13的动作，对蓄能器组进行补压或泄压，维持蓄能器组压力恒定。

开关调控阀组包括四个二通方向控制阀，分别为第一二通方向控制阀、第二二通方向控制阀、第三二通方向控制阀和第四二通方向控制阀，组成两组方向控制阀组(即第一二通方向控制阀、第二二通方向控制阀为一组形成一个方向控制阀组，第三二通方向控制阀和第四二通方向控制阀为另一组形成另一个方向控制阀组)，每个二通方向控制阀上均带有方向控制盖板，第一二通方向控制阀一端与一次增压蓄能器组和二次增压蓄能器组相连，另一端与油缸无杆腔回路相连；第二二通方向控制阀一端与速度控制回路相连，另一端与油缸无杆腔回路相连；第一二通方向控制阀开启时第二二通方向控制阀必须关闭，反之亦然；第三二通方向控制阀一端与一次增加蓄能器组相连，另一端与速度控制回路主P管相连；第四二通方向控制阀一端与二次增压蓄能器组相连，另一端与速度控制回路主P管相连；第三二通方向控制阀开启时，第四二通方向控制阀必须关闭，反之亦然。

进一步地，高压球阀12负责手动控制常规模式与节能模式的切换功能，高压球阀12的个数为3个，分别为第一高压球阀12.1、第二高压球阀12.2和第三高压球阀12.3，势能回收装置正常工作时，高压球阀12.3处于常闭状态。

进一步地，第二二通方向控制阀9.2的两端并联有溢流阀11，负责调节当步进梁下降到托钢位时，方向控制阀9.1关闭，方向控制阀9.2开启时可能产生的压力波动，让系统平稳运行。

进一步地，升降油缸4上设有位移传感器5，为控制回路提供反馈信号；由系统流量传感器17及升降油缸4位移传感器共同参与控制开关调控阀组的开闭。

升降油缸4的个数为两个。

进一步地，速度控制回路包括依次连接的平衡阀2、比例换向阀1和压力补偿器16。

所述的势能回收装置蓄能器组分别设有压力传感器，压力传感器与电磁溢流阀10、电磁换向阀13之间形成闭环控制，用于维持蓄能器组压力恒定。各二通方向控制阀均为二通插装阀。

本发明的工作过程：开启节能模式前，需要确保第一高压球阀12.1、第二高压球阀12.2是常开状态，第三高压球阀12.3为常闭状态，两个电磁换向阀13开至左位，当蓄能器组3达到设定压力后，两个电磁换向阀13回到中位，系统就绪。

当步进梁空载上升时，首先会进入逐步加速的状态，此时步进梁升降的速度全部由比例换向阀1的开口度决定。由于在线运行的工作泵数量减少，系统最大流量受限，当流量传感器17检测到系统流量已接近最大值时，第三二通方向控制阀9.3开启，由第一蓄能器3.1、第二蓄能器3.2组成的一次增压蓄能器组释放能量为系统提速。当油缸位移传感器检测到步进梁接近钢坯时，比例换向阀1开口度减小，当流量传感器17检测到通过的流量低于系统最大流量时，第三二通方向控制阀9.3关闭，有比例换向阀1控制步进梁缓慢托钢。

步进梁负载上升时，将重复上述步骤，当系统流量接近最大值时，二通方向控制阀9.4开启，由第三蓄能器3.3～第六蓄能器3.6组成的二次增压蓄能器组释放能量为系统进行二次提速。二通方向控制阀的控制回路上叠加有调速阀15，用于调整阀门开闭的速度，保证系统平稳增速。

步进梁负载下降时，第一二通方向控制阀9.1开启，第二二通方向控制阀9.2关闭，一次增压蓄能器组、二次增压蓄能器组共同参与回收步进梁下降时产生的全部重力势能并提供背压，此时步进梁下降速度由比例换向阀1进行控制。当油缸位移传感器5检测到钢坯即将接触加热炉步进梁时，第一二通方向控制阀9.1关闭，第二二通方向控制阀9,2开启，此时步进梁下降转为常规控制，由比例换向阀1控制步进梁降至低位。溢流阀11用于缓冲第一二通方向控制阀9.1、第二二通方向控制阀9.2开闭时，由于步进梁自重下降产生的惯性冲击。

一次步进循环后，第一压力传感器8.1、第二压力传感器8.2会对蓄能器组压力进行标定，通过电磁换向阀13、液压锁14、调速阀15组成的补油/泄油回路将再一次维持蓄能器组压力达到设定值。若步进梁下降过程中蓄能器组吸收了过量的能量导致压力增至设定上线时，两个电磁溢流阀10自动开启为系统泄压。两个单向阀7与第一二通方向控制阀9.1～第四二通方向控制阀9.4共同用于控制回收能量的单向流动，单向阀7位于势能回收回路最前端，设置在速度控制回路进油管上，用于防止在蓄能器组补油过程中，系统其他设备动作导致系统压力下降，蓄能器组能量外泄。此外蓄能器组3.1～3.6的设定压力不能过高，否则可能出现步进梁全程空载下降受阻的情况。因此在油缸有杆腔回路上设置有第三压力传感器8.3，当有杆腔压力达到系统压力而油缸无动作时，第一二通方向控制阀9.1应当自动关闭，第二二通方向控制阀9.2开启。第一二通方向控制阀9.1、第二二通方向控制阀9.2的控制盖板上均叠加有调速阀15，用于控制阀门开闭速度，减小阀门开闭时产生的冲击载荷，让系统平稳运行。

本发明的工作原理：步进梁升降液压控制回路通常采用比例阀配合压力补偿器16进行速度控制，以下简称速度控制回路，本发明在速度控制回路的基础上增加了一套势能回收装置。势能回收装置主要由蓄能器组、二通方向控制阀、压力传感器、流量传感器、单项阀、溢流阀以及补油回路组成。蓄能器分为一号与二号两个组，分别为一号蓄能器组(即一次增压蓄能器组)和二号蓄能器组(即二次增压蓄能器组)，负责共同回收步进梁负载下降时的产生的全部重力势能，将重力势能转化成液压能储存在高压蓄能器组中，并在下一次步进梁上升时分两次释放。带方向控制盖板的二通方向控制阀负责控制节能回路的通断，与速度控制回路一起参与步进梁升降的控制。

步进梁空载上升时，先由速度控制回路中的比例换向阀对升降油缸4进行逐步提速，由于减少了在线运行工作泵的数量，系统最大流量受限，此时一号蓄能器组方向控制阀开启，对系统进行一次提速，当步进梁快要接触钢坯时，油缸内置位移传感器会发讯让步进梁减速，此时一号蓄能器组方向控制阀关闭，速度交由比例换向阀控制。

步进梁托钢后负载上升时，依旧由速度控制回路中的比例换向阀先对升降油缸4进行逐步提速，到达系统最大流量时，二号蓄能器组方向控制阀开启，当步进梁快要抵达最高位时，传感器依旧会发讯，二号蓄能器组控制阀关闭，速度再由比例换向阀控制逐步降为零。

由于油缸有杆腔容积通常为无杆腔的一半，步进梁下降时压力油会进入油缸有杆腔。要想维持系统工作周期不变，那么在步进梁下降时至少需要系统最大流量的50％参与速度控制，那么剩下的50％则需要在步进梁下降时加以回收再利用。毫无疑问，步进梁负载下降时的重力势能更高。

当步进梁负载下降时，势能回收装置参与工作，通过方向控制阀将无杆腔与比例换向阀之间的通路截断，速度控制回路负责步进梁升降速度的控制，势能回收装置负责回收步进梁负载下降时的全部势能并提供背压。当钢坯逐渐减速被放置在加热炉固定梁上后，方向控制阀将势能回收装置的通路截断，由速度控制回路控制空载步进梁平稳着陆，如此循环往复。

势能回收装置设置有电磁溢流阀10、压力传感器与流量传感器。电磁溢流阀10用于实现系统过载保护与卸荷功能。流量传感器带模拟量信号，当步进梁上升系统流量接近最大值时，控制蓄能器组的开闭。压力传感器也带有模拟量信号，负责维持每一次步进循环后其他设备动作时，维持蓄能器组压力恒定。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。