热轧运输链运卷小车液压系统设计

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页1 绪论1.1 本课题的研究背景概述我们习惯于把宽度大于 900mm 的热轧板带材称为热轧板卷。由于前些年国内热轧板供给不足，国内许多中小企业选择上马了投资相对较少的带钢项目，使得我国带钢产量在近几年迅速增加。热轧是在轧制材料的再结晶温度以上进行的轧制过程。热轧的优点是可以破坏钢锭的铸造组织，细化钢材的晶粒，并消除显微组织的缺陷，从而使钢材组织密实，力学性能得到改善。这种改善主要体现在沿轧制方向上，从而使钢材在一定程度上不再是各向同性体；浇注时形成的气泡、裂纹和疏松，也可在高温和压力作用下被焊合。热轧的两次粗轧过程都由往复式万能轧机来完成。经第二架粗轧机轧制后，板坯被轧制成厚度约为 40mm 的带坯。用切头剪剪断端部后，带坯经精轧机组轧制，厚度减小到 1 至 3.5mm。最后，带钢被水冷至卷取温度。为达到质量要求并获得热轧带钢的性能参数，在精轧和冷却阶段，应对带钢的厚度、宽度、平整度和终轧温度进行精确控制。热轧的生产工艺如图 1.1 所示。热轧运输链运卷输送小车是在卷取后将钢卷运输到冷轧的生产线上，从而进行下一个轧制工艺过程。图 1.1 热轧的生产工艺辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页在热轧生产中，为了减少起重机和操作人员的数目，在某些场合下，运卷小车直接把钢卷从另一厂房的鞍座上运到本机组的开卷机上。但由于距离太长，又因为在钢卷小车上附带有液压管、电缆等，致使长距离工作时拖链负荷很大，经常发生拖链断裂故障，影响后续设备的正常运行。如果后续设备是退火炉，将导致停炉，造成很大的损失。这一直是工厂设备维护人员面临的一大难题。为此，提出一种运输链运输运卷输送小车。热轧 1580 运输链运卷小车是热轧生产中的重要组成部分，它包括了小车的水平行走动作以及升降动作。这些动作是由液压系统进行驱动完成的。采用液压系统将产生很好的效果，社会需求永远是推动技术发展的动力，降低能耗，提高效率，适应环保需求，机电一体化，高可靠性等是液压技术继续努力的永恒目标。液压传动与控制技术在国民经济各部门的广泛应用，推动着液压技术的飞速发展，液压系统设计与制造的复杂性也越来越高。液压系统具有很多优点：1）功率体积比大；2）液压传动系统在很大范围内能实现无级变速；3）液压传动系统容易实现自动化；4) 液压装置的工作比较平稳，且易实现过载保护；5) 液压执行元件的布置比较灵活，易于实现直线运动，并且液压元件已实现标准化、系统化合通用化等。液压系统正是由于这些突出优点而得到广泛的应用。1.2 课题研究的对象及目的在冶金工业的生产过程中要使用大量具有大型、重载、连续生产等特点的机械和设备，其工作环境多数是高温、多尘的恶劣条件。随着产量的增加、产品质量要求提高，对冶金机械和设备控制精度和自动化程度也提出了更高的要求。液压技术的特点正适合上述工作特点和要求，因此在冶金工业中显示出其独特的优越性，近年来得到愈来愈广泛的应用。本课题的研究对象即是在鞍山钢铁公司热轧精整生产线前后搬运钢卷的液压小车，该运卷小车是运输从步进梁传送过来的钢卷，运输到开卷机上。小车要求实现往返钢卷、升降钢卷的动作，由于连续作业，以及钢卷质量的原因，系统对速度、安全性有严格的要求。目前在实际中使用的系统采用普通的电磁换向阀控制小车的启动、运行和停止，给出控制信号后，便不管输出的变化，是一个开环系统。由于钢卷质量大，运动中产生的惯性较大，使得小车不能达到要求的位置精度，并且速度变化曲线不圆滑，加速度大，无法达到最优，严重时可能出现钢卷从小车上跌落，辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页存在极大的安全隐患。因此对小车提出了一些要求：1）钢卷侧边不能擦伤、碰伤；2）运行中钢卷稳定，不松圈；3）小车要外形尺寸小，结构紧凑，运输连续性较好；4）自动化控制，在限定的时间内完成所有的动作。因此，该题目是要设计一个较好的液压控制系统，从而能更好地完成控制运输链运卷小车准确、平稳地运输钢卷。1.3 课题研究的液压系统问题的提出运卷小车结构如图 1.2 所示。在运输链运卷小车的车体上，装有四个车轮。运卷车由走行液压缸驱动，可在轨道上走行。运卷车本体上还带有升降导向框，升降液压缸也安装在本体上。升降承卷架在导向框中被导向，由液压缸驱动进行升降。图 1.2 运卷小车结构示意图1） 运卷小车的升降和平移都要保压，当小车升到高位和平移到前位时能保持原状，不能出现自动下滑现象，使得小车的自动功能不会受到影响。因为小车下滑，高位开关不能准确检测小车的位置，使得自动化控制不能实现。为了解决不能保压的问题，液压系统的换向阀可选择“Y 型” 中位机能，使得小车升到高位或平移到前位时，在电磁铁断电的情况下，换向阀处于中位，保证中位时控制油路卸压、实现系统的保压，提高油路控制精度，使得小车不再下滑，实现系统的自动控制。2）小车的动作非常慢，阀体本身有节流现象，严重影响生产的节奏，耽误生产。这个问题的产生有很多的原因，为了解决这个问题可以采取很多方法。比如更换换向阀，更换油液等。应该具体分析问题所在，及时解决问题。3）平移系统的换向阀没有应急手动按钮，对调试很不利，耽误处理问题的时间。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页因此。应该对换向阀进行改进。经过对阀体结构的分析研究，把换向阀的电磁铁芯换成带有应急手动按钮的常规阀的电磁阀铁芯，而阀本体不变。1.4 本课题研究的前景热轧运输链运卷小车系统实现液压全自动控制控制，保证钢卷在运输线上的连续、准确、平稳和快速、循环运行，使得钢卷运输快捷流畅。随着微处理机技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，自适应 PID 控制、模糊 PID 控制、智能 PID 控制技术将与机、电、液有机结合，使得热轧运输链运卷小车液压系统不断满足热轧带钢连轧生产的多品种、高质量、快节奏要求，从而为钢铁产业的发展提供源源不断的新技术、新力量，为钢铁产业做出新的更大贡献。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页2 液压缸的工况分析2.1 已知参数钢卷重 25 T升降架重 5T小车重 10T运卷小车升降高度 500 mm运卷小车行走距离 5 m运卷小车升降缸上升速度 100mm/s运卷小车升降缸下降速度 144mm/s运卷小车行走缸前进速度 350 mm/s运卷小车行走缸返回速度 680 mm/s系统响应性 3Hzcf系统稳态误差 es10mm2.2 液压缸的动力分析2.2.1 升降液压缸负载循环图负载力 FG=3105 N 摩擦力 Ff= FG=3105 N 惯性力 Fi=Ma= = =1.5104 Ntgv2.01351) 启动阶段 F=Ff=3105 N2) 加速阶段 F=Ff+ Fi=3.15105 N3) 匀速阶段 F=Ff=3103N4) 减速阶段 F=Ff- Fi=2.85105N由以上计算可得升降液压缸的负载循环图如图 2.1 所示。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6 页图 2.1 升降缸负载循环图2.2.2 横移液压缸负载循环图负载力 FG=3105 N 静摩擦力 Ffs = FG =0.23.5105 N=7104N s动摩擦力 Ffd= =0.13.5105 N=3.5104 N s惯性力 Fi=Ma= = N =2.45104 NtgvG.013.1) 启动阶段 F=Ffs=7104 N2) 加速阶段 F=Ffd+ Fi=(3.5104 +2.45104)N=5.95104 N3) 匀速阶段 F=Ffd=3.5104 N4) 减速阶段 F=Ffd- Fi=(3.5104-2.45104)N=1.05104 N由以上计算可得升降液压缸的负载循环图如图 2.2 所示。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 7 页图 2.2 横移液压缸负载循环图2.3 液压缸的运动分析升降液压缸的位移循环图如图 2.3 所示。图 2.3 升降液压缸的位移循环图升降液压缸的速度循环图如图 2.4 所示。图 2.4 升降液压缸的速度循环图横移液压缸的位移循环图如图 2.5 所示。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 8 页图 2.5 横移液压缸的位移循环图横移液压缸的速度循环图如图 2.6 所示。图 2.6 横移液压缸的速度循环图辽宁科技大学本科生毕业设计 第 9 页3 液压缸工作面积的结构尺寸的确定 选取系统的工作压力（即液压缸进口处的压力）为 pL=16MPa。3.1 升降液压缸结构尺寸的确定对升降液压缸进行受力分析，受力分析如图 3.1 所示。图 2.1 升降液压缸受力分析由图 2.1 可得活塞的力平衡方程为pL A1=p 2 A2 + M g (2.1)式中， pL负载压力（MPa） ，取 pL=16MPa；A1液压缸无杆腔面积（m 2） ；A2液压缸无杆腔面积（m 2） ；辽宁科技大学本科生毕业设计 第 10 页p 2考虑管路损失及效率等因素(MPa)，取 p2=1MPa；M负载（ Kg） ，M =（25+5）10 3 Kg =30103 Kg ；g重力加速度，取 g=10N/kg；若液压缸面积比为 =2 21A将以上数据代入公式(2.1)式得 16106 A1 =1106 A2+3010310解得 A1 =193.55 cm2 ，A 2=96.78 cm2那么液压缸的直径D1= = =157.02 mm44105.93式中，D 1液压缸的直径（mm）活塞杆的直径d1= = = =111.03 mm24