板带轧机换辊液压系统设计

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页1 绪论液压传动是一门较新的技术，是有很多其他传动所不能比拟的独特优点。因此，近年来，各种机械设备应用液压技术越来越普遍。世界各国对液压机械装置的需求量也急速上升。目前，液压技术不仅应用于一般机械、高精密机械和超大型设备，而且还应用于航海与海洋技术开发技术中。同时，也正应用于各种生活设施中。总之，液压技术已经广泛地深入到各个领域。我国的液压技术发展的也很快。特别是在工程机械、锻压机械、金属切削机床、采掘设备、轧钢设备、农业机械等机械制造和国防工业等一些部门。液压技术的应用日益增多。现在，我国已经制定了一些液压传动的技术标准，自行设计了各种液压元件，在标准、系列化、通用花方面做了大量工作。在液压技术的研究方面也取得了可喜的成果。1.1 液压传动技术的发展和趋势远在 17 世纪至 19 世纪，欧洲人对液体力学、流体传动、机构学及控制理论与机械制造就做出了主要贡献。其中包括 1648 年法国的 B.帕斯卡提出的液体中压力传递的基本规律。1850 年英国工程师 William George Armstrong 关于液压蓄能器的发明以及1895 年英国人约瑟夫布瑞玛的第一台液压机的英国专利。这些贡献与成就为 20 世纪的液压传动与控制技术的发展奠定了科学与工艺基础。19 世纪，工业上所使用的液压传动装置是以水作为介质，因其密封问题一直未能很好的解决以及电器传动技术的发展竞争，曾一度导致液压技术停滞不前。20 世纪 30 年代后，由于车辆、航空、船舶等功率传动的推动，相继出现了斜轴式及弯轴式轴向柱塞泵、径向和轴向液压马达。1936 年 Harry Vickers 发明了先导控制阀为标志的管式系列液压控制元件。第二次世界大战期间，由于军事上的需要，出现了以电液伺服系统为代表的响应快、精度高的液压元件和控制信号。从而使液压技术得到迅猛发展。20 世纪 50 年代，随着各国经济的恢复和发展，生产过程自动化的不断增长，使液压技术很快转入民用工业，在机械制造、其中运输机械及各类施工机械、船舶、航空等领域得到广泛发展。20 世纪 60 年代以来，随着原子能、航空航天技术、微电子技术的发展液压技术在辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页更深更广阔的领域里得到了发展。这期间出现了板式、叠加式液压阀系列。发展了以比例电磁铁为电器机械转换的电液比例控制阀并被广泛用于工业控制中，提高了电液控制系统的抗污染能力和性能价格比。70 年代出现了插装式系列液压元件。80 年代以来，液压技术与现代数学、力学微电子技术、计算机技术、控制科学等紧密结合，出现了微处理机、电子放大器、传感测量元件和和液压控制单元相互集成的机电一体化产品，提高了液压系统的智能化程度和可靠性，并应用计算机技术开展了对液压元件和系统的动、静态性能数字传真及结构的辅助设计和制造。如前所述，随着科学技术的进步和人类环保、能源危机意识的提高，近 20 年来，人们重新认识和以历史上以纯水作为工作介质的纯水液压传动技术，并在理论上和应用研究上，都得到了持续稳定地复苏和发展。正在逐渐成为现代液压传动技术的热点技术和新的发展方向之一。21 世纪必将是信息化、网络化、知识化和全球化的世纪。信息技术、生命科学、生物技术和纳米技术等新科技的日益进展，必将对液压传动和控制技术的研究、设计观念及方法。对包括液压阀在内的各种液压产品的结构与工艺的应用领域带来革命性的变化。液压技术也必将广泛应用诸多高科技的成果。如自动化控制技术、微电子技术可靠的技术及其新的工艺、新材料等使传统的液压技术有新的发展，也使液压系统及其元件的质量、水平有一定的提高。起发展趋势必将集中在如下几个方面：1、减少能耗，充分利用能量，提高效率；2、提高控制功能，适应机电一体化发展；3、提高可靠性、寿命、安全性和维修性；4、环境保护及低噪音、振动，无泄漏；5、适应国际市场的需求。1.2 课题的研究内容和方法近年来，国外轧钢行业相继出现了高效化、自动化等低能耗环保型新轧钢企业。二辊轧机液压辅助系统作为其中一个环节也不容忽视，值得研究。总的来说，液压传动技术的发展方向是：大型化、连续化、高速化和自动化。发展的途径是，提高产品性能、高效节能、用微电子技术改进传统液压系统、发展机电一体化产品、提高设备使用寿命和改善操作性能等。这无疑对液压元件同时有很高的要求：辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页1、高精度和高响应。提高电液位置控制系统的精度。如轧机板厚、板宽等2、提高元件的可靠性。如电磁阀的使用寿命要达到 1000 万次以上。3、广泛采取集成化（插装阀、叠加阀等）和符合化元件及系统。4、易维修，实现液压系统的故障自动诊断。5、适应 IS014000 环境保护标准要求，开发并应用水压技术。轧辊磨损后，几何尺寸和轧辊形状均将发生变化，为了保证轧材质量，必须及时更换轧辊。轧制速度的提高，更加加速了轧辊的磨损，使得轧辊的更换次数越来越频繁。然而换辊装置的基本类型很多，但利用液压系统作为辅助系统的换辊装置较其他方法来比，更能缩短换辊时间，有利于保证产品质量，减少停机时间，提高轧机作业率，增加产品产量和降低成本。而且，由液压系统组成的换辊装置类型结构简单，易于实现自动化且在换辊过程中灵活多变，容易控制。在现代化的冷轧中较为常用的换辊装置如下：1、横移小车式换辊装置这种装置主要由换辊车和推杆组成。换辊车是一台双层电动小车，车上带有二对轨道的平台（可沿车架滑道作横向移动） 。平台下面也有一台小车，它可以沿轧机旁铺设的轨道纵向移动。其主要的换辊步骤可简要描述为：换辊小车前进至轧机旁；推杆推出旧轧辊至小车上；换辊小车横移；新轧辊被拉回轧机内；换辊小车退回。2、横移平台式换辊装置它由换辊小车和横移平台组成。换辊小车作用于横移小车式一样。横移平台的作用是当旧轧辊拉出后，将新轧辊对准轧机机座的中心线，以便将新轧辊顺利推入机座中。其主要的换辊过程有：旧轧辊拉出；横移平台横移；新轧辊推入轧机座；旧轧辊移走；横移平台恢复原位。除了上述的两种方式外还有，转盘式换辊装置、套筒换辊装置和 C 型钩换辊装置等。从理论角度和上述的换辊方式来分析，本设计的液压系统由如下几个液压缸组成：平衡缸、上升缸、抱紧缸和换辊缸。通过这几个液压缸的动作将两根 1.2 米长，直径为0.8 米的轧辊平稳更换。设计时，不仅要满足系统的最终目的换辊，还充分考虑所设计系统的可实施性，及在换辊过程中的平稳和快速。尤其是阀块在实际工作中的工作情况和换向阀，液控单向阀的选取。除了考虑整个系统的压力，流量的因素，各个辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页元件的实用性，经济性等也是很重要的因素。2 设计要求及系统工作过程简介2.1 设计要求本次设计的液压系统为板带轧机换辊装置的液压传动系统。在设计过程中要求将二辊轧机中的长度为 1.2 米，直径是 800mm 的两个轧辊能被顺利推出和拉回，该系统通过五个液压缸来执行全部动作，在各个动作中，要求液压缸动作平稳，压力冲击小。能源及控制部分由液压站提供（如图 2.1） ，而操作控制则由电气系统控制完成，液压缸是系统的执行部分。 图 2.1 液压泵站2.2 系统工作过程整套轧机设备的液压系统的工作过程是：当电动机通电工作后，使得液压泵从油箱吸油。从液压泵出来的压力油经管式单向阀后给蓄能器充进压力油，然后压力油进入控制元件电磁换向阀。先使平衡缸的控制阀带电进行工作，压力油进入平衡缸的无杆腔端，活塞杆伸出，到达行程末端停止。其次是抱紧缸在电磁换向阀控制下工作抱紧轧辊，抱紧机构是连接在刚性机架上的，完成抱紧的动作后，上升缸在控制阀的作用下提升整个机架，到达换辊位置。控制阀处于中位，液压回路锁紧。换辊缸开始动作，在推力和惯性力的作用下使得轧辊推出完成一个工作循环。空 气 滤 清 器滤 清 器 阀 块 组电 动 机 液 压 泵辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页3 液压系统设计本系统是全套的液压系统设备，根据现场实际情况和液压传动系统设计过程，确定系统的基本组成如下：系统由多个缸组成，每个缸都与控制阀结合组成单独的回路，系统的液压原理图如图 3.1 所示。图 3.1 液压系统原理图3.1 系统回路设计方案液压回路就是将液压泵、液压马达、液压缸、液压阀、管路、油箱等液压元件有次序有组织的联接起来。能够实现某种特殊的功能和性能。按照作用的不同，液压基本回路包括压力控制回路、速度控制回路、方向控制回路、多执行元件动作回路、液压油源控制回路等。根据现场实习情况和所学的知识分析，该系统应该由五个基本回路组成。油源回路、平衡缸回路、上升缸回路、抱紧缸回路、换辊缸回路。虽然回路辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6 页较多，但是每个回路的功能相似，进而每个回路的液压元件也很相同。这可以从图 3.1清楚的看到。3.1.1 油源回路图 3.2 油源回路由图 3.2 所示，该回路由电动机、变量柱塞泵、管式单向阀、溢流阀、压力表（开关） 、空气滤清器、回油滤油器和液位计组成。油源回路除了有效地供给液压缸等执行器必要的功能、性能所需的流量和压力外，还考虑其安全性、温度的调节及油液污染的清除等情况。这个回路是操纵二位二通电磁换向阀使溢流阀卸荷的。是定量泵并联溢流阀回路。单向阀是防止因系统压力突然增加而损害液压泵；溢流阀起到卸荷的作用；滤油器是液压系统中对油液进行过滤的重要元件。 3.1.2 平衡缸平衡系统回路（图 3.3） 图 3.3 平衡缸平衡系统回路在这个回路中用到双单向节流阀、液控单向阀和电磁换向阀。双单向节流阀起到出口节流调速控制；液控单向阀用于对液压缸锁闭、保压，同时用于防止活塞杆在轧辊重力作用下的自动下滑。通过改变电磁换向阀的工作位置而改变油液的流动方向 3。3.1.3 抱紧缸同步动作系统回路（图 3.4）这个回路的组成和平衡缸回路近似一样。各个元件的功能也相同。只是这个回路的双单向节流阀是进油节流调速控制。在将两根轧辊抱紧的过程中，要求两个液压缸平 衡 缸辽宁科技大学本科生毕业设计 第 7 页能实现同步，再次在抱紧过程中要求压力保持性能好。液压缸不允许有泄漏现象，惯性力不能太大，动作应该缓慢而稳。3.1.4 上升缸提升系统回路这个回路的组成和平衡缸回路的组成完全一样，因为他们在换辊的过程中起的作用也大同小异。上升缸上升时要保持平稳的特性，而且在停止时保持锁紧防止下滑，将整个机架提升都是通过该回路来实现。3.1.5 换辊缸换辊系统回路（图 3.5）由于这个回路中液压缸是水平放置的所以不再需要液控单向阀的锁紧。工作时要平稳的推出旧轧辊和平稳的拉回新轧辊，所以要求其缓慢动作 2。 图 3.4 抱紧缸同步动作系统回路3.2 液压阀块的设计 液压阀块是液压系统无管化连接方式的一种常用方法，它不仅能简化液压系统的设计和安装，且便于实现液压系统的集成化和标准化。它有以下特点1、利用标准元件或标准参数的元件，按典型动作与块 体构成标准回路，选块叠积组成系统，大大的缩短 了设计和制造周期。 2、基本回路和液压系统的变化灵活。 3、省去了大量管子和接头，结构紧凑，占地面积小。 4、元件距离近，油道短，压力损失小，效率高。 5、无管子引起的振动、泄漏小，系统稳定性好。 6、安装、使用、维修方便。 图 3.5 换辊缸换辊系统回路7、工艺性好，便于成批生产。8、利用通用化、系列化、标准化 4。换 辊 缸抱 紧 缸辽宁科技大学本科生毕业设计 第 8 页3.2.1 阀块六个表面的功能液压阀块共有六个表面，如上图 3.6，其各个表面的功用如下： 顶 面 后 侧 面右 侧 面底 面前 侧 面左 侧 面图 3.6 液压阀块1、顶面和底面阀块的顶面和底面为叠积接合面，表面布有公用压力油孔 P、公用回油孔 T 及四个螺栓孔.2、前面、后面和右侧面右侧面：安装经常调整的元件，有压力控制阀类如溢流阀、减压阀、顺序阀等，流量控制阀类如节流阀、调速阀等。前侧面：安装方向阀类，如电磁换向阀、单向阀等；当压力阀类和流量阀类在右侧面安装不下时，应安装在前侧面，以便调整。后侧面：安装方向阀类等不调整的元件。3、左侧面左侧面设有连接执行机构的输出油口，外侧压点及其他辅助油口，如蓄能器油孔、接设备用压力继电器油孔等 4。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 9 页3.2.2 阀块的设计依据及注意事项阀块的油路应以液压系统原理图为根据。阀块图纸上要有相应的原理图，原理图反映油路的连通性外，还要标出所用元件的规格型号、油口的名称及孔径，以便液压阀块的设计。设计阀块前，首先要读懂原理图，然后确定哪一部分油路可以集成。每个块体上包括的元件数量应适中。元件太多，阀块体积大，设计、加工困难；元件太少，集成意义不大，造成材料浪费。设计阀块时，应使油路尽量简捷，同时要注意进、出油口的方向和位置。还要考虑到有垂直度和水平安装要求的元件，必须保证安装后符合要求。3.2.3 阀块内的油道孔设计阀块体内的油道孔，用以联系各个控制元件，构成单元回路及液压控制系统。油液流经块体内油道孔的压力损失与块体的油道孔的孔径尺寸形状以及光滑度有关。通油道孔过小、拐弯多、内表面粗糙，压力损失较大；油道孔径过大，压力损失虽可减小，但会造成阀块体外形增大。所以，设计块体内油道孔时，应尽量缩短油道长度，减少拐弯，合理确定油道孔的通流截面积。在布置阀块孔道时，首先根据系统的总体布置确定各个油口的方向，互相沟通的元件应尽量置于相互垂直的相邻面上以简化孔道布置，然后走通主油路，再完成小通径的油路和控