机械毕业设计（论文）-卷取机助卷辊部分液压系统设计（全套图纸） .pdf

内蒙古科技大学 本科生毕业设计说明书 题题 目：卷取机助卷辊部分液压系统设计目：卷取机助卷辊部分液压系统设计 学生姓名：学生姓名： 学学 号：号： 专专 业：业： 班班 级：级： 指导教师：指导教师： 目录 摘要 1 abstract . 2 第一章 绪论 3 1.1 课题概述 . 3 1.2 课题研究意义 . 3 1.3 卷取机简述 . 3 1.3.1 卷取机的结构组成 . 3 1.3.2 卷取工艺过程. 5 1.4 助卷辊结构特点 . 6 1.5 卷取机未来的发展趋势 7 1.5.1 液压卷取机踏步控制系统优化 . 7 1.5.2 助卷辊的辊型改进 . 7 1.5.3 新一代热轧强力地下卷取机 . 8 第二章 液压系统功能原理设计计算 . 9 2.1 设计说明及题目分析 9 2.1.1 设计题目 9 2.1.2 基本技术要求. 9 2.1.3 液压部分基本组成 . 9 2.2 系统设计要求 . 9 2.2.1 配有液压助卷辊的卷取机的说明 . 9 2.2.2 液压缸动作顺序分析 . 10 2.3 液压系统负载分析 10 2.4 确定液压系统主要参数 12 2.4.1 初选执行元件的设计压力 . 13 2.4.2 计算和确定液压缸的主要结构尺寸 . 13 2.4.3 计算液压缸所需流量 . 14 2.5 初步拟定液压系统原理 15 2.5.1 制定液压回路方案 . 15 2.5.2 主回路的方案设计 . 16 第三章 液压元件的选择 17 3.1 液压系统元件选择的一般原则 17 3.2 液压泵的选用 17 3.3 液压控制阀的选择 19 3.3.1 液压控制阀的分类 19 3.3.2 阀的选型结果. 19 3.4 液压辅助元件及工作介质的选择 21 3.4.1 油箱容量的确定 . 21 3.4.2 过滤器的选择. 21 3.4.3 蓄能器的选择 22 3.4.4 油管和管接头的确定 . 22 3.4.5 压力表与压力表开关的选择 . 27 3.4.6 液压工作介质的选定 . 27 第四章 液压缸的设计 28 4.1 伺服缸的设计特点 28 4.1.1 液压缸的分类. 28 4.1.2 伺服液压缸的设计内容和步骤 . 29 4.2 设计液压缸时应注意的问题 30 4.3 液压缸的负载及速度的确定 31 4.4 液压缸的主要尺寸参数的确定 31 4.4.1 确定缸筒内径 d，活塞杆直径 d 31 4.4.2 液压缸行程 s 的确定 . 31 4.5 液压缸油口尺寸的确定 31 4.6 液压缸的结构设计 32 4.6.1 缸筒和缸盖组件 . 32 4.6.2 活塞和活塞杆组件 . 34 4.6.3 缓冲装置 35 4.6.4 排气装置 36 4.7 选择液压缸的安装连接结构 . 36 4.8 液压缸传感器的选择. 36 第五章 液压控制阀组的集成化设计 . 38 5.1 液压控制阀组的集成方式 38 5.2 选定无管集成液压阀组的类型 38 5.3 无管集成液压阀组的设计流程及要求 40 5.4 液压控制阀组块式集成的结构设计 42 5.4.1 分解液压系统并绘制集成块单元回路图 . 42 5.4.2 集成块的设计. 42 第六章 液压系统主要性能的验算 . 46 6.1 液压系统压力损失验算 46 6.1.1 管道的沿程压力损失的计算 . 46 6.1.2 管道局部压力损失的计算 . 47 6.1.3 阀类元件的局部压力损失的计算 . 48 6.2 液压系统效率的计算 48 6.3 发热温升验算 . 49 6.3.1 液压系统发热功率计算 . 49 6.3.2 液压系统散热功率计算 . 50 参考文献 51 结束语 52 1 摘要摘要 本次毕业设计的题目为卷取机助卷辊的液压系统。 连续式热轧板带轧机， 由于生产率高， 产量大，所以已成为热轧板带的主要生产方式。在这种连轧机的生产线上，一般装设有两台 或三台热轧板带卷取机，将连轧机组轧出的板带卷成板卷，以便继续运送和储存。由于地下 式卷取机生产率高、便于卷取宽且厚的带钢、卷取速度快、钢卷紧密，所以现代热连轧生产 线上主要采用地下式卷取机，并且有助卷辊助卷。助卷辊数目因不同卷取机而异，一般为 2、 3、4、8 个。所以这种卷取机被称为多辊卷筒式卷取机。地下卷取机作为连轧机组生产线上 的重要设备，被称为热轧带钢厂的心脏。轧钢生产实践证明，卷取机的工作状态直接影响连 轧机生产力的发挥。所以必须保证在生产期间的安全连续运转。由于助卷辊对板材产品质量 和钢卷卷型有重要影响, 因此对助卷辊的液压系统进行系统研究意义重大。 关键词：地下卷取机；助卷辊；液压系统 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 2 abstract the graduation project was titled coiler roll hydraulic system. continuous hot strip mill, the production rate, yield, so the hot- rolled strip has become a major production. in this rolling mill production line, generally equipped with two or three hot- rolled strip coiler, rolling mill will be rolled out of the strip wound into coils in order to continue transporting and storage. since underground coiler high productivity, easy coiling strip wide and thick, coiling speed, tight coils, so modern hot rolling production line mainly uses underground coiler and helped roll wrapper . wrapper roll number varies due to different coiling machine, usually 2,3,4,8 months. therefore, this is known as multi- roll winder reel coiler. coiler rolling mill production line as an important device, known as the hot strip mill in the heart. rolling production proved that the working status of the coiler mill productivity directly affects play. it is necessary to ensure safety during the production of continuous operation. since wrapper roll on the plate product quality and type of steel rolls have a major impact, so the wrapper roll systematic study of the hydraulic system is significant. keywords：down coiler；wrapping roller；hydraulic system 3 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题概述课题概述 本次毕业设计的题目为卷取机助卷辊的液压系统。 连续式热轧板带轧机， 由于生产率高， 产量大，所以已成为热轧板带的主要生产方式。在这种连轧机的生产线上，一般装设有两台 或三台热轧板带卷取机，将连轧机组轧出的板带卷成板卷，以便继续运送和储存。由于地下 式卷取机生产率高、便于卷取宽且厚的带钢、卷取速度快、钢卷紧密，所以现代热连轧生产 线上主要采用地下式卷取机，并且有助卷辊助卷。助卷辊数目因不同卷取机而异，一般为 2、 3、4、8 个。所以这种卷取机被称为多辊卷筒式卷取机。 1.2 课题研究意义课题研究意义 地下卷取机作为连轧机组生产线上的重要设备，被称为热轧带钢厂的心脏。轧钢生产实 践证明，卷取机的工作状态直接影响连轧机生产力的发挥。所以必须保证在生产期间的安全 连续运转。由于助卷辊对板材产品质量和钢卷卷型有重要影响, 因此对助卷辊的液压系统进 行系统研究意义重大。 地下卷取机作为一种机电液系统集成设备，国内能成套制造的也只有少数厂家。例如宝 钢 1580 mm 热带钢轧机采用日本三菱重工制造的两台液压三助卷辊式卷取机 （2 号卷取机为 中外合作制造） ，考虑到将来生产发展的需要，预留了 3 号卷取机位置，电气设备由三菱电机 提供。 在带钢卷取生产过程中，由于机械磨损和累积误差的原因，会造成助卷辊和卷筒之间的 零点偏移，为保证卷取控制效果，需要不断进行助卷辊和卷筒之间的辊缝零位的重新标定。 在更换卷筒或助卷辊后，同样也需要进行零点标定。因此助卷辊辊缝标定操作是卷取生产过 程中的重要操作之一。为避免造成助卷辊和卷筒的机械损伤或对最终的卷取质量、助卷辊最 初的踏步控制效果产生不良影响，从而产生生产过程中的重要隐患，必须对助卷辊液压系统 进行系统性研究。 1.3 卷取机简述卷取机简述 1.3.1 卷取机的结构组成 目前为三助卷辊全液压卷取机为应用最广的卷取机形式。 以宁波建龙 1780 mm 卷取机为 例进行说明。此卷取机由机架、底座、卷筒、助卷辊、活动支撑等组成（见图 1.1、图 1.2） 。 4 图 1.1 卷取机剖面图 图 1.2 卷取机侧视图 机架。机架为整体焊接结构件，主板厚度 200 mm，机架上的用于支撑助卷辊臂铰点的 轴承座用预紧螺栓固定，在检查和维修时，用安全销插入锁定助卷辊臂。横梁为实心焊接结 构件，用于连接两个机架部分，并支撑助卷辊控制缸。机架通过 t 形头螺栓固定在底座上。 底座。底座用于安装卷取机机架，底座为钢板焊接结构件，底座通过地脚螺栓固定在基 础上，并有横梁将 1#、2#卷取机刚性联接，1#、2#卷取机间的横梁上安装 2#张力辊，在 1# 卷取机前横梁与基础相联，横梁上安装 1#张力辊。 卷筒。卷筒结构为 4 块扇形板支撑在棱锥形心轴上（见图 1.3）,心轴在卷筒轴体内滑动， 通过联轴器与胀缩缸相连，卷筒轴体内的楔形块是为了抵抗卷取时的径向力。在扇形板和心 轴之间的连杆是为了抵抗向外的径向力。扇形板通过一个稳定的滑动面轴向固定在卷筒操作 侧。胀缩缸驱动心轴移动，心轴上有 18斜面，通过径向分力使楔形块作径向移动，从而驱 动扇形板直径扩大和缩小。楔形块内有耐热弹簧，用于平衡卷筒空载时扇形板、连杆、销轴、 5 及心轴间的间隙。 卷筒轴体在传动侧用两个双列圆锥滚子轴承支撑， 此轴承用预紧螺栓固定， 在操作侧用双列圆锥滚子轴承辅助支撑。卷筒轴体用合金热处理钢制造，扇形板用高合金耐 热锻钢制造，心轴、连杆和联接件用不锈钢材质，楔形块用钢制造，滑动面堆焊铜。 图 1.3 卷筒剖面图 卷筒轴承座用于支撑卷筒轴，座体为合金铸钢件，用预紧螺栓联接座体的各个部件，轴 承座上有轴承孔，用于安装带有轴套的滚动轴承，用键把轴承座安装在卷取机机架上，用预 紧螺栓固定。胀缩缸通过法兰固定在卷筒轴体和齿式联轴器上，用心轴联接活塞。旋转供油 器位于减速机传动装置的传动轴的延长部分上，用于把压力油送到胀缩缸。在液压旋转接头 后另有一个干油旋转接头，用于将干油送到卷筒端轴处的干油分配器，实现卷筒自动干油润 滑。 助卷辊。助卷辊为实心辊子，表面喷焊硬质合金耐磨材料，辊子两侧由调心滚子轴承支 撑，轴承具有油脂润滑和迷宫式密封件。辊子通过轴承座用预应力螺栓把合在助卷辊臂上。 成形导板用于导向助卷辊之间的带材，接触面要与助卷辊面配合，枢轴转动维修时可用安全 销定位卡住。助卷辊臂为铸焊件，用步进液压缸单独驱动使其摆动，液压缸带位移传感器， 用步进方法跳过带头。助卷辊架为铸焊结构，与成形导板的把合采用预应力螺栓，入口上导 板端部装有表面喷焊硬质合金的导向辊，可以减少钢板表面擦伤。助卷辊臂通过轴套与机架 铰接，液压缸支座与机架用轴套相联，液压缸杆与助卷辊臂以锥套形式铰接。 活动支撑。活动支撑在卷取机的操作侧，设计成旋转外置活动支撑，其作用是在卷取期 间支撑卷筒轴，活动支承为液压缸驱动夹钳式，与卷筒支承的间隙由四个铰链点的偏心轴调 整。一旦卷取完成，活动支撑的两个支撑杆摆开，卸掉带卷。液压缸固定在卷取机机架上， 用于旋转活动支撑的支撑杆。 1.3.2 卷取工艺过程 通过激光传感器对带钢进行跟踪，在开始卷取时，带头依次进入 1、2、3#助卷辊，助卷 辊进行自动踏步控制（ajc） ，防止带钢表面产生压痕，同时将带钢卷紧。35 圈以后，卷 筒胀紧钢卷后，助卷辊打开，卷取机进行稳定卷取，卷到最后几圈时，助卷辊压紧带尾，以 免松卷。 当卷取工作将要结束时，活动支承打开，卸卷小车行至钢卷下方使升降架托辊上升，并 托住钢卷,托辊随钢卷转动，当钢卷头部位于其正下方且压紧在卸卷小车上时，卷筒停转。当 卷筒停转后，卷取机卷筒缩径卸卷。当卸卷车和钢卷移出卷取机后，外支撑复位，抱住卷筒； 同时 13#助卷辊设置卷取下一块带钢的初始辊缝。 6 1.4 助卷辊结构特点助卷辊结构特点 助卷辊。助卷辊为实心锻造辊，辊身表面喷焊烧结硬质合金层，以提高辊子表面的硬度， 这样，不仅增强了耐磨性，而且也避免了擦伤带钢的表面。助卷辊两端带有迷宫式密封的干 油润滑滚动轴承装置。辊子由电机通过十字头万向接轴和速比为 11 的圆柱齿轮减速机传 动。 助卷辊在打开和抱拢过程中万向接轴长度发生变化， 从而使作用力直接作用到减速机上， 这样既可保护电机， 又可以减少万向接轴摆角， 使万向接轴的使用更为合理， 助卷辊见图 1.4。 助卷辊传动装置包括联轴器、减速机、万向接轴。减速机联接到中心润滑系统中。 图 1.4 助卷辊结构 助卷辊辊架。助卷辊辊架采用铸焊结构。由于助卷辊采用液压踏步控制，所以取消了助 卷辊的弹簧缓冲装置和辊缝调整机构， 从而简化了结构， 减少了零部件间间隙和零件的损耗， 因而也减少了冲击。但是由于采用了铸焊结构，重量较大，因而助卷辊在打开和抱拢过程中 惯性较大。这种结构对机架和辊架要求有很高的加工精度，否则就保证不了助卷辊相互之间 及助卷辊与卷筒之间的平行度要求。助卷辊的液压缸支承座在现场安装时，采用加热的办法 使螺栓伸长，按计算的扭矩拧紧，达到预应力的效果。拆卸时亦采用加热的办法先使螺栓伸 长再拆下。助卷辊驱动液压缸的活塞杆头与辊架及液压缸支座之间的连接采用锥套和锥轴， 以免产生间隙，同时可以减少冲击，减少机件的磨损。机架上的铸件及电渣焊缝均采用超声 波探伤以保证构件的质量，助卷辊辊架见图 1.5。 图 1.5 助卷辊滚架结构 7 1.5 卷取机未来的发展趋势卷取机未来的发展趋势 1.5.1 液压卷取机踏步控制系统优化 ajc 控制能够避免带钢通过卷筒和助卷辊时产生压痕；减少带钢表面损伤等缺陷；延长 机械设备寿命；提高带卷质量。但是，ajc 控制较复杂，且对头部跟踪的准确度要求很高。 一种解决的方法是在夹送辊出口安装一激光检测装置， 通过激光检对头部跟踪进行二次校正， 以提高助卷辊跳步控制的可靠性。卷取机采用液压控制的侧导板、夹送辊、助卷辊、涨缩式 卷筒以及高响应速度的助卷辊自动踏步控制以减少塔形；同时避免头部对助卷辊的冲击，消 除带钢头部与助卷辊对带钢的压痕。 踏步控制（ajc）具有以下优点： （1）防止带头冲击助卷辊，延长了助卷辊的使用寿命； （2）防止带钢产生压痕，提高带钢表面质量； （3）采用恒张力卷取，保证带钢头几圈的卷取质量； （4）降低卷取时噪音，保证整个卷取工作平稳有效。 传统的助卷辊踏步控制受跟踪的影响，跟踪精度越高踏步控制精度越高，反之，踏步精 度越低。不同规格带钢在卷取过程中，受大量外界条件的变化带钢头部跟踪精度波动很大， 使头部跟踪难以满足自动踏步控制精度的要求，致使带钢出现头部压痕等严重的质量问题。 通过对大量生产数据分析，主要有以下一些方面： a)控制系统运行周期对跟踪精度起着至关重要的作用； b)带钢实际卷取速度是一个实时变化的量； c)不同规格带钢卷取中紧实度不一致，造成卷径计算偏差； d)夹送辊咬钢瞬间响应时间受带钢厚度变化制约； 为了杜绝传统助卷辊踏步控制中存在的问题，有效提高踏步控制精度，提出一种新的踏 步控制思想是十分必要的。 1.5.2 助卷辊的辊型改进 由于助卷辊对钢卷卷型有重要影响，故有必要对助卷辊辊型改进进行探讨。 大部分热轧卷取机的助卷辊均为平辊型，由于在轧制过程中以薄板居多，因此助卷辊在 规定的使用期限内，中部磨损严重。另外，由于中间磨损而造成间隙，使得进行零调压靠时， 中间辊缝实际值与显示值有较大偏差，对卷型影响严重，而且产品规格越薄越明显。因此， 有必要对助卷辊的辊型进行研究，以寻求最佳辊型来弥补对卷型的影响。 例如将助卷辊及扇形板的两端部采用图 1.6 所示的凸度形状，可减少磨损对卷取性能的 影响，同时可延长助卷辊的更换周期。该方法在新日铁各制铁所已广泛采用。自从助卷辊采 用了修改后的辊型，钢卷卷型明显改善，质量稳定提高。 8 图 1.6 新日铁的助卷辊辊型 1.5.3 新一代热轧强力地下卷取机 传统的热轧地下卷取机既要可靠、高效地卷取高品质钢种，又要产品规格范围从薄规格 软钢板到厚规格高强钢全覆盖，这显然是不可逾越的挑战和难关。例如，要卷取厚度 1 英寸 （25. 4mm） 、 屈服强度高达 1100 2 /mmn的高强度结构钢、 以及 api x80 或 x100 的管线钢， 就需要更加强力的卷取设备。 为了满足钢铁工业对高强度钢和其它高级钢种日益扩大的需求，西门子奥钢联公司推出 了新一代的热轧地下卷取机，该卷取机被命名为四辊强力卷取机（siroll power coiler）,已有 4 台投入生产，并接到了更多的订单。这种新型卷取机 2006 年在法国 fossurmer 地区的 arcelormittal（阿赛洛米塔尔钢厂）热轧生产线首次应用（图 1.7） ，其卷取能力远远超出了传 统卷取机的能力极限，完全满足了钢厂对卷取厚规格、高强钢的需求。 图 1.7 安装在法国阿赛洛米塔尔钢厂的四辊强力卷取机 9 第二章第二章 液压系统功能原理设计计算液压系统功能原理设计计算 2.1 设计说明及题目分析设计说明及题目分析 2.1.1 设计题目 卷取机助卷辊部分液压系统设计 2.1.2 基本技术要求 a. 助卷辊：380mm1700mm 辊身长度 最大卷重：28t 助卷辊液压缸速度：150mm/s 卷取机最大速度：15m/s 带卷直径：10001950mm 板带厚度：最大 20mm b. 液压驱动所完成的各项动作 2.1.3 液压部分基本组成 a动力单元：液压站，蓄能器站 b系统回路：控制阀组，液压缸组 2.2 系统设计要求系统设计要求 2.2.1 配有液压助卷辊的卷取机的说明 1）卷取机是 csp 轧机设备系统当中最重要且最复杂的设备，用来将热状态下的带钢卷 成卷，便于存放和运输。卷取机设计为三助卷辊全液压地下式卷取机，主要由牌坊、助卷辊、 弧形裙导板、卷筒、旋转液压缸等构成。本卷取机有三个助卷辊和弧形裙导板。 2）卷取机在卷取带钢的过程中，从带钢咬入卷取机到卷曲张力建立这一过程，叫做带钢 头部卷曲，是带钢能否成功卷上卷筒的关键。在此期间带钢头要高速通过助卷辊和卷筒之间 设定的辊缝，并在助卷辊的压力作用下发生弹塑性弯曲变形，所以要对助卷辊和滚筒造成强 烈冲击。这种冲击不仅危害到机械设备的使用寿命和平稳运行，同时也会对产品质量造成严 重影响。所以本卷取机采用助卷辊的自动跳步控制（ajc）技术控制助卷辊液压缸的动作。 3）卷取机位于热连轧精扎组的出口处，一般安置在车间地坪之下。实际生产过程中，卷 取机是在振动、高负荷、高温、冲击、水及氧化铁皮等恶劣复杂环境下工作。而卷取机控制 精度下降，会造成卷出的钢卷出现划伤、松卷、头端压痕、边浪、塔形等严重质量问题。而 10 如果卷取机工作出现故障，发生卡钢、堆钢等事故，轻则产生废品，延误生产，重则损坏设 备，重则造成人身伤亡事故，故要求卷取机助卷辊的液压系统工作稳定，可靠性高，控制精 度高，自动化程度高，耐高温，耐冲击，耐水，耐尘。 2.2.2 液压缸动作顺序分析 1）卷取机助卷辊的液压缸动作采用 ajc 控制。对薄规格的热轧带钢，其头部在滚筒上 开始卷取时，在助卷辊的压力下，容易在后续带钢上产生压痕，影响产品的表面质量和形状。 ajc 功能控制助卷辊在压力控制和位置控制模式间转换。当带钢头部通过助卷辊时，助卷辊 从压力控制模式转换为位置控制模式，助卷辊抬起一定的高度，使带钢头部通过。带钢头部 通过以后，助卷辊从位置控制模式转换为压力控制模式，继续对带钢保持一定的夹持力，保 证良好的卷形。 2）卷取机助卷辊动作分析 第一步：带钢头部进入夹送辊前，计算机将辊缝的设定值分别送给各助卷辊辊缝的执行 机构，三个助卷辊全部按照设定值摆好，当带钢头部进入夹送辊时，辊缝还将再一次进行校 准计算。 第二步：带钢头部进入 1#助卷辊，该助卷辊压力随即增大，通过液压缸进行调节，以保 持辊缝恒定。 第三步：带钢进入 2#、3#助卷辊时，控制过程与 1#相同。 第四步：当带钢完成第一圈后，带钢头部会在带钢上形成带厚层差。钢板层差部位接近 1#助卷辊时，1#助卷辊开始第一个跳步，这个跳起的辊缝值相当于卷筒和助卷辊辊缝增大到 带钢厚度时再增加一个安全系数。附加的安全系数用以确保带钢的安全通过。 第五步：带钢层差部位通过 1#助卷辊后，1#助卷辊的控制方式再次转换为压力调节，助 卷辊的动作直到接触带钢，帮助带钢卷绕成型，并且缠紧。 第六步：带钢层差部位接近 2#、3#助卷辊时，开始跳步动作控制过程与 1#助卷辊相同。 第七步：该控制方式一直延续到卷筒成功建立张力为止，然后助卷辊打开，进入正常卷 取状态。 第八步：进入整场卷取状态后，助卷辊移到预计算的带卷直径上以便卷取带钢尾部时能 建立稳定的张力。 第九步：卸卷时助卷辊打开。待钢卷移出后，恢复准备工作状态。 2.3 液压系统负载分析液压系统负载分析 液压执行元件的外负载包括工作负载、摩擦负载和惯性负载三类。其中工作负载有阻力 负载（与运动方向相反而阻碍运动的负载，又称正负载）和超越负载（与运动方向相同而助 长运动的负载，又称负负载）两种类型；摩擦负载是指液压执行元件驱动工作机构时所要克 服的机械摩擦阻力负载，它又有静摩擦负载和动摩擦负载两种类型；惯性负载是由于速度变 化产生的负载。执行机构的负载大小可由主机规格确定，也可用实验方法或理论分析计算得 到。 理论分析确定负载时， 必须仔细考虑各执行元件在一个循环中的工况及相应的负载类型。 ife ffff+= （2.1） 式中， e f工作负载，kn； 11 f f摩擦负载，kn； i f惯性负载，kn。 1）常见的工作负载有重力、切削力、压紧力等，阻力负载为正，超越负载为负。卷取机 助卷辊的液压系统的工作负载主要是克服带钢弹塑性变形的力和压紧力。 分析卷取机工作载荷的大小可得： knfe700= 2）由于物体之间存在相互运动，摩擦是不可避免要产生的。其中： 静摩擦阻力为 nsfs ff= （2.2） 式中， s 静摩擦因数，通常 s 取 0.1 至 0.2； n f连接件之间的相互作用力的法向合力，kn。 kn ff nsfs 56 2802 . 0 = = = 动摩擦阻力为 式中， d 动摩擦因数，通常 d 取 0.05 至 0.12； n f连接件之间的相互作用力的法向合力，kn。 kn ff ndfd 4 . 22 28008 . 0 = = = 3）惯性负载是是运动部件在启动和制动过程中的惯性力，其平均值可按下式计算： 式中，g惯性力（运动部件所受重力） ，kn； g重力加速度，g=9.81 2 /sm； v速度的变化量，m/s； t启动或制动时间，s，一般 t v 可取 0.5 至 1.5 2 /sm。 ndfd ff= （2.3） t v g g fi = （2.4） 12 可估计运动部件的总质量 m=1200kg。 kn t v g g fi 2 . 1 0 . 11200 = = = 上述三种负载之和即为液压缸的外负载 f。 液压缸在工作过程中，一般要经历启动、加速、恒速和减速制动四种负载工况，各工况 下的外负载计算公式为： 启动阶段： 加速阶段： 恒速阶段： 减速制动阶段： 除外负载 f 外，作用于液压缸活塞上的负载还包括密封处的密封摩擦阻力 m f，由于其 大小与密封类型、缸的制造质量和工作压力有关，故难以详细计算，一般将其算入液压缸的 机械效率 cm 中考虑，95 . 0 9 . 0= cm 。 2.4 确定液压系统主要参数确定液压系统主要参数 液压系统的主要参数是压力和流量，他们是选择系统方案及选择液压元件的主要依据。 压力决定于外负载，流量决定于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。 kn fff fse 756 56700 = += += （2.5） kn ffff ifde 6 . 723 2 . 1 4 . 22700 = += += （2.6） kn fff fde 4 . 722 4 . 22700 = += += （2.7） kn ffff ifde 2 . 721 2 . 1 4 . 22700 = += += （2.8） 13 2.4.1 初选执行元件的设计压力 液压执行元件设计压力的选取，主要应考虑如下因素：执行元件及其他液压元件、辅件 的尺寸、重量、加工工艺性、成本、货源及系统的可靠性和效率等。在负载一定的情况下， 设计压力低，势必加大执行元件的结构尺寸和重量；反之，设计压力选的太高，对液压元件 的材质、密封及制造精度也要求很高，必然又提高设备成本。通常，对于固定的、尺寸不太 受限制的机械设备，可选低一些的压力；对于行走机械重载设备，其压力可选的高些。 根据卷取机的工作载荷与助卷辊的实际工况，选定系统的压力为 21mpa（210bar） 。 2.4.2 计算和确定液压缸的主要结构尺寸 液压缸的缸筒内径、活塞杆直径及活塞的有效面积是其主要结构参数。 卷取机助卷辊由单杆活塞缸驱动，缸的设计参数如图 2.1 所示。 式中， 1 p主工作腔压力，pa； 2 p回油腔压力，pa，回油腔压力（背压力） 根据回路的具体情况而定。因系统压力 为 21mpa，属于高压系统，初算时，忽 略不计； 1 a液压缸无杆腔活塞的有效面积， 2 m； 2 a液压缸有杆腔活塞的有效面积， 2 m； max f液压缸的最大外负载，n， max f=756000n； cm 液压缸的机械效率，一般取97 . 0 9 . 0= cm ，此处估算为 0.95。 此系统中液压缸以无杆腔为主工作腔，即活塞杆受压工作，活塞面积为： 运用式（2.10）确定缸的尺寸时，须事先确定活塞杆直径 d 与活塞直径 d 的关系。杆径 比dd /=可按压力选取，根据表 2.1，取7 . 0=。 表 2.1 按工作压力选取dd /= 工作压力 0 . 5 0 . 70 . 5 0 . 7 cm fapap/ max2211 = （2.9） += 221 1 ap f p a cm （2.10） 图 2.1 液压缸主要设计参数 14 dd /= 0.50.55 0.620.70 0.7 活塞直径为： () () mm m pp f d cm 7 . 219 2197 . 0 7 . 010102195 . 0 1415 . 3 7560004 1 4 26 2 21 = = = = （2.11） mmdd 8 . 153 7 . 2197 . 0= 查表 2.2,2.3，将 d 圆整为 220mm，d 圆整为 160mm。 表 2.2 常用液压缸内径 d （单位：mm） 40 50 63 80 90 100 110 125 140 160 180 200 250 250 表 2.3 活塞杆直径 d （单位：mm） 速 比 缸径 40 50 63 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 1.46 22 28 35 45 50 55 63 70 80 90 100 110 125 140 2 45 50 60 70 80 90 100 110 125 140 2.4.3 计算液压缸所需流量 液压缸的最大流量 max q 式中，a液压缸的有效面积（ 1 a或 2 a） ， 2 m； max v活塞与缸体的最大相对速度，m/s。 maxmax avq= （2.12） 15 sm v d avq /107 . 5 15 . 0 4 22 . 0 1415 . 3 4 33 2 max 2 maxmax = = = = 2.5 初步拟定液压系统原理初步拟定液压系统原理 液压系统图从油路原理上具体体现了设计任务书的各项要求，因此液压系统图的拟定是 整个液压系统设计中最重要的一环。在拟定液压系统图的过程中，首先通过分析对比制定出 各种合适的液压回路方案，然后将这些回路组合成完整的液压系统。 2.5.1 制定液压回路方案 1）确定油液循环方式 在开式系统中，液压泵从油箱吸油，压力油流经系统释放能量后，再排回油箱。开式回 路结构简单，散热性好，但油箱体积大，容易混入空气。在闭式系统中，液压泵的吸油口直 接与液压执行元件的排油口相连通，形成一个封闭的循环回路。其结构紧凑，但散热条件差。 本液压系统为大型固定机械用液压系统， 卷取机工作环境为高温环境， 故采用开式系统。 2）选定控制方式 要求结构简单、造价低、控制精度不需要很高的场合宜采用开环控制。此控制方式以传 递动力为主，以传递信息为次，追求传动特性的完善。对外界干扰敏感，对控制精度要求严 格的场合宜采用闭环控制。此控制方式以传递信息为主，以传递动力为次，追求控制特性的 完善。 本液压系统对压力控制和位置控制的精度要求很高，故采用闭环控制系统。 3）选定控制形式 凡要求频带宽、响应快、结构简单、控制精度高、而不计较效率低、发热量大、参数变 动范围大的中小功率系统，宜采用阀控形式；反之，追求效率高、发热量小、参数量值比较 稳定、温升有严格限制，而容许结构复杂些、造价高些、频宽窄些的中大功率系统，宜采用 泵控形式。 本液压系统要求响应快、控制精度要求高，故采用阀控系统。 4）选择反馈形式 由于输入信号与反馈信号的形式不同，系统采用的输入元件、比较元件和放大元件也不 同。 采用机械形式反馈即构成机液伺服系统，其反馈元件、比较元件用杠杆、齿轮、丝杠螺 母等机构，输入装置用样件或靠模，放大元件采用机液伺服阀。机液伺服系统结构简单、工 作可靠，抗污染能力强、造价低，但系统阻尼小、快速性和精度较电液伺服系统差，且一旦 设计确定，增益调整比较困难。另外机械零部件相连接时出现的配合间隙、齿侧间隙是非线 性因素，不但会影响系统控制精度，严重时还会影响系统的稳定性。 电气形式反馈即构成电液伺服系统，其输入元件、比较元件采用电气元件，放大元件采 用电液伺服阀。电液伺服系统信号处理灵活、迅速、功率小、系统的开环增益调整方便、系 16 统校正容易实现。电液伺服系统综合了电和液两方面的优点，目前应用较多。 系统的控制方案一旦确定，随即可以构成系统原理方块图，从原理上满足控制要求。根 据工况要求，本系统采用电液伺服控制。 2.5.2 主回路的方案设计 根据助卷辊的动作，回路要实现的功能是调压、调速，另外为了维修方便可以设置一些 测试点，系统选择伺服阀进行调速和调压，同时并联一个换向阀组成的快速伸出与快速退回 回路以及当伺服阀失效的时候的操作回路，同时用液控单向阀实现自锁。 初选液压系统原理图如图 2.2 所示： 图 2.2 液压系统原理图 17 第三章第三章 液压元件的选择液压元件的选择 3.1 液压系统元件选择的一般原则液压系统元件选择的一般原则 液压系统的组成元件包括标准元件和专用元件。在满足系统性能要求的前提下，应尽量 选用选用现有的标准液压元件，不得已时才自行设计液压元件。 选择液压元件是一般应遵循以下原则： 应用方面的问题，如主机的类型、原动机的特性、环境情况、安装形式、货源情况及 维护要求等； 系统要求，如压力和流量的大小、工作介质的种类、循环周期、操纵控制方式、冲击 振动要求等； 经济性问题，如使用量、购置及更换成本、货源情况及产品质量和信誉等； 应尽量采用标准化、通用化及货源条件较好的元件，以缩短制造周期，便于互换和维 护。 3.2 液压泵的选用液压泵的选用 常用液压泵主要有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵等类型，各种泵之间的特性有很大差异（见 表 3.1） 。 选择液压泵的主要依据是其最大工作压力和最大流量。 同时还要考虑定量还是变量、 原动机类型、转速、容积效率、总效率、自吸特性、噪声等因素。 表 3.1 液压泵类型及特性 特性 齿轮泵 叶片泵 螺杆泵 柱塞泵 轴向式 径向式 额定压力 /mpa 低压泵 25； 高压泵达 25 低压 6.3，中 压 16；高压 32 2.510 约 40 约 40 排量/(ml/r) 0.5650 1350 251500 4100 6500 最高转速 /(r/min) 3007000 5004000 10002300 5000 1800 最大功率/kw 120 320 390 2660 260 容积效率/% 7095 8094 7095 8895 8090 总效率 7590 7590 7085 8595 8092 适用黏度 /(smm / 2 ) 20500 20200 1949 20200 18 特性 齿轮泵 叶片泵 螺杆泵 柱塞泵 轴向式 径向式 自吸能力 非常好 好 最好 差 变量能力 否 单作用叶片 泵能 否 好 功率质量比 /(kw/kg) 中 大 小 大 输出压力脉 动 大 小 小 小 污染敏感度 小 大 小 大 历时变化 齿轮磨损后 效率下降 叶片磨损后 效率下降较 小 螺杆磨损后 效率下降 配流盘、 滑靴或分配阀磨损时 效率下降较大 黏度对效率 的影响 很大 稍小 很小 噪声 小大 小中 高 高 价格 最低 中 高 高 适用场合 机床、 工程机 械、农牧机 械、搬运机 械、车辆 机床液压机、 注塑机、工程 机械、 飞机及 要求噪声较 低的场合 精密机床和 机械、 轻纺化 工机械、石油 机械 工程机械、矿山冶金机械、锻 压机械、建筑机械、船舶、飞 机等 很据系统要求和对液压缸的估算结果： q=300min/ 3 dm； p=210bar； n=1500r/min; kwpi110=; 根据以上结果查询产品样本， 选用规格相近的 250ycy141b 压力补偿变量型斜盘式轴 向柱塞泵，其额定压力 n p=31.5mpa，排量 v=250ml/r，额定转速 n=1500r/min,容积效率 cm =0.92，其额定流量为： min/345 92 . 0 1500250 3 dm vq vnp = = = （3.1） 19 符合系统对流量的要求。 3.3 液压控制阀的选择液压控制阀的选择 3.3.1 液压控制阀的分类 液压控制阀如果按照功能主要分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀等。 1)压力控制阀。压力控制阀主要控制执行机构输出力或输出转矩的大小，并确定液压泵 及整个液压系统的工作负载，在过载时起到保护系统的作用。它的主要品种有溢流阀、减压 阀、卸荷阀、顺序阀、压力继电器等。 2)流量控制阀。 流量控制阀的主要用途是根据执行机构运动速度的要求供给所需的流量。 它的主要品种有节流阀、调速阀与分流集流阀等。 3)方向控制阀。方向控制阀控制油流的通、断或改变油流的方向，以控制执行机构的方 向等。它的主要品种有单向阀、液控单向阀、电磁换向阀、电液换向阀、手动换向阀、多路 换向阀、截止阀、转阀等。 以上三类阀还可以互相组合，成为复合阀，以减少管路的连接，使结构更为紧凑。 液压控制阀按连接方式可以分为： 1）螺纹连接：又称管式连接。它是通过阀体上的螺纹经管接头直接安装在管路中。这种 连接方式简单、布局方便、质量轻、在小流量液压系统和移动式液压设备中应用广泛。缺点 是元件分散布置，装卸维护不够方便。 2）板式连接。这类阀需要通过专门的连接板才能与管路连接。但由于元件集中布置，装 卸维护及操作调整方便，故应用极广。 3）法兰连接。 它是通过阀体上的螺钉与管件上的法兰接头连接在一起的， 也是一种管式 连接。适用于大流量液压系统。 液压技术在许多领域里得到了日新月异的发展，从而推动了液压控制阀的品种和规格迅 速增多，而高压化、小型化和集成化则是其发展的总趋势。例如，把若干个阀直接叠加起来 构成无管路连接的叠加阀，多个阀类元件在一个公共阀体内组成的复合阀和由插装件组成的 适合于大流量液压系统集成用的二通插装阀等。这些进展必将为液压工程带来更加广阔的前 景。 3.3.2 阀的选型结果 根据所选择的液压泵规格及系统工作情况，选择的阀的选型结果如下： （1）选择西德福出品的法兰球阀 型号：bkhsae210502423 材料：阀体和法兰选材料为 st523，球体和阀杆采用不锈钢 （2）换向阀的选择 换向阀 1：二位四通电磁换向阀，额定工作压力 21mpa 选用力士乐出品的湿式直流电磁铁驱动的二位四通换向阀 型号：4we6d6x/eg24n9k4 通径：6mm 最高工作压力：35mpa 最大流量：35l/min 20 换向阀 2：三位四通电磁换向阀，额定工作压力 21mpa 选用力士乐出品的湿式直流电磁铁驱动的三位四通换向阀 型号：4we10j3x/cg24n94n 通径：10mm 最高工作压力：35mpa 最大流量：150l/min 压力损失：1mpa （3）单向阀的选择 单向阀 1：选用华德出品的 s 型单向阀 型号：s30p1.2b 通径：30mm 最高工作压力：31.5mpa 最大流量：250l/min 压力损失：1.2mpa 单向阀 2：选用华德出品的 s 型单向阀 型号：s30p1.2b 通径：30mm 最高工作压力：31.5mpa 最大流量：250l/min 压力损失：1.2mpa 单向阀 3：选用华德出品的 s 型单向阀 型号：s20p1.0b 通径：20mm 最高工作压力：31.5mpa 最大流量：250l/min 压力损失：1mpa 液控单向阀：选用华德出品的液控单向阀 型号：z2si215x 通径：40mm 最高工作压力：31.5mpa 最大流量：450l/min 压力损失：1mpa （4）减压阀的选择 选用减压阀的型号：zdr10vb53x/200y 通径：10mm 最高工作压力：31.5mpa 最大流量：80l/min （5）双向液压锁的选择 选择双向液压锁的型号为：s01k10 通径：10mm （6）可调节流阀的选择 选用力士乐出品的双路节流阀 型号：z2fs1033x/ 通径：10mm 21 最高工作压力：31.5mpa 最大流量：160l/min （7）溢流阀的选择 选用力士乐出品的直动式溢流阀 型号：dbda20p1x/315 通径：20mm 最高工作压力：31.5mpa 最大流量：330l/min （8）伺服阀的选择 选用力士乐出品的三位四通三级伺服阀 型号：4wse3ee252x/400b8315k9e 通径：25mm 最高工作压力：31.5mpa 最大流量：400l/min 3.4 液压辅助元件及工作介质的选择液压辅助元件及工作介质的选择 3.4.1 油箱容量的确定 油箱用于存储液压工作介质、散热、逸出空气等，一般需要自行设计。在确定油箱容量 和尺寸时，一方面要满足系统供油的要求；另一方面还要保证所有执行元件均排油时油液不 能从油箱溢出，以及系统中最大可能充满油液时，油箱的液位不低于最低限度。此外还应考 虑散热、空气逸出、水分分离等因素。 油箱容量一般先按以下经验公式得到，待系统确定后再按系统散热要求进行校核。 式中，v油箱的油小体积，l； p q液压泵的总额定流量，l/min； 与主机类型及系统压力有关的经验系数。本液压系统取=10。 l qv p 3450 34510 = = = 3.4.2 过滤器的选择 液压系统的绝大多数故障是由油液污染造成的，而过滤器是保持油液清洁的主要手段， 故合理选择和设置液压系统中的过滤器显得非常重要。根据过滤器在液压系统中安放部位的 不同，油液过滤器有多种类型，如吸油过滤器、高压过滤器、回油过滤器、离线过滤器、泄 油过滤器、注油过滤器、安全过滤器等。按照过滤精度（滤除各种不同尺寸的污染颗粒的能 力）的不同，过滤器又可以分为粗过滤器、普通过滤器、精过滤器和特精过滤器四种类型。 p qv= （3.2） 22 根据液压系统的技术要求，经过比较，最终选定的过滤器类型、过滤精度及尺寸规格，应满 足以下条件：过滤精度符合预定要求，通流能力大，滤芯（网式、纸质、线隙式、烧结式、 磁性等）的强度高，抗腐蚀性好，清洗和更换方便等。 根据系统工况要求最终选定的滤油器及其型号为： 吸油过滤器，型号：tf800x100y； 高压过滤器，型号：abzfds035010n4201x/ma； 伺服阀配用滤油器，型号：abzfds03505n4201x/ma； 回油滤油器，型号：absfrs00501x/ma。 3.4.3 蓄能器的选择 1）蓄能器作为一种压力容器，要受有关法规和规程的强制性管理，其使用材料、制造方 法、强度、安全措施要符合国家的有关规定，故一般不要自行设计、制造蓄能器，而应选择 有完善质量体系保证并取得有关部门认可的生产厂家的定型产品。 2）蓄能器有弹簧加载、 重力加载和气体加载三种类型， 其中气体加载中的隔离型皮囊式 蓄能器应用最多。选择蓄能器时，应该根据用途选择蓄能器的种类。对于皮囊式蓄能器，要 合理确定蓄能器容积和充气压力。 3）选择蓄能器时， 必须考虑与液压系统介质的相容性； 当液压系统采用非矿物基液压油 时，订购蓄能器应特别加以说明。 4）蓄能器用于吸收液压冲击或消除液压泵的脉动时， 应尽量靠近冲击发生点或液压泵的 出口；用于补偿泄漏使执行元件保压时，应尽量靠近该执行元件。 5）气体加载式蓄能器应该使油口向下垂直安装，管路与蓄能器进油口之间应设置截止 阀，以便于维护检修。 6）在管路上安装蓄能器，必须用支持板或支持架将蓄能器固定紧