机械毕业设计（论文）-Φ100无缝三辊斜轧机芯棒运行液压控制系统【全套图纸】 .pdf

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 液压技术简述液压技术简述 液压控制技术是以流体力学、液压传动和液力传动为基础，应用现代控制理 论、模糊控制理论，将计算机技术、集成传感器技术应用到液压技术和电子技术 中， 为实现机械工程自动化或生产现代化而发展起来的一门技术，它广泛的应用 于国民经济的各行各业，在农业、化工、轻纺、交通运输、机械制造中都有广泛 的应用，尤其在高、新、尖装备中更为突出。随着机电一体化的进程不断加快， 技术装备的工作精度、响应速度和自动化程度的的要求不断提高，对液压技术的 要求也越来越高。目前，液压控制技术已经不是传统意义上的液压传动和液力传 动， 液压控制技术已经从传统的机械、 操纵、 助力装置等应用场合开始向高、 新、 尖技术领域发展，具有了更广泛的内容，包括 pid 控制技术、人工智能技术、自 适应技术、 最优控制技术、 变结构控制技术、 鲁棒控制技术、 神经网络控制技术、 pwm 控制技术、数字增量控制技术等。现代控制理论、模糊控制理论的应用和发 展， 计算机控制技术的逐步完善和普及， 集成传感技术的飞速发展， 为液压工业、 电子工业将电子技术、液压技术结合起来应用到液压控制中创造了良好的契机， 使得技术装备的工作可靠性、控制精度、响应速度及自动化程度大大提高。在过 去，如研制液压车辆（车辆主动悬挂装置、车轮防抱死制动系统、全液压转向系 统、无级液压变速系统） ，发动机燃料进给控制与转速控制、航天航空领域需要 频宽100hz 电液伺服系统等，应用传统意义上的液压控制技术很难解决这些高、 新、 尖难题，证明了传统意义上的液压控制技术已不能满足当今技术装备日益发 展的要求。可见，液压技术在高、新、尖技术装备中有着举足轻重的作用，掌握 液压控制技术，对振兴民族工业，加速国民经济发展有着深刻的社会意义和巨大 的经济效益。 1.2 液压比例技术的优势液压比例技术的优势 其优越性体现在以下几个方面： 1. 液压执行元件的功率重量比和转矩惯性比（或力质量比） 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 2 大，具有很大功率传递密度，可以构成体积小、重量轻、响应速度快 的大功率控制单元。 2. 全套图纸，加全套图纸，加153893706 电磁执行元件的功率质量比取决于铁磁材料的饱和特性和功率损耗所引起 的热量耗散。液压执行元件的功率质量比取决于最高允许电压，实际上只受材料 安全强度极限的限制， 而系统功耗所产生的热量又可以由流体介质带到系统散热 器发散。因此，液压执行元件的功率重量比要比电磁执行元件的功率重量比大几 乎一个数量级。比如说液压马达的转矩惯性矩比可达直流电动机的1050 倍，其响应速度是电气执行元件所不能比拟的。 2.液压控制系统的负载刚性大，即输出位移受负载的影响小，定位准确，所 以位置误差小，控制精度高。 由于液压执行元件的泄露小，液体介质的弹性模量又很大，故具有较大的速 度-负载刚性，即速度力或转速力矩曲线斜率的倒数很大，因此有可能 用于开环系统。用于闭环系统时则表现为位置刚度大，其定位精确度受负载变化 的影响小。 例如：液压马达的开环速度刚度为电动机的5倍。电动机的位置刚度很低， 更无法和液压马达相比。 3.液压控制系统可以安全、可靠并快速的实现频繁的负载启动和制动，进行 正反向直线或回转运动的动力控制，而且具有很大的调速范围。 机械传动实现无级调速比较困难，电动机和液压传动一样可以实现无级调 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 3 速， 并且调速范围也可以较大，但在运动平稳和实现往复直线运动方面不如液压 传动方便。 另外，液压控制系统还有一些其他优点，例如：传动介质兼有润滑作用，有 利于延长元件的工作寿命；通过管道进行能量分配和传递比机械方式来的方便； 利于蓄能器很容易实现液压能的贮存和系统销震等。 1.3 限动芯棒连轧工艺特点限动芯棒连轧工艺特点 近 20 年来，无缝钢管生产工艺、技术得到迅速发展，尤其用限动芯棒轧制 的连轧管机（mpm） ，工艺技术不断完善，已成为无缝钢管生产的主要机型，它以 高质量、低成本的产品赢得了市场。它的工艺特点： （1）产品质量好，尺寸精度高。由于芯棒速度受到控制和调节，使这种工 艺的变形条件稳定，克服了浮动芯棒扎针时出现的“竹节”缺陷。闭口圆孔型的 采用，是金属横向流动减少和产品尺寸精度提高； （2）扩大了产品生产规格。浮动芯棒连轧管机组受芯棒长度和重量的限制， 生产的钢管最大外径为 180mm。由于限动轧制芯棒长度缩短，因此芯棒直径可以 加大，所生产的钢管规格得以扩大； （3）机组产量高，单位产量投资低。限动芯棒连轧管机组生产能力一般为 3075 万吨。在各类机组中，产量最高。连轧管机组一次性建设投资大，但单 位产量的投资比同规格的自动轧管机组低 2030； （4）节省能源。限动芯棒连轧管机组的变形分配形式和轧制特点，为节省 能源创造了有利条件。限动轧制芯棒与荒管接触时间短，从而保证轧后荒管温度 达到 1000左右，且温度均匀。在这样的温度条件下，定径前的荒管可以不再 加热，节省了能源。高而均匀的荒管终轧温度为在线热处理创造了条件； （5）金属收缩率高。限动芯棒轧制的荒管长 3035m，切头损耗小，成品 钢管金属收缩率可达 92，优于其他机组。采用三辊脱管机脱管，管端整齐，不 需要热切头，避免二次烧损。 限动芯棒连轧管机组的上述特点，引起了众多厂家的关注。他们纷纷采用此 项技术，并结合生产实践对其进行了一系列的技术改造，使得设备结构更加合理 化，对改善钢管质量、提高生产效率有明显的效果，从而实现限动芯棒连轧工艺 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 4 更趋完善。 80 年代，限动芯棒连轧管机组大量使用的同时又增加了生产的灵活性，扩 大了使用领域，更好的适应了市场要求。随着焊管生产质量的提高和品种的日益 扩大，无缝钢管生产面临着严峻的挑战，生产质量更好、成本更低的无缝钢管是 当今技术发展的一个核心问题。为此，意大利因西公司近年来研究开发的三辊可 调式限动芯棒连轧管机（pqf） ，就是朝着这一目标迈进的具有突破性的钢管连轧 技术。 人们急切地期待着这一新技术尽快用于工业生产，给无缝钢管带来新的活 力。 1.4 无缝钢管生产的过程无缝钢管生产的过程 1.4.1 生产工艺的回顾生产工艺的回顾 从曼内斯曼兄弟发明了斜轧穿孔机的一百多年以来， 对这一百多年的无缝钢 管生产工艺的历史回顾，有助于弄清各种生产工艺的兴衰，这种“兴“与“衰“,除 了有其历史的背景、条件的影响外，最根本的工艺本身所固有的长处和短处在技 术发展长河中的显露。这种回顾对于立足当前、展望未来，不无裨益。现从以下 四方面进一步对上述发展过程加以追述。 1）曼内斯曼兄弟发明斜轧穿孔机后原想通过实心坯穿孔一次成管。经过多 次试验失败后，就设法在两重式轧机上将空心坯套在芯棒上加以延伸。这样生产 的钢管长度不大于 4m，而且质量很差。由此导致曼内斯曼兄弟于 1892 年发明周 期轧钢机。这种周期轧管机采用人工喂料，由于芯棒很重，喂料很费力气，生产 呈间断性，效率很低。当早前在曼内斯曼公司工作，并参加过钢管生产的斯蒂弗 尔工程师（瑞士人）移居美国时，美国钢管界正在探索发展空心坯快速延伸的工 艺，由于他的努力第一台自动轧管机于 1903 年 11 月在美国宾州的 greenville 厂诞生，所生产管子的外径最大为 411-5 翅。和美国发展自动轧管机的同时，德 国又从完全不同的途径发展了另一种轧管工艺， 即在原已存在的艾哈特水压冲孔 工艺的基础上，采用环式孔径对冲孔杯状体进行延伸，这就是顶管工艺。因此， 从 1886 年发明斜轧穿孔机后， 在将近 20 年的时间内出现了 3 种可用于工业生产 的轧管工艺。 2）连续轧管机的发展道路是比较曲折的，早期的几次试验，由于受传动技 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 5 术的限制均告失败，有一些轧机经短期运行后被迫停产，这包括：1891 年的 5 机架 kellogg 连轧机、 1901 年的 12 机架的 alois 连轧机、 1913 年的 7 机架 fasel 连轧机和 1932 年的 21 机架的 foran 轧机。foran 所设计的连轧管机，据称在技 术上是成功的，失败是由于 globe 钢管公司经济上的原因。但是总的说来长芯棒 连轧管技术在 20 世纪前半期没有多大发展，直到 1949 年、1950 年两套设有张 力减径机的单独传动的全浮动芯棒连轧机组在美国lorain厂和gary厂投产后才 算是有了宝钢长足的进展，待这种轧机发展至 1972 年德国牟尔海姆 2 连轧管机 组投产时，轧制工艺日趋完善，所轧钢管质量优越，轧机能力大大提高，在小口 径钢管生产领域内占有很大的优势。到 1978 年达尔明贝尔加莫厂的 mpm 轧机投 产后，连轧管工艺在较大口径钢管的生产领域内也占了优势。1983 年日本八蟠 厂的半浮动连轧管厂的投产，开始了 3 种连轧管工艺并存的时期。采用连轧管工 艺的钢管厂竞争能力强，经济效益好，其突出优点是：产量高（年产量 50 万吨 以上） 、产品质量好、所生产管子的品种规格多，毛管长，收缩率高，这些优点 决非其他轧管工艺所能比拟的。 3）与连轧管工艺获得巨大发展的同时，各种古老的轧管工艺进入了一个全 面翻新的时期。这包括：a、单槽自动轧管机和串联布置的自动轧管机；b、cpe 工艺；c、新型狄塞尔轧管机（aecu-roll 轧机） ；d、新型三辊轧管机 4）连铸圆坯的使用和穿孔、张减技术的发展 以上 1）3）涉及轧管工艺本身，4）指的是轧管前后变形阶段及原料（管 坯） 生产方面的进展，所有这些基本上勾画了无缝钢管生产工艺近百年的发展概 况。 1.4.2 生产工艺的现状生产工艺的现状 这里所讲的工艺现状有两层含义：一是各种生产工艺并的状况，包括从上一 世纪就已形成的工艺以及直至本世纪 8090 年代才形成的新工艺；二是这些工 艺的技术现状、经济指标和所轧钢管的质量状况。 就现存工艺而言可归纳为以下 4 种情况，即： 1）经典的古老工艺，即周期轧管工艺和自动轧管工艺。 2）发展了的连轧管工艺，即全浮动芯棒、半浮动芯棒和限动芯棒 3 种连轧 工艺以及在限动芯棒连轧管工艺基础上发展起来的 pqp 和 chm 工艺。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 6 3）翻新了的古老工艺，即 cpe 工艺的新型三辊轧管机和 accu-roll 轧机。 4）崭新的轧管工艺 a、cps 工艺； b、三辊式连轧管机和 pqp 工艺； c、三辊行星轧管机。三辊行星轧管机中 3 个轧辊互成 120排列，并绕轧 件旋转，从而使得轧件断面积得到减缩。这种轧机最初用于棒材生产。第一个应 用三辊行星轧机生产无缝钢管的厂于 1983 年在德国 esehweiler 投产， 其产品规 格为：外径 70219mm，壁厚为 4.56.0mm，年产量仅 6 万吨。迄今为止，采 用这种工艺的钢管厂仅此一家。 d、少机架连轧管机和 pqp 工艺 无缝钢管厂生产的现状，从总体上讲，仍可以用以下两句话加以概括，即： “先进性差别很大的多种工艺同时存在，由此产生的轧机效率、产品质量、生产 经济型参差不齐” 。在工业生产竞争剧烈的今天，这种并存的局面只能是一种非 稳态，优胜劣汰，势在必行。 1.4.3 目前轧管工艺的发展趋势目前轧管工艺的发展趋势 在上一个世纪之交无缝钢管生产成为钢铁工业一个重要分支后， 经过一百多 年的发展，又面临另一个世纪之交了。在这 110 年的时间里，七种轧管工艺的形 成以及连轧管工艺的长足进展约占百分之七八十的时间区段，接着是在本世纪 80 年代出现的几种经典轧管工艺的翻新，由此造成多种工艺的并存。这样一种 “推陈出新、重新组合”的趋势已基本终结。这可作如下理解： 1）各种穿孔工艺诸如曼内斯曼穿孔工艺、斯蒂费尔穿孔工艺以及压力机工 艺和锥辊工艺相交均已逊色，故在变形第一阶段已无别的工艺可供选择。 2）几乎所有可以翻新的古老工艺均已翻新，如出自顶管工艺的 cie 工艺、 出自三辊轧管工艺的高效能三辊轧管工艺、出自狄塞尔轧管工艺的 aucc-roll 轧管工艺。继全浮动芯棒连轧管工艺之后，又出现半浮动芯棒及限动芯棒轧管工 艺，因此，也就基本上无“陈”可“推”了，换句话说， “推陈出新”已见底。 3）在变形的第三阶段（精轧阶段） ，张减技术的进一步发展，特别是在传动 系统方面突破了过去“单独传动” 、 “集体传动”的框框，出现了混合传动方式 （md-srm） ，斜轧扩张工艺也更新为 nre 工艺。所有这些构成了 pqp、csp 工艺的 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 基础。在世纪之交展望无缝钢管生产工艺发展时，有几个以下的思索的问题：目 前这种多种工艺并存的局面还会持续多久？那些工艺会继续存在并发展？那些 工艺将被淘汰？会不会有更大的突破？对这几个问题，提出以下几点看法： 1）某些比较古老的工艺如在大口径管生产领域中的周期轧管工艺和自动轧 管工艺将会被 mpm（或 pqf）+nre 的工艺所取代。在小口径管生产领域中的自动 轧管机组将会被长芯棒连轧机所取代，这几乎已成定论。 2）长芯棒连轧管工艺将进一步发展，其方向可能是：一架内的轧辊数朝三 辊方向发展；整个轧机机组朝紧凑式方向发展；减少机架架数，进一步发挥 mini-mpm 在小口径管生产领域内的优势；在连轧管工艺内部，其支类可能会有 所简化，从长远来讲，不会总是三种工艺并存。 3）cpe 工艺、新三辊轧管工艺和新狄塞尔轧管工艺可能会共存一段时间。 4）三辊行星轧管机，可说是前途未卜。自从美国 hunt 厂采用这种工艺失败 后， 迄今在钢管生产领域内应用这一工艺的仅德国 esw 钢管厂一家，这种工艺能 否发展成为一项常规性的钢管生产工艺，似乎否定面较大。 5）对无缝钢管生产来说，真正的突破是两阶段轧管工艺 cps 工艺在 tosa 厂的应用不算成功。但这种崭新的工艺，可能还会有进一步发展。另一个办法是 采用连铸空心坯以实现两阶段轧管工艺。 连铸空心坯这一技术比薄板连铸要老一 些，但迄今未结硕果。它的成功将会剧烈地改变现有轧管工艺。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 第二章第二章 设备的工艺参数及设计要求设备的工艺参数及设计要求 关于半浮动轧制（回退轧制）系统图动作原理的参数如下： 2.1 限动油缸参数限动油缸参数 1、最大拉力：200kn 2、限动油缸有效行程：3510mm+90mm（90mm为富余量） 3、调整速度范围：0.070.4m/s 2.2 两种芯棒操作方式的操作参数两种芯棒操作方式的操作参数 1、半浮动轧制（油缸动作速度与钢管速度方向一致） 限动油缸工作行程：2015mm（事故脱棒行程：3510-2015=1495mm） 浮动速度：0.070.2m/s 返回速度：0.2m/s 事故脱棒的前进速度：0.2m/s 事故脱棒速度：0.2m/s 2、回退轧制（油缸动作速度与钢管速度方向相反） 限动油缸工作行程：3510mm 轧钢时回退速度：0.070.2m/s 返回原位的速度：0.4m/s 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 2.3 现有液压系统的技术参数现有液压系统的技术参数 1、系统工作压力：14mpa 2、系统流量：600l/min 3、蓄能器组：240l 4、工作泵组：4 台 pvp14302r（paker）轴向柱塞泵，3 台工作，1 台备用 5、工作电机：4 台，55kw，1480r/min 6、清洁度：nas7 级 第三章第三章 概述与工况分析概述与工况分析 如图 1 所示为限动芯棒工作示意图，其动作原理如下：在均热炉加热后荒管 被送到轧管机前台， 芯棒小车有电机带动链轮驱动快速前进， 将芯棒深入荒管中， 当芯棒小车前端弧形板与限动横梁接触后，小车链轮驱动系统停机。轧管时，荒 管已恒速 v1（轧管线速度）前进，而芯棒与限动横梁一起在限动缸作用下以恒 速 v2（限动缸速度）前进。由于 v1v2使得在轧制过程中芯棒相对于毛管产生回 退运动，直至推出毛管轧制完成，在轧制中，芯棒和限动横梁所受载荷与其运动 方向相反，此力即为液压缸限动力（超越负载） ，即液压缸活塞杆和芯棒的伸出 速度由液压系统来控制，而活塞杆受拉力。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 10 图 1 限动芯棒工作示意图 原有机构存在的问题： 1）在工作中发现，限动工况为超越负载，芯棒被坯料带走，无法实现限动 无法保证芯棒和坯料间要求的稳定速度差，同时造成缸无杆腔吸空，从而导致速 度不稳定，终点定位不准，并产生噪声。经过分析和实验，增加背压阀可实现限 动，但同时又造成双缸不同步，且同步速度受偏载影响较大。 2）双缸并联同步不可靠，受偏载影响，速度同步误差大，更无法保证位置 同步，且产生总点位置误差的累积。 本系统为西宁特钢100 无缝三辊斜轧机芯棒运行液压系统。通过对系统的 分析，认为芯棒限动液压控制系统的正确运行必须满足以下基本要求： 1）液压缸运动速度满足工艺要求。即轧钢不同品种规格的钢管时，能方便 精确调出相对应的芯棒限动速度，要求运行速度平稳、速度调节方便、精确、连 续，并有很大的速度刚度（负载变化能力强） ，以保证毛管的轧制速度和限动芯 棒之间有恒定的速度差； 2）实现并联液压缸同步前进和后退。由于液压缸工作行程厂（3600mm） ，负 载大（每缸 100kn） ，若两缸采用并联对成同步方案，则同步精度会受到诸多因 素影响，使同步运行不够可靠。如：负载的不稳定、两缸的制造及安装精度（如 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 浮动横梁两侧滑板的间隙调整） 、两缸密封处摩擦力的不同、两缸混入空气程度 的不同造成两缸内泄漏的不同，均会影响其同步精度； 3）轧制行程通过液压缸实现对芯棒的限动。由于轧制行程要求实现钢管与 恒定速度差（芯棒运行低于毛管速度）导致缸在工作行程为超越负荷工况、芯棒 被坯料带走无法实现限动， 同时造成缸无杆腔吸空， 造成缸运动特性发生变化 （v 不稳、定位不准） 。 综上分析，液压系统要求双缸同步前进轧制及快速退回，行程大，调速范围 宽， 要求双缸精确连续调速且速度刚度大， 对工作行程超越负荷实现限动 （背压） 、 且运动平稳、工作可靠。 第四章第四章 液压系统主要参数的确定液压系统主要参数的确定 4.1 系统压力的初步选定系统压力的初步选定 系统压力选择的恰当与否，直接关系到整个系统的合理程度。在液压系统功 率一定的情况下，若系统压力选的过低，则液压元件及辅助元件的尺寸和重量都 会增加，系统的造价也相应增加；若系统压力选的过高，则液压元件及辅助元件 的尺寸和重量都会降低，从而系统的造价也相应降低。由此可见，合理的选择系 统压力尤为重要。 另外， 系统压力的选择也会影响系统的效率和使用寿命。 因此， 不能一味的追求高压。 作为轧管机的芯棒限动系统，属于工程机械的辅助机构，系统的压力应在 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 12 1016mpa 之间，所以初选系统工作压力为 14mpa。 4.2 计算液压执行元件的主要参数计算液压执行元件的主要参数 4.2.1 计算液压缸的主要尺寸计算液压缸的主要尺寸 1）选定液压缸的类型。因为系统要求实现液压缸对芯棒的限动，并且使活 塞往复运动时的速度及压力差较大，所以采用差动式液压缸。 2）液压缸的最大负荷为 f=100kn，且为拉力，所以无活塞杆的压杆稳定性 校核问题，液压缸有杆腔的压力为 1 p=14mpa。 3）按拉力及往返速比要求确定液压缸的主要尺寸。因为在轧制时此限动液 压系统组成差动回路，缸受超负荷作用，所以液压缸有杆腔为工作腔。 4/ )( 22 1 dda= 4/ 2 2 da= d缸筒内径 d活塞杆外径 1 a有杆腔的工作面积 2 a无杆腔的工作面积 m液压缸的机械效率，此处取m=0.95（由机械 设计手册表 17-6-3 得） 根据回路特点选取背压的经验数据，取轧制行程无杆腔的最小工作压力为 2.9mpa。即 2 p=2.9mpa,又有活塞所受的最大拉力为 100kn，则由活塞的受力平衡 知： p2a2+f/m=p1a1 即 2.910 6d2/4+100103/0.95=14106（d2-d2）/4 （1） 4.2.2 确定往返速比确定往返速比 因为活塞浮动速度为：0.070.2m/s 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 13 返回速度为：0.4m/s 所以 0.4/0.20.4/0.07 即： 0.25.7 根据液压气动系统设计手册中差动速比为：=2 又有 =d 2/（d2-d2） 所以 2=d 2/（d2-d2） （2） 联立（1） （2）解得 d=180.8mm,d=127.8mm 圆整后取 d=180mm， d=125mm 所以有：a1=（d 2-d2）/4=3.14（0.182-0.1252）/4=0.013m2 a2=d 2/4=3.140.182/4=0.025m2 4.3 计算液压执行元件所需的最计算液压执行元件所需的最大流量大流量 4.3.1 轧轧制制工况工况 当液压缸活塞杆为伸出运动（浮动和轧制） ，vmax=0.2m/s，液压缸两腔的最 大流量计算如下： q1= a1vmax=0.0130.210 360=156l/min q2=a2vmax=0.0250.210 360=300l/min q1有杆腔的总流量 q2无杆腔的总流量 可知，油缸进油路流量为： q01=2q2=2300=600l/min 油缸回油路流量为： q02=2q1=2156=312l/min q01无杆腔的总流量 q02有杆腔的总流量 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 14 4.3.2 回回退退工况工况 当液压缸活塞杆为缩回运动， vmax=0.4m/s， 液压缸两腔的最大流量计算如下： q1= a1vmax=0.0130.410 360=312l/min q2=a2vmax=0.0250.410 360=600l/min q1有杆腔的总流量 q2无杆腔的总流量 可知，油缸进油路流量为： q01=2q1=2312=624l/min 油缸回油路流量为： q02=2q2=2600=1200l/min q01有杆腔的总流量 q02无杆腔的总流量 4.4 计算执行元件的压力计算执行元件的压力 4.4.1 浮浮动工况动工况 当液压缸活塞杆为伸出运动（浮动和轧制） ，vmax=0.2m/s，所需泵的最大流 量为： qmax=2vmaxa2=20.20.02510 360=600l/min 两缸为差动连接，有杆腔为高压腔，所以此工况有一半左右的流量经主溢流阀流 回油箱，使系统发热大、效率低、需冷却。 4.4.2 轧轧制制工况工况 两缸为差动连接，两缸最大压力为 200kn。此时缸有杆腔的压力为 14mpa，液压缸受力平衡方程为： p2a2+f/m=p1a1 p20.025+10010 3/0.95=141060.013 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 15 解得： p2=3.1mpa 可知，限动工况液压缸无杆腔的最小理论工作压力为： p23.1mpa 4.4.3 返回行程返回行程 液压缸轧制完成后返回运动时为有杆腔工作，若缸的最大拉力为 100kn，则 可求得有杆腔压力最大值为： f/m=p1a1 p1=10010 3/（0.0130.95）=8.1mpa 减压阀出口压力位：p减压=p1+p比例阀 由于比例阀选用的阀芯 a、b 开口度不一致，结构为非对称性。 pb 约为 0.5q,at 约为 q 油缸两腔面积比：a1/a2=0.013/0.025=0.5 所以，进、回油在比例阀上产生的压力将在油缸的平衡方程中大部分抵消。 由此可见，返回行程中有杆腔压力最大值：p1=8.1mpa。 第第五五章章 液压系统方液压系统方案案的确定的确定 5.1 确定确定和和选选择基本择基本回回路路 本系统要求双缸同步前进轧制及快速退回，行程大，调速范围宽，要求双缸 精确连续调速且速度刚度大对工作行程超越负载实现限动（背压） 、且运动平稳、 工作可靠。经过分析消化现有液压系统与存在的问题，选择如下基本控制回路来 满足其工况要求。 5.1.1 调调速回速回路路的选的选择择 所谓调速回路，即为速度调速回路，主要分为节流调速、容积调速和容积节 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 16 流调速回路，而节流主要是节流阀调速回路和调速阀调速回路，他们是通过改变 流量控制阀的通流面积来控制和调节进入或流出执行元件的流量来完成调速目 的的。 由于本系统只是要求在轧制过程中速度有一个连续的变化范围， 而轧制完成 返回速度是一定的， 但要求速度运行平稳这就需要有一定的背压， 所以可采取进、 出口节流调速回路，如图 5.1 所示： 进油口节流调速回路 出油口节流调速回路 图 5.1 虽然这种节流阀调速回路能实现较大的无级调速，但却有一个缺点，就是回 路的速度刚性随负载的变化而变化，即负载特性差。而本系统的负载变化较大， 但要求运行速度平稳，即轧制过程中芯棒与毛管有恒定的速度差，以免出现“竹 节”现象，也就是要求很强的抗负载能力。因此，这种进、出口节流调速回路不 能满足工艺要求。 另外， 此系统的流量大， 因此一般的节流阀不能满足流量要求。 调速阀调速回路主要用于变负载的情况，其速度刚性优于节流阀调速回路。 要是缸满足工艺要求，即轧制不同品种规格的钢管时，能方便精确调出相对应的 芯棒限动速度，要求运行速度平稳、速度调节方便、精确、连续，并有很大的速 度刚度（负载变化能力强） ，以保证毛管的轧制速度和限动芯棒速度之间有恒定 的速度差，这对于普通的节流阀、调速阀而言较难实现，而比例阀的开口量有电 信号控制，因而调节比较精确方便。综上所述分析制定一个完整的调速方案。 选择电液比例方向阀加远控减压阀和梭阀组成带压力补偿的调速回路， 实现 精确连续成比例调速且抗负载变化能力强。以满足轧制不同规格钢板时，要求调 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 17 整相应的液压缸运动速度。回路如图 5.2 所示： 图 5.2 5.1.2 限动限动背背压回压回路路的选的选择择 由于液压缸在工作行程为超负荷工况，且要求有一稳定的速度差，这就要求 实现对液压缸的限动，以保证实现液压缸的恒定速度差，避免出现因缸的速度不 稳定而引起轧管的“竹节”现象。所谓限动，就是在轧制工况时使液压缸的有杆 腔的压力维持恒定，避免由于负载的变化引起吸空，造成液压缸的速度不稳或停 位不准。 实现背压的方法大致有两种： 一是利用背压阀实现限动， 如背压阀、 溢流阀、 顺序阀、节流阀等都可以作为背压阀使用；另一种是组成差动回路使液压缸有杆 腔的压力与某一恒定压力相同。由于插装阀尺寸较大，压力损失大且价格昂贵， 所以此处选用差动回路实现背压。 具体方案如下：选用具有压力反馈功能的差动连接回路，以实现对工作行程 超越负荷工况的限动背压，使缸速度稳定可调，回路如图 5.3 所示： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 18 图 5.3 5.1.3 同同步回步回路路的选的选择择 本系统的最高负载达 200kn，所以需要两个液压缸同时限动横梁。由于负载 不均衡，摩擦阻力不等，液压缸泄漏量不同，空气混入与制造误差等因素都会影 响同步精度。刚性连接时连接机构的刚性决定两液压缸的同步精度，因为此系统 液压缸的行程约为 3600mm，行程长，所以液压缸的刚性连接不能满足要求。因 此采用液压方法来保证其同步。 同步回路可分为速度同步回路和位置同步回路。 本系统要求实现速度和位置 同步实现。当液压系统有较高的同步精度要求时，可采用伺服阀组成同步回路， 但由于此系统要求伺服阀通过 1200l/min 的大流量，规格尺寸要选的很大，因此 价格昂贵， 并且这种同步回路适用于两个液压缸相距较远而同步精度又很高的场 合。而本系统因行程长，所以要求两缸尽量靠近，不平行度偏差要小。综合这几 方面的因素，这种有伺服阀控制的同步回路不能选用。 同步回路又可分为容积同步回路和流量同步回路。 容积同步回路是将两相等 的容积油液分配到尺寸相同的两液压缸，实现两缸位移同步。这种回路的同步精 度较高，系统效率较高。其中包括带补油装置的串联缸同步回路(图 5.4)和同步 缸同步回路和并联马达同步回路(图 5.5)。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 19 图 5.4 图 5.5 第一种显然不符合要求，而同步缸需要特制，所以价格较贵；并联马达同步 回路使用两个同轴等排量马达作配油环节， 输出相通流量的油液来实现液压缸的 同步，这种同步回路的同步精度较高，且液压马达允许较高的流量通过。但是该 回路由于使用同步马达，所以价格较贵。 流量同步回路可分为液压缸单侧节流和液压缸双向节流同步回路。 单侧节流 同步回路只能实现一个方向上的同步，且同步精度受负载和油温影响较大，且效 率低，而双向节流回路进、出口节流使用同一个调速阀，故不能分别调整往返速 度。 如图 5.6 所示，该回路用放大的偏差信号控制比例调速阀，使两液压缸同步 运动。比例阀要求有一定的流向，因此采用单向阀桥式整流。该回路的同步精度 较高，且费用相对较低，故采用该回路。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 20 图 5.6 5.2 基本基本回回路路方方案案的最的最后后确定确定 根据以上的回路方案，设计出的芯棒限动系统控制阀组。系统液压原理图如 图 5.7 所示： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 21 第第六六章章 液压系统动作液压系统动作原理原理分析分析 系统在三种工作状态下，油路分析及各阀工作状态分析 6.1 浮浮动轧动轧制制 此时泵组工作且比例阀两端电磁铁处于失电状态 进油路：泵压力油经 p 口进入阀组减压阀比例阀中位进油路 封闭。此时减压阀工作处于减压状态，主阀芯微小开启，导阀小流量梭阀 比例阀t（压力为零） 。 回油路两单向阀均关闭不通，油缸静止不动，缸向左单向浮动，处于原停留 状态，减压阀出口压力（即比例阀进口压力 p）为减压阀的先导溢流阀的弹簧调 定压力。该调定压力需综合考虑系统实际工作压力 p=14mpa。油缸理论工作压力 及 dn32 通径由比例反方向阀的流量特性来选取。 （1）轧制行程 p23.1mpa，系统（减压阀进口）压力 p=14mpa。此工况比例阀通过最大流 量 qmax=600l/min，参照比例阀流量特性曲线知：p比=1.1mpa，故减压阀的先导 阀弹簧调定压力应为： p弹簧3.1+1.1=4.2mpa 即比例阀人口 p 压力为 4.2mpa，但此时比例阀处于中位，p 口被封闭，油缸静止 不动，油液通过溢流阀回油箱。 （2）返程行程 p1=8.1mpa，比例阀通过最大流量为 1200l/min，参照比例阀流量特性曲线 知，p比=5.1mpa，此时减压阀出口压力应为： p减压=8.1+5.1=13.2mpa 减压阀可自动调节其液阻大小，保持出口压力为：p减出=p弹簧+p缸（p缸为梭 阀反馈至减压阀调节导阀出口的油缸工作压力） ，可知 p弹簧4.2mpa 满足此工况 要求。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 22 6.2 比例比例阀右电磁铁通电（阀右电磁铁通电（2dt） 比例阀处于右位工作状态，阀口开口度由比例放大器输入电信号大小控制， 此时系统： 进油路：系统压力油 p减压阀比例阀右位油缸无杆腔活 塞杆右移 压力补偿 导阀 梭阀左路通 减压阀处于减压状态，上部单向阀关闭不通，此时导阀出口压力油经梭阀压 力反馈与油缸无杆腔接通，此反馈行程对比例阀的压力补偿作用，使比例阀前后 压力差保持在导阀调压弹簧调整压力附近基本恒定， 从而使流过比例阀的流量保 持不变（流量大小由比例放大器给定信号调节） ，使油缸速度不受负载变化影响 而用放大器控制信号大小调定不变。 回油路： 液压缸右腔的油液下部单向阀系统压力油 p减压阀 比例阀无杆腔，形成差动连接，以实现对缸有杆腔的压力反馈，使有 杆腔产生限动背压力，背压力大小由系统压力提供，其大小由主溢流阀调整为 p=14mpa，因为此时属于进油路节流调速回路，主溢流阀常开溢流，故形成恒定 背压力，实现芯棒限动。 该系统保证了油缸运动的平稳性和有效的速度控制， 缸运动速度完全取决于 比例阀开口的大小，限动背压力为可调整的稳定值。 速度分析如下： 比例阀前后压差：p比=p减出-p缸 由于梭阀的反馈压力：p减出=p弹簧+p缸 所以 p比=p弹簧f(x)=const x导阀阀芯调节位移量 通过比例阀流量：q比=kap比=f(a)=const q比由 a 线性调节。 活塞杆的速度：v缸=q比/a2=f(i)=const v缸取决于比例阀开口大小，即输入信号大小。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 23 6.3 比例比例阀左电磁铁通电（阀左电磁铁通电（1dt） 油缸带动芯棒返回速度为：v=0.4m/s 比例阀处于左位工作状态，阀口开口度由比例放大器控制。 进油路：系统压力油 p减压阀比例阀左位上部单向阀缸 有杆腔活塞杆左移退回 导阀流量 梭阀右路通 回油路：缸无杆腔油梭阀不通 比例阀t 口回油箱 此时下部单向阀处于半封闭状态，减压阀处于减压状态，其导阀流量经梭阀 右路（梭阀由比例阀 b 口压力油控制，选择右路接通导阀出口）及上部单向阀反 馈给缸有杆腔，形成对比例阀的压力补偿作用，使比例阀前后压力差维持在导阀 调整压力附近基本恒定，从而使通过比例阀的流量保持不变，使缸速度相应调定 不变，而不受负载变化影响，该过程可实现快速返回及回退轧制过程。 速度分析如下： 比例阀前后压差：p比=p减出-p缸 由于梭阀的反馈压力：p减出=p弹簧+p缸 所以 p比=p弹簧f(x)=const x导阀阀芯调节位移量 通过比例阀流量：q比=kap比=f(a)=const q比由 a 线性调节。 活塞杆的速度：v缸=q比/a2=f(i)=const 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 24 第第七七章章 液压元件的选液压元件的选择和择和设计设计 7.1 液压液压泵泵的选的选择择 7.1.1 确定液压确定液压泵泵的压力的压力 液压泵的最大工作压力为：pp=p1+p p1执行元件的最大工作压力 p液压泵出口到执行元件之间的压力损失 因管路复杂，流速较大，所以p 取为 2mpa。 所以泵的最高压力为： pp=p1+p=14+2=16mpa 7.1.2 确定液压确定液压泵泵的的流量流量 多液压缸或多液压马达同时工作时， 液压泵输出流量要大于同时动作的几个 液压缸的最大流量， 并考虑到系统的泄露和液压泵磨损后的容积效率的下降， 即： qpk（q）max k系统泄露系数，一般 k=1.11.3，此处取 k=1.15 （q）max同时动作的液压缸最大总流量按题目要求得 （q）max=624l/min。差动时，泵的理论流量为： q进-q出=600-312=288l/min 返回行程时：q进=624l/min 所以 qpk（q）max=1.15624=717.6l/min 每个液压泵的流量为：748.8/3=239.2l/min 7.1.3 选选择择液压液压泵泵的的规格规格 根据系统拟定的液压泵的形式，按照其最大工作压力和流量，参照北京华德 工业集团的样本，选择 a4fo 定量泵，用于开式回路，结构为斜盘式轴向柱塞泵 结构。该泵的规格为 125mm，最大流量 250l/min，最大功率为 94kw。 7.1.4 确定确定驱驱动液压动液压泵泵的的功率功率 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 25 由 np=ppqp/p可求的功率 pp液压泵最大工作压力 qp液压泵的最大流量 p液压泵的总效率，即容积效率与机械效率的乘积，取为 0.85 np=ppqp/p=1610 6239.210-3/（601030.85）=75.04kw 7.2 电电动动机机的选的选择择 由前述知，驱动液压泵的功率为 75.04kw，由此选相应的电动机。 由于液压泵通常在空载下启动，故对电动机的启动转矩没有过高的要求，启 动次数不多。由此可采用 y 系列笼形异步电动机。 电动机的转速应与液压泵的转速相适应， 电动机与液压泵之间通常采用联轴 器连接，电动机的转速应在液压泵的最佳转速范围内。泵的转速为 1800r/min， 由此选择电动机的转速 n=1500r/min。 根据机械设计手册第五版表 17-1-35，最终选择 y 系列（ip44）三相异 步电动机，型号为 y280s-4，功率为 75kw，机座带地脚，端盖无凸缘的电动机。 7.3 液压液压控制阀控制阀的选的选择择 液压阀选择依据系统的最大工作压力 pmax和通过阀的实际最大流量 qmax，以 及安装方式等。原则上：阀额定压力和公称流量应大于等于 pmax和 qmax。为提高 工作可靠性，应留有一定的安全量。 由前面计算结果可知：系统在各种工况下，以缸最大速度计算出通过各阀的 最大流量如下： 减压阀：600l/min 下单向阀：312l/min 比例阀：1200l/min 上单向阀：600l/min 梭阀和减压阀控制盖板，其 qmax为减压阀远程流量，其规格与主阀相同；桥 式交叉溢流补油回路中单向阀：600l/min，比例调速阀：600l/min；各阀最大工 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 26 作压力以油源系统工作压力计算为：14mpa。 1、电液比例方向阀及相匹配的比例放大器 选用华德液压元件集团的元件如下： 型号：4wrz32w32-30b/6a24ez4m 该比例阀是靠比例电磁铁控制的先导式比例换向阀， 将电气信号转换为液压 压力信号，用来控制液压系统的流量和流动方向。 此阀采用板式连接，安装调试方便：阀体采用铸造内通道，通流能力强，流 量大，主阀芯采用轴向三角形控制沟槽，控制台阶压降小，放大器为外置式，规 格为 32 通径，其主阀最大流量为 1500l/min。 阀芯位移闭环调节系统与放大器配合使用，可实现对阀芯位置的闭环控制， 确保油缸运行速度调定值的重复精度及稳定性。阀芯形式采用 w1 型，使阀芯 a、 b 开口度不一致。左电磁铁通电时（1dt+） ，pb 为 q/2，at 为 q；右电 磁铁通电时（2dt+） ，pa 为 q，bt 为 q/2。此阀芯结构完全适应油缸两 腔面积差造成流量不一致问题及背压力在缸两腔的平衡问题。 比例放大器采用：vt-3000bs30/ 2、减压阀及盖板的选择 选用德国力士乐公司液压元件如下： 阀芯型号：lc63dr40d6x/ 减压阀盖板：lfa63d82-6x/200 本系统通过该阀的最大流量为 600l/min，选定阀的开启压力为 0.4mpa，该 阀芯允许通过的最大流量为 1000l/min，减压阀控制盖板选定为带手动压力设定 和带压力保护的控制盖板。为更精确控制压力值，选定实际工作压力大约等于额 定压力附近的 2/3，取压力级为 20mpa，通径同阀芯为 dn63。 3、单向阀的选择 系统中上部单向阀的最大流量为 600l/min，下单向阀的流量为 312l/min， 桥式交叉溢流补油回路中单向阀的最大流量为 600l/min。为统一规格，单向阀 全部选用 lc50a20e6x,选定开启压力为 0.2mpa，规格 dn50。 4、溢流阀的选择 溢流阀采用力士乐公司的手动带压力调定的溢流阀 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 27 型号：dbdh50p10/ng10 5、桥式补油回路中的比例调速阀 选用德国力士乐的产品：lds4020s3x05n11 系统中通过该阀的最大流量为 600l/min，选定阀的通径为 dn40，开启压力 为 0.2mpa，允许通过的最大流量为 850l/min，其控制盖板选定为带手动压力设 定和带压力保护罩的形式，通径为 dn40，压力级为 20mpa。 比例放大器采用 vt-2000s20/ 6、测压排气接头 型号：smk20 用于阀组的测压接头和排气，选用德国 stuff 公司产品。 7、梭阀盖板型号：lfa50g-6xb/ 7.4 蓄能器蓄能器的选的选择择 1、蓄能器工作原理 蓄能器是按力平衡原理，使工作介质（如液压油）的体积发生变化，从而达 到储存和释放液压能的一种装置。蓄能器基本上有四部分：壳体 1、隔离层上的 可压缩空气 2、隔离层 3、隔离层下部与系统相连的工作液体 4。如图 7.1 所示： 图 7.1 2、蓄能器的分类 蓄能器按其作用与工作液的物质不同，一般分为充气式、重锤式和弹簧式等 三类，每类蓄能器根据其结构又有不同形式。具体分类如下：隔离式蓄能器、气 囊式蓄能器、活塞式蓄能器、差动活塞式蓄能器、充气式蓄能器、直接接触式蓄 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 28 能器、重力式蓄能器、弹簧式蓄能器等。隔离式蓄能器又可分为非可挠型和可挠 型两类。非可挠型蓄能器有活塞式、差动活塞式和柱塞式三种；可挠型蓄能器有 气囊式、隔膜式、直通气囊式等。 3、蓄能器的选择 1）根据用途选择蓄能器的种类 2）合理选择蓄能器容积及最大工作压力 3）必须考虑与液压系统工作介质的相容性 4）蓄能器安装时远离热源 5） 正常使用时要按要求定期检查蓄能器内部生锈情况及表面处理层的脱离情况。 根据上述原则，所以选用蓄能器的有效容积为 240l。 7.5 管管路路的计算的计算和和选选择择 包括管道种类、管道尺寸的确定和选择管接头。 7.5.1 管管道道种种类类的选的选择择 选择主要是依据工作压力、工作环境和液压装置的总体布局。 7.5.2 管管道道尺寸的确定尺寸的确定 原则上有关规格尺寸有它所连接的液压元件接口处尺寸一致。 油管内径计算 公式： v q v q d= 3 1013 . 1 2 式中：q通过管道的最大流量 v管道内液体允许的最大流速 d管道内经 计算直径 d 应符合标准直接系列。 由流体力学知提高流速会使压力损失增大， 减少流速势必会增大管道内径及 其附件的体积和重量， 同时流速与液压冲击密切相关， 流速增大， 冲击压力增大。 所以流速原则， 应使压力损失不大于系统压力的 5%6%的系统压力， 且压力高、 流量大和管道短时取流速较大值。 查手册知当系统压力大于 15mpa 时（该系统的泵源压力为 16mpa） ，允许流 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 29 速 v7.0m/