机械毕业设计（论文）-Csp液压活套伺服控制系统【全套图纸】 .pdf

内蒙古科技大学毕业设计说明书 i 前前 言言 与其他传动方式相比较，液压传动与控制技术具有很多优点。随着国民经济 和现代工业技术的发展，液压技术发展很快，并在几乎所有技术领域中日益广泛 应用。 自动控制理论是研究自动控制系统运动规律， 并运用这些规律分析和设计自 动控制系统的理论。反馈控制是实现自动控制的最基本的方法，反馈控制的基本 原理是利用控制装置将被控制对象的的输出信号回输到系统的输入端， 并与给定 值进行比较形成偏差信号，以产生对控制对象的控制作用，使系统的输出量与给 定值之差保持在容许的范围之内。近几十年来，随着微电子和计算机技术的迅速 发展， 且渗透道液压与气压技术中并与之密切结合，使其应用领域遍到各个工业 部门， 已成为实现生产过程自动化、 提高劳动生产率等必不可少的重要手段之一。 液压系统在轧钢系统上得到越来越广泛应用。薄板坯连铸连轧是 80 年代末 开发成功的一种全新的短流程工艺，是继氧气转炉炼钢、连续铸钢之后钢铁工业 最重要的革命性技术之一。近年来连铸连轧生产线中液压技术的发展出现了高 压，大流量、高精度和集成化的液压系统。其中液压伺服控制系统表现出了其突 出的优势：反应速度快，系统响应的频宽较高；操作系统自动控制的精度高；控 制系统中的主体体积小，重量轻、结构紧凑、输出功率大；而且液压伺服系统可 以连续、间歇、正反向的工作。故为了让液压伺服系统得到更好的应用，世界各 国都给以关注，并先后投入了大量的人力、物力进行研究和开发。 在此次设计过程中，得到了乔老师和各位同学的大力帮助，尤其是乔老师在 设计中给了我们许多合理的设计建议， 并一次次耐心地帮我们解决设计中所遇到 的难题，在此表示衷心的感谢。 由于自身水平所限，设计中难免有不少错误和不妥之处，敬请老师们批评指 正。 2011 年六月五日 内蒙古科技大学毕业设计说明书 ii 摘 要 本次设计的内容是薄板厂连铸连轧生产线中轧机活套的液压系统。设计的 主要目的是通过液压伺服系统来控制活套自动地升降， 以实现轧机间恒张力自动 控制。 本设计说明书论述了连铸连轧工艺、设备及其发展前景，并介绍了连铸连轧 生产线中液压活套的结构特征、基本功能及其自动控制系统。 本次设计的主要任务是完成活套液压部分的设计计算，其中包括总体方案 的确定、液压系统原理图的拟定、油源系统的设计计算，液压缸的计算与选择、 液压阀的选择、管路的液压损失计算、油箱的设计计算、系统发热计算等。 关键词关键词 连铸连轧 液压系统 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 内蒙古科技大学毕业设计说明书 iii abstract the content of the subject is to design a hydraulic system of the looper in the hot strip mills of the sheet continuous casting and tolling.the main purpose of the design is to automatically control the loopers rise and down by hydraulic servo system in order to realize automatic control of the constant tension between the mills. the design instructiong introduced slab continuous casting and tolling process,equipment and its prospects,and the structure characteeristics ,basic functiong and automatic control system of the hydraulic looper in slab continuous casting and rolling line. the design of the main tasks in is to compele sets of the loopers hydraulic system,including the determination of the overrall program,the formulate of the hrdraulic system schematic diagram,oil sources in the design and calulation,the hydraulic cylinders design and choice ,the choice of the hydraulic valves,piping the pressure loss,the fuel tank design and calculation,the calculation of the heating system and so on . key words :looper hydraulic system 内蒙古科技大学毕业设计说明书 iv continuous casting and tolling 内蒙古科技大学毕业设计说明书 v 目目 录录 前 言. i abstract. ii 第一章 绪论 - 1 - 1.1 连铸连轧技术的发展概况及前景 - 1 - 1.1.1 薄板坯连铸连轧技术的形成发展概况 - 1 - 1.1.2. 薄板坯连铸连轧的关键技术 . - 2 - 1.1.3. 薄板坯连铸连轧技术的特点 . - 5 - 1.1.4. 薄板坯连铸连轧技术的发展趋势 . - 5 - 1.2 液压活套初步介绍 - 7 - 1.2.1. 活套的基本类型 . - 7 - 1.2.2. 液压活套的主要功能 . - 7 - 1.2.3. 液压活套自动控制 . - 9 - 第二章 系统设计要求. - 11 - 2.1 主机结构及工艺过程 . - 11 - 2.2 主机参数及设计要求 . - 12 - 2.3 工作环境及其它要求 . - 12 - 第三章 拟定设计方案. - 14 - 3.1 液压系统的设计内容和步骤 . - 14 - 3.2 液压系统的设计原则和依据 . - 15 - 3.3 拟定液压系统原理图 . - 16 - 3.3.1 系统控制原理的初步选择 . - 16 - 3.3.2 拟定系统职能方框图 . - 17 - 3.3.3 液压系统原理图的比较与选择 . - 18 - 第四章 液压缸的设计. - 22 - 4.1 液压缸的设计计算 . - 22 - 4.1.1 主要技术要求 . - 22 - 4.1.2 伺服缸的功能、典型结构与分类 . - 22 - 4.1.3 液压缸的设计中注意问题 . - 24 - 4.1.4 液压缸的类型和安装方式 . - 25 - 内蒙古科技大学毕业设计说明书 vi 4.1.5 液压缸主要尺寸计算 . - 25 - 4.2 活塞杆及活塞的设计计算 . - 33 - 4.2.1 活塞杆与活塞结构型式 . - 33 - 4.2.2 活塞杆与活塞尺寸及公差 . - 33 - 4.2.3 活塞杆的结构 . - 34 - 4.2.4 活塞杆强度的校核 . - 34 - 4.2.5 活塞杆的弯曲稳定性的验算 . - 35 - 4.2.6 活塞杆与活塞的材料及加工 . - 35 - 4.3 伺服缸辅助部件的设计 . - 36 - 4.3.1 液压缸的排气装置 . - 36 - 4.3.2 液压缸进、出油口形式及大小的确定 . - 36 - 4.3.3 传感器的选择 . - 36 - 4.4 绘制正式工作图，编制设计资料 . - 36 - 第五章 液压元件的选择. - 37 - 5.1 选择液压泵 . - 37 - 5.2 选择阀类元件 . - 37 - 5.2.1 液压控制阀的分类 . - 38 - 5.2.2 选择控制阀 . - 40 - 5.3 液压管路的选择 . - 44 - 5.3.1 管道的选择 . - 44 - 5.3.2 管接头的选择 . - 46 - 5.4 液压辅助元件的选择 . - 47 - 5.4.1 蓄能器的选择 . - 47 - 5.4.2 滤油器的选择 . - 47 - 5.4.3 继电器的选择 . - 47 - 5.5 液压油的选用 . - 48 - 第六章 液压系统性能验算. - 50 - 6.1 管路系统压力损失计算 . - 50 - 6.1.1 判断流动状态 . - 50 - 6.1.2 计算系统压力损失 . - 51 - 6.2 系统的效率计算 . - 52 - 6.3 液压系统发热温升计算 . - 53 - 内蒙古科技大学毕业设计说明书 vii 参 考 文 献 - 55 - 结 束 语. - 57 - 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 本章从整体上对所设计的内容及其相关知识进行了概述， 详细地阐述了连铸 连轧技术、生产工艺设备及其发展概况；并介绍了连铸连轧生产线中轧机活套的 类型、功能及结构特点等。 1.1 连铸连轧技术的发展概况及前景连铸连轧技术的发展概况及前景 1.1.1 薄板坯连铸连轧技术的形成发展概况薄板坯连铸连轧技术的形成发展概况 薄板坯连铸连轧是20世纪80年代开发成功的生产热轧板卷的一种全新的短 流程工艺， 是继氧气转炉炼钢、 连续铸钢之后钢铁工业最重大的革命性技术之一， 世界各国都给予了极大关注，在冶金界产生了巨大反响。 自 1987 年 7 月美国纽柯公司克劳福兹维尔厂建成投产世界上第一条薄板坯 连铸连轧生产线以来，薄板坯连铸连轧生产技术取得了举世瞩目的成绩，被誉为 钢铁工业的“第三次技术革命” 。目前，世界各国和钢铁工业大国相继开发了独 具特色的薄板坯连铸连轧生产技术，这些技术主要包括：德国西马克公司 csp 技术、德国德马克公司的 isp 技术、意大利达涅利公司的 ftsc 技术、奥钢联的 conroll 技术、 日本住友与三菱公司开发的 qsp 技术、 美国蒂平斯公司的 tsp 技术等。 截至 2007 年 10 月， 世界上已建成投产的和部分在建的各种不同类型的薄板 坯连铸连轧生产线共计 54 条、铸机 86 流，总的生产能力约为 9200 万 t，其中 csp 线 29 条、铸机 47 流，占薄板坯连铸机总产能的 50%以上。薄板坯连铸连 轧生产线的建设主要集中在中国和美国， 两国占世界薄板坯连铸连轧总生产能力 的 57.0%，其中中国占 35.7%，位居世界第一。 早期的第一代薄板坯连铸连轧技术产品主要是以其特有的流程优势（包括： 生产成本低、能耗低、投资少等）与传统的热连轧生产在低档品种市场方面进行 竞争。 csp 是由德国施罗曼 西马克 （sms） 公司研究开发的薄板坯连铸连轧技术。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 2 - 世界上第一条 csp 生产线，于 1989 年在美国 nucor 公司的 crawfords- ville 厂建 成。目前，csp 技术建成有 38 台 csp 连铸机在内的 24 条 csp 生产线，广泛分 布在北美、南美、欧洲、亚洲、非洲等世界各地，生产能力达到 3900 万 t/年。 csp 工艺具有流程短、生产简便且稳定，产品质量好、成本低，有很强的市场竞 争力等一系列突出优点。 随着转炉与薄板坯连铸连轧生产线匹配的应用，第二代 csp 生产线在总结 第一代 csp 生产线的经验的基础上， 确定在产品中包括较大比例的小于 2.0mm， 经过热轧镀锌后，以取代一部分冷轧产品为目标；在产品开发方面还包括了低合 金高强度板、深冲用板以及硅钢和不锈钢等。 在 1999 年 3 月投入生产的德国 tks 厂的 csp 生产线，被称为是第二代的 薄板坯连铸连轧生产线。除 tks 厂以外，中国马钢和涟钢所建设的 csp 生产线 也属于第二代的。 第二代 csp 生产线的最新发展是 2001 年 8 月投入生产的意大利 ast 厂的 新的 csp 生产线。与 tks 厂 csp 生产线不同的是这条线更突出 csp 工艺在生 产高合金成分的特殊钢（不锈钢、硅钢等）品种方面的开拓和进步。在工艺技术 上也更加注重在炼钢，尤其是连铸部分的新技术的采用。 由于注重了连铸机与热连轧机产能的匹配、注重了高附加值产品的开发，第 二代的薄板坯连铸连轧技术具有以下突出优点： （1） 铸坯厚度曾后到 7090mm，主机冶金长度增加； （2） 采用了液芯压下、电磁制动、漏钢预报等连铸新技术； （3） 铸机通钢量提高到 3.33.7t/min； （4） 有的隧道炉长度延长到 240300m； （5） 连轧机特点：轧机组成 f67 或 r12+f56,采用半无头轧制技术，扩 大了厚度15hz 2.3 工作环境及其它要求工作环境及其它要求 在热连轧生产时,轧件在某一时刻同时位于多个机架中轧制,为了使轧制能顺 利进行,必须保持连轧关系。即在单位时间内通过各机架的金属秒流量应相等,相 邻机架间的带钢段的头尾速度相等(出口速度 vi 等于入口速度 vi+1),否则会造成 带钢的推拉现象。 但在连轧生产过程中,由于不断受到各种外来因素的干扰(温差、 厚差等),尽管对压力和主传动转速设定的十分准确,带厚和带速仍会不断偏离设 定值。因此,只有对轧机的压力和转速随时做出迅速准确的调整,才能保持金属秒 流量相等的平衡关系。而活套机构是一个十分灵敏的带长检测器,即使带长只伸 缩几个毫米,活套辊也会有明显的摆动。例如当活套角=25,套长变化l= 10mm时,活套辊摆动于1830之间,这样当两机架间带钢头尾速度不一致时, 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 13 - 通过活套可以立即检测出来,然后用给定的和实际的偏差值逆调(也可顺调)轧机 的速度,即调节 fi 机架的速度,使之与 fi+1 机架的速度相匹配,从而保证了连轧关 系。 板带张力控制是活套控制系统中的重要控制方式。 板带张力依靠活套辊与板 带接触后使板带屈服变形产生，是活套转矩的一部分，活套转矩包括：活套重量 转矩、活套起套加速力转矩、伺服阀偏移补偿转矩、板带重力转矩、板带屈服转 矩与板带张力转矩。在活套控制的不同阶段，活套转矩的参考值各不相同。 在活套的起套控制过程中，活套参考转矩为活套重量转矩、活套启套加速力 转矩与伺服阀偏移补偿转矩之和，当活套进入稳定控制阶段时，活套参考转矩为 板带张力转矩、板带屈服转矩、板带重力转矩、活套重量转矩与伺服阀偏移补偿 转矩。 活套启套加速力转矩只在活套启套过程中起作用，它与活套自身的重量及 活套启套的快速性有关，其大小由现场调试确定，目的是为了使活套快速启套。 设计理想的活套控制系统，首先要明确影响活套套量变化的因素，采取相应 的对策。凡是影响带钢张力、速度及上游轧机压下量等的因素，都将对实际活套 动作产生影响，归纳起来，影响因素主要有以下几个方面： 1. 来料的厚度变化 2. 材料温度的变化 3. 轴承油膜厚度的变化 4. 张力的变化 5. 轧辐热膨胀和磨损 6. 轧辊和轴承偏心的影响 7. 轧制速度的影响 上述各因素会影响机架间板带张力。为提高带钢质量，首先要明确各因素的 对活套控制系统的影响。针对不同的控制系统，就是要确定哪些因素是影响本系 统的关键因素，从而采取相应的措施。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 14 - 第三章第三章 拟定设计方案拟定设计方案 一个正确的设计应该是技术上先进，经济上合理、操作和维修方便，运用安 全可靠等。要做到这几个方面的要求，除了技术上的问题以外，还必须有正确的 设计指导思想和丰富的实践经验，还要借鉴前人的经验。 当然要达到这样的要求是需要有一个过程的， 我们应该努力完成从理论知识 到应用的过渡。在确定主机传动方式的过程中，必须反复研究各种传动方式的优 缺点和适用场合，通过分析对比，选出最合理的方案。当一种传动方式不能满足 设计要求时，应考虑是否能与其他方式结合，发挥各自的优点，形成合理的设计 方案。 只有在主机的传动方案决定采用液压传动之后，液压系统的设计任务才会 被提出来。一个好的液压系统往往不是一次就可以完成的，需要经过实践，不断 的修改，才能逐步完善，成为结构简单、性能好、效率高和使用方便、安全可靠 的液压系统。 拟定设计方案即根据设计要求，如控制功率的大小、控制精度、响应速度、 环境条件、使用维护和价格等，决定采用开环控制还是闭环控制。动力元件采用 电动的还是液压的。为了使设计的系统具有先进性，应避免在设计中出现重大失 误， 拟定系统总体方案时要进行同类系统的情况论证和初拟几种方案进行对比分 析，初步确定较优方案。一旦确定采用液压伺服控制系统，还要进一步确定反馈 形式和液压动力元件的类型，从而构成控制系统职能方框图和原理图，从原理上 满足系统设计的要求。 3.1 液压系统的设计液压系统的设计内容和内容和步步骤骤 由于实际的情况不同，液压系统的设计步骤是不可能完全相同的，在实际设 计过程中，设计步骤是相互联系、相互影响的，往往需要进行多次反复进行，不 断调整和修改设计的内容。 目前，液压系统的设计主要还是采用经验法，即通过调查研究，运用已经掌 握的知识和经验，依靠分析、对比、选择、和估算，最后设计出符合要求的系统 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 15 - 来。 液压系统的设计步骤如下： 1、明确设计依据进行工况分析； 2、确定液压系统的主要参数； 3、拟订液压系统图； 4、拟订元件的设计和选择； 5、液压系统性能验算； 6、绘制正式工作图和编制技术文件。 3.2 液压系统的设计原则和依据液压系统的设计原则和依据 1、液压系统的设计原则： 从设计出发，注意吸收国内外先进技术，力求设计出重量轻、体积小、成本 低、效率高、结构简单、性能良好、操作方便的液压装置来。 2、液压系统的设计依据： 为了设计出结构简单、性能优良、效率高、使用方便的液压系统，设计开始 时，必须通过调查研究明确以下几个问题： 弄清主机结构和总体布局： 这不仅是合理确定液压执行元件的运动方式及其 工作范围的需要， 也是合理确定和调整液压执行元件的安装位置及空间尺寸的需 要，同时也是综合考虑和合理选用各种传动方式的过程。 明确主机对液压系统的性能要求： 如运动平稳、 工作精度、 运动速度或转速、 输出力或转矩、调速范围、系统温升、系统效率及安全保护等，以便确定系统的 压力、流量、调速方法及液压泵的类型等。 明确主机的工作条件：如温度、湿度、污染以及是否有腐蚀及易燃、易爆等 情况，以正确选择液压元件和液压油。 根据主机布局和对机器的自动化以及各种执行元件的动作顺序， 联锁及安全 要求等，考虑设备的操作性、可维护性和保养性，分析并确定哪些部分采用液压 传动及控制较好，哪些部分采用其它传动及控制方式较好，确定它们之间的分工 配合、 操作方法及操作手把及按钮等的布置，并列出机器各工作部件的动作顺序 或自动工作循环表。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 16 - 了解、搜集同类型机器的有关技术资料：除了要了解液压系统组成、工作原 理、使用情况及存在问题外，还应对系统工作压力的选用、系统总重量及各类元 件、辅件的重量、工作环境等进行调查统计，为下一步工作准备必要的资料。 3.3 拟定液压系统原理图拟定液压系统原理图 3.3.1 系统控制原理的初步选择系统控制原理的初步选择 压力和流量是液压系统最主要的两个参数。 根据这两个参数来计算和选择液 压元件、辅件和电动机的规格型号。系统压力选定后，液压缸的主要尺寸即可确 定，液压缸的主要尺寸已经确定，即可根据液压缸的速度确定其流量，从而可以 据之选择泵的规格。泵选定后，就知道实际的供油流量及压力，从而选出系统中 相关的液压元件及其它辅件。 根据现场调研及考察，同时据设计任务的要求， 原定系统主油路供油压力为 30mpa，且辅助油路被压为 5mpa。 根据上面的工况分析，可知道系统应采用伺服控制系统，伺服系统的控制方 案主要是根据设计要求，如被控物理量类型，控制功率的大小，执行器的运动方 式， 各种静动态特性指标以及环境和价格等因素考虑决定的。为使所涉及的系统 具有先进性，应避免在设计中出现重大失误，拟定系统总体方案是要进行系统的 情况论证和初步拟定几种方案进行比较和分析，初步确定一个最优的方案。拟定 控制方案时应考虑以下几个主要问题： 1、采用开环控制还是闭环控制 开环控制要求结构简单，造价低，控制精度低。反之，受外界干扰敏感，控 制要求高的场合应采用闭环控制系统。故本系统采用闭环控制系统。 2、采用阀控还是泵控 凡是要求反应快，精度高，结构简单，而不计较效率低，发热量大，参数变 化范围大的小功率系统可采用阀控方式；反之，追求效率高，发热量小，升温有 严格限制要求的，参数量值较稳定，而容许结构复杂些，价格高些，相应低些的 大功率系统可采用泵控方式。本系统采用伺服阀控制液压缸的压力和动作位置， 而供油则采用变量泵。这样系统不仅效率高，且反应快，精度高；而缺点是结构 较复杂，价格较高。 3、执行元件采用液压缸还是液压马达 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 17 - 在选择液压执行元件时，除了运动形式外，还需考虑行程和负载；例如，直 线位移式伺服系统在行程短、输出力大时宜采用液压缸，行程长、输出力小时宜 采用液压马达。 液压放大元件和液压执行元件的不同组合可得到不同类型的液压动力元件。 液压动力元件类型不仅决定了系统的动能特性， 而且对系统的动静态品质也有较 大影响， 必须根据设计要求综合考虑。 本系统理所当然采用液压缸作为执行元件。 4、反馈形式 由于输入信号和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 部件相联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决定，随即可以构成系统职能方块图，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系统。 3.3.2 拟定系统职能方框图拟定系统职能方框图 为了稳定机架间物流，维持机架间板带张力稳定，活套控制设计了二个重要 的控制回路，活套角度控制回路与板带张力控制回路。活套角度控制回路是闭环 控制回路，而板带张力控制回路是开环控制回路。 板带轧机液压活套控制职能方框图如下图： 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 18 - 图 3.1 液压活套控制方框图 3.3.3 液压系统原理图的比较与选择液压系统原理图的比较与选择 拟定液压系统原理图应注意的问题 1、组合基本回路时，要注意防止回路间可能存在相互干扰。 2、提高系统效率，防止系统过热。 3、还要采取保护措施减小系统的振动、冲击、噪声、油污染环境等，对高 温、低温、潮湿、腐蚀、灰尘等使用的场合，应有专门的适应措施。 4、确保系统安全可靠，尽量提高设备的运转率。当系统有过载危险存在时， 应装设安全阀。 5、为了制造周期便于互换和维修，应尽量采用标准化、通用化元件。 6、为了调整和检修方便，在拟定液压系统图时，就 应在需要检测系统参数 的地方设置工艺接头以便于安装检测仪表。 3.3.3.1 液压系统原理图的方案综述液压系统原理图的方案综述 方案中采用了锁紧回路、卸荷回路和电液伺服阀压力控制回路等，下面进行 回路分析： 1、锁紧回路： 本系统采用了用液控单向阀的锁紧回路，如下图： 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 19 - 图 3.2 锁紧回路 当阀3处于左工位时压力油经左边液控单向阀4进入液压缸5左腔同时通过 控制口打开右边液控单向阀， 使液压缸右腔的回油可经右边的液控单向阀及伺服 阀流回油箱，活塞向右运动；反之，活塞向左运动。到了需要停留的位置，只要 是伺服阀处于中位，两液控单向阀均关闭，液压缸双向锁紧。由于液控单向阀的 密封性好，液压缸锁紧可靠，其锁紧精度主要取决于液压缸的泄漏。当系统发生 故障时，液压缸能在任意位置停留，不会因外力作用而移动位移。 2、卸荷回路： 本系统采用用先导型溢流阀和电磁阀组成的卸荷回路，如下图： 图 3.3 卸荷回路 图为采用二位四通电磁阀控制先导型溢流阀的卸荷回路。当先导溢流阀 1 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 20 - 的远控口通过二位四通电磁阀 2 接通油箱时， 此时阀 1 的溢流压力为溢流阀的卸 荷压力，使液压泵输出的油液以很低的压力经溢流阀 1 和阀 2 回油箱，实现泵的 卸荷。 3、电液伺服阀压力控制回路：此回路由液压泵、伺服阀、伺服放大器、液 压缸等元件组成， 当压力信号输入后， 它与压力传感器 f 的压力反馈信号相比较， 其偏差两经伺服放大器处理后产生电流i，输给伺服阀，控制加载液压缸，这 样就形成了电液伺服阀压力控制回路。加载液压缸与指令信号一一对应。 3.3.3.2 液压系统方案原理图的分析确定液压系统方案原理图的分析确定 根据各回路的具体分析， 参考设计要求及实际工作情况， 对其进行综合考虑， 得出一个较理想的方案，其具体描述如下： 主回路的确定： 本设计为单独设计，故采用单独动力源。根据活套的动作，回路要实现的功 能是进行张力控制和压力控制，由于系统要求的流量大，因此采用了大流量高压 的轴向柱塞泵，并设置了两个进油回路。带载过程中，为了较好控制其伺服阀动 态特性，故在进油回路中设置了带安全阀的蓄能器总成。另外为了维修方便，可 设置一些测试点，系统选择三级电控伺服阀控制，实现位置和压力要求。 辅助回路的确定： 根据现场调研考察,油路主要维持一恒定压力，故油路简单，采用以定量泵 供油，且装载一压力传感器进行监控。为了较好控制其压力脉动，也安装一简单 且小容量的蓄能器。 综上所述，选定其液压系统原理图如图 3.4： 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 21 - 图 3.4 活套液压系统原理图 此原理图有四种选择模式： 单选 1：只用 1 号伺服阀，1 号电磁铁得电； 单选 2：只用 2 号伺服阀，2 号电磁铁得电； 1+2 模式：两电磁阀都得电，当伺服阀 1 100%得电开启，而活套 v 不够时， 2 号伺服阀投入使用，2 号处于备用、补充。 2+1 模式：1 号处于备用补充。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 22 - 第四章 液压缸的设计 4.1 液压缸的设计计算液压缸的设计计算 4.1.1 主要技术要求主要技术要求 1、有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态试验压力而不致于 产生永久性变形； 2、 有足够的刚度， 能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不致于产生弯曲； 3、 内表面在与活塞密封件及导向环摩擦力的作用下， 能长期工作而磨损少， 有高的几何精度，足以保证活塞密封件的密封性； 4、有几种结构的缸筒还要求有良好的可焊性，以便在焊上法兰或管接头后 不致于产生裂纹或过大的变形。 4.1.2 伺服缸伺服缸的功能、的功能、典典型结构型结构与分与分类类 液压伺服系统所用的液压缸简称伺服缸， 它是液压伺服系统应用最多的执行 器，它在将液压能转换为机械能的同时，对工作机构进行控制。由于液压伺服缸 是工作在电液伺服系统的闭环回路里，是回路的一个关键元件，其性能指标直接 影响系统的精度和动、 静态品质， 所以它与一般液压传动系统用的液压缸在结构、 性能方面有很大不同，要求较高。 表 4.1 伺服缸与传动液压缸的比较 比较 传动液压缸 伺服液压缸 功能方面 作为传动执行器， 用于驱动工作负载，实 现工作循环运动，满足 常规速度及平稳性要 作为控制执行器，用于 高频驱动工作负载， 实现高精 度、高响应伺服控制。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 23 - 求。 强度 满足工作压力和冲 击压力下强度要求 满足工作压力和高频冲 击压力下强度要求 刚度 一般无特别要求 刚度要求多 稳定性 要求满足压杆稳定性 压杆稳定性要求高 导向 要求良好的导向性 能，满足重载或偏载要 求 要求良好的导向性能， 满 足高频重载或偏载要求 连接间隙 连接部位配合良 好，无较大间隙 连接部位配合优良， 不允 许存在游隙 缓冲 高速运动缸应考虑 行程端点缓冲 伺服控制不碰缸底， 不必 考虑缓冲 安装 只需考虑缸底与缸 座，活塞杆与工作机构 的连接 除考虑与机座及工作机 构的连接， 还应考虑传感器及 伺服控制阀块的安装 摩擦力 启动压力要求较小 启动压力和运动阻力要 求很低 泄漏 不允许外泄漏，内 泄漏较小 不允许外泄漏， 内泄漏较 小 寿命 要求较高的工作寿 命 要求高寿命 清洁度 要求较高的清洁度 要求很高的清洁度 伺服液压缸总是和电液伺服阀、 反馈传感器组成一体， 成为一个独立的产品。 电液伺服缸由电液伺服阀、伺服液压缸、位置传感器、载荷传感器、耳座式支撑 与耳叉式支撑等组成。 液压伺服缸类型很多，特点不同，可以按表 4.2 所列不同方式进行划分。 表 4.2 伺服缸分类 分类方式 类型 说明 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 24 - 按运动方式 直线往复式伺服缸 旋转往复式伺服缸 按对称性 双杆伺服缸 双向输出特性相同，多用于位 置、速度伺服系统 单杆伺服缸 双向输出特性不同，多用于力伺 服系统 按在系统 中的作用 位置伺服缸 在电液位置伺服系统中控制被 控对象，缸上装有位置传感器 力伺服缸 在电液力伺服系统中给被控对象施 加载荷，缸上装有负载传感器 按传感器 安装方式 内装传感器 的伺服缸 位置传感器安装在活塞杆内腔， 以较好的保护传感器 外装传感器 的伺服缸 位置传感器安装在缸筒外边，以 便于安装调试 按支撑活塞 杆的方式 接触式摩擦副 支撑的伺服缸 活塞与缸筒、活塞杆与缸盖之间采用 橡胶密封圈压缩密封原理，用低摩擦 密封件组成摩擦副支撑活塞杆，较为 常用 非接触式摩擦 副支撑的伺服缸 活塞与缸筒、活塞杆与缸盖之间采用 间隙密封与静压支撑原理，组成非接 触式无摩擦副的静压支撑，常用于高 响应伺服系统 液压伺服缸的性能参数、 外形结构、 安装连接形式、 随伺服系统的性能指标、 功能、工况要求所选的伺服阀、反馈传感器的型号而定，一般均为非标准件。 4.1.3 液压缸的设计中注意问题液压缸的设计中注意问题 机械设备及伺服系统的技术要求是设计伺服液压缸的原始依据和出发点。 这 些要求与整个液压伺服系统的设计要求类同，包括被控对象、被控参数、负载特 性、主要性能参数（最低启动压力、最大输出力、最大行程、最大输出速度、固 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 25 - 有频率等） ，供油条件，使用环境，安全性，可靠性和寿命，外形尺寸与重量， 安装方式与连接尺寸，成本指标等。 液压缸是液压系统中的执行元件， 它是一种把液体的压力能转换成机械能以 实现直线往复运动的能量转换装置。 液压缸设计应注意的问题： 液压缸的设计和使用正确与否，直接影响到它的性能，极易发生故障。在这 个方面，经常碰到的是液压缸安装不当、活塞杆承受偏载、液压缸或活塞下垂以 及活塞杆的压杆失稳等问题。所以，在设计液压缸时，必须注意如下几点： 1、尽量使活塞杆在受拉状态下承受最大负载，或在受压状态下具有良好的 纵向稳定性。 2、考虑液压缸行程终止处的制动问题和液压缸的排气问题。缸内如无缓冲 装置和排气装置，系统中需要有相应的措施。但是并非所有的液压缸都要考虑这 些问题。 3、正确确定液压缸的安装、固定方式。如承受弯力的活塞杆不能用螺纹连 接，要用止口连接。液压缸不能在两端用键或销定位，只能在一端定位，为的是 不致阻碍它在受热时的膨胀。如冲击载荷使活塞杆压缩，定位件须设置在活塞杆 端，如为拉伸则设置在缸盖端。 液压缸各部分的结构必须根据推荐的结构形式和设计标准进行设计， 尽可能 做到结构简单，加工、装配和维修方便。 4.1.4 液压缸的类型和安装方式液压缸的类型和安装方式 因为活套系统的液压缸安装在两架轧机机架之间，故压下缸倒置，即活塞杆 固定不动，缸筒运动。液压缸采用两部分的主体结构，头部缸盖单独制造，缸体 与尾部一体铸造。 4.1.5 液压缸主要尺寸计算液压缸主要尺寸计算 4.1.5.1 液压缸推力计算液压缸推力计算 根据工况分析，液压缸的最大推力为 max f110kn=。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 26 - 液压缸的效率：液压缸的效率包括机械效率和容积效率。机械效率 cm 是由 各运动件摩擦系数损失造成的， 在额定压力下， 通常可取 cm 0.95； 容积效率 cv 是由各密封件泄露造成的，当采用弹性体密封圈时， cv 1。总效率 ccvcm =。 液压缸的负载率：液压缸的负载率 为实际使用推力与理论推力的比值。通 常取 =0.50.7。 4.1.5.2 液压缸缸筒内径的确定液压缸缸筒内径的确定 缸筒内径即活塞外径，是液压缸的主要参数，可根据工作驱动力来确定。 因为无杆腔为工作腔，可得关系式： max 1122 cm f pap a = （4.1） 式中： 1 p 液压缸的工作腔压力 2 p液压缸的回油腔压力 1 a 液压缸无杆腔的有效面积； 2 a 液压缸的有杆腔的有效面积； max f液压缸的最大外负载； cm 液压缸的机械效率，一般取 cm =0.95。 系统供油压力 s p ：为避免液压缸尺寸、伺服阀流量及供油系统参数与尺寸 过大， 并考虑到液压元件及伺服阀的额定压力系列及可靠性和维护水平， 取 s p 300bar=30mpa。 负载压力 l p ：这里不可能按负载最佳匹配条件取(2/3) ls pp=；但为了确保 伺服阀的控制能力， l p 也不应过大，应保证伺服阀阀口上一足够压降。这里取 1 p = l p 27mpa。 活塞杆行程：s=430mm。查国家标准 gb2349-80 规定了活塞行程 s 的基本系 列。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 27 - 液压缸背压：压下控制状态取 2 p =pr=50bar=5mpa。 。 计算速比主要是为了确定活塞杆的直径和是否设置缓冲装置。速比不易过 大或过小，以免产生过大的被压或造成因活塞杆太细导致稳定性不好。根据机 械设计手册第 21-277 页表 21-6-3 所示，液压缸活塞往复运动时速度之比 = 21 2 1 a a v v =2，并将 max f=110kn， 1 p =27mpa， 2 p =5mpa，代入式 4.1 中，得 1 a =4726.10 2 mm 。 从而得 d= 1 4/a =78.54mm 因液压缸要留有一定裕量，则根据参考资料液压缸的内径系列，取内径为 80mm。 由表 21-6-16 知活塞杆直径计算公式如下： d= 1 d d= 1 d =80 2 1 2 =56mm 4.1.5.3 液压液压缸缸的的流量流量 液压缸的流量与缸径和活塞运动速度有关。当液压缸供油量 q 不变时，除 去在行程开始时有一加速区和在行程结束前有一减速区外， 活塞在行程的中间大 多保持恒定运动速度 m v 。液压缸的流量 q 为： m cv va q = （4.2） 式中： a活塞的有效工作面积。 对无杆腔， 2 1 4 ad =；对有杆腔 22 2 () 4 add =； cv 液压缸的容积效率；当活塞密封为弹性密封材料时 cv =1； 受活塞和活塞杆密封圈的动能限制，活塞运动速度不宜过大，由活套技术参 数可知，活套液压缸的最大速度为 500mm/s；又已知了液压缸缸筒直径 d 和活塞 杆直径 d，将个参数带入式 4.2 中，得液压缸流量为： 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 28 - 无杆腔为工作腔：q=151l/min； 有杆腔为背压腔：q=77l/min。 4.1.5.4 缸筒壁厚的计算缸筒壁厚的计算 缸筒材料的选择：一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒要求 有良好的焊接性能。缸筒毛坯普通采用退火的冷拔或热轧无缝钢管，对于低于 -50的液压缸，必须用 35、45 钢，且要调质处理。有足够的强度，能长期承受 最高压力及短期动态试验压力而不致产生永久变形。液压缸缸体常用材料是 20、 30、45 号钢的无缝钢管。根据以上原则，在满足各种性能的基础上，选择铸钢 zg35 作为钢筒的材料。其机械性能查液压工程手册第 745 表 7.3-4 缸筒常用无 缝钢管材料机械性能，从而得知抗拉强度 b 500mpa，屈服强度 s 280mpa， 根据液压工程手册第 741 页表 7.3- 2 查得 n=5。综上得：缸筒材料的许用应 力 = b /n =100mpa。且缸筒内最高工作压力 max p=29mpa。 （活塞侧安全阀压 力为 29mpa） 钢筒结构： 常用的结构有八类， 通常根据钢筒与缸盖的连接形式选用其结构， 而连接形式又取决于额定工作压力、 用途、 使用环境等因素。 由 液压工程手册 第 739 页表 7.3-1 选择起结构形式为法兰连接，优点是装拆方便、加工方便、强 度较大、能承受高压。缺点是径向尺寸大、较重。 缸筒壁厚为： 012 cc=+ （4.3） 式中： 0 为缸筒材料强度要求的最小值； 1 c 为缸筒外径公差余量； 2 c 腐蚀余量。 关于 0 的值，可按下列情况分别进行计算： 当/ d 0.08 时，可用薄壁缸筒的使用计算式： max 0 2 pd (4.4) 式中： d缸筒内径； max p缸筒内最高工作压力； 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 29 - 缸筒材料的许用用力， / b n=； b 缸筒材料的抗拉强度； n安全系数，取 n=5， 将 d=80mm， max p=29mpa， =100mpa 代入式 4.4 中， 得 0 0.0116m =11.6mm 将其代入式 4.4 的先决条件， / d0.145, 不符合。 当/ d=0.080.3 时，可用实用公式： max 0 max 2.33 pd p （4.5） 将 d=80mm， max p=29mpa， =100mpa 代入式 4.5 中， 得 0 0.0262m=26.2mm 将其代入式 4.5 的先决条件，/ d0.33，不符合。 当/ d0.3时，可用实用公式： 0 max 1 23 d p （4.6） 将 d=80mm， max p =29mpa， =100mpa 代入式 4.6 中， 得 0 0.030m=30mm 将其代入式 4.6 的先决条件，/ d 0.375，符合。 故取第二种情况，即 0 / d0.3，用实用公式 4.6 计算得缸筒材料强度，要 求的最小值 0 =30mm。 则根据式 4.3，得缸筒壁厚为 35mm。 缸筒外径 1 d =d+2=150mm。 4.1.5.5 缸筒壁厚缸筒壁厚的的验算验算 对最终采用的缸筒壁厚应作四方面的验算： 额定工作压力 n p 应低于一定极限值，以保证工作安全。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 30 - () 22 1 2 1 0.35 s n dd p d (4.7) 式中： n p 额定工作压力为 27mpa； 1 d 缸筒外径 1 d 为 150mm； d 缸筒内径d 为 80mm； s 缸筒材料屈服强度为 280mpa。 将以上参数代入式 4.7 中，不等式成立，其额定工作压力符合校核。 同时额定工作压力也应与完全塑性变形压力有一定的比例范围， 以避免塑性 变形的发生： ()0.35 0.42 npl pp (4.8) 式中： pl p 缸筒发生完全塑形变形的压力； pl p =2.3 1 log s d d 175mpa 代入 4.8 中，得0.35 npl pp,符合塑形变形校核。 此外，尚须验算缸筒径向变形 d应处在允许范围内： 22 1 22 1 t d pdd d edd + =+ （4.9） 式中： t p 缸筒耐压试验压力； e 缸筒材料弹性模数； 缸筒材料泊桑系数，钢材 =0.3。 变形量 d不应超过密封圈允许范围。 最后，还应验算缸筒的爆裂压力 e p ： 1 2.3log eb d p d = （4.10） 式中： b 缸筒材料的抗拉强度。 计算的 e p 值应远超过耐压试验压力 t p ,经计算，满足 et pp。 4.1.5.6 缸筒底部厚度缸筒底部厚度计计算算 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 31 - 缸筒底部为平面时， 其厚度可以按照四周嵌住的圆盘强度公式进行近似的 计算： 0.433d p (4.11) 式中： 缸筒底部厚度； d缸筒内径，已算出为 80mm； p 缸筒内最大工作压力，据前面计算已知为 29mpa； 缸筒底部材料许用应力，其值为 b n =100mpa。 将各参数值代入式 4.11 中，得 0.07965m，取=79.65mm。 即缸筒底部厚度为 80mm。 4.1.5.7 缸筒缸筒头头部法兰厚度部法兰厚度计计算算 不考虑螺孔： 3 4 10 a fb h r = （4.12） 式中： f 法兰在缸筒最大内压下，所承受的轴向压力； a r 法兰外圆半径。 将各参数值代入式 4.12 中，得 h=20mm, 取h=22mm。 4.1.5.8 缸筒法兰缸筒法兰连连接螺栓接螺栓计计算算 缸筒与端部用法兰连接，螺栓的强度计算如下： 螺纹处的拉应力： 6 2 1 10 4 kf d z = (4.13) 螺纹处的剪应力： 6 10 3 1 100.475 0.2 k kfd mpa d z = 合成应力 22 31.3 n =+ （4.14） 式中： z螺栓的数量，取z=8； 内蒙古科技大学毕业设计说明书 - 32 - f 缸筒端部承受的最大拉力，已知f =110kn；