机械毕业设计（论文）-无缝三辊斜轧机芯棒运行液压系统设计【全套图纸】 .doc

前 言 本次毕业设计是学校为我们每个工科的学生安排的一次实践性的总结，是就业前的一次大练兵，是对每个同学四年来所学知识的总体检验，更使同学们为进入工作岗位和适应以后的工作做好了准备。 近20年来，无缝钢管生产工艺得到迅速发展，用芯棒限动轧制的连轧管机已成为当今社会主要的轧制方法。本次设计的芯棒限动液压系统，便是在原有机械限动的基础上发展起来的。 应用液压技术有下述优点：1.质量功率比低。例如，高压高速轴向柱塞泵的质量功率为0.15kg/kw0.2kg/ kw，而定容量发电机的质量功率比一般为1.5kg/kw2.0 kg/kw，所以液压装置的结构比较紧凑。2.快速性好。液压动力元件的惯性较小，故液压传动允许快速启动、制动和换向。3.能在大范围内实现无级调速。借助于阀或变量泵、变量马达等控制元件可以方便的进行无级调速，调速比可达2000，且可获高的稳定速度。4.布局方便灵活。可随机器的需要，借助于油管，方便灵活的布置各种元件而不受任何限制的影响。5.易于实现过载保护。6.运行平稳可靠；液压元件能自行润滑，使用寿命长。当然，液压技术还存在许多缺点，例如液压传动过程中有较大的能量损失、易泄漏、工作时受温度变化影响较大、容易产生脉动等，但在实际运行中，可以通过有效的措施减少不利因素的影响，充分发挥其有利的一面。本次设计过程严格按照指导要求进行，其间获得了多位老师和同学们的帮助。在此，我诚挚的向大家表示谢意。此外，由于编者水平有限，参考资料有限，所以难免有不足之处，敬请谅解。 编者 2005年6摘 要本次设计的是一个无缝三辊斜轧机芯棒运行液压系统，系统的最高压力为14mpa，通过的最大流量为1292l/min。限动芯棒连轧管机经过近20年的发展，工艺技术不断完善，已成无缝钢管生产的主要机型。本次经过对原液压系统的工艺改进，使原系统的性能有了很大的提高。其中，实现了一定的背压力，即实现了限动，从而运行速度平稳，保证了芯棒与毛管的恒定的速度差，克服了传统的连轧方法给钢管带来的“竹节”缺陷；提高了同步精度，从而使同步运行变得更加可靠。本次设计的主要任务是对系统的同步、限动、背压进行改进，并设计其它辅助装置。abstract this is a hydraulic system with seamless steel tube three-roll retained-mandrel mpm. the maximum pressure of this system is 14mpa. and the maximum rate of flow gettinh across this system is 1292 l/min. thanks to the continuous development for nearly twenty years, the progress technology of retained-mandrel mpm has been so sound that it has become one of the major seamless steel tube mills being used nowadays. after the improving of the former hydraulic system, the natural capability gets much better. among them, improving brings about a certain pressure, this make the systems velocity smooth; make sure fixed velocity difference between mandrel stick and tube which is to be machined. except this, improving synchronism precision is a great progress, this made synchronism more reliable. briefly designing the synchroniam, retained mandrel and certain pressure, we also design supplementary device.第一章 绪 论近20年来，无缝钢管生产工艺技术得到迅速发展。用限动芯棒轧制的连轧管机（mpm）、改进型三辊轧管机都是在这一时期取得重大技术进步的，并在各自的技术领域内取得成效，以高质量、低成本的产品赢得了市场。就综合效益和投入生产的机组数量而言，连轧管机均占主导地位。自1978年第一套大型限动芯棒连轧管机投入工业性生产以来，它的独特优点是其得到迅速发展和推广，并取得了70年代处于鼎盛时期的浮动芯棒连轧管机组。限动芯棒连轧工艺的特点（1） 产品质量好，尺寸精度高。由于芯棒速度受要控制，因此，这种工艺的变形条件稳定，并克服了浮动芯棒轧制时出现的“竹节”状缺陷。闭口圆孔型的采用，使金属横向流动减少和产品尺寸精度提高。加之生产线上配置有新型穿孔机和三辊定（减）径机，使限动芯棒连轧管机组生产的钢管壁厚偏差达到3%6%，外径偏差达到 0.2%0.4%。 为进一步提高钢管表面质量，采用了一些新的技术装置。如在连轧管机前增设高压水除鳞装置，去除穿孔毛管外表面的二次氧化铁皮；向毛管内部喷吹氮气和硼砂，以净化内表面。（2） 扩大了产品生产规格。浮动芯棒连轧管机受芯棒长度和重量的限制，生产的钢管最大外径为177.8mm。由于限动轧制芯长度缩短，因此， 芯棒的外径可以加大， 所生产的钢管规格得以扩大。1988年，原苏联伏尔加钢管厂投产的426mm机组， 其产品最大外径已达到426mm。为了使小型钢管机组也具有限动芯棒轧制的优点，采用了半限动芯棒轧制法。即轧制过程中芯棒限动，轧制终了时线外脱棒。由于加快了轧制节奏， 使小型钢管机组实现了限动轧制， 并具有与大中型机组相当的数量。（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。与其他大中型机组相比，限动芯棒连轧管机组的生产能力是自动轧管机组的2倍，使周期轧管机组的35倍。小型机组的产量差距则更大。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20%30%。显然，生产能力大的限动芯棒连轧管机组应做为国家或大型企业的重点项目，集中资金建设，生产批量大、质量和精度要求高的品种（如石油钻采用管），经济效益远比分散建设其他机组好。（4）节省能源。限动芯棒连轧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。连轧管机的变形量小（延伸系数在3以下），这样可为连轧管机组提供壁厚大、温降小的穿孔毛管。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，因而可节省能源。因此，有些大中型机组在设计中就取消了在加热炉，相应的减少了建设费用。 高而均匀的荒管中轧温度为在线热处理创立了条件。日本京滨厂250mm机组的淬火工艺，充分利用了轧后余热，取得了更加的节能效果。（5）金属收得率高。成品钢管金属收得率高达92%，由于其他机组。这是因为限动芯棒轧制的荒管长（3035m），切头损耗小；采用三辊脱管机脱管，管端整齐，不需热切头；对不需要再加热的钢管避免了二次烧损。此外，高效率、高精度的精整设备以及采用计算机进行自动控制和科学管理，均会促使金属收得率提高。限动芯棒连轧管机组的上述优点，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，从而使限动芯棒连轧工艺更趋完善。80年代，在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，更好地适应了市场的要求。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，意大利因西公司今年研究开发的三辊可调式限动芯棒连轧管机（pqf），就是朝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的技术尽快用于工业生产，给无缝钢管生产带来新的活力。80年代限动芯棒连轧管机的重大技术改进天津钢管公司250mm限动芯棒连轧管机组是1992年投产的我国第一套限动芯棒连轧管机组。七机架连轧管机是意大利因西公司设计制造的第九套轧机，在总结吸收已有机组的设计制造经验的基础上，新的七机架在设计中又有新的改进和提高，它代表了80年代后期连轧管机发展的最高水平。这一时期的重大技术改进如下所述：1.用线外预穿棒工艺该工艺的特点是在轧制线一侧将芯棒预先插入穿孔毛管内。当连轧机前一根轧完，芯棒会退拔出的同时，带芯棒的毛管横移至机前进行轧制。与早期的机前在线穿棒工艺相比，预穿棒工艺减少了在线穿棒的时间，使连轧管机的轧制周期缩短25%，提高了轧机生产率。2.采用吹硼砂工艺在预穿芯棒前，向毛管内吹硼砂，其目的是去除管内氧化铁皮，改善钢管表面质量。这一工序在穿孔机后的横移台架上进行。粉状硼砂在氮气的伴送下从毛管的一端吹入，毛管横移旋转至下一工位在用氮气吹刷，使毛管内表面净化。硼砂在热状态下与毛管内壁的氧化铁皮发生化学作用，使氧化铁皮从内壁剥落。同时，产生的雾气充满毛管内部，防止空气进入引起新的氧化。这一工艺的采用对提高钢管内表面质量和光洁度是非常有效的。同时，熔融的硼砂在轧制时还其润滑作用，减少连轧管机的电能损耗，提高芯棒的使用寿命。3.改进限动机构，提高限动速度芯棒限动机构是连轧管机的重要组成部分，其大齿条的结构和运行方式的改进具有重要意义。新结构的大齿条采用分段整体铣齿，取代了早期在刚体上下两面镶齿板的方法。在齿条上装配的导轮支撑齿条运动，取消了原先的滑动衬板。这种改进方便了检修，减小了齿座的磨损。芯棒在轧前的高速前进速度、轧后的高速返回速度与轧制时的限动速度是不一致的。后期该由一套传动系统完成，减少了两个系统的切换操作时间。早期的限动速度为0.4m/s，改进后提高到1.5m/s，限动速度提高，虽然使芯棒的长度有所增加，但对减小芯棒磨损，提高使用寿命，改善钢管质量都是有利的。4.快速换辊装置传统的换辊方法是将轧辊连同机架一起更换，这至少需要配备3套机架才能满足线外装配和调整的需要，该法的缺点是备用机架多，占地面积大，更换机架的时间长（更换7个机架需90min）。改进后的快速换辊装置为每个机架配置一个框架内的轧辊和轴承，机架固定不动。换辊时，小车翻转45,由液压缸顶出机架内的框架，并贴在小车斜面上，翻转放平后又吊车将其吊走，然后用小车装入1个新的带轧辊和轴承的框架。更换全套轧辊仅需15min。5.机架间设置定心辊连轧管机间设置了4组三辊式定心辊，用以确保芯棒的对中，提高轧制时的稳定性，并避免芯棒在高速运动中因震动而损伤轧辊孔型。三辊式定心辊机构调整灵活，定心效果及耐磨性好。6.轧机入口设置高压水除鳞装置设置该装置是为改善钢管外表面质量和延长轧辊的使用寿命。高压水的压力为18mpa，采用双环喷射，使氧化铁皮剥落在除鳞机下面，从而避免铁屑进入限动机构的齿条上。7.采用镀铬芯棒芯棒是钢管连轧的重要工具，其使用条件恶劣，对材质及加工的要求高，同时配备得数量也较大。芯棒的使用寿命是生产厂家极为关注的问题，采用表面镀铬是提高芯棒使用寿命的一项重要举措，在80年代，这一技术被许多厂家采用。芯棒表面的镀层厚度一般为0.0450.055mm，镀铬芯棒一次可轧制30003500根钢管，未镀铬芯棒只能轧制15002000根钢管。8.改用三辊脱管机将托管机由二辊改为三辊，可避免钢管表面产生压痕。脱管机架上设有安全保护装置，轧辊和压下螺杆之间的安全臼，在事故状态下能确保芯棒脱出。9.采用在线热处理工艺利用连轧后荒管温度高而居均匀的特点所进行的在线热处理工艺，在80年代已获成功。日本钢管公司在限动 芯棒连轧管机组上采用在线热处理工艺，在不设置再加热炉的情况下，脱管定径的终轧温度控制在750以上，对钢管进行在线直接淬火，其淬火石油套管的钢级已达p110。天津钢管公司采用在线常化工艺，对生产批量大的n80钢级套管的荒管在进入再加热炉前进行控温常化处理。在线热处理工艺的采用，对提高钢管性能、减少金属损耗、节省能源、降低生产成本具有一系列优点，它特别适用于大中型的限动芯棒连轧管机组。少机架限动芯棒连轧管机（mini-mpm）是90年代新建连轧管机组的一个重要特征。它是在连轧管机保持限动芯棒轧制特点的前提下，通过减少机架数量和采用相应的技术措施，已达到减少建设投资的目的，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。少机架限动芯棒连轧管机的发展是建立在改变金属变形分配比的基础上，也就是将连轧机承担的纵向轧制大延伸，向上工序横向变形的穿孔机上转移，而连轧机的轧制特性不变。这是在有效改进连铸圆管坯质量、斜轧穿孔工艺技术取得重大进步的前提下逐步实现的。80年代建设的连轧管机组已体现了这一发展趋势。最早建设的是意大利达尔明厂，其连轧管机是8机架，最大延伸系数可达6.5，随后建设的墨西哥汤姆沙厂、美国费尔菲尔德厂，最大延伸系数为5.25.5。80年代后期建设的美国北星厂，为6机架，最大延伸系数为4.75.0。未来的新型连轧管机组pqf轧管机面对竞争激烈的钢管市场和某些品种逐渐被焊管所取代的趋势，无缝钢管生产工艺技术需要有突破性的发展，以求得尺寸精度更高、表面质量更好、生产成本更低的产品。此外，新的工艺技术还应具备高的生产灵活性和生产效率。pqf连轧机虽未投入工业性生产，但它针对目前二辊连轧管机所作的改进使人们所关注的。它采用三辊孔型，最大特点是轧辊孔槽底部与两侧辊环之间的速度差减小，导致金属横向流动减少，变形更加均匀；其次它的辊缝可调，三辊孔型几何尺寸允许有较大的辊缝开口调节度，且不影响钢管壁厚的同心度。辊缝可调的优点是，可用同一直径的芯棒轧制壁厚范围较大的钢管，由此减少了芯棒规格组距的数量，穿孔毛管断面规格及顶头规格数量也相应减少。由此使机组的生产灵活性增加，生产效率提高，工具的存储管理简化；此外，每个轧辊只用一个液压压下装置，这样有利于使动控制模型。限动芯棒连轧管机问世以来，在近20年的生产实践中，工艺技术不断完善，在提高产品质量、扩大品种、降低成本、增加生产的灵活性和减少建设投资费用等方面均取得了显著的效果，成为当今无缝钢管生产的最佳工艺。三辊可调式限动芯棒连轧管技术的开发，将使钢管连轧工迈向新的台阶，它与先进的锥形辊穿孔机、三辊可调式定径机的结合，将形成更具竞争力的无缝钢管生产工艺。第二章 工艺参数、相关设备及设计要求关于半浮动轧制（回退轧）系统图动作原理的参数如下：一. 限动油缸参数1. 最大拉力：20kn2. 限动油缸有效行程：3510mm+90mm(90mm为富裕量)3. 调整速度范围：0.070.4m/s二. 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三. 现有液压系统的技术参数1. 系统工作压力：14mpa2. 系统流量：600l/min3. 蓄能器组：2*40l4. 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/min6. 清洁度：nas7级第三章 概述与工况分析本系统为西宁市100无缝管三辊斜轧机芯棒运行液压系统，芯棒限动系统的正常运行需满足以下基本要求：1.油缸运动速度满足工艺要求：即轧制不同品种规格的钢管时，能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，并有很大的速度刚度（抗负载能力变化强）。2.实现两并联缸同步前进和后退：由于油缸行程长（3600mm），负载大（每个缸100kn）,若两缸采用并联刚性，连接同步方案，则同步精度会受诸多因素影响，使同步运行不够可靠，如：负载的不稳定，油温的变化，两缸的制造及安装精度（如浮动横梁两侧滑板的间隙调整），两缸摩擦力不同，混入空气程度不同等均会影响其同步精度。3. 油缸工作行程要求实现对芯棒的限动：由于轧制行程要求实现钢管与芯棒的恒定速度差（芯棒速度低于钢管速度），导致缸在工作行程为超越负载工况，进而引起吸孔，造成缸运动特性发生变化（速度不稳，停位不准）。 第四章 液压系统主要参数的确定 4.1 系统压力的初步确定系统压力选的是否，直接关系到整个系统设计的合理程度。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、辅件的尺寸和重量就会增加，系统造价也相应增加；若系统压力选的过高，则液压设备的尺寸和重量就会降低，从而造价也相应降低。因此，合理选择系统压力便显得尤为重要。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，系统压力应在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4.2.1 计算液压缸的主要尺寸 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值较大，所以选用差动式液压缸。液压缸的最大负载为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p1=14mpa。按拉力及往复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，缸受超越负载作用，所以液压缸有杆腔为工作腔。设a1为有杆腔的面积。 a1=(d2-d2)/4 a2为有杆腔的工作面积。 a2=d2/4 d缸筒内径 d活塞杆外径 cm液压缸的机械效率，一般取cm=0.9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p2=2.9mpa，又活塞所受的最大拉力为100kn，则又活塞的受力平衡，得：p2a2+ f/cm =p1a1即：2.9*106*d2/4+100*103/0.9=14*106*(d2-d2)/4 -4.2.2 确定往返速比活塞浮动速度为：0.070.2m/s返回速度为：0.4m/s 0.4/0.20.4/0.07 即25.7根据液压气动系统设计手册之速比系列，初选=2又= d2 /(d2-d2)2=d2/(d2-d2)-联立、得， d=185mmd=131mma1=(d2-d2)/4=*（0.1852-0.1312）/4=0.0134m2a2=d2/4=*0.1852/4=0.026 m24.3 计算液压执行元件所需的最大流量 4.3.1 轧制工况缸活塞杆为伸出运动（浮动和轧制），max=0.2m/s，缸两腔的最大流量计算如下：q有杆=(d2-d2)/4*max=0.0134*0.2*103*60（l/min）=161 l/minq无杆=d2/4*max=0.026*0.2*103*60（l/min）=323 l/min可知，油缸进油路总流量为：2* q无杆=2*323=646 l/minq有杆=2*161=322 l/min4.3.2 轧制完成后返回原位运行缸活塞杆为缩回运动，max=0.4m/s，缸两腔的最大流量计算如下：q有杆=(d2-d2)/4*max=0.0134*0.4*103*60（l/min）=322 l/minq无杆=d2/4*max=0.026*0.4*103*60（l/min）=646 l/min可知，油缸进油路总流量为：2* q有杆=2*322=644 l/min油缸回油路总流量为： 2* q无杆=2*646=1292 l/min4.4 计算执行元件的压力4.4.1 轧制工况缸活塞杆为伸出运行，max=0.2m/s ，两缸始终为差动连接，所需泵的最大流量为：2*d2/4*max=2*/4*0.0.1312 *0.2*103*60=323 l/min此工况有一半左右的流量主主溢流阀流回油箱，使系统发热大，效率低，需冷却。限动工况两缸为差动连接，两缸最大拉力为200kn。此时缸有杆腔的压力为14mpa,液压缸受力平衡，其方程为：p有杆a1=p无杆a2+f/cm，则 100*103+p无杆*/4*0.1852=/4*(0.1852-0.1312)*14*106解得，p无杆=2.9mpa可知，限动工况缸无杆腔的最小理论工作压力为：p无杆2.9mpa（最大超越负载200kn） 4.4.2 返回行程缸在轧制完成后返回运行时为有杆腔工作，若缸的最大拉力为200kn，则可求得最大值： p有杆=100*103/4*(0.1852-0.1312)=7.5mpa减压阀出口压力为 pjf=p有杆+p比例阀由于比例阀选用的阀芯a、b口开度不一致，结构为非对称型。pb约为0.5q，at约为q。 油缸两腔面积比(d2-d2)/4/d2/4=0.0134/0.026=0.5所以，进、回油在比例阀上产生的压力将在油缸的力平衡方程中大部分抵消。 返回行程：p有杆max=7.5mpa第五章 液压系统方案论证 5.1 确定和选择基本回路本系统为动作要求双缸同步前进轧制（浮动和限动）及快速退回，调速范围已知；性能要求实现双缸同步，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。根据系统设计要求及以上工况分析，经认真分析，消化原有液压系统及存在的问题，初步选择确定满足工况要求的液压控制阀组的羁绊控制回路。现将各控制回路的选择确定过程论述如下：5.1.1 调速回路的选择所谓调速回路，即为速度调节回路，主要可分为节流阀调速回路和调速阀调速回路。调速回路主要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数量，已达到调速阀的目的。由于本系统只是要求轧制过程的速度有一个连续的变化范围，而轧制完成后返回速度一定，但要求速度运行平稳，这就需要一定的背压，所以可采取进、出口节流调速回路，如下图1所示： 图1但是这种节流阀调速回路虽然能实现较大范围内的无级调速，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，但却要求运行速度平稳，即轧制时芯棒与毛管有一个恒定的速度差，以免出现“竹节”现象，也就是要求系统的抗负载能力强。因此，这种进、出口节流调速回路不能满足工艺要求。另外，此系统的流量较大，因此一般的节流阀不满足流量要求。而调速阀调速回路，主要用于变负载的情况，其速度刚性优于节流阀调速回路。要使油缸满足工艺要求，即要求轧制不同规格的钢管时，能调出相对应的新浜限动速度，且要求速度调节方便，这对于普通节流阀、调速阀而言较难实现，而比例阀的开口量由电信号控制，因而调节比较精确方便。综合以上分析制定一个完整的调速方案。选择电液比例阀加远控减压阀组成带压力补偿的调速阀回路，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的钢管时，要求调整出相应的油缸运动速度。回路图如下图2： 图25.1.2 限动背压回路的选择由于轧制过程要求实现钢管与芯棒之间的恒定速度差（芯棒速度低于钢管速度），所以缸在工作行程为超越负载工况，并且毛管对液压缸的作用力是变化的，这就要求实现对液压缸的限动，以保证实现缸的恒定速度，避免出现因缸的速度不稳定引起的轧管的“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的吸空，造成液压缸的速度不稳或停位不准。实现背压的方法大致可分为两种：一是利用背压阀实现限动；二是组成差动回路使液压缸的有杆腔的压力与某一恒定压力相同。如果用背压阀实现对两个液压缸的限动，那么背压阀应安装在连接有杆腔的总油路上，通过这个总油路的最高流量可达644l/min。这种背压阀较少。要么是用插装阀，但这种阀尺寸较大，价格昂贵，所以此处选用差动回路实现背压。具体选择背压方案如下：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载工况的限动背压，使缸的速度稳定可调。具体回路如下图3： 图35.1.3 同步回路的选择在液压设备中，尤其是负载很大的重型设备或布局的原因，需要多个执行元件同时驱动一个工作部件，这就要求执行元件以相等的速度或相同的位移运动，即要求实现同步运动。本系统的最高负载达200kn；所以需用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，空气混入和制造误差等因素都会影响同步精度。刚性连接的机构的同步精度取决于机构的刚性。因为此系统液压缸的行程约为3600mm，行程较长，所以液压缸的刚性连接不能满足要求。因此需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时同步。当液压系统有较高的同步精度要求时，必须采用由比例调速阀或伺服阀组成的同步回路。但由于此系统要求伺服阀通过高达1292l/min的大流量，规格尺寸要选得很大，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要求又很高的场合。而本系统因行程较长，所以要求两缸尽量靠近，不平度偏差要小。综合着几方面的因素，这种由伺服阀控制的同步回路不能选用。同步回路大致可分为流量同步回路和容积同步回路。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，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。经过分析可知，流量同步回路不适用于此系统。单侧节流回路见回路图4：容积同步是将两相等的容积的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。同步缸同步回路和并联液压马达同步回路。第一种显然不符合要求；而同步缸需要特制，所以价格昂贵。并联液压马达同步回路是用两个同轴等排量马达作配油环节，输出相同流量的油液来实现两液压缸的同步。这种同步回路的同步精度要求较高，且液压马达允许较高的流量通过。所以选用同轴等排量双联马达输出等流量的油液实现双缸双向同步，同步精度较高，并且利用四个单向阀组成回路实现对油液的补偿。该回路的同步误差约为25%，适用于本系统的重负载、大流量工况。双侧节流回路见回路图5：图4 图5 图65.2 基本回路方案根据以上的基本回路方案，设计出的芯棒限动系统控制阀组。液压原理图如下图7： 第六章 液压动作系统动作原理分析（半浮动轧制）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 比例方向阀两端电磁铁失电状态进油路：泵压力油经p口进入阀组减压阀比例阀中位（ 25页 ），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 ，处于原位停留状态，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通径比例方向阀的流量特性来选取。轧制行程（浮动和限动）:p无杆2.9mpa，系统（减压阀进口）压力p=14mpa。此工况比例阀通过最大流量qmax=646l/min，参照比例阀流量特性曲线（样本）知：p比=1.2mpa，故减压阀先导阀弹簧调定压力应为p弹簧2.9+1.2=4.1 mpa，即比例阀入口p压力为4.1mpa，但比例阀此时处于中位，p口被封闭，油缸静止不动。返回行程：p有杆=7.5mpa，比例阀通过的最大流量为qmax=1292l/min，参照比例阀流量特性曲线（样本）知，p比=5.3mpa，此时减压阀出口压力为7.5+5.3=12.8mpa。减压阀可自动调节其液阻大小，保持其出口压力为：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4.1 mpa满足此工况要求。6.2 比例阀右电铁通电（2dt+）（浮动和限动轧制工况）比例阀处于右位工作状态，阀口开启（开口度由比例放大器输入电信号大小控制）（26页） ）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 压力反馈导阀流量梭阀（左路通）减压阀处于减压工作状态，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缸无杆腔接通，压力为p缸，此反馈形成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（流量大小有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： 缸右腔的油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14mpa，因为此时属进油路节流调速系统，主溢流阀常开溢流，故形成恒定背压力，实现芯棒限动。本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大小，限动背压力为可调的稳定值（取决于主溢流阀）。速度分析如下：比例阀前后压差：p比例=pjf出-p缸由于梭阀的反馈压力：pjf出=p缸+p弹簧所以p比例= p弹簧=f(x)=constx导阀芯调节位移量通过比例阀流量：q比=kap比例m=f(a)=constq比由a线性调节。缸速度：缸=q比/a无杆=f(a)=f(i)=const 缸仅取决于比例阀开口大小，即输入电信号大小。6.3 比例阀左电磁铁通电（1dt+）缸带动芯棒返回，速度=0.4m/s比例阀处于右位工作状态，阀口开启（开口度由比例放大器控制）：（ ）进油路：系统压力油p减压阀比例阀右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：缸无杆腔油双向马达梭阀不通 比例阀t此时下部单向阀处于关闭状态，减压阀处于减压工作状态，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的有杆腔，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（流量大小由比例放大器给定信号调节），使缸速度相应调定不变，而不受负载变化影响。该过程可实现缸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比例=pjf出-p缸由于梭阀的反馈压力：pjf出=p缸+p弹簧所以p比例= p弹簧=f(x)=constx导阀芯调节位移量通过比例阀流量：q比=kap比例m=f(a)=constq比由a线性调节。缸速度：缸=q比/a无杆=f(a)=f(i)=const已知缸回退速度=0.4m/s，对应q有杆=322 l/min，q无杆=646 l/min,此时通过比例阀pb流量为646 l/min ，at流量为1292 l/min，参照比例阀流量特性曲线（样本）知，回油背压力约为：5.3 mpa。此背压力可提高油缸运动平稳性。第七章 液压元件的选择和设计7.1 液压泵的选择7.1.1 确定液压泵的压力液压泵的最大工作压力为：pp=p1+pp1执行元件的最大工作拉力p液压泵出口到执行元件入口之间的压力损失因管路较复杂，流速较大，所以p取为1.5mpa。泵的工作压力为：pp=p1+p=14+1.5=15.5 mpa7.1.2 确定液压泵的流量qp多液压缸同时动作时，液压泵的流量要大于同时动作的几个液压缸所需的最大流量，并要考虑到系统的泄漏和液压泵损失后的容积效率的下降，即 qpk(q)max k系统泄漏系数 一般取k=1.11.3，所以此处取k=1.1。 (q)max同时动作的液压缸的最大总流量 按题目要求得(q)max=644 l/min。 差动时，泵的理论流量为 q进-q出=646-322=324 l/min 返回行程时，q进=644 l/min qpk(q)max=1.1*644=708.4 l/min每个液压泵的流量为708.4/3=236 l/min7.1.3 选择液压泵的规格按照系统中拟定的液压泵的形式，根据其最大工作压力和流量，参照产品样本就可选择液压泵的规格，根据前述计算知每台泵的流量约为q=236l/min.参照北京华德液压工业集团的样本，选择a4fo定量泵，用于开式回路，结构为斜盘式轴向柱塞结构。该泵的规格为125mm，最大流量为250l/min，最大功率为94kw。7.1.4 确定驱动液压泵的功率由np=ppqp/p求得功率 pp 液压泵的最大工作压力；pp=15.5mpaqp液压泵的最大流量；qp=236l/minp液压泵的总效率，即液压泵的容积效率与机械效率之乘积；取为0.85np=15.5*106*236*10-3/60*103*0.85=71.7kw7.2 电动机的选择由前述计算可知：驱动液压泵的功率为71.7kw，根据此功率选择相应的电动机。选y系列（ip44）三相异步电动机，机座号为280s，功率为75kw，机座带底脚，端盖无凸缘的电动机。7.2.1 电动机的类型选择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。因此可采用y系列笼形异步电动机。7.2.2 电动机的转速选择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联接，电动机的转速应在液压泵的最佳转速范围内。泵的转速为n=1800r/min，选电动机的转速n=1500r/min。7.2.3 电动机的功率选择当液压泵在额定压力和流量下工作时，液压泵的驱动功率计算为71.7kw，所以，参照样本，选用电动机y系列（ip44）三相异步电动机。7.3 液压控制阀的选择液压法的选择依据是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，应留有一定的安全裕量。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：646l/min 单向阀（下）：323 l/min比例阀：1292l/min （上）：646 l/min梭阀和减压阀控制盖板，其qmax为减压阀远控口流量，其规格应与主阀相同。并联同步马达：两路最大流量各为646 l/min桥式交叉溢流补油回路中单向阀：646 l/min桥式交叉溢流补油回路中溢流阀：646 l/min各阀最大工作压力以油源系统工作压力计算为：14mpa选用德国力士乐公司液压件如下：1.减压阀芯：lc63dr40d6x/减压阀芯控制盖板：lfa63d82-6x/200本系统通过该阀的最大流量为646 l/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1000 l/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，选其实际工作压力大约等于额定压力的附近的2/3。取压力级为20mpa，通径同主阀芯为dn63。2.比例方向阀及相配比例放大器通过比例方向阀的最大流量为1292l/min选用华德液压元件集团的元件如下：4wre32w1600-30b/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体压力信号，用来控制液压系统的流量和流动方向。此法采用板式连接，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，压力损失小，放大器为外置式，规格为32通径，其主阀最大流量为1600l/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，确保缸运行速度调定值的重复精度及稳定性。阀芯型式采用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两腔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-3000bs30/3.单向阀系统中，上部单向阀的最大流量为646l/min，下单向阀的最大流量为323l/min，桥式交叉溢流补油回路中单向阀的最大流量为646l/min。为统一规格，单向阀全部选用lc50a20e6x，选定开启压力为0.2mpa，公称规格dn=50。带遥控的控制盖板：lfa50d-6x/f4.桥式补油回路中的溢流阀及控制盖板选用德国力士乐公司的产品：lc40db20a-6x/控制盖板：lfa40db20a-6x/200系统中通过该阀的最大流量为646l/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700 l/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。5.同轴等排量双联同步液压马达jp-03nq-tc-n为同轴等排量斜盘式轴向柱塞定量马达，效率高，同步精度也较高，使用两个双联马达，并联使用交叉连接，以满足系统最大流量要求等流量分配的精度。6.测压排气接头：smk20用于阀组的测压和排气，选用德国stuff公司产品。7.梭阀盖板：lfa40g6x/7.4 蓄能器的选择根据蓄能器在系统中的功用确定其类型并计算其有效容积。本系统中蓄能器用作应急能源。选用蓄能器的有效容积为2*40l。7.5 管路计算和选择包括管道种类、管道尺寸的确定和选择管接头。7.5.1 管道种类的选择选择的主要依据是工作压力、工作环境和液压装置的总体布局等。7.5.2 管道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决定（一致）。油管内径计算公式：d=2*（q/）=1.13*103*（q/）（mm）式中，q通过管道的最大流量管道内液流允许流速d管道内径计算直径d应符合标准直径系列。有流体力学知道，提高流速会使压力损失增大，减少流速势必会增加管道内径及其辅件的体积和重量，同时流速与液压冲击密切相关，流速增大，冲击压力增大。所以根据允许流速原则，应使压力损失p不大于（5-6）%的系统压力，且压力高、流量大和管道较短时取较大流速值。查手册知，当系统压力大于15mpa时（本系统的泵的压力为15.5mpa），允许流速7m/s。从无杆腔到比例阀阀口，再到阀组出口t的管路d1缸返回行程由最大流量qmax=1292l/min，但持续时间短（约9s），且缸返回行程负载较小，压力低，即使管路使回油路造成一定的背压，也不会造成较大的功率损失，且还可提高缸返回运动的平稳性。故取较