（机械制造及其自动化专业论文）20kg铝锭冷运输机液压驱动方式的设计与研究.pdf

硕1 学f _ 论文 摘要 本课题以16 t h 间歇式铝锭冷却运输机为研究对象，针对铝锭冷却运输机传 统驱动方式存在的问题，在如何提高系统运行平稳性、最佳驱动方式选择、零部 件使用寿命、控制精度以及生产效率等方面进行了全面的分析。本文立足于满足 冷却运输机的运行平稳性，减少机器运行的故障，提高系统的响应速度和控制精 度、实现节能降耗，便于维修，提高实际生产效率等要求，为间歇式铝锭冷却运 输机寻求一种合理的驱动方式。 本文根据间歇式铝锭冷却运输机的功能要求，设计了液压系统原理图。 以间歇式铝锭冷却运输机的工作状况及负载特性为依据，分析和详细计算了 系统所需的主要参数，对系统元件进行了合理地选择。 根据在铝锭冷却运输机上的实际实验结果，分析比较了液压系统进、出口节 流调速回路的特性，并结合本系统的工作状态选用了合适的节流调速方式。根据 所建立的液压系统数学模型推导出系统的传递函数，并利用基于m a t l a b 的动 态模型与系统仿真工具s i m u l i n k 对控制系统进行了动态特性分析和仿真实 验。在对系统进行仿真过程中，充分考虑到系统在实际工作时的各种情况，设定 仿真参数，进行仿真分析。 通过比较分析低速液压马达一一小速比减速机构驱动方式与高速液压马达一 一大速比减速机构驱动方式的仿真结果，最终确定铝锭冷却运输机液压马达的最 佳驱动方式。 在工程实际中，铝锭冷却运输机液压系统的一些参数仍然处于凭经验的估算 阶段，这势必会造成能源的浪费，在提倡走能源节约型社会的今天，本课题的研 究成果将具有一定的社会意义。同时，在本文中所提到的一些研究方法和结论将 对今后间歇式铝锭冷却运输机产品的研制和开发提供理论参考。 关键词：铝锭冷却运输机；液压马达；驱动方式；节流调速；仿真 2r k g 销锭冷= ：口运愉机液爪驱动方，r l = 的设汁卜了研究 a b s t r a c t t h er e s e a r c ht a r g e to ft h i ss u b j e c ti sb a s e du p o nt h e16 t hb a t c h - t y p ea l u m i n u m i n g o tc o o l i n gc o n v e y o ro fc a s t i n gm a c h i n e t oa i ma tt h ep r o b l e m so f t h et r a d i t i o n a l d r i v i n g m o d e sa n da n a l y z ec o m p r e h e n s i v e l yi nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ，w h i c h i n c l u d i n gh o wt oi m p r o v et h es y s t e m so p e r a t i o n a ls t a b i l i t y ，t h e s e l e c t i o no ft h e o p t i m u mc o n t r o lm o d e s ，t h el i f es p a no ft h ec o m p o n e n t s ，t h ec o n t r o l l e dr e s o l u t i o n s ， t h ep r o d u c t i v i t ye f f e c t sa n ds oo n t h i sp a p e rs t a n d so ns a t i s f y i n gt h em a c h i n e s o p e r a t i o n a ls t a b i l i t y ，t od e c r e a s et h eo p e r a t i o n a le r r o r s ，i m p r o v et h er e s p o n s es p e e d s a n dt h ec o n t r o l l e dr e s o l u t i o n s ，t oa c h i e v es a v i n ge n e r g i e s ，t ob er e p a i r e de a s i l ya n d i n c r e a s et h ep r o d u c t i v i t ye f f e c t s f i n a l l y ，l o o k sf o rar e a s o n a b l ed r i v i n gm o d ef o rt h e m a c h i n e a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h eb a t c h - t y p ea l u m i n u mi n g o t c o o l i n gc o n v e y o r ，d e s i g n e do u tt h eh y d r a u l i cs y s t e ms c h e m a t i cd i a g r a m b ym e a n so ft h ew o r k i n gc o n d i t i o n sa n dl o a d c h a r a c t e r i s t i c so fb a t c h t y p e a l u m i n u mi n g o tc o o l i n gc o n v e y o r ，f i g u r e do u tt h em a j o rp a r a m e t e r sa n dc h o o s et h e s u i t a b l ec o m p o n e n t sf o rt h es y s t e m r e f e r r i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si nt h eb a t c h t y p ea l u m i n u mi n g o tc o o l i n g c o n v e y o r ，c o m p a r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e t e r i na n dm e t e r o u tc i r c u i t s i n t h i s m a c h i n ea n dt a k i n gi n t oa c c o u n tt h em a c h i n e so p e r a t i n gm o d e ，f o rt h eh y d r a u l i c s y s t e ms e l e c t e dt h es u i t a b l et h r o t t l i n gg o v e r n i n gm o d e 。a f t e ra n a l y z e dt h es y s t e m ， m a t h e m a t i c a lm o d e l sh a db e e ne s t a b l i s h e da n dt r a n s f e rf u n c t i o nw a st u r n e do u tb y d e d u c t i o n t h e ns i m u l i n kt o o lo fm a t l a bs o f t w a r ew a su s e dt om a k ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t i nt h es i m u l a t i o nc o u r s e s ，m a n y s p e c i f i cc o n d i t i o n sh a db e e nc o n s i d e r e d ，b e f o r ed i dt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h e p a r a m e t e r sw o u l db es e t b yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fh i g h s p e e dh y d r a u l i cm o t o rw i t hl a r g e s p e e dr a t i os p e e d d o w nm a c h i n ea n dl o w s p e e dh y d r a u l i cm o t o rw i t hs m a l ls p e e d r a t i os p e e d d o w nm a c h i n e ，f i n a l l ys e l e c t e d t h eo p t i m u md r i v i n gm o d ef o rt h e b a t c h - t y p ea l u m i n u mi n g o tc o o l i n gc o n v e y o r i nt h ep r a c t i c e ，s o m eo ft h ep a r a m e t e r si nt h eh y d r a u l i cs y s t e mo fa l u m i n u m i n g o tc o o l i n gc o n v e y o ra r es t i l l t ob ee s t i m a t e db ye x p e r i e n c e sb yt h ed e s i g n e r s t h e r e f o r e ，i ti sb o u n dt ow a s t eo fm u c he n e r g y n o w a d a y s ，e n c o u r a g et os a v ee n e r g i e s h a sb e c o m eaf o c u si no u rs o c i e t y ，s ot h es t u d i e so ft h i sp a p e rw i l lb r i n gf o r w a r ds o m e i i 硕卜学伊沦之 s o c i a lm e a n i n g s ，m e a n w h i l e ，w h a th a db e e nm e n t i o n e di nt h i sp a p e r ，s u c ha ss o m e s t u d y i n gm e t h o d sa n dc o n c l u s i o n s ，c o u l db er e g a r da st h e o r e t i c a lr e f e r e n c e so nt h e r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n go ft h eb a t c h t y p ea l u m i n u mi n g o tc o o l i n gc o n v e y o ri n t h ef u t u r e k e y w o r d s ：a l u m i n u mi n g o tc o o l i n gc o n v e y o r ；h y d r a u l i cm o t o r ；d r i v i n gm o d e s ； t h r o t t l i n gg o v e r n i n g ；s i m u l a t i o n i i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特另c l d l ：i 以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：杨粒绪日期：伽j 7 年占月乡e t l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：杨档：者 导师躲芬豸厂九 日期：研年易月乡日 醐桫7 “肘日 颀十学f 一论文 第一章绪论帚一早z 百 下匕 1 1 课题的背景 随着现代铝业的迅速发展，要求铝锭铸造生产线不断更新以适应其发展速度 需求。目前，由于铝锭铸造生产线的技术还存在很多不足，特别是在如何提高机 器运行平稳性、零部件使用寿命以及生产效率等方面，还存在许多亟待解决的问 题。就国内来说，多数铝锭铸造生产线的生产能力还停留在国外铝业发达国家八 十年代的水平，普遍存在生产率低，能源耗费过高，机器的运行稳定性较差，控 制精度不高，寿命不长等缺点。 1 2 铝锭连续铸造生产线国内外的发展综述 1 2 1 铝锭连续铸造生产线的发展 铝锭连续铸造生产线是有色冶金工业电解铝生产中的主要关键设备，是专门 用于生产重熔铝锭的自动化生产线，它一次完成铝锭铸造、冷却、堆垛、捆扎打 包和成品运输等生产工序，是集机、电、光、液、气于一体的自动化成套冶金装 备。世界上澳大利亚和瑞士等国家在技术上处于领先地位，其开发生产的2 8 t h 铝锭连铸生产线代表了当今世界铝锭连铸生产线行业的最高水准，具有生产效率 高，操作人员少、可靠性高等优点，且完全实现了全自动控制和计算机管理，但 售价很高。我国山西华泽铝厂引进了两套瑞士麦茨高奇( m a e r z g a u t s c h i ) 公司生 产的2 8 t h 铝锭连续铸造生产线。 2 0 0 0 年以前，我国电解铝行业大多数企业的产能小于5 万吨年，由于规模 小，普遍使用由抚顺铝厂机械厂和沈阳汇丰机械厂生产的6 t h 的半自动铝锭连续 铸造机，只有贵阳铝厂于8 0 年代中期以4 2 0 万套引进了一套1 6 t h 连续铝锭铸 造生产线。此后贵阳铝镁设计院和昆明重型机器厂联合攻关研制了1 6 t h 铝锭连 续铸造生产线，在国内铝厂逐步得到推广应用，售价为1 5 0 万套。但实际生产能 力仅能达到12 t h ，操作人员达7 - - 8 人，且存在“水波纹 大、“脱模率”低、“堆 垛 不整齐、可靠性差等缺点。2 0 0 0 年后随着我国电解铝技术改造热潮的兴起， 各大铝厂普遍开始使用1 6t h 连续铸造生产线，6 t h 的半连续铸造生产线逐步 被淘汰，我国的铝锭连续铸造生产线的技术水平也得到了迅速提高，但仍然存在 自动化水平低、需要人工参与和监护、操作人员需要5 6 人；堆垛机效率低、翻 转等关键环节可靠性差等缺点，影响了整机的生产效率；且铝锭铸模、运输链条 等易损件寿命低导致使用成本高。随着近两年我国电解铝行业向规模化、节能、 2 n k g 钒锭冷却运输f r l 液l 罔耳动方j 弋f f 勺设汁与研究 环保方向高速发展，电解铝行业对铝锭连铸生产线这一关键成套设备提出了更高 的要求，希望开发出新一代高效铝锭连铸生产线以满足我国电解铝行业高速发展 的需求。同时，随着电解铝工业水平的迅速提升，我国开始进入海外电解铝厂建 设市场，中国有色建设股份有限公司、中兴公司、中国进出口总公司等主要海外 承包商已陆续承接了哈萨克斯坦、印度等国家的大型电解铝厂项目，亟待要求国 内研发出拥有自主知识产权的新型高效铝锭连续铸造生产线以满足国内外市场的 需要。 近年来，国内许多生产企业厂家都在极力地对铝锭连续铸造生产线进行研究 和改造，其中比较典型的有：( 1 ) 山东铝业股份有限公司电解铝厂研制的2 0 k g 铝锭铸造生产线，设计能力为1 5 t h 。此生产线通过改进电气控制系统，采用当 前较流行的c p m i a 可编程控制器，选择基本单元c p m l a 一4 0 c d r a 作为c p u 单元， 选用c p m l a 一2 0 e d r 扩展单元以满足系统设计的要求，采用继电器输出，限位开关 采用非接触式的光电开关和接近开关，动作更加准确。编程中结合生产的实际情 况，充分考虑到各种非正常因素，使系统运行更加稳定、可靠和安全。( 2 ) 贵 阳奥特机电公司根据对同类产品的调研，总结了目前国内外该系列机组的使用经 验，针对其存在的问题，通过一系列技术改造，开发出来的具有技术先进、高效 可靠的新一代2 0 k g 铝锭铸造生产线。该生产线与以往的铝锭铸造生产线相比，由 于采用了进口元件，使得铝锭铸造生产线的寿命延长、性能更加可靠；同时采用 p l c 编程控制，具有节约人力、物力及操作维护方便等特点心3 。( 3 ) 兰州理工大 学于2 0 0 6 年7 月开始，投入力量进行2 2 t h 铝锭连续铸造生产线的技术攻关，在 2 0 0 7 年3 月成功研制，并与2 0 0 7 年5 月正式通过技术鉴定，该技术将国产铝锭 连铸生产装备的技术水平提升到一个新的层次，己接近国际先进水平。2 2 t h 铝 锭连续铸造生产线的研制成功，将极大提升我国铝锭连铸技术生产装备的技术水 平，推进其国产化进程，并确立起我国在铝锭连续铸造生产技术装备中自己独特 的优势地位，增强产品在国际上的竞争力，扭转我国铝锭连铸生产线有可能重新 依赖进口的不利局面，促进我国电解铝工业的发展口3 。研制开发的“2 2 t h 新型 铝锭连续铸造生产线，已经得到了使用。 国内目前生产的铝锭连续铸造生产线与国外相比，存在的两大主要问题是h 1 ： ( 1 ) 生产能力低。近二十年来，国外有色冶金的关键技术和装备重点从提升整机 效率上作为研究重点，但国内相关装备生产能力比较低，我国的铝锭连续铸造生 产线的普遍生产能力为1 6 t h ，国外已达2 8 t h 。( 2 ) 可靠性较差。与国外同类 型设备相比，国内生产的设备可靠性较差，故障率较高，在一定程度上影响了其 主要功能的发挥。 自负十学伊论文 曼nm = i m lm_i i 。曼曼曼皇曼曼! 曼曼曼曼曼苎曼曼曼 1 2 2 铝锭冷却运输机的发展现状 铝锭冷却运输机是铝锭铸造生产线的一个关键部分，能否提高整条生产线的 生产能力关键在于此。 铝锭冷却运输机的冷却方式有两类：水浸式冷却方式与喷淋式冷却方式。水 浸式的冷却效果好，用水量低，但运输链条长期在水中浸泡，锈蚀严重，链条寿命 低；喷淋式冷却效果较水浸式差，用水量大，链条锈蚀不严重，链条寿命较高。 冷却运输机的工作方式视堆垛机的工作方式可分为：连续运动方式和间歇运 动方式。机器人堆垛时，冷却运输机连续运动，如瑞士麦茨高奇( m a e r z g a u t s c h i ) 公司和澳大利亚o d t 公司生产的2 8 t h 连续铸造生产线的冷却运输机。其余堆垛 方式为间歇运动，间歇运动时，冷却运输机依照堆垛机的工作要求在规定的时间 内作间歇运动。即要求当铝锭移动到冷却运输机的最后一个位置到进入堆垛机之 间的时间内作间歇运动，在此期间要求作制动一一启动的操作。比如，在这个时 间内1 6 t h 铝锭连铸生产线要在4 5 秒内完成从启动到制动、停止的运行过程， 而2 2 t h 铝锭连铸生产线则要求在3 3 秒内完成，其中制动和启动的时间只能占 总时间的一半，而且要求机器在制动时要平稳、位置相对准确，在启动时要响应 迅速敏捷。可以说间歇式冷却运输机性能的好坏、生产能力的高低，关键就在于 解决在这一间歇时间内的问题。常见的间歇式铝锭冷却运输机如图1 1 和图1 2 所示，分别为1 6 t h 冷却运输机和2 2 t h 冷却运输机及结构图，它们的冷却方式 分别为水浸式冷却方式与喷淋式冷却方式。 图1 11 6 t h 冷却运输机结构图 图1 22 2 t h 冷却运输机结构图 2 0 k , g 骨 锭冷土n 运输饥液l ：驱动方式的没汁与研究 1 3 本课题来源、主要研究内容及意义 本课题来源于工程项目。针对传统间歇式铝锭冷却运输机驱动方式存在的问 题；立足于满足此类运输机的适应性和通用性，考虑到生产条件和成本问题，以 及降低能耗等需求；融合前人的一些经验以及本人的一些研究成果，初步拟采用 高速液压马达一一大速比减速机构驱动方式( 本驱动方式及结构简图说明参看第 二章2 1 小节) 。链条的问歇运动周期为4 5 秒，在此周期内，要求液压马达在 2 2 秒之内完成启动一转动一制动的过程。通过对整个系统进行运动学和动力学分 析，计算出系统所需的主要参数，确定适合要求的液压马达的型式、规格和所需 要的减速机构传动比，围绕提高系统运行平稳性、液压马达停止的位置精度和能 源利用率来进行液压系统的设计，通过建立数学模型对系统的响应、稳定性进行 仿真研究。最后在相同的系统输入、输出条件下，通过比较分析工程上常用的低 速液压马达一一小速比减速机构驱动方式与高速液压马达一一大速比减速机构驱 动方式的仿真结果来最终确定间歇式铝锭冷却运输机的最佳驱动方式。 随着节能降耗，提高资源的有效利用率，提高生产率的业界呼声不断高涨， 对铝锭铸造生产线的能耗和生产能力方面提出了更高的要求。目前，由于铝锭铸 造生产线在理论研究方面还存在一些不足之处，系统的许多参数值都还是处于凭 经验的估算阶段。针对这些不足，本研究对象将围绕提高设备的运行平稳性、控 制精度和节约能源等方面对铝锭冷却运输机的驱动方式进行设计和研究。随着社 会竞争的加剧，要求走节能型的社会发展之路，本研究对象所涉及的一些理论和 方法将具有可观的经济价值和明显的工程指导意义。 4 硕十学f 了论文 第二章铝锭冷却运输机系统 2 1 铝锭冷却运输机原理及说明 如图2 1 为1 6 t h 铝锭冷却运输机的结构图，从铸造机接收装置转载下来的 铝锭1 5 被放在冷却运输机的运输链条1 4 上，液压马达9 经过减速机构8 的减速 后，将力矩传给主动轴3 ，从而带动链条1 4 实现对铝锭1 5 的输送，通过安放在 导向链轮机构1 0 内的行程控制装置测量出链条走过规定的位移而随即向p l c 控制 系统发出要求液压马达停止的信号，如此周期性的反复动作，从而实现对铝锭冷 却运输机的间歇式控制。冷却运输机先将铝锭带进设在冷运机中部的水槽1 3 内， 对铝锭进行直接水浴冷却，然后再将铝锭送到自动堆垛机中去。冷却运输机依照 堆垛机的工作要求在规定的时间内作间歇运动，即要求当铝锭移动到冷却运输机 的最后一个位置到进入堆垛机之间的时间内作间歇运动，链条的间歇运动周期为 4 5 秒，在此周期内，要求液压马达在2 2 秒之内完成启动一转动一制动的过程。 铸造机一 i | 1 盛么包。龠一 髅一 由盆锺 飞芒鞲t 予霹3 q 霉q 璺写嘲 一一一 一堆垛机 1 11 098765 4 321 图2 1 16 t h 铝锭冷却运输机的结构图 1 ，4 一从动轮( 导向轮)2 一从动轴3 一主动轴5 一主动轮6 一信号挡板7 一接近开关8 一减速机 9 一液压马达1 0 - 导向机构，传感器1 1 一张紧机构1 2 - 机身1 3 一冷却水槽1 4 - 链条1 5 一铝锭 1 6 - 导向机构 2 2 铝锭冷却运输机驱动方式简介 铝锭冷却运输机的驱动方式，就其动作行为能力而言，其可能的驱动控制方 式主要有以下几种幅1 ： ( 1 ) 电动机一一减速机构驱动 电动机启动时，启动电流很大，制动时惯性冲击力也很大，且其响应不理想。 要想在一两秒内完成启动而且又要在一两秒后要求稳定制动，这对电动机来说是 很困难的，且在频繁的启动一制动一启动一制动反复动作循环下电动机很容易损 2 0 k g 钒锭冷加运输 ：f l 液吓驱动方式的殴f c 了研究 坏。因此电动机不适用于较高频率的间歇运动，而适用于连续运动的动力源。 ( 2 ) 液压缸一一单向离合器一一一级齿轮传动 当液压缸的活塞杆伸出时，摇臂一端与活塞杆联接另一端固联在单向离合器 1 i 上与主动轴一起旋转，通过安装在主动轴与从动轴上的齿轮来传递扭矩。当活 塞杆空载退回时，单向离合器1 i 松开，单向离合器i 工作，卡紧链条不动。早期 生产的i b j 歇式冷却运输机都是采用这种驱动方式，但是使用效果不理想，时有发 生疲劳断裂，出现活塞杆头部耳环销轴严重磨损，单向离合器窜动、摇臂扭曲、 链条销轴磨损等现象。其结构简图如图2 2 所示。 链轮 器i 一 从动轴 一心斗 丫丫 l豆i 互 器uq q l | 上土 一押一 互 西 | 圹 卫覃 一h 主动轴j 塑 卅lp 齿轮冷却运输机 图2 2液压缸一单向离合器一一级齿轮传动 i 轴 ? 丫丫互 o q j 、小 黝 冷却运输机 图2 3 高速马达一大速比减速机构驱动 ( 3 ) 低速液压马达直接驱动 虽然低速大扭矩液压马达技术日趋成熟，同时它具有排量大，低速性能较稳 定，而且减少了中间传动环节，设备制造成本较低，效率相对较高等优点。但从 铝锭冷却运输机的工况来讲，启动、制动冲击将直接作用在液压马达的转动轴上， 这样会使马达承受较大的冲击，马达的寿命将会降低，造成的后果是生产运行成 本增加。 6 硕十学何沦丈 ( 4 )中低速液压马达一一小速比减速机构驱动 结合小速比减速机构的中低速液压马达驱动方式一方面是为了减小启动制动 时对马达的直接冲击，另一方面是为了增大扭矩以达到工况的要求。中低速液压 马达排量较大，低速稳定性较好，但其结构尺寸较低速液压马达直接驱动的大。 ( 5 ) 高速液压马达一一大速比减速机构驱动 高速液压马达的转速较高，其扭矩很小，因此要结合一个大速比的减速机构 才能产生足够大的扭矩。其结构尺寸与中低速液压马达一一小速比减速机构驱动 基本相同。如图2 3 所示，通过液压马达带动减速机从而驱动冷却运输机的链条 运动，完成预定的工作要求。此驱动方式具备的优点有：马达容易控制、响应速 度快、启动制动都很灵敏、位置较准确，易于维护。而且启动、制动对马达的冲 击小，使得马达的寿命将会更长，生产运行成本低。 2 n k g 钒锭冷却运输机液爪驱动方式的没汁与研究 第三章铝锭冷却运输机液压系统设计 3 1 设计要求及工况分析 3 1 1 设计要求 具体步骤为： 1 ) 铝锭冷却运输机的用途是为铝锭铸造生产线进行铝锭的运输，同时对铝锭 进行冷却，其结构简图及元件的布置如图2 1 所示。 2 ) 铝锭冷却运输机的工作方式要求为间歇运动方式，因此驱动此机器的液压 马达也将在其工作范围内作间歇运动。 3 ) 液压马达需要承受的主要负载包括摩擦负载、工作负载和在启动、制动时 的惯性负载，液压马达需要带一个合适的减速机构来获得系统所需的扭矩，以便 能正常驱动整个系统。 4 ) 要求此液压系统具有良好的工作平稳性，可靠的位置精度，更低的能耗以 及更高的效率。 5 ) 液压系统的工作环境和工作条件方面要求，如在周围介质、环境温度、湿 度、尘埃情况、外界冲击等因素的轻微变化下能保证系统正常运行。 3 1 2 工况分析 b ) 图3 1液压马达负载图和速度图 a ) 负载图b ) 速度图 对液压系统进行工况分析，就是要查明它的每个执行元件在各自工作过程中 的运动速度和负载的变化规律，这是满足主机规定的动作要求和承载能力所必须 具备的。液压系统承受的负载可由主机规格规定，可由样机通过试验测定，也可 由理论分析确定。通过理论分析可得铝锭冷却运输机的负载组成工况图和液压马 8 i 砸f 学f 寺论炙 达输出轴的速度变化趋势曲线图如图3 1 所示。 由液压马达负载图可知，系统的主要负载有摩擦负载、工作负载和惯性负载， 摩擦负载和惯性负载主要作用在液压马达的启动和制动阶段；而在液压马达的稳 定工作区，理论上只存在工作负载。而从液压马达速度图可知，液压马达输出轴 的转速在启动阶段是由0 迅速增加到最大值( 稳定值) ，经过平稳运行阶段后，又 由最大值迅速减小到0 。 3 2 系统主要参数的确定 3 2 1 冷却运输机主要参数的确定 已知铝锭冷却运输机的链条总重量为尬= 1 2 0 0 k g ，链条滚子半径为r = 2 0 m m ， 滚动摩擦因素6 = 0 0 9 m m ，布满链条上的铝锭块数为3 2 块，每块铝锭重量为 m 2 = 2 0 k g ，安装在主动轴上的主动轮半径r k l l 5 m m 。考虑在不影响计算的前提下， 冷却运输机的结构尺寸及链条的走向简化如图3 2 所示。 图3 2 冷却运输机的结构尺寸简化图 根据上述已知条件，可以确定冷却运输机的主要参数如下： 链条和铝锭的总重量： m = m + 3 2 m 2 = 1 2 0 0 + 3 2 2 0 = 1 8 4 0 ( k g ) 所产生的重力( 取重力加速度g = 1 0 ) ： g = m g = 1 8 4 0 1 0 = 1 8 4 0 0 ( n ) 链条的总长( 布满冷却运输机上的链条长度是总长的一半) ： l 2f l + j l + + j l 乜1 l c o s 1 3 。c o s2 1 。 。 ：2f8 9 9 + 堕+ 4 5 6 5 + 塑+ 11 2 01 ：2 1 8 8 2 ( n u n ) l c o s1 3 。 c o s2 1 。 铝锭冷却运输机导轨面摩擦力的计算： 9 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 2 n k g 钳锭冷扣运输帆液爪驱动方式的设十与研究 1 )铝锭冷却运输机上，铝锭和链条的重量在简图所示的各个部位的分布如 表3 1 所示。 表3 1 重量分布图 铝锭块数n 铝锭重鼍m 1 ( k g )链条重量m 2 ( k g )总重量m ( k g ) a 处 3 6 0 5 01l o b 处 3 6 0 6 21 2 2 c 处1 32 6 0 2 5 05 1 0 d 处91 8 0 1 7 63 5 6 e 处 4 8 0 6 21 4 2 f 处 003 9 23 9 2 g 、h 处 oo2 0 82 0 8 2 ) 各处受力分析 a 处：正压力 n a = m 口g = l1 0 1 0 = 11 0 0 ( n ) 图3 3两斜面位置的受力图 a ) b 斜面b ) d 斜面 ( 3 4 ) b 处：各力的关系如图( 3 3 ) 中a ) 图所示，重力分解为平行于导轨面方向的 拉力n x 和垂直于导轨面方向的正压力n ，且有 if = 聊。g s i n l 3 。= 1 2 2x1 0 s i n l 3 。= 2 7 4 ( n ) y 一 ie ，2 m b 季c o s l 3 。= 1 2 2 1 0 c o s l 3 。= 1 1 8 9 ( n ) c 处：正压力 n c = m 。g = 5 1 0 1 0 = 5 1 0 0 ( n ) ( 3 6 ) d 处：各力的关系如图3 3 中b ) 图所示，重力分解为垂直于导轨面方向的正 压力和平行于导轨面方向的拉力如，且有 j 瓦2 m a g s i n 2 r 书5 6 蚶叭酊以1 。爿2 7 6 ：) ( 3 7 ) i 2 m a g c o s 2 1 。= 3 5 6 1 0 c o s 2 1 匕3 3 2 4 ( n ) e 处：正压力 e = m 。g = 1 4 2 x1 0 = 1 4 2 0 ( n ) ( 3 8 ) 1 0 71 宛卜。j f 寺论文 f 处：正压力 栌竹g = 3 9 2 10 = 3 9 2 0 ( n ) ( 3 9 ) g 处和h 处的链条没有与导轨接触，因此它们的重力之和为： u g h = m g h * g = 2 0 8 x1 0 = 2 0 8 0 ( n )( 3 1o ) 因此g p 。在g 方向上的拉力为： f g h - - 一羔：2 1 6 7 ( n ) ( 3 1 1 ) 3 ) 负载阻力计算 摩擦负载 工作负载： 工作负载砌为铝锭与链条对机身导轨面的滚动摩擦力厂。铝锭冷却运输机各 处的滚动摩擦力，可以按照式3 1 2 来计算，则得到的结果如表3 2 所示。 表3 2 摩擦力分布图衣j z1 竽垛川万仲圈 ( n )r ( m m )万( m m ) 计算公式 摩擦力f ( n ) a 处 1 1 0 08 2 5 b 处1 1 8 9 8 9 2 6 n c 处 5 1 0 0 j2 百 3 8 2 00 1 5 d 处 3 3 2 4 2 4 9 3 e 处 1 4 2 01 0 6 5 f 处 3 9 2 02 9 4 g 、h 处 0 0 整机 1 5 9 5 3 1 2 0 f ：d n ( 3 1 2 ) = 一 ) 1 厶， 。 r 式中：厂- 滚动摩擦力； 万一钢对钢的滚动摩擦因数，理想状态下，万= 0 0 9 m m ，而工程实际中， 由于滚珠与其滚动中心轴之间存在摩擦或是之间有夹杂物。综合 考虑各种因素过后，确定万= 0 15 m m 一一正压力； r 一链条滚子半径。 最大静滚动摩擦力阳1 ： 刚体在平面上做纯滚动即无滑动地滚动，其运动状态是即做平动又做转动。 铝锭冷却运输机链条滚珠与导轨的受力模型可以简化为图3 4 所示的模型。 2 0 k g 钒锭冷印j 输饥液乐! 婀动方式的设计与f i 丌究 图3 4 滚珠与导轨的受力模型 m 为铝锭和链条的总重量，月为滚珠的半径，为牵引力f 作用线到质心转 轴的垂直距离，滚珠的运动是向右的平动与顺时针绕轴转动的迭加。设导轨对p 点的静摩擦力凡的方向向左，分别用牛顿第二定律和刚体转动定律有： f 一尸= m o a( 3 13 ) 船 f - r f b r = i 8 ( 3 1 4 ) 式中 ，一一转动惯量，= 妻m 斤2 ； 么 卢一一角加速度，p = 导； ，f f 一一牵引力，仁专，r 7 为主动轮半径，兄为负载扭矩( 由所选定的 液压马达及其配带的减速机构所决定，详细数据参照3 2 2 小 节) 。 代入上两式可得： f - 一r - 2 r 舻f r - 2 r 互 ( 3 1 5 ) j 4 3 r3 rr i 上式表明，最大滚动静摩擦力除了与牵引力有关之外，还与滚珠的大小及牵 引力的作用点有关。将数据a k - 2 0 m m ，z = 4 5 m m ，r7 = 1 15 m m ，无= 6 5 9 n m ，代入( 3 15 ) 式，可得 f ：r - 2 r 五：塑1 0 3 ：( n ) = - = ) ( j u3l i nj 卢 3 月- - $ 2 0 - 2 4 5 l1 514953x20 惯性负载 正常情况下，液压马达的启动时的响应时间都不会超过0 1 s ，结合本系统的 工作要求，可以估算出液压马达的启动和制动时间大致相等，且为t ，= 毛= o 1s 。 系统要求冷却运输机要在t = 2 2 秒之内走完一个工位l = 3 8 0 m m ，因此这段时间内 的平均速度就为y = l t = 3 8 0 2 2 = 1 7 3 ( m m s ) 。经过估算可得铝锭冷却运输机的运 硕f 学伊沦文 行速度，即其最高线速度v m ，= 18 0 ( m m s ) 。根据上述条件，可以算得出液压马达 在启动和制动阶段的加速度 口：鳖：型：1 8 0 0 ( m m s 2 ) ( 3 1 6 ) t l 0 1 。 因此铝锭和链条的惯性力 f = l110 门12 ( )( 3 )mma8 4 0x8 0 0= 3 3n 17 液体阻力 铝锭和链条在冷却水槽中运动时要受到水的阻力，液体作用在固体表面上的 力，用动量定理来求解比较方便。动量定理指出：作用在物体表面上的力的大小 等于物体在力作用方向上的动量变化率，即 ，：一d ：璺堕：堕 ( 3 1 8 ) 一= 一= 一 l j ” d fd f 根据水槽的尺寸和布置情况，可知在一个运动周期内有1 8 块铝锭处于水槽 中，因此m7 = 1 8 2 0 = 3 6 0 k g ，又知t = 2 2 s ，v = 1 7 3 m m s 。代入数据可得 尸：坐：! 鱼! 兰! ! 圣兰! ! ：2 8 3 ( n )( 3 1 9 ) 。t2 2 铝锭冷却运输机中，有5 对轴承，5 处链轮与链条的啮合，可知轴承的机械 效率为叩z = o 9 8 ，链轮与链条的机械效率参照齿轮可取叩l = 0 9 8 ，液压马达的机械 效率取玎m = 0 9 5 。则铝锭冷却运输机的总机械效率为： q = q z q l q m = 0 9 8 5 0 9 8 5 0 9 5 = 0 7 8( 3 2 0 ) 液压马达工作阶段的负载组成如表3 3 所示。 表3 3工作阶段的负载组成 工况 负载组成理论负载值f ( n )实际负载值州刁 ( n ) 启动 f = f 缸 1 4 9 5 1 9 1 7 f 2 f f d + f m 七f w + 加速 f g h 七f d c o s 2 1 01 2 0 + 3 3 1 2 + 2 1 6 7 + 2 8 3 + 1 3 7 2 2 8 38 1 6 0 f b c o s l 3 0 f 。f 掰+ f w 七f 曲 匀速七f d o c o s 2 1 e 1 2 0 + 2 8 3 + 21 6 7 + 1 3 7 2 2 8 34 3 6 4 f b c o s l 3 0 f 2 f f d + f m + 制动f w f d o c o s 2 1 七 1 2 0 + 3 3 1 2 + 2 8 3 1 3 7 2 + 2 8 33 0 4 0 f b c o s l 3 2 0 k g 钒锭冷! = 口j l 输饥液j 刚r 动方式的殴汁知丌究 理沦负载对冷却运输机主动轴所产生的最大扭矩按最大负载工况计算，即为 加速阶段的工况。 t ，。= 吒。r = 81 6 0x1 l5 1 0 - 39 3 8 ( n m ) ( 3 2 1 ) 式中 一。冷却运输机的最大负载扭矩，( n m ) ； r 。，一一冷却运输机的最大负载，( n ) 。 而实际上，铝锭冷却运输机导轨上会存在粉尘、金属碎屑、油漆、水滴等杂 物，有时是安装面不平整而造成倾斜，导向机构转动不灵活或是导轨面加工粗糙 以及有些滚珠在某些时候不作滚动而作滑动运动状态等等，这些因素都会给系统 带来更大的摩擦力。因此，根据实际情况应该在理论负载的基础上还要乘以一个 安全系数s ，根据经验可以取s = i 5 2 5 。时间长的阶段取大值，时间短的阶段 取小值，当然也要考虑到惯性负载的变化趋势，因此在启动加速阶段安全系数取 1 7 ，即s 。= 1 7 ；在匀速运转和制动阶段安全系数取2 5 ，即s 。4 _ 2 5 。因此各个 工作阶段的负载、扭矩实际值如表3 4 所示。 表3 4 工作阶段的扭矩组成 理论负载安全系数 实际负载 扭矩计算式 实际扭矩值 f ( n )f ( n ) t l ( n m ) 启动阶段 1 9 1 7 s 1 2 = 1 7 3 2 5 93 7 5 加速阶段 8 1 6 01 3 8 7 2 互= f r 1 5 9 5 。 稳定阶段 4 3 6 4 s 3 4 = 2 5 1 0 9 1 01 2 5 5 制动阶段 3 0 4 07 6 0 08 7 4 注：表中r = 1 1 5 m m ，为主动轴半径。 主动轴所需要的最大功率为： p l n a x = 2 万t 一一：一= t 一等= 1 5 9 5 羔x l o - 3 = 2 5 ( k w ) ( 3 2 2 ) 式中 只一一一主动轴所需的最大功率，( k w ) 。 z 一一一系统的最大扭矩值，( n m ) ； 咒：一一一主动轴主动轮的最高转速，n z 一= ：焉v m a 石x ，( r a d s ) v 觚一一主动轴主动轮的最高线速度，( m m s ) 。 3 2 2 冷却运输机液压马达及减速机主要参数的确定 液压执行元件的选择主要考虑的是两大因素，即工作压力和最大流量。液压 执行元件的选择方式有好几种，而工程实际中常根据系统的最大负载来选择液压 1 4 执行元件的- e 作压力，根据最人速度柬选择液挑执行兀件的最人流量。 图35k p 8 7 型三级斜齿一螺旋锥齿轮减速机 盖2 箱体3 一一级小齿轮4 输入轴5 一数人齿轮6 一轴承7 一小螺旋锥齿轮8 输出空心 轴9 一三级大齿轮1 0 一油封l 卜轴承1 2 一油封盖1 3 一三级齿轮轴h 太螺旋锥齿轮 输出轴 圈36k p 8 7 型三级斜齿一一曩旋锥齿轮藏建机传动原理田 输 轴 通过第二章对冷却运输机驱动方式的比较分析，采用液压马达带减速机构的 驱动方式类型，在此采用高速液压马达一一大速比减速机构驱动方式，液压马达 驱动方式的确立将在仿真试验后通过分析和比较仿真结果而最终给出。 高速液压马达由于其输出轴的输出扭矩较小，因此要配套一个合适的减速机 构以达到工作的要求，在此可选择k p 8 7 型斜齿一一螺旋锥齿轮三级减速机。1 ，如 图3 5 所示，其对应的传动原理图如图3 6 所示，减速机的减速比为i = 1 0 2 。 k p 8 7 型三级斜齿一一螺旋锥齿轮减速机够每一级的机械效率qz = 0 9 9 ，因此