（机械设计及理论专业论文）22th铝锭翻转机气液驱动系统设计与研究.pdf

硕十学何论文 摘要 铝锭翻转机是铝锭连续铸造生产线的关键部件之一，它的性能直接影响着整机的 稳定性和可靠性，关系到整机的生产效率的提升。因此翻转装置的稳定性、可靠性是 机组中急需解决的难题之一。本文立足于满足铝锭翻转机的运行平稳性，提高铝锭连 续铸造生产线的使用寿命等要求，为铝锭翻转机寻求一种合理的驱动方式。 本论文以2 2 t h 铝锭翻转机为研究对象，针对传统铝锭翻转机驱动方式存在的问 题，分析比较了铝锭翻转机可能的几种驱动方式：摆动气缸、电动机、液压马达，最 终选择了液压马达作为铝锭翻转机的驱动方式。并以翻转机的工作状况以及负载特性 为依据，分析和详细计算了系统所需的主要参数，设计了液压、气动系统原理图以及 选择了符合使用要求的液压马达。 对组成液压系统的主要元件一液压马达和调速阀进行了数学建模并进行了动态特 性分析，通过分析液压元件的特性，找出了影响系统稳定性的主要因素并为液压系统 建模提供理论分析。根据液压系统的动态过程，把液压系统分为换向阀换向中和换向 后两个过程进行动态分析，通过仿真软件m a t l a b 进行b o d e 图和n y q u i s t 图的绘制， 判断系统的稳定性。针对外负载的扰动建立液压系统中串联调速阀和不串联调速阀两 、种仿真模型，通过s i m u l i n k 对两中情况进行仿真，经过仿真得到在负载扰动下液压马 达的输出曲线。通过仿真表明，液压回路中在串联调速阀的情况下系统运行平稳，没 有明显的波动现象。 关键词：翻转机；调速阀；液压马达；超越负载 2 2 t h 铝锭翻转机气液驱动系统设计j 研究 a b s t r a c t t h ea l u m i n u mi n g o tt u r n o v e rm e c h a n i s mi sak e yp a r to ft h ea l u m i n i u m i n g o t c o n t i n u o u s l yc a s t i n gp r o d u c t i o nl i n e t h em a c h i n e ss t a b i l i z a t i o na n dr e l i a b i l i t yw e r e i m p a c t e do ni t sp e r f o r m a n c e ，s ot h a ti tc a n ti m p r o v ee f f i c i e n c y b e r e r 。i naw o r d ， t h ea l u m i n u mi n g o tt u r n o v e rm e c h a n i s ms t a b i l i z a t i o n a n d r e l i a b i l i t ya leo n eo ft h e u r g e n td e m a n d e dk e yp r o b l e m s t h i sp a p e ri s e s t a b l i s h e di nc o n d i t i o n st h a tm e tt h e a l u m i n u mt n g o tt u r n o v e rm e c h a n i s ms y s t e m so p e r a t i o n a ls t a b i l i t y , i m p r o v e dt h e p r o d u c t i v i t ya n du s e f u lt i m eo fa l u m i n u mi n g o t ar e a s o n a b l ed r i v i n gm o d ef o ro ft h e a l u m i n u mi n g o tt u r n o v e rm e c h a n i s mi ss t u d i e d t h i sp a p e rt a k e st h e2 2 t ha l u m i n u mi n g o tt u r n o v e rm e c h a n i s ma ss u b j e c t i n v e s t i g a t e d ，a i m i n ga tt h ep r o b l e m so ft h et r a d i t i o n a ld r i v i n gm o d eo f t h ea l u m i n u mi n g o t t u r n o v e rm e c h a n i s m ，a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nt h ep o s s i b l et y p e so fd r i v eo fa l u m i n u m i n g o tt u r n o v e rm e c h a n i s m ：s w i n g c y l i n d e r ，m o t o r s ，h y d r a u l i c m o t o r s f i n a lc h o i c et h e h y d r a u l i c m o t o rd r i v e na st h ew a yt ot h ea l u m i n u mi n g o tt u m o v e rm e c h a n i s m a c c o r d i n g t 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 ea l u m i n u mi n g o tt u r n o v e rm e c h a n i s m ，d e s i g no ft h e h y d r a u l i ca n dt h ep n e u m a t i cs y s t e ms c h e m a t i c f o rt h em a i nc o m p o n e n t so fc o m p o s i t i o nt h eh y d r a u l i cs y s t e m ：h y d r a u l i c s m o t o ra n d s p e e d c o n t r o l v a l v ec o n d u c t e dm a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n dh a v et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s ，i d e n t i f i e dt h em a i nf a c t o r st oa f f e c t i n gs y s t e ms t a b i l i t y a c c o r d i n gt h ed y n a m i c p r o c e s so ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ，d i v i d e dt h eh y d r a u l i cs y s t e mi n t ot w op r o c e e ，t h r o u g ht h e s i m u l a t i o no fm a t l a bt oj u d g et h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m i nt h ee n df o rt h ee x t e r n a ll o a d d i s t u r b a n c e ，e s t a b l i s hh y d r a u l i c ss i m u l a t i o nm o d e l t h r o u g ht h es i m u l i n ks i m u l a t i o n o b t a i n y sh y d r a u l i c sm o t o ro u t p u t si nt h ep e r t u r b a t i o n so fl o a d t h r o u g ht h es i m u l a t i o n s h o w st h a th y d r a u l i c sc i r c u i ts e r i e sw i t hc o n t r o lv a l v e ，t h es y s t e m sr u n n i n gs m o o t h l y , n o s i g n i f i c a n tf l u c t u a t i o n k e yw o r d s ：t u r n o v e rm e c h a n i s m ；s p e e dc o n t r o lv a l v e ；h y d r a u l i cm o t o r ；o v e rl o a d 硕+ 学位论文 1 1 课题的背景 第一章绪论 由于铝具有清洁、减重、环保、循环利用等优异性能和易于变形加工等特点而被 人类广泛应用，在建筑、交通运输、电信电缆、包装等各个领域中都有它的身影。随 着现代科学技术日新月异、不断向前发展，以及新工业领域的不断涌现，铝的用途也 越来越广泛，需求量与同俱增，在国民经济中发挥着越来越重要的作用。我国经过半个 多世纪的发展，特别是2 1 世纪以来的高速发展，2 0 1 0 年我国电解铝产量已达到1 7 0 0 万吨，氧化铝产量达到3 0 8 0 万吨，铝材产量1 7 7 6 万吨。但是随着国民经济的快速发 展，对铝的需求也越来越大，这些产量仍然不能满足消费量的需求，缺口需要通过进 口来弥补，这就要求铝锭连铸生产线不断更新以适应其迅速发展的要求。 目前，铝锭连铸生产线技术还存在很多不足之处。特别是一些关键的部件，在如 何提高机器的运行平稳性、反应快速性、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 国内外研究现状综述 1 2 1 铝锭连铸生产线的国内外研究现状 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、翻转、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。 2 0 0 0 年以前，我国电解铝行业中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 j ，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1 2 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 2 2 t h 铝锭翻转机气液驱动系统设计与研究 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。 近年来，国内许多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 - - 2 0 e o 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n 】。 ( 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倥1 。 ( 3 ) 兰州理工大学于2 0 0 6 年7 月开始，投入力量对2 2 t h 铝锭连续铸造生产线 的技术进行攻关，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，已接近国际先进水平。 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。研制开发的“2 2 t h 新型铝锭连续铸 造生产线”，已经得到了使用婚1 。 世界上澳大利亚和瑞士等国家，在铝锭连铸生产线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。 近两年随着我国电解铝行业向规模化、节能、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，我国已经开始进入海外电解铝厂的建设市场，其中，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 2 硕十学何论文 等国家的大型电解铝厂项目。这样就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。 1 2 2 铝锭翻转机的国内外研究现状 铝锭翻转机是铝锭铸造生产线的一个关键部分，其性能的好坏直接影响了铝锭铸 造生产线的生产效率，因此在提高整条生产线的生产能力方面，铝锭翻转机起了很关 键的作用。 目前国内各大铝厂普遍使用的9 t h 、1 6t h 等铝锭铸造生产线的翻转机，采用的 驱动方式都是气压驱动。气压驱动结构简单，成本低，易于实现无级调速，阻力损失 小，动作迅速，反应快，防火、防爆，对工作环境适应性好。但是由于空气的易压缩 性，负载对传动特性的影响较大，工作压力低，只适用于小功率传动。因此气压驱动 下的铝锭翻转机的翻转过程运行不稳定，对冷运机的输送链和翻转气缸缸底的冲击比 较大，故障率高，影响生产效率，因而不适用于高产量的铝锭连续铸造生产线。 随着电子技术的不断发展，目前已有铝锭翻转机采用伺服电机加减速机的驱动和 控制系统，如澳大利亚的0 d t 公司研制的2 8 t h 铝锭连铸生产线的翻转机就采用了 伺服电机作为驱动系统，并且为减少负载变化的影响，在机构上增加了平衡重。伺服 电机的能量传递方便，信号传递迅速，标准化程度高，易于实现自动化等。但是伺服 电机受温度、湿度、振动、腐蚀等环境因素影响较大，一旦出现故障需要重新启动， 影响了铝锭生产线的生产效率并且伺服电机成本相对较高。 a ) 1 6 t h 翻转形式b ) 2 2 t h 翻转形式 图1 - 11 6 t h 和2 2 t h 铝锭翻转形式的比较 2 2 t h 铝锭连铸生产线的运行速度较1 6t h 快。1 6 t h 和2 2 t h 翻转机结构简图 见图卜l 所示，由图中我们可以看出1 6 t h 铝锭翻转机的翻转形式是铝锭原地翻转， 翻转半径很小，而2 2 t h 铝锭翻转机需夹持铝锭后向前翻转( 图中a 位置为待翻转位 置，b 为翻转之后位置) ，翻转半径增大，翻转力矩大。因此对冷运机的输送链和翻转 3 2 2 t h 管；锭翻转机气液驱动系统殴计与研究 气缸缸底的冲击较1 6t h 铝锭生产线更大。要满足2 2 t h 连铸生产线翻转机的翻转时 问要求，同时提高运行平稳性和位置控制准确性，有必要对翻转机的驱动方式进行探 讨和研究。 1 3 传统铝锭翻转机工作原理及存在的问题 铝锭连铸生产线是电解铝厂生产铝锭的重要设备，主要由铸造机、冷却运输机、 翻转机、堆垛机、成品运输机等几大部分组成。传统的翻转机结构简图如图1 - 2 所示， 由两个夹紧气缸、两个翻转摆动气缸、翻转驱动齿轮、夹块、翻转机构等组成。根据 堆垛的要求，第一层为四块，对每块铝锭进行1 8 0 。翻转，第二层至第十一层为五块， 对第二、四块进行1 8 0 。翻转。两台翻转机通过同步轴连接。翻转动作是用两个夹紧 气缸将铝锭的两端沿轴线夹紧，然后翻转气缸将动力通过翻转驱动齿轮先传递给翻转 齿轮轴，翻转齿轮轴再通过翻转爪将铝锭翻转1 8 0 。，然后再反转1 8 0 。复位。但是这 种翻转机仍在一些问题亟待改进，由于翻转一块铝锭的时间仅为1 6 秒因此摆动气缸 在运动期间，其负载从最大正向负载到零负载，然后到最大反向的负载，翻转机需要 经历瞬间加速和急剧减速两个时段。 - _ 。_ _ _ _ _ 。_ h _ _ _ _ _ l 一主孽 、 “ 翻转摆动气缸 母 。j 邺 | 口。 u 一 丝塑 i n 尸；卜 - 。 n r 图卜2 传统翻转机结构简图 气压传动中由于传动介质一空气的可压缩性，传动刚性低，因此负载对传动特性的 影响大。在负载变化比较大的情况下，摆动气缸的传动平稳性差。翻转机在翻转过程 末端速度过大，就会对摆动气缸缸底和冷运机输送链产生很大冲击，同时会使夹紧装 置加剧磨损。因此翻转机的运行平稳性是影响铝锭生产线高效和可靠的主要因素。 1 4 铝锭翻转机驱动方式简介 铝锭翻转机的驱动方式，就其动作能力而言，其可能的驱动控制方式主要有以下 几种： ( 1 ) 摆动气缸 气压传动结构简单，成本低，易于实现无级调速，阻力损失小，动作迅速、反应 快，防火、防爆，对工作环境适应性好。但是由于空气的易压缩性，负载对传动特性 4 硕十学何论文 的影响较大，工作压力低，只适用于小功率传动。因此气压传动下的铝锭翻转机的翻 转运动不稳定，对冷运机的输送链和翻转气缸缸底的冲击比较大，故障率高，影响生 产效率。 ( 2 ) 电动机 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。 ( 3 ) 液压马达 低速液压马达技术日趋成熟，同时它具有输出转矩大，启动特性好，转速范围宽， 调速平稳，低速稳定，过载保护简单，效率高，寿命长，体积小，重量轻，布置灵活， 可以直接与工作机构相接等特点，在有液压源的场合已成为许多机械设备中优先选择 的驱动装置。 1 5 本课题的来源、主要研究内容和意义 本课题来源于工程项目，是针对2 2 t h 铝锭连铸生产线来设计翻转机的驱动系统， 2 2 t h 铝锭连铸生产线对翻转机的速度运行平稳性、翻转速度的快速性以及翻转末段 的位置控制准确度等都提出了更高的要求。针对传统翻转机驱动方式存在的问题；立 足于满足此类翻转机的适用性，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，初步拟采用低速液压马达的驱动方式。 按2 2 t h 铝锭铸造机产能计算，在翻转机翻转的一个循环工序中，翻转时间平均 合计为1 6 s 块，在此周期内要求液压马达在1 6 秒之内完成，加速、匀速、减速的 运动过程。通过对整个翻转过程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号、规格。围绕提高系统运行平稳性、液压马达停 止的位置准确度和能源利用率，选择合适的调速回路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。最后在不同负载的输入下，通过仿 真得出马达的速度输出曲线。 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，本研究将围绕提高设备的运行平稳性、控制准确度和节约能源等 方面对铝锭翻转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一定的现实意义。 2 2 t h 铝锭翻转机气液驱动系统设计与研究 1 6 本章小结 本章从现实角度分析了铝锭翻转机在铝锭连铸生产线中的主要作用，对铝锭连铸 生产线和铝锭翻转机的国内外现状进行了陈述，分析比较了翻转机的几种驱动方式， 确定了用低速液压马达对翻转机进行驱动。 6 硕十学位论文 2 1 设计要求 第二章2 2 t h 铝锭翻转机液压系统设计 设计要求是做任何设计的依据，根据2 2 t h 铝锭翻转机液压系统的动作和性能要 求，这里需要考虑以下几个方面： 1 ) 铝锭翻转机的用途是对铝锭铸造生产线上的铝锭进行翻转，以满足其堆垛的要 求。 2 ) 因为要对铝锭进行隔块翻转所以铝锭翻转机的工作方式为间歇运动，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。根据翻转机机械结构的要求，液压马达通过齿轮传动装置对工作负载进行驱 动的。 4 ) 要求此液压系统具有良好的工作平稳性，可靠的位置准确度，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的要求，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。 2 2 工况分析 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曲1 。 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。 2 2 12 2 t h 铝锭翻转机各项参数的确定 图2 - 12 2 t h 铝锭翻转机结构简图 7 2 2 讹铝锭翻转机气液驱动系统设计与研究 2 2 t h 铝锭翻转机的结构简图如图2 - 1 所示，翻转动作是由两个夹紧气缸将铝锭 的两端沿轴向夹紧，然后由液压马达通过传动齿轮驱动翻转机将其翻转1 8 0 度。 1 ) 翻转时间的确定 由经验可知，铝锭翻转机翻转过程是一个先加速在匀速后减速的过程，根据2 2 t h 铝锭连铸生产线的产能计算，翻转每块铝锭的时间为1 6 s ，可假设加速和减速过程都 是匀速的设：加速时间= 0 1 s ；匀速时间厶= 1 2 s ；减速时间= 0 3 s 。 2 ) 铝锭质量参数的确定 翻转过程是两个夹紧块夹紧铝锭之后进行翻转，翻转质量m = 现+ 2 m ， = 2 0 k g 为铝锭质量，朋2 = 1 0 5 k g 为夹紧块质量。 3 ) 传动装置主要参数的确定 液压马达是通过机械传动机构带动负载翻转，此时液压马达的运动速度不等于负 载的速度，输出力矩也并不等于负载力矩，因此必须对机械传动装置的参数进行分析， 找出它们之间的传递关系。机械传动装置的结构简图如图2 - 2 所示： 图2 - 2 机械传动装置结构简图 机械传动系统齿轮参数见表2 1 表2 1 传动箱中各齿轮参数 齿轮齿数模数 质量( 埏) 齿轮轴l2 446 9 4 齿轮24 846 1 6 齿轮3 2 44 1 6 7 由表可以求得各齿轮的转动惯量分别为：= 0 0 1 7 k g m 2 、以= 0 0 6 1 9 k g m 2 、 以= o 0 0 4 k g m 2 ，传动比毛l = 1 ，取机械传动效率，7 = 9 0 。 帧十学何论文 2 2 2 翻转马达运动学分析 对翻转马达进行运动学分析： 加速阶段： q ：昙q 砰 ( 2 1 ) 匀速阶段： 0 2 = o ) t 2 ( 2 2 ) 减速阶段： 0 3 = 叱一委乞 ( 2 3 ) 在整个行程当中q + 岛+ 岛= 万 ( 2 4 ) 由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 4 ) 并代入相应的参数可得： - - 2 2 5 r a d s ，毛= 2 2 5 r a d s 2 ，乞= 7 5 r a d s 2 ；铝锭在加速时转过的角度 q = 6 5 。，匀速时岛= 1 5 5 。，减速时岛= 1 8 5 。由此可得出马达角速度变化图和角 加速度变化图如图2 - 3 和图2 4 所示： 叫j i ( r a d s ) 启动：运行括 ，- 。i 。停止； ：2 5 i ； | n | | | j 一 ( r a d 2 2 - 7 i - i 一 ) 11j 31 ：6 i 一 图2 - 3 角速度变化图图2 4 角加速度变化图 其中： 目瑚锭翻转角度； 瑚锭加速时的角加速度； 晶川锭减速时的角加速度； c o 铝锭匀速时的角速度。 2 2 3 翻转马达动力学分析 翻转机在翻转铝锭过程中，产生的负载主要来自：夹紧块和铝锭的重力对主轴产 生的力矩、加速和减速过程中夹紧块和铝锭产生的惯性力矩、齿轮系产生的转动惯量 矩以及本身由于摩擦产生的摩擦转矩。 夹紧块和铝锭的运动轨迹如图2 5 所示，根据图中所建立的坐标系可知：铝锭重 心与翻转中心的水平方向偏心距离x = 1 9 0 m m ，垂直方向的偏心距离y = 3 0 m m ( 向 9 2 2 t h 铝锭翻转机气液驱动系统设计与研究 下偏心) ，翻转半径广：1 9 0 2 + 3 0 2 ：1 9 2 4 m m ，翻转起始位置与水平方向之间的夹角 0 = a r c t a n 3 0 1 9 0 = 9 0 ，翻转行程角为：一9 。一1 7 1 。 c y e 厂一) 心一? ：一 ) 】 图2 - 5 铝锭翻转机结构简图侧视图 在翻转过程中： 重力产生的负载力矩： 五= ( ，珥+ 2 m 2 ) g r c o s o ( - 9 0 0s1 7 1 0 ) 加速阶段所产生的惯性力矩： 乏= ( ，啊+ 2 m 2 ) 蜀，2 ( 一9 。0 2 5 。) 减速阶段所产生的惯性力矩： 五= - ( m 1 + 2 m 2 ) 岛，2 ( 1 5 2 5 。0 1 8 0 。) 齿轮箱中各齿轮产生的转动惯量矩： 五= 2 ( j i + 2 j z + 以) 占 ( 一9 。0s1 7 1 。) 因此折算到液压马达输出轴上的各阶段扭矩值如表2 2 所示： 表2 2 马达输出轴扭矩 折算到马达输出 翻转角度( 0o ) r l ， 1 计算公式轴上的等效负载t l ( n m ) 加速 9 0 2 5 0 ( 五+ 乏+ 五) 8 7 6 5 c o s 0 + 4 5 1 9 阶段 i _ 1 匀速 2 5 0 l5 2 5 0 石i r l 8 7 6 5 c o s 0 阶段 r i = 0 9 减速 1 5 2 5 0 1 7 1 0 ( 互+ 五+ 瓦) 8 7 6 5 c o s 0 1 5 0 6 阶段 由表我们可以得出翻转马达主轴扭矩随角度变化情况如图2 - 6 所示，从图中可以 看出铝锭翻转机翻转过程是一个典型的双向变负载工况，变化曲线近似于余弦线，它 1 0 硕+ 学仲论文 承受的负载是随着翻转机的运动有规律的变化。 扭矩 ( n m ) 1 3 1 一1 3 3 ：l 。 - 9 1 ，0 一 1 5 2 5 4 图2 - 6 马达主轴扭矩变化图 从9 0 2 5 0 马达承受的负载转矩逐渐增大，在2 5 0 时马达承受的负载转矩最大 缸= 1 3 3 n m ，在转角为9 0 。的时候，重力与翻转中心在一条线上重合，因此产生的 力矩最小为零，当翻转机转过9 0 0 的时候，负载转矩变成了负负载，并逐渐增大，直 到马达停止转动。 2 3 液压马达主要参数的确定 本系统预选用低速液压马达作为系统的执行元件，目前低速液压马达技术日趋成 熟，同时它具有输出转矩大，启动特性好，转速范围宽，调速平稳低速稳定，过载保 护简单，效率高，寿命长，体积小，重量轻，布置灵活，可以直接与工作机构相接等 特点h ”。 根据上一节的工况分析计算可以得到： 液压马达输出轴的最高转速： t l = = m a x2 _ 6 0 0 ：2 2 1 5 r 2 15 r m i n 液压马达输出轴承受的最大负载转矩： t = 133n m ma x 根据经验预选取液压马达进出口压差5m p a ，则所需液压马达排量为： 圪：2 j r x t 懈：1 6 7 m l r 。“ 劫 通过查阅相关资料，选取低速摆线液压马达：b m c 2 0 0 一p a y ，具体参数见下表 表2 3 所示。 2 2 t h 铝锭翻转机气液驱动系统设计与研究 表2 3 液压马达主要参数 排量重量 额定额定额定额定额定总效 转矩压力转速流量功率率 m l rk g n mm p ar m i n l m i n k w 2 0 011 13 2 01 2 52 5 05 08 2乏8 0 选取马达翻转过程中的几个特殊位置进行压力计算见表2 4 所示。 表2 4 马达特殊位置压力值 瓦( n 玎。 圪( m l r ) 压力计算公式 压力值卸 m ) - 9 01 3 l4 5 7 2 5 0 ( 前) 1 3 34 6 6 2 5 0 ( 后) 8 7 53 0 6 9 0 000 1 5 2 5 00 92 0 0 卸= 穗 - 7 7 7 ( 前) 1 5 2 5 0 - 9 2 8 ( 后) 1 7 1 0一1 0 l 液压马达最大转速时所需要的流量为： g ：监= 4 6 l m i n | j “ 液压马达输出的最高功率： p m m 。= a p m 。曰。2 0 3 6 ( k w ) 式中： 马达机械效率一= 9 0 ： 容积效率1 。= 9 4 。 综上所述：液压马达的最高转速、最大流量、最高功率、最大转矩以及最高压力均 未超过其额定值。因此可以得出结论：所选取的液压马达符合要求。 2 4 拟定液压系统原理图 拟定液压系统原理图是整个设计过程中最重要的步骤，对系统的性能以及设计方案 的经济性与合理性具有决定性的影响。拟定液压系统原理图的一般方法是，根据主机 1 2 硕十学侍论文 动作和性能要求先分别选择和拟定基本回路，然后再将各个基本回路组成一个完整的 系统【4 j 。 2 4 1 液压马达速度控制方案简介及选择 本液压系统的执行元件是液压马达，液压马达的控制方式及性能直接影响着整个 系统的运行，下面就常见的液压马达控制方式作以下简要介绍。 2 4 1 1 液压马达速度控制方案简介 液压马达作为液压系统中的能量转换元件，它将液体的压力能转换成机械能来驱 动工作机，实现旋转运动。由于液压马达具有无级调速，易于控制，启动、制动响应 迅速快，允许频繁换向等优点，在工程机械、农业机械、起重运输机械、化工机械、 航天航空等许多行业领域中都得到了非常广泛的应用。液压马达作为液压系统中执行 元件，其性能的好坏将直接影响着整个系统的性能，而液压马达的性能除了与其本身 固有的特性有关之外，其控制方式也将直接关系到液压马达乃至整个系统的性能。 本液压系统的执行元件是液压马达，液压马达的速度控制方式及性能直接影响着 整个系统的运行，下面就常见的液压马达速度控制方式作一下简要介绍。 1 阀控液压马达调速系统 阀控液压马达调速回路主要是由定量泵、流量阀、溢流阀和液压马达组成，通过 调节流量阀改变进入或流出执行元件的流量来达到调速的目的。这种回路具有结构简 单、工作可靠、成本低、使用维护方便、调速范围大等优点；但由于其能量损失大、 效率低、发热量大，因此这种控制方式常用于功率不大的设备中。 常见的阀控马达调速控制回路，根据流量阀的类型不同主要分为两类：节流阀控 制速度回路和调速阀控制速度回路。根据流量阀在系统中连接位置的不同又分为以下 几种见表2 5 所示 表2 5 阀控马达调速系统 进油路节流调速系统 节流阀控制速度回油路节流调速系统 旁路节流调速系统 进油路调速阀调速系统 调速阀控制速度回油路调速阀调速系统 旁路节流调速阀系统 2 泵控液压液压马达调速系统 泵控液压马达回路是容积调速回路，该回路是通过改变液压泵或液压马达的排量 来调节液压马达运动速度的回路。这种回路中液压泵输出的流量与负载流量相适应， 2 2 t h 锌l 锭翻转机气液驱动系统设计与石j f 究 i l 没有溢流损失和节流损失，回路的效率高，发热少，常用于大功率的液压传动系统。 容积调速回路按所采用液压泵和液压马达的结构及组合形式的不同可分为变量泵 定量马达、定量泵变量马达以及变量泵变量马达三种组合形式阻1 ，如图2 7 所示。 图2 7 阀控马达调运系统 3 电液比例控制液压马达调速系统 电液比例控制技术作为连接现代化微电子技术和大功率控制设备之间的桥梁，在 现代控制工程技术中也得到了广泛的应用。所谓的电液比例控制系统是指系统的输出 量，如压力、流量、位移、转速、加速度、力和力矩等，能随输入控制信号连续成比 例地得到控制。调速系统的工作原理是：通过改变液压马达进出流量或改变液压泵及 液压马达的排量即可实现液压马达的速度控制。根据这一原理，电液比例速度调节有 比例节流调速、比例容积调速和比例容积节流调速三类曲1 如图2 - 8 所示。 图2 - 8 比例控制马达调速系统 4 电液伺服控制液压马达调速系统 1 ) 阀控马达电液速度伺服回路 伺服放大器 电液伺服阀 图2 9 阀控电液伺服马达调速系统 1 4 = 一- j 硕十学佛论文 如图2 - 9 所示为阀控液压马达电液速度伺服回路液压原理图。该系统用于控制负 载的速度，使之按照指令信号给定的规律变化。它由伺服放大器、电液伺服阀、液压 马达、测速电动机等组成。测速电动机轴与马达轴相连，用于检测负载轴的速度，检 测到的速度信号与指令信号差京伺服放大器进行功率放大，产生的电流用来控制电液 伺服阀的阀芯位置，电液伺服阀输出压力油驱动液压马达及负载旋转口1 。 2 ) 泵控电液速度伺服回路 如图2 - 1 0 所示为泵控液压马达电液速度伺服回路，通过改变变量泵的排量对液压 马达进行调速。变量泵的排量调节通过电液伺服阀和双杆液压缸组成的阀控式电液伺 服机构的位移调节来实现。当输入指令信号后，控制液压源的压力油经电液伺服阀向 双杆液压缸供油，使液压缸驱动变量泵的变量机构在一定位置工作；液压马达的输出 速度由测速电动机检测，转换为反馈信号，与输入指令信号相比较，得出偏差信号控 制电液伺服阀的阀口开度，从而使变量泵的变量机构保持在设定值附近，最终保证液 压马达在希望的转速附近工作。 图2 - 1 0 泵控马达电液伺服调速回路 2 4 1 2 液压马达速度控制回路的选择 根据液压马达实际工况的要求，考虑到工程成本，工程现场实际情况，以及系统 效率，稳定性等方面的情况，本系统拟采用阀控马达调速系统。 图2 - 11 单向节流调速系统图2 1 2 单向调速阀调速系统 在阀控马达调速系统中，进油节流调速不能建立背压平衡超越负载因此我们选择 2 2 t b 铝锭翻转机气液驱动系统设计与研究 回油节流调速回路进行研究，现对阀控马达系统中的两种常见形式，单向节流阀调速 系统和单向调速阀调速系统如图2 - 1 1 和图2 - 1 2 所示进行比较，确定液压马达最佳速 度控制方式。 在回油路上串联单向节流阀或单向调速阀都能对液压马达进行速度控制，平衡负 载3 3 1 。 对于单向节流调速系统来说： 一：旦：s 垒型垒二鱼 ( 2 5 ) 圪 五：亟监 ( 2 6 ) 。 2 刀 由式( 2 6 ) 得： 盈：一孕 ( 2 7 ) p l2 岛一矿 z 把式( 2 7 ) 代入式( 2 5 ) 中得 以：旦； 矿 m 捌： 写一胪露嵋 式中： l q _ 压马达转速： 风巧统提供的压力； 以硼速阀出口压力； g j 禹过节流阀的流量及进入液压马达的流量； 正_ 达负载转矩； 4 书流阀口面积； c 0 - 节流阀口流量系数。 由式( 2 8 ) 可得，在节流阀口面积4 调节一定的情况下，马达转速由负载转矩 决定。本系统的负载工况是典型的超越负载，在负载变化的情况下马达转速将产生很 大的波动，因此节流阀调速系统仅适用于负载变化不大和速度稳定性要求不高的场合。 由于工作负载的变化很难避免，在对液压马达速度稳定性要求较高的场合，采用节流 阀调速不能满足要求。 对于调速阀系统来说，调速阀实际上是定差减压阀与节流阀的串联，利用流量的 变化引起油路压力的变化，通过阀芯的负反馈作用，来自动调节节流阀口两端的压力 差，使其基本保持不变。 针对本系统来说，系统承受的负载是典型的超越负载工况，因此我们选用回油调 1 6 硕十学俯论文 l i i 皇曼量曼皇曼量量皇曼皇曼量蔓曼曼舅皇曼量曼曼曼量量寰 速阀调速系统对铝锭翻转马达进行速度控制。 2 4 2 液压系统基本回路的确定 1 ) 泵源采用一个定量泵供油，泵输出的最高压力即系统压力由电磁溢流阀调定。 系统工作时，电磁阀处于常闭的状态，当系统工作压力大于溢流阀的调定压力时，油 液通过溢流阀流回油箱，实现对系统的保护。但在工程实际当中，铝锭翻转机的泵源 是与铝锭铸造机液压系统中的其他执行元件共同使用，而不为铝锭翻转机液压系统设 置单独泵源，这样选用的目的是为了达到功率的充分利用，即当铝锭翻转机在其工作 周期的停止时间段里，由液压泵提供的油源还可以被铝锭铸造机液压系统的其他执行 元件所使用。但是这种供油方式的缺陷也非常明显，当铝锭翻转机液压马达与其他执 行元件同时动作时，如果供油流量不足，可能会出现液压执行元件常见的“抢油现象 ， 而造成执行元件的工作不稳定，影响整个系统的正常运转。为了保证铝锭翻转机液压 马达的工作稳定性以及本系统的独立性，本研究拟采用单独泵源为液压马达供油，见 图2 - 1 3 ( a ) 所示。 2 1 3 液压系统基本回路 2 ) 采用y 型机能的电磁换向阀并在液压马达回油路安装液控单向阀，见图2 1 3 ( b ) 所示，当液压油正向流入液压马达一侧时，翻转架和工作负载引起的液压油压力 信号立即使位于回油路的液控单向阀打开，马达另一侧反向出油，马达开始旋转，并 带动铝锭进行翻转。当停止向翻转马达供油时，在压力控制信号消失的瞬间，液控单 向阀立即关闭，马达被锁定，翻转机运动停止，防止在翻转末段翻转机的滑移现象， 从而保证翻转末段位置的准确度。 2 4 3 整机系统原理图 根据以上分析把图2 - 1 2 、图2 - 1 3 ( a ) 、图2 1 3 ( b ) 所示的各种回路，按顺序组 合画在一起，并综合考虑系统所需要的辅助元件，最终我们可以得到如图2 1 4 所示的 2 2 t h 铝锭翻转机气液驱动系统设计与研究 铝锭翻转机液压系统原理图。 辅助元件的选择是为了让系统具有更高的工作可靠性，更高的运行稳定性，便于 检测信号以及系统维护等。下面就系统几个重要辅助元件的选用作几点说明： 1 ) 液位温度计1 显然是测量油液温度的，当油温低于1 0 时，电接点温度计4 发出电信号，电加热器3 工作；当油温升至2 54 c 时，电接点温度计4 发出电信号，电 加热器停止工作。 z 图2 - 1 42 2 t h 铝锭翻转机液压系统图 卜液位温度计2 一铜球阀3 一电加热器4 一电接点温度计5 - 液位控制继电器6 一油箱7 一 过滤器8 一电动机9 一联轴器1 0 - 叶片泵1 1 一电磁溢流阀1 2 一电磁换向阀1 3 一测压接头1 4 一耐震 压力表1 5 一液控单向阀1 6 一单向调速阀1 7 一泄漏管1 8 - t e ：速摆线液压马达 2 ) 铜球阀2 放置在油箱6 的底部，是为了方便在维修或清理油箱内的油液时，将 油液排除，但需注意此阀的密闭性能要求非常高，不能在关闭的状态下漏油。 3 ) 液位控制继电器5 的作用是当油箱的油液面过低时，通过电触点s l 向控制系 统发信号，以防止油箱油液过少而对系统造成的影响。 4 ) 滤油器7 的作用是为了防止油液中颗粒较大的杂物进入液压泵或系统，以对系 统造成不必要的影响 5 ) 液压站中的油路一般都是做成几个集成块，因此油路在集成块的适当位置打上 一些小孔就可以很方便地测量系统或某一工况的压力。目前，测压接头1 3 的尺寸都以 系列化，测压接头一端与测压油口相连，另一端与压力表1 4 相连就可以对压力进行测 量。 1 8 硕十学伸论文 2 5 液压元件的计算和选择 2 5 1 液压泵的选择 工程上，2 2 t h 铝锭翻转机液压马达的油源是整个铝锭铸造机液压系统油源的一 个分支，因此液压泵的供油压力是按照铝锭铸造机液压系统所需的最大压力来确定， 而所需的流量则要根据在同一时刻液