全液压矫直机液压压下系统的课程设.doc

甘肃广播电视大学液压传动课程设计题目：全液压矫直机液压压下系统的设计学生姓名： 向益全 学生学号： 1062001201892 专业层次： 本科 分校（教学点）： 嘉峪关分校 导师姓名、职称： 陈风军 论文写作时间： 2011年 8月至2011年10月 论文提交日期： 年 月 日 论文答辩日期： 年 月 日 - 1 -全液压矫直机液压压下系统的设计摘要：全液压矫直机是一种新型、高精度的现代化冶金设备，在冶金行业中具有十分重要的地位。相比传统矫直机的调整机构采用机械传动方式，由蜗轮蜗杆驱动，不仅矫直力小，而且压下速度慢控制精度低，全液压矫直机的液压压下控制系统采用全液压装置驱动，数字化控制，压下位置控制精度高，矫直力大，速度响应快，因此对全液压矫直机的液压压下控制系统进行研究具有十分重要的意义。关键词：矫直机；伺服控制；液压引言本文主要针对矫直机的液压压下位置控制系统进行研究，分析矫直机的工作原理，辊缝控制系统的构成(包括液压传动系统和电气控制系统)。通过对矫直机的液压压下系统工作过程的分析，我们对矫直机的液压压下系统的部分辅助系统(管道、蓄能器)进行了设计选型，并对液压系统的压力损失进行了初步的分析计算。主要对全液压矫直机的液压压下控制系统位置精度的影响因素，其中最为重要的便是伺服阀的各个增益参数、固有频率阻尼比，及伺服油缸的固有频率等进行了深入的了解和认识。1.1矫直技术发展史历史上，关于矫直技术产生的确切的文字记载尚未发现，但从文物发掘中挖掘的我国春秋战国时期宝剑，可以想象到当时手工矫直和平整技术已经达到很高水平。在我国古代人的生活与生产中使用的物品与工具中，小自针锥，大到铁柞都要求用矫直技术来完成成品的制造。手工矫直与平整工艺所用的设备与工具使极其简单的，如平锤、砧台等。对大型工件手工矫直常借助高温加热进行。古代人在矫直及整形的实践中认识到物质的反弹特性，确立了“矫枉必须过正”的哲理，用之于矫直技术颇有一语道破之功，用之于改造社会也有指导意义。18世纪末到19世纪初叶，欧洲进行了产业革命，逐步实现了用蒸汽动力代替人力，机械化生产代替手工劳动。19世纪30年代冶铁技术发展起来，当时英国的生铁产量己由7万吨增长到19万吨，增加了2.7倍。19世纪50年代开辟了炼钢技术发展的新纪元。随着平炉炼钢技术的发明，钢产量增长迅速。到19世纪末时，钢产量增加50多倍。钢材产量占钢产量的比重也显著增加。这时己经出现了锻造机械、轧钢机械和矫直机械。进入20世纪，以电力驱动代替蒸汽动力为标志，推动了机械工业的发展。英国于1905年制造了辊式板材矫直机，这大概是我们见到的最早的矫直机。20世纪初己经有矫直圆材的二辊式矫直机。20世纪20年代，日本制造了多辊矫直机。20世纪30至40年代，国外技术发达国家的型材矫直机和板材矫直机相继进入我国的钢铁工业和金属制品业。20世纪50年代苏联的矫直机大量进入中国。20世纪70年代我国改革开放以后接触到大量的国外设计研究成果。进入90年代，我国己研制出具有世界先进水平的矫直机。1.2平行辊矫直机钢材种类不同，弯曲形态不同，各自所要求的矫直方法也不尽相同。工业上成功研制的矫直方法主要有压力矫直法、平行辊矫直法、斜辊矫直法、转毅矫直法、平动矫直法、拉伸矫直法、拉弯矫直法等等。板带的质量包括厚度尺寸偏差、板形、表面光洁度以及板带的物理性能等指标。厚度尺寸偏差又分为纵向厚度偏差和横向尺寸偏差。为了部分的消除板带材的上述质量问题我们研制了平行辊矫直机，它由机体、工作辊系和传动机构组成。工作辊系为上下交错排列的两排工作辊组成，板材从两排工作辊间通过，完成矫直任务，矫直过程如图1.1所示。图1.1 平行辊矫直机工作辊示意图从压力矫直机到辊式矫直机在技术是一次较大的跨越，其理论基础是:金属材料在较大弹塑性弯曲条件下，不管其原始弯曲程度由多大区别，在弹复后所残留的弯曲程度差别会显著减小，甚至会趋于一致。随着压弯程度的减小，板材弹复后的残余弯曲必然会一致趋于零值而达到矫直目的。因此平行辊矫直机必须具有两个基本特征，第一是具有相当数量交错配置的矫直辊以实现多次的反复弯曲;第二是压弯量可以调整，能实现矫直所需要的压弯方案。板材矫直与型材矫直有一定的差别，板材除在纵向垂直于板面的方位上有波浪弯之外还有横向的波浪弯，这两种波浪弯综合在一个板面上会形成较复杂的弯曲状态，如边部波浪弯和中部波浪弯，以及在宽幅较大的板面上还会有中偏(偏左或偏右)波浪弯。后两种波浪弯都具有瓢曲形态，给板材矫直增加很大困难。现在，人们己经认识到波浪弯产生的原因是由于弯曲处纤维受到其两侧短纤维的限制不得伸展而形成凸凹形瓢曲，采用弯辊法便可矫直波浪弯。也即在板材波浪部位的矫直辊的支承辊不加压力，而在平直部位的矫直辊的支承辊加大压力使该部位的板材产生较大弯曲，结果会使原来的长纤维处在压缩状态，使原来的短纤维处在拉伸状态，如此反复便可将逐渐消除波浪弯曲。但是，此过程比较缓慢，通常需要较多的辊数，如11辊及13辊等;板材越薄辊数越要增多，如17辊及19辊，甚至更多辊数，如21辊及23辊等。辊数增多及辊径减小使各辊压下量的调整己无法单独进行，从而采取集体倾斜式的调整方法。这就自然形成线性递减压下的矫直方式。虽然它与残留弯曲的收敛规律不完全一致，但辊数增多可使每次压弯与弹复之间的误差值经过多次缩小之后而趋趋近于零值，同样达到矫直目的。1.3矫直机的发展现状矫直机已普遍采用计算机模型控制，并与轧机过程连结，模型可根据矫直钢板厚度、宽度、平直度状况及温度来设定辊缝，调整好横梁液压缸位置，保证打开、闭合及咬钢速度的稳定，自动将过载保护系统和厚度计控制变形补偿系统切入工作状态。目前世界上的新型矫直机普遍具有以下优点：1) 采用工作辊不同方向的预弯以消除钢板边缘波浪或中心瓢曲;2) 采用上工作辊倾斜以消除单边波浪;3) 工作辊沿矫直方向倾动以调整辊缝；4) 入、出口工作辊单独调节辊缝以利于钢板的输送;5) 设有过载保护、快速换辊装置;6) 采用不同辊径与辊距的组合方式以扩大矫直范围等;7) 新一代矫直机均采用自动控制、计算机模型设定和液压AGC动态辊缝调整。1.4五辊矫直机目前不锈钢冷轧使用的是5辊矫直机，又叫直头机。主要用于矫直带头带尾，便于穿带、切头尾及焊接。结构为一个倾翻钢架，上辊系通过液压缸快速打开，打开行程为230 mm，机械连接和液压缸的液压油分配系统保证辊系的同步打开或关闭。工作原理为所有矫直辊都由一个AC变频电机驱动，通过分配齿轮箱及万向接轴传动。矫直辊安装在自调心轴承上。下辊系的上表面低于带材生产线大约30 mm，可以保证直头机在打开位置时不会擦伤带材表面。带材通过直头机前面的夹送辊和直头机出口的支撑辊支撑。2个上矫直辊的调节通过AC齿轮电机及蜗轮蜗杆机构保证同步运动，调节量的大小可以在操作台上显示，调节范围：70mm。在操作平台上装有数字显示仪。换辊时，上机架可以翻转90，由螺栓固定，然后通过天车来更换矫直辊。1.5 拉矫机不锈钢冷轧即将组装一条拉矫线，以缓解目前平整的压力。拉矫机又叫拉弯矫直机组。冷轧薄板经过退火后，往往会产生不佳的板形。例如：带钢边部延伸比中部延伸大时就形成浪边；边部延伸比中部延伸小时就形成瓢曲。为了达到后续加工要求，工厂里使用多种矫直方法，应用比较广泛的设备是多辊矫直机，薄板通过这种矫直机后，本身并不产生延伸，只是把大浪化为小浪，使板面近乎平直。而对于板厚小于0.8mm的板材，用这种方法很难矫直。而拉伸弯曲矫直机，可使薄板同时产生纵向和横向变形，从而充分改善薄板的平直度和材料性能，使薄板矫直技术大大提高了一步。此外，由于通过弯曲产生了弯曲应力，大大减小了拉力，根据经验，采用拉伸弯曲矫直机时，要达到同样的矫直效果只需要纯拉伸矫直所需张力的1/31/5.而且它的矫直效果是迄今为止最好的。拉伸弯曲矫直的主要作用是： 1）可获得良好的板形。通过拉伸弯曲矫直之后,可彻底消除板面的浪边、浪形、瓢曲及轻度的镰刀弯，从而大大改善了薄板的平直度。 2）有利于改善材料的各向异性。低碳钢的深冲薄板在纵向和横向上的屈服极限常常存在各向异性。所以在薄板作深冲加工时，由于各部的延伸不同被冲件的各部厚度会产生不均，从而会使被冲件产生裙状花边缺陷，由此而导致冲废率的增高。通过拉伸弯曲矫直之后，会使这种状况大大得到改善。 3）消除屈服平台、阻止滑移线的形成。2.1全液压矫直机的矫直原理和方案矫直机矫直原理:金属板材在较大弹塑性弯曲条件下，弹复能力几乎是相同的。因此不管板材原始曲率有多大区别，在反复弯曲后所残留的弯曲程度差别会显著减小，甚至会趋于一致。不过金属刚性越大，压弯后的残留曲率的均匀性越差，而这种差值将随着饭碗次数的增加而减小。矫直的目的不但是是板材各处残留的曲率趋向一致，而且还要将各处的残留曲率都趋于零。全液压矫直机的工作原理是在零张力下，钢板经过多次反复弯曲，在钢带横断面上板带外层金属产生一定的屈服，形成相对平直的产品。由于钢板中间层的金属不产生屈服，因此不可能使整个钢板产生固定的伸长。在板材宽度上某些区域以一个较小的半径弯曲，使长度较短或绷得较紧的部分伸长，如图2.1所示。这些地方的伸长仅限于钢带外层金属，最终产品可以达到的平直度级别较高，形成的残余应力可以在进一步弯曲或剪切时被消除。图2.1 调整辊式矫直机支撑辊拉伸带钢中部压下方案:全液压矫直机采用液压AGC压下，能实现辊缝精确定位、动态辊缝调整等功能。液压AGC压下部分的四个液压AGC缸安装在机架的底部，四个液压AGC缸分别装有四个位移传感器和压力传感器，实现辊缝的动态调整、精确定位和压力控制。实际应用中，为了克服板材头部翘起时顶到直径较细的工作辊上而不能要入的障碍，前几个上辊的辊缝比较大，形成一个喇叭形入口，这样就可以是板材顺利进入矫直机。2.2 全液压矫直机的机构组成液压矫直机不同于以往机械矫直机，但辊系结构基本相同。本矫直机采用线性递增法，其结构是:所有上辊均固定在上辊活动横梁上，通过控制上辊活动横梁来控制辊缝，结构如图2.2:图2.2 辊系结构图由图2.2可知，系统主要器件就是上下辊系，前后左右辊逢均可调，且辊系自身要转动，这样整个系统就分成液压压下控制系统和送料速度控制系统。2.3全液压矫直机的控制系统组成2.3.1控制系统工作原理和控制对象液压AGC矫直机的控制系统有两部分组成，液压压下控制系统(位置控制系统)和速度控制系统。液压压下控制系统对矫直效果起着决定性作用，采用闭环控制。来料速度控制系统由于对矫直效果影响很小困，采用开环控制。辊缝控制系统由电液比例伺服阀来控制伺服缸从而控制活塞行进，伺服阀控制压力油的流向，对无杆腔供油则活塞向下行进，带动工作辊辊系机架向下移动，辊缝值变小，对有杆腔供油则液压缸的大腔泄压，工作辊辊系机架向上移动，辊缝值变大。2.3.2液压位置伺服控制系统设备电液位置伺服控制系统的液压部分是个阀控缸系统(节流式液压系统)，利用节流原理由比例伺服阀控制流入液压缸的流量或者压力。这种系统具有频带宽、动态响应快、控制精度高等优点，但是效率却比较低。系统中其他一些辅助设备有:溢流阀(在泵输出口起稳压溢流作用)，压力表，滤油器和压力继电器等。下面介绍液压系统中主要器件的工作原理和性能。 比例伺服阀选取Bosch的NG6系列比例伺服阀，它的部分性能指标如下，滞环低于0.2%，重复误差低于0.1%，响应时间低于roms，温漂低于l%(T=720)。如果输入电压是额定电流的5%时，伺服阀带宽为120Hz，固有频率为80Hz。图2.3 Bosch 比例伺服阀结构图比例伺服阀放大器Bosch的NG6比例伺服阀自配的PL10的放大器基本单元组成为:前置放大电路、PID反馈控制电路和功率放大电路。前置放大单元采用差动放大电路，能有效地抑制共模信号，从而补偿了由电源电压的波动和工作温度的变化对输出产生的干扰。功率放大单元采用两级达林顿管放大电路，属于开关式电流反馈型。相较于电压反馈型而一言，电流反馈型功率放大器具有更小的电气时间常数，更低的功耗。开关式功率放大器，输出信号为脉冲数字信号，较模拟信号相比，数字信号的放大器只有开、关两种状态，对输电压与输出电流的线性关系不做要求，由于功率管工作范围在饱和导通段和截止段，它的功耗较低。PID反馈控制单元与比例伺服阀的电磁铁末端的位移传感器相连，通过将实际测量的位移值与输入设定值相比较，通过PID控制电路计算其差值，其结果决定输出脉冲信号的占空比，从而较好地保证了比例伺服阀的阀芯位移与放大器的输入信号的比例关系。液压泵经过多方面的调研和考证，本套液压伺服控制系统中采用了BOsch公司的一种改进型的压力补偿型变量叶片泵，它能够由外负载(泵出口的压力)的大小自动控制泵的排量。这种型号的泵可以应用在通用机械、机床和其它噪声小、成本低的应用领域中。该泵具有很多优点，如:成本低，可连续运转，响应快，元件少，稳定性好，总效率和容积效率高，寿命长，定子和叶片耐磨性好，体积小，外观具有时代感，有抗冲击设计，符合最新SAE，150，NFPA和ANSI标准。3.1液压流体力学基础现代液压传动与控制技术的发展是与流体力学的理论研究成果及发展紧密联系在一起的。流体力学是以受力产生较大变形的流体为研究对象，研究流体的机械运动和平衡规律以及流体与固体的相互作用。液压流体力学主要研究液体与液压元件间的相互作用规律，因此液压流体力学是研究液压传动系统的基础。液体在流动中是遵循质量守恒定律的，即质量不会自行产生和消失。如图3.1所示，液体在封闭管道中作稳定流动，任取两截面面积分别为A1和A2，在管内取一微小流束，面积分别为dA1和dA2，流速为u1和u2。根据液体和流束的图3.1 流体的连续性简图性质可知:流束的形状不随时问变化;液体不可压缩，即密度，而且，液体是连续的介质，所以该段流束内的液体的质量守恒，即: 式3-1 式 3-2对导管的两个截面A1和A2有 式3-3若用平均流速v1和v2表示，则有 式3-4即 式3-5式3-5为流动液体的连续性方程，其物理意义为:在恒定流动的情祝下，当不考虑液体的压缩性时，通过管道各界面的流量都是相等的，也就是说流体的流速与其流通截面积成反比。3.2拟定控制方案（1）液压控制系统的选择全液压矫直机对辊缝精度有较高的要求，传统的开关控制已经远远不能满足。随着微电子、智能化科技的发展，伺服阀的响应速度和控制精度都达到很高水平，但它价格太贵，对油液污染较敏感。故本系统采用电液比例伺服控制系统，可实现较高的控制精度和较快的响应速度。（2）控制方式的选择全液压矫直机上面有液压压下控制系统和夹送辊速度控制系统两种，分别为闭环控制和开环控制，本文中主要讨论液压压下控制系统。我们知道开环控制系统不具备抗干扰能力，大量的工程实践表明，在现有的技术条件下，开环控制的比例系统，其位置精度最高只能达到0.3mm，而本系统要求精度较高，故采用闭环控制系统。目前，工业上采用的绝大多数比例阀仍然是模拟信号控制的，这种控制方式分辨率较低，抗干扰能力稍差。随着计算机技术的发展，数字技术己经成熟，本文采用工控制机进行上位监控，可大大提高系统控制精度和动态品质。计算机和液压控制系统由外接连结电路作为桥梁。3.3液压管道及蓄能器的选型设计（1）一般要求1) 管路布置一般在所连接的元件及设备布置完毕后进行。这就限制了布置方案的多样性。2) 管路敷设位置应便于装拆、维修，且不妨碍生产人员生产活动的通畅，不妨碍液压元件和设备部件的调整、运转(如机床排屑，上、下料和机件运动)、检修和拆装。3) 管子外壁与相邻管路的管件轮廓边缘之间，应留有一段允许最小距离。同一排管路的法兰或活接头应错开一定距离，保证安装和拆卸方便，能单独拆装而不干扰其他管路或元件。4) 穿墙管路的接头位置宜离开墙面足够距离;采用敷设在地沟里的暗管时，地沟要有足够的尺寸。5) 机体上的管路应尽量靠近机体，且不得妨碍机器动作。6) 管子应有充分的支撑和固定，不得在元件连接面上诱发应力;部件之间的管路尽量采用明管以便于检修。7) 对于由若干个独立的部分(如液压泵站、阀架、蓄能器架等)组成的液压系统，则每部分内部的管路应引到该部分的一端结束。对外连接的各油口或接头应有与回路图上一致的标记。各油口之间要留有足够的间隙以便能单独装拆。8) 每根外部接管应有弯曲，弯管半径要足够大;但管接头附近应是直管。9) 对于软管，应使其不被拉紧、不受扭曲、不被弯成过小半径、不在管接头附近弯曲，不互相摩擦也不被摩擦。（2）限制因素管路布置的限制因素有管路通径、材质、妨碍操作、空间大小、干涉(与机件的干涉及管路间的干涉)、可装拆性、管路用料量、压力损失、动态特性等，这些因素相互关联。根据这些限制因素，管路布置应遵循的具体规则如下:1) 美观性原则。管路应横平竖直，排列整齐、疏密适当。2) 最短距离原则。这不是单纯几何意义上的直线距离最短。由于系统中元件布置、干涉问题、弯管工艺性等的影响，最短距离原则主要应考虑管路用料量及管路能量损耗。3) 直角化原则。理论上，为了连结的需要，管道弯曲可以是任意角度。但由于施工条件的限制，在大多数情况下，金属管采用直角弯管。4) 规避原则。管路的具体布置，一般是在所连接的元件及设备布置完毕后进行。由于不允许元件或部件的位置作较大变动，因此只能对管路的走向加以调整。规避原则，要考虑避免运动干涉及装配干涉等。并考虑避免与先前布置好的管路干涉。5) 贴近原则。由于系统中的管路是在给定系统后布置的，例如泵站的管路布置在油箱、泵组之间，为了既有利于固定亦可节省管路用料，管路应贴近油箱表面布置。6) 工艺原则。即考虑到管道动态特性、管路压力损失和管道加工性对管道布置的影响，要求对管长、管径、弯角有所限制。3.4管路的安装1）安装时所需的主要设备及工具安装管道时需要弯管机、切割机、坡口机、弧焊机、酸洗槽、中和槽、干燥压缩空气机、循环泵、水平仪、台虎钳、扳手等:2）法兰的准备由于使用的介质液压油，其渗透性特强，所以全部采用法兰连接，用O形圈密封，为了拆装方便，把法兰设计成一边为活动法兰。3）管路安装的工艺路线画管路布置图-浇注管夹的预埋铁-初布管夹-下料、弯管、布管-焊接-酸洗-中和-吹干-装配管法兰-固定管夹-油液循环-检测污染度-与主机相连试压、检查各参数。第四章 总结通过对全液压矫直机工作原理、液压压下位置控制系统的学习研究，深入的认识到影响全液压矫直机液压压下控制系统动态响应和稳定性的因素包括:伺服阀的阻尼比、固有频率，伺服油缸的固有频率、摩擦因数、阻尼比，管道和阀的压力降，弯头数量，及机架高度引起的压力降，液压泵的固有频率等因素;此外，在液压系统中存在弹性负载时，对系统的稳定性也有相当大的影响。全液压矫直机电液伺服控制系统融合机械电气液压以