连铸小方坯液压剪切机液压系统【6张图/19400字】【优秀机械毕业设计论文】
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连铸小方坯
液压
剪切
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机械
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文档包括:
说明书一份,62页。19400字。
实习报告一份。
外文翻译一份。
题目申报表一份。
图纸共6张,如下所示
A0-剪体装配.dwg
A0-总装配图.dwg
A0-阀块.dwg
A0-阀板图.dwg
A1-液压原理图.dwg
A3-工况图.dwg
摘要
剪切机广泛地被运用在轧钢机械中,本文中涉及的是连铸机采用剪切机对各种型号的钢坯进行定尺处理。液压剪切机比火焰切割机运行成本低,而在同等的体积下,液压装置能比电气装置产生出更大的动力;同样在同等的功率下,液压装置的体积小、重量轻、结构紧凑。所以从各种角度看选择液压剪切机是比较合理的。液压剪切机是用液压作为主传动的剪切机,该剪切机采用平行刀片式的下切式。下切式剪切机的上下两个刀片都是运动的,但剪切扎件的动作是由下刀片来完成的。目前被广泛应用于初轧和钢坯车间。
剪切机液压系统主要由三部分组成。分别是下刀台系统、辊道小车驱动系统和上刀台抬升系统。其中下刀台剪切系统主要控制下刀片的进刀和快退;辊道小车驱动系统主要用于前进时保持剪切机与钢坯同速,剪切完成后快速返回;上刀台抬升系统用来移动上刀台。其中下刀台剪切缸单独采用变量泵驱动,而辊道下车油缸和上刀台抬升缸共用一个定量泵,其动作由换向阀实现
关键词:剪切机 、 辊道小车 、 油缸
Abstract
Shearing machine is widely used in steel rolling machines,this paper introduces the continuous casting machine by useing shearing machine to handle various types of steel billet. Hydraulic shearing machine has lower operating cost than flame cutting machines. However, in the same volume, the hydraulic device generates mush power than electrical equipment. In the same power, the hydraulic device small volume, light weight and compact structure. So from various perspectives, choosing hydraulic shearing machine is more reasonable. Hydraulic
shearing machine is a kind of shearing machine that uses hydraulic pressure as the main drive. It chooses the down-cut sheet of parallel slice. The up-cut sheet and the down-cut sheet of down-cut shearing machine are movable, but the action of shearing the rolled piece is done by down-cut sheet. At present, it is widely used in the workshop of bloom and billet.
The hydraulic system of shearing machine mainly consists of three parts: the system of down-cut bed, the driving system of table roller vehicle and the system lifted by top-cut set. Its down-cut bed’s shearing system. Mainly controls advancement and retreat of the down-cut slice. The driving system of table roller vehicle is used to keep the shearing machine having the same speed with billet and resets quickly after finishing shearing. The lifting system of top-cut table can drift the top-cut bed. And the shear cylinder of down-cut bed is driven by variable pump independently, while the cylinder of table roller and lifting vat of top-cut bed are used a quantitative pump, and the operation is done by using reversing valve.
Key words: shearing machine;table roller vehicle; fuel tank
目录
摘要 ………………………………………………………………………………I
Abstract …………………………………………………………………………II
第一章 绪 论………………………………………………………………………1
1.1 连铸连轧技术的简介………………………………………………… 1
1.2 剪切机的类型、特点及选型………………………………………… 4
第二章 液压剪切机的设计计算………………………………………………… 7
2.1 剪切机结构参数的确定……………………………………………… 7
2.1.1刀片行程…………………………………………………………… 7
2.1.2刀片尺寸的确定…………………………………………………… 8
2.1.3剪切机理论空行程次数…………………………………………… 9
2.2 剪切机能力参数计算……………………………………………………9
2.2.1剪切过程分析……………………………………………………… 9
2.2.2平行刀片剪切机的剪切力与剪切功………………………………10
第三章 剪切机液压传动系统的设计与计算……………………………………13
3.1 剪切机的设计要求与参数……………………………………………13
3.1.1设计要求……………………………………………………………13
3.1.2设计参数……………………………………………………………13
3.2 进行工况分析,确定液压系统的主要参数…………………………14
3.2.1液压缸的载荷计算…………………………………………………14
3.2.2初选系统的工作压力………………………………………………17
3.2.3液压缸的主要结构尺寸计算………………………………………18
3.2.4各工况所需时间及速度的计算……………………………………22
3.2.5液压执行元件实际所需流量的计算………………………………23
3.2.6液压执行元件实际工作压力的计算………………………………24
3.2.7拟定液压系统工况图………………………………………………25
3.3 制定液压系统基本方案和拟定液压系统图………………………… 26
3.3.1制定基本方案………………………………………………………26
3.3.2拟定液压系统图……………………………………………………31
3.4 液压元件的选择………………………………………………………32
3.4.1 液压泵的选择…………………………………………………… 32
3.4.2 电动机功率的确定………………………………………………34
3.4.3 液压阀的选择……………………………………………………35
3.4.4 油管内径的确定…………………………………………………36
3.4.5 油箱的有效面积的确定…………………………………………38
3.5 液压系统性能验算……………………………………………………38
3.5.1 验算回路中的压力损失………………………………………… 38
3.5.2 验算液压系统发热温升………………………………………… 46
第四章 液压缸的设计计算………………………………………………………51
4.1 计算液压缸的结构尺寸……………………………………………… 51
4.1.1 缸筒长度L…………………………………………………………51
4.1.2 最小导向长度的确定…………………………………………… 51
4.2 液压缸主要零部件设计………………………………………………52
4.2.1 缸筒……………………………………………………………… 52
4.2.2 活塞……………………………………………………………… 55
4.2.3 活塞杆的导向套和密封………………………………………… 55
4.2.4 缓冲装置………………………………………………………… 56
4.2.5 放气装置………………………………………………………… 56
4.2.6 油口……………………………………………………………… 57
第五章 阀板的设计………………………………………………………………58
4.1 阀板连接概述…………………………………………………………58
4.2 阀板的设计……………………………………………………………58
4.2.1 确定阀板的数量………………………………………………58
4.2.2 液压元件位置的布置…………………………………………59
4.2.3 阀板材料及孔径的确定………………………………………59
参考文献 …………………………………………………………………………60
结束语 ……………………………………………………………………………62






- 内容简介:
-
内蒙古科技大学设计说明书第一章 绪 论1.1 连铸技术的简介 连铸设备在近些年有了长足的发展,依据连铸机的发展和演变的不同,连铸机可分为:立式、立弯式、弧形和水平式。依据一个机组(即共用一个盛钢桶的几台连铸机)所浇注坯流数的不同,连铸机可分为:单流、双流和多流连铸机。工业中最多为8流。连续铸钢生产所用的设备,实际上包括在连铸作用线上的一整套机械设备。连铸设备通常可分为主体设备和辅助设备俩大部分。主体设备包括浇铸设备钢包运载设备,中间包及中间包小车或旋转台,结晶器及振动装置,二次冷却支撑导向装置;拉坯矫直设备拉坯机、矫直机、引锭机、脱锭与引锭存放装置;切割设备火焰切割机与机械剪切机(摆式剪切机、步进式剪切机等)。辅助设备主要包括:出坯及精整设备辊道、拉(推)钢机、翻钢机、火焰清理机等;工艺设备中间包烘烤装置、吹氖装置、脱气装置、保护渣供给与结晶润滑装置等;自动控制与测量仪表结晶器液面测量与显示系统、过程控制计算机、测温、测重、测长、测速、测压等仪表系统。在连续铸钢的生产线上,出拉坯矫直机脱锭后的连铸坯需按用户或下部工序的要求,将铸坯切成定尺或倍尺。因此在所有的连铸设备中,切割设备是非常重要的一种设备。由于连铸坯必须在连续的运动过程中实现切割,因而连铸工艺对切割设备提出了特殊的要求,既不管采用什么型式的切割设备都必须与连铸坯实行严格的同步运动。在连铸机上采用的切割方法主要有火焰切割和机械切割两类。采用火焰切割的优点是:切割装置重量轻,切割断面比较整齐。机械剪切的优点是:没有金属的烧损,可切成较短的定尺。一般,在板坯和大方坯连铸机上,多采用火焰切割,在小方坯连铸机上多采用机械剪切。连铸设备的整个工艺流程如图1-1所示:图1-1连铸设备工艺流程连铸机:连铸机可以把钢水直接连续地浇铸成钢坯,由炼钢跨送来的盛满钢水的盛钢桶装在连铸机的钢包旋转台上,通过中间包小车,把钢水注入结晶器,在那里凝结成具有一定厚度的坯壳,即由引锭杆牵引着拉出结晶器,进入第一至第八段二次冷却夹辊,引锭杆是由拉矫辊驱动的,铸坯在二次冷却区内被雾化的冷却水冷却,继续凝固。当它通过最末一段二冷夹辊后,即被拉矫辊矫直,使之沿水平方向前进。钢包旋转台:钢包旋转台有不同的运动形式,不同的工作性能,因而有不同的结构形式。最简单的旋转台只用一个转臂,就能做旋转运动。一般的旋转台除了作旋转运动之外,还能使钢包做升降运动。多功能的旋转台还有钢包倾倒装置,钢包盖升降装置和吹起装置等。在钢包旋转台上,一般都有连续侧重装置,大都是在承托钢包的鞍座上设置测力传感器来实现的。中间包小车:中间包是钢包与结晶器之间的中间容器。用钢包运来的钢水先注入中间包,然后再经过中间包注入结晶器中,使用中间包的作用是减少钢水的静压力,是钢流平稳,以减小钢流对结晶器内钢水的冲击和搅动。钢水在中间包内停留的时间,是非金属夹杂物有时间上浮。在多流连铸机上,是通过中间包将钢水分配到每个结晶器。进行多炉连浇时,可以在中间包内存放一定数量的钢水,以保证在更换钢包时能够继续浇铸。辊底式均热炉:设在铸机和轧机之间的辊底式均热炉,是连接铸机和轧机的唯一工艺设备,其作用是连续不断的接收铸机产生的高温板坯,经过加热和均热后及时供给轧机合乎加热质量要求的薄板坯。当轧机正常生产换工作辊,或者下游设备临时出现故障时其调节和缓冲作用,也即在CSP的“刚性”机组之间增加了炉子的“柔性”环节,使CSP线的连铸连轧工艺能顺利进行。当两机两流工艺时,连接段的炉子还起到连续不断转运远离轧线铸机的连铸热坯任务,为摆动的转运方式。目前,CSP生产线的连接段多采用直通辊底式炉型,炉型结构简单,并方便在线自动控制的要求。因它仅需通过对每个炉辊速度变化的控制,就可完成与前面铸机和后面轧机对铸坯速度的同步要求,以及在炉内快速运坯拉开前后铸坯间的间隙,使炉子具有缓冲与协调的能力。板坯还可根据轧线的工艺要求在炉内正向运送和反向运送,或待轧时,铸坯在炉内出料端进行前后摆动等待。两机两流工艺间距25米时采用两座双线辊底式均热炉生产线并具有摆动功能。炉子均为四段炉型(加热炉段、运输炉段、摆动炉段、存储炉段),26个温度控制区进行侧部上、下供热。产生的烟气,由炉子顶部三个排烟口分别进入水平烟道,经渗冷稀释、助燃空气换热器,炉膛压力电动调节烟闸,最后通过三座自立式钢烟囱自然排出,并完成炉膛压力三段(加热与运输炉段、摆动炉段、存储炉段)自动控制。全炉共有161个水冷式炉辊,每个炉辊的速度均可通过变频器(一个炉辊一个)和每个炉辊所配置的2.2KW变频齿轮电机进行单独变速。速度范围为2.865m/min,并可正向或者反向转动。板坯加热温度通常为1100,温差10。为此加热炉段的炉温为1200,其他炉段的炉温为1130用于均热和保温。不同的铸速下板坯入炉温度、炉温与加热制度、各炉段的控制区数量、烧嘴数量及供热能力是不同的。摆动炉段的的炉体钢结构系安放在下面框架式的摆动车上,并通过摆动车的支撑、定心、摆动、对中定位、密封五个主要的环节完成板坯在高温下的转运工作。1.2 剪切机的类型、特点及选型用于对轧件进行切头,切尾或剪切成规定尺寸(定尺)的机械称为剪切机。根据剪切机刀片形状,配置以及剪切方式等特点,剪切机可分为平行刀片剪切机,斜刀片剪切机,圆盘式剪切机和飞剪机。按驱动力来分,可分为电动和液压两类剪切机。平行刀片剪切机:两个刀片彼此平行。用于横向热剪初轧坯(方坯,板坯)和其它方形和矩形断面的钢坯,故又称为钢坯剪切机。有时,也用两个成型刀片来冷轧管坯及小型圆钢等。斜刀片剪切机:两个刀片中有一个刀片相对于另一刀片是成某一角度倾斜布置的,一般是上刀片倾斜,其倾斜角为16。它用来横向冷剪或热剪钢板,带钢,薄板坯,故又称为钢板剪切机。有时,也用于剪切成束的小型钢材。圆盘式剪切机:两个刀片均成圆盘状。用来纵向剪切运动中的钢板(带钢)的边,或将钢板(带钢)剪成窄条。一般均布置在连续式钢板轧机的纵切机组的作业线上。飞剪机;剪切机刀片在剪切轧件时跟随轧件一起运动。用来横向剪切运动中的轧件(钢坯,钢板,带钢和小型型材,线材等),一般安装在连续式轧机的轧制线上或横切机组作业线上。平行刀片剪切机根据剪切轧件时刀片的运动特点,平行刀片剪切机可分为上切式和下切式两大类。1上切式平行刀片剪切机这种剪切机的特点实际下刀固定不动,上刀则是上下运动的。剪切轧件的动作由上刀来完成,其剪切机构由最简单的曲柄连杆机构组成。除了剪切机本体之外,一般还配有定尺机构,切头收集与输送装置等。由于下刀固定不动,为使剪切工作顺利进行,剪切的轧件厚度大于3060mm时,需在剪切机后装设摆动台或摆动辊道,其本身无驱动装置。剪切时,上刀压着轧件下降,迫使摆动台也下降。当剪切完毕,上刀上升时,摆动台在其平衡装置作用下也回升至原始位置。此类剪切机由于结构简单,广泛用于剪切中小型钢坯。此外,随着快速换刀的生产需要,也出现了能快速换刀的上切式平行刀片剪切机,用来剪切初轧钢坯和轧板。当然,其设备重量会有较大的增加,结构也稍复杂些。2. 下切式平行刀片剪切机这种剪切机的特点是:上下刀都运动,但剪切轧件的动作由下刀来完成,剪切时上刀不运动。由于剪切时下刀台将轧件抬离辊道,故在剪切机后不设摆动台,而且这种剪切机的机架不承受剪切力。由于上述两个特点,下切式平行刀片剪切机普遍用来剪切中型和大型钢坯和板坯,以减轻整个剪切机组的设备重量。本次设计所剪的钢坯为连铸小方坯160160和180225,因此选用平行刀片下切式剪切机。剪切机按照驱动力来划分,可分为电动和液压两类。电机驱动又有直流电动机和交流电动机两种。大中型剪切机多采用直流电动机驱动,并以启动工作制进行剪切。在大型剪切机上,除了采用电动机驱动外,还可以采用液压驱动。采用液压驱动比电动机驱动有许多优点:在同等的体积下,液压装置能比电气装置产生出更大的动力;同样在同等的功率下,液压装置的体积小、重量轻、结构紧凑。1)液压装置工作比较平稳,便于实现频繁及平稳的换向;2)液压装置能在大范围内实现无级调速,还可以在运行过程中进行调速;3)与电气或压缩空气配合后液压驱动易于实现自动化;4)液压装置易于实现过载保护,液压缸和液压马达都能长期在失速状态下工作而不会发热,这时电气驱动装置和机械传动装置无法办到的。此外,液压元件能自行润滑,使用寿命较长;5)液压元件易于实现通用化和自动化;6)用液压驱动来实现直线运动远比机械传动简单。综上所述,虽然电动剪切机在操作和维护方面简单,但与液压剪切机相比,它的体积和重量大;而液压剪切机却不同,目前液压技术已成熟,使操作和维护已不成问题,故本设计选用液压剪切机。因此,本次设计的最终选型为平行刀片下切式液压剪切机。第二章 液压剪切机的设计计算设计参数剪切机型式: 油压小车移动式被剪钢坯断面尺寸: 180180 mmmm 165225 mmmm代表钢种: Q235-A 27SiMn剪切温度: 750拉坯速度: 2m/min剪切小车及横移辊道重量: 17.8T钢坯定尺长度: 2.5m2.1剪切机结构参数的确定2.1.1刀片行程刀片计算公式 H=h+f+q1+q2+s (2-1)式中:H刀片行程(指刀片的最大行程);h被切钢坯的断面高度,这里取h=180mm;f是为了保证钢坯有一些翘头时,仍能通过剪切机的必要储备,通常5075,这里取 60; q1 为了避免上刀片受钢坯冲撞,而使压板低于上刀的距离,q1=550mm, 取q1=20mm; s 上下刀片的重叠量,取 s=520mm,这里取s=10;q2下刀低于辊道表面的距离,q2=520 mm,这里取q2=20; 故有: H=180+60+20+20+20=300mm刀片行程关系如图 2-1 所示图2-1 平行刀片剪切机刀片行程1-上刀;2-下刀;3-轧件;4-压板2.1.2 刀片尺寸的确定2.1.2.1 刀刃长度 因为所设计的方坯剪切机,且属于中型剪切机(P=2.58.0),所以剪刃长度按如下公式计算: L=(22.5)bmax (2-2)式中: L刀刃长度,mm; bmax被切钢坯横断面的最大宽度,mm;取bmax=225mm;则: L=(22.5)bmax =(22.5)225=450562.5 mm,取L=500 mm2.1.2.2 刀片断面高度及宽度 h=(0.651.5)h (2-3) b=h/(2.53) (2-4)式中:h刀片断面高度,mm; h 被切钢坯断面高度,mm; b刀片断面高度,mm;由钢坯断面尺寸: 180180 mmmm 165225 mmmm则:h=(0.651.5)h =(0.651.5) 180=117270mm,取h=210mmb= h/(2.53)=7084mm;取b=70mm最后根据表8-2(轧钢机械(第三版)P259)剪切刀片的尺寸最后确定为bh=70210800 由(表8-2)确定的热钢坯剪切机基本参数。如下表:表2-1热轧剪切机基本参数最大剪切力MN刀片行程mm刀刃长度刀片断面尺寸理论空行程次数次/min6.33003007021012162.1.3剪切机理论空行程次数 剪切机的每分钟理论空行程次数代表了剪切机的生产率。理论空行程次数的提高受到电动机功率和剪切机结构形式的限制。理论剪切次数是指每分钟内剪刃能够不间断的上下运动的周期次数。因此,实际剪切次数小于理论空行程次数。依据设计要求和轧钢机械(第三版)P259 表8-2,选择理论空行程次数为:1216次/min。2.2 剪切机能力参数计算2.2.1 剪切过程分析轧件的整个剪切过程可氛围两个阶段,即刀片压入金属与金属滑移。压入阶段作用在轧件的力,如图2-2所示。图2-2 轧件的剪切过程当刀片压入金属时,上下刀片对轧件的作用力P组成力矩Pa,此力矩是轧件沿图方向转动,而上下刀片侧面对轧件的作用力T组成的力矩Tc 将力图阻止轧件的转动,随着刀片的逐渐压入,轧件转动角度不断增大,当转过一个角度后便停止转动,此时力矩平衡,即Pa=Tc。轧件停止转动后,刀片压入达到一定深度时,为克服了剪切面上金属的剪切阻力,此时,剪切过程由压入阶段过渡到滑移阶段,金属沿剪切面开始滑移,直到剪断为止。2.2.2平行刀片剪切机的剪切力与剪切功2.2.2.1 剪切公称能力的确定剪切机的力能参数包括剪切力和电机功率。剪切力是剪切机的主要参数,驱动剪切机的电机功率及剪切机主要零件尺寸的确定,完全使用或充分发挥剪切机的能力都与剪切力有关。在设计剪切机时,首先要根据所剪轧件最大断面尺寸来确定剪切机公称能力,它是根据计算的最大剪切力并参照有关标准和资料来确定的。1).当轧件材料为Q235-A时 最大剪切力为: Pmax=KmaxFmax (2-5)式中:Fmax 被剪轧件最大的原始断面面积,mm max 被剪轧件材料在相应剪切温度下最大的单位剪切阻力,MPa根据图8-7.a(轧钢机械),取max=100MPa;K 考虑由于刀刃磨钝、刀片间隙增大而使剪切力提高的系数,其数值根据剪切机能力选择,中型剪切机,K=1.2。 按钢坯断面尺寸: 180180 mmmm Fmax=180180=32400 mm2 按钢坯断面尺寸: 165225 mmmm Fmax= 165225=37125 mm2故: Pmax=KmaxFmax=1.2100165225=3.89 MN2) 当轧件材料为27SiMn时因为该剪切材料无单位剪切阻力实验数据,所以最大剪切力为: Pmax=0.6KbtFmax (2-6)式中:K同轧件材料Q235-A一样,K=1.2; bt被剪轧件材料在相应剪切温度下的强度极限,MPa,根据表8-4(轧钢机械),取bt=200MPa; Fmax轧件最大的原始断面面积,mm2,根据上述 1) 中计算可知, Pmax=0.61.2200165225=5.35 MN综合以上计算结果,并考虑到今后剪切轧件品种的扩大,且结合我国国标所规定的系列标准,将剪切机公称剪切力确定为6.3 MN。而实际工程中,考虑到我们设计结构的要求,确定为5.0 MN,相当于500T液压键切机。2.2.2.2 剪切功的计算根据剪切功可以近似而方便的计算出键切机功率。剪切功与剪切力和刀片行程有关,当不考虑刀片磨钝等因素时,可按以下公式计算: A= Pmaxh (2-7) 式中:A 剪切功,Nmh钢坯厚度,mPmax最大剪切力,N则: A= Pmaxh=5.351801000=963000 Nm第三章 液压传动系统的设计与计算液压系统是液压机械的一个组成部分,液压系统的设计要同主机的总体设计同时进行。着手设计时,必须从实际情况出发,有机地结合各种传动形式,充分发挥液压传动的优点,力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压传动系统。3.1液压系统的设计步骤与设计要求3.1.1设计要求设计要求是进行每项工程设计的依据。在制定基本方案并进一步着手液压系统各部分的设计之前,必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解清楚。1)剪体结构比较简单,最大的剪切力受工作液体压力限制,且要能够保证不致过载和损坏。2)液压剪切机工作循环:上刀下降,锁紧小车右移下刀上升,剪切钢坯下刀下降(快退)上刀升起小车左移(快退)。3)剪切运动要平稳,为使机构具有所要求的精确运动,需要依靠上下刀台的平稳和附加的约束来获得,这均需由液压系统来控制。3.1.2设计参数剪切机型式: 油压小车移动式被剪钢坯断面尺寸: 180180 mmmm 165225 mmmm代表钢种: Q235-A 27SiMn剪切温度: 750拉坯速度: 2m/min剪切小车及横移辊道重量: 17.8T钢坯定尺长度: 2.5m3.2进行工况分析,确定液压系统的主要参数3.2.1液压缸的载荷计算如图3-1表示一个液压缸简图。各有关系数标注图上,其中FW是作用在活塞杆上的外部载荷,Fm是活塞与缸壁以及活塞杆与导向套之间的密封阻力。作用在活塞杆上的外载荷包括工作载荷Fg,导轨的摩擦力Ff,由于速度变化而产生的惯性力Fa。图3-1 液压缸受力情况3.2.1.1 剪切缸的载荷力工矿分析:剪切缸运动分为启动、工进、快退三个动作循环。当剪切缸启动时,液压缸负载只有下刀台本身的重力,Fw=G=4100N 式中:G下刀台重量;工进时,活塞杆承受剪切力,其外载荷是剪切力及下刀台自重。Fw=Pmax+G=5.35106+41005.35106N;快退时,工作负载主要是下刀台本身重力,其值为负。Fw=-G=-4100N。3.2.1.2 横移缸的载荷力 横移缸在启动过程中,其外载荷主要是小车和横移辊道对导轨的摩擦力。Fw=sG (3-1) 式中: s静摩擦系数,s=0.15;由表3-1查的 G小车及剪体总重,N;表3-1 摩擦系数导轨类型导轨材料运动状态摩擦系数滑动导轨铸铁对铸铁启动时:低速()高速()0.150.200.10.120.050.08滚动导轨铸铁对滚柱(珠)淬火钢导轨对滚柱0.0050.02静压导轨铸铁0.005 G=G1+G2+G3; G1小车及横移辊道重量,G1=17800N; G2钢坯重量,G2=7239N; G3剪体重量,G3=40000N; G=G1+G2+G3=225239N; 外载荷:Fw=sG=33786N;小车右移时,横移缸外载荷为小车钢坯、剪体、横移辊道的重力和剪切力对导轨产生的摩擦阻力,即车轮踏面在轨道上的滚动摩擦阻力和车轮轴承的摩擦阻力。摩擦阻力矩: Mn=(G+G4)(KDc/2+d/2); (3-2)式中:G辊道车,剪体,钢坯总重,G=225239N; G4剪切力,G4=5.35; K滚动摩擦系数,K=0.01; 车轮轴承摩擦系数,=0.004; Dc车轮外径,Dc=250mm; d轴承内径,d=70mm; 故:Mn=(225239+5.36)(0.05250/2+0.00370/2) =7.76N/mm外载荷:Fw=7.76/125=62080N (3-3) 小车左移时,小车受剪体及横移辊道的重力对导轨产生的摩擦阻力,即车轮踏面在轨道上的滚动摩擦阻力和车轮轴承的摩擦阻力。 同上.摩擦阻力矩: Mn=(G1 +G3)(KDc/2+d/2) =(178000+40000)(0.01250/2+0.00470/2) =303020N/mm;外载荷:Fw=303020/125=2424.2N。3.2.1.3 抬升缸的负载力抬升缸在抬升和下降过程均只受上刀台及其相连机构的自重相对于轴心向下的转矩.其最大转矩约 T=GSm=78000.18=1404Nm (3-4) 式中: G上刀台及其相连机构自重,G=7800N; Sm上刀台重心到轴心距离,约为Sm=0.18m;故上刀台下降时,抬升缸抬升,其外载荷 Fw=3265N; (3-5)同理,上刀台上升时,抬升缸下降,其外载荷Fw=-=-=-3265N;各液压缸的外载荷力计算结果列于表3-1由公式: 活塞上载荷力F= (3-6)液压缸的机械效率,一般取0.900.95,这里取=0.95;求得相应的作用于活塞上的载荷力,并列于表3-2表3-2 各液压缸载荷力液压缸名称工况液压缸外载荷Fw/N活塞上载荷力F/N剪切缸启动41004316工进5.351065.63106快退-4100-4316横移缸启动3378635564右移6208065342左移24242552抬升缸下降32653437上升-3265-34373.2.2初选系统的工作压力压力的选择要根据载荷的大小和设备的类型来定,还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。在载荷一定的情况下,工作压力低,势必要加大执行元件的结构尺寸,对某些元件的结构尺寸,对某些设备来说,尺寸要受到限制,从材料消耗角度看也不经济,反之,压力选得太高,对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高,必须要提高设备成本。一般来说,对于固定的尺寸不太受限制的设备,压力可以选的低一些。具体选择可参考下表3-3和表3-4表3-3 按载荷选择工作压力载荷(KN)50工作压力(MP)0.811.522.5334455表3-4 各种机械常用的系统工作压力机械类型机床农业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力(MP)0.82352881010182032500T液压剪切机属中型剪切机,其剪切缸最大载荷达5.63MN。剪切系统为高压系统,依据上述表格初步确定系统工作压力为21MPa。横移缸最大负载65347N,抬升缸3437N,均为低压系统。初步确定系统工作压力为6.3Mpa。(参考文献机械设计手册单行本液压传动与控制表32及表33)(参考文献机械设计手册表19-6-3)3.2.3 计算液压缸的主要结构尺寸3.2.3.1 剪切缸 剪切缸最大载荷时,为剪切缸剪切工作状态,其载荷力为F=5.63106N参考文献机械设计手册。缸筒内径: (3-7)式中:D缸筒内径F最大载荷力,F=5.63106N活塞杆径比,依据下表选=0.7P1供油压力,取21MPaP2回油背压,依据下表选P2=1MPa表3-5 按工作压力选取径比参考表工作压力(MPa)5.05.07.07.0径比0.50.550.620.700.7 表3-6执行元件背压力选择参考表系统类型背压力简单系统或轻载节流调速系统0.20.5回油路带调速阀的系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路较复杂的工程机械1.23回油路较复杂,且直接回油箱可忽略不记本表摘自机械设计手册单行本液压传动与控制表23.4-5及23.4-4故有:取D=600mm活塞杆直径:d=0.7D=420mm ,取标准值d=500mm 则液压缸有效面积 (3-8) (3-9)液压缸行程 L=H=300.式中: H刀片行程,H=300;活塞杆强度校核 (3-10)式中: Fmax活塞杆所受的最大载荷,Fmax =5.63106; d活塞杆直径,d=420mm。所以有:活塞杆材料为碳钢故 =100120MPa强度符合,校核完毕。3.2.3.2横移缸当横移缸右移时,在其启动时负载最大,F=65347N,此时,横移缸受拉 由上述的公式可得下式: (3-11)式中:活塞杆的径比,=0.65;供油压力,=6.3MPa;回油背压,=0.5MPa。则:由文献机械设计手册取标准内径:D=160mm,所以活塞杆直径为d=0.65D=104mm 取标准值 d=110mm;则液压缸有效面积: 活塞杆强度校核所以强度符合要求,校核完毕。3.2.3.3 抬升缸当抬升缸抬升时,其负载F=3628N,此时,活塞杆受压式中:活塞杆的径比,=0.65;供油压力,=6.3MPa;回油背压,=0.5MPa。则: 0.027m =27由文献机械设计手册,取标准内径 D=32mm,活塞杆直径为d=0.65D=19.8mm 取标准值 d=20则液压缸有效面积 活塞杆强度校核 所以强度符合要求,校核完毕。3.2.4.计算各工况所需时间及速度剪切钢坯工作循环周期T=1.25min式中: 2.5m钢坯定尺长度 2m/min拉坯速度.故剪切工作全过程应在1.25min之内完成。由钢坯接触定尺装置触球为剪切周期开始,横移缸,抬升缸开始动作,抬升缸抵达指定位置后剪切缸动作,剪断钢坯即剪切缸触发行程开关上触点,为剪切缸,抬升缸,横移缸反向行程开始时间。待各缸全部退回,剪切一周期结束,等待下一周期开始,依次循环。由小车行程约800mm,即0.8m,得t=0.4min=24s即在t=24s时剪断钢坯。抬升缸:抬升缸抬升即上刀台下降时间约取t1=5sv1=5.4m/min抬升缸下降即上刀台上升时间约取t2=3sv2=9m/min式中: L=450m=0.45,液压缸行程。剪切缸:抬升缸自锁后,剪切缸即开始动作。工进时间 t3=t-t1=19s工进速度 v3=0.95m/min快退时间 t4=6s快退速度 v4=1.8m/min横移缸:右移时间 t5=24s右移速度 v5=2m/min左移时间 t6=6s左移速度 v6=8m/min 式中: L小车行程。3.2.5计算液压执行元件实际所需流量根据已经确定的液压缸的结构尺寸,可以计算出各个执行元件在各个工作阶段的实际所需流量。表3-7 各工况所需流量工况执行元件名称运动速度v/m/min结构参数A/mm2流量Q/L/min计算公式上刀下降抬升缸5.48044.3Q=A1v小车启动横移缸0105980Q=A2v小车右移横移缸21059821.2Q=A2v下刀上升剪切缸0.95282600268.0Q=A1v下刀下降剪切缸1.886350155.0Q=A2v上刀上升抬升缸94904.4Q=A2v小车左移横移缸820096160.7Q=A1v3.2.6计算液压执行元件的实际工作压力由于液压系统工作时回油路安装有背压阀,所以系统的实际工作压力需要将其考虑进去,如下表所示为各个缸的实际工作压力。表3-8各工况工作压力工况执行元件名称负载F/N背压力P2MPa结构参数mm2工作压力P1/MPa计算公式A1A2上刀下降抬升缸34370.58044904.58小车启动横移缸35564020096105981.77小车右移横移缸653470.520096105983.51下刀上升剪切缸5.6310602826008635020.0下刀下降剪切缸-43160.5282600863500.95上刀上升抬升缸-362818044901.63小车左移横移缸25520.520096105981.183.2.7拟定液压系统工况图图3-1各缸位移时间图图3-2 各缸速度时间图图3-3各液压缸的压力循环图3.3制定液压系统基本方案和拟定液压系统图3.3.1制定基本方案3.3.1.1 确定剪切机液压系统的总组成及作用 用于将轧件剪切成规定尺寸的机械称为剪切机。由液压作为主传动的剪切机叫做液压剪切机。一个完整的液压系统由五部分组成,即动力组件、执行组件、控制组件、辅助组件和液压油。在小方坯液压剪切机系统中都将被设计到。剪切机动力组件的作用是将原动机的机械能转化为液体的压力能,指液压系统中的油泵,它向整个液压系统提供动力。在本套系统中采用一个定量泵和一个变量泵供油。执行组件(如液压缸和液压马达)的作用是将液体的压力能转化为机械能,驱动负载做直线往复运动。小方坯液压剪切机主要采用三个执行组件,剪切缸、上刀台抬升缸和辊道小车横移缸,对于单纯且简单的直线运动机构可以采用液压缸直接驱动,由剪切机的特点决定,可采用单活塞杆液压缸,其有效工作面积大,双向不对称,往返不对称的直线运动。剪切机控制组件(即各种液压阀)在液压系统中控制和调节液体的压力、流量、和方向。根据控制功能的不同,其液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又可分为溢流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等;流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流阀、集流阀等;方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。系统中将用到大部分常见的控制组件,实现系统的最优化。系统的辅助组件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、压力表、油位温度计等,起连接、输油、贮油、过滤、贮存压力和测量等的作用。液压油是液压系统中传递能量的工作介质。有各种矿物油、乳化油和合成型液压油几大类。系统选用20号机械油。3.3.1.2拟定液压执行组件运动控制回路1、 剪切缸基本回路的确定1)容积节流调速回路容积节流调速回路一般用变量泵供油,用流量控制阀调节调节输入或输出液压执行元件的流量,并使其供油量与所需油量相适应。液压缸慢进速度由变量泵调节,以减少功率损耗和系统发热;快退时由调速阀调节。此种调速回路效率也较高,速度稳定性较好,但结构较复杂。因剪切缸回程时,所受负载为负,故调速阀装在回程回油路上。2)压力控制方案剪切缸在剪断钢坯时剪切力突然消失,使活塞由于惯性突然前冲,引起液压冲击,故在液压缸端部安装蓄能器,吸收多余能量,减少液压冲击,实现缓冲。此回路用变量泵供油,故在回路中设置安全阀起安全保护作用。为减小回路中液压冲击,采用电液换向阀。图3-4剪切缸基本回路2、抬升缸基本回路确定双液控单向阀锁紧回路:由于上刀台在剪切时承受极大的载荷,为了在极大冲击下仍具有较好的剪切效果,上刀台必须具有高的位置精度,采用双液控单向阀锁紧回路。它能在液压缸不工作时使活塞迅速平稳、可靠且长时间地被锁紧,不为向上的剪切力所移动。当液压缸上腔不进油时液控单向阀关闭,液压缸下腔不能回油,活塞被锁紧不能下落。但由于液控单向阀有一定泄露,因此,锁紧时间不能太长。但因抬升缸所需锁紧时间仅为19s。故满足要求。图3-5抬升缸基本回路3、 横移缸基本回路的确定为实现同步剪切运动,必须使小车移动速度与钢坯运动速度相等,这就需要用速度传感器将钢坯的运动速度与横移缸的运动速度测出,然后进行比较,将差值快速的转变为电信号传给横移缸的主控阀,使液压小车的横移速度迅速达到钢坯的运动速度,并且与它同步运动;而当剪切机将钢坯剪断后,小车有需要快速的退回,因此,有必要选用高控制精度的比例阀。由于横移缸和抬升缸共用定量泵,且横移缸负载远大于抬升缸,要求两缸互不干扰动作,故在横移缸回路加减压阀,以控制抬升缸回路压力,达到两缸同时动作。图3-6 比例阀调速回路3.3.1.5 制定顺序动作方案钢坯断面接触定尺装置触球时,发出电信号,启动抬升缸和横移缸电磁铁开始动作 抬升缸完成预定动作时触发行程开关,关闭抬升缸电磁铁,使抬升缸自锁,并启动剪切缸电磁铁使其动作 当剪切缸剪切钢坯完毕,刀片移动到上行程时,通过上行程开关发出电信号,使剪切缸,抬升缸和横移缸均反向动作 剪切缸触发下行程开关时,停止动作 横移缸触发左侧行程开关时,停止动作 抬升缸触发行程开关时,停止动作 等待下一周期运行。3.3.1.6液压源的选择剪切缸承受负载压力大,属于高压系统,。而柱塞泵的柱塞与缸体内孔均为圆柱表面,易得到高精度的配合,可在高压下工作,故选用柱塞泵。横移缸和抬升缸所承受负载不是很大,属于中压系统,可使用定量叶片泵为动力源。3.3.2拟定液压系统图图3-7 液压原理图表3-9 剪切机电磁铁工作循环表动作名称发讯元件电磁铁DT1DT2DT3DT4DT5DT6DT上刀下降XK3-+-小车右移XK3-+-锁紧上刀XK5-下刀上升XK5+-上刀快退XK1-+-小车左移XK1-+下刀快退XK1-+-上刀复位XK6-小车复位XK4-下刀复位XK2-3.4液压元件的选择3.4.1液压泵的选择3.4.1.1高压液压泵的选择1).确定液压泵的最大工作压力Pp (3-12)式中:液压缸最大工作压力;=20.2MPa进油路上总压力损失,=0.8MPa则:=20.0+1.0=21.0 MPa所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大25%60%选取的液压泵要求额定压力为2).液压泵流量的确定 (3-13)式中: K系统泄露系数,一般取K=1.11.3,这里取K=1.2; 高压系统液压缸最大总流量,=268L/min则: =1.2268=322 L/min故选用A7V250型斜轴式轴向柱塞泵,其额定压力为35MPa,额定流量为364 L/min,额定转速为1500r/min。(参考文献机械设计手册(第四卷)P19-175表19-5-51)3.4.1.2 低压系统液压泵的选择1).确定液压泵的最大工作压力Pp 式中:液压缸最大工作压力;=4.58MPa进油路上的总压力损失,=0.92MPa则:=4.58+0.92=5.5 MPa考虑储备取7 MPa。2).液压泵流量的确定式中: K系统泄露系数,一般取K=1.11.3,这里取K=1.1; 高压系统液压缸最大总流量,=160.7L/min则: =1.1160.7=169 L/min故选用YB-C171B型叶片泵,其额定压力为7MPa,额定流171 L/min,额定转速为1000r/min。(参考文献机械设计手册第四卷P19-136表19-5-16)3.4.2电动机功率的确定3.4.2.1 高压系统电动机的确定驱动液压泵的功率为: (3-14)式中:液压泵最大工作压力,=21.0MPa液压泵额定流量,=364L/min液压泵总效率,=0.85则:考虑到剪切时间很短,而电动机一般允许在短时间内超载25%,因此, 故根据机械设计手册第五卷,选定Y315m4w型三相异步电动机,其额定功率为132KW,同步转速为1500r/min 3.4.2.2 低压系统电动机的确定式中:液压泵最大工作压力,=7MPa液压泵额定流量,=171L/min液压泵总效率,=0.85则故根据机械设计手册第五卷,选定Y225M-6型三相异步电动机,其额定功率为30KW,同步转速为1000r/min。3.4.3液压阀的选择 根据液压系统的工作压力和通过各个阀类元件的实际流量,可选出这些元件的型号和规格,见下表表3-10液压剪切机液压阀及附件明细表序号名称通径型号规格最大实际流量数量压力MPa流量L/min1截止阀50CJZ-F50L2526812过滤器50QUIE400403240026813安全阀30BG-03-V32259614单向阀20RVP20B31.530026815截止阀50CJZ-F50L2516压力表Y-2000253117电磁换向阀164WEG16G20B2830026818单向调速阀30MSA30EF2130026819蓄能器50NXQ2-L10031.5600535110单向阀40RVP40B31.5600535111过滤器55QUIE7001032700535112冷却器322LQFW-A5.3F10-535113单向阀40RVP40B31.5600535114电磁换向阀64WE6G50B35804.41115双液控单向阀6Z2S631.5604.41116截止阀50CJZ-F50L165217过滤器50QUIE4004032400165118溢流阀30BG-03-320.525300268119单向阀20RVP20B31.5300160.7120截止阀50CJZ-F50L160.7121压力表Y-20002531122减压阀32DRC32-131.5300160.7123电磁换向阀164WEG16G20B28300160.7124单向阀16RVP16B31.5260160.7125比例流量阀162FRE1631.5180160.713.4.4 油管内径的确定由于本液压系统管路较为复杂,取主要几条管路,根据以下公式确定他们的内径和壁厚,其数值见表(1) 管道内径计算 (3-15)(2) 管道壁厚计算 (3-16)式中: d油管内径 q管内流量(/s) v管中油液的流速 油管壁厚 P管内工作压力,MPa n安全系数,P17.5MPa时,取n=4 b管道材料的抗拉强度,取b=450Mpa管道内的流速可以参考表3-11:表3-11允许流速推荐值管道推荐流速(m/s)液压泵吸油管道0.51.5一般取1以下液压系统压油管道36 压力高、油管短、粘度小取小值液压系统回油管道1.52.6表3-12 主要管路内径表管路名称通过流量(L/min)允许速度(m/s)管内径(mm)管道壁厚(mm)管内工作压力(Pa)所选管道的内径与壁厚(mm)高压吸油管3641.3777.22180,10高压压油管2685343.02040,5.5高压回油管2682.5480.20.550,3低压吸油管1711.0603.7765,4低压压油管160.75260.83.5132,2.5低压回油管160.72410.20.550,33.4.5 油箱的有效面积的确定油箱容量的经验公式:V=aq (3-17)式中: a与系统有关的经验系数,(由文献液压系统设计图集表2.4-3)高压系统取a=10 q液压泵每分钟排出压力油的容积,=364+171=535L/min则: V=10512=5350L选标准值: V=6300L。3.5 液压系统性能验算3.5.1 验算回路中的压力损失3.5.1.1 横移缸回路的压力损失 管路系统上的压力损失由管路的沿程损失、管件局部损失和控制阀的压力损三部分组成: (3-18)1).沿程压力损失由于液体在同一管路中,液体的平均流速越大,它的沿程压力损失就越大,因此,我门所需考虑的是横移缸流量最大时即快速退回时进油路的压力损失。此管长L=12,管内径d=0.03m,快速退回时,通过流量Q=160.7L/min=2.68。选用L-HM46号矿物油型液压油,正常运转后油的运动黏度取,油的密度为。油液在管路中的实际流速为: (3-19)雷诺数 (3-20)圆形光滑管道,其临界雷诺数液流为紊流。沿程压力损失: (3-21)式中: 沿程阻力系数, L管道长度,L=12m d管道内径,d=0.03m v液体流速,v=3.79m/s 液体的密度,=850则:2).局部压力损失 (3-22)式中:局部阻力系数,=1.12;液体流速,=3.79m/s;液体密度,=850则:3)控制阀的压力损失 (3-23)式中: 阀的额定压力损失,MPa Q通过阀的实际流量,L/min阀的额定流量,L/min根据液压原理图,横移缸快退时,压力油从叶片泵出口到横移缸的进油路上,依次经过单向阀,其额定压力损失为0.2MPa,电液换向阀,其额定压力损失为0.3MPa;和单向阀,其额定压力损失为0.21MPa。则: 4).进油路上的压力总损失经验算,实际压力损失比估计的压力损失小一些,符合要求。3.5.1.2 抬升缸回路的压力损失管路系统上的压力损失由管路的沿程损失、管件局部损失和控制阀的压力损三部分组成:1)沿程压力损失由于液体在同一管路中,液体的平均流速越大,它的沿程压力损失就越大,因此,我门所需考虑的是横移缸流量最大时即快速退回时进油路的压力损失。此管长L=12,管内径d=0.025m,快速退回时,通过流量Q=4.41L/min=0.07。选用L-HM46号矿物油型液压油,正常运转后油的运动黏度取,油的密度为。油液在管路中的实际流速为: 雷诺数 圆形光滑管道,其临界雷诺数液流为层流。沿程压力损失: 式中: 沿程阻力系数, L管道长度,L=12m d管道内径,d=0.025m v液体流速,v=1.06m/s 液体的密度,=850则:2)局部压力损失 式中:局部阻力系数,=1.12;液体流速,=0.14m/s;液体密度,=850则:3)控制阀的压力损失式中: 阀的额定压力损失,MPa Q通过阀的实际流量,L/min阀的额定流量,L/min根据液压原理图,横移缸快退时,压力油从叶片泵出口到横移缸的进油路上,依次经过液控单向阀,其额定压力损失为0.2MPa,电液换向阀,其额定压力损失为0.3Mpa。则:4)进油路上的压力总损失 经验算,实际压力损失比估计的压力损失小一些,叶片泵的工作压力满足。因横移缸和抬升缸共用叶片泵,故其总压力损失为:则定量泵各阶段出口压力分别为:横移小车启动时: 剪切前: 剪切后: 3.5.1.3.剪切缸回路的压力损失管路系统上的压力损失由管路的沿程损失、管件局部损失和控制阀的压力损三部分组成:1)沿程压力损失由于液体在同一管路中,液体的平均流速越大,它的沿程压力损失就越大,因此,我门所需考虑的是横移缸流量最大时即剪切工进时进油路的压力损失。此管长L=12,管内径d=0.040m,快速退回时,通过流量Q=268L/min=4.47。选用L-HM46号矿物油型液压油,正常运转后油的运动黏度取,油的密度为。油液在管路中的实际流速为:雷诺数 圆形光滑管道,其雷诺数液流为层流。沿程压力损失: 式中: 沿程阻力系数, L管道长度,L=12m d管道内径,d=0.040m v液体流速,v=3.56m/s 液体的密度,=850则:2)局部压力损失式中:局部阻力系数,=1.12;液体流速,=3.56m/s;液体密度,=850则:3)控制阀的压力损失式中: 阀的额定压力损失,MPa Q通过阀的实际流量,L/min阀的额定流量,L/min根据液压原理图,横移缸工进时,压力油从叶片泵出口到横移缸的进油路上,依次经过单向调速阀,其额定压力损失为0.2MPa,电液换向阀,其额定压力损失为0.3MPa。则:4)进油路上的压力总损失 由以上计算结果,得小车=启动、右移、左移时,叶片泵的出口压力分别为: 经验算,实际压力损失比估计的压力损失小,柱塞泵的工作压力满足使用要求。3.5.2 验算液压系统发热温升3.5.2.1 系统的发热功率液压系统工作时,除执行元件驱动外载荷输出有效功率外,其余功率损失全部转化为热量,使油温升高。由于系统较复杂,故用下式计算发热功率: (3-24)式中:工作循环输入主系统的平均功率,执行元件的平均有效功率,对于本系统来说,P是整个工作循环中柱塞泵、叶片泵的平均输入功率: (3-25)式中: 一个工作循环所用的总时间;,分别为第i台泵的实际输出压力、流量、效率;第i台泵的工作时间。具体的,值见表3-12。表3-12 各工况两泵输入功率工况额定流量(L/min)出口压力(MPa)总输入功率(KW)时间(s)变量泵定量泵变量泵定量泵变量泵定量泵小车启动364171-3.524-很短上刀下降小车右移364171-3.914-4.085锁紧上刀下刀上升36417120.413.914124.84.0819各缸快退+1711.3611.78411.97.06柱塞泵工作正常时,=0.85,卸荷时=0.3;叶片泵工作正常时,=0.75则:系统总输出功率为: (3-26)式中: 个工作循环所用的总时间,s 液压缸外负载,N; 液压缸的行程,m。由前面计算结果及给定参数可知:表3-13 液压缸的负载与行程表工况液压缸外负载F(N)行程(mm)上刀下降3265450小车启动33786小车右移62080800下刀上升5350000300下刀下降4100300上刀上升3265450小车左移2424800则:总的发热功率为: =102.0-55.4=46.6KW3.5.2.2.计算散热功率 前面初步求得油箱的有效容积为6300L即6.3。 根据机械设计手册第四卷,表17-8-158中的油箱散热面积近似公式得: (3-27)油箱散热功率为: (3-28)式中: K油箱的散热系数,取 A油箱散热面积,A=22.7油箱与环境温度之差,取=50则:因此,油箱的散热能力远远不能满足系统的散热要求,而管路的散热能力又很小,所以,需要另外设置冷却器。3.5.2.3. 冷却器所需冷却面积的计算及选型冷却面积为: (3-29)式中: K冷却器的散热系数,取平均温升, 液压油的进口温度,=60 液压油的出口温度,=50 冷却水进口温度,=25 冷却水出口温度,=30则: 考虑靠冷却器在使用过程中散热面上回有沉积和附着物,会影响散热效果,因此,实际选用的散热面积应该比计算的要大30%,即: A=1.33.4=4.42按此面积选用2LQFW-A5.3F型多管式冷却器,其散热面积为5.3,配管时,系统中各执行元件的回油和各溢流阀的溢出油都要通过冷却器回到油箱,比例方向阀的排出油不经过冷却器直接进入油箱,以免背压影响比例方向阀的调速精度。第四章 液压缸的设计计算在上一章液压系统的设计中,已对液压缸的主要结构尺寸作了计算,本章继续对液压缸的其余主要尺寸及结构进行设计计算。液压缸是液压传动的执行元件,它和主机工作机构有直接的联系,对于不同的机种和机构,液压缸具有不同的用途和工作要求。因此,在设计液压缸之前,必须对整个液压系统进行工况分析,编制工况图,选定系统的工作压力(详见第三章),然后根据使用要求进行结构设计。本章只对抬升缸做上述设计计算。4.1计算液压缸的结构尺寸液压缸的结构尺寸主要有三个:缸筒内径D、活塞杆外径d和缸筒长度L。在上一章中已经作过缸筒内径D及活塞杆外径的计算,此处从略。缸筒内径D32活塞杆外径d20(详见第三章)4.1.1缸筒长度L缸筒长度由最大工作行程长度加上各种结构需要来确定,即: L=l+B+A+M+C (4-1)式中: l活塞的最大工作行程;l=450B活塞宽度,一般为(0.6-1)D;取B=132=32A活塞杆导向长度,取(0.6-1.5)D;取A=132=32M活塞杆密封长度,由密封方式定;C其他长度,取C=30故缸筒长度为:L=32+30+450+32+13=5554.1.2.最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时,从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度H(如图4-1所示)。如果导向长度过小,将使液压缸的初始挠度(间隙引起的挠度)增大,影响液压缸的稳定性,因此设计时必须保证有一最小导向长度。图4-1 油缸的导向长度对于一般的液压缸,其最小导向长度应满足下式:HL/20+D/2 (4-2)式中: L液压缸最大工作行程(m);L=0.45mD缸筒内径(m),D=0.08m。故最小导向长度H38.54.2 液压缸主要零部件设计4.2.1 缸筒4.2.1.1 缸筒结构缸筒与缸头的连接用螺纹连接,其特点是:径向尺寸小,质量小,使用广泛。安装时应防止密封圈扭转。图4-2 缸筒的外螺纹连接4.2.1.2 缸筒材料一般要求有足够的强度和冲击韧性,对焊接的缸筒还要求有良好的焊接性能。故选用30钢的无缝钢管。4.2.1.3 对缸筒的要求1)有足够的强度,能长期承受最高工作压力和短期动态试验压力而不致产生永久变形;2)有足够的刚度,能承受活塞的侧向力和安装的反作用力而不致弯曲;3)内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下,能长期工作而摩擦少,尺寸公差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性;4)需要焊接的缸筒还要求有良好的可焊性,以便再焊上法兰或管接头后不至于产生裂纹或过大的变形。 总之,缸筒是液压缸的主要零件,它与缸盖,缸底,油口等零件构成密封的容腔,用以容纳压力油液,同时它还是活塞运动的“轨道”。设计液压缸缸筒时,应该正确确定各部分尺寸,保证液压缸有足够的输出力,运动速度和有效行程。同时必须具有一定的强度,能足以承受液压力,负载力和意外的冲击力,缸筒的内表面应具有合适的配合公差等级,以保证液压缸的密封性,运动平稳性和耐用性。4.2.1.4 缸筒计算1)缸筒外径按机械设计手册第四卷P212 表19-6-12 缸筒厚度计算公式= 0 + C1 + C2 () (4-3)式中: 0 为缸筒材料强度要求的最小值();C1 缸筒外径公差余量();C2 腐蚀余量();经分析/D 0.08,可用薄壁缸筒的实用计算式: PmaxD/(2) (m) (4-4)式中:Pmax 缸筒内最大工作压力(Mpa);Pmax=1.06Mpa 缸筒材料的许用应力(Mpa); = b/nb 缸筒材料的抗拉强度(Mpa);b=500 Mpan 安全系数,通常取n = 5计算得:= 0.00424 (m)缸筒的外径为 D1 =D2=42(mm)按机械设计手册第四卷P214 表19-6-13活塞缸外径尺寸系列取D1 =50(mm)2)缸筒壁厚度验算对最终采用的缸筒厚度主要应做两方面的验算:、额定工作压力Pn 应低于一定的极限值,以保证工作安全:Pn 0.35s (D1 D0)/D1 (MPa) (4-5) = 0.35300(0.042 0.032)/0.042 = 44 MPas 为缸筒材料的屈服强度(MPa),s=290 MPa由于7MPa 44MPa所以上述参数选择合理、额定工作压力也应与完全塑性变形有一定的比例范围,以免塑性变形的发生: Pn (0.35 0.42)PPL (MPa) (4-6) PPL 缸筒发生完全塑性变形的压力=18%。 PPL = 2.3slog D1/ D0 = 81.5 MPa Pn (0.35 0.42)81.5 = (28.53 34.08) MPa由于7MPa (28.53 34.08) MPa,所以选择参数合理。4.2.2 活塞经以上计算活塞杆直径d=20,缸筒内径D=32。故活塞与活塞杆加工为一体,材料为45钢。在外径套尼龙6的活塞套以增强耐磨性。其结构设计如下: 图4.3 活塞的密封密封方式采用Yx形密封圈,使用压力可达32 Mpa,密封性能较好。杆外端,由于工作时轴线固定不动,故采用小螺柱头。 图4.4 小螺柱头4.2.3 活塞杆的导向套和密封活塞杆导向套装载液压缸的有杆侧端盖内,用以对活塞杆进行导向,内装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封,外侧装有防尘圈,以防止活塞杆在后退时把杂质,灰尘及水分带到密封装置处,损坏密封装置。导向套的结构型式,有轴套式和端盖式两种。此处采用轴套式。图4.5 导向套结构其优点是导向套一般安装在密封圈与缸筒油腔之间,以利用缸内的压力油对导向套进行润滑。4.2.4 缓冲装置液压缸一般都设置缓冲装置,特别是对大型、高速或要求高的液压缸,为了防止活塞在行程终点时和缸盖相互撞击,引起噪声、冲击,则必须设置缓冲装置。缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时封住活塞和缸盖之间的部分油液,强迫它从小孔或细缝中挤出,以产生很大的阻力,使工作部件受到制动,逐渐减慢运动速度,达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。图4.6 缓冲原理如图4.6为恒节流面积缓冲装置。当缓冲柱塞进入与其相配的缸盖上的内孔时,孔中的液压油只能通过间隙排出,使活塞速度降低。由于配合间隙不变,故随着活塞运动速度的降低,起缓冲作用。4.2.5 放气装置液压缸在安装过程中或长时间停放重新工作时,液压缸里和管道系统中会渗入空气,为了防止执行元件出现爬行,噪声和发热等不正常现象,需把缸中和系统中的空气排出。对于要求不高的液压缸往往不设专门的排气装置,而是将油口置于缸体两端的最高处,如图4-7,这样也就能利用液流将空气带到油箱而排出,但对于稳定性要求较高的液压缸,常常在液压缸的最高处设专门的排气装置如排气阀、排气塞等。图4-7(a)(b)所示为排气塞结构图。松开螺钉即可排气,将气排完后拧紧螺钉液压缸便可正常工作了。图4.7 放气装置4.2.6 油口油口包括油口孔和油口连接螺纹。油缸的进,出油口均可布置在端盖或缸筒上,此处布置在缸筒上。由机械设计手册(第四卷)P19-230表19-6-29选取M272油口。第五章 阀板的设计4.1 阀板连接概述液压阀是用来控制液压系统中油液的流动方向或调节其压力和流量的。液压阀按连接方式有管式,板式和法兰连接三种形式。管式阀通过阀体上的螺纹孔直接与管接头、管路相连;而法兰连接主要用于大型阀,像我们设计的剪切回路中所用的阀大多数用法兰连接,因此比较简单。但是,用这两种连接方式的各个阀只能分散布置,并且由于与管路直接相连,使装卸更不方便,目前已较少采用。现在采用较广泛的是将阀板式元件用油路板或集成块进行连接的方式。这两种连接方式通道间均不用管子,液压阀板是板式元件安装板。各个液压元件之间的连接管道全部由阀板内部钻孔构成,代替了管子连接。阀板背后(或侧面)引出通向液压泵、油箱以及连接各执行元件的通道,在孔口有螺纹,安装管接头,用以接管。采用板式连接的优点是结构紧凑,整齐,有利于集中控制,拆装方便,外形整齐美观。由于阀件管路长度缩短,故还能提高动作的速度。唯一的缺点是阀板钻孔困难,泄露不易检查。4.2 阀板的设计4.2.1 确定阀板的数量在设计板式元件较多的液压系统时,为了避免钻深孔,可将整个液压系统的分支回路分解成几部分。然后按所分成的几部分系统回路分别设计阀板,将各阀板都固定在一个框架上,再在各个阀板之间用油管连接起来,即可组成整个液压系统的阀板。在本设计方案中只有横移缸和抬升缸所在的液压回路中的阀需要进行阀板设计。根据经验可知,各部分进行阀板设计的液压元件不能超过35个,液压元件过多,则阀板结构复杂,不利于加工,装配。因此,本设计选择横移缸回路进行设计,包括一个液控换向阀和一个比例调速阀。4.2.2 液压元件位置的布置1.要尽量缩小阀板正面尺寸,可以采取如下措施:1)液压元件非安装面可以伸出阀板之外,如电磁阀的电磁铁等;2)液压元件之间的距离不宜过大,一般取b=510;3)为了便于控制调节,应将压力阀和流量阀布置在正面;4)应尽量减少钻孔数量和钻孔深度;5)应使电磁换向阀的阀芯沿水平布置。2.尽可能将
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