轧机钢板厚度自动控制的液压系统设计

I摘 要本设计是冷连轧机上使用的钢板厚度自动控制系统。主要作用是对连扎机的压下量进行精确微小的调整，用来消除轧件和工艺方面的因素影响轧制力而造成的厚度偏差。对于轧制钢板的厚度精度进行控制调整，确保成品钢板的精度控制在规定的范围内。液压 AGC 是厚度自动控制的简称，液压 AGC 采用了液压执行元件（压下缸）的 AGC，国内成为液压压下系统。AGC 是现在板带轧机的关键系统，其功能是不管板带偏差的各种扰动因素如何变化，都能自动调节压下缸的位置，即轧机的工作辊间隙，从而是出口板厚恒定，保证产品的目标厚度、同板差、异板差达到性能指标要求。本设计是从研究冷连扎机的执行部件入手，借鉴原系统图的设计方案，针对实际情况，综合理论知识和实践经验，绘制了连扎液压厚度自动控制部分原理图。系统图完成后，本人对伺服系统进行了设计计算，选择元件和管路计算。最后完成机架部分的阀台和油箱泵站的有关设计。本文从研究当前液压系统的国内现状和发展趋势入手，以节能减排，创新，绿色，可持续发展为起点，提出解决方案。相信AGC 技术将向着高频化、高响应、高稳定性和高精度方向发展。高性能的伺服阀，比例伺服阀和高精度测量装置也将出现，这将会给液压技术带来新一轮的革命。II目 录内容提要 .I1 绪论 .11.1 概述 .12 系统原理设计 .32.1 系统原理 .32.2 伺服控制系统的原理及其组成 .32.3 伺服系统的设计步骤 .43 液压系统的计算及元件的选择 .53.1 液压缸基本参数的确定与计算 .53.2 伺服阀的选择 .73.3 泵与电机的选择 .83.4 联轴器的选择 .103.5 液压阀的选择 .103.6 液压辅件的计算与选择 .134 阀的设计 .214.1 液压泵站主泵阀块设计 .214.2 机架阀块设计 .215 油箱与泵站的设计 .225.1 油箱的设计 .225.2 泵站的设计 .25结 论 .29参考文 献 .30致 谢 .3111 绪论1.1 概述1.1.1 课题国内背景：钢板的冷轧机作为一种生产工艺经过了多种演变，它由单机架非可逆单张轧制，发展到成卷可逆轧制，冷轧机由单击架逐步发展成三机架、四机架、五机架乃至六机架的连扎机，最后出现了全连续轧机。冷轧机使用二辊、三辊、四辊、多辊等各种辊系组成的轧机，其中以四辊轧机应用最为广泛。近年来，冷轧带板生产有了很大的发展，工业生产对冷轧薄板的需求量越来越大，对成品质量的要求也越来越高。厚度偏差是冷轧板带最重要的尺寸精度指标之一。影响板带厚度精度的主要因素有：来料本身的性能的变化所引起的厚度波动；轧制工艺条件的影响；张力的影响；轧制速度的影响等。常用的厚度控制方法有调整压下、调整张力和调整轧制速度。调整厚度是厚度控制的最主要方法，常用于消除由于影响轧制力的因素造成的厚差。1.1.2 课题功能：液压压下系统是控制大型复杂、负载力大、扰动因素多、扰动关系复杂、控制精度和响应速度要求很高的设备。采用高精度仪表并由大中型工业控制计算机系统控制的电液伺服系统。AGC3是厚度自动控制的简称，液压 AGC 采用了液压执行元件（压下缸）的AGC，国内成为液压压下系统。AGC 是现在板带轧机的关键系统，其功能是不管板带偏差的各种扰动因素如何变化，都能自动调节压下缸的位置，即轧机的工作辊间隙，从而是出口板厚恒定，保证产品的目标厚度、同板差、异板差达到性能指标要求。1.1.3 发展趋势：液压技术是实现现代化传动与控制的关键技术之一，世界各国对液压工业的发展都给予很大重视。世界液压元件的总销售额为 350 亿美元。据统计，世界各主要国家液压工业销售额占机械工业产值的 2%3.5%4，而我国只占 1%左右，这充分说明我国液压技术使用率较低。由于液压技术广泛应用了高科技成果，如：自控技术、计算机技术、微电子技术、可靠性及新工艺新材料等，使传统技术有了新的发展，也使产品的质量、水平有一定的提高。尽管如此，走向 21 世纪的液压技术不可能有惊人的技术突破，应当2主要靠现有技术的改进和扩展，不断扩大其应用领域以满足未来的要求。其主要的发展趋势将集中在以下几个方面：1减少损耗，充分利用能量液压技术在将机械能转换成压力能及反转换过程中，总存在能量损耗。为减少能量的损失，必须解决下面几个问题：减少元件和系统的内部压力损失，以减少功率损失；减少或消除系统的节流损失，尽量减少非安全需要的溢流量；采用静压技术和新型密封材料，减少摩擦损失；改善液压系统性能，采用负荷传感系统、二次调节系统和采用蓄能器回路。2 泄漏控制泄漏控制包括：防止液体泄漏到外部造成环境污染和外部环境对系统的侵害两个方面。今后，将发展无泄漏元件和系统，如发展集成化和复合化的元件和系统，实现无管连接，研制新型密封和无泄漏管接头，电机油泵组合装置等。无泄漏将是世界液压界今后努力的重要方向之一。3新材料、新工艺的应用新型材料的使用，如陶瓷、聚合物或涂敷料，可使液压的发展引起新的飞跃。为了保护环境，研究采用生物降解迅速的压力流体，如采用菜油基和合成脂基或者水及海水等介质替代矿物液压油。铸造工艺的发展，将促进液压元件性能的提高，如铸造流道在阀体和集成块中的广泛使用，可优化元件内部流动，减少压力损失和降低噪声，实现元件小型化。4 国外研究液压的最新方向是液压轴，所谓液压轴就是油缸上集成了伺服阀、传感器、伺服放大器、控制器等等，然后用总线将众多的油缸连接起来，实现协调控制，这样就没有了液压阀站，只有能源站，可以大大减少设计工作量，大大提高液压的自动化水平，这就是目前国际上研究发展的潮流。而中国已经研究成功的数字液压缸已经达到和超越了目前国外希望实现的目标，已经实现了液压轴的目的，并且是数字化的，已经在一系列领域应用成功，表现了极高的性价比。综上所述，液压各方面技术的提高会使液压伺服阀系统应用更为广泛，液压AGC 技术会更完善。AGC 技术将向着高频化、高响应、高稳定性和高精度方向发展。高性能的伺服阀，比例伺服阀和高精度测量装置也将出现，这将会给液压技术带来新一轮的革命。31.1.4 存在问题：现有的液压伺服和液压比例技术在与计算机结合上不是十分方便。另外，伺服系统的高频振动和伺服阀的零漂、死区的影响，会使控制精度降低，从而使板材的质量也受到不良影响。具体有以下几个方面：液压元件：特别是精密的液压控制元件（如电液伺服阀）抗污染能力差，对工作油液清洁度要求高。污染的油液会使阀磨损而降低其性能，甚至被堵塞而不能正常工作。这是液压伺服系统发生故障的主要原因。油液的体积弹性模量随油温和混入油中的空气含量而变化。油液的粘度也随油温的变化而变化，因此油温变化时对系统的性能有很大的影响。当液压元件的密封设计、制造和使用不当时，容易引起外漏，造成环境污染。液压伺服元件制造精度要求高，成本高。液压能源的获得和远距离传输都不如电气系统方便。2 系统原理设计2.1 系统原理由于液压伺服控制系统具有许多的优点，如执行元件快速行好，抗负载刚度大等，而这些正是现代带材轧机所需要的，同时，为了提高精度采用闭环控制。用测厚仪测得板材实际厚度与给定厚度比较，将偏差以电压的形式通过伺服阀达到控制液压缸的动作，调整轧机的轧辊辊缝，从而控制板材的厚度。2.2 伺服控制系统的原理及其组成伺服系统也叫随动系统，是控制系统的一种。在这中系统中，输出量能够自动、快速、准确的复现输入量的变化规律。与此同时还起到信号的功率放大作用，因此也是个功率放大装置。由液压拖动装置作动力源构成的伺服系统叫做液压伺服系统。液压伺服系统的原理是液压流体动力的反馈装置，即利用反馈装置连接得到偏差信号，再利用反馈去控制液压能源输入到系统中的能量，使系统向着减少偏差的方向变化，从此使系统的实际输出与期望值相等。液压伺服系统是一个控制能源输出的装置，在其中输入量与输出量之间自动而连续的保持一定的符合一致的关系，并且利用两个量之间的差来控制能源的输出。4实际的液压伺服系统无论多复杂，都是一些基本元件所组成的。图 2.1 液压伺服系统基本组成液压伺服系统由四个基本组成部分：偏差检测仪、转换放大、放大机构和控制对象。2.3 伺服系统的设计步骤2.3.1 进行负载匹配所谓负载匹配：是指伺服系统的驱动特性与负载特性的相互联系的安排，伺服系统的驱动特性为所表达抛物线6 （2.1）1NLSQfvAP式中 A活塞的有效面积（ ）2mf缸的总推力（N）v运动速度 m/s供油压力 (Pa)SP伺服阀无载流量（ ）NLQ3伺服系统的负载特性为所表达的椭圆7 （2.2）2kfmvb式中 b阻尼系数(N/m)5f所需的推力（N）k负载弹簧刚度（N/m）m移动质量（kg）v运动速度（m/s）振幅（m）原频率（rad/s）进行负载匹配时，要把两条曲线画在同一个 f-v 或 P-Q 平面上，并令驱动特性包围负载特性。进行负载匹配的目的是要确定液压泵站、液压缸、电液伺服阀等部分基本参数。2.3.2 选定电液伺服阀和伺服放大器选择电液伺服阀时考虑以下因素：供油压力:所选伺服阀的供油压力不得低于系统的供油压力；额定流量：选择伺服阀时要使阀的额定流量留有一定的余量；固有频率:伺服阀的 90 度相位频率宽至少应为系统频率的三倍；设计液压泵站分析系统动态性能系统调试3 液压系统的计算及元件的选择3.1 液压缸基本参数的确定与计算3.1.1 控制模式分析由于压下力很大，且精度和稳定性要求很高。因此，APC 系统一般采用三通阀不对称控制模式，既用四通伺服阀当三通阀用，压下缸活塞腔受控，活塞杆腔恒定低压。低压（0.5MPa-1MPa）的作用是轧制时防止活塞杆腔空吸并吸入灰尘；换辊时使活塞杆腔的压力为 36MPa 用于快速提升压下缸。压下缸的位置在上支撑辊轴承座与压下螺丝（或牌坊顶面）之间时，压下缸倒置。即活塞杆不动，缸体动。这样的好处是使接触面积变大且稳定性好，但在快抬时压力增大。63.1.2 压下缸参数的确定系统供油压力 Ps:因压下力很大，为避免压下缸尺寸、伺服阀流量和供油系统的参数与尺寸的过大，拟取经济压力。考虑到液压元件及伺服阀的额定压力系列，并考虑到可靠性和维护水平：取 Ps28MPa。负载压力 :由于压力很大这里不可能按常规即最大功率传输条件取lP=2/3Ps；但它也不能过大，应保证伺服阀上有足够的压降，以确保伺服阀的控制lP能力。 18.67MPa 18Mpa （3.1）l23s压下缸行程 S：压下缸行程可根据来料最的厚度、压下率、成品最小厚度及辊隙状态的过钢要求等加以确定，取 S=75mm。压下缸背压 Pr:压下控制状态，取 Pr=1MPa。活塞直径 D 和活塞杆直径 d 的确定:压下力： 15 （3.2）rPclFA活塞腔工作面积活塞杆腔工作面积r令面积比： （3.3）cA得: 12 （3.4）(Pr/)Fl由 F=6000KN, =18MPa, =1MPa, 并取 4lr得： 281.6936650184Ac3102m则 59.903/89.7D2圆整 D, 取 D=700m则 d=D-100=600由以上各式可得到：（3.5）2324213.14(70)8.5104AcDm7（3.6）2324213.14(60)86104Ard m3.2 伺服阀的选择3.2.1 伺服阀的简介电液伺服阀是电液伺服系统的关键元件，它既是系统中电气控制部与液压执行元件之间的接口，又是实现用小信号控制大功率的放大元件。它具有控制精度高、响应速度快、体积小、以及能够适应连续信号控制和脉冲信号控制等优点。电液伺服阀的特点直接影响整个系统的特性，应得到设计者的高度重视。电液伺服阀又是各类液压元件中最精密、最贵重、最娇气的元件，对系统的实施与运行，特别是对油液的污染的控制，提出极严格的要求。电液伺服阀的作用是微弱的电气信号取控制功率较大的液压输出（压力和流量） 。其主要参数有供油压力、额定流量和额定电流。一般可以把电液伺服阀看成振荡环节，它的频带宽度和阻尼比影响系统的动态特性。3.2.2 伺服阀参数的确定负载流量由关键工作点的负载速度 及负载力 确定伺服阀的负载流量 和lVLFLq负载压力 ：lP（3.7）341086.5109.2/minLlCqVA取 21MPal伺服阀的输出流量 ： 应根据所需的负载流量 留出 15的余量进行估算vqLq选定。需要快速应好的情况需要留出 30左右的余量。即：=(1.15-1.30) （3.8）vqL取 (1.15-1.30) （79.8-90.0）L/minvLq由 和 计算在供油压力为 时的伺服阀空载流量：Lqv Ps= （3.9）lsvp0 218v=（159.6-180.0）L/min将 换算成伺服阀样本上规定的额定供油压力 下的空载额定流量 ：oq nPnq2 取 21MPannsPn则 (138.2-155.9)/minnq8选定伺服阀的规格：查样本选伺服阀时，应满足两个条件:系统的供油压力在伺服阀样本规定的“供油压力范围内” ；伺服阀的额定流量应在计算所得 中选取，过大伺服阀会导致系统精度及性能nq的下降，阀的价格也高。根据这两个条件，从样本上选取力士乐公司系列机械和电反馈二级伺服阀，型号：4WSE2ED16-2X150B8ET315K8EV基本参数： 额定流量： （ =7MPa）150L/minvnqP回油压力：峰值压力 M181.5）,箱底倾斜坡度通常为 1/25-1/20。本次设计油箱支架采用槽钢焊接结构，离地面 160mm,长度方向焊接 5 根，以提高承重能力。冷却器和加热器加热器最好放在回油侧，单个加热器的功率不宜过大，以免温度过高使油液变质，必要时可以同时装几个小功率的加热器（把加热器设在流速快的管路比油箱要好） 。本系统在回油区和吸油区都放置一个小功率的加热器。冷却器应放在总回油管路上，且把过滤器安在回油管路的上游。油箱的表面处理涂漆取决于油压的种类。涂漆之前一般为磷化处理或喷丸。石油石油基油液时图 40m 以上的环氧底漆；长期存放或出口时，除了涂 30m 的底漆还有 30m 的环氧面漆。使用乳化液时或水乙二醇时油箱不涂漆，喷丸后涂防锈油，预处理后渡锌。5.2 泵站的设计5.2.1 概述液压泵站由泵组、油箱组件、滤油器组件、控温组件及蓄能器组件等组合而成。它是液压系统的动力源。可按机械设备工况需要的压力、流量和清洁度提供工作介质。目前液压泵站产品尚无标准制造。一些研究单位和专业厂开发了 BJHD 系列，AB-C 系列、VZ 系列和 VP 系列产品，还有适用于中低压系统的 YZ 系列及 EZ 系列等产品均供使用者选用。规模小的单机型液压泵站通常将液压控制阀安装在油箱顶板上或集成在油路块上，再安装在油箱上。中等规模的机组型液压泵站则将控制阀组装于一个或几个阀台上。阀台被设置在被控设备附近。大规模的中央型液压泵站往往设置在地下室内，可以对组成的个液压系统进行集中管理。本次设计属于中等规模的液压泵站，但由于泵站的组件多、管路复杂，不能选择标准的泵站。需要自行设计，来满足本系统的需要。 （设计如图）5.2.2 电机与液压泵的连接方式电动机与泵的连接方式分为法兰式、支架式和支架法兰式。26法兰式：液压泵安装在法兰上，法兰再与法兰的电动机连接，电动机与液压泵依靠法兰盘上的止口来保证同轴度。这种结构拆装方便。支架式：液压泵直接装在支架的止口里，然后依靠支架的底面与底板相连，再与带底座的电动机相连。这种结构对于保证同轴度比较困难。为了防止安装误差产生的震动，常用带有弹性的联轴器。法兰支架式：电动机和泵先以法兰联结，法兰再与支架联结，最后支架再安装在底板上。它的优点是大底板不用加工，安装方便，电动机与液压泵的同轴度靠法兰盘上的止口来保证。为避免安装时产生同轴度误差带来不良影响，常用带弹性的联轴器的联结刚性，避免产生震动，可以把液压泵和电动机装在刚性较好的底板上成为一体。本系统中电动机和泵的连接采用第一种法兰式。这种形式简单方便，还能保证较好的同轴度。主泵和辅泵的电机都安装在地基上，前置泵安装在油箱顶板的焊接底板上。5.2.3 管道及其连接概述管路在液压系统中主要用来把各种元件及装置连接起来传输能量。对管路的基本要求是有足够的强度，能承受系统的最高冲击压力和工作压力。管路与各元件及装置的各连接处要密封可靠，不泄漏，绝不能松动。管路在安装前必须清洗干净，管内不允许有锈蚀、杂质、粉尘、水及其它液体或胶质等污染物。管路安装固定坚实、布置合理、排列整齐。方便维修和更换元件。用于液压系统中的管路，主要有金属硬管和耐压软管。 金属管：a. 液压用钢管：有精密无缝钢管（GB/T14796）和输送流体用的无缝钢管或不锈钢无缝钢管（GB/T14796） 。卡套式接头须采用精密无缝钢管，焊接式管接头一般采用普通无缝钢管。材料为 10或 20钢，中高压或大通经（DN80）采用 20钢。这些钢管均要求在退火状态下使用。b. 铜管：有紫铜管和黄铜管。紫铜管用于压力较低（P6.5MPa-10MPa）的管路，装配时可按需要弯曲，但抗震能力较差，且容易使油液氧化、价格昂贵；黄铜管可以承受较大的工作压力（25MPa）但不如紫铜管容易弯曲。 软管：软管用于连接两个相对运动部件之间的管路。分高、低压两27种。高压软管是以钢丝编织或钢丝缠绕为骨架的橡胶软管，用与压力管路；低压软管是以麻线或棉线编织成骨架的橡胶软管，用于较低的回路或气动回路。本系统中管路采用冷轧普通精度无缝钢管，焊接式管接头。为防止高压油被铁锈污染，整个系统的管路和油箱用不锈钢制造。在泵站中由于泵与电动机正常工作时有震动产生，为防止油液将这种震动传送到系统或油箱，从而影响系统的正常工作，在泵的出油口加高压软管以消除以及在电机下加减震器。管道的计算系统压力高，因此管路与管接头应有足够的强度、良好的密封性能、压力损失小、拆装方便。管道内径一般按下式计算：3 （5.1）vqD61.4D管道内径（mm）q 管道内最大流量 (L/min)v管道内推荐允许的流速(m/s)推荐允许的速度：压力管路 v2.56 m/s吸油管路 v0.52 m/s回油管路 v1.53 m/s泄油管路 v1 m/s一般情况取 1m/s 以下，压力高、管路短取大值；压力低。管路长时取小值；油液粘度大时取小值。由此可知 吸油管路：a.主泵吸油 =57mm，取 =65mm 则smLvqd/2in3061.4. NDD=75mmb.辅泵吸油 =57mm，取 =65mm 则sv/i. N28D=75mm压油管路：a.主泵压油 =36mm,取 =40mm 则 D=50mmsmLd/5in3061.4NDb.辅泵压油 =36mm,取 =40mm 则 D=50mm/i.阀前压油和缸前压油：25mm，取 =32mm 则 D=42mmsmLd/5in106.4ND 回油管路：取 =40mm D=50mm ND管接头液压系统中，金属管之间、金属管与元件之间的连接，可采用焊接连接、法兰和管接头连接。直接焊接，拆卸不方便，质量不容易检查；法兰连接工作可靠，拆卸方便，但尺寸较大，适用于大通经的管道。因此一般多采用管接头连接。管接头包括焊接管接头、卡套式和快换接头。焊接式管接头的特点：简单、方便、耐高压、密封性能好。本次设计的泵站中主要采用焊接式管接头，因为泵站各部分元件拆卸的情况较少，因此避免使用价格昂贵的卡套式接头。缺点是：焊接量大，要求焊缝质量高。管夹管道用管夹固定好，以防止管道震动。有三种：一是高压管夹，用于中高压管道的固定；其中闫木块为增加阻尼，防止震动；另一种是普通管夹，根据管子的数量分为单管夹、双管夹、多管夹；第三种是用木块托住钢管，用螺栓固定，多用于中低压管路中。友可以分为钢管夹和塑料管夹。29图 5.2 泵图29结 论这次综合性的设计，把我们四年的所学全盘托出，涉及到了各方各面的知识。机械设计、电气控制、尤其是专业方面的液压传动和液压控制设计的内容较多。设计的过程虽然有些忙碌有些辛苦，但我们获得了丰硕的成果，一切的付出都是值得的。本课题液压 AGC 系统，其说明书的编写终于完成。虽然不是很复杂，但通过这一设计实践，我感到自己在这方面仍存在许多不足之处。对于我的本次设计，我觉得设计计算部分非常认真。在各种机械设备上，液压系统得到了广泛的使用。液压传动系统是液压机械的一个组成部分，液压系统原理图的设计要同主机的结构相适宜。着手设计时，必须从实际情况出发，有机的结合各种传动形式，充分发挥液压传动的优点