3MN液压剪液压系统的设计.pdf

2 0 1 0年 1 0月 第 3 8卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAULI CS Oe t ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 0 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 0 ． 0 1 8 3 M N液压剪液压系统的设计 张建明 ，傅波 ，卫平 ，郑毅。 ，谢岩松 ，李明 1 ．四川大学制造科学与工程学院，四川成都 6 1 0 0 6 5 ；2 ．成都菜克冶金机械设备制造有限公司， 四川成都 6 1 0 0 4 1 ；3 ．江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏江阴 2 1 4 4 2 9 摘要 设计 3 MN液压剪液压系统。根据剪切工艺拟定液压系统的原理图，采用二通插装阀控制回路，并利用差动回 路和顺序阀来实现剪切速度的转换。对泵站进行设计计算，并验算系统的发热。使用三维设计软件 I n v e n t o r 设计集成块。 关键词液压剪；二通插装阀；差动回路 ；I n v e n t o r 中图分类号 T H1 3 7 ． 9 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 0 0 4 9 3 Hy dr a u l i c Sy s t e m De s i g n O f 3 M N Hy dr a u l i c S he a r Z HANG J i a n mi n g 。 ， F U B 0 ，WE I P i n g ，Z HENG Yi ，XI E Y a n s o n g ，L I Mi n g 1 ． C o l l e g e o f Ma n u f a c t u r i n g S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，S i c h u a n U n i v e r s i t y ， C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 6 5 ， C h i n a ； 2 ． Ch e n g d u L a i k e Me t a l l u r g i c a l Eq u i p me n t C o ． ，L t d ．，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 4 1 ，C h i n a ； 3 ． J i a n g y i n X i n g c h e n g S p e c i a l S t e e l C o ． ，L t d ． ， J i a n g y i n J i a n g s u 2 l 4 4 2 9 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e h y d r a u l i c s y s t e m o f 3 MN h y d r a u l i c s h e a r w a s d e s i g n e d ． T h e s c h e ma t i c d i a g r a m o f h y d r a u l i c s y s t e m w a s d r a wn a c c o r d i n g t o t h e c u t t i n g p r o c e s s ． T wo - w a y c a r t r i d g e v a l v e s wa s u s e d t o c o n t r o l t h e s y s t e m． Th e d i ff e r e n t i a l l o o p a n d s e q u e n c e v a l v e w e r e u s e d t o r e a l i z e t h e c u t t i n g s p e e d s wi t c h i n g ． Th e p u mp s t a t i o n wa s d e s i g n e d a n d c a l c u l a t e d ． T h e h e a t i n g o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m w a s c h e c k e d ． T h e ma n i f o l d b l o c k wa s d e s i gn e d u s i n g I n v e n t o r ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c s h e a r ； T w o wa y c a r t r i d g e v a l v e； D i f f e r e n t i a l l o o p； I n v e n t o r 连铸技术 由于具有简化冶金生产、缩短生产流 程、节约能耗和提高金属的回收率等优点，已经成为 各冶金钢铁厂的主流技术。钢坯 的定尺 寸切 割是整个 连铸系统的重要 环节。 目前 比较 常用 的钢坯切割方法 主要是火焰切割法和机械切割法 。火焰切割法运行费 用高，切割时需喷射铁粉 ，污染环境，因此需要专门 的除尘设备 ；同时切缝一般为 6～1 0 m m，造成了钢 坯 的极大浪费 ；在高拉速的情况下切割时间不足 ，生 产效率不高。与之相 比，液压剪由于具有剪切时间 短 、剪切时金属损失极少 、操作安 全可靠 、劳动强度 低 、工 作环境好 和生产成本低等优点 ⋯，在 国内外 的 许多钢铁厂得到了应用。作者主要对 3 MN液压剪的 液压系统进行 分析设计 。 1 设备组成和工作原理 1 ． 1 设 备组成 整个液压剪主要 由机械部分 、液压 系统和电气控 制系统组成 。机械部分由机架体 、机体拖人拖出装 置、剪刃装置等组成。剪体 4 5 。 斜向布置，这样即使 液压油泄漏 ，也不会掉在轧件上，保证设备安全。采 用 P L C电气控制 系统，可靠性高，编程使用方便 ， 通用性好，网络通讯功能强。液压系统采用二通插装 阀控制回路，主要由泵站 、 3大部分构成 。 1 ． 2工作 原理 剪切 钢坯 时 ，剪切 力 不是恒定 的 ，图 1显示 了 剪切力随 相对切 入深度 变 化的情况。当剪刃与钢坯 接触后 ，剪切 力 随切 入深 璧 ， 兰 图 剪 切 力 与 相 对 切 苎 阻 达到最 大 ，此时 钢坯开 始 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 装阀 1 1 进人剪切缸 的无杆腔 ，推动剪刃上升。当剪 收稿日期 2 0 0 9 0 9 1 6 作者简介张建明 1 9 8 3 一 ，男，硕士研究生，研究方向为机械电子工程。电话1 3 9 8 2 2 8 7 7 2 7 ，Em a i l j i a n b i n g m m g ma i l ． c o rn。 5 0 机床与液压 第 3 8卷 开 ，剪切缸有 杆腔 的 油经 插装 阀 l 2和 1 1回到无杆 腔，形成差动回路，实现快速剪切。当剪切力超过顺 序 阀 1 7的设定压力时 ，插装阀 1 3 打开 ，剪切缸有杆 腔 的油经插装 阀 1 3回油箱 ，此 时开始慢 速剪切 。当 剪切 力随着剪 切断 面 的缩 小而 减小 ，低 于顺序 阀 1 7 的设定压力时 ，插装 阀 1 3又关 闭 ，系统形成差 动 回 路 ，剪刃将钢坯快 速切下 。这种速度变化与钢坯 的剪 切力学特性相适应，使剪切过程平稳。当剪切完毕 后 ，电磁 阀 Y A 3通 电 ，Y A 2断 电，液 压油 经插 装 阀 l 2进入剪切 缸有 杆腔 ，无 杆腔液 压油通 过插装 阀 1 0 流回油箱 ，剪刃退 回初始位置 ，准备 下一步剪切 。为 了降低剪切过程中产生的冲击振动，采用了带阻力器 的插装 阀 ，同时利用溢 流 阀 l 6来 缓冲钢 坯剪断 瞬间 所形成 的液压 冲击 。 2 泵站的设计计算 。 剪切机的技术参数如表 1 所示。 表 1 剪切机的技术参数 图2 液压系统原理图 ．7 4 M P P l a 而 剪切时最大速度 为 剪切力／ N 3 X 1 0 液压缸行程／ m m 2 6 0 无杆腔直径／ ／ ／ 2 ／ i“1 4 4 O 剪切行程／ mm 2 0 0 活塞杆直径／ m m b 3 8 0 剪切次数／ 次 ra i n 8 2 ． 1 液压泵 的选择 首先计算液压泵的最高工作压力P 。 和流量 q P 。 ≥p ∑邸 1 式中P 。 为液压缸最大的工作压力；∑△ p为从泵 口 到液压缸的压力损失 ，按经验取约 1 MP a 。 q 。 ≥K ∑g ⋯ 2 式 中 为系统泄漏 系数 ，一般取 1 ． 1 ～1 ． 3 ；q ⋯ 为 液压缸 的最大流量 。 孚 0 5 n 1／ s 3 m ／ m in 式 中s 为剪切行程 ；t 为剪切 时间 ，这里取 4 s 。 由此可得出液压 缸最大 流量是 7 r D 竹 X0 ．4 4 X0 ． 4 4 X3 g ⋯ 下 ■一 0 ． 4 5 6 m ／mi n4 5 6 L ／rai n 由公式 1 和 2 可 以得 出 P ≥p 1 ∑△ p1 9 ． 7 41 2 1 MP a q 。 ≥K Zq 一 1 ． 3 X 4 5 6 - 5 9 3 L ／ ra i n 根据 以上 参 数 ，液 压 泵选 用 2 5 0 S C Y 1 4 1 B变 量 柱塞泵。该泵可根据需要手动改变排量。液压泵的工 第 2 0期 张建明 等3 MN液压剪液压系统的设计 5 1 作压力随剪切 力变 化 ，将溢 流 阀溢 流 压力设 定 为 2 3 MP a ，以限制系统的最高工作压力。 2 ． 2 油箱容量的确定 油箱 容量可按经验公式计算 ，也可按照系统的发 热温升计算公式得到，一般按照经验公式计算然后再 用系统发热温升计算公式进行校核。根据经验公式 V 。 3 式中V为油箱的有效容积 ；q 为液压泵总的额定流 量； 为经验系数，与系统 的压力 或者应用场合相 关 ，在此 系统 中选择 1 0 。 可以得 到油箱 的容积为 V 1 0 2 5 0 X 37 5 0 0 L 2 ． 3 系统发热温升估算 J 系统的发热主要是 由于液压系统的压力、容积 和机械损失构成的能量损失都将转化为热量，使油 温升高。过高的温度将使系统不稳定 ，会使液压油 的黏度降低造成系统泄漏 ，效率降低，同时造成密 封元件的老化 ，对泵的寿命影响十分显著。因此在 液压系统 设计 的过程必须 对 系统进 行 发热 和 温升计 算 ，并进 行控制 。系统 的总发热 量 日可 以按下 式进 行估算 H N 。 i N 。 4 式中Ⅳ 为液压泵的输入功率，』 v 。 为执行器的输出 功率 。 由 2 ． 1 节 可以得 出 Np ippq v p211 0 。5 9 31 0一 ／ 6 0 2． 0 7 5 51 0 W N M 。 pl q ⋯1 9． 7 41 0。4 5 61 0一 ／ 6 0 1 ． 5 0 0 2 41 0 W Ⅳ 5 ． 7 5 2 61 0 W 系统在产生热量 的过程 中，同时也通过系统的元 件散发热量至空气，其中油箱为主要散热表面，其他 如管道等因散热面较小，可以忽略不计。油箱的散热 可以通 过以下 公式计算得 到 H o K A A T 5 式中K为散热系数，单位 W／ m 。 ℃ ，计算时在 通风 良好 的条件 下 K取 1 4～ 2 0 ；A为油 箱 的散热 面 积 ，一 般 根 据 经 验 散 热 面 积 的 计 算 公 式 0 ． 0 6 5 计算，其 中 V为油箱 的有效容积 L ； △ 为系统的温升，即系统达到热平衡的时候和环境 的温度之差 ℃ ，在工作机械中一般取A T e3 5℃。 因此油箱散发的热量 为 noKAAT1 70 ． 0 6 5 7 5 0 0 3 5 1 ． 4 81 81 0 W 可 以看 出 ，通 过 油箱 表 面积 散 热无 法 达 到热 平 衡。因此需要通过加设冷却器来达到系统所需的冷却 效果 。 3阀台的设计 由于二通 插装 阀是 阀座式 结 构 ，具有 内部泄 漏 少 、通流阻力小 、通 流能力大 、压力损失小 、结构简 单等优点，被广泛应用于高压大流量的液压传动控制 领域。作 者采用二通插装 阀控制系统 。 集成块 的设计应 满足 两个要求 1 功 能上必 须满 足原理 图的控制要求 ； 2 结构 上必须满 足 良 好的工艺性和易加工性。传统的二维设计要求设计人 员有着 良好的空间想象能力 ，但 随着集成块孔系复杂 程度 的提 高 ，二维 设计 方法 已经 越来 越难 以完成 任 务 。三维设计 软件的普及使得集成块 的设 计有 了更高 的效率，但一些三维软件工程图表达的弱性成为用三 维软件设计集成块的瓶 颈 ，而专用集成块设计软件如 S e c o MA N由 于 较 高 的 价 格 很 难 为 中 小 企 所 接 受 。 A u t o d e s k公司在 A u t o C A D 的基 础 上 开发 的三 维 软件 I n v e n t o r 比较好地解决 了这个 问题 。I n v e n t o r 不 仅具有 三维软件所具有 的功能 ，而且 在工程 图的绘制方面达 到二维软件所具有的优势。 采用 I n v e n t o r 设计二通插装 阀集成块 时 ，首先要 确定元件的布局方案。由于元件相互连接通过内部孔 道 ，而阀块 内部 的孑 L 系十分复杂 ，一个元件 的变动经 常造成整体的变动 ，因此需根据原理图对元件进行合 理的布局。首先大致确定主要油 口的方向位置 ，然后 安排好 通径大 和主油路关系密切的阀 ，就近摆放方便 控制油路 的阀 ，计算 出阀块的大致尺寸。第二步 ，进 行 内部孔道 的连通 。首先配置较 大的孔 ，大孔 的长度 尽可能短些 ，避免长孔以免造成加工 的困难 ，避免采 用斜孔和孔道之间的干涉，同时对于高压孔道需要有 一 定 的壁厚 确保 承受 压 力 ，工艺 孔 的数 目尽可 能 的 少。第三步，检查设计结果，生成工程图。图3为采 用 I n v e n t o r 设计 的集成块三维 图。 图 3 集成块 三维 图 下转第 5 4页 5 4 机床与液压 第 3 8卷 为 比例变量泵控油缸 的活塞杆 位移，将两油缸位移 差 值通过计算机再发送给比例变量泵，从而实现同步控 制。同步升降既要保证 速度 同步 还要保 证位 置 同步 ， 系统中采用 P 2 D算法来实现位置同步和速度 同步 的闭 环控制。由式 2 、 2 7 及控制原理，以其中两个 支路为例，其传递函数方框图如图2 所示。 图2 同步控制系统方框图 3 控制系统的 S I MU L I N K模型 M A T L A B中的 S 2 MU L 2 N K为系统仿真提供了强大 的软件工具，根据数学模型可以直接建立系统的仿真 模 型 [ 6 ] 。根据 数学 模型 ，将 上面 系统输 入输 出关 系关联起来得到系统 的仿真模 型。 系统参数为泵最大排量 D 2 0 0 c m ／ r ；变量 泵转速 n 2 4 5 0 r ／ m i n ；变 量泵 泄漏 系数 C 3 x 1 0 。 m ／ k g ；变量泵摆角 0 。 ～ 3 0 。 ；液压缸泄漏系 数 C ， 3 X 1 0 m ／ k g ；负 载质 量 m， 7 ． 52 0 k g ； 液压缸尺寸 6 2 5 0 m m , ／, 2 8 0 m m X 6 0 0 0 m m；输入 电 压 U0～2 0 V。 图3 手动变量泵控油 缸位移仿真图形 1 0 8 6 爱2 0 图4 比例变量泵控油 缸位移仿真图形 当输入同一阶跃信号 时，两油缸及两缸位移差 值 的仿真 图形如 图 3 5所 示 。 从上 边 的计 算 结 果 可 以看 出同步控制精度可 以满足设计要求；动态调 整时间在 6 S 左右 ，满 足此 大型舞 台的工作要求 。 4结论 0 1 2 3 4 S 6 7 8 9 1 0 时间， s 图5 两缸位移差 值仿真图形 2 此种液压同步控制原理及控制策略能够满 足舞台升降的具体要求。 2 仿真结果表明，此泵控同步控制系统在控 制精度及响应时间上均可满足重型升降舞台同步控制 要求 。 3 此同步 控制 系统相 对 阀控 同步系统 基 本上 不产生热量 ，将节省 大量的能源 ，而且控制 系统结构 较简单，给具体工程实现带来了便利。 参考文献 【 1 】王春行． 液压伺服控制系统 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 8 9 ． 【 2 】 顾瑞龙． 控制理论与电液控制系统[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 8 4 ． 【 3 】 路甬祥 ， 胡大 ． 电液比例控制技术 [ M] ． 北京 机械工 业出版社 ， 1 9 8 8 ． 【 4 】 刘长年． 液压伺服系统优化设计理论[ M] ． 北京 冶金工 业 出版社 ， 1 9 8 9 ． 【 5 】王 占林． 近代液压控制[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 97． 【 6 】施阳． M A T L A B语言精要及动态仿真工具 S I M U L I N K [ M] ． 西安 西北工业大学出版社， 1 9 9 7 ． 上接第5 1页 液压集成 阀块 的设计一直是液压系统设计的一个 难题，合理利用三维软件可以提高设计效率，缩短设 计周期 ，提高 阀块的设计水平和质量 ，改善 阀块 的可 靠性和精度。 4 结束语 作者介绍的 3 M N液压热剪二通插装 阀控制 回路 ， 采用差动 回路 和顺 序阀来 控制剪切速度 ，符合 钢坯剪 切工艺，剪切过程动作平稳 ，效率较高。使用 I n v e n t o r 三维软件设计集成阀块 ，让设计任务更加轻松 。 参考文献 【 1 】费珉． 铸坯切割装置[ J ] ． 冶金设备， 1 9 9 4 1 3 5 3 9 ． 【 2 】李诗京． 6 2 0 0 K N液压剪液压控制系统 [ J ] ． 冶金设备， 1 9 9 2 6 4 6 4 8 ． 【 3 】张利平． 液压站设计与使用[ M] ． 北京 海洋出版社， 2 0 04． 【 4 】 张瑞虹． 液压系统发热的原因及预防措施[ J ] ． 有色金 属加工， 2 0 0 7 1 5 85 9 ． 【 5 】侯波， 武俊锋 ， 汪选要． 采用插装阀的液压支架泵站液压 系统的设计[ J ] ． 矿山机械 ， 2 0 0 4 3 1 61 7 ．