轮式压路机液压系统毕业设计

摘要

设计中介绍了结晶器液压振动系统，系统通过输入正弦电信号给伺服阀，进而控制液压缸的正弦振动。设计过程中系统的分析了系统的工作状况，以及在该工作状况下所系统所要达到的工作要求。设计中针对系统中的液压泵，伺服阀，液压缸等主要元件的选型经行了详细的计算与校核。

在泵站的设计中，核心部分是泵，油箱以及蓄能器的设计计算与选型，三者的关系是相互影响的，同时，液压系统也受外在因素的诸如工作环境和工作温度的影响，这些影响对系统的影响是非常大的，这个因素考虑的不全面直接影响到系统的工作性能。

在系统的各个参数计算中，根据设计内容所给出的条件，计算出系统液压缸的位移振动曲线。根据振动曲线方程可以求解出系统所需的最大流量，根据计算的结果确定整个系统的工作状况。

系统泵的驱动功率的计算，按照在系统振动过程中各个工况条件下所需功率的平均值，正弦振动的平均速度可以通过正弦振动方程计算出。

设计中的大部分元件都是通过相关参数的计算，根据产品的样本经行选型，以达到系统的要求。

关键词：结晶器；液压伺服系统；激振；正弦振动

Abstract

The system of hydraulic vibration system for crystallizer was introduced in the design,To control the sinusoidal vibration of the cylinder, the sinusoidal signal is input into the servo valve by the computer .In the design, the working conditions is analysed,and the requirements of the system under this conditions is also analysed. For the design of the hydraulic system, the pump,servo valves, hydraulic cylinders and other major components of the Selection are detailed calculated and checked.

In the design of the pumping station, the core are calculation of the pump, storage tank of the design and selection, the relations among each other are impacted, at the same time, The hydraulic systems are also impacted by external factors such as the working environment and temperature The impact of these effects on the system is very great, if this factor is not taken into consideration, There will be direct impact on the performances of the system.

The various parameters of the system is calculated according to the contents of the conditions, and we can calculate the displacement vibration curve of the hydraulic cylinder of the system. According to vibration curve equation,we can work out the most flow of the system , And determine the working conditions according to the results of the whole system. The calculation of the pump-driven power of the system is the average of the power required in the vibration of the system under the working conditions. And the sine vibration equation can be calculated.

The most components are selected through the calculation of the relevant parameters, based on a sample of the products selection, to meet the system requirements.

Key words: Crystallizer; Hydraulic servo system; Exciting vibration; Sinusoidal vibration

目录

前言 (1)

1 系统设计方案确定 (2)

1.1 伺服系统设计要求 (2)

1.2 控制方案 (2)

1.3 主要技术参数 (2)

1.4 系统工作情况分析 (3)

2 设计计算 (3)

2.1 系统振动 (3)

2.2 液压缸设计计算 (4)

2.2.1 油缸的设计原则 (4)

2.2.2 油缸的选型 (4)

2.2.3 油缸参数计算 (5)

2.3 泵的选择计算 (6)

2.3.1 泵的选择计算原则 (6)

2.3.2 系统流量计算 (6)

2.3.3 流量计算 (6)

2.3.4 泵的参数计算 (7)

2.4 液压泵的驱动功率及电机的选择 (7)

2.4.1 驱动功率计算 (7)

2.4.2 电动机的选择 (8)

2.5 阀的选择计算 (8)

2.5.1 伺服阀的选取 (8)

2.5.2 液控单向阀的选取 (9)

2.5.3 电磁换向阀的选取 (9)

3 辅助元件的选择计算 (10)

3.1 管路 (10)

3.1.1 壁厚的计算 (10)

3.1.2 内径计算 (11)

3.1.3 软管 (12)

3.1.4 管接头 (12)

3.2 油箱的设计计算 (12)

3.2.1 油箱设计原则 (12)

3.2.2 油箱参数设计计算 (13)

3.2.3 油箱容量的计算 (13)

3.2.4 油箱内工作介质体积估算 (14)

3.3 系统发热功率计算 (14)

3.3.1 液压泵的功率损失 (14)

3.3.2 阀的损失功率 (14)

3.3.3 管路以及其它功率损失 (15)

3.3.4 系统总的功率损失 (15)

4 溢流阀的选取 (15)

4.1 溢流阀的作用 (15)

5 过滤器的选择 (16)

5.1 过滤器的配置 (16)

5.2 压油过滤器 (16)

5.3 回油过滤器 (16)

6 循环冷却系统的设计计算 (17)

6.1 各个参数计算 (17)

6.2 动力源螺杆泵的选取 (17)

6.3 驱动电机的选择 (18)

6.4 循环过滤器的选择 (18)

6.5 热交换器的选择 (18)

6.5.1 计算散热面积 (18)

6.5.2 冷却水量的计算 (19)

6.6 加热器 (19)

6.8 压力表的选择 (20)

7 液压工作介质的选取 (20)

8 控制阀阀块的设计 (20)

结束语 (22)

参考文献 (23)

致谢 (24)

前言

随着高效连铸技术在冶金工业生产中的快速发展和应用，结晶器的振动技术便成了连铸生产过程中的关键技术之一，结晶器的振动参数，直接影响连铸坯的质量。

目前国内还主要以凸轮机构驱动为主，这种方式存在一系列的不足，例如：结晶器振动频率，幅度，波形等不可调等现象。而国外大多采用液压伺服振动方式，振动的参数可根据钢种，拉速等工艺条件而进行改变。

与传统的直流式电机或交流电机驱动的偏心凸轮的结晶器激振系统相比，电液伺服驱动的连铸结晶器激振系统具有能实现非正弦振动，可明显改善结晶器保护渣的润滑，有效地减少铸坯与结晶器之间的摩擦力，从而减少铸坯振痕，提高铸坯质量和金属的收得率。因此，开发可靠性好、控制精度高和响应速度快的电液伺服控制系统具有重要的现实意义。

结晶器电液伺服控制系统主要由电液伺服阀、伺服油缸、液压泵站等几部分组成。结晶器是通过阀控缸液压动力元件驱动振动机构实现其往复振动，将液压缸的位置通过位移传感器反馈到比较端与指令信号比较，得到误差信号，然后通过运算放大器放大后驱动电液伺服阀构成闭环控制系统。利用计算机可非常方便地产生各种指令波形，通过模糊PID控制可以使系统输出跟踪指令信号从而获得所需要的振动规律。

伺服控制器内有两路独立的伺服放大器和将这两路独立的伺服放大器关联在一起

的同步控制回路。每路伺服放大器控制1 台伺服缸，它将指令电压信号转换成电流信号经输出端驱动电液伺服阀来使液压缸移动，装在活塞杆上的位移传感器的反馈信号在反馈端输入后与指令信号进行比较，形成位置系统的闭环控制。每1 路都设有开环增益调整、反馈增益调整、零位调整和输入与反馈相位调整，并有电流表显示通过伺服阀的电流状态。同步控制回路是对两台伺服缸出现不同步时的一种补偿，同步控制的原理是对两个单独的反馈信号进行比较，两缸同步，则比较后的差值为零，差值不为零时，这个差值以相反的极性分别送入两个回路各自的输入信号加法点，使“快缸降速，慢缸升速”，进行同步调节。

1 系统设计方案确定

1.1 伺服系统设计要求

结晶器做正弦振动，采用双缸同步驱动方式，并且要求每个振动缸控制伺服阀一备一用，能在线切换。根据设计要求，液压伺服激振系统为双缸同步振动过程。

系统主要由电液伺服阀，液压缸，液压泵站等几部分组成。双缸同步振动由两个两个电液伺服阀由电信号精准控制，可以实现两个油缸的同步激振运动，设计要求每个振动缸控制伺服阀都有一个备用阀，两个备用阀经液控单向阀连接到系统，可以随时进行在线切换。

1.2 控制方案

工作中指令信号同时给两个伺服阀，伺服阀通过电信号控制两个液压缸进行振动，输入流量输出位移，同时将位移误差进行反馈控制阀芯处于工作状态，液压油经由单向分流阀同时供给两个伺服阀，经阀芯开口进入液压缸驱动其运动，计算机将传感器采集的数据进行比对，校正后在将调节后的信号送入伺服阀，控制双缸的正弦振动。

1.3 主要技术参数

（1）液压系统最大工作压力：

max 31.5

p MPa

=；

（2）结晶器作正弦振动，最大振幅：7mm

±，振动频率范围：1~6Hz；（3）结晶器静态重量为：100KN；

（4）采用双缸同步振动方式，要求每个振动缸控制伺服阀一备一用，能在线切换。

1.4 系统工作情况分析

系统在伺服阀控制下做正弦振动，液压缸活塞杆的伸出和回缩过程符合正弦振动曲线，根据最大振幅和振动频率可以得出系统的振动方程。

图 系统正弦振动曲线

2 设计计算

2.1 系统振动

系统最高工作压力：max 31.5p MPa =；正弦振动振幅：7mm ±；

振动频率： 1~6Hz ；结晶器静态重量：100KN

列出系统正弦振动方程：

振动位移方程： 7sin y t ω=

(2.1) 代入数据得出：

7sin12y t π=

(2.2)

由 dy

v dt =可求出液压缸活塞杆的速度公式

84cos12dy v t dt

ππ== (2.3) 其中: y 为液压缸活塞的位移

ω为液压缸的振动角频率，22612/f rad s ωπππ==?=

液压缸的最大速度

max 84264/v mm s π==

给定设计条件中系统最大工作压力为max 31.5p MPa =，即在工作中不能超出所给定的系统最大工作压力，选取系统的工作压力为

31.5 1.530p MPa =-=

设计要求系统最大输出力max 100F KN =，由于双缸同步，每个液压缸负载

max 50500002

F F KN N === (2.4) 2.2 液压缸设计计算

2.2.1 油缸的设计原则

根据主机的动力分析和运动计算，确定液压缸的主要性能参数和尺寸。液压缸的推力，伸出回缩的速度，作用时间，内径，行程，及活塞杆直径等。根据选定的工作压力和材料进行液压缸的结构设计，如液压缸的壁厚，缸盖的结构，密封形式，排气与缓冲等。

2.2.2 油缸的选型

油缸的选型中，应通过所给定的技术参数来计算油缸的基本参数，进而选型。油缸的基本参数有：液压缸的内径，活塞杆的外径，油缸的公称压力等。计算出基本参数，根据液压传动设计手册油缸参数综合比对进行选型。

油缸按作用类型非为：单作用油缸和双作用油缸，本设计中油缸是由伺服阀控制振动缸，液压缸上装有位移传感器，将活塞杆的位移传至计算机控制系统，进而控制双缸的同步振动。考虑到液压缸的高温工作环境，为了防止粉尘颗粒等杂物进入液压缸，对于液压缸的密封方式也要特别注意。

根据主机的要求，按设计手册表23.6-39（液压传动与控制设计手册），选择的液压

的类型，按表23.40选择液压缸的安装方式。根据主机的动力分析和运动计算，确定液压缸的主要性能参数和尺寸。如：液压缸的推力，伸出回缩的速度，作用时间，内径，行程，及活塞杆直径等。根据选定的工作压力和材料进行液压缸的结构设计，如液压缸的壁厚，缸盖的结构，密封形式，排气与缓冲等。

单活塞杆油缸示意图

图 单活塞杆液压油缸示意图

2.2.3 油缸参数计算 液压缸内径：2

3.5710F

D P -=?

(2.5) 其中 50000F N =

30p MPa =

代入数据得出

46D mm = 活塞杆直径：1

d D ??-=，取?值为2，由表（23.658-）代入数据得出

32d mm = 由液压设计手册表（23.635-)选取液压缸参数：

内径： 50D mm =

活塞杆直径：36d mm =

液压缸的行程（表23.635-）选取 25S mm =

2.3 泵的选择计算

2.3.1 泵的选择计算原则

泵的选型主要根据系统的工况来选择液压泵，泵的主要参数有压力、流量、转速、效率。为了保证系统正常运转和泵的使用寿命，一般在固定设备系统中，正常工作压力为泵的额定工作压力的80%左右；要求工作可靠性较高的系统或运动的设备，系统工作压力为泵的额定工作压力的60%左右。泵的流量要大于系统的最大工作流量。为了延长泵的使用寿命，泵的最高压力与最高转速不宜同时使用。

2.3.2 系统流量计算

工况分析：液压缸作正弦振动，在振动过程中进入液压缸的液压油是变换的，正弦振动液压缸达到最大伸出速度时对应系统的最大流量。

2.3.3 流量计算

进入（流出）液压缸的流量q （3/m s ）即为系统的流量。

由公式 11

60v q v A =? 和公式 214A D π= 得 2460v D q π?

=

(2.6)

其中 v 为液压缸活塞的速度（/min m ）

D 为液压缸内径（m ）

q 为单个液压缸伸缩时所需流量（/ml s ）

最大流量： 2max max 4

60v D q π

?= (2.7)

其中： max 263/15.84/min v mm s m ==

代入得： 1max 518/q ml s =