连铸小方坯液压剪切机液压系统设计

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2.8~65m/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1°～6°。

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30～60mm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□160³160㎜和□180³225㎜，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：□180³180 mm³mm
□165³225 mm³mm 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： 2.5m
2.1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+q
1+q
2
+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50～75，这里取 60；
q
1—为了避免上刀片受钢坯冲撞，而使压板低于上刀的距离，q
1
=5～50mm,
取q
1
=20mm;
s—上下刀片的重叠量，取 s=5～20mm,这里取s=10；
q 2—下刀低于辊道表面的距离，q
2
=5～20 mm,这里取q
2
=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=2.5～8.0），所以
剪刃长度按如下公式计算：
L=（2～2.5）b
max
（2-2）式中：
L—刀刃长度，mm;
b
max —被切钢坯横断面的最大宽度，mm；取b
max
=225mm;
则：
L=（2～2.5）b
max
=（2～2.5）³225=450～562.5 mm，取L=500 mm 2.1.2.2 刀片断面高度及宽度
h′=(0.65～1.5)h (2-3) b′=h′/(2.5～3) (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：□180³180 mm³mm
□165³225 mm³mm
则：
h′=(0.65～1.5)h =(0.65～1.5) ³180=117～270mm,取h′=210mm
b′= h′/(2.5～3)=70～84mm;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
b′³h′³Ｌ=70³210³800
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
2.1.3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：12～16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γ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=K²τmax²Fmax (2-5)
式中：
Fmax —被剪轧件最大的原始断面面积，mm
τmax —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τmax=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：
□180³180 mm³mm
Fmax=180³180=32400 mm2
按钢坯断面尺寸：
□165³225 mm³mm
Fmax= 165³225=37125 mm2
故： Pmax=K²τmax²Fmax=1.2³100³165³225=3.89 MN
2）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=0.6K²σbt²Fmax (2-6) 式中：
K—同轧件材料Q235-A一样，K=1.2；
σbt—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σbt=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=0.6³1.2³200³165³225=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= Pmax²h (2-7) 式中：
A—剪切功，N²m
h—钢坯厚度，m
Pmax—最大剪切力，N
则：
A= Pmax²h=5.35³180³1000=963000 N²m
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：□180³180 mm³mm
□165³225 mm³mm
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： 2.5m
3.2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
是作用在活如图3-1表示一个液压缸简图。

各有关系数标注图上，其中F
W
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=5.35³106+4100≈5.35³106N；
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=μsG （3-1）式中：
μs—静摩擦系数，μs=0.15；由表3-1查的
G—小车及剪体总重，N；
表3-1 摩擦系数μ
G=G
1+G
2
+G
3
；
G
1—小车及横移辊道重量，G
1
=17800N；
G
2—钢坯重量，G
2
=7239N；
G
3—剪体重量，G
3
=40000N；
G=G
1+G
2
+G
3
=225239N；
外载荷：Fw=μsG=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+G 4)(KDc/2+μd/2）； （3-2） 式中：G —辊道车，剪体，钢坯总重，G=225239N ； G 4—剪切力，G 4=5.35³6
10； K —滚动摩擦系数，K=0.01； μ— 车轮轴承摩擦系数，μ=0.004；
Dc —车轮外径，Dc=250mm ； d —轴承内径，d=70mm ；
故：Mn=（225239+5.36³6
10）（0.05³250/2+0.003³70/2） =7.76³6
10N/mm
外载荷：Fw=2
Mn Dc
=7.76³6
10/125=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=（G 1 +G 3）（KDc/2+μd/2）
=（178000+40000）（0.01³250/2+0.004³70/2） =303020N/mm ；
外载荷：Fw=2
Mn Dc
=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=G ³Sm=7800³0.18=1404N ²m （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=
T So =14040.43Nm m
=3265N ； （3-5） 同理，上刀台上升时，抬升缸下降，其外载荷
Fw=-
T So =-14040.43Nm m
=-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=
m
Fw
η （3-6）
m η―液压缸的机械效率，一般取0.90～0.95，这里取m η=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
3.2.2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
表3-4 各种机械常用的系统工作压力
500T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3—2及表3—3）（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=5.63³106N 参考文献《机械设计手册》。

缸筒内径：
D =（3-7）
式中：
D —缸筒内径
F —最大载荷力，F=5.63³106N
φ—活塞杆径比，依据下表选φ=0.7 P 1—供油压力，取21MPa
P 2—回油背压，依据下表选P 2=1MPa
表3-5 按工作压力选取径比参考表
表3-6执行元件背压力选择参考表
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：
0.592m 592mm D =
=
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 2
221 3.14600282600mm 44
D A π⨯=== （3-8） ()
()
222222d 3.1460050086350mm 4
4
D A π-⨯-=
=
= （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
[]2
max
4
F d δδπ
=
≤ （3-10）
式中：
Fmax —活塞杆所受的最大载荷，Fmax =5.63³106；
d —活塞杆直径，d=420mm 。

所以有：
6
2
5.631030.53.145004
a MP δ⨯==⨯
活塞杆材料为碳钢故 []δ=100～120MPa
[]δδ<
∴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
()12212
21
1F P A P A A A
φ
=-=-
由上述的公式可得下式：
D = （3-11）
式中：
φ—活塞杆的径比，φ=0.65； 1P —供油压力，1P =6.3MPa ； 2P —回油背压，2P =0.5MPa 。

则：
0.157157D m mm =
==
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：2
2
21 3.1416020096mm 44
D A π⨯=== ()
()
222222d 3.1416011010598mm 4
4
D A π-⨯-=
=
=
活塞杆强度校核
2
max
4
F d δπ
=
265347
6.881104
a MP =
=⨯[]δ<
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
D =
式中：
φ—活塞杆的径比，φ=0.65；
1P —供油压力，1P =6.3MPa ； 2P —回油背压，2P =0.5MPa 。

则：
D =
=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 2
2
21 3.1432804mm 44
D A π⨯=== ()
()
222222d 3.143220490mm 4
4
D A π-⨯-=
=
=
活塞杆强度校核 2
max
4
F d δπ
=
23437
10.93.14
204
a MP =
=⨯[]δ<
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=
2.52/min
m
m =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=
0.82/min
m
m =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t 1=5s
v 1=
1
L t =0.455m s =5.4m/min 抬升缸下降即上刀台上升时间约取t 2=3s
v 2=
2
L t =0.453m s =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 t 3=t-t 1=19s 工进速度 v 3=
3H t =0.319m s
=0.95m/min 快退时间 t 4=6s 快退速度 v 4=4H t =0.310m s
=1.8m/min 横移缸：
右移时间 t 5=24s 右移速度 v 5=2m/min 左移时间 t 6=6s 左移速度 v 6=
6
L t =0.86m s =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
3.2.6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
3.2.7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。