850单机架可逆冷连轧机液压AGC控制系统设计Word格式.docx
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3.6.3换向阀的选择19
3.6.4减压阀的选择19
3.6.5截止阀的选择19
3.6.6水阀的选择19
3.7液压附件的选择20
3.7.1蓄能器的选择20
3.7.2过滤器的选择21
3.7.3温度计的选择22
3.7.4压力表的选择22
3.7.5液位计的选择。
23
3.7.6空气过滤器的选择23
3.7.7冷却器的选择23
3.7.8加热器的选择24
3.7.9压力传感器的选择25
3.7.10测压接头的选择25
3.7.11管子的计算25
3.7.12油箱容积的计算26
第4章集成块的设计28
4.1集成块简介28
4.1.1集成块的特点28
4.1.2集成块的常用材料29
4.2集成块设计的步骤29
第5章液压泵站的设计35
5.1泵装置的设计35
5.2管路的设计35
结论38
第1章绪论
1.1课题背景
长期以来，带钢轧机上使用的是电动压下装置。
近年来随着工业的发展，带钢的轧制速度逐渐提高，产品的尺寸精度要求日益严格。
电动压下装置由于有传动效率低、运动部分的转动惯量大、反应速度慢、调整精度低等缺点，已不能满足工艺要求。
为了提高产品的尺寸精度，在高速带钢轧机上开始采用液压压下装置。
板厚精度是板带材的两大质量指标之一，板厚控制是板带轧制领域里的两大关键技术之一。
我国近年来从发达国家引进的一些大型的现代化的板带轧机，其关键技术是高精度的板厚控制和板形控制。
板厚精度关系到金属的节约、构件的重量以及强度等使用性能，为了获得高精度的产品厚度，AGC系统必须具有高精度的压下调节系统及控制系统的支持。
目前厚度自动控制已成为现代化板带生产中不可缺少的组成部分。
1.1.1AGC简介
实现厚度自动控制的系统称为“AGC”（AutomaticGaugeControl）。
带材厚度自动控制AGC系统是指带材厚度达到设定的目标偏差范围而对轧机进行在线调节的一种控制系统。
厚度自动控制系统是通过测厚仪或传感器对带材实际轧出厚度连续进行测量，并根据实测值与给定值比较后的偏差信号，借助于控制回路或计算机的功能程序，改变压下装置、张力或轧制速度，把带材出口厚度控制在允许的偏差范围内。
七十年代起，液压厚度控制技术的应用，使板厚控制技术产生了重大变革。
液压自动增益控制的响应速度比电动自动增益控制快2个数量级以上。
由于液压技术与计算机技术的结合，使这一阶段的板厚控制技术大大地向前迈进了一步。
并且在这一阶段的大部分旧式控制方式的轧机都进行了新技术的改造。
1.1.2液压压下装置的特点
国外把实现厚度自动控制的系统称为“AGC”，而国内多称之为液压压下装置。
与电动压下装置比较，液压压下装置有以下特点：
1.快速响应性好，调整精度高。
液压压下装置有很高的辊缝调整速度和加速度。
尤其是很大的加速度潜在能力。
在频率响应、位置分辨率诸方面都大大优于电动压下装置。
下表给出了两者动态特性方面的比较。
表1.1液压压下与电动压下动态特性比较
项目
速度
mm/s
加速度
mm/s2
辊缝改0.1mm的时间s
频率响应宽度范围Hz
位置分辨率
mm
电动压下
0.1～0.5
0.5～2
0.5～1.0
0.01
液压压下
2～5
20～120
0.05～0.1
6～20
0.001～0.0025
改善系数
10～20
40～60
12～20
4～10
动态性能大幅度提高，使得产品的精度提高，质量更有保证，缩短了加速减速阶段带钢头尾的超差长度，节约了金属及能源，提高了合格率。
2.过载保护简单、可靠。
液压系统可以有效地防止轧机过负载，保护轧辊和轴承免遭损坏。
当事故停车时，可迅速排出液压缸的压力油，加大辊缝，避免轧辊烧裂或被刮伤。
3.采用液压压下实现对轧机的“恒辊缝”和“恒压力”的控制，以适应各种轧制及操作情况。
4.采用标准液压元件，简化了机械结构。
5.较机械传动效率高。
6.便于快速换辊，提高轧机作业率。
1.2国内外研究情况简介
近年来，国内外在板形和板厚等控制技术方面取得了许多新的进展，大大提高了板带材的几何尺寸精度。
为满足汽车制造、食品、包装、家用电气、机械和军事工业等各领域的需要，生产出更高精度的板带材产品占领国际市场，各国相继投入了大量的人力物力，开发研制了多种现代化大型轧机。
1.2.1国外概况
具有代表性的有日本日立公司研制的工作辊可轴向移动的HC轧机、CVC轧机、中间辊既可弯曲又可移动的UC轧机，日本三菱公司研制的成对轧辊交叉式的PC轧机，德国曼内斯曼德马科公司的UPC轧机等。
这些轧机配以现代化控制手段可实现多功能精密轧制，生产出微米级厚度精度的板带材产品。
随着国民经济的快速增长，各国对冷轧带钢质量、品种和数量提出了新的要求，为轧制过程的控制进一步增加了难度，用传统方法已经很难进一步提高控制水平了。
因此一些国家开始全面有计划的开发智能控制，如模糊控制技术、神经网络技术等以适应更高精度的要求。
在这方面日本、美国、德国、法国等，在烧结、炼钢、连铸及轧钢等钢铁生产领域已获得了成功应用。
尤其是日本投入了很大力量，并获得了许多成果。
例如日本神户钢铁公司加古川厂五机架冷轧机的神经模糊板形控制系统，日本日立公司森吉米尔轧机的神经模糊板形控制系统等等。
1.2.2国内概况
我国在高精度轧制技术方面也作了大量的研究开发工作。
新中国成立后为实现工业化，从国外引进了大型冶金设备和技术。
我国技术人员经过多年的学习与消化，在此基础上结合我国的实际情况，自行开发出一些有关提高产品精度的基础理论和实用的先进工艺及装备，其中有些技术已达到或超过国外的先进水平，并且我国将智能控制技术在轧机中也得到了一定的应用。
像鞍钢中板厂23．50四辊轧机智能控制的开发研究、济钢中板轧机液压APC系统中模糊控制技术的应用等这些国内外的例子，均说明智能控制具有极好的前景。
但总体来说我国自行研制的轧机技术含量不高，生产出的产品竞争力不强，每年尚需要进口大量的高精度板带产品，许多轧机的生产状况尚不能令人满意，厚度精度急待提高，许多理论问题以及所采用的先进技术尚待进一步消化研究，如在数学模型的求取上，尽管已经比较完善，但仍存在一些通常被人们所忽略的因素，因此为了更好地实现控制，缩短现场调试周期还有待于对它进一步补充完善。
1.3存在的主要问题
液压伺服系统的典型特征是低阻尼、时变性、非线性以及外界干扰，很难得到系统的精确数学模型。
运用传统的控法设计的控制器自适应能力和抗干扰性一般很差，不能满意的控制效果。
在满足稳定性的前提下，使系统具有快应，控制精度高和鲁棒性好的控制性能，必须采用合适的策略。
1.4主要工作内容
本次设计的主要任务是850单机可逆冷连轧机液压AGC控制系统的设计，给轧机配系统，综合应用大学中所学到的知识，锻炼动手实践能力。
1.4.1工作的基本内容
（1）依据系统要求，拟订液压系统原理图，进行液压参数计算和选取元件。
（2）计算机三维画集成块图。
（3）设计液压泵站装配图，液压阀台装配图，油箱图。
（4）手工绘制钟形罩图。
（5）完成外文翻译与说明书。
1.4.2步骤、方法及措施
本次设计的步骤安排如下：
1.工艺了解
2.方案设计
3.原理设计
4.施工设计
5.交技术文件（计算说明书，原理图，施工图）
具体的工作进度安排如下：
周次
第1～3周
第4～6周
第7～9周
第10～14周
第15～16周
应完成的内容
收集资料
开题报告
文献综述
外文翻译
静态，动态的计算
拟订原理图
绘制泵站图
设计集成块
装配图及阀块图
完成图纸
和说明书
准备答辩
1.5本章小结
在本章中，主要介绍了课题的背景及依据，意义，并简要概述了国内外的研究成果，给出了研究步骤、方法及措施。
第2章液压系统原理的设计
原理设计至关重要，以后所做的工作都是在原理图的基础上进行的，原理设计有问题，就不能完成所要求的动作要求。
2.1技术及工艺要求
设计新的液压系统，首先要仔细查明机器对液压系统究竟有哪些要求，要与用户或主机厂共同讨论，力求定量地掌握这些技术要求，作为设计的出发点和依据，使设计的系统满足工艺要求。
设计流程图见图2.1。
图2.1设计流程
2.1.1系统的要求
给弯辊缸，压下缸配系统，完成缸的动作要求。
压下缸的工艺要求：
（1）正常轧制：
位置环，
（2）故障状态：
抬辊，位置保持
（3）正常工艺状态：
换辊，冲阀，冲缸
所要了解的还有：
1.机器的特性
（1）用途及工作目的。
（2）功能、性能及负载特性负载种类（恒定负载、变化负载及冲击负载）及大小；
运动方式（直线运动、旋转运动、摆动）及运动量（位移、速度、加速度），惯性力，摩擦力（静摩擦、动摩擦、粘性摩擦），动作特性、动作时间，精度（定位精度、跟踪精度、同步精度）。
（3）结构机构、与被驱动部分的连接条件、安装上的限制条件等。
（4）驱动方式原动机的种类（电动机、内燃机等）、容量（功率、转速、转矩）、稳定性。
（5）控制方式操作方式（手动、自动）、信号处理方式（继电器、逻辑电路、可编程控制器、微计算机）。
（6）循环时间系统中各种执行器的动作顺序、动作时间的相互关系。
2.使用条件
（1）工作时间。
（2）设置场所（室内、室外）。
（3）设置环境环境温度、湿度（高温、寒带、热带），粉尘种类和浓度（防护、净化等），腐蚀性气体（所用元件的结构、材质、表面处理、涂覆等），易爆气体（防爆措施），机械振动（机械强度、耐振结构），噪声限制（降低噪声措施）。
（4）维护条件维护程度与周期，维护人员的技术水平；
维护空间、作业性、互换性。
3．适用标准、法规
4．安全性、可靠性
（1）用户在安全性方面有无特殊要求。
（2）明确保用期、保用条件。
5．经济性
不能只考虑投资费用，还要考虑能源消耗、维护保养等运行费用。
2.1.2系统功能设计
根据技术要求确定执行器的种类、数量、动作顺序和动作条件。
根据动作条件拟定驱动执行器的基本回路。
作为控制执行器的方式，有用双向变量泵的闭式回路和使用控制阀的开式回路。
当系统中有多个执行器时，要绘制表示动作顺序的顺序图，拟定实现动作顺序的控制回路。
此时如果有同步要求，还要采用保证必要的同步精度的同步回路。
然后再设计液压源回路。
此时要考虑节能、维持液压油液的清洁度、液压油液的温度控制、油箱的油量调节和气压调节。
综合以上驱动回路、控制回路、液压源回路三个部分，即得到总的基本液压系统。
然后再进一步考虑安全性、减小冲击、减小压力脉动、节能、寿命等因素，对此基本系统进行修改补充，使之臻于完善。
1.确定执行器的种类、数量和动作
执行器是液压系统的输出部分，必须满足机器设备的运动功能、性能的要求及结构、安装上的限制。
根据所要求的负载运动形态，选用不同的执行器配置。
根据执行器的种类和负载重量、位移量、速度、加速度、摩擦力等，经过基本计算，确定所需的压力、流量。
压力可根据受压面积与机械力求出，流量可用移动体积与移动时间的关系求出。
2.确定循环时间
根据生产设备的预定年产量和全年工作日数求出日产量，再根据机器的能力和每日开机时间求出单位产量所需时间即循环时间。
此循环时间要进一步细分出各执行器的顺序动作时间、停歇时间等，要合理地分配循环中各个节拍所需要的时间。
为此要把表示各执行器动作顺序的顺序图、表示动作特性的工作图及表示各节拍所需压力流量的压力流量图综合起来，绘制出时间图。
如果循环中仅个别节拍需要大流量时，设置作为辅助油源的蓄能器，可以提高系统效率，同时也降低成本。
3.确定控制方式
执行器的控制方式有泵控制方式和阀控制方式，泵控制方式采用双向变量泵，通过控制泵的流量实现执行器的速度控制，通过控制泵的出流方向实现执行器的方向控制。
这种方式中每个执行器需要一个变量泵。
重视能源的经济的场合或者负载惯性大、起动停止冲击成问题时可以采用。
阀控制方式中，用方向控制阀实现执行器的方向控制，用流量控制阀实现执行器的速度控制。
这种方式应用最广泛，适用于一个液压源同时驱动多个执行器的场合或者输入信号很复杂而要求快速响应的场合。
2.2设计液压回路
由于设计者的思路、经验或对所有元件的考虑方法不同，即使针对同样目的的设计出来的液压回路也是千差万别的。
因此可以拟定几种符合目的的液压回路，再从成本、重量、使用方便等方面进行对比论证，确定最合适的液压回路。
液压回路包括油压发生回路、执行器控制回路、油液处理回路、其他辅助回路等。
无论多么复杂的液压系统，都则由实现种种功能的基本回路组成的。
经过多年的经验积累，已经形成了许多简便成熟、行之有效的基本回路。
用标准图形符号绘制拟定的液压系统原理图，并注明压力控制阀、压力继电器等设定压力和液压泵或蓄能器工作时各段路的流量，以便后面选定元件和确定管子口径。
（1）油压发生回路此回路包括液压泵部分和压力控制部分，要设计成能在必要的时候最有效地供给所需要的压力和流量。
液压泵的功率在泵控制方式中根据执行器的最大功率算出，在阀控制方式中根据各执行器所需的最大功率算出，在蓄能器驱动的卖命根据蓄能器的最高工作压力、一循环中消耗的全部液量在充液过程中补充所需的泵流量和卸载时间算出。
在实际的工作循环中，有时低速大负载、有时高速小负载、有时卸载，可以求出平均功率并据以确定泵的驱动电机的容量。
但是循环中的峰值负载不得超过电动机额定功率的1.5倍。
（2）执行器控制回路执行器控制回路要根据负载特性，适当地控制方向、速度等。
泵控制方式中，在双向变量泵回路上加压力控制回路即可组成执行器控制回路。
阀控制方式中的执行器控制回路，由方向控制回路、速度控制回路、压力控制回路适当组合而成：
1）方向控制回路用方向控制阀来实现执行器动作方向的控制，掌握方向控制阀的通油时间来控制执行器的位移量。
调整换向阀的切换时间、设置二速回路、与行程减速阀并用，或者采用比例阀、伺服阀都可以控制执行器起动、停止时的加速减速特性。
2）速度控制回路用流量控制阀来实现执行器速度的控制。
根据负载变化情况和流量精度要求选定采用节流阀还是调速阀来控制。
考虑对负载方向的适应性，负载变化对精度的影响及回路的效率等因素，决定采用进口节流、出口节流还是旁通节流方式。
3）压力控制回路压力控制回路不仅包括控制执行器输出力（或力矩）的回路，还包括用来吸收执行器起停时的制动力、外负载引起的冲击力的安全回路。
作为输出力控制回路，有用溢流冷漠限制最高压力的调压回路，还有用减压阀把某个执行器限制到低于油源压力的压力的减压回路。
制动回路、平衡回路、安全回路等中所用的压力控制阀，有直动式、先导式、内控式、外控式等各种结构，性能和特性也有多种不同，实际使用时必须十分注意。
（3）液压油处理回路液压油处理回路包括进行液压油液污染控制的过滤回路和油液温度控制回路。
在过滤回路中，要根据所用液压元件和液压油的种类确定过滤器的容量，过滤精度和设置部位。
当环境温度较高或液压装置内部发热较多，单靠油箱和管路系统自然散热无法维持与所用元件相适应的温度和精度时，必须设置油冷却器，环境温度过低，液压泵超支困难时，必须考虑设置加热器或其他暖机运行方式。
（4）辅助回路辅助回路包括液压系统维修所需的回路和作为安全措施专门设置的回路。
在保养维修方面，要考虑测压口、油液取样口、元件拆卸时防止油液外流的措施、易于组成冲洗回路等，在安全方向，要考虑长期停机时防止自重引起下落的措施，防止误动作的措施，双重安全措施等。
2.3绘制的原理图
设计的原理图包括压下，中间辊弯辊和工作辊弯辊3部分，每一部分又分为工作侧和操作侧2部分，绘制的原理图如图2.1所示。
图2.1原理图
2.4本章小结
在这一章中，系统阐述了原理图的绘制流程及注意事项，并在最后给出了绘制的原理图。
第3章液压系统的计算和元件选型
由于系统压力Ps=28Mpa，最大轧制力Fmax=16000KN
则单边最大压力Fmax1=8000KN
单边额定压力Fs1=
Fmax1=6400KN
压下速度Vc=2.25mm/s=2.25×
10-3m/s
3.1供油压力的选择
多数情况下压力可以自由选定。
适当提高压力可以降低成本。
因此，系统压力有逐渐提高的趋势，但液压系统的压力受到所用元件的限制。
提高系统压力，可以使响应速度提高、输出力加大、功率密度提高、管路的压力传播速度提高，并且不容易发生执行器低速爬行现象。
但是提高压力也带来一些问题，如元件寿命缩短，易于发生阀的卡死及自激振荡，液压油易变质，内泄漏加大，油温升高，必须采取措施防止漏油。
由于此系统为轧机服务，且是伺服系统，轧制力为16000KN，所以系统压力初选为Ps=28Mpa。
3.2压下缸参数计算
3.2.1压下缸尺寸的计算
下面根据以上数据来计算压下缸的尺寸。
A0=
=285714.285mm2=2.857×
10-1m2
可以得出：
D0=
=603.297mm=6.033×
10-1m
因为系统不一定在最大压力Ps下工作，所以
圆整D0，需D0+（30-40），
取D0 为6.200×
确定活塞杆直径d
根据公式d＝D-2×
（20-30）
得出，
d=620-2×
25=570mm=5.700×
10-1m
3.2.2负载流量及空载流量的计算
QL=A×
Vc=2.857×
10-1×
2.25×
10-3=40.734L/min=6.789×
10-4m3/s
空载流量 Q0=（1.15-1.3）QL
取46.844L/min,即7.807×
3.3伺服阀的参数计算与选型
考虑执行器的控制内容、控制精度、、响应性等，确定伺服阀、电磁比例阀、步进电机操作的数字阀及快速电磁开关阀（脉宽调制、脉数调制）等电液控制阀的类型，这些控制阀可以与指令电信号成比例地控制油液流量，而且控制阀上产生比较大的压力损失。
压力损失与流量之间有一定的关系，要选择其容量能充分包围执行器输出特性的电液控制阀。
选定电磁比例阀时要注意，梓本上的额定流量是指阀全开时阀压降为1MPa的通过流量。
要在确定执行器（缸）的面积和以希望速度驱动执行器所需的流量之后，确定在动态条件下（加速和保持速度所需）的最大负载压降和允许的阀压降，再参照样本上阀的流量增益曲线根据流量和阀压降确定最合适的流量，最后核对工况点是否落在阀的功率容量轮廓线以内。
选定电液伺服阀时，要通过所谓负载匹配确定油源压力、执行器{缸）面积及伺服阀容量。
伺服阀的流量应比所需最大流量大出10％，留给伺服阀的压降应不小于供油压力的1／3，伺服阀的90°
相移频宽应不低于系统频宽的3倍。
确定28Mpa下的伺服阀的流量，
Qp=（1.15~1.3）QL
取95.119L/min,即1.585×
10-3m3/s
21Mpa下的伺服阀的额定流量为
Qn=Qp
=82.375L/min=1.373×
经查样本，选90L/min,即1.5×
这里的压下系统的伺服阀在系统中的编号为35，型号为D661-G35H0A04NSD2H0，弯辊系统的伺服阀在系统中的编号为31，型号为D661-G40H0A4WSD2H0。
生产厂家为MOOG公司。
3.4主泵与辅泵的计算与选型
液压泵是液压系统的动力源。
要选用能适应执行器所要求的压力发生回路的泵，同时要充分考虑可靠性、寿命、维修性等以便所选的泵能在系统中长期运行。
液压泵的种类非常多，其特性也有很大差别。
压力越高、转速越低则泵的容积效率越低，变量泵排量调小时容积效率降低。
转速恒定时泵的总效率在某个压力下最高，变量泵的总效率在某个排量、某个压力下最高。
泵的总效率对液压系统的效率有很大影响，应该选择效率高的泵，并尽量使泵工作在高效工况区。
选择液压泵时要考虑的因素有工作压力、流量、转速、定量或变量、变量方式、容积效率、总效率、寿命、原动机的种类、噪声、压力脉动率、自吸能力等，还要考虑与液压油的相容性、尺寸、重量、经济性、维修性。
这些因素一般已写在产品样本或技术资料里，要仔细研究，不明确的地方最好询问制造厂。
用定量泵还是用变量泵，需要仔细论证。
定量泵简单、便宜，变量泵复杂、贵，但节省能量。
定量泵与变量泵的适用场合见表3-1。
表3-1定量泵与变量泵的适用场合
定量泵
变量泵
·
液压功率小于10kW，而且能源成本不是重要因素
工作循环是开关式，而且泵在不工作时可以完全卸载
虽然负载变化很大，但多数工况下需要泵输出的全部流量
工作制不繁重，温升不成问题
液压功率超过10kW，流量需求变化很大
要求大负载下小而精密的运动和变化负载下的快速运动
泵服务于可任意组合的多个负载
要求很大的承载能力
一个原动机带动多个泵，而泵的装机容量大于原动机功率
3.4.1主泵的计算与选型
确定液压泵的工作压力：
式中P1——液压缸的最大工作压力（MPa）；
——从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间管路的损失的准确计算要待元件选定之后并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：
管路简单，流量流速不大的取=（0.2～0.50）MPa,管路复杂，进口调速阀的，取=（0.5～1.5）MPa。
系统初选工作压力为28MPa，取管路损失
=0.5MPa，所以系统最高压力，P≥28+0.5MPa=28.5MPa
多液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量应为
q≥K
式中K——系统泄漏系数，一般取K=1.1～1.3；
——同时动作的液压缸的最大流量，对于在工作过程中用节流调速的系统，还须加上溢流阀的最小溢流流量，一般取0.5×
10m/s。
qvmin=1.2×
180=216L/min
这里的主泵选为变量泵，在系统中的编号为20，型号为PV140R1D8S1N，
生产厂家为Parker公司。
3.4.2辅泵的计算与选型
辅泵的选择与主泵相似，一般取为2倍的系统流量，
所以Q≥432L/min，
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