液压与气压传动滑动水口液压系统设计说明.docx
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液压与气压传动滑动水口液压系统设计说明
液压与气压传动
三级项目报告
项目名称:
滑动水口液压系统设计
姓名:
指导教师:
日期:
摘要
滑动水口(SlidingNozzle,简称SN)系统是冶炼中不可缺少的部分。
它是连铸机浇铸过程中钢水的控制装置,能够精确地调节从钢包到连铸中间包的水流量,使流入和流出的钢水达到平衡,从而使连铸操作更容易控制。
滑动水口系统因其可控性好,能提高炼钢生产效率而得到了迅速发展。
现在,在钢包、中间包上国外普遍使用了滑动水口系统。
大包滑动水口液压回路控制大包滑动水口的开闭,而大包滑动水口是连铸的关键设备之一,该文简要阐述了大包滑动水口的组成及工作原理,并详细介绍了根据工艺要求来设计的液压回路。
主要包括系统的设计与计算以及元件的选型,该系统要使滑动水口在一定负载下按给定速度打开与闭合,并能实现点动,以控制水口开度的大小,从而控制钢水流下的速度,同时考虑到突然停电的情况,系统中设置了蓄能器,使系统在泵停止工作时,滑动水口仍能开关两到三次,从而防止钢水在钢包中冷却凝固。
关键字:
滑动水口液压系统
摘要2
一、前言4
1.1滑动水口4
1.1.1滑动水口的工作原理5
1.1.2滑动水口的组成6
1.1.3滑动水口分类6
1.2液压传动与液压系统概述 8
1.2.1液压系统工作原理 8
1.2.2液压系统的结构 9
二、系统设计及参数计算9
2.1.1计算工作负荷10
2.1.2摩擦及惯性负荷10
2.1.3运动时间10
2.1.4各工况负载10
2.2确定液压缸基本参数11
2.2.1初选系统压力11
2.2.2计算液压缸主要尺寸11
2.3拟定液压系统图13
2.3.1选择基本回路13
2.3.1.1调速回路13
2.3.1.2油源形式的确定16
2.3.1.3锁止回路的确定16
2.3.1.4系统图的最终确定18
2.3.1.5液压系统原理图分析22
2.4液压辅件的选择25
2.4.1选择液压泵及驱动电机25
2.4.1.1确定液压泵最大工作压力25
故:
25
2.4.1.2确定液压泵的流量25
2.4.1.3选择液压泵型号26
2.4.1.4确定驱动液压泵的功率26
2.4.2控制阀的选择26
2.4.2.1先导式溢流阀26
2.4.2.2换向阀26
2.4.2.3调速阀及液控单向阀26
2.4.4管道的选择27
2.4.4.1管道径的计算27
2.4.4.2管道的选择28
2.5确定油箱容量29
2.6过滤系统的设计30
2.6.1过滤器的位置设置30
2.6.2过滤器精度的选择30
2.6.3过滤器尺寸的确定30
2.7液压油的选用31
2.8液压系统的性能验算31
三、结论31
3.1项目的主要工作32
3.2主要结果32
3.3未来规划32
3.4心得感受33
一、前言
1.1滑动水口
滑动水口的设计早在1884年就由美国人D.Lewis提出构思并申请了专利,后来也有不少类似的专利,但均因材质不过关而未能实现。
直到1964年,西德本特勒钢铁公司在22T钢包上,采用滑动水口装置代替塞棒系统进行浇钢,首次获得成功,并迅速推广到许多国家。
随着快速、高效连铸和二次精炼技术及工艺的发展,滑动水口(SlidingNozzle,简称SN)系统在现代钢铁冶炼过程中变得越来越重要,成为冶炼中不可缺少的部分。
它是连铸机浇铸过程中钢水的控制装置,能够精确地调节从钢包到连铸中间包的水流量,使流入和流出的钢水达到平衡,从而使连铸操作更容易控制。
滑动水口系统因其可控性好,能提高炼钢生产效率而得到了迅速发展。
现在,在钢包、中间包上国外普遍使用了滑动水口系统。
1.1.1滑动水口的工作原理
所谓滑动水口,就是利用安装在钢包底部铁壳外面的两块用耐火材料制成的平板(上面的称上滑板,下面的称下滑板),并依靠机械的力量把两块板靠紧,达到近乎没有间隙的程度。
通过外下滑板注孔连接下水口砖。
当上、下注口在移动中重合时,钢包钢水,可通过上水口砖、上滑板、下滑板、下水口砖流出进行浇注作业。
当上、下注孔错开时,则注口关闭,浇注作业停止。
由于滑板的移动是和水口连接在一起进行的,所以称之为滑动水口。
滑动水口的驱动方式可分为:
人力驱动、液压驱动、电动缸驱动、风动缸驱动。
钢水包滑动水口液压系统设计来源于某工厂的实际工程,鉴于钢包的高温和恶劣的工作环境以及随着钢包的不断增大,使人为控制滑动水口越来越困难,从而诞生了液压驱动的滑动水口机构。
该系统的诞生与应用提高了生产效率,方便了工人操作,调高了钢厂自动化水平。
在实际生产中,滑动水口开度需经常调整,动作比较频繁,如果压力不足,水口无法打开或关闭,除无法浇铸生产外,更严重的是,在浇铸中因事故停浇时,大包水口若不能关闭,将使中间包溢钢而烧毁设备,甚至会造成人身伤亡事故发生。
因此,设计合理可靠的大包滑动水口液压系统非常重要。
1.1.2滑动水口的组成
滑动水口一般由驱动装置、机械部分和耐火材料部分(即上下滑板、下水口)组成,耐火材料由座砖、上水口座、上滑板、下滑板、下水口砖组成。
1.1.3滑动水口分类
(1)按滑板移动方式分为:
①往复式(我国滑动水口都是这种形式)它又可分为:
(1)单水口往复式:
上下滑板直线、往复平行移动。
(2)双水口往复式:
即下滑板上安装两个不同口径的注口,轮换使用,我国马钢厂也曾使用和开发过此种水口,只是使用的气压弹簧和国外不同。
(3)单水口、双面往复式:
有效利用滑板,延长了滑板使用时间。
(4)三滑板往复式:
用于连铸中间包,上、下滑板不动,只动中间滑板。
②旋转式滑动水口
上下滑板圆弧形、旋转移动,分别在钢包、中间包(定径多水口)、出钢口及特殊用途(主要用于有色金属精密配料上,作为流量控制,其直接安装在炉壁衬中)上使用。
(2)按施加面压的方法分
①弹性机构,弹性机构是利用弹簧的力量,对上、下滑板施加面压。
(1)美国弗洛康式:
弹簧安装在下水口周围下滑板下面。
(2)瑞士英特斯特普式:
用4个带弹簧的螺栓与开闭框架连接,压紧滑板。
(3)瑞士的梅塔肯式:
整体组装螺栓上有加压弹簧。
(4)日本NKK旋转式:
靠安装在开闭框架上的弹簧螺栓与开闭框架相连。
(5)日本呙川三菱一梅塔肯式系列:
利用固定框架上加压螺栓与开闭框架相连。
(6)日本新日铁和黑崎密业开发的YP系列滑动水口:
有螺栓加压杠杆加压、风动板手加压、油缸预加压和挂钩后加压并用等。
②刚性机构
我国因弹簧生产始终不能满足安全需要,因此国使用的大多是刚性结构,但刚性结构,弊病较多,大都是用大螺母加压,加一些微调。
逐渐处于淘汰状态。
(3)按驱动方式分
①人力驱动:
我国有些中小钢厂滑动水口仍用人力驱动。
②液压驱动:
利用液压站,通过液压油缸进行驱动,在国和国外应用较为普遍。
③电动缸驱动:
利用电动缸在钢包上驱动,电源由吊车送下插头和钢包上电动缸相接通即可驱动,宝钢目前用此方法。
电动缸驱动为国今后的发展方向,这是因为我国液压密封件质量不过关,不能保证长时间的安全使用。
④风动缸驱动:
利用压缩空气连在钢包的气动缸上,就可以驱动,现只在停电时偶尔驱动。
1.2液压传动与液压系统概述
液压由于其传动力量大,易于传递及配置,在工业、民用行业应用广泛。
在各部件制造中,对密封性、耐久性有很高的技术要求,目前在液压部件制造中已广泛采用——滚压工艺,很好的解决了圆度、粗糙度的问题。
特别是液压缸制造中广泛应用。
液压工具可以解决液压制造各种问题。
当前,液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声,经久耐用,高度集成化等各项要求方面都取得了重大的发展,在完善比例控制,伺服控制,数字控制等技术上也有许多新成就。
此外,在液压元件和液压系统的计算机辅助设计,计算机仿真和优化等开发性工作方面,日益显示出显著的成绩。
今天,为了和最新技术的发展保持同步,液压技术必须不断创新,不断地提高和改进元件和系统的性能,以满足日益变化的市场需求。
液压工业在国民经济中的作用实在是很大的,它常常可以用来作为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。
与世界上主要的工业国家相比,我国的液压工业还是相当落后的,标准化的工作有待于继续做好,优质化的工作须形成声势,智能化的工作则刚刚在准备起步,为此必须奋起直追,才能迎头赶上。
1.2.1液压系统工作原理
液压系统最基本的原理就是液体部压强处处相等。
利用油泵产生一定部压力的液态油,通过液压管路传送到液压执行元件,比如液压油缸,高压油作用在活塞上,使得活塞两端压力不平衡,于是活塞运动做功,高压油也可以作用在周向布置的叶片上,带动叶片轴旋转,这就是油马达。
液压系统就是传送压强的装置,液压油是压强传送的载体,具有一定压强的液体作用在一定大小的面积而产生作用力,该作用力驱动零件运动。
1.2.2液压系统的结构
液压系统由信号控制和液压动力两部分组成,信号控制部分用于驱动液压动力部分中的控制阀动作。
液压动力部分采用回路图方式表示,以表明不同功能元件之间的相互关系。
液压源含有液压泵、电动机和液压辅助元件;液压控制部分含有各种控制阀,其用于控制工作油液的流量、压力和方向;执行部分含有液压缸或液压马达,其可按实际要求来选择。
图1.1液压系统结构
2、系统设计及参数计算
主要参数如下:
负载力
KN
负载质量
Kg
静摩擦力
N
动摩擦力
N
往返加减速时间s
前进速度
mm/s
回程速度
mm/s
行程
mm
主缸
20
500
4000
2000
0.2
20
30
200
2.1负荷与运动分析
2.1.1计算工作负荷
工作负载:
F
=20KN
2.1.2摩擦及惯性负荷
惯性负载:
静摩擦力:
动摩擦力:
2.1.3运动时间
工进时间:
退回时间:
2.1.4各工况负载
液压缸在各工作阶段的负载
工况
计算公式
液压缸负载F/N
液压缸推力
起动
4000
4444
加速
2250
2500
快进
2000
2222
工进
22000
24444
反向起动
4000
4444
加速
2250
2500
快退
2000
2222
制动
1750
1944
2.2确定液压缸基本参数
2.2.1初选系统压力
系统压力选定得是否合理,直接关系到整个系统设计的合理程度。
在液压系统功率一定的情况下,若系统压力选得过低,则液压元、辅件的尺寸和重量就增加,系统造价也相应增加;若系统压力选得较高,则液压设备的重量、尺寸会相应降低。
表2-1 按载荷选择工作压力
载荷/KN
< 5
5~10
10~20
20~30
30~50
> 50
工作压力/MPa
< 0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5
由于液压缸的最大推力为24444N,初选液压缸的工作压力
2.2.2计算液压缸主要尺寸
在回油路上要装有节流调速回路,初选背压。
(1)液压缸背压选取
表2-2背压经验数据
回路特点
背压(MPa)
回路特点
背压(MPa)
回路上设有节流阀
0.2-0.4
采用补油泵的闭式回路
1-1.5
回路上有背压阀或调速阀
0.4-1.5
初选背压:
(2)液压缸杆径比的选取
表2-3按工作压力选取/d/D
工作压力/MPa
5.0
5.0~7.0
7.0
d/D
0.5~0.55
0.62~0.70
0.7
表2-4按速比要求确定/d/D
1.15
1.25
1.33
1.46
1.61
2
0.3
0.4
0.5
0.55
0.62
0.71
-无杆腔进油时活塞运动速度,
-有杆腔进油时活塞运动速度。
根据表2-3和表2-4,选择杆径比:
,故d=0.55D
表2-5液压缸径系列(单位:
mm)
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
100
125
160
200
250
320
400
500
表2-6 活塞杆直径系列 (单位:
mm)
4
18
45
110
280
5
20
50
125
320
6
22
56
140
360
8
25
63
160
400
10
28
70
180
12
32
80
200
14
36
90
220
16
40
100
250
按标准取D=100mm,则d=0.55D=55mm,圆整为d=56mm.液压缸无杆腔和有杆腔的实际有效工作面积
、
分别为:
反过来计算液压缸的工作压力
为:
2.3拟定液压系统图
2.3.1选择基本回路
2.3.1.1调速回路
(1)进口节流调速回路:
图2.7回油节流调速回路
这种调速回路是将节流阀安放在定量泵和液压缸之间,如图2.7所示。
在相
应与泵出口压力为溢流阀的调定压力时,调整节流口面积的大小,能使液压缸从全速到接近零速之间实现无极调速(最低可调速度取决于最小稳定流量)。
这种形式调速围较宽,调速比可达100以上。
存在的主要问题是:
在调速阶段泵的出口压力过高,节流和溢流损失的能量较多,尤其实在轻载低速情况下更为明显,造成系统发热和效率降低,节流的热油直接进入执行元件使漏增加;外负载的变化影响主油路和旁油路流阻相对平衡,故速度调节的稳定性差;进口节流调速不宜与负载较重、速度较高和负载变化较大场合,且液压缸五背压,不能承受负值载荷,运动不平稳,易产生振动和爬行,应用较小。
(2)回油节流调速回路:
图2.8回油节流调速回路
这种调速回路是将节流阀放在回油路上,用它来控制从液压缸流回油腔流出流量,从而也就控制了进入液压缸的流量,从而也就控制了流入液压缸的流量,从而也就控制了液压缸的速度,如图2.5所示。
回油节流调速回路与进口节流调速比较有以下优点:
可承受负向载荷(即和运动方向相同的负载),缸有背压,空气不易渗入,运动平稳;油液通过节流阀发热后直接流回油箱冷却,温升较小,可减少对系统泄漏的影响。
缺点是回油腔压力高,能量损失大,而且系统高压区的围扩大,因此对液压缸,管路强度及防泄漏要求都较高,尤其在承受负值载荷的情况下,背压
有可能大于
值甚至超过系统调定压力。
这就需要提高背压区的结构强度和密封性能,此外,速度调节的稳定性亦受外负载变化的影响,波动较大。
与进油节流调速一样,一般适用于小功率,负载变化不大的液压系统。
但由于运动较进油节流调速平稳,应用亦较之多。
2.3.1.2油源形式的确定
压系统油路循环形式有开式和闭式两种。
这主要取决于系统的调速方式:
节流调速、容积节流调速只能采用开式系统,容积调速回路多采用闭式系统。
故本系统采用开式系统。
在一个工作循环过程中,系统只有一小部分时间处于高压小流量下工作,故可选用单向定量油泵即可满足使用要求。
2.3.1.3锁止回路的确定
锁紧回路可使液压缸活塞在任意位置停止,并可防止其停止后窜动。
三位四通换向阀中位0型或M型滑阀机能可以使活塞杆在形成围任何位置停止,但由于滑阀的泄漏,能保持停止位置不动的性能不高,而本系统涉及安全问题,对锁紧要求较高,因而用泄漏较小的座阀结构液控单向阀作为锁紧元件。
在液压缸两侧油路上串接液控单向阀,换向阀中位时活塞可以在行程的任何位置锁紧。
采用换向阀可以使执行元件换向,三位换向阀有中位,不同的中位滑阀机能可使液压系统获得不同的性能。
本系统采用三位换向阀实现液压缸的换向,并采用Y型中位机能,因为换向阀中位时希望液控单向阀的控制油路立即失压,单向阀才能关闭,定位锁紧精度高。
如图2.9所示。
图2.9 用液控单向阀的锁紧回路
(5)蓄能器回路的确定:
考虑到突然停电的情况,系统中设置了蓄能器,使系统在泵停止工作时,滑动水口仍能开关两到三次,从而防止钢水在钢包中冷却凝固。
蓄能器作为辅助液压源使用。
换向阀、单向阀、蓄能器组成的蓄能器回路如下所示。
图2.10 蓄能器回路
2.3.1.4系统图的最终确定
CAXA绘图
Dwg图片格式
图纸与明细表:
Dwg图片格式
2.3.1.5液压系统原理图分析
1、自动控制回路分析
电磁换向阀4处于中位时,两个液控单向阀构成液压锁。
该液压锁能够保证液压缸在行程围任何位置停止,泄漏很小,锁紧效果很好。
在一次注入钢水结束后,滑动水口完全关闭,电磁换向阀4处于中位,锁紧液压缸的位置,等待钢水的注入,防止事故的发生。
电磁换向阀4处于左位时,形成进口节流调速回路。
压力油经过电磁换向阀4、液控单向阀4.2、单向节流阀4.4进入液压缸有杆腔,无杆腔通过单向阀4.3、液控单向阀4.1、电磁换向阀4直接接回油箱。
液压缸活塞杆向左退回,带动滑动水口下滑板向左移动,水口打开,钢水向下流入中间包。
调节单向节流阀的开度,可以调节滑动水口打开与关闭的速度。
电磁换向阀处于右位时与上述相同,压力油接液压缸无杆腔,液压缸有杆腔接回油箱,活塞杆向右运动,滑动水口关闭。
通过设置压力继电器,可以实现水口开关的自动控制。
如滑动水口完全打开后, 继续进入液压缸有杆腔,压力升高,压力继电器发出信号,电磁换向阀4动作,切换到中位,液压缸锁紧。
同理,水口完全关闭时,液压缸无杆腔压力升高,压力继电器发出信号,电磁换向阀动作,切换到中位,保证液压缸锁紧,以免事故的发生。
2、手动控制回路分析
手动控制回路工作原理与上述自动控制回路基本相同,不同的是此回路没有设置压力继电器,通过人工按按钮实现电磁换向阀的换向。
设置此回路是因为自
动控制回路不稳定,长时间使用可能失效而影响生产。
设置手动控制回路以作备用。
3、紧急关闭回路分析
某些时候需要紧急关闭滑动水口,因此设置了紧急关闭回路。
此回路由电磁换向阀2、单向阀2.1、2.2组成,如图中所示。
工作原理如下:
正常工作情况下,电磁换向阀12在弹簧作用下处于左位,由于单向阀的单向通流作用,此回路对水口的开启与关闭不产生任何影响。
当遇到紧急情况时,需要关闭滑动水口,不论活塞杆在什么位置,只需使电磁换向阀2YH通电,使其切换到右位即可。
某时刻电磁换向阀4处于左位时,液压缸活塞杆向左移动,滑动水口正在打开。
此时,电磁换向阀2通电,切换到右位。
压力油通过电磁换向阀2,单向阀2.2进入液压缸左侧,活塞杆向右移动,带动滑动水口关闭。
原通过电磁换向阀4进入液压缸右侧的压力油通过单向阀2.1、电磁换向阀2流回油箱,对活塞杆的运动不再产生影响。
因此,该紧急关闭回路能够在需要时关闭滑动水口,满足使用要求。
4、卸荷回路分析
液压系统工作时,执行元件短时间停止工作,不需要输入压力油,此时可以让液压泵卸荷。
所谓液压泵卸荷,就是让液压泵以很小的输出功率运转,或以很低的压力运转,或让液压泵输出很小流量的液压油。
停液压泵也可以使泵和电机不输出能量,但频繁的启、停影响液压泵和电动机的寿命,为此需要设置卸荷回路。
本系统卸荷回路有电磁换向阀1构成。
系统正常工作时,电磁换向阀1处于右位,对系统的正常运行不产生影响。
电磁换向阀1YH通电时,切换到左位,使压力油管道与回油管道接通,泵卸荷。
5、紧急手动关闭回路分析
紧急手动关闭回路由手动换向阀15、液控单向阀15.1、15.2(构成液压锁)组成,如图所示。
当液压系统处于手动工作状态时,紧急关闭回路便不起作用,回路存在安全隐患。
因此设置紧急手动关闭回路,在手动工作状态下,遇到紧急情况时,可以立即关闭滑动水口。
正常工作时,手动换向阀15处于中位,此回路对系统工作不产生影响。
手动操作,使换向阀15切换到右位时,压力油通过手动换向阀15、单向阀15.1进入液压缸左侧,液压缸右侧通过单向阀15,2、手动换向阀15接回油箱,滑动水口立即关闭。
此回路满足使用要求。
5、蓄能器回路分析
本系统蓄能器作为辅助动力源使用。
某时刻滑动水口处于开启状态,如果突然断电,则滑动水口不能关闭,钢水源源不断的流入中间包。
钢水温度太高,溢出会造成重大事故。
因此需要设置蓄能器回路。
蓄能器回路由蓄能器5、电磁换向阀9、单向阀5、6、9.1、9.2、溢流阀7组成。
正常工作时,电磁换向阀9通电,处于左位。
压力油通过单向阀对蓄能器蓄能。
蓄能器充满后,压力油通过溢流阀7、单向阀5流回油箱。
如果突然断电,电磁换向阀9切换到右位,蓄能器作为辅助液压源供油,流入液压缸右侧,滑动水口关闭,避免事故的发生。
所以本蓄能器回路能满足使用要求。
2.4液压辅件的选择
2.4.1选择液压泵及驱动电机
2.4.1.1确定液压泵最大工作压力
由于系统管路简单,取
故:
2.4.1.2确定液压泵的流量
由:
式中:
k-系统泄漏系数,一般取
。
此处取1.1
2.4.1.3选择液压泵型号
油泵的选择:
Y14-1B型斜盘式轴向柱塞泵,型号为:
16*GY14-1B,公称压力:
20MPa,公称排量16ml/r,额定转速:
1500r/min,驱动功率:
5.43KW。
2.4.1.4确定驱动液压泵的功率
取泵的总效率为
其中:
解得:
电机选择:
Y-132M-4(具体参照《机械设计手册》p119)
2.4.2控制阀的选择
2.4.2.1先导式溢流阀
溢流阀通过的最大流量即为泵的最大流量,q=24L/min,最大调定压力为p=5.43MPa,选择YF-B10B型号溢流阀。
2.4.2.2换向阀
通过换向阀最大流量为系统工进时流量q=9.48L/min,工作压力p=4.12MPa,
系统电磁换向阀选择联合设计系列液压阀的34S※※-H6B型号
系统手动换向阀选择常规液压阀的34S※-L10H-※型号
2.4.2.3调速阀及液控单向阀
调速阀及液控单向阀的最大流量为系统工进时流量q=9.48L/min,工作压力p=4.12MPa,
调速阀选择常规液压阀的QDFT-B8H-Y1型号
单向阀选择常规液压阀的DIF-L10H※型号
2.4.3蓄能器的选择
2.4.3.1蓄能器的参数计算
已知:
系统压力
预充气压力:
蓄能器按绝热过程计算,取n=1.2
取
代入得:
2.4.4管道的选择
2.4.4.1管道径的计算
油管系统中使用的油管种类很多,有钢管、铜管、尼龙管、塑料管、橡胶管等,必须按照安装位置、工作环境和工作压力来正确选用。
本设计中油管采用钢管,因为本设计中所须的压力是高压,P=20MPa(6.3)PMPa ,钢管能承受高压,价格低廉,耐油,抗腐蚀,刚性好,但装配是不能任意弯曲,常在装拆方便处用作压力管道一中、高压用无缝管,低压用焊接管。
本设计在弯曲的地方可以用管接头来实现弯曲。
尼龙管用在低压系统;塑料管一般用在回油管用。
胶管用做联接两个相对运动部件之间的管道。
胶管分高、低压两种。
高压胶管是钢丝编织体为骨架或钢丝缠绕体为骨架的胶管,可用于压力较高的油路中。
低压胶管是麻丝或棉丝编织体为骨架的胶管,多用于压力较低的油路中。
由于胶管制造比较困难,成本很高,因此非必要时一般不用。
管路按其在液压系统中的作用可以分为