高线步进式80吨加热炉毕业设计.docx

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高线步进式80吨加热炉毕业设计

武汉科技大学

高职毕业设计

题目：

高线步进式80吨加热炉

学院:

机械学院

专业:

机电一体化

学号:

学生姓名:

指导教师:

日期:

二○一三年五月

摘要

步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。

广泛应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。

本次设计任务是设计步进梁加热炉的液压系统，采用普通液压阀，由于在以一个运动周期中，要求能适应不同的负载变化和钢坯运动速度，要通过控制系统的流量来满足这些要求。

为了防止步进梁前移时产生的惯性，本系统采用了缓冲阀组成压力补偿回路，起到了缓冲作用。

为了保证步进梁下降时平稳下降，在回路上采用了平衡阀，保证了其平稳下降。

为了实现钢坯在出现故障的时候能够在任意位置停止，系统加入了液压锁紧装置，以免出现系统失控。

关键字：

步进式加热炉；普通液压阀；锁紧

Abstract

Walkingbeamtypefurnaceusethebeamatthebottomofthefurnaceofthecoolsteelbeamtorise，togoahead，tocomedown，togoback.Itiswidelyusedinthepetroleum，chemical，metalllurgy，machinery，heattreatment，surfacetreatment，buildingmaterials，electronic，materials，lightindustry，chemical，pharmaceuticalandotherindustries.

Thedesigninmainlytodesignthehydraulicproportioningsystemforthewalkingbeamtypefurnace.,Inthisdesign,thenormalhydraulicvalvewillbeused.Asweknowthespeedofthebeamwillchangeatthereasonofthechangeoftheloadinacircle,sowemustchangetheflowofhydraulicactuatingcylinder.Inordertoavoidtheinertiageneratedwhenthewalkingbeamgoesahead，thebufferingvalveisbeenused.Inordertoensureansteadydeclinewhenthewalkingbeamgoesdown.,thebalancevalveisbeenusedtoensureitssteadydecline.Asthesametime,weuselockingacuipementtofastingthebeamatanylocationincaseofmalfunction.

Keyword:

Walkingbeamtypefurnace;Thenormalhydraulicvalve;Lockingacuipement

一绪论6

1.1背景及工艺6

1.2设计任务6

1.2.1设计题目6

1.2.2主要技术参数及要求6

1.3设计方案6

二液压系统的计算与选型7

2.1系统工作压力的确定7

三计算最大负载……………………………………………………………………………………………………………7

四确定系统压力范围…………………………………………………………………………………………………….8

五按PMIN，确定油缸尺寸，圆整。

……………………………………………………………………………9

5.1.执行元件的计算与选型9

5.1.1升降液压缸9

5.1.2水平液压缸9

5.2执行元件速度的计算9

六油缸的进退流量……………………………………………………………………………………………………….9

6.3执行元件流量的计算9

6.3.1升降液压缸9

6.3.2水平液压缸10

七画出循环时间---流量图....................................................................................................

流量循环图10

八泵流量的确定12

8.1液压泵的选择12

8.1.1确定液压泵的最大工作压力PP12

8.1.2确定液压泵的流量QP12

8.1.3确定液压泵的驱动功率13

九选择液压元件

9.1.液压阀的选择13

9.1.1升降液压缸13

9.1.2水平液压缸14

9.1.3蓄能器的选择15

9.2油箱的选择17

9.3滤油器的选择18

9.4冷却器的选择19

9.5加热器的选择21

9.6管道的选择21

9.6.1管道内径计算22

9.6.1.1吸油管路22

9.6.1.2压力管路22

9.6.1.3吸油管路23

结束语28

参考文献29

一绪论

1.1背景及工艺

步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。

炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。

前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。

轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成。

步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。

同推钢式炉相比，它的优点是：

运料灵活，必要时可将炉料全部排出炉外；料坯在炉底或梁上有间隔地摆开，可较快地均匀加热；完全消除了推钢式炉的拱钢和粘钢故障，因而使炉的长度不受这些因素的限制。

改进的步进式加热炉，属于冶金行业生产设施，它包括炉体，炉体的侧墙由内向外分别是低水泥料层、隔热砖层、硅酸铝纤维毡隔热层，炉体分为预热段、加热段、均热段，加热段的两面侧墙上设置调焰烧嘴，均热段的上加热段设置平焰烧嘴，均热段的下加热段设置调焰烧嘴，调焰烧嘴的煤气和空气的混合气管道上设置电磁阀和调节阀，平焰烧嘴的煤气和空气的混合气管道上设置调节阀，空气总管道和煤气总管道设置在炉顶。

1.2设计任务

本次任务是设计步进式加热炉液压系统，具体细节如下。

1.2.1设计题目

步进式加热炉液压系统设计

1.2.2主要技术参数及要求

1.加热炉横移部件重量20T，升降部件重量20T，坯料重量80T；

2.步进梁垂直位移600mm，水平位移2500mm；

3.液压系统最高工作压力不超过20MPa；

1.3设计方案

此次设计主要是设计一个步进式加热炉液压系统设计。

要求这个液压系统能实现自动化，能进行过载保护，工作平稳，能够在一定范围内进行无级调速，在步进梁式加热炉里，钢坯移动是通过固定梁和载有钢坯的移动梁进行的。

步进梁的一个工作周期分为水平，前进，下降，后退四个动作。

在步进梁的水平运动和升降运动中，运动过程都是先加速运动，后做匀速运动，最后做减速运动，速度减为0，然后切换到下一个运动过程。

在步进梁的运动中，我们始终要保证其平稳运动，既要控制进入或流出液压缸的流量。

为了满足上列工作要求，采用如下方案。

1压力的选定要根据设计任务的要求并考虑压力损失，初步选定液压系统的工作压力不能超过20MPa，由于系统工作压力应比最高工作压力低10%-20%,故系统的实际工作压力为16-18MPa。

采用两个升降液压缸来完成步进梁的垂直运动，采用单向节流阀进行回油调速，从而保证升降液压缸的速度平稳，同时采用了平衡阀，保证液压缸在下降时平稳下落。

2平移机构的水平运动用一个水平液压缸来实现，采用了普通差装阀组成压力补偿回路，有效防止了步进梁前移时产生的惯性冲级，起到了缓冲作用。

3在快速运动的液压机械或系统需要大流量时为节省能源，通常采用多泵供油或将蓄能器作为辅动力源供油。

为解决大流量的供油问题，本系统设计了用三位无通换向阀组成的差动回路，成功的满足了步进梁下降所需的大流量。

4以上液压缸的动作实现都要用一供一备的变量液压泵来提供压力油。

二液压系统的计算与选型

2.1系统工作压力的确定

压力的选定要根据设计任务的要求并考虑压力损失，初步选定液压系统的工作压力不能超过20MPa，由于系统工作压力应比最高工作压力低10%-20%,故系统的实际工作压力为16-18MPa。

2.2执行元件的计算与选型

升降液压缸分为上升和下降两个动作，采用两个升降液压缸完成，水平液压缸分为前进和后退两个动作，采用一个水平液压缸完成。

要完成液压缸的选取，先要计算其负载。

三计算最大负载

由于活动升降油缸要承受钢坯重量，所以升降油缸所承受负载为最大负载。

另外，考虑到惯性载荷的作用，取外载荷为活动部件及钢坯重量的1.3倍。

活动梁升降油缸的外载为FW=1.3mg=1.3*100000kg*9.8n/kg=1.274*106N

除外载荷外还应考虑摩擦阻力Fm，由于各种缸的密封材质和密封形式不一样，密封阻力难以精确计算，一般估算。

Fm=（1-µm）*F--------（2.2）[µm为液压缸的机械效率，一半取0.90-0.95，本设计取0.95]

F=FW/µm-------------（2.3）

所以活动梁升降油缸的外载荷F=FW/µm=1.274*106/0.95=1341052.6N

三根据时间确定各执行元件的速度

一般托住工件远行时要求比较稳，所以速度也较慢，取100ms,空载时取150ms,所以有：

（1）活动梁托住钢坯上升600mm（6s）

（2）活动梁托住钢坯水平位移2500mm（25s）

（3）活动梁下降600mm（4s）

（4）活动梁归为2500mm（17s）

四确定系统的压力范围

技术要求系统最高压力为20Mpa,系统压力一般取2/3Pmax~Pmax,,故取12~18MPa

五按Pmin，确定油缸尺寸，圆整。

5.1系统工作压力的确定

压力的选定要根据设计任务的要求并考虑压力损失，初步选定液压系统的工作压力不能超过20MPa，由于系统工作压力应比最高工作压力低10%-20%,故系统的实际工作压力为18MPa。

5.2执行元件的计算与选型

升降液压缸分为上升和下降两个动作，采用两个升降液压缸完成，水平液压缸分为前进和后退两个动作，采用一个水平液压缸完成。

要完成液压缸的选取，先要计算其负载。

5.2.1升降液压缸

图2.1液压缸受力图

由上图可知：

（2.1）

由（2.1）式可得：

（2.2）

式中

------液压缸工作压力，初算时可取系统工作压力

------液压缸回油腔背压力，初算时无法准确确定，根据《液压系统设计简明手册》表2-2，取P2为2MPa。

d/D-----活塞杆直径与液压缸内径之比，根据《液压系统设计简明手册》表2-3，取d/D=0.7.

F-------工作循环中最大的外负载。

------液压缸密封处摩擦力，它的准确值不易求得，常用液压缸的机械效率

进行估算

（2.3）

式中

-----液压缸的机械效率，一般

=0.9～0.97，这里取

=0.95。

外负载F=100×103×9.8=980000N

由于由两个液压缸同时作用，所以单个液压缸的负载为外负载的一半。

所以F=490000N

代入（2.2）式得

D=196.7mm

d=0.7D=137.6mm

根据《机械设计简明手册》表2-4，D圆整到200mm，d圆整到140mm。

由于升降缸的垂直位移是600mm，查机械设计手册，采用升降缸的型号为

ZQ-200/140X630

5.2.2水平液压缸

其中外负载F=100×103×9.8×0.1=980000N

取P1=18MPa,P2=2Mpa,ηcm=0.95,d/D=0.7

代入（2.2）式得

D=87.98

d=0.7D=61.59mm

根据机械设计简明手册表2-4，D圆整到80mm，d圆整到60mm

由于水平缸的水平位移为2500mm，查机械设计手册，采用水平缸的型号为

ZQ-80/60X2600

六油缸进退流量

6.1升降液压缸

基本参数D=200mm，d=140mm，

=60mm/s，

=120mm/s

上升时进入升降缸的流量：

下降时进入升降缸的流量：

6.2水平液压缸

基本参数D=90mm，d=60mm，

=250mm/s，

=500mm/s

前进时进入水平缸的流量：

后退时进入水平缸的流量：

由于升降缸是由两个缸同时作用，故其流量是两个液压缸流量之和。

七画出循环时间---流量图

.

八泵流量的确定

多液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量应为

QP≥K（∑Qmax）（2.6）

式中K-----系统泄漏系数，一般取K=1.1～1.3，这里取1.2；

∑Qmax—同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量，可从（Q-t）图上查得。

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量，一般取0.5×10-4m3/s。

根据上述计算，Qmax=192L/min，QP≥1.2×（192+0.05×60）=234L/min。

九液压元件的选择和专用件设计

9.1.1液压泵的选择

9.1.1.1确定液压泵的最大工作压力PP

（2.5）

式中P1----------液压缸或液压马达最大工作压力；

∑△p------从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。

∑△p的准确计算要待元件选定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，流速不大的，取∑△p=（0.2～0.5）Mpa；管路复杂，进口有调速阀的，取∑△p=（0.5～1.5）Mpa，这里取1.2Mpa。

由于上述计算的最大压力P1=25.99Mpa，所以pP≥27.19Mpa。

9.1.1.1确定液压泵的驱动功率

由于在工作循环中，液压泵的压力和流量比较大，即（Q-t），（P-t）曲线起伏较大，所以必须分别计算出各个动作阶段内所需功率，驱动功率取其平均功率

（2.7）

式中t1，t2……tn--------一个循环内每一动作阶段内所需要的时间（s）；

N1，N2……Nn------一个循环内每一动作阶段内所需要的功率（W）。

其中N1=14.14KW,N2=3.56KW,N3=0,N4=14.31KW。

t1=10s,t2=10s,t3=5s,t4=5s

代入上式得Nper=10.24KW。

查阅《机械设计手册》第四卷表17-1-29，选取电动机型号为Y4-160M2-2.其参数为：

额定功率P额=15KW，转速n=2930r/min，效率η=0.89。

根据以上求得的pP和QP值，按系统中拟定的液压泵的形式，从产品样本或手册中选择相应的液压泵。

为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大25%～60%。

参照力士乐柱塞泵样本，选取力士乐a4vso180系列柱塞泵，其性能参数如下所示:

排量Vgmax（cm3/r）180 

最高转速nmax（rpm）1800 

最大流量（L/min）当n=nmax324 

当n=1500rpm270 

最大功率（KW）当n=nmax189 

当n=1500rpm158 

最大扭矩△P=35MPa（Nm）1002 

扭矩△P=10MPa（Nm）286 

重量[近似值]（Kg）103 

注:

1）只要在吸油S处有0.1MPa的绝对压力则所示的数值成立。

液压泵工作压力范围 

S口[进油口]的绝对压力Psmin=0.08MPaPsmax=3MPa

B口[出油口]的压力额定压力P=35MPa峰值压力=40MPa

9.2液压阀的选择

选择阀根据系统的工作压力和实际通过阀的最大流量，选择有定型产品的阀件，溢流阀按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，要考虑最小稳定流量应满足执行机构的最低稳定速度的要求。

控制阀地流量一般要选的比实际通过的流量大一些，必要时也允许有20%的以内的短时间过流量。

9.2.1升降液压缸

下图为升降液压缸原理图:

图2.6升降回路原理图

根据以上计算得，上升时的流量为188.4L/min，下降时的流量为192L/min；

电磁换向阀：

查阅《力士乐液压样本》，选取4WEH16J7XO/6EG24K4力士乐系列三位斯通电磁换向阀，1个。

单向节流阀：

查阅《力士乐液压样本》，选取Z2FS16-3X/SV力士乐系列单向节流阀，2个。

。

液压锁：

查阅《力士乐液压样本》，选取Z2S16-2-5X/V力士乐系列液压。

平衡阀：

查阅《机械设计手册》，选取FD16PA10平衡阀.

9.2.2水平液压缸

下图为水平液压缸原理图

图2.7水平液压缸

根据以上计算得，水平液压缸前进时的流量为158.96L/min，水平液压缸后退时的流量为176.6L/min.。

电磁换向阀：

查阅《力士乐液压样本》，选取5-WE10J3X/CG24K4/V力士乐系列三位四通电磁换向阀，1个。

双单向节流阀：

查阅《力士乐液压样本》，选取Z2FS10-5-3X/V力士乐系列单向节流阀，2个。

液压锁：

查阅《力士乐液压样本》，选取Z2S10-1-3X/V力士乐系液压锁液控式单向阀。

其它阀的选择:

电磁溢流阀：

查阅《力士乐液压样本》，选取DBW10A12-50电磁溢流阀。

单向阀：

查阅《机械设计手册》，选取S30A3O单向阀。

截止阀：

查阅《机械设计手册》，选取YJZQ-H10N截止阀。

9.3蓄能器的选择

蓄能用的蓄能器包括“做辅助动力源”，“补偿泄漏保持恒压”，“做应急动力源”，“改善频率特性”和做液压空气弹簧等。

由于本系统为高压系统，故选用皮囊式蓄能器。

蓄能器总容积的计算：

蓄能器的总容积V0，即充气容积（对活塞式蓄能器而言，是指气腔容积与液腔容积之和）。

根据玻尔定律：

（2.8）

蓄能器工作在绝热过程（t<1min）时，n=1.4，其总容积：

（2.9）

P0-----充气压力，MPa

P1-----最低工作压力，MPa

P2-----最高工作压力，MPa

以上压力均为绝对压力，相应的气体容积分别为V0，V1，

n------指数，绝热过程n=1.4（对氮气和空气），

Vw-----有效工作容积，L。

（1）计算P1

作为辅助动力源来说，蓄能器的最高工作压力为

P1=（P1）max+（∑Δp）max（2.10）

（P1）max------最远液压机构的最大工作压力，MPa

（∑Δp）max---蓄能器到最远液压机构的压力损失之和，MPa

由系统图和计算可得，（P1）max=25.99MPa.（∑Δp）max=0.5MPa×3=1.5MPa。

所以P1=（P1）max+（∑Δp）max=25.99MPa+1.5MPa=27.49MPa。

（2）计算P2

作为辅助动力源的蓄能器，为使其在输出有效工作容积过程中液压机构的压力相对稳定些，一般推荐

P1=（0.6～0.85）P2

这里取P2=25MPa。

（1）计算P0

在保护胶囊，延长其使用寿命的条件下：

P0=（0.8～0.85）P1（2.10）

这里取P0=0.8P1=0.8×27.49MPa=21.99MPa

（2）计算VW

对于作为辅助动力源的蓄能器，可按下式粗算：

（2.11）

-------最大耗油量处，各执行元件耗油量总和，L

---------液压缸工作腔有效面积，m2

----------液压缸的行程，m

K-----------系统泄漏系数，一般取K-=1.2

-------泵站总供油量，L/min

t-----------泵的工作时间，s

----------应急操作时，各执行元件耗油量，L

其中

∑Qpt=188.4L/min×10s+192L/min×10s+158.96L/min×5s+176.6L/min×5s=91.36L

将以上参数带入公式（2.11），得：

VW=19.53L

将以上求得参数代入公式（2.9）得V0=102.9L

查《力士乐样本》，选取NXQ1-108/30-L-H型蓄能器，其公称容积为108L，其公称压力为30MPa。

查《力士乐样本》，选取安全阀组ABZSS30M30/330B/S307G24K4

9.4油箱的选择

油箱在系统中的功能，主要是储油和散热，也起着分离油液中的气体及沉淀污染的作用。

根据系统的具体条件，合理选用油箱的容积，形式和附件，以使油箱充分发挥作用。

油箱有开式和闭式两种。

开式油箱应用广泛，箱内液面与大气相通，为防止油液被大气污染，在油箱顶部设置空气滤清器，并兼作注油口用。

闭式油箱一般指箱内液面不直接与大气相通，而将通气孔与具有一定压力的惰性气体相接，充气压力可达到0.05MPa。

油箱的形状一般采用矩形，而容量大于2m3的油箱采用圆筒形结构比较合理，设备重量轻，油箱内部压力可达0.05MPa。

油箱必须有足够大的容量，以保证系统工作时能够保证一定的液面高度，为满足散热要求，需要设置冷却装置。

油箱的回油口一般都设置系统所需要求的过滤精度的回油过滤器，以保持返回油箱具有允许的污染登记，油箱的排油口为了防止意外落入油箱中的污染物，要装吸油网式滤油器。

油箱中需设置隔板将吸回油管隔开，使液流循环，油流中的气泡与杂质分离与沉淀。

油箱的排油口与回油口之间的距离应尽可能远些，管口都应插入最低油面之下，以免发生吸空和回油冲溅产生气泡。

管口制成45度的斜角，以增大吸油及出油的截面。

油箱有效容量一般为泵每分钟流量的3～7倍。

对于行走机械，冷却效果比较好的设备，油箱的容量可选择小些；对于固定设备，空间，面积不受限制的设备，则应采用较大的容量，如冶金机械液压系统的油箱容量通常取每分钟流量的7～10倍，锻压机械的油箱容量通常取为每分钟流量的6～12倍。

本系统为冶金机械的设计，故V=（7～10）QP，其中V为油箱容积，QP为泵的最大流量，由泵的技术参数可知，1800r/min时最大流量为324L/min，取V=10QP，所以V=324L/min×10=3240L/min,故可取油箱容量为3300L，所以采用矩形油箱。

9.5滤油器的选择

滤油器是液压系统中的重要元件。

他可以清除液压油中的污染物，保持油液清洁度，确保液压元件工作的可靠性。

滤油器按其过滤精度的不同，有粗过滤器，普通过滤器，精密过滤器和特精过滤器四种。

在选用滤油器时，应注意以下几点。

（1）有足够的过滤精度，过滤精度是指通过滤芯的最大坚硬颗粒的大小，以其直径d的公称尺寸表示。

其颗粒越小，精度越高。

不同的液压