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
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