650单机架可逆冷轧机AGC液压伺服系统设计毕业论文文档格式.doc

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3.5.4电磁换向阀 16

3.5.5电磁水阀 16

3.5.6截止阀 16

3.6液压附件的选择 16

3.6.1蓄能器 16

3.6.2过滤器 18

3.6.3温度计 19

3.6.4电加热器 19

3.6.5液位计 20

3.6.6减震喉 20

3.6.7橡胶接管 20

3.6.8测压排气接头 20

3.6.9压力表 20

3.6.10冷却器 20

3.6.11安全截止阀块 21

3.6.12位置传感器 22

3.6.13压力传感器 22

3.6.14压力继电器 22

第4章泵站的设计 23

4.1油箱的基本设计 23

4.2泵站结构设计注意事项 24

第5章集成块的设计 25

5.1集成块设计规 25

5.2设计步骤 26

5.3空间油路图 27

第6章系统建模仿真 29

6.1轧机液压压下系统建模 29

6.1.1伺服阀 29

6.1.2液压缸和负载 30

6.2系统传递函数及仿真结果 31

结论 35

参考文献 37

致谢 39

附录1外文翻译 41

附录2开题报告 57

附录3文献综述 63

.参考资料.

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，产品的尺寸进度要求日益严格。

特别是采用厚度自动控制AGC系统以后，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。

1.1.1AGC简介

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围而对轧机进行在线调节的一种控制系统。

1.1.2液压压下装置的特点

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。

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

图1-1电动压下也液压压下的比较

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

1.1.3机液反馈与电液反馈的比较

按制系统的反馈方式，液压压下装置可分为机械反馈式和电液反馈式。

机械反馈式式较早期的液压压下形式，它对油液的过滤精度不象电液伺服阀那样敏感，但它的部件多，结构复杂，惯性较大，响应频率也低，因此，新建的轧机很少采用这种形式。

电液反馈式的主要优点是系统的惯性小，反应灵敏。

随着电液伺服阀的可靠性的提高和自动控制技术的日益发展，采用这种形式的液压压下轧机逐渐增多。

液压压下装置的可靠性主要取决于液压元件和控制系统的可靠性。

液压压下装置要求较高的备品制造精度和设备维护水平以及可靠的自动化系统。

钢铁工业迅速发展的今天，钢材市场的竞争愈演愈烈。

随着国民经济的高速发展，科学技术不断进步，汽车、机械制造、电器和电子行业对板带材的质量提出了更高的要求。

对于板带钢来说，如何生产出厚度、宽度、板形、板凸度、平面形状等指标都符合实际需要的产品是关键的技术所在。

在所有的尺寸精度指标中，厚度精度是衡量板材及带材的最重要的质量指标之一。

厚度自动控制（AutomaticGaugeControl简称AGC）是提高带材厚度精度的重要方法，其目的是获得带材纵向厚度的均匀性，从而生产出合格的产品。

目前，厚度自动控制已成为现代化板带材生产中不可缺少的组成部分。

从50年代初步应用到现在，已发展到十分成熟的地步。

1.2AGC发展历史概况

1.2.1国外发展

板厚控制技术及其理论的发展经历了由粗到细、由低到高的发展过程。

上世纪三十年代以前，板带轧机厚度控制一直属于人工操作阶段。

这一阶段的轧机装机水平较低，厚度控制是以手动压下或简单的电动压下移动辊缝为主。

自三十年代以来，到六十年代进入了常规自动调整阶段。

该阶段中轧制理论的发展和完善为板带轧机的厚度控制奠定了基础。

第三阶段是六十年代至八十年代的计算机控制阶段。

这一阶段主要形成了计算机控制AGC系统，它能最大限度的消除系统不利影响，在各部分独立工作的同时，充分发挥综合优势，使系统更加完善。

第四阶段，八十年代至现在，板厚控制技术向着大型化、高速化、连续化的方向发展。

这一阶段已将板厚控制的全部过程溶于计算机网络控制的过程自动化级和基础自动化级。

两方面的不断追求合在一起，开发出高精度、无人操作的厚度自动控制系统。

1.2.2国外现状

近年来，国外在板形和板厚等控制技术方面取得了许多新的进展。

国外早在五十年代就开始在电动机械压下轧机上采用AGC控制技术以提高带材纵向厚度精度。

国外轧机的厚度控制应用于电动机械轧机和液压轧机、冷轧机和热轧机、连轧机和单机架轧机。

近30年来，国外轧机的装备水平发展很快。

在冷带轧机上广发利用液压压下、液压弯辊、厚度自动控制、板形控制和计算机控制等技术，在新技术运用方面均已采用液压AGC系统与计算机控制相结合的DCS，装设了测量精度高的三测仪表（测厚、测压、测），且装设了板形检测装置。

人工智能（AI）技术已经广泛应用,包括模糊控制（FZ）、专家系统（ES）和人工神经元网络（ANN）技术在AGC系统中的应用,已经取得了巨大成果和经济效益。

我国在这方面的发展也很迅速，如在基础控制方面、计算机控制、控制算法上取得了很大成绩。

智能控制等先进控制技术在轧机轧制力控制等方面也有了初步应用，并取得了一定成果。

我国自行研制的冷热板带轧机的液压AGC系统在轧制线上也得到了成功应用。

我国的现有冷带板的生产已有较大的改善。

然而总体上还存在着装备水平低，单套机组产能低，产品质量有待提高等诸多问题。

近几年，许多引进的轧机相继进行了技术改造，增加液压压下系统，并配备计算机控制系统，实现液压厚度自动控制。

开发实用性、高精度自控系统装备现有的设备，能使我国钢铁冷轧设备的控制水平进一步提高。

1.2.3发展趋势

虽然AGC系统在各个方面有不同程度的发展，但是，由于各方面因素的限制，AGC系统还并不完美。

对于AGC这样一个多变量、强耦合、非线性的实时控制过程,一方面采用最优控制、多变量控制、自适应控制、预测控制等最新控制理论,以追求控制性能的最高水平；

另一方面采用神经网络、模糊控制、遗传算法等智能算法，以追求系统的灵活性和多样性。

以上两方面的追求融合在一起,开发出高精度的厚度自动控制系统是AGC控制技术发展的大趋势。

各种控制理论和智能算法的不同组合也在这一领域提供了广阔的探索空间。

第2章液压伺服控制系统设计

2.1液压伺服控制系统

2.1.1概念

液压伺服控制系统是自动控制这一领域中的重要组成部分。

自动控制就是用各类控制装置和仪表包括计算机代替人工，自动地，有目的地控制和操纵机器及生产设备，是生产的性能、机械化和自动化的水平不断提高，自动控制已成为现代化生产的必要条件之一。

研究连续自动控制系统运动规律的理论，一般称为反馈控制理论；

反馈控制理论的基础是线性连续反馈控制理论。

反馈控制是实现自动控制的最基本方法。

液压伺服控制系统以其相应快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。

2.1.2组成

液压伺服控制系统的类型和应用场合相当广泛，然而一个实际的液压控制系统不论如何复杂，都是由输入元件，检测反馈元件、比较元件及转换放大装置（含能源）、执行器和控制对象等基本元件构成。

输入元件——根据系统动作要求，给出输入信号，加于系统的输入端。

比如计算机、电位器、信号发生器等；

比较元件——将反馈信号与输入信号进行比较，产生偏差信号加于放大装置。

其不单独存在；

检测反馈元件——用于检测系统的输出量并转换成反馈信号，加于系统的输入端与输入信号进行比较，从而构成反馈控制。

比如各类常见的传感器；

转换放大装置——将偏差信号的能量形式进行变换并加以放大，输入到执行机构。

比如各类液压控制放大器、伺服阀、比例阀等；

执行器——驱动受控对象动作，实现调节任务。

比如液压马达、液压缸等；

受控对象——和执行器的可动部分相连接并同时运动，在负载运动时所引起的输出量中，可根据需要选择其中某物理量作为系统的控制量；

液压能源——为系统提供驱动负载所需的具有压力的液流，是系统的动力源。

比如液压泵站。

2.1.3工作原理

液压伺服控制系统是利用反馈控制的基本原理将被控制对象的输入信号即输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地回输到系统的输入端，并与给定值进行比较形成偏差信号，并产生对被控对象的控制作用，使系统的输出量与给定值之差保持在允许的围之。

与此同时，输出功率被大幅度地放大。

液压伺服控制系统的工作原理可由下图说明。

图2-1液压伺服系统的工作原理

2.2控制系统拟定原则

2.2.1总则

电液伺服系统的控制方案主要是根据设计要求，如被控物理量、控制功率的大小、执行器的运动方式、各种动静态性能指标值以及环境条件和价格等因素考虑决定的。

为使所设计的系统具有先进性，应避免在设计中出现重大失误，拟定系统总体方案时应进行同主系统的情况论证和初拟几种方案进行对比分析，初步确定一个较优方案。

2.2.2细则

要求结构简单、造价低、控制精度不需要很高的场合宜采用开环控制。

反之对于外界干扰敏感、控制精度要求高的场合宜采用闭环控制。

若采用闭环控制，则还应考虑检测反馈元件的形式。

凡是要求响应快、精度高、结构简单，而不计较效率低、发热量大、参数变化围大小功率系统可采用阀控方式；

反之采用泵控方式。

在选择液压执行器时，除了运动形式外，还需考虑行程和负载。

液压放大元件和液压执行元件的不同组合可得到不同类型的液压动力元件。

其类型不仅决定了系统的拖动特性，而且对系统的动静态品质也有较大影响，必须根据设计要求综合考虑。

2.3650轧机液压压下伺服系统

2.3.1明确设计要求

液压伺服控制系统是被控对象——主机的一个组成部分，它必须满足主机在工艺上和结构上对其提出的要求。

轧机的液压压下位置控制系统，除了应能够承受最大轧制负载，满足轧钢机轧辊辊缝调节最大行程，调节速度和控制精度等要求外，执行机构——压下液压缸在外形尺寸上还必须保证满足更换轧辊方便等要求。

工艺上要能根据设定值时时调控轧制产生的板型，并能在意外情况发生或轧制力突然升高的情况下快速抬辊，停机换辊时操作的方便性等。

明确设计的是位置恒值控制系统，忽略其他的控制方式以便于设计。

主机所需的最大轧制力、控制最大速度等条件已经明确给定。

轧机一般工作在车间的室环境。

且设计时要注意尺寸、重量、成本、噪声、可靠性、安全保护等其他因素。

2.3.2拟定控制方案，绘制液压原理图

此设计仅考虑压下中的位置控制。

且要求具有较强的抗干扰能力，对系统参数变化不太敏感，控制精度高、响应速度快的性能，故采用闭环控制，相对成本较高。

由于压下的运动形式为直线，出力较大，采用阀控液压缸的结构。

该控制方式的特点是结构简单，成本较低，小行程及小惯量负载时液压固有频率高。

但随行程增加固有频率随之降低，系统响应速度及稳定性均变坏；

系统效率低。

阀控缸的方式中常用的有四通阀——对称缸控制方式和三通阀——不对称缸控制方式。

由于四通阀有两个节流口，压力损失大，功率损失大，油温升高，增大了系统的冷却负担等因素，轧机液压压下是三通阀——不对称缸控制方式的典型。

绝大多数阀控系统采用恒压油源：

供油压力恒定，控制阀的压力——流量特性的线性度好，系统精度和响应速度高，但系统效率低。

综上考虑可得系统方块图如下：

图2-2系统方块图

拟定的系统控制原理图如下：

图2-3液压压下系统原理图

2.3.3设计计算动力元件参数

动力元件是伺服系统中的关键元件。

它的一个主要作用是在整个工作循环中使负载按要求的速度运动。

其次，它的主要性能参数能满足整个系统所需要的动态特性。

此外，动力元件的参数选择还必须考虑与负载参数的最佳匹配，以保证系统的功耗最小，效率高。

动力元件的主要参数包括系统的共有压力、液压缸的有效面积（或液压马达排量）、伺服阀的流量。

当选定伺服马达作执行元件时，还应包括齿轮的传动比。

已知参数如下：

总轧制力650T，AGC速度2.5~3mm/s,行程60mm，系统压力28MPa，液柱最高50mm，系统频宽>

=25HZ。

对于某些较为简单的负载轨迹，可以利用负载最佳匹配原则，采用解析法确定液压动力元件的参数。

解析法：

（1）负载压力

（2-1）

故最大功率输出点的负载力

（2-2）

压力由双边缸执行，故单边缸的负载力

（2-3）

故可得液压缸的无杆腔面积为

（2-4）

由确定速比，则查表知，

（2-5）

计算得，

由GB/T2348-1993的规定圆整后，

，

则修定后的缸无杆腔面积为

缸工作时所需的最大流量

（2）由于伺服阀输出功率最大时对应的负载流量与最大空载流量存在：

（2-6）

最大输出功率点负载速度

（2-7）

则

考虑泄露，改善系统的控制性能，并未负载分析不周之处留有余地，把负载流量扩大30%

压降

（2-8）

由曲线查得

第3章液压元件的计算及其选择

3.1自制伺服液压缸

液压缸是由于系统中最常用的执行元件。

液压缸缸体材料为45号无缝钢管。

活塞材料为45号钢，活塞与缸体之间既有相对运动，又需要使液压缸两腔之间不漏油，因此在结构上应慎重考虑。

由上章的计算可得知：

伺服缸的径D，活塞杆的直径d分别为：

伺服缸无杆腔面积为：

缸工作时所需的最大流量：

缸筒壁厚的计算：

1．按中等壁厚计算

当3.2≤D/δ≤16时，液压缸缸筒属于中等壁厚，此时

（3-1）

式中

δ——液压缸缸筒厚度（m）；

Py——试验压力（MPa）；

工作压力p≤16MPa时，Py=1.5p；

工作压力p≥16MPa时，Py=1.25p，Py=1.2525=31.25MPa

D——液压缸径（m）；

[δ]——缸体材料许用应力（MPa）；

[δ]=δb/n

Δb——缸体材料抗拉强度（MPa）；

N——安全系数；

n=3.5～5，一般取n=5

ψ——强度系数；

对于无缝钢管，ψ=1

c——计入壁厚公差及腐蚀的附加厚度，通常圆整到标准厚度值。

对于45钢：

[δ]=122Mpa

带入数值，计算得壁厚δ=89.7mm,考虑c值，圆整为90mm。

则缸筒外壁直径D1=680mm。

2壁厚验算

①额定工作压力Pn应低于一定极限值，以确保安全

（3-2）

式中

——材料屈服强度，360Mpa；

D1——缸筒外径，680mm；

Pn≤58.24Mpa，满足要求。

②额定工作压力Pn应与完全塑性变形压力有一定的比例围，以避免塑性变形的产生。

Pn≤（0.35～0.42）Prl（3-3）

（3-4）

Prl——缸筒完全塑性变形的压力；

Pn≤44.6Mpa，满足要求。

3.2伺服阀的选择

伺服阀是该伺服系统中很重要的元件，它的性能的好坏直接关系着该伺服系统的精度。

所以必须选择性能优良，质量有保证的产品。

由以上的计算可知。

由产品样本手册选型：

D661G15KSAO4NSX2HA，通径为15mm,生产厂家为MOOG。

3.3液压泵的选择

3.3.1主泵——轴向柱塞泵

（1）确定液压泵的最大工作压力

（3-5）

式中

——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,管路复杂，进口调速阀的，取。

已知系统工作压力为28MPa，取管路损失，所以系统最高压力，P≥28+1.5MPa=29.5MPa

（2）确定液压泵的流量

多液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量应为

（3-6）

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。

（3）选择液压泵的规格

根据以上求得的压力和流量，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%。

液压泵选择轴向柱塞泵，恒压控制，A11VO40LR/1R-NZC12N00VP型号。

最大排量42ml/r，最大流量为126L/min，重量为32Kg，功率为74KW。

生产厂家为MOOG。

3.3.2辅泵——叶片泵

系统中有两个叶片泵（一工一备），为伺服缸有杆腔提供背压，同时为柱塞泵助吸。

故该泵的流量必须大于轴向柱塞泵的流量，且伺服缸有杆腔提供背压大致为1MPa。

故选用泵型号为CB-B160。

该泵流量为160L/min,额定压力为2.5MPa,转速1450r/min,驱动功率8.2KW，重量23.5Kg。

生产厂家为液压件厂。

3.4电机的选择

由泵的驱动功率选择电动机。

柱塞泵电动机选型HM2-280M1-4，额定功率为90KW，转速为1480r/min，重量为636Kg。

叶片泵电动机选型HM2-132M1-4，额定功率为11KW，转速为1440r/min，重量为85Kg。

卧式底脚安装。

生产厂家为华力电机厂。

3.5阀类元件的选择

3.5.1减压阀

位于换向阀前的减压阀的主要作用是当伺服缸快抬时,由主泵供油，降低压力，根据流量和压力选择DR20-5-5X/100M型减压阀。

根据要求快抬的速度设定调定压力值为20MPa。

生产厂家为博世力士乐公司。

3.5.2电磁溢流阀

在柱塞泵后的电磁溢流阀的主要作用是安全阀，当油路堵塞压力突然升高时保护泵。

选择型号DBW10B3-5X/315，常闭型，阀口通径10mm，最大流量250L/min,最高工作压力315bar，调定压力值为32.5MPa。

板式连接。

在叶片泵后的电磁溢流阀主要作用是当液压泵转速恒定时，将多余的流量溢流，在系统中建立起正常工作压力，泵工作之前卸荷，起溢流阀的作用。

选择型号DBW10B3-5X/50，常闭型，阀口通径10mm，最大流量250L/min,最高工作压力315bar，调定压力值为1.5MPa。

安装在伺服缸入口的电磁溢流阀的主要作用是当轧制力突然增大时，调节伺服缸的压力，确保伺服缸安全，起安全阀的作用。

这里选择压力阀的要求时溢流流量略大于单缸流量，压力要求比伺服缸的额定工作压力大一些，在压力超调时能相应的打开阀芯进行溢流，且带卸荷功能。

选择型号DBW10B3-5X/315，常闭型，阀口通径10mm，最大流量250L/min,最高工作压力315bar,调定压力值为29MPa。

3.5.3单向阀

柱塞泵入口处的单向阀选择管式连接，S35A1.0，通径为35mm。

重量为2.5kg。

叶片泵给柱塞泵供油的管路上的单向阀为管式连接，S25A1.0，通径为25mm。

泵的出口接单向阀的作用是保护液压泵，它允许高压油液单向流入系统，当泵的输出压力较小时，防止系统压力突然升高而使液压泵损坏，还可防止系统在泵停机时，高压油倒流回油箱。

安装在泵出口的单向阀要求过流量略大于泵的最大供流量，耐压高于系统最高压力，在本系统中选用的单向阀主要为板式连接，要求按装载集