高线集卷站双臂芯棒液压系统设计文档格式.docx
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1.2主要设计参数2
1.3系统工作情况分析2
2设计计算3
2.1液压缸设计计算3
2.1.1油缸的设计原则3
2.1.2油缸的选型3
2.1.3油缸参数计算4
2.2泵的选择计算4
2.2.1泵的选择计算原则4
2.2.2系统流量计算4
2.2.3流量计算5
2.2.4泵的参数计算5
2.3液压泵的驱动功率及电机的选择5
2.3.1驱动功率计算5
2.3.2电动机的选择6
2.4阀的选择计算6
2.4.1比例方向控制的选取6
2.4.2平衡阀的选取7
3辅助元件的选择计算8
3.1管路8
3.1.1壁厚的计算8
3.1.2内径计算9
3.1.3软管10
3.1.4管接头10
3.2油箱的设计计算10
3.2.1油箱设计原则10
3.2.2油箱参数设计计算11
3.2.3油箱容量的计算12
3.3系统发热功率计算12
4溢流阀的选取13
4.1溢流阀的作用13
5过滤器的选择14
5.1过滤器的配置14
5.2压油过滤器14
5.3回油过滤器14
6循环冷却系统的设计计算16
6.1各个参数计算16
6.2动力源螺杆泵的选取16
6.3驱动电机的选择17
6.4循环过滤器的选择17
6.5热交换器的选择17
6.5.1计算散热面积17
6.5.2冷却水量的计算18
6.6加热器19
6.7压力表的选择19
7液压工作介质的选取20
8控制阀阀块的设计21
结束语22
参考文献23
致谢24
前言
随着中国加入世界贸易组织，进口钢材关税的下调和进口限额或配额的逐步取消，钢铁企业的国际、国内竞争会更加激烈，世界经济全球化趋势使钢铁工业未来的发展日益成为各国钢铁企业的关注的对象。
加入WTO后，我国钢铁企业将会受到国外一流企业的优质低价进口产品的挑战。
要在这场竞争中立于不败之地，我国钢铁企业必须不断的发展进步，提高产品质量，增加产品的高附加值。
在这种大环境下，我国钢铁企业结构近几年来不断优化，已取得了可喜的成绩，其重要原因之一就是近十年来钢铁企业贯彻了大力进行企业技术改造的方针，增强了企业自身的竞争能力。
经济的发展历史表明：
任何一个国家的现代化进程，都是不断进行技术发行的过程。
许多实践证明，对现存的老设备积极的进行革新和改造是提高生产现代化水平的重要途径，特别是设备更新受资金来源和供应条件等限制的情况下，对现有的设备进行技术改造有更大的现实意义。
高速线材轧制线上的散卷必须通过集卷站双臂芯棒的作用不断将盘卷收集至运卷车上，才能使生产得以维持。
双臂芯棒的控制系统为比例液压系统，双臂芯棒本身加上盘卷的重量有几吨，而且旋转力臂较长，并需要两个方向旋转180°
，这就形成了大惯量的比例液压控制系统，同时需要很好的控制精度。
1系统设计方案确定
1.1系统设计要求
双臂芯棒主要是由齿轮齿条摆动液压缸的输出扭矩来带动芯棒的旋转。
系统主要由电液比例方向控制阀，液压缸，液压泵站等几部分组成。
双齿轮齿条摆动缸同步运动从而带动内部齿轮旋转，输出扭矩，液压缸油电液比例方向控制阀的电信号精准控制，系统比例方向控制阀都有一个备用阀，两个备用阀经液控单向阀连接到系统，可以随时进行在线切换。
1.2主要设计参数
（1）液压系统最大工作压力：
P＝10Mpa；
（2）使芯棒机架旋转所需要的转矩：
T＝70000N·
M，盘卷重量约为1.5吨，芯棒长度为800mm，摆动角度为180°
；
（3）芯棒机架最大摆角速度为18°
/s，整个工作行程时间为12s；
1.3系统工作情况分析
双臂芯棒的动作过程：
集卷双臂芯棒用于盘卷的收集，线材经吐丝成型后，由斯太尔摩线运送至集卷筒内，由芯棒收集成卷。
双臂芯棒位于集卷筒处，一个芯棒呈垂直状，处于集卷筒正下方；
另一个芯棒呈水平状。
垂直的芯棒接完盘卷后旋转，与水平芯棒易位，再由小车卸卷，同时另一只芯棒转到垂直位，继续接卷，接完卷后在反向旋转易位。
如此反复。
每次旋转可转动180º
。
2设计计算
2.1液压缸设计计算
2.1.1油缸的设计原则
根据系统运动性质分析和给定的参数，确定液压缸的主要性能参数和尺寸。
液压缸的型号，伸出回缩的速度，作用时间，内径，行程等。
根据选定的工作压力和材料进行液压缸的结构设计，如液压缸的壁厚，缸盖的结构，密封形式，排气与缓冲等。
2.1.2油缸的选型
油缸的选型中，应通过所给定的技术参数来计算油缸的基本参数，进而选型。
油缸的基本参数有：
液压缸的内径，最大输出扭矩，油缸的公称压力，每度转角用油量，连接方式等。
计算出基本参数，根据液压传动设计手册油缸参数综合比对进行选型。
油缸按作用类型非为：
单作用油缸和双作用油缸，本设计中油缸是由比例方向控制阀控制的齿轮齿条摆动缸，进而满足了系统的双向旋转及频繁启动。
考虑到液压缸的高温工作环境，为了防止粉尘颗粒等杂物进入液压缸，对于液压缸的密封方式也要特别注意。
根据系统的要求，按设计手册表23.6-39《液压传动与控制设计手册》，选择的液压的类型，按表23.40选择液压缸的安装方式。
确定液压缸的主要性能参数和尺寸。
如：
液压缸的内径，最大输出扭矩，油缸的公称压力，每度转角用油量，连
接方式等。
齿轮齿条摆动缸工作原理：
是将液压缸的来回运动通过齿条带动齿轮转变成顺时针、逆时针旋转，同时将来回缸的推力转变成齿轮轴的输出钮矩。
摆动角度可以应意选择，并且可以大于360度，生产指标符合JB/ZQ4713-98重型机械指标．
2.1.3油缸参数计算
由设计参数：
（1）使芯棒机架旋转所需要的转矩：
M，
（2）摆动角度为180°
由液压设计手册表（
）选取液压缸为：
双齿条系列摆动液压缸。
液压缸型号为：
TUBFKS200-185.
连接方式：
法兰连接；
输出方式：
孔输出；
缸内径:
D=200mm；
工作压力P1=9Mpa；
最大输出扭矩：
118740N.M；
每度转角用油量：
Q1=0.13817升/度；
2.2泵的选择计算
2.2.1泵的选择计算原则
泵的选型主要根据系统的工况来选择液压泵，泵的主要参数有压力、流量、转速、效率。
为了保证系统正常运转和泵的使用寿命，一般在固定设备系统中，正常工作压力为泵的额定工作压力的80%左右；
要求工作可靠性较高的系统或运动的设备，系统工作压力为泵的额定工作压力的60%左右。
泵的流量要大于系统的最大工作流量。
为了延长泵的使用寿命，泵的最高压力与最高转速不宜同时使用。
2.2.2系统流量计算
工况分析：
液压缸的往复运动通过齿条带动齿轮，转化成齿轮轴的正向摆动旋转，同时将来回缸的推力转变成齿轮轴的输出钮矩。
由于系统要求芯棒机架最大摆角速度为18°
/S,所以此时液压缸中的流量为最大值，系统流量也达到最大值。
2.2.3流量计算
进入（流出）液压缸的流量Q2=18Q1=2.487L/s.
考虑到系统的泄露，故取泵中的液压油的最大流量为：
Q3=2.5L/s.
2.2.4泵的参数计算
初步定泵的转速为：
可计算出泵最大排量为：
考虑到压力损失，故取泵的工作压力为：
由此参考设计手册表（
）选择泵，选择泵的类型为轴向斜盘式柱塞泵，型号为:
ZDB725；
排量：
V=106.7ML/r；
额定转速为：
n=1450r/min；
容积效率:
取h=97%；
总效率
.
2.3液压泵的驱动功率及电机的选择
2.3.1驱动功率计算
按工况图P-t中最大功率点选取原动机功率，即
P≥
（2.1）
其中：
（PpQq）max----液压泵的压力和流量乘积的最大值；
n为泵的总效率，由液压设计手册查出其中，柱塞泵取n=90％
带入公式计算得出P=26.4KW
2.3.2电动机的选择
在电动机的选择中，为了避免系统临时出现故障所出现的系统所需功率突然增大的现象，一般选择电机功率时考虑比实际需求功率较大的额定功率，按照系统计算所得出的驱动功率做参考进行选择。
根据西门子电机样本选型：
电机型号为：
Y225M-4型三相异步电动机电机的额定功率：
P额=45kw；
转速:
n=1470r/min；
效率：
hp=0.9;
2.4阀的选择计算
2.4.1比例方向控制的选取
对于比例方向控制阀的选取，应设计的要求，比例方向控制阀通过电信号控制两个液压缸进行振动，输入流量输出位移，同时将位移误差进行反馈。
本设计中拟采用二级滑阀型位置反馈式比例方向控制阀，该类型的电液比例方向控制阀由电磁部分，控制滑阀和主滑阀组成，通过电信号控制动圈和一级阀芯，进而控制主阀芯的升降，以达到控制液压油流量的目的。
该型电液比例方向控制阀具有结构简单，工作可靠容易维护等特点，可在现场进行调试，对液压油清洁度要求不高。
除了流量参数外，在选择比例方向控制阀时，还应考虑以下因素：
比例方向控制阀的流量增益线性好，在位置控制系统中，一般选用零开口的流量阀；
比例方向控制阀的频宽应满足系统频宽的要求，一般比例方向控制阀的频宽应大于系统的频宽的5倍，以减小比例方向控制阀对系统响应特性的影响。
比例方向控制阀的零点漂移，温度漂移和不灵敏度区要尽量小，保证由此引起的系统误差不超过设计要求；
其他要求，比如零位泄露，抗污染能力，电功率，寿命和价格等都有一定的要求。
参数计算
比例方向控制阀的负载流量为：
QL=2.5L/S=150L/min
比例方向控制阀最大工作压力：
Pmax=10MP；
计算负载流量：
QL=2.5L/S=150L/min
选择Rexroth公司四通比例方向控制阀方向阀产品：
比例方向控制阀机能符号：
图2-1比例方向控制阀机能符号
比例方向控制阀型号：
D41FT型
最高工作压力：
31.5MP
最大工作流量：
180L/min
2.4.2平衡阀的选取
2.4.2.1平衡阀的作用
用来改变流经阀门的流动阻力以达到调节流量的目的，其作用对象是系统的阻力，平衡阀能够将新的水量按照设计计算的比例平衡分配，各支路同时按比例增减，仍然满足当前气候需要下的部份负荷的流量需求，起到平衡的作用。
系统高压油最高工作压力为10MP，参看力士乐公司产品样本，选取平衡阀型号为：
FD16PA10；
最高工作压力为：
，最大流量为：
q=200L/min。
3辅助元件的选择计算
在液压系统中，液压辅助元件是指那些既不直接参与能量转换，也不直接参与方向、压力、流量等控制的但又必不可少的元件或装置，主要包括滤油器、蓄能器、液压导管和管接头、油箱等。
虽然它们起辅助作用。
但由于数量较多，辅助元件的故障可能造成整个液压系统的故障。
因此，对辅助元件的选择计算必须给与足够的重视。
3.1管路
在液压传动中常用的管子有钢管、铜管、橡胶软管以及尼龙管等。
内径和壁厚是选择液压导管的重要参数。
导管内径尺寸应与要求的通流能力相适应，壁厚应满足工作压力和管材的强度要求。
管道内径
管道内径主要由油液的流速与液体流量来确定，直径小，流速高，压力损失大，甚至产生噪音；
直径大，难于弯曲，体积和重量都会增加，显然，合理的选择计算导管内径是很重要的。
导管内径
按照通过的最大流量
和允许的流速
确定：
（3.1）
其中对于金属管内油液的流速一般的推荐值为：
吸油管路取
压油管路取
短管道及局部收缩处取
回油管路取
泄油管路取
3.1.1壁厚的计算
计算公式
钢管：
其中
为工作压力
为导管内径（mm）
为许用应力
为抗拉强度
为安全系数，当
时，
3.1.2内径计算
管路最大流量Qmax=156.8L/min
吸油管路，取
内径：
d吸≥
=57.7mm
压油管路，取
d压≥
=33.3mm
回油管路，取
内径：
=47.1mm
泄露管路，取
壁厚的计算参看液压设计手册第8章表（
）选取。
按照液压设计手册表（
）选取油管列表如下：
表3-1系统管道的选择参数
内径
（mm）
外径
管接头连接螺纹
壁厚
吸油
65
75
M60X2
6
压油
40
50
M48X2
4.5
回油
63
5
泄露
3.1.3软管
软管是用于连接具有相对运动部件或为减少振动的传递而使用的管件，分为高压和低压两种，高压软管是以钢丝编织或钢丝缠绕为骨架的橡胶软管，用于压力油路。
低压软管是以麻线或者棉线编织体作为骨架的橡胶软管，用于压力较低的回油路或气动管路中。
本设计中的软管主要是用与电机吸油口与油箱实体相连接处，以减少电机在工作时产生的振动传递给油箱。
3.1.4管接头
管接头是油管与油管，油管与液压元件间可拆卸的联接件，应满足联接牢固、密封可靠、液阻小、结构紧凑、拆装方便等要求。
按其与油管的联接方式可分为焊接式、卡套式、扩口式、扣压式和快速接头等。
在液压系统中，管子与元件或管子与管子之间，除外径大于50mm的金属管一般采用法兰连接外，对于小直径的油管普遍采用管接头连接，管接头的形式和质量直接影响油路阻力和连接强度，而且其密封性能是影响系统外泄漏的重要原因。
3.2油箱的设计计算
3.2.1油箱设计原则
油箱的设计是整个系统设计中的重点之一，油箱在液压系统中除了储油外，还起着散热分离油液中的气泡，沉淀杂质等作用。
油箱可分为开式和闭式油箱两种，开式油箱中，油箱液面与大气相通，在油箱盖上装有空气过滤器，开式油箱结构简单，安装维护方便，本设计中采用开式油箱。
油箱的设计中必须有足够大的容积，首先要满足散热的要求，同时也要满足容纳系统中所以工作介质；
吸油管和回油管要插入最低液面以下，以防止吸油或回油飞溅产生气泡，管口与箱底箱壁距离一般小于管径的3倍；
吸油管和回油管的距离应进可能的远些，中间应设置隔板，以加大液流循环的途径，这样有利于散热，达到分离空气及杂质的效果；
隔板高度为液面高度的2/3到3/4；
为了保证油液清洁，油箱应有周边密封的盖板，盖板上装有空气过滤器，注油及通气一般都由一个空气过滤器完成；
为了便于放油和清理，箱底要有一定的斜度，并在最低处设置放油阀，对于不易开盖的油箱，要设置清洗孔以便油箱内部的清洗；
油箱底部应距地面150mm以上，以便于搬运放油和散热等实际工况需要。
3.2.2油箱参数设计计算
1>
系统损失功率（发热功率）：
P有效=70000X（3.14/10）=21.98KW
液压泵的输入功率：
Pa=30X0.9=27KW
系统损失功率=P有效-Pa=5.02kw
2>
不考虑管路的散热，油箱的散热面积为：
其中:
是散热系数，考虑通风条件良好，
为液压油与周边环境的温差，取油温
，
计算散热面积：
A=22.8M2
3.2.3油箱容量的计算
初始设计时，可依据使用情况，按下列经验公式确立油箱容积：
V=aq;
式中V----油箱的有效容积（m3）
q----液压泵的流量（m3/min）
a----经验系数；
由于该系统最大压力为10MP，属于中压系统，故取a=6;
带入数据的V=6X150L=900L；
3.2.4油箱内工作介质体积估算
油箱中油的液位一般为油箱总体高度的0.8倍，从而可以计算出液压油在油箱的体积
V油=V/0.8=1125L
设定油箱长为a=1.3m
设定油箱宽为b=1m
设定油箱高为c=0.9m
3.3系统发热功率计算
系统总发热功率P总=30-21.95kw=8kw;
4溢流阀的选取
4.1溢流阀的作用
定压溢流作用：
在定量泵节流调节系统中，定量泵提供的是恒定流量。
当系统压力增大时，会使流量需求减小。
此时溢流阀开启，使多余流量溢回油箱，保证溢流阀进口压力，即泵出口压力恒定（阀口常随压力波动开启）。
安全保护作用：
系统正常工作时，阀门关闭。
只有负载超过规定的极限（系统压力超过调定压力）时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加（通常使溢流阀的调定压力比系统最高工作压力高10％～20％）。
实际应用中一般有：
作卸荷阀用，作远程调压阀，作高低压多级控制阀，作顺序阀，用于产生背压（串在回油路上）.
由以上计算出的经过溢流阀的平均流量：
，溢流阀在系统中主要起调压作用，将系统压力稳定在
，避免大的波动。
当考虑全部流量经溢流阀流回油箱时，对应的最大流量为：
Qmax=nVmax=
L/min=156.8L/min
根据设计手册选取溢流阀为
型电磁溢流阀，型号为DBW20B2-5/315（Rexroth公司）
额定流量为：
200L/min；
额定压力：
31.5MP；
通径为：
5过滤器的选择
5.1过滤器的配置
在油箱的回油口设置系统所要求的回油过滤器以保持返回油箱的油液具有允许的污染等级；
在油箱的排油口（即泵的吸口）为了防止意外落入油箱的污染物，设置一个吸油网式过滤器；
在压油管路设置系统工作要求过滤精度的过滤器。
对于回油过滤器和液压泵出口的过滤器均采
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