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3MN液壓剪液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

文檔作者：張建明傅波衛(wèi)平鄭毅謝巖松李明文檔來(lái)源： 1．四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院 2．成都菜克冶金機(jī)械設(shè)備制造有限公司 3．江陰興澄特種鋼鐵有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年09月10日
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2010年10月
第38卷第20期
機(jī)床與液壓
MACHINE T0OL &amp;amp; HYDRAULICS
Oet．2010
Vo1．38 No．20
DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2010．20．018
3 MN液壓剪液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
張建明 ，傅波 ，衛(wèi)平 ，鄭毅。，謝巖松 ，李明
(1．四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610065；2．成都菜克冶金機(jī)械設(shè)備制造有限公司，
四川成都610041；3．江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇江陰214429)
摘要：設(shè)計(jì)3 MN液壓剪液壓系統(tǒng)。根據(jù)剪切工藝擬定液壓系統(tǒng)的原理圖，采用二通插裝閥控制回路，并利用差動(dòng)回
路和順序閥來(lái)實(shí)現(xiàn)剪切速度的轉(zhuǎn)換。對(duì)泵站進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并驗(yàn)算系統(tǒng)的發(fā)熱。使用三維設(shè)計(jì)軟件Inventor設(shè)計(jì)集成塊。
關(guān)鍵詞：液壓剪；二通插裝閥；差動(dòng)回路；Inventor
中圖分類(lèi)號(hào)：TH137．9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1001—3881(2010)20—049—3
Hydraulic System Design Of 3 M N Hydraulic Shear
ZHANG Jianming。， FU B0 ，WEI Ping ，ZHENG Yi ，XIE Yansong ，LI Ming
(1．College of Manufacturing Science and Engineering，Sichuan University，Chengdu Sichuan 610065，China；
2．Chengdu Laike Metallurgical Equipment Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 610041，China；
3．Jiangyin Xingcheng Special Steel Co．，Ltd．，Jiangyin Jiangsu 2 l4429，China)
Abstract：The hydraulic system of 3 MN hydraulic shear was designed． The schematic diagram of hydraulic system was drawn
according to the cutting process．Two-way cartridge valves was used to control the system． Th e diferential loop and sequence valve
were used to realize the cutting speed switching．The pump station was designed and calculated．The heating of the hydraulic system
was checked．The manifold block was designed using Inventor．
Keywords：Hydraulic shear；Two—way cartridge valve；Differential loop；Inventor
連鑄技術(shù)由于具有簡(jiǎn)化冶金生產(chǎn)、縮短生產(chǎn)流
程、節(jié)約能耗和提高金屬的回收率等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為
各冶金鋼鐵廠(chǎng)的主流技術(shù)。鋼坯的定尺寸切割是整個(gè)
連鑄系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。目前比較常用的鋼坯切割方法
主要是火焰切割法和機(jī)械切割法?；鹧媲懈罘ㄟ\(yùn)行費(fèi)
用高，切割時(shí)需噴射鐵粉，污染環(huán)境，因此需要專(zhuān)門(mén)
的除塵設(shè)備；同時(shí)切縫一般為6～10 mm，造成了鋼
坯的極大浪費(fèi)；在高拉速的情況下切割時(shí)間不足，生
產(chǎn)效率不高。與之相比，液壓剪由于具有剪切時(shí)間
短、剪切時(shí)金屬損失極少、操作安全可靠、勞動(dòng)強(qiáng)度
低、工作環(huán)境好和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)?，在國(guó)內(nèi)外的
許多鋼鐵廠(chǎng)得到了應(yīng)用。作者主要對(duì)3 MN液壓剪的
液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。
1 設(shè)備組成和工作原理
1．1 設(shè)備組成
整個(gè)液壓剪主要由機(jī)械部分、液壓系統(tǒng)和電氣控
制系統(tǒng)組成 。機(jī)械部分由機(jī)架體、機(jī)體拖人拖出裝
置、剪刃裝置等組成。剪體45。斜向布置，這樣即使
液壓油泄漏，也不會(huì)掉在軋件上，保證設(shè)備安全。采
用PLC電氣控制系統(tǒng)，可靠性高，編程使用方便，
通用性好，網(wǎng)絡(luò)通訊功能強(qiáng)。液壓系統(tǒng)采用二通插裝
閥控制回路，主要由泵站、
3大部分構(gòu)成。
1．2 工作原理
剪切鋼坯時(shí)，剪切力
不是恒定的，圖1顯示了
剪切力隨相對(duì)切入深度變
化的情況。當(dāng)剪刃與鋼坯
接觸后，剪切力隨切入深
璧苧 阻 ， 蘭 圖 剪切力與相對(duì)切
達(dá)到最大，此時(shí)鋼坯開(kāi)始 ? ? ? ?
裝閥11進(jìn)人剪切缸的無(wú)桿腔，推動(dòng)剪刃上升。當(dāng)剪
收稿日期：2009—09—16
作者簡(jiǎn)介：張建明(1983一)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程。電話(huà)：13982287727，E—mail：jianbingmm@
gmail．corn。
· 50· 機(jī)床與液壓 第38卷
開(kāi)，剪切缸有桿腔的油經(jīng)插裝閥l2和11回到無(wú)桿
腔，形成差動(dòng)回路，實(shí)現(xiàn)快速剪切。當(dāng)剪切力超過(guò)順
序閥17的設(shè)定壓力時(shí)，插裝閥13打開(kāi)，剪切缸有桿
腔的油經(jīng)插裝閥13回油箱，此時(shí)開(kāi)始慢速剪切。當(dāng)
剪切力隨著剪切斷面的縮小而減小，低于順序閥17
的設(shè)定壓力時(shí)，插裝閥13又關(guān)閉，系統(tǒng)形成差動(dòng)回
路，剪刃將鋼坯快速切下。這種速度變化與鋼坯的剪
切力學(xué)特性相適應(yīng)，使剪切過(guò)程平穩(wěn)。當(dāng)剪切完畢
后，電磁閥YA3通電，YA2斷電，液壓油經(jīng)插裝閥
l2進(jìn)入剪切缸有桿腔，無(wú)桿腔液壓油通過(guò)插裝閥10
流回油箱，剪刃退回初始位置，準(zhǔn)備下一步剪切。為
了降低剪切過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)，采用了帶阻力器
的插裝閥，同時(shí)利用溢流閥l6來(lái)緩沖鋼坯剪斷瞬間
所形成的液壓沖擊。
2 泵站的設(shè)計(jì)計(jì)算 。
剪切機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1 剪切機(jī)的技術(shù)參數(shù)
圖2 液壓系統(tǒng)原理圖
Pl = = 而 ．74 MPa
剪切時(shí)最大速度為
剪切力／N 3 X 10 液壓缸行程／mm 260
無(wú)桿腔直徑／／／2／i"1 44O 剪切行程／mm 200
活塞桿直徑／mm ~b380 剪切次數(shù)／(次·rain ) 8
2．1 液壓泵的選擇
首先計(jì)算液壓泵的最高工作壓力P。和流量q
P?！輕 +Σ邸 (1)
式中：P。為液壓缸最大的工作壓力；Σ△p為從泵口
到液壓缸的壓力損失，按經(jīng)驗(yàn)取約1 MPa。
q ?！軰(Σg? ) (2)
式中： 為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取1．1～1．3；q? 為
液壓缸的最大流量。
÷=孚 05 n1／s=3 m／min
式中：s為剪切行程；t為剪切時(shí)間，這里取4 s。
由此可得出液壓缸最大流量是
7rD 竹X0． 44 X0．44 X3
g? 下 —— — ■一
0．456 m ／min=456 L／rain
由公式(1)和(2)可以得出
P ≥p1+Σ△p=19．74+1—21 MPa
q ?！軰(Zq 一)=1．3 X456~-593 L／rain
根據(jù)以上參數(shù)，液壓泵選用250SCY14—1B變量
柱塞泵。該泵可根據(jù)需要手動(dòng)改變排量。液壓泵的工
第20期 張建明等：3 MN液壓剪液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ·51·
作壓力隨剪切力變化，將溢流閥溢流壓力設(shè)定為23
MPa，以限制系統(tǒng)的最高工作壓力。
2．2 油箱容量的確定
油箱容量可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，也可按照系統(tǒng)的發(fā)
熱溫升計(jì)算公式得到，一般按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算然后再
用系統(tǒng)發(fā)熱溫升計(jì)算公式進(jìn)行校核。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式
V= 。 (3)
式中：V為油箱的有效容積；q 為液壓泵總的額定流
量； 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與系統(tǒng)的壓力或者應(yīng)用場(chǎng)合相
關(guān)，在此系統(tǒng)中選擇 =10。
可以得到油箱的容積為
V= =10 ×250 X 3=7 500 L
2．3 系統(tǒng)發(fā)熱溫升估算 J
系統(tǒng)的發(fā)熱主要是由于液壓系統(tǒng)的壓力、容積
和機(jī)械損失構(gòu)成的能量損失都將轉(zhuǎn)化為熱量，使油
溫升高。過(guò)高的溫度將使系統(tǒng)不穩(wěn)定，會(huì)使液壓油
的黏度降低造成系統(tǒng)泄漏，效率降低，同時(shí)造成密
封元件的老化，對(duì)泵的壽命影響十分顯著。因此在
液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)熱和溫升計(jì)
算，并進(jìn)行控制。系統(tǒng)的總發(fā)熱量日可以按下式進(jìn)
行估算
H=N。i—N 。 (4)
式中：Ⅳ 為液壓泵的輸入功率，』v 。為執(zhí)行器的輸出
功率。
由2．1節(jié)可以得出：
Npi=pp×qvp=21×10。×593×10一 ／60=
2．075 5×10 W
NM
。
=plq? =19．74×10。×456×10一 ／60：
1．500 24×10 W
Ⅳ =5．752 6×10 W
系統(tǒng)在產(chǎn)生熱量的過(guò)程中，同時(shí)也通過(guò)系統(tǒng)的元
件散發(fā)熱量至空氣，其中油箱為主要散熱表面，其他
如管道等因散熱面較小，可以忽略不計(jì)。油箱的散熱
可以通過(guò)以下公式計(jì)算得到：
Ho=KAAT (5)
式中：K為散熱系數(shù)，單位W／(m。·℃)，計(jì)算時(shí)在
通風(fēng)良好的條件下K取14～20；A為油箱的散熱面
積，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)散熱面積的計(jì)算公式 ：
0．065 計(jì)算，其中V為油箱的有效容積(L)；
△ 為系統(tǒng)的溫升，即系統(tǒng)達(dá)到熱平衡的時(shí)候和環(huán)境
的溫度之差(℃)，在工作機(jī)械中一般取ATe<35℃。
因此油箱散發(fā)的熱量為
no=KAAT=17×0．065 7 500 ×35=
1．481 8×10 W
可以看出，通過(guò)油箱表面積散熱無(wú)法達(dá)到熱平
衡。因此需要通過(guò)加設(shè)冷卻器來(lái)達(dá)到系統(tǒng)所需的冷卻
效果。
3 閥臺(tái)的設(shè)計(jì)
由于二通插裝閥是閥座式結(jié)構(gòu)，具有內(nèi)部泄漏
少、通流阻力小、通流能力大、壓力損失小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)
單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高壓大流量的液壓傳動(dòng)控制
領(lǐng)域。作者采用二通插裝閥控制系統(tǒng) 。
集成塊的設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足兩個(gè)要求： (1)功能上必
須滿(mǎn)足原理圖的控制要求； (2)結(jié)構(gòu)上必須滿(mǎn)足良
好的工藝性和易加工性。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)人
員有著良好的空間想象能力，但隨著集成塊孔系復(fù)雜
程度的提高，二維設(shè)計(jì)方法已經(jīng)越來(lái)越難以完成任
務(wù)。三維設(shè)計(jì)軟件的普及使得集成塊的設(shè)計(jì)有了更高
的效率，但一些三維軟件工程圖表達(dá)的弱性成為用三
維軟件設(shè)計(jì)集成塊的瓶頸，而專(zhuān)用集成塊設(shè)計(jì)軟件如
SecoMAN由于較高的價(jià)格很難為中小企所接受。
Autodesk公司在A(yíng)utoCAD的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的三維軟件
Inventor比較好地解決了這個(gè)問(wèn)題。Inventor不僅具有
三維軟件所具有的功能，而且在工程圖的繪制方面達(dá)
到二維軟件所具有的優(yōu)勢(shì)。
采用Inventor設(shè)計(jì)二通插裝閥集成塊時(shí)，首先要
確定元件的布局方案。由于元件相互連接通過(guò)內(nèi)部孔
道，而閥塊內(nèi)部的孑L系十分復(fù)雜，一個(gè)元件的變動(dòng)經(jīng)
常造成整體的變動(dòng)，因此需根據(jù)原理圖對(duì)元件進(jìn)行合
理的布局。首先大致確定主要油口的方向位置，然后
安排好通徑大和主油路關(guān)系密切的閥，就近擺放方便
控制油路的閥，計(jì)算出閥塊的大致尺寸。第二步，進(jìn)
行內(nèi)部孔道的連通。首先配置較大的孔，大孔的長(zhǎng)度
盡可能短些，避免長(zhǎng)孔以免造成加工的困難，避免采
用斜孔和孔道之間的干涉，同時(shí)對(duì)于高壓孔道需要有
一定的壁厚確保承受壓力，工藝孔的數(shù)目盡可能的
少。第三步，檢查設(shè)計(jì)結(jié)果，生成工程圖。圖3為采
用Inventor設(shè)計(jì)的集成塊三維圖。
圖3 集成塊三維圖
(下轉(zhuǎn)第54頁(yè))
· 54· 機(jī)床與液壓 第38卷
為比例變量泵控油缸的活塞桿位移，將兩油缸位移差
值通過(guò)計(jì)算機(jī)再發(fā)送給比例變量泵，從而實(shí)現(xiàn)同步控
制。同步升降既要保證速度同步還要保證位置同步，
系統(tǒng)中采用P2D算法來(lái)實(shí)現(xiàn)位置同步和速度同步的閉
環(huán)控制。由式(2)、(27)及控制原理，以其中兩個(gè)
支路為例，其傳遞函數(shù)方框圖如圖2所示。
圖2 同步控制系統(tǒng)方框圖
3 控制系統(tǒng)的SIMULINK模型
MATLAB中的S2MUL2NK為系統(tǒng)仿真提供了強(qiáng)大
的軟件工具，根據(jù)數(shù)學(xué)模型可以直接建立系統(tǒng)的仿真
模型[6]。根據(jù)數(shù)學(xué)模型，將上面系統(tǒng)輸入輸出關(guān)
系關(guān)聯(lián)起來(lái)得到系統(tǒng)的仿真模型。
系統(tǒng)參數(shù)為：泵最大排量D ：200 cm ／r；變量
泵轉(zhuǎn)速n =2 450 r／min；變量泵泄漏系數(shù)C =3 x
10。 m ／kg；變量泵擺角 =0?！?0。；液壓缸泄漏系
數(shù)C，=3 X 10 m ／kg；負(fù)載質(zhì)量m，=7．5×20 kg；
液壓缸尺寸6250 mm×,／,280 mm X6 000 mm；輸入電
壓U=0～20 V。
圖3 手動(dòng)變量泵控油
缸位移仿真圖形
10
8
6
愛(ài)2
0
圖4 比例變量泵控油
缸位移仿真圖形
當(dāng)輸入同一階躍信號(hào)
時(shí)，兩油缸及兩缸位移差
值的仿真圖形如圖3—5所
示。
從上邊的計(jì)算結(jié)果可
以看出：同步控制精度可
以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；動(dòng)態(tài)調(diào)
整時(shí)間在6 S左右，滿(mǎn)足此
大型舞臺(tái)的工作要求。
4 結(jié)論
0 1 2 3 4 S 6 7 8 9 10
時(shí)間，s
圖5 兩缸位移差
值仿真圖形
(2)此種液壓同步控制原理及控制策略能夠滿(mǎn)
足舞臺(tái)升降的具體要求。
(2)仿真結(jié)果表明，此泵控同步控制系統(tǒng)在控
制精度及響應(yīng)時(shí)間上均可滿(mǎn)足重型升降舞臺(tái)同步控制
要求。
(3)此同步控制系統(tǒng)相對(duì)閥控同步系統(tǒng)基本上
不產(chǎn)生熱量，將節(jié)省大量的能源，而且控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
較簡(jiǎn)單，給具體工程實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了便利。
參考文獻(xiàn)：
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社，1989．
【2】顧瑞龍．控制理論與電液控制系統(tǒng)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)
出版社，1984．
【3】路甬祥，胡大 ．電液比例控制技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工
業(yè)出版社，1988．
【4】劉長(zhǎng)年．液壓伺服系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論[M]．北京：冶金工
業(yè)出版社，1989．
【5】王占林．近代液壓控制[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，
1997．
【6】施陽(yáng)．MATLAB語(yǔ)言精要及動(dòng)態(tài)仿真工具SIMULINK
[M]．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1997．
(上接第51頁(yè))
液壓集成閥塊的設(shè)計(jì)一直是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)
難題，合理利用三維軟件可以提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)
計(jì)周期，提高閥塊的設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量，改善閥塊的可
靠性和精度。
4 結(jié)束語(yǔ)
作者介紹的3 MN液壓熱剪二通插裝閥控制回路，
采用差動(dòng)回路和順序閥來(lái)控制剪切速度，符合鋼坯剪
切工藝，剪切過(guò)程動(dòng)作平穩(wěn)，效率較高。使用Inventor
三維軟件設(shè)計(jì)集成閥塊，讓設(shè)計(jì)任務(wù)更加輕松。
參考文獻(xiàn)：
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2004．
【4】張瑞虹．液壓系統(tǒng)發(fā)熱的原因及預(yù)防措施[J]．有色金
屬加工，2007(1)：58—59．
【5】侯波，武俊鋒，汪選要．采用插裝閥的液壓支架泵站液壓
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．礦山機(jī)械，2004(3)：16—17．

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