毕业设计（论文）-连铸大包滑动水口液压系统设计.doc

装订线安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书摘 要滑动水口是安装在钢包底部的装置，是连铸机的关键设备之一。钢水包滑动水口液压系统主要为滑动水口的开启与关闭提供动力并实现位置控制。本文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液压回路。主要包括系统的设计与计算以及液压元件的选型、集成块的设计、油箱的设计、泵站的设计等。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。所设计的液压系统能够满足某钢铁厂的实际生产要求。 关键词：连铸；滑动水口；液压系统AbstractLadle sliding gate is a key equipment of continuous casting machine which is installed at the bottom of molten steel mould. Ladle sliding gate hydraulic system is designed mainly for providing power for ladle sliding gates open, close and realize position control. This article elaborates the composition of ladle sliding gate, its working principle and introduces how to design the hydraulically-actuated system according to the technical requirement in detail. It includes the design and calculation of system, the selection of components, the design of integrated blocks, the design of the tank, the design of pump station and so on. This system will make the ladle sliding gate open and close at given speed under certain load, realizing the point control: Control the speed of molten steels flowing by controling the size of the ladle sliding gates opening. At the same time, considering the power off situation, accumulator is set up in system. Although pump stops working, ladle sliding gate can still switch 2 to 3 times in order to prevent the molten steel from cooling solidification in copper mold .The design of hydraulic system can meet the practical production requirements of a certain steel factory.Key words: continuous casting；ladle sliding gate；hydraulic system目 录中文摘要英文摘要第1章 绪论11.1 连铸设备发展概况11.2 连铸工艺简介21.3 滑动水口综述51.3.1 滑动水口起源51.3.2 滑动水口的发展51.3.3 滑动水口原理61.3.4 滑动水口的组成61.3.5 滑动水口的分类71.3.7 国内外滑动水口比较81.3.8 国内滑动水口发展展望91.4 设计内容及要求101.5 设计进度计划表10第2章 液压传动系统的设计112.1 液压传动概述112.1.1 液压传动的发展概况112.1.2 液压传动的基本原理112.1.3 液压传动系统的组成122.1.4 液压传动的优缺点122.2 明确设计依据进行工况分析132.2.1 设计依据132.2.2 负载分析与运动分析142.3 确定液压系统的主要参数142.3.1 计算液压缸尺寸142.3.2 计算系统压力162.4 拟定液压系统原理图172.4.1 选择基本回路172.4.2 组成系统图212.5 液压系统原理图分析21第3章 液压元件的选择243.1 油泵的选择243.2 电动机的选择253.3 联轴器的选用263.4 控制阀的选用263.4.1 压力控制阀273.4.2 流量控制阀283.4.3 方向控制阀293.5 过滤器的选择343.6 蓄能器的选择363.7 冷却器的选择383.8 管道尺寸的确定383.9 油箱容量的确定403.10 其他元件的选择41第4章 液压集成油路的设计434.1 液压阀块简介434.2 集成块的设计43第5章 液压站的设计465.1 液压站的结构形式465.2 液压泵的安装方式465.3 油箱的设计465.4 油箱有效容积的确定475.5 油箱的结构设计475.6液压泵站结构设计注意事项51第6章 液压系统的性能验算536.1 系统压力损失计算536.2 系统效率计算546.3 系统发热与温升的计算54第7章 总结56参考文献57致谢59IV第1章 绪 论1.1 连铸设备发展概况在推广氧气转炉炼钢之后，钢铁工业飞速发展，轧钢生产发展得很快, 铸锭与炼钢的矛盾日趋尖锐。连续铸钢技术的应用, 使整个钢铁工业发生了革命性的转变, 所以有人曾说过：“炉外精炼、森吉米尔轧机和连铸是当代钢铁工业中三项最重要的新技术。”本世纪30年代德国和原苏联进行过连续浇铸的研究。1946年美、英等国第一批工业性试验连续浇铸装置问世。50年代原西德、奥地利、英国、原苏联相继研制成功了立式连铸机, 并应用于实际生产。60年代出现了弧形连铸机, 至1960年末已有15个国家拥有连铸设备31台, 年产能力130万t。70年代以石油危机为契机, 世界上所有产业都力求节能。由于连铸既是节能, 又是扩大生产能力的重要措施, 日、欧美各国大量新建, 中等发达国家和发展中国家也相继引进连铸机。随着钢水处理、浇铸工艺、设备结构及检测、控制技术不断完善, 连铸技术在世界范围内迅速发展。1980年末连铸机已普及到76个国家, 拥有各种类型连铸机969台, 年产能力猛增至3.13亿t 。80年代, 新建连铸机的势头不减,在欧美, 部分高炉、转炉、轧机等生产设备被关闭, 而连铸机作为钢铁工业现代化的象征却越建越多。1990年末, 拥有连铸机的国家和地区已达89个, 拥有各种类型连铸机1360台, 年生产能力5.58亿t。在日本, 新日铁公司的右烟、光、大分厂, 日本钢管公司的福山厂川崎钢铁公司的千叶厂均实现了全连铸, 连铸技术日臻完善。目前, 用现有的设备已能将全世界的钢产量全部实现连铸，设备制造业的主要活动不再是生产新铸机, 而是改造现有设备、提高连铸机的利用率。我国是研究和应用连续铸钢技术较早的国家之一。50年代末，重钢三厂和唐山钢铁公司的立式连铸机相继投入工业生产。1964年6月24日我国第一台板坯、方坯兼用弧形连铸机投产,连铸机圆弧半径为6m,宽为1700mm，这是世界上最早的工业用弧形连铸机之一。1970年前后,上海等地的钢铁厂陆续建成了一批弧形连铸机。由于我国的中小企业多是建立在小转炉、小电炉和平炉炼钢的基础上,炼钢能力有限,连铸机装备水平低, 一度影响了连铸发展的速度。为了吸收国外连铸的经验, 用先进的技术来改造我们传统的钢铁工业,1978年,武汉钢铁公司从原西德引进了3台圆弧半径为10.3M的板坯弧形连铸机,该机的机械化自动化程度较高,工艺装备配套,代表了国外70年代的水平。1982年以来,昆明钢铁公司、天津钢厂等厂又从原西德引进了圆弧半径为5.25m的小方坯弧形连铸机。以后我国陆续从德国、意大利、日本、美国、奥地利等7个国家16家公司引进过连铸机，其中包括超低头、大板坯和特殊钢连铸机（圆坯、方坯、板坯）。目前,除极个别部件仍需从国外引进外,国内都可以设计和制造,并且国产连铸机已经进人国际市场。1990年,我国已有连铸机122台,其中特殊钢连铸机13台, 生产铸坯1480.75万t,连铸比达22.42%。1991年生产铸坯1881万t, 连铸比达27.09%。连铸作为发展钢铁工业的一项重要技术。“八五”期间,还将新建连铸机70余台,新增生产能力1684万/a。我国已经形成机型齐全、规格较多的连铸生产体系。新建连铸机的装备水平已接近或达到国际80年代水平.今后应该理顺生产工艺, 加强连铸配套手段,采用电子技术改造连铸机,以提高连铸机连铸率和作业率。11.2 连铸工艺简介由炼钢炉炼出的合格钢水，经过炉外精炼处理后，用钢包运送到浇铸位置注入中间包，通过中间包注入强制水冷的铜模结晶器内。结晶器是无底的，再注入钢水之前，必须先装上一个“活底”，它同时也起到引出铸锭的作用，这个“活底”就成为引锭链。注入结晶器内的钢水，在迅速冷却凝固成型时，其前部与伸入结晶器底部的引锭链头部凝结在一起。引锭链的尾部则夹持在拉坯机的拉辊中，当结晶器中的钢水达到要求高度时，开动拉坯机，以一定的速度把把引锭杆从结晶器中拉出。为防止铸坯壳被拉断漏钢和减少结晶器内的阻力，再浇铸过程中既要对结晶器的内壁润滑，又要它做上下振动。铸坯被拉出结晶器后，为使其尽快的散热，需要对其进行喷水冷却，称之为二次冷却，通过二次冷却直导装置的铸坯逐渐凝固。这样，铸坯不断被拉出，钢水连续的从上注入结晶器内，便形成了连续铸坯的过程。当铸坯通过拉坯机矫直后，脱去引锭链。完全凝固的直铸坯由切割设备切成定尺寸，经运输辊道进去后续工序。连续铸钢生产所用的设备，实际上是包括在连续作业线上的一套机械设备。这套机械设备为连铸机，关于连铸机的概述：1、连铸机型：按连铸机的结构外形可把连铸机分为立式、立弯式、直结晶器的弧形、弧形、多半径弧形（椭圆形）和水平式等机型。按铸坯断面大小和形状可分为板坯、大方坯、小方坯、圆坯、异形坯和薄板坯连铸机等。2、主体设备。连铸机主体设备包括：钢包回转台、中间包、中 间包台车、结晶器、结晶器振动装置、二次冷却 装置、拉坯矫直机、引锭装置、切割装置等。 （1）钢包回转台：钢包回转台设置在转炉跨与连铸跨之间，它的本体是一个具有同一水平高度两端带有钢包支撑架的转臂，绕回转台旋转。有双臂摇摆式和多功能回转台。功能：具有实现多炉连浇、吹氩调节钢水温度、钢 包加盖保温、钢包倾翻等功能。（2）中间包：中间包是钢包和结晶器之间用来接收钢水的过 渡装置。中间包一般为矩形，由包体、包盖、塞棒 和水口组成，其容量一般为钢包容量的图1.1 连铸工艺示意图20-40%，钢水流量的控制方式有塞棒式、定径水口式和 滑动水口式三种。中间包的功能与作用有：稳定钢流，减少钢流对结晶器中坯壳的冲刷；使钢液在中间包内有合适的流场和适当长的停留时间，以保证钢水温度均匀及非金 属夹杂物分离上浮；对多流连铸机由中间包进行分流；在多炉连浇时，中间包中贮存的钢水在换包时起到衔接的作用。 （3）结晶器：结晶器是连铸机的心脏，由铜和少量银、铬或锆制成，表面电镀铬、镉镍、钴等。可分为直结晶器和弧形 结晶器。结晶器要求：具有良好的导热性能，能使钢液在结晶器内迅速凝固成足够厚度的初生坯壳；结构刚性好，易于制造、拆装、调整和维修方便；有较好的耐磨性和寿命；振动平稳可靠；有足够的强度和硬度。（4）结晶器振动装置：振动的目的是防止因坯的粘钢而发生漏钢事故。（5）二次冷却装置：二次冷却装置的作用为；通过喷水冷却，加速钢坯凝固；通过夹辊和侧导辊对带液芯的钢坯具有支撑和导向作用，防止并限制钢坯发生鼓肚、变形和漏钢事故 ；对引锭杆具有支撑和导向作用。 （6）拉坯矫直机：拉坯矫直机（拉矫机）用于对铸坯的拉坯和矫直。拉胶机的要求：具有足够的拉坯和矫直能力，以克服浇注过程中 可能出现的最大阻力；具有良好的调速性能，以适应不同条件下拉速的 变化和快速上引锭杆的需要；在结构上要适应铸坯断面在一定范围内的变化， 并允许不能矫直的柱坯通过。 （7）引锭装置：引锭装置包括引锭头、引锭杆和引锭杆存 放装置。引锭杆按结构型式分为桡性引锭杆和刚性 引锭杆；按安装方式分为下装引锭杆和上装引锭杆。（8）铸坯切割设备：铸坯切割设备用于在铸坯行进过程中将它 切割成所需求的定尺长度。分为火焰切割和机械切割两种。2图1.2 连铸自动化控制工艺流程图1.3 滑动水口综述滑动水口是安装在钢包底部的装置,一千多度的钢水,就是经过它进入中间包或激振器内,滑动水口可以随时开闭,起到控制钢温、调节钢流的作用,保护着钢包下面的设备和操作人员的安全。从塞棒式控制钢流开始,逐步发展到装在包外的滑动水口机构,从刚性机构发展到稳定的弹性机构,安全性大幅提高。现在,国内各大钢厂越来越多地使用先进的滑动水口,但多数是进口的,国产化程度还有待提高。31.3.1 滑动水口起源60年代后期在世界范围内,由于连铸生产的发展和炉外精炼工艺的开发,因而延长了钢水在钢包内的停留时间,使得原有的塞棒式浇注工具无法满连铸和炉外精炼的要求。同时浇注工艺也要求提供准确、迅速、安全、可靠的浇注工具,因而促进了滑动水口浇注工艺的研究开发。滑动水口浇注工艺,作为一项新技术,是在19世纪末期,首先在美国,根据磨面的两个磨盘移理开发成功,并取得了专利。但由于当时,很难提供所需配套的高级耐火材料,因而使这项新技术未能及时推广使用。直到20世纪60年代,随着耐火材料制造工艺的发展,为滑动水口提供了较理想的材料,同时连铸工艺又迫切需要,这才促成了滑动水口浇注工艺的全面发展。1.3.2 滑动水口的发展60年代初,美国首先研制成功了弗洛康(Flocon)滑动水口。之后,瑞士研制成功了英特斯特普(INTERSTOP)和梅塔肯式(METACON)滑动水口。1969年日本呙川百炼公司首先引进了瑞士的梅塔肯式滑动水口,而后开发了三菱梅塔肯式滑动水口系列。新日铁和黑崎密业于1974年,引进了美国弗洛康式滑动水口,随后开发了YP式系列滑动水口并在广泛使用。我国滑动水口研制工作起步也很早。1940年,北京民间就有利用此原理制造的水车(运水工具)。而真正的研制工作是从1958年开始的,鞍钢首先提出了外上塞棒和旋转塞头的设想。虽然当时因各种原因未能成功,但实践证明这种思路是正确的,其先进性甚至超过了现今的滑动水口。直到1965年后全国各地都开始了滑动水口的生产试验,70年代才真正在各大钢厂正式使用。滑动水口工艺已在全世界范围内得到普及,我国在钢包上也基本上都安装了滑动水口。但应该承认,我国滑动水口和世界水平还有一定距离。不过,近几年的发展,已与世界水平相接近,并已出口到其他国家。1.3.3 滑动水口原理所谓滑动水口,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。通过外部的驱动力量,移动下滑板,使上、下滑板产生平行位移,由于上、下滑板上都有同样大小的注孔,且上滑板注孔连接上水口砖,直通钢包内钢水,下滑板注孔连接下水口砖。当上、下注口在移动中重合时,钢包内钢水,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。1.3.4 滑动水口的组成耐火材料部分以福州中钢公司使用的GZHS50-120为例,如图1所示,由座砖、上水口座、上滑板、下滑板、下水口砖组成。图1.3 滑动水口的耐材部分配套机构部分为把上述耐材部分固定安装在钢包底部,因而需要配套机构,如图1.4所示。固定框架:装上滑板用,固定在钢包上。滑动框架:装下滑板用,用来平行位移。开闭框架:连接固定框架,托起滑动框架,施加面压,安装下水口砖。下水口顶座:托起下水口砖,将下水口砖与下滑板顶紧。防热罩、防溅板:防止钢水飞溅和热辐射。传动机构:连接杆、传动臂,把油缸的垂直动力转为水平动力,推动下滑板移动。冷却机构:由风冷管道组成,通过冷风降低机构的温度,对弹簧进行冷却,防止变形。驱动机构:由电动缸或油缸组成。图1.4 滑动水口的配套机构示意1.3.5 滑动水口的分类1、按滑板移动方式分(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,我国马鞍山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,其直接安装在炉壁内衬中)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。美国弗洛康式:弹簧安装在下水口周围下滑板下面。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。瑞士的梅塔肯式:整体组装螺栓上有加压弹簧日本呙川三菱一梅塔肯式系列:利用固定架上加压螺栓与开闭框架相连。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,因此国内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、按驱动方式分人力驱动:我国有些中小钢厂滑动水口仍用人力驱动。液压驱动:利用液压站,通过液压油缸进行驱动,在国内和国外应用较为普遍。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。电动缸驱动为国内今后的发展方向,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。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。1.3.6 国内外滑动水口比较国内生产的滑动水口虽然品种很多,并且也出口到国外,但并不代表国内水平与国外相接近,二者主要区别在以下几方面:1、材质不同。由于滑动水口是在400高温下使用,对材质要求很高。而国外生产的钢材比国内的好得多,成份也不一样,我国生产的滑动水口机构,采用国产的普通材质。所以国内的滑动水口使用一段时间后,变形要比国外严重。2、加工不同。国内生产基本上用普通机床,完全由人力控制,加工公差由人为因素决定。而国外大多采用先进机床,加工公差由机床本身来控制。目前,温冶公司已购进了数控机床及其它高精度机床,生产出一批高质量的产品,出口美国,获得好评。3、毛坯质量不同。国内的毛坯,尤其是铸件毛坯,其热处理工艺、外观质量等比较粗糙。而国外的毛坯质量很高,非加工面及钢板平面较国内平整很多,可以与国内加工过的产品相比拟,而且国内采用的铸造工艺、热处理及工艺也比国外差些,日前在国内许多厂家努力下,国内的毛坯质量有了很大提高。4、液压密封件不同。国内的密封件生产基本上不耐高温,即使采用优质特殊材料制成,但由于制作质量不过关,无法与进口产品相比。国外的油缸,可以长期或很长一段时间使用,无须维修。国内生产的油缸,用不上几炉,就得维修。这当然也有材料问题,但多数是由密封件引起的。5、弹簧使用寿命不同。进口的弹簧使用很久也不以变形,并保持机构压力;国内的弹簧即使最好,使用几炉以后,就得更换。6、价格不同。虽然国内的水口质量比国外差,但价格比国外低许多,具有价格优势,因此,能在国外立足。国内的滑动水口,有很多是从国外引进的,并在逐步进行国产化。目前,国内水口生产己系列化,质量不断提高,可逐步代替进口产品。国内最大的水口系列生产厂家属温州冶金集团公司,该公司从1985年开始研制生产,与宝钢联合开发了用于300t钢包的GZHS90230滑动水口,图1.5为滑动水口系列参数表。图1.5 滑动水口系列参数表1.3.7 国内滑动水口发展展望钢铁工业在前进,滑动水口技术也在发展,安全、准确、方便、迅速是滑动水口生产发展的目标。国外的质量较高,而国内生产的水口质量也在不断提高,并出口美国,反映很好,并且市场在逐渐扩大。除了价格上优势外,也证明了产品质量与国外的差距在逐渐缩小。为了尽早赶超国际水平,还要在质量上下功夫,尤其是元器件的质量要提高,这就需要做更多细致的工作。451.4 设计内容及要求钢水包滑动水口液压系统设计来源于钢厂的实际工程，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。本课题主要针对钢包滑动水口的功能、组成和工作特点以及钢铁厂的实际生产要求，设计一款驱动钢包滑动水口的液压系统，对液压系统提出如下要求：1、滑动水口能够快速和和慢速的开闭；2、当事故断电或其它原因要停止浇铸时，紧急关闭滑动水口，切断钢包的钢水流入中包；3、大包在浇铸位置时，要求在满足浇铸条件时，能打开和关闭滑动水口；4、 大包转离浇铸位置或在等待位置时，要确保滑动水口液压缸要处于关闭状态；5、液压驱动系统既可以实现自动控制，必要时又可以实现手动控制。设计初始数据如下：工作负载：100KN滑动水口打开速度V2MAX=40mm/s滑动水口关闭速度V1MAX=40mm/s滑动水口打开流量 滑动水口关闭流量 工作行程L=110mm1.5 设计进度计划表表1.1 进度计划安排序号阶段日期阶段内容备注12.13-2.28收集资料、参观实习、研读资料计划安排22.29-3.7方案设计33.8-3.15设计计算43.16-4.16图纸设计54.17-4.30验算与修改64.17-4.30撰写说明书75.16-6.9图纸打印、说明书装订、答辩准备PPT第2章 液压传动系统的设计2.1 液压传动概述液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。6 2.1.1 液压传动的发展概况自18世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，液压传动技术已有二三百年的历史。直到20世纪30年代它才较普遍地用于起重机、机床及工程机械。在第二次世界大战期间，由于战争需要，出现了由响应迅速、精度高的液压控制机构所装备的各种军事武器。第二次 世界大战结束后，战后液压技术迅速转向民用工业，液压技术不断应用于各种自动机及自动 生产线。本世纪60年代以后，液压技术随着原子能、空间技术、计算机技术的发展而迅速 发展。因此，液压传动真正的发展也只是近三四十年的事。当前液压技术正向迅速、高压、大功率、高效、低噪声、经久耐用、高度集成化的方向发展。同时，新型液压元件和液压系 统的计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助测试(CAT)、计算机直接控制(CDC)、机电一体化技 术、可靠性技术等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向。我国的液压技术最初应用于机床和锻压设备上， 后来又用于拖拉机和工程机械。现在，我国的液压元件随着从国外引进一些液压元件、生产技术以及进行自行设计，现已形成了系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。2.1.2液压传动的基本原理液压传动的基本原理：液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(液压缸或马达)把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。2.1.3 液压传动系统的组成液压系统由动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分组成。1、动力元件（油泵）它的作用是把液体利用原动机的机械能转换成液压力能；是液压传动中的动力部分。2、执行元件（油缸、液压马达）它是将液体的液压能转换成机械能。其中，油缸做直线运动，马达做旋转运动。3、控制元件包括压力阀、流量阀和方向阀等。它们的作用是根据需要无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行调节控制。4、辅助元件除上述三部分以外的其它元件，包括压力表、滤油器、蓄能装置、冷却器、管件主要包括:各种管接头(扩口式、焊接式、卡套式,sae法兰）、高压球阀、快换接头、软管总成、测压接头、管夹等及油箱等，它们同样十分重要。5、工作介质工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液，它经过油泵和电动机实现能量转换。2.1.4 液压传动的优缺点1.液压传动的优点：(1)液压传动可在运行过程中进行无级调速，调速方便且调速范围大；(2)在相同功率的情况下，液压传动装置的体积小、重量轻、结构紧凑；(3)液压传动工作比较平稳、反应快、换向冲击小，能快速启动、制动和频繁换向；(4)液压传动的控制调节简单，操作方便、省力，易实现自动化。当其与电气控制结合，更易实现各种复杂的自动工作循环；(5)液压传动易实现过载保护，液压元件能够自行润滑，故使用寿命较长；(6)液压元件已实现了系列化、标准化和通用化，故制造、使用和维修都比较方便。2.液压传动的缺点：(1)液体的泄漏和可压缩性使液压传动难以保证严格的传动比；(2)液压传动在工作过程中能量损失较大，不宜作远距离传动；(3)液压传动对油温变化比较敏感，不宜在很高和很低的温度下工作；(4)液压传动出现故障时，不易查找出原因。2.2 明确设计依据进行工况分析设计一个液压系统，首先必须进行工况分析，明确设计依据，这是正确设计液压系统的第一步，也是很关键的一步。2.2.1 设计依据为了能够设计出工作可靠、结构简单、性能好、成本低、效率高、维护使用方便的液压系统，必须通过调查研究，明确下述几方面问题。 1.主机的结构和总体布局 这是合理确定液压执行元件的类型、工作范围、安装位置及尺寸所必须的。液压系统中的执行元件大体可以分为液压缸和液压马达。前者实现直线运动，后者实现回转运动。由前文叙述可知，滑动水口为连铸机的重要组成部件之一，本文要设计的液压驱动系统用来控制滑动水口的开启与关闭。由滑动水口的结构可知，只需要水平的移动滑动水口的上滑板或者下滑板，使上下滑板错开，就可以实现水口的开启与关闭。因此，在这里选用单活塞杆液压缸作为执行元件，并与滑动水口的下滑板相连接，从而实现对水口的控制，如图2.1所示。图2.1 液压缸驱动下滑板示意图但活塞杆液压缸的特点为：有效工作面积大、双向不对称，适合用于往返不对称的往复运动。活塞杆向右运动时，带动下滑板向右移动，中心孔错开而滑动水口关闭，阻止钢水下流：活塞杆向左运动时，带动下滑板向左移动，中心孔接通而滑动水口开启，钢水顺利下流。2.了解机器对性能的要求 通常应了解如下几方面：(1)机器对负载特性、运动方程和精度的要求 由分析可知，机器对工作负载的类型是阻力负载，由于活塞杆的工作行程较短，水口打开与关闭的时间与整个周期相比很小，故可忽略摩擦及惯性负载，认为负载为恒值负载。运动方式为直线运动，行程由任务书给出。本系统要实现的是水口的点位控制，且连铸机为冶金机械，运用在生产线上，精度要求较低。 (2)控制方式及自动化程度 该机器的工作方式为半自动，既可实现自动控制，必要时有可实现手动控制。自动化程度要求一般。 3.液压系统的使用条件和环境情况 连铸机的设置场所为厂房内；工作时间为24小时不间断工作；工作环境温度较高、湿度很低、污染物较多，粉尘较大，噪音震动程度较高。 4.由于钢水温度较高，一旦出现事故，危害人身安全，必须杜绝事故的发生。因此必须设置紧急停止控制。2.2.2 负载分析与运动分析负载分析就是研究一部机器在工作过程中，它的执行部件的受力情况。对液压系统来说，也就是液压缸或液压马达的负载随时间变化的情况。对于本液压系统的设计，工作机构作往复直线运动，液压缸必须克服的外负载包括工作负载、摩擦负载和惯性负载。即: (2.1)-工作负载、-摩擦负载、-惯性负载由于开启与关闭的时间较短，摩擦负载、惯性负载相对于工作负载较小，故忽略摩擦负载与惯性负载。由任务书可知：F=100KN由上述可知，可将工作过程简化为：表2.1 工况分析工况外负载F/N开启（向左运动）100KN关闭（向右运动）0KN运动分析局势研究一部机器按工艺要求，以怎样的运动完成一个工作循环。该液压系统驱动滑动水口的开启与关闭，液压缸实际运动过程为开始做匀加速运动，然后匀速运动，最后匀减速运动到达终点。由于整个运动过程时间较短，约5s左右，而加速过程与减速过程时间很短，故可以简化为匀速运动。由任务书给出，打开与关闭的最大速度 ，本液压系统能够调节速度，控制钢水下流的快慢。72.3 确定液压系统的主要参数压力与流量是液压系统最主要的两个参数。根据这两个参数来计算和选择液压元件、辅件和原动机的规格型号。系统压力选定后，液压缸主要尺寸即可确定。液压缸的主要尺寸一经确定，即可根据液压缸的速度和转速确定其流量。2.3.1 计算液压缸尺寸液压缸为但活塞杆液压缸10，根据初始设计参数，其尺寸计算如下： (2.2) (2.3) (2.4)则可得： (2.5) (2.6)图2.2 液压缸计算简图上式中：液压缸无杆腔的有效面积； 液压缸有杆腔的有效面积； 液压缸内经或活塞直径； 活塞杆直径； 流入液压缸无杆腔的流量； 流入液压缸有杆腔的流量； 活塞杆右移的速度； 活塞杆左移的速度液压缸内径D、活塞杆直径d均已标准化，查表6-1，见8，可得：D=100mm查表6-2，见8，可得： d=50mm所以，杆径比： （2.7)活塞杆退回时受拉，一般取d/D=0.3-0.5，上述杆径比满足受拉要求。此时： (2.8) (2.9) (2.10)2.3.2 计算系统压力图2.3 液压缸受力示意图该液压回路为进口节流调速，活塞杆退回时收到外负载的拉力作用，如图2.3所示。则有杆腔通压力油时，有杆腔为工作腔： (2.11)上式中：F外负载力 液压缸的机械效率，一般取0.9-0.97，在这里取0.95工作时，即为此时的系统压力，液压缸无杆腔直接接油箱，故：=0所以： (2.12)活塞杆向左移动，滑动水口关闭时,外负载几乎为零，故上述压力一定满足要求。由于压力损失的存在，系统压力应高于上述计算值。系统压力损失包括管路的沿程压力损失 、局部压力损失和液压阀类元件的局部压力损失。初步估计管路压力损失为：=0.5MPa，各类阀的压力损失为：=0.5MPa，则油泵出口处的压力约为：故初选系统压力：P=19MPa2.4 拟定液压系统原理图拟定液压系统原理图是液压系统设计中的一个重要步骤。这一步要做的工作：一是选择基本回路，二是把基本回路组成液压系统。72.4.1 选择基本回路1. 调速回路确定目前，常用的调速方法为：(1)节流调速 采用定量泵供压力油，由流量控制阀改变流入或流出执行元件的流量来调节速度。(2)容积调速 改变变量泵或变量马达的排量来调节速度。(3)容积节流调速 采用压力反馈式变量泵供油，同时用流量控制阀改变流入或流出执行元件的流量来调节速度。本系统使用定量泵供油，实现的功能较简单，控制精度要求较低，故选用节流调速方式，经济实用。节流调速是由定量泵、流量控制阀、溢流阀和执行元件组成。通过改变流量控制阀口的开度来控制流入或流出执行元件的流量，调节执行元件的运动速度。这种回路的优点是结构简单、成本低，使用维护方便。节流调速回路按照流量控制阀安装位置的不同可分：进口节流、出口节流、旁路节流和复合节流调速几种；根据流量阀控制方式的不同又可分为常规节流调速和电液比例节流调速两种。进口节流调速回路：图2.4 进口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2.4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）。这种形式调速范围较宽，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内漏增加；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。回油节流调速回路：图2.5 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，而且系统高压区的范围扩大，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。旁路节流调速回路：这种调速回路是把节流阀放在与液压缸相并联的支路上，如图2.6所示。节流阀在调节液压缸流量的同时，起溢出流量的作用，回路中的溢流阀起安全阀作用。这种回路适用于负载大、速度高的场合。这种调速回路泵的泄漏对速度影响很大。旁路调速速度稳定性差，特别低速时更为显著。旁路调速的优点是：泵压随负载变化而变化，负载减小时，使油压也减小，所以在能量利用上比其他两种节流阀调速较合理。因此旁路节流调速可适用功率大，运动平稳性要求不高的场合。图2.6 旁路节流调速回路由前文负载分析可知，本液压系统所要驱动的外负载速度较低、变化较小，且为中等负载。滑动水口控制钢水的流动，对平稳性要求较高，因此旁路节流调速方式不适用。进口节流调速回路与出口节流调速回路相比，调速范围大，且出口节流调速回路能量损失大。有上述分析可知，本系统采用进口节流调速回路较为适合。2. 油路循环形式与油源形式的确定液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。3.锁紧回路与换向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范围内任何位置停止，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2.7所示。4.卸荷回路的确定液压泵的卸荷就是让液压泵以很小的输出功率运转。停液压泵也可使液压泵和电动机不输出能量，但频繁的地启、停影响液压泵和电动机的寿命，为此需要设置卸荷回路。本系统采用换向阀使压力油管道与回油管道联通实现泵的换向。图2.7 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2.8 蓄能器回路2.4.2 组成系统图在选定的基本回路基础上，参看11 12 13 14 15等，组成一个完整的液压系统，如图2.9所示。图2.9 液压系统原理图2.5 液压系统原理图分析1、自动控制回路分析电磁换向阀11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范围内任何位置停止，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11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11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11、液控单向阀8、单向节流阀10进入液压缸有杆腔，无杆腔通过单向阀10、液控单向阀8、电磁换向阀11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11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12、单向阀3组成，如图3.4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12通电，使其切换到右位即可。某时刻电磁换向阀11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12通电，切换到右位。压力油通过电磁换向阀12，单向阀3.7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