毕业设计（论文）-高线步进式80吨加热炉设计.doc

武汉科技大学高职毕业设计题目：高线步进式80吨加热炉学 院:机械学院专 业:机电一体化学 号:学生姓名:指导教师:日 期:二一三年五月 摘 要步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。广泛应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。本次设计任务是设计步进梁加热炉的液压系统，采用普通液压阀，由于在以一个运动周期中，要求能适应不同的负载变化和钢坯运动速度，要通过控制系统的流量来满足这些要求。为了防止步进梁前移时产生的惯性，本系统采用了缓冲阀组成压力补偿回路，起到了缓冲作用。为了保证步进梁下降时平稳下降，在回路上采用了平衡阀，保证了其平稳下降。为了实现钢坯在出现故障的时候能够在任意位置停止，系统加入了液压锁紧装置，以免出现系统失控。关键字： 步进式加热炉； 普通液压阀； 锁紧Abstract Walking beam type furnace use the beam at the bottom of the furnace of the cool steel beam to rise，to go ahead，to come down，to go back.It is widely used in the petroleum，chemical，metalllurgy，machinery，heat treatment，surface treatment，building materials，electronic，materials，light industry，chemical，pharmaceutical and other industries.The design in mainly to design the hydraulic proportioning system for the walking beam type furnace.,In this design,the normal hydraulic valve will be used.As we know the speed of the beam will change at the reason of the change of the load in a circle,so we must change the flow of hydraulic actuating cylinder.In order to avoid the inertia generated when the walking beam goes ahead，the buffering valve is been used.In order to ensure an steady decline when the walking beam goes down.,the balance valve is been used to ensure its steady decline.As the same time,we use locking acuipement to fasting the beam at any location in case of malfunction.Key word: Walking beam type furnace; The normal hydraulic valve; Locking acuipement目 录一 绪论61.1 背景及工艺61.2 设计任务61.2.1 设计题目61.2.2 主要技术参数及要求61.3 设计方案6二 液压系统的计算与选型72.1 系统工作压力的确定7 三 计算最大负载7 四 确定系统压力范围.8 五 按PMIN，确定油缸尺寸， 圆整。9 5.1.执行元件的计算与选型95.1.1 升降液压缸95.1.2 水平液压缸95.2 执行元件速度的计算9 六 油缸的进退流量.96.3 执行元件流量的计算错误！未定义书签。6.3.1 升降液压缸36.3.2 水平液压缸3 七 画出循环时间-流量图. 流量循环图错误！未定义书签。八 泵流量的确定38.1 液压泵的选择38.1.1 确定液压泵的最大工作压力PP38.1.2 确定液压泵的流量QP38.1.3 确定液压泵的驱动功率3 九 选择液压元件9.1. 液压阀的选择39.1.1 升降液压缸39.1.2 水平液压缸39.1.3 蓄能器的选择39.2 油箱的选择39.3 滤油器的选择39.4冷却器的选择39.5 加热器的选择39.6 管道的选择39.6.1 管道内径计算39.6.1.1 吸油管路39.6.1.2 压力管路39.6.1.3 吸油管路3结束语3参考文献3一 绪论1.1 背景及工艺步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成。步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。同推钢式炉相比，它的优点是：运料灵活，必要时可将炉料全部排出炉外；料坯在炉底或梁上有间隔地摆开，可较快地均匀加热；完全消除了推钢式炉的拱钢和粘钢故障，因而使炉的长度不受这些因素的限制。改进的步进式加热炉，属于冶金行业生产设施，它包括炉体，炉体的侧墙由内向外分别是低水泥料层、隔热砖层、硅酸铝纤维毡隔热层，炉体分为预热段、加热段、均热段，加热段的两面侧墙上设置调焰烧嘴，均热段的上加热段设置平焰烧嘴，均热段的下加热段设置调焰烧嘴，调焰烧嘴的煤气和空气的混合气管道上设置电磁阀和调节阀，平焰烧嘴的煤气和空气的混合气管道上设置调节阀，空气总管道和煤气总管道设置在炉顶。1.2 设计任务本次任务是设计步进式加热炉液压系统，具体细节如下。1.2.1 设计题目步进式加热炉液压系统设计1.2.2 主要技术参数及要求1. 加热炉横移部件重量20T，升降部件重量20T，坯料重量80T；2. 步进梁垂直位移600mm，水平位移2500mm；3. 液压系统最高工作压力不超过20MPa；1.3 设计方案此次设计主要是设计一个步进式加热炉液压系统设计。要求这个液压系统能实现自动化，能进行过载保护，工作平稳，能够在一定范围内进行无级调速，在步进梁式加热炉里，钢坯移动是通过固定梁和载有钢坯的移动梁进行的。步进梁的一个工作周期分为水平，前进，下降，后退四个动作。在步进梁的水平运动和升降运动中，运动过程都是先加速运动，后做匀速运动，最后做减速运动，速度减为0，然后切换到下一个运动过程。在步进梁的运动中，我们始终要保证其平稳运动，既要控制进入或流出液压缸的流量。为了满足上列工作要求，采用如下方案。1 压力的选定要根据设计任务的要求并考虑压力损失，初步选定液压系统的工作压力不能超过20MPa，由于系统工作压力应比最高工作压力低10%-20%,故系统的实际工作压力为16-18MPa。采用两个升降液压缸来完成步进梁的垂直运动，采用单向节流阀进行回油调速，从而保证升降液压缸的速度平稳，同时采用了平衡阀，保证液压缸在下降时平稳下落。2 平移机构的水平运动用一个水平液压缸来实现，采用了普通差装阀组成压力补偿回路，有效防止了步进梁前移时产生的惯性冲级，起到了缓冲作用。3 在快速运动的液压机械或系统需要大流量时为节省能源，通常采用多泵供油或将蓄能器作为辅动力源供油。为解决大流量的供油问题，本系统设计了用三位无通换向阀组成的差动回路，成功的满足了步进梁下降所需的大流量。4 以上液压缸的动作实现都要用一供一备的变量液压泵来提供压力油。 二 液压系统的计算与选型2.1 系统工作压力的确定压力的选定要根据设计任务的要求并考虑压力损失，初步选定液压系统的工作压力不能超过20MPa，由于系统工作压力应比最高工作压力低10%-20%,故系统的实际工作压力为16-18MPa。2.2 执行元件的计算与选型升降液压缸分为上升和下降两个动作，采用两个升降液压缸完成，水平液压缸分为前进和后退两个动作，采用一个水平液压缸完成。要完成液压缸的选取，先要计算其负载。三 计算最大负载由于活动升降油缸要承受钢坯重量，所以升降油缸所承受负载为最大负载。另外，考虑到惯性载荷的作用，取外载荷为活动部件及钢坯重量的1.3倍。活动梁升降油缸的外载为FW=1.3mg=1.3*100000kg*9.8n/kg=1.274*106N 除外载荷外还应考虑摩擦阻力Fm，由于各种缸的密封材质和密封形式不一样，密封阻力难以精确计算，一般估算。 Fm=（1-m）*F-（2.2） m 为液压缸的机械效率，一半取0.90-0.95，本设计取0.95F=FW /m -（2.3）所以活动梁升降油缸的外载荷F= FW /m =1.274*106 /0.95=1341052.6N三 根据时间确定各执行元件的速度 一般托住工件远行时要求比较稳，所以速度也较慢，取100ms,空载时取150ms,所以有：（1） 活动梁托住钢坯上升600mm(6s)（2） 活动梁托住钢坯水平位移2500mm（25s）（3） 活动梁下降600mm(4s)（4） 活动梁归为2500mm(17s)四 确定系统的压力范围技术要求系统最高压力为20Mpa,系统压力一般取2/3 PmaxPmax,故取1218MPa五 按Pmin，确定油缸尺寸，圆整。5.1 系统工作压力的确定压力的选定要根据设计任务的要求并考虑压力损失，初步选定液压系统的工作压力不能超过20MPa，由于系统工作压力应比最高工作压力低10%-20%,故系统的实际工作压力为18MPa。5.2 执行元件的计算与选型升降液压缸分为上升和下降两个动作，采用两个升降液压缸完成，水平液压缸分为前进和后退两个动作，采用一个水平液压缸完成。要完成液压缸的选取，先要计算其负载。5.2.1 升降液压缸 图2.1 液压缸受力图由上图可知： （2.1）由（2.1）式可得： （2.2）式中 -液压缸工作压力，初算时可取系统工作压力 -液压缸回油腔背压力，初算时无法准确确定，根据液压系统设计简明手册表2-2，取P2为2MPa。 d/D-活塞杆直径与液压缸内径之比，根据液压系统设计简明手册表2-3，取d/D=0.7. F-工作循环中最大的外负载。 -液压缸密封处摩擦力，它的准确值不易求得，常用液压缸的机械效率进行估算 （2.3）式中 -液压缸的机械效率，一般=0.90.97，这里取=0.95。 外负载F=1001039.8=980000N由于由两个液压缸同时作用，所以单个液压缸的负载为外负载的一半。所以F=490000N代入（2.2）式得 D=196.7mm d=0.7D=137.6mm根据机械设计简明手册表2-4，D圆整到200mm，d圆整到140mm。由于升降缸的垂直位移是600mm，查机械设计手册，采用升降缸的型号为 ZQ-200/140X6305.2.2 水平液压缸其中外负载F=1001039.80.1=980000N取P1=18MPa,P2=2Mpa,cm=0.95,d/D=0.7代入（2.2）式得D=87.98d=0.7D=61.59mm根据机械设计简明手册表2-4，D圆整到80mm，d圆整到60mm由于水平缸的水平位移为2500mm，查机械设计手册，采用水平缸的型号为 ZQ-80/60X2600六 油缸进退流量6.1升降液压缸 基本参数 D=200mm，d=140mm，=60mm/s，=120mm/s 上升时进入升降缸的流量： 下降时进入升降缸的流量：6.2 水平液压缸 基本参数 D=90mm，d=60mm，=250mm/s，=500mm/s 前进时进入水平缸的流量：后退时进入水平缸的流量：由于升降缸是由两个缸同时作用，故其流量是两个液压缸流量之和。 七 画出循环时间-流量图. 八 泵流量的确定多液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量应为 QPK（Qmax） （2.6）式中 K-系统泄漏系数，一般取K=1.11.3，这里取1.2； Qmax同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量，可从（Q-t）图上查得。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量，一般取0.510-4m3/s。根据上述计算，Qmax=192L/min，QP1.2（192+0.0560）=234L/min。 九 液压元件的选择和专用件设计9.1.1 液压泵的选择9.1.1.1 确定液压泵的最大工作压力PP （2.5）式中 P1-液压缸或液压马达最大工作压力； p-从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。p的准确计算要待元件选定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，流速不大的，取p=（0.20.5）Mpa；管路复杂，进口有调速阀的，取p=（0.51.5）Mpa，这里取1.2Mpa。由于上述计算的最大压力P1=25.99Mpa，所以pP27.19Mpa。9.1.1.1 确定液压泵的驱动功率由于在工作循环中，液压泵的压力和流量比较大，即（Q-t），（P-t）曲线起伏较大，所以必须分别计算出各个动作阶段内所需功率，驱动功率取其平均功率 （2.7）式中 t1，t2tn-一个循环内每一动作阶段内所需要的时间（s）； N1，N2Nn-一个循环内每一动作阶段内所需要的功率（W）。其中N1=14.14KW, N2=3.56KW,N3=0,N4=14.31KW。t1=10s, t2=10s,t3=5s,t4=5s代入上式得Nper=10.24KW。查阅机械设计手册第四卷表17-1-29，选取电动机型号为Y4-160M2-2.其参数为：额定功率P额=15KW，转速n=2930r/min，效率=0.89。根据以上求得的pP和QP值，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%。参照力士乐柱塞泵样本，选取力士乐a4vso180系列柱塞泵，其性能参数如下所示:排量Vgmax(cm3/r) 180最高转速nmax(rpm) 1800最大流量( L/min) 当n=nmax 324当n=1500rpm 270最大功率(KW) 当n=nmax 189当n=1500rpm 158最大扭矩P=35MPa(Nm) 1002扭矩P=10MPa(Nm) 286重量近似值(Kg) 103注:1)只要在吸油S处有0.1 MPa的绝对压力则所示的数值成立。液压泵工作压力范围S口进油口的绝对压力Ps min=0.08MPa Ps max=3 MPaB口出油口的压力 额定压力P=35MPa 峰值压力=40 MPa9.2 液压阀的选择选择阀根据系统的工作压力和实际通过阀的最大流量，选择有定型产品的阀件，溢流阀按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，要考虑最小稳定流量应满足执行机构的最低稳定速度的要求。控制阀地 流量一般要选的比实际通过的流量大一些，必要时也允许有20%的以内的短时间过流量。9.2.1 升降液压缸下图为升降液压缸原理图: 图2.6 升降回路原理图 根据以上计算得，上升时的流量为188.4L/min，下降时的流量为192L/min；电磁换向阀：查阅力士乐液压样本，选取4WEH16J7XO/6EG24K4力士乐系列三位斯通电磁换向阀，1个。单向节流阀：查阅力士乐液压样本，选取Z2FS16-3X/SV力士乐系列单向节流阀，2个。液压锁：查阅力士乐液压样本，选取Z2S16-2-5X/V力士乐系列液压。平衡阀：查阅机械设计手册，选取FD16PA10平衡阀.9.2.2 水平液压缸下图为水平液压缸原理图 图2.7 水平液压缸根据以上计算得，水平液压缸前进时的流量为158.96L/min，水平液压缸后退时的流量为176.6L/min.。电磁换向阀：查阅力士乐液压样本，选取5-WE10J3X/CG24K4/V力士乐系列三位四通电磁换向阀，1个。双单向节流阀：查阅力士乐液压样本，选取Z2FS10-5-3X/V力士乐系列单向节流阀，2个。液压锁：查阅力士乐液压样本，选取Z2S10-1-3X/V力士乐系液压锁液控式单向阀。其它阀的选择:电磁溢流阀：查阅力士乐液压样本，选取DBW10A12-50电磁溢流阀。单向阀：查阅机械设计手册，选取S30A3O单向阀。截止阀：查阅机械设计手册，选取YJZQ-H10N截止阀。9.3 蓄能器的选择 蓄能用的蓄能器包括“做辅助动力源”，“补偿泄漏保持恒压”，“做应急动力源”，“改善频率特性”和做液压空气弹簧等。由于本系统为高压系统，故选用皮囊式蓄能器。蓄能器总容积的计算：蓄能器的总容积V0，即充气容积（对活塞式蓄能器而言，是指气腔容积与液腔容积之和）。根据玻尔定律： （2.8）蓄能器工作在绝热过程（t0,要设置冷却器。取冷却器的冷却系数多管式水冷k=116 W/（m2.K），取液压油进口温度t1=60 oC，液压油出口温度t2=50 oC，冷却水进口温度t11=25 oC，冷却水出口温度t22=30 oC。将上述参数带入公式（2.17），求得：tm=27.5 oC所以冷却器的散热面积为：A=H2/ktm=0.16m2将计算出来的散热面积增大30%，所以冷却器实际的散热面积为A=0.16m2(1+30%)=0.21m2查阅液压设计手册（电子版），选取2LQFW-A1.0F管型冷却器。9.7 加热器的选择在低温环境工作，为保持合适的油温，油箱须进行加热。可用蒸汽加热或电加热。加热器的发热能力，可按下式估算： （2.18）式中 C-油的比热（矿物油），J/（kg.K），取C=16752093J/（kg.K） -油的密度，kg/m3，取=900 kg/m3 V-油箱容积，m3 -油加热后温升，oC T -加热时间，s由上述计算可知，基本参数C=1800 J/（kg.K），=900 kg/m3 ，V=1500L取=30 oC，T=40min=2400s。将以上参数代入 H C V /T，得H30.375Kw因为电加热器的功率：N=H/，为热效率，取0.60.8，这里取0.7所以电加热器的功率N=30.375/0.7=43.39Kw查液压设计手册（电子版），选取GYY4-220/8型加热器，其加热功率为8Kw。9.8管道的选择 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。钢管能承受较高的压力，价廉；但弯制比较苦难，弯管半径不能太小，多用在压力较高，装置位置比较方便的地方，一般采用无缝钢管，当工作压力小于1.6MPa时，也可用焊接钢管。紫铜管能承受的压力较低（P 3.610MPa）,经过加热冷却处理后，紫铜管软化，装配时可按需要进行弯曲；但价贵且抗振能力较弱。 尼龙管用在低压系统，塑料管一般只做回油管用。胶管作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踢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。低压胶管是麻绳或者棉线编织踢为骨架的胶管，多用于压力较低的油路中。由于胶管制造比较困难，成本高，因此非必要时不用。由于本次设计的液压系统属于高压系统，故考虑用钢管。而对于联接两个相对运动部件的管路则采用那个软管联接。软管分高低压两种，压力油路中采用以钢丝编织或钢丝缠绕为骨架的高压软管，压力较低的回油路或气动回路中则采用以麻线或棉线编织体为骨架的橡胶软管。 9.8.1 管道内径计算 (2.19)式中 Q-通过管道内的流量（L/min） V-管内允许流速（m/s），见下表 表3-1 管道与流速的选择管道推荐流速液压泵吸油管道0.52，一般常取1以下液压系统压油管道2.56，压力高，管道短，粘度小取最大值液压系统回油管道1.53短管道及局部收缩处510泄油管道019.8.1.1 吸油管路 由于液压泵的最大流量为156L/min，所以吸油管路的流量Q=156L/min，由于泵的出口是软管连接，依据上表，取流速v=1m/s，代入公式（2.19）得d=57.5mm查液压设计手册（电子版），选取吸油管路公称通径为65mm，外径为73mm，壁厚为3mm。9.8.1.2 压力管路（1） 泵联接段 流量Q =324L/min0.9=291.6L/min，根据上表，取流速v=5m/s,代入公式（2.19）得d=30.547mm查液压设计手册（电子版），选取吸油管路公称通径为32mm，外径为42mm，壁厚为5mm。（2） 升降液压缸回路 流量Q=158.96L/min，根据上表，取流速v=4m/s，代入公式（2.19）得d=25.21mm查液压设计手册（电子版），选取吸油管路公称通径为32mm，外径为42mm，壁厚为5mm。（3） 水平液压缸回路 流量Q=176.6L/min，根据上表，取流速v=4m/s，代入公式（2.19）得d=26.57mm查液压设计手册（电子版），选取吸油管路