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辽宁科技大学本科生毕业设计 第 I 页 毕业设计（论文）-钢坯冷锯机液压系统设计 钢坯冷锯机液压系统设计 摘 要 随着我国国民经济的快速发展，工业化程度逐年提高，作为基础产业的钢铁业规 模已连续数年稳居世界首位，每年生产将近一亿吨的热轧及冷弯型材、管材、棒材， 这其中80以上的产品都采用了锯机完成切头、切尾、定尺切断工作，由于具备了生 产效率高、锯切的质量好、运行成本低等特点。与剪切机比较，金属没有被强行塑性 拉断的部分，因而轧件切口处精度较高。金属锯切锯机成为了现代轧钢生产线中的重 要一环，它能否正常运转，关系到整条轧线的生产能力能否正常发挥。为此，此次设 计为钢坯冷锯机液压传动系统。这是一个很重要的系统，它包括两个支路：夹紧缸的 夹紧过程和锯切缸的锯切过程。在此次设计过程中，对这两个支路进行了受力分析计 算，对各个元件的选用进行说明。对液压执行元件、液压阀、液压辅助元件和泵站进 行计算。 关键词：液压传动系统；冷锯机；液压阀；泵站 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 II 页 Hydraulic System Design Of Cold Steel Machine Abstract With the rapid development of Chinas national economy and the increasement of the degree of industrialization over the years , as the basic industries of iron and steel industry has the size of its position as the world for several years, and annual production of nearly 100 million tons of hot-rolled and cold-formed profiles, tubes, rods, which more than 80% of the products are completed using the saw-cut head, cut tail, cut off length work productivity because of the high quality of the sawing, and low running costs. Compared with the shearing machine, metal has not been forcibly pulled off the plastic part, thus accuracy of the incision rolling is higher. Metal Cutting Saw has become an important segment of the modern steel rolling production line. Whether it is the normal operation ，it relates to the whole rolling line of the normal production capacity. To this end, the design is the hydraulic drive system saw the cold steel. This is a very important system, which includes two slip: the process of clamping cylinder and the clamping cylinder sawing the sawing process. During the design process, these two slip calculation for the force analysis, the selection of the various components are described. The implementation of hydraulic components, hydraulic valves, hydraulic components and auxiliary pumping station is calculated. Key words: Hydraulic drive system; Cold Saw; Hydraulic valve; Pumping station 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 III 页 目 录 1 绪论.1 1.1锯切机械的组成.1 1.2金属冷切圆锯片国内外的发展趋势.1 1.3锯机的分类及其特点.1 1.3.1摆动式锯机.2 1.3.2平推式锯机.2 1.4液压传动的介绍.3 1.5液压传动的特点.3 1.5.1液压传动的优点.3 1.5.2液压传动的缺点.4 1.6课题设计内容介绍.4 2 液压系统的相关设计参数.5 3 制定系统方案和拟定液压系统图.6 3.1液压系统的组成及设计要求.6 3.2制定系统方案.6 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 IV 页 3.3拟定液压系统原理图.7 4 载荷的组成和计算.8 4.1液压缸载荷组成.8 4.2各液压缸载荷的计算.9 4.2.1夹紧缸的载荷计算.9 4.2.2锯切缸的载荷计算.10 5 计算液压缸的主要结构尺寸.12 5.1初选系统工作压力.12 5.2液压缸的主要结构尺寸计算.12 5.2.1液压缸的主要结构尺寸组成.12 5.2.2液压缸的主要结构尺寸计算.13 5.3计算液压缸所需流量及实际工作压力.14 5.3.1夹紧缸所需流量和实际工作压力.14 5.3.2锯切缸所需流量和实际工作压力.15 6 液压元件的选择.16 6.1液压缸的选用.16 6.2液压泵的选用.17 6.3电动机的选用.18 6.4液压阀的选用.19 6.5油管尺寸的计算.19 6.5.1管道内径的计算.20 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 V 页 6.5.2管道的选择.21 6.5.3管接头的选择.22 6.6油箱容积及尺寸确定.22 6.7蓄能器的选择.23 6.8液压介质的选择.23 6.9其余液压辅助元件的选择.24 7 液压系统性能验算.26 7.1液压系统压力损失计算.26 7.1.1沿程压力损失.26 7.1.2局部压力损失.27 7.1.3总压力损失.28 7.2液压系统的发热温升计算.28 7.2.1计算液压系统的发热功率.28 7.2.2计算油箱的散热功率.30 8 阀块的设计.31 9 液压泵站的设计.32 10 经济可行性分析.33 10.1 设备完好率与利用率.33 10.2 设备役龄 .33 10.3 设备经济寿命的确定 .35 10.4 机械购置成本 .36 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 VI 页 11 环境分析.37 11.1 环境污染 .37 11.2 机械工业（本部分主要尤指液压）对环境的危害和防治.38 11.2.1 液压工业对环境的危害.38 11.2.2 解决方法.39 结 论.40 致 谢.41 参考文献.42 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页 1 绪论 1.1锯切机械的组成 锯切机械广泛用来切断异型断面轧件，已获得断面整齐的定尺产品。 根据工作方式和结构形式，锯切机械可以分成两类： 1.锯机用于（停放着的）单根或整束轧件的切头、切尾或切定尺长度。锯切常温 轧件的锯机称为冷锯机，锯机高温轧件的锯机称为热锯机。 2.飞锯机用于将运行中的轧件切头、切尾或切成定尺长度。飞锯机也可分为冷飞 锯机和热飞锯机。 为了可以提高锯切断面质量和定尺精度，现代的大型和中型型钢轧钢厂，逐渐用 冷锯机代替热锯机进行轧件的切头、切尾和定尺锯切。 1.2金属冷切圆锯片国内外的发展趋势 从上世纪70年代开始，以德国为代表的工业国家即在金属热切的基础上开发出了 金属冷切技术，并逐渐推广应用，它大大改善了轧件的外观质量和产品精度，同时为 了适应钢材大型化的发展需求，金属冷切圆锯片也逐渐向大型化发展，目前可达到 2500 mm3000 mm。在锯片材质方面，为提高塑韧性，己经大量使用中、低碳锰 钢代替高碳锰钢生产大直径金属冷切圆锯片。在国内，从20世纪90年代开始大量引进 了国外的先进冷锯机和金属冷切圆锯片，使热轧企业和冷弯行业的金属冷切技术得到 了极大的提高，通过国内锯片生产企业如唐山冶金锯片有限公司与各大钢铁企业的共 同努力，国产的金属冷切圆锯片产品也已达了2200 mm，能够全面代替进口锯片，为 钢铁企业提供质优价廉的金属冷切锯片产品。 1.3锯机的分类及其特点 锯机是完成钢材定尺锯切任务的关键设备，虽然在整条轧线中属于辅助设备，但由 于工作性质特别，锯机能否正常运转，决定着整条轧线能力可否充分发挥，因此在整 体工艺设计时要结合产品种类、生产量合理选配锯机的类型、规格、数量，以便达到 均衡生产的目的。下面介绍的是几种常用的锯机种类和性能特点。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页 1.3.1摆动式锯机 摆动式锯机分上摆式和下摆式两种，锯切时，高速旋转的锯片环绕一个铰链轴在油 缸或气缸的带动下向上或向下摆动快速切断工件。其特点是结构紧凑，锯片安装、更 换容易，维护、检修方便, 但它不适合锯切宽高比比较大的型钢，锯切稳定性较差。 在实际生产当中，以下摆锯的使用为主，上摆锯应用较少因为检修、换片很不方便。 摆动式锯机主要应用于高频焊管及冷弯型钢生产企业，也称为飞锯机，有时也用于 小型热轧型钢企业，用做单根锯切。因为设备造价低,运行成本低，维护检修容易，国 内锯机保有量可达数千台。主要用于中小型高频焊管和冷弯型钢的定尺锯切。 1.3.2平推式锯机 平推式锯机分为小车式和滑座式，基本原理是把锯片主轴箱安装于一个可移动的 台车上，通过液压或齿条传动推动其在滑轨上前后平移，完成工件锯切和退锯动作。 其结构稳定性好，锯片安装、更换容易，检修方便，适合于锯切宽高比较大的工件或 多工件成排锯切。它主要适用于热轧型钢行业和部分大型冷弯型钢、高频焊管企业， 可以锯切大型厚壁型材、管材和圆钢。 1.小车式平推锯机是我国现阶段中小型轧钢企业最常见的机型，这种类型的锯机造 价低廉，一般厂家均可自制，上马快，但结构平稳性较差，功率小，重量轻，工作中 容易跳锯，缺少了工件夹紧、高压水冷却、冲刷功能，对锯片冲击大、磨损快，轧制 厚壁工件时锯切寿命低。由于工件经常撞击锯片，容易引起锯片裂纹的产生或由于闷 车导致锯片的异常损坏，形成现场的一种不安全因素。这类锯机主要锯切品种是工、 槽、角钢。 2.滑座式平推锯机是国内大型钢铁企业、大型冷弯型钢企业使用的主要机型，大型 热轧企业以进口锯机为主,大型冷弯型钢企业以国产锯机为主，这种设备一般配置足够 的主电机功率，机座和滑座之间采用平V导轨结构相联结，进锯采用液压或齿轮齿条传 动可实现无级调速，调速范围在20 mm/s200 mm/s。另外整机重量一般达到3050 t，所以进锯、退锯都非常平稳，在工件夹持方面，设置双侧的水平收集、垂直压紧装 置,锯切时工件不发生任何移动，对锯片没有异常冲击，只是有正常的锯切磨损，所以 一般情况下，每张锯片单次锯切吨位都达数百吨以上。与小车式平推锯的几十吨相比 优势明显，另外锯机上配置了以上的高压冲屑以及低压以下大流量的锯片冷切水，对 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页 锯片保持锯切性能也提供了良好的保证。 总之，滑座式平推锯机无论在设备配置和锯片选用上都已达到了比较完善的程度， 具有生产效率高，安全性好的优点，但就是一次性投人比较高，对于具备一定实力的 企业应该首选这种机型，其综合效益是比较理想的。目前国内常用的进口冷锯机有德 国的西马克斯凯特，意大利的达涅利、波米尼，日本的新日铁等机型。国产冷锯机生 产厂有二重、一重、沈重和上重几个重型机械厂。 1.4液压传动的介绍 液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。液压传动和 气压传动并称为流体传动，是根据 17 世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起 来的一门新兴技术，是工农业生产中应用广泛的技术。 1795 年英国 Joseph Braman 以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第 一台水压机。1905 年将工作介质水改为油，又进一步得到改善。 第一次世界大战后液压传动广泛应用，特别是 1920 年以后，发展更为迅速。 液压元件大约在 19 世纪末 20 世纪初的 20 年间，才开始进入正规的工业生产阶段。 1925 年 F.Vikers 发明了压力平衡式叶片泵，为近代液压元件工业或液压传动的逐 步建立奠定了基础。 20 世纪初 GConstantimsco 对能量波动传递所进行的理论及实际究；1910 年对液力 传动(液力联轴节、液力变矩器等)方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。 第二次世界大战期间，在美国机床中有 30%应用了液压传动。在 1955 年前后，日 本迅速发展液压传动，1956 年成立了“液压工业会” 。 1.5液压传动的特点 1.5.1液压传动的优点 1.体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击； 2.能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速； 3.换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线 往复运动的转换； 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页 4.液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制； 5.由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长； 6.操纵控制简便，自动化程度高； 7.容易实现过载保护。 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等等；船舶用的 甲板起重机械、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的控制装置、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。 1.5.2液压传动的缺点 1.使用液压传动对维护的要求高，工作油要始终保持清洁； 2.对液压元件制造精度要求高，工艺复杂，成本较高； 3.液压元件维修较复杂，且需有较高的技术水平； 4.用油做工作介质，在工作面存在火灾隐患； 5.传动效率低。 1.6课题设计内容介绍 本课题设计内容是冷锯机液压传动系统。该系统设计内容包括：型材的夹紧系统 和锯片的剪切系统两部分。 在夹紧系统中，由于需要对型材施加恒定的外力，所以在液压回路中安装单向调 压阀，保持夹紧回路的压力恒定。 在升降系统中，液压缸需要控制锯切在工作进程中恒速进给以及非工作进程中快 速退回，所以在液压回路中需要安装双单向节流阀，来实现不同工作过程中对锯机不 同速度的要求。同时，锯机在待机情况下需要保持活塞杆始终支撑锯机，所以在液压 回路中还要安装液压锁以保证锯机在待机情况处于待机位置。 此液压系统能够实现系统稳压、调速及锁紧等功能。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页 2液压系统的相关设计参数 夹紧缸参数： 夹紧力： 7634 Kg 活塞运行速度： 0.1 m/s 锯切缸参数： 进锯力： 3065 Kg 进锯速度： 70 mm/min 锯切速度： 9.519 m/min 活塞运行速度： 0.077 m/s 钢坯最大直径： 410 mm 锯片直径： 1300 mm 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6 页 3制定系统方案和拟定液压系统图 液压系统的组成及设计要求 液压传动是借助于密封容器内液体的加压来传递能量或动力的。一个完整的液压 系统由能量（压力）发生源、能量控制和分配装置及工作执行机构四个部分组成。在 本设计系统中，采用油泵作为系统的液压发生机构，即压力源；采用液压缸作为工作 的执行机构，将压力能转化为机械能。在它们之间通过管道以及附件进行能量传递； 通过各种阀作为控制机构进行控制。 通常液压系统的一般要求是： 1.保证工作部件所需要的动力； 2.实现工作部件所需要的运动、工作循环，保证运动的平稳性和精确性； 3.要求传动效率高，工作液体升温低； 4.结构简单紧凑，工作安全可靠，操作容易，维修方便等。 同时，在满足工作性能的前提下，应力求简单、经济及满足环保要求。 液压系统工作介质最常用的是乳化液和油。由于乳化液的粘性小易泄漏，润滑性 差，易腐蚀，并且实现自动控制比较困难等缺陷。现在越来越多的液压系统采用油液 作为工作介质。 本液压系统通过对负载力和流量的初步估算，初步定为中等压系统，即为 P20MPa。 3.2制定系统方案 1.执行机构的确定：本系统执行机构均是以液压缸作往复运动带动执行机构执行运 动的机械结构。根据系统的初步要求，初选两个液压缸，分别作为夹紧缸和锯切缸。 2.夹紧缸动作回路：夹紧缸要对型材进行夹紧保证能够正常锯切，此液压缸的动作 由换向阀控制，系统要求压力始终保持恒定，所以系统中采用单向减压阀，对夹紧缸 压力进行控制。 3.锯切缸动作回路：锯切缸要控制锯机的升降和在锯切时产生锯切力，同时在锯机 不工作时，要保持锯机处于待机状态，不能因机构自身重力下降，所以在系统中安装 液压锁使得锯机能够自锁。而且，在锯切时机构对于锯机的进锯速度有一定得要求， 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 7 页 所以在回路中还安装了双单向节流阀，对进锯速度能够进行调节。 3.3拟定液压系统原理图 通过上述对执行机构、基本回路的设计，将它们有机的结合起来，再加上一些辅 助元件，便构成了设计的液压原理图。见图 3.1 图 3.1 液压系统原理图 此外，由于系统有很多电控阀的使用，电磁铁工作顺序表如下表 3.1 。 表 3.1 电磁铁动作表 1DT2DT3DT4DT5DT 夹紧缸夹紧+ 夹紧缸退回+ 锯切缸锯切+ 锯切缸退回+ 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 8 页 系统安全卸荷 4 载荷的组成和计算 液压缸载荷组成 1.工作负载 常见的工作载荷有作用于活塞杆轴线上的重力、切削力、挤压力等。这些作用力 的方向与活塞运动方向相同为负，相反为正。 2.导轨摩擦负载 对于水平轨 (4.1.1) = （ + ） 对于 V 型导轨 (4.1.2) = （ + ）/ 2 式中 G运动部件所受的重力（N）; 外载荷作用于导轨上的正压力（N）; 摩擦系数； V 型导轨的夹角，一般为 90。 3.惯性负载 惯性负载是运动部件在启动加速或制动减速时的惯性力，其值可按牛顿第二 定律求出： = (4.1.3) 式中 g重力加速度，； = 9.8 2 时间内的速度变化值； 启动，制动速度转换时间，一般机械取，对轻载低速 = 0.010.05 运动部件取小值，对重载高速部件取大值。行走机械一般 = 0.5 1.5 2。 以上三种载荷之和称为液压缸的外载荷 启动加速时 (4.1.4) = + + 稳态运动时 (4.1.5) = + 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 9 页 减速制动 (4.1.6) = + 工作载荷并非每阶段都存在，如该阶段没有工作，则。 = 0 除外载荷外，作用于活塞上的载荷 F 还包括液压密封处的摩擦阻力，由于 各种缸的密封材质和密封形式不同，密封阻力难以精确计算，一般估算为： = （1 ） 式中 液压缸的机械效率，一般取 0.900.95 = (4.1.7) = （1 ） 总载荷为 (4.1.7) = + 4.2各液压缸载荷的计算 4.2.1夹紧缸的载荷计算 对加紧装置进行受力分析：加紧装置进给和退回的受力情况相同，所受到的摩擦 力和惯性力大小相同，方向相反，故摩擦力用表示，惯性力用表示。 f F a F 受力分析图如下图： 1.导轨摩擦负载： 假设夹紧端自身质量为 G=100Kg 取由公式(4.1.1)可得： = 0.06 ， 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 10 页 Ff=NG 8 . 588 . 910006 . 0 2.惯性负载： 取 =1m/，由公式(4.1.3)可得： 2 N t v g G Fa1001 8 . 9 980 3.外载荷 w F 非工作阶段的外负载为: NFFF afw 8 . 158100 8 . 58 工作阶段： 活塞杆只受来自型材夹紧力的反作用力，和自身的重力作用，并且自 身重力此时并不作为外负载存在。故： NFw2 .748138 . 97634 所以用工作阶段外负载进行夹紧缸的载荷计算。 4.摩擦阻力： 取由公式(4.1.7)可得： = 0.95， NFF m m m m 54.3937 2 . 74813 95 . 0 95 . 0 11 5.总载荷： NFFF mw 74.7875054.3937 2 . 74813 4.2.2锯切缸的载荷计算 机构锯切过程受力分析如下图： 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 11 页 1.外载荷 Fw N FFF F nne w 5 . 10118980030037 2 8 . 93065 2 2.摩擦阻力： 取由公式(4.1.7)可得： = 0.95， NFF m m m m 55.532 5 . 10118 95 . 0 95 . 0 11 3.总载荷： NFFF mw 05.1065155.532 5 . 10118 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 12 页 5 计算液压缸的主要结构尺寸 初选系统工作压力 要根据载荷大小和设备类型，还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供 应情况等的限制而选择压力。当载荷一定时，工作压力低，就必须加大执行元件的结 构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不经济；反之，压 力选得太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，这样就会提 高设备成本。一般来说，对于固定的尺寸不太受限的设备，压力可以选低一些，行走 机械重载设备压力要高些。具体参考表 5.1。 表 5.1 工作压力初选表 载荷kN50 工作压力 MPa 0.811.522.5334455 系统工作压力的选定是否合理，关系到整个系统的合理程度。在本液压系统中， 其中夹紧缸具有最大工作压力。根据以上计算可知系统最大负载约为 78kN，参照表 5.1 可知工作压力应大于 5MPa，故初选系统的工作压力为 7MPa。 5.2液压缸的主要结构尺寸计算 5.2.1液压缸的主要结构尺寸组成 活塞杆受压时 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 13 页 (5.2.1) = = 1 1 2 2 活塞杆受拉时 (5.2.2) = = 1 2 2 1 式中 无杆腔活塞有效作用面积（） ； 1= 4 2 2 有杆腔活塞有效作用面积（） ； 1= 4 （ 2 2） 2 液压缸工作腔压力（） ； 1 液压缸回油腔压力（） ，即背压力。其值根据回路的具体情况而定， 2 初算时可参照表 5.2 取值，差动连接时要另行考虑； 活塞直径（m） ； 活塞杆直径（m） 。 表 5.2 背压选择标准 系统类型背压力MPa 简单系统或轻载节流调速系统0.20.5 回油节流调速阀的系统0.40.6 回油路设置有背压阀的系统0.51.5 用补油泵的闭式回路0.81.5 回油路较复杂的工程机械1.23 回油路较短，且直接回油箱可忽略不计 一般，液压缸在受压状态下工作，其活塞面积为 1= 2 2 1 （5.2.3） (5.2.2) 运用上式须事先确定与的关系，或是活塞杆径 与活塞直径 的关系，令杆 1 2 径比，其值可按表 5.3 选取 = 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 14 页 表 5.3 杆径比选择标准 工作压力 MPa5.05.07.07.0 0.50.550.620.700.7 = 4 1 2（1 2） (5.2.4) 液压缸直径 D 和活塞杆径 d 的计算值要按国标规定的液压缸的有关标准进行圆整。 如与标准缸参数相近，最好选用国产标准液压缸，免于自行设计加工。 5.2.2液压缸的主要结构尺寸计算 1.夹紧缸的主要结构尺寸 根据外载荷力选取工作压力为 7MP，根据系统取背压为 0.5MPa，即,MPaP5 . 0 2 按工作压力选取见表 5.2 取。 = ， = 0.7 由公式(5.2.4)可得： mm PP F D96.121 )7 . 01 (5 . 0714 . 3 74.787504 )1 ( 4 22 21 根据参考文献1附表-12 圆整取值 D=125mm ，对其圆整得 d=90mm 5 . 877 . 0125Dd 2.锯切缸的主要结构尺寸 根据外载荷力选取工作压力为 2.5MPa,根据系统取背压为 0.5MPa，即,按MPaP5 . 0 2 工作压力选取见表 5.2 取。 = ， 5 . 0 由公式(5.2.4)可得： mm PP F D91.79 )5 . 01 (5 . 05 . 214 . 3 05.106514 )1 ( 4 2