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1、液压控制系统结业论文第一章 绪论1.1 国内外飞剪的发展状况 横向剪切运行中的轧件的剪切机叫飞剪，是一种能快速切断铁板、钢管、纸卷的加工设备，是冶金轧钢行业、高速线材及螺纹钢定尺剪切机，是现代轧制棒材剪短中的产品，具有耗电少、投资成本低的特点1。众所周知，飞剪机是中小型轧钢和连铸生产线上不可缺少的关键设备之一，也是机电气液一体化配套技术难度较高的设备。飞剪机的合理选型、运行速度、剪切精度、自动化程度、操作维护及设备寿命等均直接影响着轧材成品的产量大小，成材率和定尺率的高低，也就是说直接影响着轧钢厂的生产效率和经济效益。其剪切轧件的端面、剪切轧件的精度、剪切的速度以及返回的位置等也成为提高产量与
2、成材率的重要因素2。1.1.1 国外飞剪机的发展情况 目前国外多采用两种比较先进的飞剪机型，一是采用离合器制动器，我们称作“连续启停”制飞剪，另一种是电机直接启停制飞剪两种飞剪各有其优点亦有其不足之处。随着科学技术的不断发展，电控元器件水平的提高，启停制飞剪将逐步代表着飞剪机的发展趋势3。1.1.2 国内飞剪发展情况 从建国初期50年代至70年代，国内飞剪机大都受东欧、苏联等社会主义国家影响，飞剪机大致可分为连续制和起停制两大类，例如：鞍钢一初轧100x100方连续制飞剪机，首钢300小型50x50方起停制飞剪机，济钢小型厂捷克产11吨连续制飞剪机等等连续制飞剪机，大多采用空切机构和匀速机构，
3、实现定尺剪切工作时电机拖动传动系统连续运动，剪切机构做连续地空切动作，当需要剪切是，调整空切机构的位置，令剪切机构完成剪切动作，而后再回复空切动作，因此这种飞剪设置了空切机构、倍尺 机构等装置。不可避免地带来设备庞大、结构复杂等问题，而且定尺长度是确定的，不可以任意调整，限制了定尺规格的变化范围。由于剪切机机构复杂庞大，转动惯量也大，影响了剪切速度的提高。许多钢厂在后来的设备改造中都将其简化改成摆槽式的飞剪，如首钢25x25连续制飞剪即是如此，但这样改动后，剪切误差很大，常常定尺误差达12m，这是非常不利的。80年代中期，我国在开放政策影响下，集中引进了一批国外先进技术和设备，包括一些国外70
4、年代水平的二手设备。其中较具有代表性的现金飞剪技术是安阳260小型厂从意大利Danieli公司引进的CV30飞剪机，它是采用离合器制动器控制的连续起停制飞剪机。最大剪切速度达20m/s，剪切精度达正负80ram（v=17m/s）4。1.2 飞剪的用途及工艺要求飞剪机时在轧件运动过程中，剪刃产生相对运动而将轧件或铸坯剪断的设备。飞剪机装设在轧制或连铸作业线上，用来横向剪切轧件或连铸坯的头、尾或将其剪切成一定定尺长度。由于连年来连铸机的不断发展，连铸的拉坯速度不断提高，拉坯速度已经达到5m/min以上，为了适应铸坯速度的增长，要求剪切机的剪切速度也必须要相应地提高。同时，出于剪切品种、规格和定尺长
5、度范围的扩大，因而飞剪机的形式也必须相应的提高。同时，出于剪切品种、规格和定尺长度范围的扩大，因而飞剪机的形式和结构是得到相应地发展。为了保证一台飞剪机能正常工作，它必须能充分满足生产要求，这要求飞剪机的设计必须保证下述生产工艺要求：1、 飞剪机的生产率必须与连铸机的生产率相协调，并能保证连铸机生产率的充分发挥。2、 剪切时，剪刃在铸坯运动方向的外速度应与铸坯运动速度保持一定关系，定尺剪切要求前者大于后者，以保证在剪切过程中铸件不被弯曲和被拉断。3、 由于钢坯品种的不同，要求产品尺寸长度也不相同，而对一种成品厚度有时也要求几种不同的长度规格。因此，一台飞剪机必须能够调节被剪切钢坯的长度在生产品
6、种的要求的范围之内，并且要求最佳剪切。4、 尽可能减少金属材料的损耗。5、 必须保证能够减轻不同的材质、断面，厚度等要求。6、 剪切的铸坯应符合质量标准。1.3 设计内容随着科技的不断发展，对工业设备运行的准确性要求越来越高对系统控制精确度要求也越来越高。液压伺服控制系统集中、体积小、重量轻，但可控制大功率负载，所以，在冶金工业生产领域得到了广泛的应用，并且取得了良好的效果。液压伺服系统与其他伺服系统相比，特点为：功率质量比大、力矩惯量比大；负载剐度小，系统控制精度高；系统响应快、频宽大；系统的各元件加工精度要求高；在运行当中具有自润滑性。 本设计是采用速度控制电液伺服系统使剪切机的水平运动在
7、剪切过程中能与铸坯同步。如图，速度传感器通过压紧轮，感受钢坯的实际水平移动速度V1。作为系统的速度给定值。剪切机水平移动速度V2。由速度传感器控制。当V1与V2出现偏差时，电液伺服系统对剪切机的移动速度进行调整，以保证钢坯在剪切过程中与剪切机同步，因而不受阻力或推力。第二章 系统设计2.1 系统参数飞剪运动重量为40KN，剪切周期为15s，钢坯速度是100mm/s, 回程速度为200 mm/s, 系统频宽f0.7=11Hz，速度精度为2.5mm/s。2.2 分析负载运动钢坯在整个剪切过程中，经历加速、匀速、减速、停止的过程，在液压马达杆向外伸出的过程中，钢坯先加速到一定速度，然后匀速运行，即将
8、到达指定位置开始减速，运行到指定位置后停止运行，然后由剪切机进行剪断，液压缸活塞杆回缩，从而完成整个剪切过程。由于本系统采用的是液压伺服系统，所以负载在运行过程中的速度，会根据反馈信息由系统进行适时调整。2.3 确定系统的执行元件及其控制和调速方案液压马达统的执行元件，液压缸杆端连接飞剪，驱动飞剪前进、快退，实现飞剪对钢板的定尺剪切。液压缸必须满足在规定的时间内使飞剪达到相应的速度，剪切完成之后减速并快速的回到等待位置。为了使剪切机的水平运动在剪切过程中能与铸坯同步，采用速度控制电液伺服系统。速度传感器通过压紧轮，测得钢坯的实际水平移动速度V1，作为系统的速度输入值。剪切机水平移动速度V2,由
9、速度传感器测得。当V1与V2出现偏差时，电液伺服系统对剪切机的移动速度进行调整，以保证钢坯在剪切过程中与剪切机同步，因而不受阻力或推力5。2.4拟定系统工作原理图 图2.1 系统工作原理图系统仿真原理图如图2.2：图2.2 液压回路原理图2.5 确定动力元件参数及其它组成元件参数2.5.1 初选系统工作压力压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。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。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要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，从材料消耗角度看出不经济；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，
10、必然要提高设备成本。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选得高一些5。根据机械设计手册压力选定表选得此系统压力：2.5.2 液压马达的计算1. 液压马达载荷力矩组成和计算液压马达载荷力矩主要是轴颈摩擦力产生的力矩和惯性力矩,从液压马达轴到执行元件总传动比是； 液压马达载荷力矩主要是轴颈摩擦力产生的力矩和惯性力矩（1）轴颈摩擦力矩Tf 式中 G旋转部件施加于轴劲上的径向力（N）； 摩擦系数，参考表2.1选用0.02； r旋转轴的半径（m）表2.1 摩擦系数导轨类型导轨材料运动状态摩擦系数滑动导轨铸铁对铸铁起动时0.150.20低速（0.16m/s)0.
11、10.12高速（0.16m/s）0.050.08滚动导轨铸铁对滚柱（珠）0.0050.02淬火钢导轨对滚柱0.0030.006静压导轨铸铁0.005（3）惯性力矩Tg作载荷力矩Tg m飞剪运动重量（kg）r旋转轴的半径（m）a负载加速度 N.m 计算液压马达载荷转矩T时还要考虑液压马达的机械效率m（m=0.90.99）。这里取0.9 N.m2. 计算液压马达排量统液压马达的调速范围取 ，则液压马达排量为： mL/rad所以，由液压马达的以上参数，选得液压马达型号为JM12-E1.25F2.2.5.3 计算伺服阀相关参数伺服阀流量为：此时，伺服阀的压降为：根据以上参数，选得伺服阀型号为SV8，额
12、定流量为63L/min，额定电流30mA。 2.5.4 选择速度传感器速度传感器在最大转速时输出电压为10V，则速度传感器的增益为：2.6 确定各环节的传递函数2.6.1 伺服阀的传递函数供油压力=21MPa时，阀的空载流量为：m3/s伺服阀的流量增益为：由样本查得伺服阀的固有频率，阻尼比。于是伺服阀的传递函数为：2.6.2 液压马达负载的传递函数取总压缩容积为：式中，3.5为无效容积的系数。根据所选液压马达查得，则负载总惯量为： 液压固有频率为：假定，取液压马达泄露系数。阀的流量压力系数应取工作范围内的最小值，因为所以最小值发生在和均为最小值的时候。在空载最低转速时和最小，此时： 考虑摩擦力
13、矩，取Pa。则所以 由以上数据得阻尼比：液压马达负载的传递函数为： 2.6.3 其它环节传递函数忽略速度传感器和积分放大器的动态特性。速度传感器的传递函数为：积分放大器传递函数为： A/V2.7 确定系统的开环增益 若此系统为恒速调节系统，则误差主要来自干扰和速度传感器。该系统对输入 和干扰都是I型系统，所以对恒定干扰力矩和伺服阀零漂是无差的6。传感器的误差为0.1%，由此引起的转速误差为： 设计要求的转速误差为，去掉传感器产生的误差外，还有的误差是负载力矩变化引起的。设加载时间为0.25s，则加载速度为：等速力矩负载误差为：由此得满足转速误差的开环增益为：转速误差与成正比，因此最大误差发生在
14、为最大的工作点。因为，所以： 开环增益为： l/s 取。则放大器增益为：2.8 绘制系统的开环伯德图，检查系统的稳定性根据系统工作原理方块图和所确定的传递函数可得系统开环传递函数：根据上式可画出系统开环伯德图2.3：系统参数：幅值裕度Gm =5.73 相角稳定裕度Wch =378 穿越频率Pm =70.5 剪切频率Wcp =132 系统频宽图2.3 伯德图第三章 液压元件选型3.1 液压泵型号型号：排量：40.38mL/r 额定压力：20最高工作压力：25 功率：31样本和相关数据如图3.1、表3.1：图3.1 液压泵表3.1 技术规格3.2 伺服阀选择型号:SVA8额定流量：63L/min
15、工作压力：1-31.5MPa额定电流:300mA样品、负载流量曲线、频率特性曲线分别如图3.2、3.3和表3.2图3.2 伺服阀图3.3 技术指标表3.2 性能指标3.3 液压马达选择由第二章已经选得液压马达型号为JM12-E1.25F2排量：1237mL/r 额定工作压力16MPa额定转速：200 有效转矩：2876N.M样品如图3.4图3.4 液压马达表3.3 技术性能3.4 溢流阀的选择溢流阀型号：RF-G04 最高使用压力：250MPa 额定流量：100压力调节范围：7-70MPa 安装螺栓：M12X95L 4PCS样品和压力流量曲线如图3.5和3.6图3.5 溢流阀图 3.6 流量与
16、压力关系3.5 速度传感器的选择型号：JX61G样本和相关技术参数如图3.7图3.7 速度传感器3.6 冷却器的选择型号：2LQFW-A8.5.样本和参数如图3.8图3.8 冷却器表3.4 性能指标3.7 精过滤器选择精过滤器型号：RFA图3.9 精过滤器表3.5 技术数据3.8 粗过滤器选择粗过滤器型号：NJU图3.10 粗过滤器表3.6 技术数据3.9 单向阀选择S型单向阀：图3.11 单向阀表3.7 技术数据3.10 压力表的选择图3.12 压力表压力表开关型号：GCT-04-180图3.13 压力表开关3.11 二位二通阀选择二位二通型号：4-B1OH-T图3.14 二位二通阀表3.8
17、 技术数据3.12 油箱的选择3.12.1 油箱容量的计算 油箱有效容量一般为泵每分钟流量的3-7倍。对于固定设备，空间、面积不受限制的设备，应采用较大的容量。如冶金机械液压系统的油箱容量通常取为每分钟流量的7-10倍，锻压机械的油箱容量通常取为每分钟流量的6-12倍。油箱容量大小也可以从散热角度设计，以下通过热平衡角度计算油箱的容积7。取油箱的容量取整为400L 油箱容量大小可以从散热角度设计，以下通过热平衡角度计算油箱的容积。1. 发热计算（1） 液压泵功率损失H1 式中：P液压泵的输入功率， 液压泵的总效率，一般在0.7-0.85之间，这里取0.8 液压泵实际出口压力，Pa 液压泵的实际
18、流量，m3/s所以 kw（2） 阀的功率损失H0式中：p单向阀的压力降，Pa q经过单向阀的流量，m3/s所以： kw（3） 管路及其他损失H3此项功率损失，包括很多复杂因素，由于其值较小，加上管路散热的关系，一般可取全部能量的0.03-0.05倍所以， kw系统的功率损失，即系统的发热功率： kw2. 散热计算液压系统各部分产生的热量，在开始时一部分由运动介质及装置本体所吸收，较少一部分向周围辐射，当温度达到一定数值，散热量与发热量相平衡，系统即保持一定的温度不再上升，只考虑油液温度上升所吸收的热量和油箱本身所散发的热量时，系统的温度T随运转时间t的变化关系如下：当运转时间时，系统的平衡温度
19、为：式中： T油液温度， K T0环境温度， K A油箱的散热面积， m2 K油箱的传热系数，这里按周围通风良好计算，K=153. 油箱容积计算由以上可知，环境温度为T0时，最高允许温度为Ty的油箱的最小散热面积Amin为： 这里，油箱尺寸的长、宽、高之比为（1:1:1）（1:2:3）之间，油面高度达到油箱高度的0.8，油箱靠自然冷却使系统在允许温度Ty以下，则油箱散热面积为：式中：V油箱的有效体积，m3根据机械设计手册选取冷却器2LQFW-A8.5当时，令，得油箱自然散热的最小体积： m3式中：T由机械设计手册规定的温度范围取T=65=338K T0取室温24=297K设计小结经过几周的时间
20、，课程设计终于完成了。这次设计，让我学到了很多关于液压伺服系统的知识，同时也感觉到自己的不足。让我明白，我现在所掌握的知识不仅极不全面而且不够深入。因此，我所还要付出更多的努力来不断完善自己。由于以前没有系统的做过伺服系统的设计，因此在设计过程中，开始我感到非常困难，不知如何下手。后来经过看相关的论文和书籍才慢慢的有了思路，就这样我在摸索中不断进步。在这次设计中，我发现自己所学的知识很不牢固，例如在计算的过程中，很多公式都忘记了，而且非常彻底，为了找到所需公式我不得不去翻所有的相关的书籍。这让我感到很悲哀，大学学习即将结束，难道我就将以这种状态离开学校走向社会吗。通过这次设计，我觉得只有静下心
21、，耐得住寂寞，才能学的到真本事。可现在社会，很多人因为各种压力的存在很难静下心来做一件事。我想，作为大学生不能随波逐流，一定要保持头脑清醒，踏实做事诚实做人，只有这样我们才能拥有美好的未来。这次设计是在压力的陪伴下完成的，有压力才有动力。在以后的学习和生活中，我需要不断地总结自己，不断地去发现自己的不足并努力的去扭转还不算十分糟糕的局面。生命不息，学习不止。参考文献1 葛延津、陈栋、高峰. 飞剪的定位控制. 东北大学. 控制与决策.2003.9；1 2 葛延津、陈栋、高峰.飞剪速度基准的研究.东北大学.东北大学学报. 200312；13 刘海昌、汪建春、刘抗强.飞剪的发展与思考.武汉科技大学.
22、机械设计与制造. 20076；14 飞剪的发展.豆丁网；5伺服系统在冶金中的应用.百度文档.2009.11;6 王春行.液压控制系统.甘肃工业大学大学.机械工业出版社. 19995；150-1537 成大先.机械设计手册.化工工业出版社.2001；本课程建议液压传动系统是偏向控制方向的一门学科，它集控制，液压，电气，计算机等学科与一身，是一门综合性较强的学科，学起来较困难，不过世上无难事只怕有心人，如果下功夫，也很容易攻克。对于这门课我有以下建议。对于学生：首先，要培养对这门课的兴趣，因为这门课较乏味，理论性较强，如果没有兴趣很难学下去，更不用说学好。其次，对这门课的支撑课程要牢牢掌握，如机械控制工程，PLC，电子技术，机电一体化等课程再次，因为本课程的计算量较大，而且比较繁，因此要静下心来，脚踏实地，刻苦学习，坚信一定能学好。最后，要积极认真的参与实战，做一些系统的设计，并在老师的指导下认真修改完善，让自己不断地进步。对课程本身：首先，因为本课程与机械控制工程联系较紧密，因此本课程的课时应延长，以便能用一些时间讲相关的机械控制的知识。其次，机械控制工程的课程的学习应与本课程的学习时间间隔的短一些，这样学生不至于太陌生，以便能更好的学习本课程。23