液壓控制系統(tǒng)結(jié)業(yè)論文課程設計液壓飛剪速度伺服系統(tǒng)

1、第一章 緒論1.1 國內(nèi)外飛剪的發(fā)展狀況 橫向剪切運行中的軋件的剪切機叫飛剪，是一種能快速切斷鐵板、鋼管、紙卷的加工設備，是冶金軋鋼行業(yè)、高速線材及螺紋鋼定尺剪切機，是現(xiàn)代軋制棒材剪短中的產(chǎn)品，具有耗電少、投資成本低的特點1。眾所周知，飛剪機是中小型軋鋼和連鑄生產(chǎn)線上不可缺少的關(guān)鍵設備之一，也是機電氣液一體化配套技術(shù)難度較高的設備。飛剪機的合理選型、運行速度、剪切精度、自動化程度、操作維護及設備壽命等均直接影響著軋材成品的產(chǎn)量大小，成材率和定尺率的高低，也就是說直接影響著軋鋼廠的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。其剪切軋件的端面、剪切軋件的精度、剪切的速度以及返回的位置等也成為提高產(chǎn)量與成材率的重要因素2。

2、1.1.1 國外飛剪機的發(fā)展情況 目前國外多采用兩種比較先進的飛剪機型，一是采用離合器制動器，我們稱作“連續(xù)啟?！敝骑w剪，另一種是電機直接啟停制飛剪兩種飛剪各有其優(yōu)點亦有其不足之處。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，電控元器件水平的提高，啟停制飛剪將逐步代表著飛剪機的發(fā)展趨勢3。1.1.2 國內(nèi)飛剪發(fā)展情況 從建國初期50年代至70年代，國內(nèi)飛剪機大都受東歐、蘇聯(lián)等社會主義國家影響，飛剪機大致可分為連續(xù)制和起停制兩大類，例如：鞍鋼一初軋100x100方連續(xù)制飛剪機，首鋼300小型50x50方起停制飛剪機，濟鋼小型廠捷克產(chǎn)11噸連續(xù)制飛剪機等等連續(xù)制飛剪機，大多采用空切機構(gòu)和勻速機構(gòu)，實現(xiàn)定尺剪切工作時電

3、機拖動傳動系統(tǒng)連續(xù)運動，剪切機構(gòu)做連續(xù)地空切動作，當需要剪切是，調(diào)整空切機構(gòu)的位置，令剪切機構(gòu)完成剪切動作，而后再回復空切動作，因此這種飛剪設置了空切機構(gòu)、倍尺 機構(gòu)等裝置。不可避免地帶來設備龐大、結(jié)構(gòu)復雜等問題，而且定尺長度是確定的，不可以任意調(diào)整，限制了定尺規(guī)格的變化范圍。由于剪切機機構(gòu)復雜龐大，轉(zhuǎn)動慣量也大，影響了剪切速度的提高。許多鋼廠在后來的設備改造中都將其簡化改成擺槽式的飛剪，如首鋼25x25連續(xù)制飛剪即是如此，但這樣改動后，剪切誤差很大，常常定尺誤差達12m，這是非常不利的。80年代中期，我國在開放政策影響下，集中引進了一批國外先進技術(shù)和設備，包括一些國外70年代水平的二手設備。

4、其中較具有代表性的現(xiàn)金飛剪技術(shù)是安陽260小型廠從意大利danieli公司引進的cv30飛剪機，它是采用離合器制動器控制的連續(xù)起停制飛剪機。最大剪切速度達20m/s，剪切精度達正負80ram（v=17m/s）4。1.2 飛剪的用途及工藝要求飛剪機時在軋件運動過程中，剪刃產(chǎn)生相對運動而將軋件或鑄坯剪斷的設備。飛剪機裝設在軋制或連鑄作業(yè)線上，用來橫向剪切軋件或連鑄坯的頭、尾或?qū)⑵浼羟谐梢欢ǘǔ唛L度。由于連年來連鑄機的不斷發(fā)展，連鑄的拉坯速度不斷提高，拉坯速度已經(jīng)達到5m/min以上，為了適應鑄坯速度的增長，要求剪切機的剪切速度也必須要相應地提高。同時，出于剪切品種、規(guī)格和定尺長度范圍的擴大，因而飛

5、剪機的形式也必須相應的提高。同時，出于剪切品種、規(guī)格和定尺長度范圍的擴大，因而飛剪機的形式和結(jié)構(gòu)是得到相應地發(fā)展。為了保證一臺飛剪機能正常工作，它必須能充分滿足生產(chǎn)要求，這要求飛剪機的設計必須保證下述生產(chǎn)工藝要求：1、 飛剪機的生產(chǎn)率必須與連鑄機的生產(chǎn)率相協(xié)調(diào)，并能保證連鑄機生產(chǎn)率的充分發(fā)揮。2、 剪切時，剪刃在鑄坯運動方向的外速度應與鑄坯運動速度保持一定關(guān)系，定尺剪切要求前者大于后者，以保證在剪切過程中鑄件不被彎曲和被拉斷。3、 由于鋼坯品種的不同，要求產(chǎn)品尺寸長度也不相同，而對一種成品厚度有時也要求幾種不同的長度規(guī)格。因此，一臺飛剪機必須能夠調(diào)節(jié)被剪切鋼坯的長度在生產(chǎn)品種的要求的范圍之內(nèi)，

6、并且要求最佳剪切。4、 盡可能減少金屬材料的損耗。5、 必須保證能夠減輕不同的材質(zhì)、斷面，厚度等要求。6、 剪切的鑄坯應符合質(zhì)量標準。1.3 設計內(nèi)容隨著科技的不斷發(fā)展，對工業(yè)設備運行的準確性要求越來越高對系統(tǒng)控制精確度要求也越來越高。液壓伺服控制系統(tǒng)集中、體積小、重量輕，但可控制大功率負載，所以，在冶金工業(yè)生產(chǎn)領域得到了廣泛的應用，并且取得了良好的效果。液壓伺服系統(tǒng)與其他伺服系統(tǒng)相比，特點為：功率質(zhì)量比大、力矩慣量比大；負載剮度小，系統(tǒng)控制精度高；系統(tǒng)響應快、頻寬大；系統(tǒng)的各元件加工精度要求高；在運行當中具有自潤滑性。 本設計是采用速度控制電液伺服系統(tǒng)使剪切機的水平運動在剪切過程中能與鑄坯同

7、步。如圖，速度傳感器通過壓緊輪，感受鋼坯的實際水平移動速度v1。作為系統(tǒng)的速度給定值。剪切機水平移動速度v2。由速度傳感器控制。當v1與v2出現(xiàn)偏差時，電液伺服系統(tǒng)對剪切機的移動速度進行調(diào)整，以保證鋼坯在剪切過程中與剪切機同步，因而不受阻力或推力。第二章 系統(tǒng)設計2.1 系統(tǒng)參數(shù)飛剪運動重量為40kn，剪切周期為15s，鋼坯速度是100mm/s, 回程速度為200 mm/s, 系統(tǒng)頻寬f0.7=11hz，速度精度為2.5mm/s。2.2 分析負載運動鋼坯在整個剪切過程中，經(jīng)歷加速、勻速、減速、停止的過程，在液壓馬達桿向外伸出的過程中，鋼坯先加速到一定速度，然后勻速運行，即將到達指定位置開始減速

8、，運行到指定位置后停止運行，然后由剪切機進行剪斷，液壓缸活塞桿回縮，從而完成整個剪切過程。由于本系統(tǒng)采用的是液壓伺服系統(tǒng)，所以負載在運行過程中的速度，會根據(jù)反饋信息由系統(tǒng)進行適時調(diào)整。2.3 確定系統(tǒng)的執(zhí)行元件及其控制和調(diào)速方案液壓馬達統(tǒng)的執(zhí)行元件，液壓缸桿端連接飛剪，驅(qū)動飛剪前進、快退，實現(xiàn)飛剪對鋼板的定尺剪切。液壓缸必須滿足在規(guī)定的時間內(nèi)使飛剪達到相應的速度，剪切完成之后減速并快速的回到等待位置。為了使剪切機的水平運動在剪切過程中能與鑄坯同步，采用速度控制電液伺服系統(tǒng)。速度傳感器通過壓緊輪，測得鋼坯的實際水平移動速度v1，作為系統(tǒng)的速度輸入值。剪切機水平移動速度v2,由速度傳感器測得。當v

9、1與v2出現(xiàn)偏差時，電液伺服系統(tǒng)對剪切機的移動速度進行調(diào)整，以保證鋼坯在剪切過程中與剪切機同步，因而不受阻力或推力5。2.4擬定系統(tǒng)工作原理圖 圖2.1 系統(tǒng)工作原理圖系統(tǒng)仿真原理圖如圖2.2：圖2.2 液壓回路原理圖2.5 確定動力元件參數(shù)及其它組成元件參數(shù)2.5.1 初選系統(tǒng)工作壓力壓力的選擇要根據(jù)載荷大小和設備類型而定。還要考慮執(zhí)行元件的裝配空間、經(jīng)濟條件及元件供應情況等的限制。在載荷一定的情況下，工作壓力低，勢必要加大執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸，對某些設備來說，尺寸要受到限制，從材料消耗角度看出不經(jīng)濟；反之，壓力選得太高，對泵、缸、閥等元件的材質(zhì)、密封、制造精度也要求很高，必然要提高設備成本。

10、一般來說，對于固定的尺寸不太受限的設備，壓力可以選低一些，行走機械重載設備壓力要選得高一些5。根據(jù)機械設計手冊壓力選定表選得此系統(tǒng)壓力：2.5.2 液壓馬達的計算1. 液壓馬達載荷力矩組成和計算液壓馬達載荷力矩主要是軸頸摩擦力產(chǎn)生的力矩和慣性力矩,從液壓馬達軸到執(zhí)行元件總傳動比是； 液壓馬達載荷力矩主要是軸頸摩擦力產(chǎn)生的力矩和慣性力矩（1）軸頸摩擦力矩tf 式中 g旋轉(zhuǎn)部件施加于軸勁上的徑向力（n）； 摩擦系數(shù)，參考表2.1選用0.02； r旋轉(zhuǎn)軸的半徑（m）表2.1 摩擦系數(shù)導軌類型導軌材料運動狀態(tài)摩擦系數(shù)滑動導軌鑄鐵對鑄鐵起動時0.150.20低速（0.16m/s)0.10.12高速（0.

11、16m/s）0.050.08滾動導軌鑄鐵對滾柱（珠）0.0050.02淬火鋼導軌對滾柱0.0030.006靜壓導軌鑄鐵0.005（3）慣性力矩tg作載荷力矩tg m飛剪運動重量（kg）r旋轉(zhuǎn)軸的半徑（m）a負載加速度 n.m 計算液壓馬達載荷轉(zhuǎn)矩t時還要考慮液壓馬達的機械效率m（m=0.90.99）。這里取0.9 n.m2. 計算液壓馬達排量統(tǒng)液壓馬達的調(diào)速范圍取 ，則液壓馬達排量為： ml/rad所以，由液壓馬達的以上參數(shù)，選得液壓馬達型號為jm12-e1.25f2.2.5.3 計算伺服閥相關(guān)參數(shù)伺服閥流量為：此時，伺服閥的壓降為：根據(jù)以上參數(shù)，選得伺服閥型號為sv8，額定流量為63l/mi

12、n，額定電流30ma。 2.5.4 選擇速度傳感器速度傳感器在最大轉(zhuǎn)速時輸出電壓為10v，則速度傳感器的增益為：2.6 確定各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)2.6.1 伺服閥的傳遞函數(shù)供油壓力=21mpa時，閥的空載流量為：m3/s伺服閥的流量增益為：由樣本查得伺服閥的固有頻率，阻尼比。于是伺服閥的傳遞函數(shù)為：2.6.2 液壓馬達負載的傳遞函數(shù)取總壓縮容積為：式中，3.5為無效容積的系數(shù)。根據(jù)所選液壓馬達查得，則負載總慣量為： 液壓固有頻率為：假定，取液壓馬達泄露系數(shù)。閥的流量壓力系數(shù)應取工作范圍內(nèi)的最小值，因為所以最小值發(fā)生在和均為最小值的時候。在空載最低轉(zhuǎn)速時和最小，此時： 考慮摩擦力矩，取pa。則所以

13、由以上數(shù)據(jù)得阻尼比：液壓馬達負載的傳遞函數(shù)為： 2.6.3 其它環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)忽略速度傳感器和積分放大器的動態(tài)特性。速度傳感器的傳遞函數(shù)為：積分放大器傳遞函數(shù)為： a/v2.7 確定系統(tǒng)的開環(huán)增益 若此系統(tǒng)為恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，則誤差主要來自干擾和速度傳感器。該系統(tǒng)對輸入 和干擾都是i型系統(tǒng)，所以對恒定干擾力矩和伺服閥零漂是無差的6。傳感器的誤差為0.1%，由此引起的轉(zhuǎn)速誤差為： 設計要求的轉(zhuǎn)速誤差為，去掉傳感器產(chǎn)生的誤差外，還有的誤差是負載力矩變化引起的。設加載時間為0.25s，則加載速度為：等速力矩負載誤差為：由此得滿足轉(zhuǎn)速誤差的開環(huán)增益為：轉(zhuǎn)速誤差與成正比，因此最大誤差發(fā)生在為最大的工作點。因為

14、，所以： 開環(huán)增益為： l/s 取。則放大器增益為：2.8 繪制系統(tǒng)的開環(huán)伯德圖，檢查系統(tǒng)的穩(wěn)定性根據(jù)系統(tǒng)工作原理方塊圖和所確定的傳遞函數(shù)可得系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：根據(jù)上式可畫出系統(tǒng)開環(huán)伯德圖2.3：系統(tǒng)參數(shù)：幅值裕度gm =5.73 相角穩(wěn)定裕度wch =378 穿越頻率pm =70.5 剪切頻率wcp =132 系統(tǒng)頻寬圖2.3 伯德圖第三章 液壓元件選型3.1 液壓泵型號型號：排量：40.38ml/r 額定壓力：20最高工作壓力：25 功率：31樣本和相關(guān)數(shù)據(jù)如圖3.1、表3.1：圖3.1 液壓泵表3.1 技術(shù)規(guī)格3.2 伺服閥選擇型號:sva8額定流量：63l/min 工作壓力：1-31.

15、5mpa額定電流:300ma樣品、負載流量曲線、頻率特性曲線分別如圖3.2、3.3和表3.2圖3.2 伺服閥圖3.3 技術(shù)指標表3.2 性能指標3.3 液壓馬達選擇由第二章已經(jīng)選得液壓馬達型號為jm12-e1.25f2排量：1237ml/r 額定工作壓力16mpa額定轉(zhuǎn)速：200 有效轉(zhuǎn)矩：2876n.m樣品如圖3.4圖3.4 液壓馬達表3.3 技術(shù)性能3.4 溢流閥的選擇溢流閥型號：rf-g04 最高使用壓力：250mpa 額定流量：100壓力調(diào)節(jié)范圍：7-70mpa 安裝螺栓：m12x95l 4pcs樣品和壓力流量曲線如圖3.5和3.6圖3.5 溢流閥圖 3.6 流量與壓力關(guān)系3.5 速度

16、傳感器的選擇型號：jx61g樣本和相關(guān)技術(shù)參數(shù)如圖3.7圖3.7 速度傳感器3.6 冷卻器的選擇型號：2lqfw-a8.5.樣本和參數(shù)如圖3.8圖3.8 冷卻器表3.4 性能指標3.7 精過濾器選擇精過濾器型號：rfa圖3.9 精過濾器表3.5 技術(shù)數(shù)據(jù)3.8 粗過濾器選擇粗過濾器型號：nju圖3.10 粗過濾器表3.6 技術(shù)數(shù)據(jù)3.9 單向閥選擇s型單向閥：圖3.11 單向閥表3.7 技術(shù)數(shù)據(jù)3.10 壓力表的選擇圖3.12 壓力表壓力表開關(guān)型號：gct-04-180圖3.13 壓力表開關(guān)3.11 二位二通閥選擇二位二通型號：4-b1oh-t圖3.14 二位二通閥表3.8 技術(shù)數(shù)據(jù)3.12

17、油箱的選擇3.12.1 油箱容量的計算 油箱有效容量一般為泵每分鐘流量的3-7倍。對于固定設備，空間、面積不受限制的設備，應采用較大的容量。如冶金機械液壓系統(tǒng)的油箱容量通常取為每分鐘流量的7-10倍，鍛壓機械的油箱容量通常取為每分鐘流量的6-12倍。油箱容量大小也可以從散熱角度設計，以下通過熱平衡角度計算油箱的容積7。取油箱的容量取整為400l 油箱容量大小可以從散熱角度設計，以下通過熱平衡角度計算油箱的容積。1. 發(fā)熱計算（1） 液壓泵功率損失h1 式中：p液壓泵的輸入功率， 液壓泵的總效率，一般在0.7-0.85之間，這里取0.8 液壓泵實際出口壓力，pa 液壓泵的實際流量，m3/s所以

18、kw（2） 閥的功率損失h0式中：p單向閥的壓力降，pa q經(jīng)過單向閥的流量，m3/s所以： kw（3） 管路及其他損失h3此項功率損失，包括很多復雜因素，由于其值較小，加上管路散熱的關(guān)系，一般可取全部能量的0.03-0.05倍所以， kw系統(tǒng)的功率損失，即系統(tǒng)的發(fā)熱功率： kw2. 散熱計算液壓系統(tǒng)各部分產(chǎn)生的熱量，在開始時一部分由運動介質(zhì)及裝置本體所吸收，較少一部分向周圍輻射，當溫度達到一定數(shù)值，散熱量與發(fā)熱量相平衡，系統(tǒng)即保持一定的溫度不再上升，只考慮油液溫度上升所吸收的熱量和油箱本身所散發(fā)的熱量時，系統(tǒng)的溫度t隨運轉(zhuǎn)時間t的變化關(guān)系如下：當運轉(zhuǎn)時間時，系統(tǒng)的平衡溫度為：式中： t油液溫

19、度， k t0環(huán)境溫度， k a油箱的散熱面積， m2 k油箱的傳熱系數(shù)，這里按周圍通風良好計算，k=153. 油箱容積計算由以上可知，環(huán)境溫度為t0時，最高允許溫度為ty的油箱的最小散熱面積amin為： 這里，油箱尺寸的長、寬、高之比為（1:1:1）（1:2:3）之間，油面高度達到油箱高度的0.8，油箱靠自然冷卻使系統(tǒng)在允許溫度ty以下，則油箱散熱面積為：式中：v油箱的有效體積，m3根據(jù)機械設計手冊選取冷卻器2lqfw-a8.5當時，令，得油箱自然散熱的最小體積： m3式中：t由機械設計手冊規(guī)定的溫度范圍取t=65=338k t0取室溫24=297k設計小結(jié)經(jīng)過幾周的時間，課程設計終于完成了

20、。這次設計，讓我學到了很多關(guān)于液壓伺服系統(tǒng)的知識，同時也感覺到自己的不足。讓我明白，我現(xiàn)在所掌握的知識不僅極不全面而且不夠深入。因此，我所還要付出更多的努力來不斷完善自己。由于以前沒有系統(tǒng)的做過伺服系統(tǒng)的設計，因此在設計過程中，開始我感到非常困難，不知如何下手。后來經(jīng)過看相關(guān)的論文和書籍才慢慢的有了思路，就這樣我在摸索中不斷進步。在這次設計中，我發(fā)現(xiàn)自己所學的知識很不牢固，例如在計算的過程中，很多公式都忘記了，而且非常徹底，為了找到所需公式我不得不去翻所有的相關(guān)的書籍。這讓我感到很悲哀，大學學習即將結(jié)束，難道我就將以這種狀態(tài)離開學校走向社會嗎。通過這次設計，我覺得只有靜下心，耐得住寂寞，才能學的到真本事?？涩F(xiàn)在社會，很多人因為各種壓力的存在很難靜下心來做一件事。我想，作為大學生不能隨波逐流，一定要保持頭腦清醒，踏實做事誠實做人，只有這樣我們才能擁有美好的未來。這次設計是在壓力的陪伴下完成的，有壓力才有動力。在以后的學習和生活中，我需要不斷地總結(jié)自己，不斷地去發(fā)現(xiàn)自