毕业论文
本科毕业设计（论文）
1750冷连轧机压下液压伺服系统设计
闫倩如
燕 山 大 学
2012年6月
1750冷连轧机压下液压伺服系统设计
学院（系）：里仁学院机械
工程系
专业： 08液压1班
学生姓名：闫倩如
学号： 0811********
指导教师：陈刚
答辩日期： 2012.6.17
燕山大学毕业设计（论文）任务书
摘要
目前厚度自动控制已成为现代化板带生产中不可缺少的组成部分。
厚度精度是考核薄板质量的最重要的指标之一，厚度自动控制简称为AGC(Automatic Gauge Control)，是现代化冷轧薄板生产中实现高精度轧制的重要手段。冷连轧带钢薄板厚度自动控制AGC系统的控制目的是为了获得带钢纵向厚度均匀性。目前，随着汽车、电气设备等工业部门对产品质量要求的不断提高，厚度自动控制己成为现代化板带生产中不可缺少的组成部分，已经开发和发展了多种厚度自动控制系统，而且对它的要求越来越高。
本人负责设计的是1450五机架冷连轧机液压AGC控制系统的设计，主要包括系统原理的拟定，集成块，集成块装配，油箱和液压泵站的装配，并用计算机三维软件pro/e进行了模拟。
关键词轧机 AGC 液压
I
Abstract
AGC now is a indispensable component of modern strip production. Assessment sheet thickness accuracy is the most important indicators of quality. AGC is referred to as AGC (Automatic Gauge Control), a modern production of high precision cold-rolled sheet important means of rolling. Cold rolling thin strip AGC system to control a vertical thickness of the strip in order to obtain uniformity. Currently, with the vehicle, electrical equipment and other industrial sectors continuously improve requirements of product quality, AGC has become a indispensable component in the modern production of strip production. peopie have developed many thickness control system, and it becomes increasingly demanding.
I am responsible for the design of a 1450-rack reversing cold rolling mill hydraulic AGC control system design, including roll bending, including the principle of developing the system, integrated block, integrated block assembly, fuel tank and hydraulic pump assembly, and use computer three-dimensional software Pro-e to simulate them.
Keywords Rolling AGC Hydraulic
目录
摘要....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ I I 目录...................................................................................................................III 第1章绪论 (1)
1.1课题背景 (1)
1.1.1 AGC简介 (1)
1.1.2 液压压下装置的特点 (2)
1.2国内外研究情况简介 (2)
1.2.1 国外概况 (3)
1.2.2 国内概况 (3)
1.3存在的主要问题 (4)
1.4主要工作内容 (4)
1.4.1 工作的基本内容 (4)
1.4.2 步骤、方法及措施 (4)
第2章液压系统原理的设计 (6)
2.1技术及工艺要求 (6)
2.1.1 系统的要求 (7)
2.1.2系统功能设计 (8)
2.2设计液压回路 (9)
2.3绘制的原理图 (11)
2.4本章小结 (11)
第3章液压系统的计算和元件选型 (12)
3.1供油压力的选择 (12)
3.2压下缸参数计算 (12)
3.2.1压下缸尺寸的计算 (12)
3.2.2负载流量及空载流量的计算 (12)
3.3伺服阀的参数计算与选型 (12)
3.4主泵与辅泵的计算与选型 (14)
3.4.1主泵的计算与选型 (14)
3.4.2辅泵的计算与选型 (15)
3.5电机的计算与选型 (15)
3.6阀类元件的选择 (16)
3.6.1单向阀的选择 (16)
3.6.2溢流阀的选择 (17)
3.6.3换向阀的选择 (17)
3.6.4减压阀的选择 (18)
3.6.5截止阀的选择 (18)
3.6.6水阀的选择 (18)
3.7液压附件的选择 (18)
3.7.1蓄能器的选择 (18)
3.7.2过滤器的选择 (20)
3.7.3温度计的选择 (21)
3.7.4压力表的选择 (21)
3.7.5空气过滤器的选择 (21)
3.7.6冷却器的选择 (21)
3.7.7加热器的选择 (22)
3.7.8压力传感器的选择 (23)
3.7.9测压接头的选择 (23)
3.7.10管子的计算 (23)
3.7.11油箱容积的计算 (24)
第4章集成块的设计 (26)
4.1集成块简介 (26)
4.1.1集成块的特点 (26)
4.1.2集成块的常用材料 (27)
4.2集成块设计的步骤 (27)
第5章液压泵站的设计 (31)
5.1泵装置的设计 (31)
5.2管路的设计 (31)
结论 (34)
参考文献 (35)
致谢 (37)
附录1 开题报告 (38)
附录2 文献综述 (43)
附录3 外文翻译及原文................................................... 错误！未定义书签。
第1章绪论
1.1 课题背景
随着社会经济的发展，国内外各行业对冷轧带钢成品质量的要求日益严格，而产品质量又主要取决于带钢纵向厚度精度和横向厚度精度。在轧制过程中，带钢的纵向厚度精度由厚度自动控制系统（简称AGC系统）来保证，带钢的横向厚度精度由板形自动控制系统来完成，目前已朝着带钢纵向、横向厚度偏差的综合控制方向发展。原料厚度的波动、轧制状态及轧制条件的波动（如轧制速度变化，轧辊的磨损等）常常引起带钢成品厚度波动。调节压下是最常用的一种厚控方法，液压AGC系统是在轧制过程中通过液压压下（或液压推上）装置对有载辊缝进行自动调节的自动控制系统。它以响应速度快、准确性高等电动压下所不及的优点得到广泛应用。目前，几乎全部冷连轧机均采用了液压AGC控制。本设计系统为1450五机架冷连轧机液压压下系统，针对轧制过程中板带厚度波动进行反馈纠正，要求压下装置能快速调节辊缝以保证钢带纵向厚差在给定范围内，其中包括伺服系统的设计，阀架装配图和系统的仿真等。液压压下由于其高精度快速性、容易控制、轧机刚度可控以及安全可靠而得到广泛发展
板厚精度是板带材的两大质量指标之一，板厚控制是板带轧制领域里的两大关键技术之一。我国近年来从发达国家引进的一些大型的现代化的板带轧机，其关键技术是高精度的板厚控制和板形控制。板厚精度关系到金属的节约、构件的重量以及强度等使用性能，为了获得高精度的产品厚度，AGC 系统必须具有高精度的压下调节系统及控制系统的支持。
目前厚度自动控制已成为现代化板带生产中不可缺少的组成部分。
1.1.1 AGC简介
实现厚度自动控制的系统称为“AGC”(Automatic Gauge Control)。
带材厚度自动控制AGC系统是指带材厚度达到设定的目标偏差范围而对轧机进行在线调节的一种控制系统。厚度自动控制系统是通过测厚仪或传感器对带材实际轧出厚度连续进行测量，并根据实测值与给定值比较后的偏
差信号，借助于控制回路或计算机的功能程序，改变压下装置、张力或轧制速度，把带材出口厚度控制在允许的偏差范围内。
七十年代起，液压厚度控制技术的应用，使板厚控制技术产生了重大变革。液压自动增益控制的响应速度比电动自动增益控制快2个数量级以上。由于液压技术与计算机技术的结合，使这一阶段的板厚控制技术大大地向前迈进了一步。并且在这一阶段的大部分旧式控制方式的轧机都进行了新技术的改造。
1.1.2 液压压下装置的特点
国外把实现厚度自动控制的系统称为“AGC ”，而国内多称之为液压压下装置。与电动压下装置比较，液压压下装置有以下特点：
1.快速响应性好，调整精度高。液压压下装置有很高的辊缝调整速度
和加速度。尤其是很大的加速度潜在能力。在频率响应、位置分辨
率诸方面都大大优于电动压下装置。下表给出了两者动态特性方面
的比较。动态性能大幅度提高，使得产品的精度提高，质量更有
保证，缩短了加速减速阶段带钢头尾的超差长度，节约了金属及能
源，提高了合格率。
2. 过载保护简单、可靠。液压系统可以有效地防止轧机过负载，保护
轧辊和轴承免遭损坏。当事故停车时，可迅速排出液压缸的压力油，
加大辊缝，避免轧辊烧裂或被刮伤。
3. 采用液压压下实现对轧机的“恒辊缝”和“恒压力”的控制，以适
应各种轧制及操作情况。
4. 采用标准液压元件，简化了机械结构。
5. 较机械传动效率高。
6. 便于快速换辊，提高轧机作业率。
1.2 国内外研究情况简介
近年来，国内外在板形和板厚等控制技术方面取得了许多新的进展，大大提高了板带材的几何尺寸精度。为满足汽车制造、食品、包装、家用电气、机械和军事工业等各领域的需要，生产出更高精度的板带材产品占领国际市
场，各国相继投入了大量的人力物力，开发研制了多种现代化大型轧机。
1.2.1 国外概况
具有代表性的有日本日立公司研制的工作辊可轴向移动的HC轧机、CVC 轧机、中间辊既可弯曲又可移动的UC轧机，日本三菱公司研制的成对轧辊交叉式的PC轧机，德国曼内斯曼德马科公司的UPC轧机等。这些轧机配以现代化控制手段可实现多功能精密轧制，生产出微米级厚度精度的板带材产品。随着国民经济的快速增长，各国对冷轧带钢质量、品种和数量提出了新的要求，为轧制过程的控制进一步增加了难度，用传统方法已经很难进一步提高控制水平了。因此一些国家开始全面有计划的开发智能控制，如模糊控制技术、神经网络技术等以适应更高精度的要求。在这方面日本、美国、德国、法国等，在烧结、炼钢、连铸及轧钢等钢铁生产领域已获得了成功应用。尤其是日本投入了很大力量，并获得了许多成果。例如日本神户钢铁公司加古川厂五机架冷轧机的神经模糊板形控制系统，日本日立公司森吉米尔轧机的神经模糊板形控制系统等等。
1.2.2 国内概况
我国在高精度轧制技术方面也作了大量的研究开发工作。新中国成立后为实现工业化，从国外引进了大型冶金设备和技术。我国技术人员经过多年的学习与消化，在此基础上结合我国的实际情况，自行开发出一些有关提高产品精度的基础理论和实用的先进工艺及装备，其中有些技术已达到或超过国外的先进水平，并且我国将智能控制技术在轧机中也得到了一定的应用。像鞍钢中板厂23．50四辊轧机智能控制的开发研究、济钢中板轧机液压APC 系统中模糊控制技术的应用等这些国内外的例子，均说明智能控制具有极好的前景。但总体来说我国自行研制的轧机技术含量不高，生产出的产品竞争力不强，每年尚需要进口大量的高精度板带产品，许多轧机的生产状况尚不能令人满意，厚度精度急待提高，许多理论问题以及所采用的先进技术尚待进一步消化研究，如在数学模型的求取上，尽管已经比较完善，但仍存在一些通常被人们所忽略的因素，因此为了更好地实现控制，缩短现场调试周期还有待于对它进一步补充完善。
1.3 存在的主要问题
液压伺服系统的典型特征是低阻尼、时变性、非线性以及外界干扰，很难得到系统的精确数学模型。运用传统的控法设计的控制器自适应能力和抗干扰性一般很差，不能满意的控制效果。在满足稳定性的前提下，使系统具有快应，控制精度高和鲁棒性好的控制性能，必须采用合适的策略。
1.4 主要工作内容
本次毕业设计的主要任务是1750冷连轧机压下液压伺服系统设计，给轧机配系统，综合应用大学中所学到的知识，锻炼动手实践能力。
1.4.1 工作的基本内容
(1)依据系统要求，拟订液压系统原理图，进行液压参数计算和选取元件。
(2)计算机三维画集成块图。
(3)设计液压泵站装配图，油箱图。
(4)设计液压缸。
(5)完成外文翻译与说明书。
1.4.2 步骤、方法及措施
本次毕业设计的步骤安排如下：
1.工艺了解
2.方案设计
3.原理设计
4.施工设计
5.交技术文件（计算说明书，原理图，施工图）
具体的工作进度安排如下：
1.5 本章小结
在本章中，主要介绍了课题的背景及依据，意义，并简要概述了国内外的研究成果，给出了研究步骤、方法及措施。
第2章液压系统原理的设计
原理设计至关重要，以后所做的工作都是在原理图的基础上进行的，原理设计有问题，就不能完成所要求的动作要求。
2.1 技术及工艺要求
设计新的液压系统，首先要仔细查明机器对液压系统究竟有哪些要求，要与用户或主机厂共同讨论，力求定量地掌握这些技术要求，作为设计的出发点和依据，使设计的系统满足工艺要求。设计流程图见图2.1 。
2.1.1 系统的要求
给压下缸配系统，完成缸的动作要求。
压下缸的工艺要求：
(1)正常轧制：位置环，
(2)故障状态：抬辊，位置保持
(3)正常工艺状态：换辊，冲阀，冲缸
所要了解的还有：
1.机器的特性
(1)用途及工作目的。
(2)功能、性能及负载特性负载种类(恒定负载、变化负载及冲击负载)及大小；运动方式(直线运动、旋转运动、摆动)及运动量(位移、速度、加速度)，惯性力，摩擦力(静摩擦、动摩擦、粘性摩擦)，动作特性、动作时间，精度(定位精度、跟踪精度、同步精度)。
(3)结构机构、与被驱动部分的连接条件、安装上的限制条件等。
(4)驱动方式原动机的种类(电动机、内燃机等)、容量(功率、转速、转矩)、稳定性。
(5)控制方式操作方式(手动、自动)、信号处理方式(继电器、逻辑电路、可编程控制器、微计算机)。
(6)循环时间系统中各种执行器的动作顺序、动作时间的相互关系。
2. 使用条件
(1)工作时间。
(2)设置场所(室内、室外)。
(3)设置环境环境温度、湿度(高温、寒带、热带)，粉尘种类和浓度(防护、净化等)，腐蚀性气体(所用元件的结构、材质、表面处理、涂覆等)，易爆气体(防爆措施)，机械振动(机械强度、耐振结构)，噪声限制(降低噪声措施)。
(4)维护条件维护程度与周期，维护人员的技术水平；维护空间、作业性、互换性。
3．适用标准、法规
4．安全性、可靠性
(1)用户在安全性方面有无特殊要求。
(2)明确保用期、保用条件。
5．经济性
不能只考虑投资费用，还要考虑能源消耗、维护保养等运行费用。
2.1.2系统功能设计
根据技术要求确定执行器的种类、数量、动作顺序和动作条件。根据动作条件拟定驱动执行器的基本回路。作为控制执行器的方式，有用双向变量泵的闭式回路和使用控制阀的开式回路。当系统中有多个执行器时，要绘制表示动作顺序的顺序图，拟定实现动作顺序的控制回路。此时如果有同步要求，还要采用保证必要的同步精度的同步回路。然后再设计液压源回路。此时要考虑节能、维持液压油液的清洁度、液压油液的温度控制、油箱的油量调节和气压调节。综合以上驱动回路、控制回路、液压源回路三个部分，即得到总的基本液压系统。然后再进一步考虑安全性、减小冲击、减小压力脉动、节能、寿命等因素，对此基本系统进行修改补充，使之臻于完善。
1.确定执行器的种类、数量和动作
执行器是液压系统的输出部分，必须满足机器设备的运动功能、性能的要求及结构、安装上的限制。根据所要求的负载运动形态，选用不同的执行器配置。
根据执行器的种类和负载重量、位移量、速度、加速度、摩擦力等，经过基本计算，确定所需的压力、流量。压力可根据受压面积与机械力求出，流量可用移动体积与移动时间的关系求出。
2.确定循环时间
根据生产设备的预定年产量和全年工作日数求出日产量，再根据机器的能力和每日开机时间求出单位产量所需时间即循环时间。此循环时间要进一步细分出各执行器的顺序动作时间、停歇时间等，要合理地分配循环中各个节拍所需要的时间。为此要把表示各执行器动作顺序的顺序图、表示动作特性的工作图及表示各节拍所需压力流量的压力流量图综合起来，绘制出时间
图。
如果循环中仅个别节拍需要大流量时，设置作为辅助油源的蓄能器，可以提高系统效率，同时也降低成本。
3.确定控制方式
执行器的控制方式有泵控制方式和阀控制方式，泵控制方式采用双向变量泵，通过控制泵的流量实现执行器的速度控制，通过控制泵的出流方向实现执行器的方向控制。这种方式中每个执行器需要一个变量泵。重视能源的经济的场合或者负载惯性大、起动停止冲击成问题时可以采用。
阀控制方式中，用方向控制阀实现执行器的方向控制，用流量控制阀实现执行器的速度控制。这种方式应用最广泛，适用于一个液压源同时驱动多个执行器的场合或者输入信号很复杂而要求快速响应的场合。
2.2 设计液压回路
由于设计者的思路、经验或对所有元件的考虑方法不同，即使针对同样目的的设计出来的液压回路也是千差万别的。因此可以拟定几种符合目的的液压回路，再从成本、重量、使用方便等方面进行对比论证，确定最合适的液压回路。
液压回路包括油压发生回路、执行器控制回路、油液处理回路、其他辅助回路等。无论多么复杂的液压系统，都则由实现种种功能的基本回路组成的。经过多年的经验积累，已经形成了许多简便成熟、行之有效的基本回路。
用标准图形符号绘制拟定的液压系统原理图，并注明压力控制阀、压力继电器等设定压力和液压泵或蓄能器工作时各段路的流量，以便后面选定元件和确定管子口径。
(1)油压发生回路此回路包括液压泵部分和压力控制部分，要设计成能在必要的时候最有效地供给所需要的压力和流量。
液压泵的功率在泵控制方式中根据执行器的最大功率算出，在阀控制方式中根据各执行器所需的最大功率算出，在蓄能器驱动的卖命根据蓄能器的最高工作压力、一循环中消耗的全部液量在充液过程中补充所需的泵流量和卸载时间算出。在实际的工作循环中，有时低速大负载、有时高速小负载、
有时卸载，可以求出平均功率并据以确定泵的驱动电机的容量。但是循环中的峰值负载不得超过电动机额定功率的1.5倍。
(2)执行器控制回路执行器控制回路要根据负载特性，适当地控制方向、速度等。
泵控制方式中，在双向变量泵回路上加压力控制回路即可组成执行器控制回路。
阀控制方式中的执行器控制回路，由方向控制回路、速度控制回路、压力控制回路适当组合而成：
1)方向控制回路用方向控制阀来实现执行器动作方向的控制，掌握方向控制阀的通油时间来控制执行器的位移量。
调整换向阀的切换时间、设置二速回路、与行程减速阀并用，或者采用比例阀、伺服阀都可以控制执行器起动、停止时的加速减速特性。
2)速度控制回路用流量控制阀来实现执行器速度的控制。根据负载变化情况和流量精度要求选定采用节流阀还是调速阀来控制。考虑对负载方向的适应性，负载变化对精度的影响及回路的效率等因素，决定采用进口节流、出口节流还是旁通节流方式。
3)压力控制回路压力控制回路不仅包括控制执行器输出力（或力矩）的回路，还包括用来吸收执行器起停时的制动力、外负载引起的冲击力的安全回路。作为输出力控制回路，有用溢流冷漠限制最高压力的调压回路，还有用减压阀把某个执行器限制到低于油源压力的压力的减压回路。制动回路、平衡回路、安全回路等中所用的压力控制阀，有直动式、先导式、内控式、外控式等各种结构，性能和特性也有多种不同，实际使用时必须十分注意。
(3)液压油处理回路液压油处理回路包括进行液压油液污染控制的过滤回路和油液温度控制回路。在过滤回路中，要根据所用液压元件和液压油的种类确定过滤器的容量，过滤精度和设置部位。当环境温度较高或液压装置内部发热较多，单靠油箱和管路系统自然散热无法维持与所用元件相适应的温度和精度时，必须设置油冷却器，环境温度过低，液压泵超支困难时，必须考虑设置加热器或其他暖机运行方式。
(4)辅助回路辅助回路包括液压系统维修所需的回路和作为安全措施专门设置的回路。
2.3绘制的原理图
绘制的原理图如图2.2所示。
图2.2原理图
2.4 本章小结
在这一章中，系统阐述了原理图的绘制流程及注意事项，并在最后给出了绘制的原理图。
第3章液压系统的计算和元件选型
系统主要参数：（1）原料带材厚度：2.0~5.0mm；（2）成品带材厚度
0.30~2.0mm；（3）带材宽度：1000~1600mm；（4）液压系统压力：28Mpa：
28Mpa；（5）AGC速度：2.5~3mm/s；（6）行程：60mm；（7）最大控制液柱高度30mm；（8）最大总轧制力：自行估算；（9）系统频宽：≥25HZ。
3.1 供油压力的选择
多数情况下压力可以自由选定。适当提高压力可以降低成本。因此，系统压力有逐渐提高的趋势，但液压系统的压力受到所用元件的限制。
提高系统压力，可以使响应速度提高、输出力加大、功率密度提高、管路的压力传播速度提高，并且不容易发生执行器低速爬行现象。但是提高压力也带来一些问题，如元件寿命缩短，易于发生阀的卡死及自激振荡，液压油易变质，内泄漏加大，油温升高，必须采取措施防止漏油。
由于此系统为轧机服务，且是伺服系统，轧制力为2500T，所以系统压力初选为Ps=28Mpa。
3.2 压下缸参数计算
3.2.1压下缸尺寸的计算
初选系统工作压力 Ps=10MP
最大总轧制力 F=25000KN
液压缸的缸径 Ap=Fmax/2Ps=0.446m2
又由于 Ap=?πD2得 D=0.7535m
所以D=0.8m，又由经验公式d/D=0.7
得液压缸的内径D=0.8m
活塞缸的直径d=0.56m
3.2.2负载流量的计算
AGC的负载速度是2.5~3.0mm/min。取2.5mm/min。
负载的流量：ql=Ap·Vl=75.36L/min
负载的压力：PL=Fs/(2A)=19.9MPa。