液壓剪切機的設計[500T][含CAD高清圖紙和說明書]

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第一章 緒 論 1.1 連鑄技術的簡介 連鑄設備在近些年有了長足的發(fā)展，依據連鑄機的發(fā)展和演變的不同，連鑄機可分為：立式、立彎式、弧形和水平式。依據一個機組（即共用一個盛鋼桶的幾臺連鑄機）所澆注坯流數的不同，連鑄機可分為：單流、雙流和多流連鑄機。工業(yè)中最多為8流。 連續(xù)鑄鋼生產所用的設備，實際上包括在連鑄作用線上的一整套機械設備。連鑄設備通?？煞譃橹黧w設備和輔助設備倆大部分。主體設備包括澆鑄設備—鋼包運載設備，中間包及中間包小車或旋轉臺，結晶器及振動裝置，二次冷卻支撐導向裝置；拉坯矯直設備－拉坯機、矯直機、引錠機、脫錠與引錠存放裝置；切割設備—火焰切割機與機械剪切機（擺式剪切機、步進式剪切機等）。輔助設備主要包括：出坯及精整設備—輥道、拉（推）鋼機、翻鋼機、火焰清理機等；工藝設備—中間包烘烤裝置、吹氖裝置、脫氣裝置、保護渣供給與結晶潤滑裝置等；自動控制與測量儀表—結晶器液面測量與顯示系統、過程控制計算機、測溫、測重、測長、測速、測壓等儀表系統。 在連續(xù)鑄鋼的生產線上，出拉坯矯直機脫錠后的連鑄坯需按用戶或下部工序的要求，將鑄坯切成定尺或倍尺。因此在所有的連鑄設備中，切割設備是非常重要的一種設備。由于連鑄坯必須在連續(xù)的運動過程中實現切割，因而連鑄工藝對切割設備提出了特殊的要求，既不管采用什么型式的切割設備都必須與連鑄坯實行嚴格的同步運動。在連鑄機上采用的切割方法主要有火焰切割和機械切割兩類。采用火焰切割的優(yōu)點是：切割裝置重量輕，切割斷面比較整齊。機械剪切的優(yōu)點是：沒有金屬的燒損，可切成較短的定尺。一般，在板坯和大方坯連鑄機上，多采用火焰切割，在小方坯連鑄機上多采用機械剪切。 連鑄設備的整個工藝流程如圖1-1所示： 圖1-1連鑄設備工藝流程 連鑄機: 連鑄機可以把鋼水直接連續(xù)地澆鑄成鋼坯，由煉鋼跨送來的盛滿鋼水的盛鋼桶裝在連鑄機的鋼包旋轉臺上，通過中間包小車，把鋼水注入結晶器，在那里凝結成具有一定厚度的坯殼，即由引錠桿牽引著拉出結晶器，進入第一至第八段二次冷卻夾輥，引錠桿是由拉矯輥驅動的，鑄坯在二次冷卻區(qū)內被霧化的冷卻水冷卻，繼續(xù)凝固。當它通過最末一段二冷夾輥后，即被拉矯輥矯直，使之沿水平方向前進。 鋼包旋轉臺： 鋼包旋轉臺有不同的運動形式，不同的工作性能，因而有不同的結構形式。最簡單的旋轉臺只用一個轉臂，就能做旋轉運動。一般的旋轉臺除了作旋轉運動之外，還能使鋼包做升降運動。多功能的旋轉臺還有鋼包傾倒裝置，鋼包蓋升降裝置和吹起裝置等。在鋼包旋轉臺上，一般都有連續(xù)側重裝置，大都是在承托鋼包的鞍座上設置測力傳感器來實現的。 中間包小車： 中間包是鋼包與結晶器之間的中間容器。用鋼包運來的鋼水先注入中間包，然后再經過中間包注入結晶器中，使用中間包的作用是減少鋼水的靜壓力，是鋼流平穩(wěn)，以減小鋼流對結晶器內鋼水的沖擊和攪動。鋼水在中間包內停留的時間，是非金屬夾雜物有時間上浮。在多流連鑄機上，是通過中間包將鋼水分配到每個結晶器。進行多爐連澆時，可以在中間包內存放一定數量的鋼水，以保證在更換鋼包時能夠繼續(xù)澆鑄。 輥底式均熱爐： 設在鑄機和軋機之間的輥底式均熱爐，是連接鑄機和軋機的唯一工藝設備，其作用是連續(xù)不斷的接收鑄機產生的高溫板坯，經過加熱和均熱后及時供給軋機合乎加熱質量要求的薄板坯。當軋機正常生產換工作輥，或者下游設備臨時出現故障時其調節(jié)和緩沖作用，也即在CSP的“剛性”機組之間增加了爐子的“柔性”環(huán)節(jié)，使CSP線的連鑄連軋工藝能順利進行。 當兩機兩流工藝時，連接段的爐子還起到連續(xù)不斷轉運遠離軋線鑄機的連鑄熱坯任務，為擺動的轉運方式。 目前，CSP生產線的連接段多采用直通輥底式爐型，爐型結構簡單，并方便在線自動控制的要求。因它僅需通過對每個爐輥速度變化的控制，就可完成與前面鑄機和后面軋機對鑄坯速度的同步要求，以及在爐內快速運坯拉開前后鑄坯間的間隙，使爐子具有緩沖與協調的能力。板坯還可根據軋線的工藝要求在爐內正向運送和反向運送，或待軋時，鑄坯在爐內出料端進行前后擺動等待。 兩機兩流工藝間距25米時采用兩座雙線輥底式均熱爐生產線并具有擺動功能。爐子均為四段爐型（加熱爐段、運輸爐段、擺動爐段、存儲爐段），26個溫度控制區(qū)進行側部上、下供熱。產生的煙氣，由爐子頂部三個排煙口分別進入水平煙道，經滲冷稀釋、助燃空氣換熱器，爐膛壓力電動調節(jié)煙閘，最后通過三座自立式鋼煙囪自然排出，并完成爐膛壓力三段（加熱與運輸爐段、擺動爐段、存儲爐段）自動控制。 全爐共有161個水冷式爐輥，每個爐輥的速度均可通過變頻器（一個爐輥一個）和每個爐輥所配置的2.2KW變頻齒輪電機進行單獨變速。速度范圍為2.8~65m/min,并可正向或者反向轉動。 板坯加熱溫度通常為1100℃，溫差±10℃。為此加熱爐段的爐溫為1200℃，其他爐段的爐溫為1130℃用于均熱和保溫。不同的鑄速下板坯入爐溫度、爐溫與加熱制度、各爐段的控制區(qū)數量、燒嘴數量及供熱能力是不同的。 擺動爐段的的爐體鋼結構系安放在下面框架式的擺動車上，并通過擺動車的支撐、定心、擺動、對中定位、密封五個主要的環(huán)節(jié)完成板坯在高溫下的轉運工作。 1.2 剪切機的類型、特點及選型 用于對軋件進行切頭，切尾或剪切成規(guī)定尺寸（定尺）的機械稱為剪切機。根據剪切機刀片形狀，配置以及剪切方式等特點，剪切機可分為平行刀片剪切機，斜刀片剪切機，圓盤式剪切機和飛剪機。按驅動力來分，可分為電動和液壓兩類剪切機。 平行刀片剪切機：兩個刀片彼此平行。用于橫向熱剪初軋坯（方坯，板坯）和其它方形和矩形斷面的鋼坯，故又稱為鋼坯剪切機。有時，也用兩個成型刀片來冷軋管坯及小型圓鋼等。 斜刀片剪切機：兩個刀片中有一個刀片相對于另一刀片是成某一角度傾斜布置的，一般是上刀片傾斜，其傾斜角為1°～6°。它用來橫向冷剪或熱剪鋼板，帶鋼，薄板坯，故又稱為鋼板剪切機。有時，也用于剪切成束的小型鋼材。 圓盤式剪切機：兩個刀片均成圓盤狀。用來縱向剪切運動中的鋼板（帶鋼）的邊，或將鋼板（帶鋼）剪成窄條。一般均布置在連續(xù)式鋼板軋機的縱切機組的作業(yè)線上。 飛剪機；剪切機刀片在剪切軋件時跟隨軋件一起運動。用來橫向剪切運動中的軋件（鋼坯，鋼板，帶鋼和小型型材，線材等），一般安裝在連續(xù)式軋機的軋制線上或橫切機組作業(yè)線上。 平行刀片剪切機 根據剪切軋件時刀片的運動特點，平行刀片剪切機可分為上切式和下切式兩大類。 1．上切式平行刀片剪切機 這種剪切機的特點實際下刀固定不動，上刀則是上下運動的。剪切軋件的動作由上刀來完成，其剪切機構由最簡單的曲柄連桿機構組成。除了剪切機本體之外，一般還配有定尺機構，切頭收集與輸送裝置等。由于下刀固定不動，為使剪切工作順利進行，剪切的軋件厚度大于30～60mm時，需在剪切機后裝設擺動臺或擺動輥道，其本身無驅動裝置。剪切時，上刀壓著軋件下降，迫使擺動臺也下降。當剪切完畢，上刀上升時，擺動臺在其平衡裝置作用下也回升至原始位置。此類剪切機由于結構簡單，廣泛用于剪切中小型鋼坯。此外，隨著快速換刀的生產需要，也出現了能快速換刀的上切式平行刀片剪切機，用來剪切初軋鋼坯和軋板。當然，其設備重量會有較大的增加，結構也稍復雜些。 2. 下切式平行刀片剪切機 這種剪切機的特點是：上下刀都運動，但剪切軋件的動作由下刀來完成，剪切時上刀不運動。由于剪切時下刀臺將軋件抬離輥道，故在剪切機后不設擺動臺，而且這種剪切機的機架不承受剪切力。由于上述兩個特點，下切式平行刀片剪切機普遍用來剪切中型和大型鋼坯和板坯，以減輕整個剪切機組的設備重量。 本次設計所剪的鋼坯為連鑄小方坯□160×160㎜和□180×225㎜，因此選用平行刀片下切式剪切機。 剪切機按照驅動力來劃分，可分為電動和液壓兩類。 電機驅動又有直流電動機和交流電動機兩種。大中型剪切機多采用直流電動機驅動，并以啟動工作制進行剪切。在大型剪切機上，除了采用電動機驅動外，還可以采用液壓驅動。采用液壓驅動比電動機驅動有許多優(yōu)點： 在同等的體積下，液壓裝置能比電氣裝置產生出更大的動力；同樣在同等的功率下，液壓裝置的體積小、重量輕、結構緊湊。 1)液壓裝置工作比較平穩(wěn)，便于實現頻繁及平穩(wěn)的換向； 2)液壓裝置能在大范圍內實現無級調速,還可以在運行過程中進行調速； 3)與電氣或壓縮空氣配合后液壓驅動易于實現自動化； 4)液壓裝置易于實現過載保護，液壓缸和液壓馬達都能長期在失速狀態(tài)下工作而不會發(fā)熱，這時電氣驅動裝置和機械傳動裝置無法辦到的。此外，液壓元件能自行潤滑，使用壽命較長； 5)液壓元件易于實現通用化和自動化； 6)用液壓驅動來實現直線運動遠比機械傳動簡單。 綜上所述，雖然電動剪切機在操作和維護方面簡單，但與液壓剪切機相比，它的體積和重量大；而液壓剪切機卻不同，目前液壓技術已成熟，使操作和維護已不成問題，故本設計選用液壓剪切機。 因此，本次設計的最終選型為平行刀片下切式液壓剪切機。 第二章 液壓剪切機的設計計算 設計參數 剪切機型式： 油壓小車移動式 被剪鋼坯斷面尺寸： □180×180 mm×mm □165×225 mm×mm 代表鋼種： Q235-A 27SiMn 剪切溫度： ≥750℃ 拉坯速度： 2m/min 剪切小車及橫移輥道重量： 17.8T 鋼坯定尺長度： 2.5m 2.1剪切機結構參數的確定 2.1.1刀片行程 刀片計算公式 H=h+f+q1+q2+s （2-1） 式中： H—刀片行程（指刀片的最大行程）； h—被切鋼坯的斷面高度，這里取h=180mm； f—是為了保證鋼坯有一些翹頭時，仍能通過剪切機的必要儲備，通常50～75，這里取 60； q1— 為了避免上刀片受鋼坯沖撞，而使壓板低于上刀的距離，q1=5～50mm, 取q1=20mm; s— 上下刀片的重疊量，取 s=5～20mm,這里取s=10； 　　　q2—下刀低于輥道表面的距離，q2=5～20 mm,這里取q2=20； 故有： H=180+60+20+20+20=300mm 刀片行程關系如圖 2-1 所示 圖2-1 平行刀片剪切機刀片行程 1-上刀；2-下刀；3-軋件；4-壓板 2.1.2 刀片尺寸的確定 2.1.2.1 刀刃長度 因為所設計的方坯剪切機，且屬于中型剪切機（P=2.5～8.0），所以剪刃長度按如下公式計算： L=（2～2.5）bmax　　　　　　　　　　　　　　　 （2-2） 式中： L—刀刃長度，mm; bmax—被切鋼坯橫斷面的最大寬度，mm；取bmax=225mm; 則： L=（2～2.5）bmax =（2～2.5）×225=450～562.5 mm，取L=500 mm 2.1.2.2 刀片斷面高度及寬度 h′=(0.65～1.5)h (2-3) b′=h′/(2.5～3) (2-4) 式中： h′—刀片斷面高度，mm; h —被切鋼坯斷面高度，mm; b′—刀片斷面高度，mm; 由鋼坯斷面尺寸： □180×180 mm×mm □165×225 mm×mm 則： h′=(0.65～1.5)h =(0.65～1.5) ×180=117～270mm,取h′=210mm b′= h′/(2.5～3)=70～84mm;取b′=70mm 最后根據表8-2（《軋鋼機械》（第三版）P259） 　　　　　剪切刀片的尺寸最后確定為　 　b′×h′×Ｌ=70×210×800 由（表8-2）確定的熱鋼坯剪切機基本參數。如下表: 表2-1熱軋剪切機基本參數 最大剪切力 MN 刀片行程 mm 刀刃長度 ㎜ 刀片斷面尺寸 ㎜ 理論空行程次數 次/min 6.3 300 300 70×210 12～16 2.1.3剪切機理論空行程次數 剪切機的每分鐘理論空行程次數代表了剪切機的生產率。理論空行程次數的提高受到電動機功率和剪切機結構形式的限制。理論剪切次數是指每分鐘內剪刃能夠不間斷的上下運動的周期次數。因此，實際剪切次數小于理論空行程次數。依據設計要求和《軋鋼機械》（第三版）P259 表8-2，選擇理論空行程次數為：12～16次/min。 2.2 剪切機能力參數計算 2.2.1 剪切過程分析 軋件的整個剪切過程可氛圍兩個階段，即刀片壓入金屬與金屬滑移。壓入階段作用在軋件的力，如圖2-2所示。 圖2-2 軋件的剪切過程 當刀片壓入金屬時，上下刀片對軋件的作用力P組成力矩Pa，此力矩是軋件沿圖方向轉動，而上下刀片側面對軋件的作用力T組成的力矩Tc 將力圖阻止軋件的轉動，隨著刀片的逐漸壓入，軋件轉動角度不斷增大，當轉過一個角度γ后便停止轉動，此時力矩平衡，即Pa=Tc。 軋件停止轉動后，刀片壓入達到一定深度時，為克服了剪切面上金屬的剪切阻力，此時，剪切過程由壓入階段過渡到滑移階段，金屬沿剪切面開始滑移，直到剪斷為止。 2.2.2平行刀片剪切機的剪切力與剪切功 2.2.2.1 剪切公稱能力的確定 剪切機的力能參數包括剪切力和電機功率。剪切力是剪切機的主要參數，驅動剪切機的電機功率及剪切機主要零件尺寸的確定，完全使用或充分發(fā)揮剪切機的能力都與剪切力有關。 在設計剪切機時，首先要根據所剪軋件最大斷面尺寸來確定剪切機公稱能力，它是根據計算的最大剪切力并參照有關標準和資料來確定的。 1）.當軋件材料為Q235-A時 最大剪切力為： Pmax=K·τmax·Fmax (2-5) 式中： Fmax —被剪軋件最大的原始斷面面積，mm τmax —被剪軋件材料在相應剪切溫度下最大的單位剪切阻力，MPa根據圖8-7.a（《軋鋼機械》），取τmax=100MPa; K— 考慮由于刀刃磨鈍、刀片間隙增大而使剪切力提高的系數，其數值根據剪切機能力選擇，中型剪切機，K=1.2。 按鋼坯斷面尺寸： □180×180 mm×mm Fmax=180×180=32400 mm2 按鋼坯斷面尺寸： □165×225 mm×mm Fmax= 165×225=37125 mm2 故： Pmax=K·τmax·Fmax=1.2×100×165×225=3.89 MN 2） 當軋件材料為27SiMn時 因為該剪切材料無單位剪切阻力實驗數據，所以最大剪切力為： Pmax=0.6K·σbt·Fmax (2-6) 式中： K—同軋件材料Q235-A一樣，K=1.2； σbt—被剪軋件材料在相應剪切溫度下的強度極限，MPa，根據表8-4（《軋鋼機械》），取σbt=200MPa； Fmax—軋件最大的原始斷面面積，mm2，根據上述 1） 中計算可知， Pmax=0.6×1.2×200×165×225=5.35 MN 綜合以上計算結果，并考慮到今后剪切軋件品種的擴大，且結合我國國標所規(guī)定的系列標準，將剪切機公稱剪切力確定為6.3 MN。而實際工程中，考慮到我們設計結構的要求，確定為5.0 MN，相當于500T液壓鍵切機。 2.2.2.2 剪切功的計算 根據剪切功可以近似而方便的計算出鍵切機功率。剪切功與剪切力和刀片行程有關，當不考慮刀片磨鈍等因素時，可按以下公式計算： A= Pmax·h (2-7) 式中： A— 剪切功，N·m h—鋼坯厚度，m Pmax—最大剪切力，N 則： A= Pmax·h=5.35×180×1000=963000 N·m 第三章 液壓傳動系統的設計與計算 液壓系統是液壓機械的一個組成部分，液壓系統的設計要同主機的總體設計同時進行。著手設計時，必須從實際情況出發(fā)，有機地結合各種傳動形式，充分發(fā)揮液壓傳動的優(yōu)點，力求設計出結構簡單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡單、維修方便的液壓傳動系統。 3.1液壓系統的設計步驟與設計要求 3.1.1設計要求 設計要求是進行每項工程設計的依據。在制定基本方案并進一步著手液壓系統各部分的設計之前，必須把設計要求以及與該設計內容有關的其他方面了解清楚。 1)剪體結構比較簡單，最大的剪切力受工作液體壓力限制，且要能夠保證不致過載和損壞。 2)液壓剪切機工作循環(huán)： 上刀下降，鎖緊小車右移下刀上升，剪切鋼坯下刀下降（快退）上刀升起小車左移（快退）。 3)剪切運動要平穩(wěn)，為使機構具有所要求的精確運動，需要依靠上下刀臺的平穩(wěn)和附加的約束來獲得，這均需由液壓系統來控制。 3.1.2設計參數 剪切機型式： 油壓小車移動式 被剪鋼坯斷面尺寸： □180×180 mm×mm □165×225 mm×mm 代表鋼種： Q235-A 27SiMn 剪切溫度： ≥750℃ 拉坯速度： 2m/min 剪切小車及橫移輥道重量： 17.8T 鋼坯定尺長度： 2.5m 3.2進行工況分析，確定液壓系統的主要參數 3.2.1液壓缸的載荷計算 如圖3-1表示一個液壓缸簡圖。各有關系數標注圖上，其中FW是作用在活塞桿上的外部載荷，Fm是活塞與缸壁以及活塞桿與導向套之間的密封阻力。 作用在活塞桿上的外載荷包括工作載荷Fg,導軌的摩擦力Ff,由于速度變化而產生的慣性力Fa。 圖3-1 液壓缸受力情況 3.2.1.1 剪切缸的載荷力 工礦分析： 剪切缸運動分為啟動、工進、快退三個動作循環(huán)。 當剪切缸啟動時，液壓缸負載只有下刀臺本身的重力， Fw=G=4100N 式中：G---下刀臺重量； 工進時，活塞桿承受剪切力，其外載荷是剪切力及下刀臺自重。 Fw=Pmax+G=5.35×106+4100≈5.35×106N； 快退時,工作負載主要是下刀臺本身重力，其值為負。 Fw=-G=-4100N。 3.2.1.2 橫移缸的載荷力 橫移缸在啟動過程中，其外載荷主要是小車和橫移輥道對導軌的摩擦力。 Fw=μsG （3-1） 式中： μs—靜摩擦系數，μs=0.15；由表3-1查的 G—小車及剪體總重，N； 表3-1 摩擦系數μ 導軌類型 導軌材料 運動狀態(tài) 摩擦系數 滑動導軌 鑄鐵對鑄鐵 啟動時： 低速（） 高速（） 0.15～0.20 0.1～0.12 0.05～0.08 滾動導軌 鑄鐵對滾柱（珠） 淬火鋼導軌對滾柱 0.005～0.02 靜壓導軌 鑄鐵 0.005 G=G1+G2+G3； G1—小車及橫移輥道重量，G1=17800N； G2—鋼坯重量，G2=7239N； G3—剪體重量，G3=40000N； G=G1+G2+G3=225239N； 外載荷：Fw=μsG=33786N； 小車右移時，橫移缸外載荷為小車鋼坯、剪體、橫移輥道的重力和剪切力對導軌產生的摩擦阻力，即車輪踏面在軌道上的滾動摩擦阻力和車輪軸承的摩擦阻力。 摩擦阻力矩： Mn=(G+G4)(KDc/2+μd/2）； （3-2） 式中：G—輥道車，剪體，鋼坯總重，G=225239N； G4—剪切力，G4=5.35×； K—滾動摩擦系數，K=0.01； μ— 車輪軸承摩擦系數，μ=0.004； Dc—車輪外徑，Dc=250mm； d—軸承內徑，d=70mm； 故：Mn=（225239+5.36×）（0.05×250/2+0.003×70/2） =7.76×N/mm 外載荷：Fw==7.76×/125=62080N （3-3） 小車左移時，小車受剪體及橫移輥道的重力對導軌產生的摩擦阻力，即車輪踏面在軌道上的滾動摩擦阻力和車輪軸承的摩擦阻力。 同上.摩擦阻力矩： Mn=（G1 +G3）（KDc/2+μd/2） =（178000+40000）（0.01×250/2+0.004×70/2） =303020N/mm； 外載荷：Fw==303020/125=2424.2N。 3.2.1.3 抬升缸的負載力 抬升缸在抬升和下降過程均只受上刀臺及其相連機構的自重相對于軸心向下的轉矩.其最大轉矩約 T=G×Sm=7800×0.18=1404N·m （3-4） 式中： G—上刀臺及其相連機構自重，G=7800N； Sm—上刀臺重心到軸心距離，約為Sm=0.18m； 故上刀臺下降時，抬升缸抬升，其外載荷 Fw===3265N； （3-5） 同理，上刀臺上升時，抬升缸下降，其外載荷 Fw=-=-=-3265N； 各液壓缸的外載荷力計算結果列于表3-1 由公式： 活塞上載荷力F= （3-6） ―液壓缸的機械效率，一般取0.90～0.95，這里取=0.95； 求得相應的作用于活塞上的載荷力，并列于表3-2 表3-2 各液壓缸載荷力 液壓缸名稱 工況 液壓缸外載荷 Fw/N 活塞上載荷力 F/N 剪切缸 啟動 4100 4316 工進 5.35×106 5.63×106 快退 -4100 -4316 橫移缸 啟動 33786 35564 右移 62080 65342 左移 2424 2552 抬升缸 下降 3265 3437 上升 -3265 -3437 3.2.2初選系統的工作壓力 壓力的選擇要根據載荷的大小和設備的類型來定，還要考慮執(zhí)行元件的裝配空間、經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)行元件的結構尺寸，對某些元件的結構尺寸，對某些設備來說，尺寸要受到限制，從材料消耗角度看也不經濟，反之，壓力選得太高，對泵、缸、閥等元件的材質、密封、制造精度也要求很高，必須要提高設備成本。一般來說，對于固定的尺寸不太受限制的設備，壓力可以選的低一些。具體選擇可參考下表3-3和表3-4 表3-3 按載荷選擇工作壓力 載荷（KN） <5 5～10 10～20 20～30 30～50 >50 工作壓力（MP） <0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～5 ≥5 表3-4 各種機械常用的系統工作壓力 機械類型 機床 農業(yè)機械 小型工程機械 建筑機械 液壓鑿巖機 液壓機 大中型挖掘機 重型機械 起重運輸機械 磨 床 組 合 機 床 龍 門 刨 床 拉 床 工作壓力（MP） 0.8～2 3～5 2～8 8～10 10～18 20～32 500T液壓剪切機屬中型剪切機，其剪切缸最大載荷達5.63MN。剪切系統為高壓系統，依據上述表格初步確定系統工作壓力為21MPa。橫移缸最大負載65347N，抬升缸3437N，均為低壓系統。初步確定系統工作壓力為6.3Mpa。（參考文獻《機械設計手冊單行本液壓傳動與控制》表3—2及表3—3）（參考文獻《機械設計手冊》表19-6-3） 3.2.3 計算液壓缸的主要結構尺寸 3.2.3.1 剪切缸 剪切缸最大載荷時，為剪切缸剪切工作狀態(tài)，其載荷力為F=5.63×106N 參考文獻《機械設計手冊》。缸筒內徑： （3-7） 式中： D—缸筒內徑 F—最大載荷力，F=5.63×106N —活塞桿徑比，依據下表選=0.7 P1—供油壓力，取21MPa P2—回油背壓，依據下表選P2=1MPa 表3-5 按工作壓力選取徑比參考表 工作壓力（MPa） ≤5.0 5.0～7.0 ≥7.0 徑比 0.5～0.55 0.62～0.70 0.7 表3-6執(zhí)行元件背壓力選擇參考表 系統類型 背壓力 簡單系統或輕載節(jié)流調速系統 0.2～0.5 回油路帶調速閥的系統 0.4～0.6 回油路設置有背壓閥的系統 0.5～1.5 用補油泵的閉式回路 0.8～1.5 回油路較復雜的工程機械 1.2～3 回油路較復雜，且直接回油箱 可忽略不記 本表摘自《機械設計手冊單行本液壓傳動與控制》表23.4-5及23.4-4 故有： 取D=600mm 活塞桿直徑：d=0.7D=420mm ，取標準值d=500mm 則液壓缸有效面積 （3-8） （3-9） 液壓缸行程 L=H=300㎜. 式中： H—刀片行程,H=300㎜; 活塞桿強度校核 （3-10） 式中： Fmax—活塞桿所受的最大載荷，Fmax =5.63×106； d—活塞桿直徑，d=420mm。 所以有： 活塞桿材料為碳鋼故 =100～120MPa ∴強度符合，校核完畢。 3.2.3.2橫移缸 當橫移缸右移時，在其啟動時負載最大，F=65347N，此時,橫移缸受拉 由上述的公式可得下式： （3-11） 式中： —活塞桿的徑比，=0.65； —供油壓力，=6.3MPa； —回油背壓，=0.5MPa。 則： 由文獻《機械設計手冊》取標準內徑：D=160mm， 所以活塞桿直徑為d=0.65D=104mm 取標準值 d=110mm； 則液壓缸有效面積： 活塞桿強度校核 所以強度符合要求，校核完畢。 3.2.3.3 抬升缸 當抬升缸抬升時，其負載F=3628N，此時，活塞桿受壓 式中： —活塞桿的徑比，=0.65； —供油壓力，=6.3MPa； —回油背壓，=0.5MPa。 則： 0.027m =27㎜ 由文獻《機械設計手冊》，取標準內徑 D=32mm， 活塞桿直徑為d=0.65D=19.8mm 取標準值 d=20㎜ 則液壓缸有效面積 活塞桿強度校核 所以強度符合要求，校核完畢。 3.2.4.計算各工況所需時間及速度 剪切鋼坯工作循環(huán)周期 T==1.25min 式中： 2.5m—鋼坯定尺長度 2m/min—拉坯速度. 故剪切工作全過程應在1.25min之內完成。 由鋼坯接觸定尺裝置觸球為剪切周期開始，橫移缸，抬升缸開始動作，抬升缸抵達指定位置后剪切缸動作，剪斷鋼坯即剪切缸觸發(fā)行程開關上觸點，為剪切缸，抬升缸，橫移缸反向行程開始時間。待各缸全部退回，剪切一周期結束，等待下一周期開始，依次循環(huán)。 由小車行程約800mm，即0.8m，得 t==0.4min=24s 即在t=24s時剪斷鋼坯。 抬升缸： 抬升缸抬升即上刀臺下降時間約取t1=5s v1===5.4m/min 抬升缸下降即上刀臺上升時間約取t2=3s v2===9m/min 式中： L=450m=0.45㎜，液壓缸行程。 剪切缸： 抬升缸自鎖后，剪切缸即開始動作。 工進時間 t3=t-t1=19s 工進速度 v3===0.95m/min 快退時間 t4=6s 快退速度 v4===1.8m/min 橫移缸： 右移時間 t5=24s 右移速度 v5=2m/min 左移時間 t6=6s 左移速度 v6===8m/min 式中： L—小車行程。 3.2.5計算液壓執(zhí)行元件實際所需流量 根據已經確定的液壓缸的結構尺寸，可以計算出各個執(zhí)行元件在各個工作階段的實際所需流量。 表3-7 各工況所需流量 工況 執(zhí)行元件 名稱 運動速度 v/m/min 結構參數 A/mm2 流量 Q/L/min 計算公式 上刀下降 抬升缸 5.4 804 4.3 Q=A1v 小車啟動 橫移缸 0 10598 0 Q=A2v 小車右移 橫移缸 2 10598 21.2 Q=A2v 下刀上升 剪切缸 0.95 282600 268.0 Q=A1v 下刀下降 剪切缸 1.8 86350 155.0 Q=A2v 上刀上升 抬升缸 9 490 4.4 Q=A2v 小車左移 橫移缸 8 20096 160.7 Q=A1v 3.2.6計算液壓執(zhí)行元件的實際工作壓力 由于液壓系統工作時回油路安裝有背壓閥，所以系統的實際工作壓力需要將其考慮進去，如下表所示為各個缸的實際工作壓力。 表3-8各工況工作壓力 工況 執(zhí)行元件 名稱 負載 F/N 背壓力 P2MPa 結構參數mm2 工作壓力 P1/MPa 計算公式 A1 A2 上刀 下降 抬升缸 3437 0.5 804 490 4.58 小車 啟動 橫移缸 35564 0 20096 10598 1.77 小車 右移 橫移缸 65347 0.5 20096 10598 3.51 下刀 上升 剪切缸 5.63×106 0 282600 86350 20.0 下刀 下降 剪切缸 -4316 0.5 282600 86350 0.95 上刀 上升 抬升缸 -3628 1 804 490 1.63 小車 左移 橫移缸 2552 0.5 20096 10598 1.18 3.2.7擬定液壓系統工況圖 圖3-1各缸位移時間圖 圖3-2 各缸速度時間圖 圖3-3各液壓缸的壓力循環(huán)圖 3.3制定液壓系統基本方案和擬定液壓系統圖 3.3.1制定基本方案 3.3.1.1 確定剪切機液壓系統的總組成及作用 用于將軋件剪切成規(guī)定尺寸的機械稱為剪切機。由液壓作為主傳動的剪切機叫做液壓剪切機。一個完整的液壓系統由五部分組成，即動力組件、執(zhí)行組件、控制組件、輔助組件和液壓油。在小方坯液壓剪切機系統中都將被設計到。 剪切機動力組件的作用是將原動機的機械能轉化為液體的壓力能，指液壓系統中的油泵，它向整個液壓系統提供動力。在本套系統中采用一個定量泵和一個變量泵供油。 執(zhí)行組件（如液壓缸和液壓馬達）的作用是將液體的壓力能轉化為機械能，驅動負載做直線往復運動。小方坯液壓剪切機主要采用三個執(zhí)行組件，剪切缸、上刀臺抬升缸和輥道小車橫移缸，對于單純且簡單的直線運動機構可以采用液壓缸直接驅動，由剪切機的特點決定，可采用單活塞桿液壓缸，其有效工作面積大，雙向不對稱，往返不對稱的直線運動。 剪切機控制組件（即各種液壓閥）在液壓系統中控制和調節(jié)液體的壓力、流量、和方向。根據控制功能的不同，其液壓閥可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥又可分為溢流閥（安全閥）、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調整閥、分流閥、集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據控制方式不同液壓閥可分為開關式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。系統中將用到大部分常見的控制組件，實現系統的最優(yōu)化。 系統的輔助組件包括油箱、濾油器、油管及管接頭、密封圈、壓力表、油位溫度計等，起連接、輸油、貯油、過濾、貯存壓力和測量等的作用。 液壓油是液壓系統中傳遞能量的工作介質。有各種礦物油、乳化油和合成型液壓油幾大類。系統選用20號機械油。 3.3.1.2擬定液壓執(zhí)行組件運動控制回路 1、 剪切缸基本回路的確定 1）容積節(jié)流調速回路 容積節(jié)流調速回路一般用變量泵供油，用流量控制閥調節(jié)調節(jié)輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量，并使其供油量與所需油量相適應。液壓缸慢進速度由變量泵調節(jié)，以減少功率損耗和系統發(fā)熱；快退時由調速閥調節(jié)。此種調速回路效率也較高，速度穩(wěn)定性較好，但結構較復雜。 因剪切缸回程時，所受負載為負，故調速閥裝在回程回油路上。 2）壓力控制方案 剪切缸在剪斷鋼坯時剪切力突然消失，使活塞由于慣性突然前沖，引起液壓沖擊，故在液壓缸端部安裝蓄能器，吸收多余能量，減少液壓沖擊，實現緩沖。此回路用變量泵供油，故在回路中設置安全閥起安全保護作用。為減小回路中液壓沖擊，采用電液換向閥。 圖3-4剪切缸基本回路 2、抬升缸基本回路確定 雙液控單向閥鎖緊回路： 由于上刀臺在剪切時承受極大的載荷，為了在極大沖擊下仍具有較好的剪切效果，上刀臺必須具有高的位置精度，采用雙液控單向閥鎖緊回路。它能在液壓缸不工作時使活塞迅速平穩(wěn)、可靠且長時間地被鎖緊，不為向上的剪切力所移動。當液壓缸上腔不進油時液控單向閥關閉，液壓缸下腔不能回油，活塞被鎖緊不能下落。但由于液控單向閥有一定泄露，因此，鎖緊時間不能太長。但因抬升缸所需鎖緊時間僅為19s。故滿足要求。 圖3-5抬升缸基本回路 3、 橫移缸基本回路的確定 為實現同步剪切運動，必須使小車移動速度與鋼坯運動速度相等，這就需要用速度傳感器將鋼坯的運動速度與橫移缸的運動速度測出，然后進行比較，將差值快速的轉變?yōu)殡娦盘杺鹘o橫移缸的主控閥，使液壓小車的橫移速度迅速達到鋼坯的運動速度，并且與它同步運動；而當剪切機將鋼坯剪斷后，小車有需要快速的退回，因此，有必要選用高控制精度的比例閥。 由于橫移缸和抬升缸共用定量泵，且橫移缸負載遠大于抬升缸，要求兩缸互不干擾動作，故在橫移缸回路加減壓閥，以控制抬升缸回路壓力，達到兩缸同時動作。 圖3-6 比例閥調速回路 3.3.1.5 制定順序動作方案 鋼坯斷面接觸定尺裝置觸球時，發(fā)出電信號，啟動抬升缸和橫移缸電磁鐵開始動作→ 抬升缸完成預定動作時觸發(fā)行程開關，關閉抬升缸電磁鐵，使抬升缸自鎖，并啟動剪切缸電磁鐵使其動作→ 當剪切缸剪切鋼坯完畢，刀片移動到上行程時，通過上行程開關發(fā)出電信號，使剪切缸，抬升缸和橫移缸均反向動作→ 剪切缸觸發(fā)下行程開關時，停止動作→ 橫移缸觸發(fā)左側行程開關時，停止動作→ 抬升缸觸發(fā)行程開關時，停止動作→ 等待下一周期運行。 3.3.1.6液壓源的選擇 剪切缸承受負載壓力大，屬于高壓系統，。而柱塞泵的柱塞與缸體內孔均為圓柱表面，易得到高精度的配合，可在高壓下工作，故選用柱塞泵。 橫移缸和抬升缸所承受負載不是很大，屬于中壓系統，可使用定量葉片泵為動力源。 3.3.2擬定液壓系統圖 圖3-7 液壓原理圖 表3-9 剪切機電磁鐵工作循環(huán)表 動作名稱 發(fā)訊元件 電磁鐵DT 1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 6DT 上刀下降 XK3 - - + - - - 小車右移 XK3 - - - - + - 鎖緊上刀 XK5 - - - - - - 下刀上升 XK5 + - - - - - 上刀快退 XK1 - - - + - - 小車左移 XK1 - - - - - + 下刀快退 XK1 - + - - - - 上刀復位 XK6 - - - - - - 小車復位 XK4 - - - - - - 下刀復位 XK2 - - - - - - 3.4液壓元件的選擇 3.4.1液壓泵的選擇 3.4.1.1高壓液壓泵的選擇 1）.確定液壓泵的最大工作壓力Pp （3-12） 式中： —液壓缸最大工作壓力；=20.2MPa —進油路上總壓力損失，=0.8MPa 則： =20.0+1.0=21.0 MPa ∵所選泵的額定壓力一般要比最大工作壓力大25%～60% ∴選取的液壓泵要求額定壓力為 2）.液壓泵流量的確定 （3-13） 式中： K—系統泄露系數，一般取K=1.1～1.3，這里取K=1.2； —高壓系統液壓缸最大總流量，=268L/min 則： =1.2×268=322 L/min 故選用A7V250型斜軸式軸向柱塞泵，其額定壓力為35MPa，額定流量為364 L/min，額定轉速為1500r/min。（參考文獻《機械設計手冊（第四卷）》P19-175表19-5-51） 3.4.1.2 低壓系統液壓泵的選擇 1）.確定液壓泵的最大工作壓力Pp 式中： —液壓缸最大工作壓力；=4.58MPa —進油路上的總壓力損失，=0.92MPa 則： =4.58+0.92=5.5 MPa 考慮儲備取7 MPa。 2）.液壓泵流量的確定 式中： K—系統泄露系數，一般取K=1.1～1.3，這里取K=1.1； —高壓系統液壓缸最大總流量，=160.7L/min 則： =1.1×160.7=169 L/min 故選用YB-C171B型葉片泵，其額定壓力為7MPa，額定流171 L/min，額定轉速為1000r/min。（參考文獻《機械設計手冊》第四卷P19-136表19-5-16） 3.4.2電動機功率的確定 3.4.2.1 高壓系統電動機的確定 驅動液壓泵的功率為： （3-14） 式中： —液壓泵最大工作壓力，=21.0MPa —液壓泵額定流量，=364L/min —液壓泵總效率，=0.85 則： 考慮到剪切時間很短，而電動機一般允許在短時間內超載25%，因此， 故根據《機械設計手冊》第五卷，選定Y315m—4w型三相異步電動機，其額定功率為132KW，同步轉速為1500r/min 3.4.2.2 低壓系統電動機的確定 式中：—液壓泵最大工作壓力，=7MPa —液壓泵額定流量，=171L/min —液壓泵總效率，=0.85 則 故根據《機械設計手冊》第五卷，選定Y225M-6型三相異步電動機，其額定功率為30KW，同步轉速為1000r/min。 3.4.3液壓閥的選擇 根據液壓系統的工作壓力和通過各個閥類元件的實際流量，可選出這些元件的型號和規(guī)格，見下表 表3-10液壓剪切機液壓閥及附件明細表 序號 名稱 通徑 型號 規(guī)格 最大實際流量 數量 壓力 MPa 流量 L/min 1 截止閥 50 CJZ-F50L 25 268 1 2 過濾器 50 QUIE400×40 32 400 268 1 3 安全閥 30 BG-03-V32 25 96 1 4 單向閥 20 RVP20B 31.5 300 268 1 5 截止閥 50 CJZ-F50L 25 1 6 壓力表 Y-200 0～25 31 1 7 電磁換向閥 16 4WEG16G20B 28 300 268 1 8 單向調速閥 30 MSA30EF 21 300 268 1 9 蓄能器 50 NXQ2-L100 31.5 600 535 1 10 單向閥 40 RVP40B 31.5 600 535 1 11 過濾器 55 QUIE700×10 32 700 535 1 12 冷卻器 32 2LQFW-A5.3F 10 - 535 1 13 單向閥 40 RVP40B 31.5 600 535 1 14 電磁換向閥 6 4WE6G50B 35 80 4.41 1 15 雙液控單向閥 6 Z2S6 31.5 60 4.41 1 16 截止閥 50 CJZ-F50L 165 2 17 過濾器 50 QUIE400×40 32 400 165 1 18 溢流閥 30 BG-03-32 0.5～25 300 268 1 19 單向閥 20 RVP20B 31.5 300 160.7 1 20 截止閥 50 CJZ-F50L 160.7 1 21 壓力表 Y-200 0～25 31 1 22 減壓閥 32 DRC32-1 31.5 300 160.7 1 23 電磁換向閥 16 4WEG16G20B 28 300 160.7 1 24 單向閥 16 RVP16B 31.5 260 160.7 1 25 比例流量閥 16 2FRE16 31.5 180 160.7 1 3.4.4 油管內徑的確定 由于本液壓系統管路較為復雜，取主要幾條管路，根據以下公式確定他們的內徑和壁厚，其數值見表 (1) 管道內徑計算 （3-15） （2） 管道壁厚計算 （3-16） 式中： d—油管內徑 q——管內流量(/s) v—管中油液的流速 —油管壁厚 P—管內工作壓力，MPa n—安全系數，P<7MPa時，取n=8，P>17.5MPa時，取n=4 σb—管道材料的抗拉強度，取σb=450Mpa 管道內的流速可以參考表3-11： 表3-11允許流速推薦值 管道 推薦流速（m/s） 液壓泵吸油管道 0.5～1.5一般取1以下 液壓系統壓油管道 3～6 壓力高、油管短、粘度小取小值 液壓系統回油管道 1.5～2.6 表3-12 主要管路內徑表 管路名稱 通過流量（L/min） 允許速度（m/s） 管內徑 （mm） 管道壁厚（mm） 管內工作壓力（Pa） 所選管道的內徑與壁厚（mm） 高壓吸油管 364 1.3 77 7.2 21 80，10 高壓壓油管 268 5 34 3.0 20 40，5.5 高壓回油管 268 2.5 48 0.2 0.5 50，3 低壓吸油管 171 1.0 60 3.7 7 65，4 低壓壓油管 160.7 5 26 0.8 3.51 32，2.5 低壓回油管 160.7 2 41 0.2 0.5 50，3 3.4.5 油箱的有效面積的確定 油箱容量的經驗公式： V=aq （3-17） 式中： a—與系統有關的經驗系數，（由文獻《液壓系統設計圖集》表2.4-3）高壓系統取a=10 q—液壓泵每分鐘排出壓力油的容積，=364+171=535L/min 則： V=10×512=5350L 選標準值： V=6300L。 3.5 液壓系統性能驗算 3.5.1 驗算回路中的壓力損失 3.5.1.1 橫移缸回路的壓力損失 管路系統上的壓力損失由管路的沿程損失、管件局部損失和控制閥的壓力損三部分組成： （3-18） 1）.沿程壓力損失 由于液體在同一管路中，液體的平均流速越大，它的沿程壓力損失就越大，因此，我門所需考慮的是橫移缸流量最大時即快速退回時進油路的壓力損失。此管長L=12，管內徑d=0.03m，快速退回時，通過流量Q=160.7L/min=2.68×。選用L-HM46號礦物油型液壓油，正常運轉后油的運動黏度取，油的密度為。 油液在管路中的實際流速為： （3-19） 雷諾數 （3-20） 圓形光滑管道，其臨界雷諾數 ∴液流為紊流。 沿程壓力損失： （3-21） 式中： —沿程阻力系數， L—管道長度，L=12m d—管道內徑，d=0.03m v—液體流速，v=3.79m/s —液體的密度，=850 則： 2）.局部壓力損失 （3-22） 式中： —局部阻力系數，=1.12； —液體流速，=3.79m/s； —液體密度，=850 則： 3）控制閥的壓力損失 （3-23） 式中：