1450不锈钢冷轧带钢轧机液压压下装置设计

设计题目：1450不锈钢冷轧带钢轧机液压压下装置设计

 2012-12-21

摘 要

本设计系统为1450五机架冷连轧初轧机工作辊液压压下系统，钢板轧机的轧辊的位置偏差进行反馈纠正，通过这套伺服控制系统，可以精确控制轧机轧制钢板的厚度。本文主要分析了AGC系统国内外发展现状和存在的问题，进行方案设计，原理分析，参数设计，液压元器件选择，还对系统安装维护做出分析，针对已有的设计存在的问题进行创新改善，保证在轧机在轧制过程中控制。

关键词　冷轧机  液压AGC   油箱

Abstract

The design system for the1450 five stand cold rolling mill hydraulic AGC control system for steel mill roll position feedback error correction is a servo control system. Mill at home and abroad are introduced the development of hydraulic AGC control of the state and development trends and existing problems. The design principles include system design, component selection, Manifold Design, valve assembly design, tank design and pump station design, the spirit of reasonable co-exist with a certain margin to ensure the process requirements, the principles of the design cost of the system . Through this servo control system can precisely control the thickness of steel plate rolling mill. 

Keywords　 Cold Rolling Mill    Hydraulic AGC    Pumping Station

1 绪论

1.1 冶金AGC系统在国内外发展现状及存在的问题

1.1.1 AGC概述

AGC（Automation Gauge Control）,即为厚度自动控制。厚度是板带钢最主要的尺寸之一，随着技术的进步，厚度自动控制已成为现代化板带钢生产中不可缺少的重要组成部分。厚度自动控制（AGC-Automation Gauge Control）的基本方式是通过测厚仪或者其他传感器对带钢的实际轧出厚度进行连续测量，根据实测值与给定值相比较得到的偏差信号，借助各种测量装置调整压下量、张力或压下速度，将轧机出口厚度控制在允许的偏差范围内。　

其基本方式就是通过测厚仪或者其他传感器对带钢的实际轧出厚度进行连续测量，根据实测值与给定值相比较得到的偏差信号，借助各种测量装置调整压下量、张力或压下速度，将轧机出口厚度控制在允许的偏差范围内。 

 图1-1 AGC控制方式简图

1.1.2 AGC控制的发展情况

 近30年来，国外轧机的装备水平发展很快。在冷带轧机上广发利用液压压下、液压弯辊、厚度自动控制、板形控制和计算机控制等技术、在新技术运用方面均已采用液压AGC系统与计算机控制相结合的DCS，装设了测量精度高的三测仪表（测厚、测压、测张），且装设了板形检测装置。而国内轧机设备还比较落后，特别是自动控制系统。即使60年代中期从日本、美国等引进的当时属于较先进的单机架轧机，由于当时技术水平的，多数未达到设计目标，面临着改造。在采用新技术方面，部分设备采用了液压压下，少数设备将原有的机液伺服改成了电液伺服系统，并装设了AGC系统，安装了三测仪表，实现了张力闭环控制，但是精度不高。面对国内轧机的这种情况及资金短缺的实情，在吸收国外AGC先进控制的基础上，开发实用性、高精度自控系统装备现有的设备，能使我国钢铁冷轧设备的控制水平进一步提高。

由于轧机自动化水平及对板带材的质量要求越来越高，对轧机执行机构及控制系统性能的要求也越来越高。目前，液压技术的应用程度和水平，已成为冶金设备技术水平高低的一项衡量指标。其中液压AGC(Automatic Gauge Control)系统是所有冶金设备中液压技术应用的典型代表，是现代化轧机设备的核心技术。液压AGC系统运行状态的好坏，直接决定了轧机的工作可靠性。长期以来，由于机械设备水平的整体差距，我国的轧机设备主要依赖进口，在技术特别是核心技术方面受到。虽然近年来在先进技术的应用方面有重大突破，但仍局限在单机应用的水平。因此，开展液压AGC系统故障诊断技术的研究不仅对提高轧机设备的生产率、提高设备的维护管理水平具有重要意义，同时也对提高国产轧机设备的应用水平具有重要的社会意义。

1.1.3 AGC控制的发展趋势

在连轧工艺发展过程中，轧制过程模型研究一直为钢铁研究企业所重视，由于轧制内部机理十分复杂，目前对数学模型研究多集中在轧机体系模型，分析轧制过程中某一因素对厚度的影响，如张力、轧辊变形等，所建的模型缺乏全面、完整性。因此，建立一个全面、完整、正确的机电一体化轧制模型，进行轧机体系在轧制过程中的实时动态研究是目前的发展趋势。

采用智能控制技术（如神经网络）提高自适应学习的精度。

模型计算过程中考虑单元细化，如有限元方法和有限元思想的使用。

在控制策略的研究方向，基于反馈控制理论，控制模型出现了两个研究方向。一是复合控制，即在常规PID控制的基础上，加入前馈、压力、秒流量等控制策略。这种方法在轧钢工业中得到广泛应用，效果良好；二是利用被控对象建模的新方法（如人工神经网络）、自适应控制、预测控制、优化控制的新算法，构造单环反馈系统，由于这些算法在理论推到研究上有许多假设条件，与实际有很大差距，随着算法的进一步改进，这个方向无疑有很大的发展前景。

1.1.4 AGC控制存在的问题

虽然AGC在各个方面都有了不同程度的发展，但是，由于各方面因素的以及AGC控制方式很多，各种AGC复合体统往往相互关联，相互影响，实际上存在最优组合方案。存在的问题和带来的难点主要有：

1)  建立真实反映被控对象内在本质的数学模型比较复杂。冷轧机阀控液压系统是一个多变量、非线性、强耦合、参数时变的且带有随机干扰的不确定系统。目前轧机系统的模型都用二阶惯性环节简化代替，由此利用经典的控制方法设计的控制器很难进一步提高厚度控制的精度，难以适应轧制工艺。

2)  对于闭环系统而言，系统设定值的精度难以保证，从而了AGC的控制精度。

3)  影响出口厚度波动的因素很多。

4)  测厚仪的安装位置，导致了检测到的出口厚度在反馈控制上的滞后。

2 方案论述及确定

2.1液压压下装置的特点

随着工业的发展，带钢的轧制速度不断提高，产品的尺寸精度日趋严格。特别是采用厚度自动控制（AGC）系统以后,电动压下装置已远远不能满足工艺要求。目前，新建的冷连轧机组生产线几乎全部采用液压压下装置，热带钢连轧机精轧机组最后一架轧机也往往装有液压压下装置。

  所谓全液压压下装置，就是取消了电动压下装置，其辊缝的调整均由带位移传感器的液压缸来完成。与电动压下装置比较，全液压压下装置有以下特点：

1.快速响应性好，调整精度高；

2.过载保护简单可靠；

3.采用液压缸压下可以根据需要改变轧机当量刚度，轧机实现从“恒辊缝”；

4.到“恒压力”轧制，以适应各种轧制及操作情况；

5.较机械传动效率高；

6.便于快速换辊，提高轧机作业率。

 2.2方案论证及确定

    经过小组讨论，针对该设计要求的工序动作，拟定以下三种方案：

第一种方案原理分析：该系统采用双变量液压泵作为油源，一台工作，一台备用，这样可以减少故障带来的经济损失，采用伺服变量泵可以调节流量，来控制系统运行速度，达到调速的目的，在控制油路上采用三位四通电磁伺服阀来进行调平，当系统出现倾斜时，位移传感器和压力传感器反馈信息，控制伺服阀调整进油，以保持两个液压缸同步，该系统将冷却油路设在系统回油路上，不需要另外的液压泵进行循环，这样减少了液压站投资。该系统结构紧凑，既能达到调速的目的，又能实现双缸同步运行。

 图2-1 方案一

第二种方案原理分析：辅泵有三个作用：给主泵柱塞泵供油以延长主泵工作寿命、给执行元件液压缸有杆腔产生被压、使多余流量通过溢流阀形成冷却循环；主泵定为恒压变量泵，保证阀台伺服阀的工作稳定性；主泵出口的电磁溢流阀做安全阀用，蓄能器作为辅助动力源，两个温度控制器的作用是保证冷却器和加热器使用时的适当温度。该系统冷却回路单独使用液压泵进行循环，这样减少了系统回路的压力损失，在总油路上有一个较大的蓄能器进行保压蓄能，在两个液压缸的压下油路上没有进行保压，不能及时补充压下压力。：

图2-2 方案二

第三种方案原理分析：该系统使用定量泵进行供油，使用伺服阀进行变换油路，而且该系统使用的是单作用缸，需要另外使用平衡缸，该系统也没有调速回路，不能实现变速，也没有保压蓄能设备，不能及时补充系统压力。

图2-3 方案三

 综合分析以上三种方案的优缺点，第一种方案经济，结构紧凑，又能达到设计需求的动作，故选择第一种方案。

3 液压系统主要参数计算及元件选择

3.1 初选系统工作压力 

根据各种机械常用的系统工作压力数据，由表3-1，初定系统工作压力Ps=10Mpa

表3-1  各种机械常用的系统工作压力图

机械

3.2.1缸尺寸的确定

前面初选系统压力Ps=10Mpa

已知：总轧制力Fmax=2.6MN

      则液压缸最压下力 Fmax1 = 1.3MN

      液压缸压下速度Vc=15mm/s

      液压缸最大行程S=150mm

1)活塞直径D的确定

                     （3-1）

  取D=500mm

  其中K为负荷系数，取K=0.85

2）确定活塞杆直径d

   因为取d与Do的比值大于0.6

   所以d＝0.7Do

得出d=0.7500=350mm

3.2.2 负载压力的计算

轧辊直径

支承辊直径

为系统背压，根据参考，估计

                                          （3-2）

液压缸的机械效率，取

表3-2 各工况负载压力

表3-3系统流量

1)液压缸的最大行程L=150mm

2)最小导向长度

最小导向长度H是指活塞杆全部伸出时，从活塞宽度的中点到导向套滑动面中点的距离。

   取H=350mm                 （3-3）

活塞宽度B根据液压缸工作压力和密封方式确定，一般取B=(0.6~1)D

所以

3）缸筒壁厚计算

                                                    （3-4）

MP  (P取最大工作压力)

缸体选用45热轧无缝钢管，调质处理，屈服强度  取安全系数n=5  材料的许用应力为

考虑一定的刚度取，缸的外径

4）缸筒底部厚度

底部设计为平面

取

5）导向套滑动面长度

导向套滑动面长度，时，取

所以

为保证最小导向长度，不宜过分的增大导向套长度和活塞宽度，最好的办法是在导向套与活塞之间加装一个隔离套K，其长度                        （3-5）

3.4  液压缸强度和稳定性计算：

3.4.1缸筒壁厚的校核

由《机械设计手册》公式23.6—22 ， 

—缸体材料许用应力，取=120（MPa）, 

 Py - 试验压力，取Py =1.25P  则，

由于=105mm >102.5mm,故缸筒壁厚符合要求。

3.4.2活塞杆稳定性验算

因为活塞杆在工作时承受很大的压力，所以当活塞杆计算长度L与活塞杆直径D之比大于10时，则应该校核活塞杆的稳定性。活塞杆计算长度就是就是在它全部伸出时活塞杆端支点与缸安装点之间的距离，本液压缸计算长度L=0.45m，因为L/D=0.45/0.5<10，故不作活塞杆稳定性校核。

3.5  液压泵和电动机的选择

3.5.1选择液压泵

（1）计算液压泵的最高工作压力。快速上行时工作压力最大，估取沿程压力损失

                              （3-6）

（2）计算液压泵的流量，根据前面的流量计算结果，并取系统泄漏修正因数K=1.1

快速上行需泵流量

慢速上行需泵流量

慢速下行需泵流量

(3)选择液压泵的规格

根据压力和流量值，查相关液压元件产品目录，选取变量柱塞泵，排量为，容积效率为0.95，额定压力为32MP，额定转速为

型号为250CCY14-1B，变量方式为伺服控制，生产厂家：启东高压泵厂。

图3-1 液压泵

则：泵的实际流量   （3-7）

3.5.2选择电动机

按液压泵最大功率确定电机功率。从前面的压力计算图可知，快速上行时，液压缸压力最大。此时液压泵的压力为

                              （3-8）

流量为

                  （3-9）

则电动机功率

    （3-10）

选用功率为45KW，转速为，型号为Y250M的电动机.

3.6 液压辅助元器件选择

3.6.1过滤器选择

1）过滤器一般由滤芯和壳体组成由滤芯上无数微小间隙和小孔组成通流面积。当混入液压介质的污染物粒子的尺寸大于微小间隙活小孔时，杂质被阻隔分离出来。

过滤器按精度分可分为粗过滤器和精过滤器两种；按过滤方式分为表面性过滤器、深度性过滤器和中间型过滤器三种；按滤芯的结构分为网式过滤器、线隙式过滤器、纸式过滤器、磁性过滤器、烧结式过滤器、不锈钢纤维式过滤器和合成树脂过滤器。

选择过滤器时，应考虑以下几方面：

(1) 根据使用目的选择过滤器的类型，根据安装位置情况选择过滤器的安装形式。

(2) 过滤器应有足够大得通油能力，并且压力损失要小。

(3) 过滤精度应满足液压系统或元件的所需清洁度要求。

(4) 滤芯使用的滤材应满足所使用工作介质的要求，并且有足够的强度。

(5) 过滤器的强度及压力损失是选择是需要重点考虑的因素，安装过滤气候会对系统造成局部压降或产生背压。

(6) 滤芯的更换及清洗要方便。

(7) 应根据系统的需要选择合适的滤芯保护附件。

(8) 结构应尽量简单、紧凑、安装形式合理。

2）辅泵出口过滤器的选择

选用过滤器为泵出口过滤器，型号号 ZUH-63 10S，数量：1，过滤精度为。

为精过滤器。

3）回油过滤器的选择

选用过滤器为油箱回油过滤器，为油箱内置回油过滤器，型号号 XU-63 50S，数量：2，过滤精度为。

3.6.2蓄能器的选择

1）蓄能器压力的选择

图3-2蓄能器

蓄能器是液压系统中一种能量储存装置，它存储多余的压力油液，并在需要时放出来供给系统，补充系统流量和压力。蓄能器的种类很多，分为重力式、弹簧式和充气式。常用的是充气式，它又分为活塞式，气囊式和隔膜式三种。选择蓄能器应考虑以下因素：工作压力及耐压性；公称容积及允许吸(排)流量或气体容积；允许使用的工作介质及介质温度等等。其次还要考虑到蓄能器的重量级占用    

的空间问题；价格、质量及使用寿命；安装维修的方便。蓄能器为压力容器，必须有生产许可证才能生产，所以，一般不能自行设计，制造蓄能器，应选择专业厂家的产品。

本系统中选用气囊式蓄能器。

2）蓄能器容积的选择

气囊式蓄能器惯性小，反应灵敏，结构紧凑，质量轻，充气方便，一次充气后能长时间的保存气体，在液压系统中应用广泛。

估算系统压力，选取管路中蓄能器型号，NXQ1-L4，公称容积4L，公称通径32mm，公称压力31.5MP，生产厂家：上海东方液压件产

泵站的蓄能器作用是：做辅助动力源，根据经验选用>20L所以，主泵出口处选择型号：NXQ1-L25，公称容积25L，公称通径40mm，公称压力31.5MP，生产厂家：南京锅炉厂。

3.6.3其他元器件

根据在系统中各阀的最大工作压力和流量选择液压阀。选出的液压阀如下表：                    

表3-4 液压系统各元件一览表 

3.7.1油箱容量的经验公式

                                                 （3-11）

式中，

—— 液压泵的额定流量      

—— 与系统压力有关的经验系数，

低压取2～4，中压取5～7，高压取8～10

图3-3蓄能器

 取

油箱主要设计参数如图所示。选取油箱长b、宽a、高h之比为2：1：1，则

V=abh

 得a=1175mm，b=1175mm，h=1175mm

油箱容量应能保证液压系统工作时，其最低油面高于滤油器上端200mm以上，以防止泵吸入空气。液压系统停止工作时，其最高液面不得超过油箱高度的80%。而当液压系统中的油液全部返回油箱时，油液不能溢出油箱外。

3.7.2油箱结构的设计

1）过滤器的设置

油箱的回油口一般都设置系统所要求的过滤精度的回油滤油器，以保持返回油箱的油液具有允许的污染等级。油箱的排油口（即泵的吸油口）为了防止意外落入油箱中的污染物，有时也装设吸油网式过滤器。由于这种过滤器侵入油箱深处，不好清理，因此，即使设置，过滤网目也是很低的，一般为60目以下。

本油箱选择的是XU-63 50S，数量：2

2）设置油箱的主要油口

油箱的排油口与回油口之间的距离尽可能远些，管口应插入最低油面之下，以免发生吸空和回油冲溅产生气泡。泵的吸所装过滤器的下端距油箱底面距离不小于20mm。回管口应插入最低油面以下，离油箱底面距离应大于管径的2～3倍。吸和回管口宜切成45度斜口，以增大液流面积。

3）油箱隔板布置

隔板将吸油、回路隔开，防止回油被直接吸走，油流中的气泡与杂质分离和沉淀。隔板的高度为油面高度的2/3～3/4。

本设计的隔板为整体式，底部有过油孔。

4）在开式油箱上部的通气孔上必须配置空气滤清器。兼作注油口的作用。油箱的注油口一般不从油桶中将油液直接注入油箱，而是经过过滤车从注油口注入，这样可以保证注入油箱中的油液具有一定的污染等级。

5）放油孔的安装。

放油口要设置在油箱的底部最低位置，使患有换油时油液和污物能顺利地从放油孔流出。在设计油箱，从结构上应考虑清洗换油的方便，设置清油孔，以便于油箱内沉淀物的定期清理。

该油箱的放油孔根据要求设置在油箱的底部，直接焊接管接头连接截止阀。

图3-3  1—吸  2—过滤器  3—空气过滤器  4—回  5—盖板 

 6—液位指示器  7、9—隔板  8—放

3.7液压压下系统性能验算

1) 进油路:   

 沿程压力损失: 主要是液压缸推动下刀架在实施剪切时进油路中的压力损失。本系统压力较高，故选用L-HL32液压油，其密度为0kg/m3,200C时的运动粘度为,油路中流量为泵的流量为250L/min，管路直径d=30mm，进、回油路管长约20m。   

流量： 250L/min  

流速： 5.9m/s                             （3-12）

雷诺数： =1770<2320 ，属层流

沿程阻力因数： =75/=75/1770=0.042                              （3-13）                           

沿程压力损失 

   局部压力损失：进油路经过两个三位四通换向阀，两个个三位四通伺服阀阀，一个单向阀，7个直角弯头=1.12

    （3-14）

       =7.8MP

2) 回油路   

 沿程压力损失:  

流量： 

流速： 3.008m/s                          （3-15）

雷诺数： =902.4<2320 ，属层流

沿程阻力因数： =75/=75/902.4=0.083                              

沿程压力损失 

   局部压力损失：进油路经过两个三位四通换向阀，5个直角弯头=1.12

                          （3-16）

            进回油路总压力损失：

                       进油路：=8.233MPa

                       回油路：=1.2428MPa

4 液压压下系统的安装与维护

4.1液压压下系统的安装

     液压系统安装质量的好坏是关系到液压系统能否可靠工作的关键。必须科学、正常、合理地完成安装过程中的每个环节，才能使液压系统能够正常运行；充分发挥其效能。

1. 安装前的准备工作

    1）明确安装现场施工程序及施工进度方案。

    2）熟悉安装图样，掌握设备分布及设备基础情况。

    3）落实好安装所需人员、机械、物资材料的准备工作。

    4）做好液压设备的现场交货验收工作，根据设备清单进行验收。通过验收掌握设备名称、数量、随机备件、外观质量等情况，发现问题及时处理。

5）根据设计图纸对设备基础和预埋件进行曲检查，对液压设备地脚尺寸进行复核，对不符合要求的地方进行处理，防止影响施工进度。

2 .液压设备的就位 

   1）液压设备应根据平面布置图对号吊装就位，大型成套液压设备，应由里向外依次进行吊装。

   2）根据平面布置图测量调整设备安装中心线及标高点，可通过调整安装螺栓旁的垫板达到将设备调平找正，达到图纸要求。

   3）由于设备基础相关尺寸存在误差，需在设备就位后进行微调，保证泵吸处于水平、正直对接状态，

   4）油箱放油口及各装置集油盘放污口应在设备微调时给予考虑，应是设备水平状态时的最低点。

   5）应对安装好的设备做适当防护，防止现场脏物污染系统。

6）设备就位调整完成后，一般需对设备底座下面进行混凝土浇灌，即二次灌浆。

4.2 液压压下系统的维护

   加油时液压油必须过滤加注，加油工具应可靠清洁。不能为了提高加油速度而去掉油箱加油口处的过滤器。加油人员应使用干净的手套和工作服，以防固体杂质和纤维杂质掉入油中。 

    保养时拆卸液压油箱加油盖、滤清器盖、检测孔、液压等部位，造成系统油道暴露时要避开扬尘，拆卸部位要先彻底清洁后才能打开。如拆卸液压油箱加油盖时，先除去油箱盖四周的泥土，拧松油箱盖后，清除残留在接合部位的杂物（不能用水冲洗以免水渗入油箱），确认清洁后才能打开油箱盖。如需使用擦拭材料和铁锤时，应选择不掉纤维杂质的擦拭材料和击打面附着橡胶的专用铁锤。液压元件、液压胶管要认真清洗，用高压风吹干后组装。选用包装完好的正品滤芯（内包装损坏，虽然滤芯完好，也可能不洁）。换油时同时清洗滤清器，安装滤芯前应用擦拭材料认真清洁滤清器壳内底部污物。

参考文献

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