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內(nèi)蒙古科技大學(xué)
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書
題 目：連鑄小方坯液壓剪切機(jī)液壓系
統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：白志峰
學(xué) 號(hào)：200440401101
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)：機(jī)2004-1班
指導(dǎo)教師：?jiǎn)涛膭?副教授
I
內(nèi)蒙古科技大學(xué)設(shè)計(jì)說(shuō)明書
連鑄小方坯液壓剪切機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要
剪切機(jī)廣泛地被運(yùn)用在軋鋼機(jī)械中，本文中涉及的是連鑄機(jī)采用剪切機(jī)對(duì)各種型號(hào)的鋼坯進(jìn)行定尺處理。液壓剪切機(jī)比火焰切割機(jī)運(yùn)行成本低，而在同等的體積下，液壓裝置能比電氣裝置產(chǎn)生出更大的動(dòng)力；同樣在同等的功率下，液壓裝置的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。所以從各種角度看選擇液壓剪切機(jī)是比較合理的。液壓剪切機(jī)是用液壓作為主傳動(dòng)的剪切機(jī)，該剪切機(jī)采用平行刀片式的下切式。下切式剪切機(jī)的上下兩個(gè)刀片都是運(yùn)動(dòng)的，但剪切扎件的動(dòng)作是由下刀片來(lái)完成的。目前被廣泛應(yīng)用于初軋和鋼坯車間。
剪切機(jī)液壓系統(tǒng)主要由三部分組成。分別是下刀臺(tái)系統(tǒng)、輥道小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和上刀臺(tái)抬升系統(tǒng)。其中下刀臺(tái)剪切系統(tǒng)主要控制下刀片的進(jìn)刀和快退；輥道小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要用于前進(jìn)時(shí)保持剪切機(jī)與鋼坯同速，剪切完成后快速返回；上刀臺(tái)抬升系統(tǒng)用來(lái)移動(dòng)上刀臺(tái)。其中下刀臺(tái)剪切缸單獨(dú)采用變量泵驅(qū)動(dòng)，而輥道下車油缸和上刀臺(tái)抬升缸共用一個(gè)定量泵，其動(dòng)作由換向閥實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：剪切機(jī) 、 輥道小車 、 油缸
Abstract
Shearing machine is widely used in steel rolling machines,this paper introduces the continuous casting machine by useing shearing machine to handle various types of steel billet. Hydraulic shearing machine has lower operating cost than flame cutting machines. However, in the same volume, the hydraulic device generates mush power than electrical equipment. In the same power, the hydraulic device small volume, light weight and compact structure. So from various perspectives, choosing hydraulic shearing machine is more reasonable. Hydraulic
shearing machine is a kind of shearing machine that uses hydraulic pressure as the main drive. It chooses the down-cut sheet of parallel slice. The up-cut sheet and the down-cut sheet of down-cut shearing machine are movable, but the action of shearing the rolled piece is done by down-cut sheet. At present, it is widely used in the workshop of bloom and billet.
The hydraulic system of shearing machine mainly consists of three parts: the system of down-cut bed, the driving system of table roller vehicle and the system lifted by top-cut set. Its down-cut bed’s shearing system. Mainly controls advancement and retreat of the down-cut slice. The driving system of table roller vehicle is used to keep the shearing machine having the same speed with billet and resets quickly after finishing shearing. The lifting system of top-cut table can drift the top-cut bed. And the shear cylinder of down-cut bed is driven by variable pump independently, while the cylinder of table roller and lifting vat of top-cut bed are used a quantitative pump, and the operation is done by using reversing valve.
Key words: shearing machine；table roller vehicle； fuel tank
目錄
摘要 ………………………………………………………………………………I
Abstract …………………………………………………………………………II
第一章 緒 論………………………………………………………………………1
1.1 連鑄連軋技術(shù)的簡(jiǎn)介………………………………………………… 1
1.2 剪切機(jī)的類型、特點(diǎn)及選型………………………………………… 4
第二章 液壓剪切機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算………………………………………………… 7
2.1 剪切機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定……………………………………………… 7
2.1.1刀片行程…………………………………………………………… 7
2.1.2刀片尺寸的確定…………………………………………………… 8
2.1.3剪切機(jī)理論空行程次數(shù)…………………………………………… 9
2.2 剪切機(jī)能力參數(shù)計(jì)算……………………………………………………9
2.2.1剪切過(guò)程分析……………………………………………………… 9
2.2.2平行刀片剪切機(jī)的剪切力與剪切功………………………………10
第三章 剪切機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算……………………………………13
3.1 剪切機(jī)的設(shè)計(jì)要求與參數(shù)……………………………………………13
3.1.1設(shè)計(jì)要求……………………………………………………………13
3.1.2設(shè)計(jì)參數(shù)……………………………………………………………13
3.2 進(jìn)行工況分析，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)…………………………14
3.2.1液壓缸的載荷計(jì)算…………………………………………………14
3.2.2初選系統(tǒng)的工作壓力………………………………………………17
3.2.3液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算………………………………………18
3.2.4各工況所需時(shí)間及速度的計(jì)算……………………………………22
3.2.5液壓執(zhí)行元件實(shí)際所需流量的計(jì)算………………………………23
3.2.6液壓執(zhí)行元件實(shí)際工作壓力的計(jì)算………………………………24
3.2.7擬定液壓系統(tǒng)工況圖………………………………………………25
3.3 制定液壓系統(tǒng)基本方案和擬定液壓系統(tǒng)圖………………………… 26
3.3.1制定基本方案………………………………………………………26
3.3.2擬定液壓系統(tǒng)圖……………………………………………………31
3.4 液壓元件的選擇………………………………………………………32
3.4.1 液壓泵的選擇…………………………………………………… 32
3.4.2 電動(dòng)機(jī)功率的確定………………………………………………34
3.4.3 液壓閥的選擇……………………………………………………35
3.4.4 油管內(nèi)徑的確定…………………………………………………36
3.4.5 油箱的有效面積的確定…………………………………………38
3.5 液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算……………………………………………………38
3.5.1 驗(yàn)算回路中的壓力損失………………………………………… 38
3.5.2 驗(yàn)算液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升………………………………………… 46
第四章 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算………………………………………………………51
4.1 計(jì)算液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸……………………………………………… 51
4.1.1 缸筒長(zhǎng)度L…………………………………………………………51
4.1.2 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定…………………………………………… 51
4.2 液壓缸主要零部件設(shè)計(jì)………………………………………………52
4.2.1 缸筒……………………………………………………………… 52
4.2.2 活塞……………………………………………………………… 55
4.2.3 活塞桿的導(dǎo)向套和密封………………………………………… 55
4.2.4 緩沖裝置………………………………………………………… 56
4.2.5 放氣裝置………………………………………………………… 56
4.2.6 油口……………………………………………………………… 57
第五章 閥板的設(shè)計(jì)………………………………………………………………58
4.1 閥板連接概述…………………………………………………………58
4.2 閥板的設(shè)計(jì)……………………………………………………………58
4.2.1 確定閥板的數(shù)量………………………………………………58
4.2.2 液壓元件位置的布置…………………………………………59
4.2.3 閥板材料及孔徑的確定………………………………………59
參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………60
結(jié)束語(yǔ) ……………………………………………………………………………62
VI
內(nèi)蒙古科技大學(xué)設(shè)計(jì)說(shuō)明書
第一章 緒 論
1.1 連鑄技術(shù)的簡(jiǎn)介
連鑄設(shè)備在近些年有了長(zhǎng)足的發(fā)展，依據(jù)連鑄機(jī)的發(fā)展和演變的不同，連鑄機(jī)可分為：立式、立彎式、弧形和水平式。依據(jù)一個(gè)機(jī)組（即共用一個(gè)盛鋼桶的幾臺(tái)連鑄機(jī)）所澆注坯流數(shù)的不同，連鑄機(jī)可分為：?jiǎn)瘟?、雙流和多流連鑄機(jī)。工業(yè)中最多為8流。
連續(xù)鑄鋼生產(chǎn)所用的設(shè)備，實(shí)際上包括在連鑄作用線上的一整套機(jī)械設(shè)備。連鑄設(shè)備通?？煞譃橹黧w設(shè)備和輔助設(shè)備倆大部分。主體設(shè)備包括澆鑄設(shè)備—鋼包運(yùn)載設(shè)備，中間包及中間包小車或旋轉(zhuǎn)臺(tái)，結(jié)晶器及振動(dòng)裝置，二次冷卻支撐導(dǎo)向裝置；拉坯矯直設(shè)備－拉坯機(jī)、矯直機(jī)、引錠機(jī)、脫錠與引錠存放裝置；切割設(shè)備—火焰切割機(jī)與機(jī)械剪切機(jī)（擺式剪切機(jī)、步進(jìn)式剪切機(jī)等）。輔助設(shè)備主要包括：出坯及精整設(shè)備—輥道、拉（推）鋼機(jī)、翻鋼機(jī)、火焰清理機(jī)等；工藝設(shè)備—中間包烘烤裝置、吹氖裝置、脫氣裝置、保護(hù)渣供給與結(jié)晶潤(rùn)滑裝置等；自動(dòng)控制與測(cè)量?jī)x表—結(jié)晶器液面測(cè)量與顯示系統(tǒng)、過(guò)程控制計(jì)算機(jī)、測(cè)溫、測(cè)重、測(cè)長(zhǎng)、測(cè)速、測(cè)壓等儀表系統(tǒng)。
在連續(xù)鑄鋼的生產(chǎn)線上，出拉坯矯直機(jī)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(shè)備中，切割設(shè)備是非常重要的一種設(shè)備。由于連鑄坯必須在連續(xù)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)切割，因而連鑄工藝對(duì)切割設(shè)備提出了特殊的要求，既不管采用什么型式的切割設(shè)備都必須與連鑄坯實(shí)行嚴(yán)格的同步運(yùn)動(dòng)。在連鑄機(jī)上采用的切割方法主要有火焰切割和機(jī)械切割兩類。采用火焰切割的優(yōu)點(diǎn)是：切割裝置重量輕，切割斷面比較整齊。機(jī)械剪切的優(yōu)點(diǎn)是：沒(méi)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(jī)上，多采用火焰切割，在小方坯連鑄機(jī)上多采用機(jī)械剪切。
連鑄設(shè)備的整個(gè)工藝流程如圖1-1所示：
圖1-1連鑄設(shè)備工藝流程
連鑄機(jī):
連鑄機(jī)可以把鋼水直接連續(xù)地澆鑄成鋼坯，由煉鋼跨送來(lái)的盛滿鋼水的盛鋼桶裝在連鑄機(jī)的鋼包旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)中間包小車，把鋼水注入結(jié)晶器，在那里凝結(jié)成具有一定厚度的坯殼，即由引錠桿牽引著拉出結(jié)晶器，進(jìn)入第一至第八段二次冷卻夾輥，引錠桿是由拉矯輥驅(qū)動(dòng)的，鑄坯在二次冷卻區(qū)內(nèi)被霧化的冷卻水冷卻，繼續(xù)凝固。當(dāng)它通過(guò)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(jìn)。
鋼包旋轉(zhuǎn)臺(tái)：
鋼包旋轉(zhuǎn)臺(tái)有不同的運(yùn)動(dòng)形式，不同的工作性能，因而有不同的結(jié)構(gòu)形式。最簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)臺(tái)只用一個(gè)轉(zhuǎn)臂，就能做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一般的旋轉(zhuǎn)臺(tái)除了作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之外，還能使鋼包做升降運(yùn)動(dòng)。多功能的旋轉(zhuǎn)臺(tái)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(zhuǎn)臺(tái)上，一般都有連續(xù)側(cè)重裝置，大都是在承托鋼包的鞍座上設(shè)置測(cè)力傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
中間包小車：
中間包是鋼包與結(jié)晶器之間的中間容器。用鋼包運(yùn)來(lái)的鋼水先注入中間包，然后再經(jīng)過(guò)中間包注入結(jié)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(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼水的沖擊和攪動(dòng)。鋼水在中間包內(nèi)停留的時(shí)間，是非金屬夾雜物有時(shí)間上浮。在多流連鑄機(jī)上，是通過(guò)中間包將鋼水分配到每個(gè)結(jié)晶器。進(jìn)行多爐連澆時(shí)，可以在中間包內(nèi)存放一定數(shù)量的鋼水，以保證在更換鋼包時(shí)能夠繼續(xù)澆鑄。
輥底式均熱爐：
設(shè)在鑄機(jī)和軋機(jī)之間的輥底式均熱爐，是連接鑄機(jī)和軋機(jī)的唯一工藝設(shè)備，其作用是連續(xù)不斷的接收鑄機(jī)產(chǎn)生的高溫板坯，經(jīng)過(guò)加熱和均熱后及時(shí)供給軋機(jī)合乎加熱質(zhì)量要求的薄板坯。當(dāng)軋機(jī)正常生產(chǎn)換工作輥，或者下游設(shè)備臨時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)其調(diào)節(jié)和緩沖作用，也即在CSP的“剛性”機(jī)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(jìn)行。
當(dāng)兩機(jī)兩流工藝時(shí)，連接段的爐子還起到連續(xù)不斷轉(zhuǎn)運(yùn)遠(yuǎn)離軋線鑄機(jī)的連鑄熱坯任務(wù)，為擺動(dòng)的轉(zhuǎn)運(yùn)方式。
目前，CSP生產(chǎn)線的連接段多采用直通輥底式爐型，爐型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并方便在線自動(dòng)控制的要求。因它僅需通過(guò)對(duì)每個(gè)爐輥速度變化的控制，就可完成與前面鑄機(jī)和后面軋機(jī)對(duì)鑄坯速度的同步要求，以及在爐內(nèi)快速運(yùn)坯拉開(kāi)前后鑄坯間的間隙，使?fàn)t子具有緩沖與協(xié)調(diào)的能力。板坯還可根據(jù)軋線的工藝要求在爐內(nèi)正向運(yùn)送和反向運(yùn)送，或待軋時(shí)，鑄坯在爐內(nèi)出料端進(jìn)行前后擺動(dòng)等待。
兩機(jī)兩流工藝間距25米時(shí)采用兩座雙線輥底式均熱爐生產(chǎn)線并具有擺動(dòng)功能。爐子均為四段爐型（加熱爐段、運(yùn)輸爐段、擺動(dòng)爐段、存儲(chǔ)爐段），26個(gè)溫度控制區(qū)進(jìn)行側(cè)部上、下供熱。產(chǎn)生的煙氣，由爐子頂部三個(gè)排煙口分別進(jìn)入水平煙道，經(jīng)滲冷稀釋、助燃空氣換熱器，爐膛壓力電動(dòng)調(diào)節(jié)煙閘，最后通過(guò)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(yùn)輸爐段、擺動(dòng)爐段、存儲(chǔ)爐段）自動(dòng)控制。
全爐共有161個(gè)水冷式爐輥，每個(gè)爐輥的速度均可通過(guò)變頻器（一個(gè)爐輥一個(gè)）和每個(gè)爐輥所配置的2.2KW變頻齒輪電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)變速。速度范圍為2.8~65m/min,并可正向或者反向轉(zhuǎn)動(dòng)。
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(shù)量、燒嘴數(shù)量及供熱能力是不同的。
擺動(dòng)爐段的的爐體鋼結(jié)構(gòu)系安放在下面框架式的擺動(dòng)車上，并通過(guò)擺動(dòng)車的支撐、定心、擺動(dòng)、對(duì)中定位、密封五個(gè)主要的環(huán)節(jié)完成板坯在高溫下的轉(zhuǎn)運(yùn)工作。
1.2 剪切機(jī)的類型、特點(diǎn)及選型
用于對(duì)軋件進(jìn)行切頭，切尾或剪切成規(guī)定尺寸（定尺）的機(jī)械稱為剪切機(jī)。根據(jù)剪切機(jī)刀片形狀，配置以及剪切方式等特點(diǎn)，剪切機(jī)可分為平行刀片剪切機(jī)，斜刀片剪切機(jī)，圓盤式剪切機(jī)和飛剪機(jī)。按驅(qū)動(dòng)力來(lái)分，可分為電動(dòng)和液壓兩類剪切機(jī)。
平行刀片剪切機(jī)：兩個(gè)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(jī)。有時(shí)，也用兩個(gè)成型刀片來(lái)冷軋管坯及小型圓鋼等。
斜刀片剪切機(jī)：兩個(gè)刀片中有一個(gè)刀片相對(duì)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(lái)橫向冷剪或熱剪鋼板，帶鋼，薄板坯，故又稱為鋼板剪切機(jī)。有時(shí)，也用于剪切成束的小型鋼材。
圓盤式剪切機(jī)：兩個(gè)刀片均成圓盤狀。用來(lái)縱向剪切運(yùn)動(dòng)中的鋼板（帶鋼）的邊，或?qū)摪澹◣т摚┘舫烧瓧l。一般均布置在連續(xù)式鋼板軋機(jī)的縱切機(jī)組的作業(yè)線上。
飛剪機(jī)；剪切機(jī)刀片在剪切軋件時(shí)跟隨軋件一起運(yùn)動(dòng)。用來(lái)橫向剪切運(yùn)動(dòng)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(jī)的軋制線上或橫切機(jī)組作業(yè)線上。
平行刀片剪切機(jī)
根據(jù)剪切軋件時(shí)刀片的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，平行刀片剪切機(jī)可分為上切式和下切式兩大類。
1．上切式平行刀片剪切機(jī)
這種剪切機(jī)的特點(diǎn)實(shí)際下刀固定不動(dòng)，上刀則是上下運(yùn)動(dòng)的。剪切軋件的動(dòng)作由上刀來(lái)完成，其剪切機(jī)構(gòu)由最簡(jiǎn)單的曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成。除了剪切機(jī)本體之外，一般還配有定尺機(jī)構(gòu)，切頭收集與輸送裝置等。由于下刀固定不動(dòng)，為使剪切工作順利進(jìn)行，剪切的軋件厚度大于30～60mm時(shí)，需在剪切機(jī)后裝設(shè)擺動(dòng)臺(tái)或擺動(dòng)輥道，其本身無(wú)驅(qū)動(dòng)裝置。剪切時(shí)，上刀壓著軋件下降，迫使擺動(dòng)臺(tái)也下降。當(dāng)剪切完畢，上刀上升時(shí)，擺動(dòng)臺(tái)在其平衡裝置作用下也回升至原始位置。此類剪切機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廣泛用于剪切中小型鋼坯。此外，隨著快速換刀的生產(chǎn)需要，也出現(xiàn)了能快速換刀的上切式平行刀片剪切機(jī)，用來(lái)剪切初軋鋼坯和軋板。當(dāng)然，其設(shè)備重量會(huì)有較大的增加，結(jié)構(gòu)也稍復(fù)雜些。
2. 下切式平行刀片剪切機(jī)
這種剪切機(jī)的特點(diǎn)是：上下刀都運(yùn)動(dòng)，但剪切軋件的動(dòng)作由下刀來(lái)完成，剪切時(shí)上刀不運(yùn)動(dòng)。由于剪切時(shí)下刀臺(tái)將軋件抬離輥道，故在剪切機(jī)后不設(shè)擺動(dòng)臺(tái)，而且這種剪切機(jī)的機(jī)架不承受剪切力。由于上述兩個(gè)特點(diǎn)，下切式平行刀片剪切機(jī)普遍用來(lái)剪切中型和大型鋼坯和板坯，以減輕整個(gè)剪切機(jī)組的設(shè)備重量。
本次設(shè)計(jì)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(jī)。
剪切機(jī)按照驅(qū)動(dòng)力來(lái)劃分，可分為電動(dòng)和液壓兩類。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)又有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩種。大中型剪切機(jī)多采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并以啟動(dòng)工作制進(jìn)行剪切。在大型剪切機(jī)上，除了采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)外，還可以采用液壓驅(qū)動(dòng)。采用液壓驅(qū)動(dòng)比電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)有許多優(yōu)點(diǎn)：
在同等的體積下，液壓裝置能比電氣裝置產(chǎn)生出更大的動(dòng)力；同樣在同等的功率下，液壓裝置的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。
1)液壓裝置工作比較平穩(wěn)，便于實(shí)現(xiàn)頻繁及平穩(wěn)的換向；
2)液壓裝置能在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速,還可以在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行調(diào)速；
3)與電氣或壓縮空氣配合后液壓驅(qū)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；
4)液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，液壓缸和液壓馬達(dá)都能長(zhǎng)期在失速狀態(tài)下工作而不會(huì)發(fā)熱，這時(shí)電氣驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)裝置無(wú)法辦到的。此外，液壓元件能自行潤(rùn)滑，使用壽命較長(zhǎng)；
5)液壓元件易于實(shí)現(xiàn)通用化和自動(dòng)化；
6)用液壓驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)比機(jī)械傳動(dòng)簡(jiǎn)單。
綜上所述，雖然電動(dòng)剪切機(jī)在操作和維護(hù)方面簡(jiǎn)單，但與液壓剪切機(jī)相比，它的體積和重量大；而液壓剪切機(jī)卻不同，目前液壓技術(shù)已成熟，使操作和維護(hù)已不成問(wèn)題，故本設(shè)計(jì)選用液壓剪切機(jī)。
因此，本次設(shè)計(jì)的最終選型為平行刀片下切式液壓剪切機(jī)。
第二章 液壓剪切機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算
設(shè)計(jì)參數(shù)
剪切機(jī)型式： 油壓小車移動(dòng)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(zhǎng)度： 2.5m
2.1剪切機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定
2.1.1刀片行程
刀片計(jì)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(shí)，仍能通過(guò)剪切機(jī)的必要儲(chǔ)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(guān)系如圖 2-1 所示
圖2-1 平行刀片剪切機(jī)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(zhǎng)度
因?yàn)樗O(shè)計(jì)的方坯剪切機(jī)，且屬于中型剪切機(jī)（P=2.5～8.0），所以剪刃長(zhǎng)度按如下公式計(jì)算：
L=（2～2.5）bmax （2-2）
式中：
L—刀刃長(zhǎng)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(jù)表8-2（《軋鋼機(jī)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(jī)基本參數(shù)。如下表:
表2-1熱軋剪切機(jī)基本參數(shù)
最大剪切力
MN
刀片行程
mm
刀刃長(zhǎng)度
㎜
刀片斷面尺寸
㎜
理論空行程次數(shù)
次/min
6.3
300
300
70×210
12～16
2.1.3剪切機(jī)理論空行程次數(shù)
剪切機(jī)的每分鐘理論空行程次數(shù)代表了剪切機(jī)的生產(chǎn)率。理論空行程次數(shù)的提高受到電動(dòng)機(jī)功率和剪切機(jī)結(jié)構(gòu)形式的限制。理論剪切次數(shù)是指每分鐘內(nèi)剪刃能夠不間斷的上下運(yùn)動(dòng)的周期次數(shù)。因此，實(shí)際剪切次數(shù)小于理論空行程次數(shù)。依據(jù)設(shè)計(jì)要求和《軋鋼機(jī)械》（第三版）P259 表8-2，選擇理論空行程次數(shù)為：12～16次/min。
2.2 剪切機(jī)能力參數(shù)計(jì)算
2.2.1 剪切過(guò)程分析
軋件的整個(gè)剪切過(guò)程可氛圍兩個(gè)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(guò)程
當(dāng)?shù)镀瑝喝虢饘贂r(shí)，上下刀片對(duì)軋件的作用力P組成力矩Pa，此力矩是軋件沿圖方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而上下刀片側(cè)面對(duì)軋件的作用力T組成的力矩Tc 將力圖阻止軋件的轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著刀片的逐漸壓入，軋件轉(zhuǎn)動(dòng)角度不斷增大，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度γ后便停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)力矩平衡，即Pa=Tc。
軋件停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，刀片壓入達(dá)到一定深度時(shí)，為克服了剪切面上金屬的剪切阻力，此時(shí)，剪切過(guò)程由壓入階段過(guò)渡到滑移階段，金屬沿剪切面開(kāi)始滑移，直到剪斷為止。
2.2.2平行刀片剪切機(jī)的剪切力與剪切功
2.2.2.1 剪切公稱能力的確定
剪切機(jī)的力能參數(shù)包括剪切力和電機(jī)功率。剪切力是剪切機(jī)的主要參數(shù)，驅(qū)動(dòng)剪切機(jī)的電機(jī)功率及剪切機(jī)主要零件尺寸的確定，完全使用或充分發(fā)揮剪切機(jī)的能力都與剪切力有關(guān)。
在設(shè)計(jì)剪切機(jī)時(shí)，首先要根據(jù)所剪軋件最大斷面尺寸來(lái)確定剪切機(jī)公稱能力，它是根據(jù)計(jì)算的最大剪切力并參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和資料來(lái)確定的。
1）.當(dāng)軋件材料為Q235-A時(shí)
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(yīng)剪切溫度下最大的單位剪切阻力，MPa根據(jù)圖8-7.a（《軋鋼機(jī)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(shù)，其數(shù)值根據(jù)剪切機(jī)能力選擇，中型剪切機(jī)，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(dāng)軋件材料為27SiMn時(shí)
因?yàn)樵摷羟胁牧蠠o(wú)單位剪切阻力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，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(yīng)剪切溫度下的強(qiáng)度極限，MPa，根據(jù)表8-4（《軋鋼機(jī)械》），取σbt=200MPa；
Fmax—軋件最大的原始斷面面積，mm2，根據(jù)上述 1） 中計(jì)算可知，
Pmax=0.6×1.2×200×165×225=5.35 MN
綜合以上計(jì)算結(jié)果，并考慮到今后剪切軋件品種的擴(kuò)大，且結(jié)合我國(guó)國(guó)標(biāo)所規(guī)定的系列標(biāo)準(zhǔn)，將剪切機(jī)公稱剪切力確定為6.3 MN。而實(shí)際工程中，考慮到我們?cè)O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的要求，確定為5.0 MN，相當(dāng)于500T液壓鍵切機(jī)。
2.2.2.2 剪切功的計(jì)算
根據(jù)剪切功可以近似而方便的計(jì)算出鍵切機(jī)功率。剪切功與剪切力和刀片行程有關(guān)，當(dāng)不考慮刀片磨鈍等因素時(shí)，可按以下公式計(jì)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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
液壓系統(tǒng)是液壓機(jī)械的一個(gè)組成部分，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要同主機(jī)的總體設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行。著手設(shè)計(jì)時(shí)，必須從實(shí)際情況出發(fā)，有機(jī)地結(jié)合各種傳動(dòng)形式，充分發(fā)揮液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，力求設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡(jiǎn)單、維修方便的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。
3.1液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與設(shè)計(jì)要求
3.1.1設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)要求是進(jìn)行每項(xiàng)工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。在制定基本方案并進(jìn)一步著手液壓系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)之前，必須把設(shè)計(jì)要求以及與該設(shè)計(jì)內(nèi)容有關(guān)的其他方面了解清楚。
1)剪體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)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(guò)載和損壞。
2)液壓剪切機(jī)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(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)，為使機(jī)構(gòu)具有所要求的精確運(yùn)動(dòng)，需要依靠上下刀臺(tái)的平穩(wěn)和附加的約束來(lái)獲得，這均需由液壓系統(tǒng)來(lái)控制。
3.1.2設(shè)計(jì)參數(shù)
剪切機(jī)型式： 油壓小車移動(dòng)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(zhǎng)度： 2.5m
3.2進(jìn)行工況分析，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)
3.2.1液壓缸的載荷計(jì)算
如圖3-1表示一個(gè)液壓缸簡(jiǎn)圖。各有關(guān)系數(shù)標(biāo)注圖上，其中FW是作用在活塞桿上的外部載荷，F(xiàn)m是活塞與缸壁以及活塞桿與導(dǎo)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(dǎo)軌的摩擦力Ff,由于速度變化而產(chǎn)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(yùn)動(dòng)分為啟動(dòng)、工進(jìn)、快退三個(gè)動(dòng)作循環(huán)。
當(dāng)剪切缸啟動(dòng)時(shí)，液壓缸負(fù)載只有下刀臺(tái)本身的重力，
Fw=G=4100N 式中：G---下刀臺(tái)重量；
工進(jìn)時(shí)，活塞桿承受剪切力，其外載荷是剪切力及下刀臺(tái)自重。
Fw=Pmax+G=5.35×106+4100≈5.35×106N；
快退時(shí),工作負(fù)載主要是下刀臺(tái)本身重力，其值為負(fù)。
Fw=-G=-4100N。
3.2.1.2 橫移缸的載荷力
橫移缸在啟動(dòng)過(guò)程中，其外載荷主要是小車和橫移輥道對(duì)導(dǎo)軌的摩擦力。
Fw=μsG （3-1）
式中：
μs—靜摩擦系數(shù)，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(shù)μ
導(dǎo)軌類型
導(dǎo)軌材料
運(yùn)動(dòng)狀態(tài)
摩擦系數(shù)
滑動(dòng)導(dǎo)軌
鑄鐵對(duì)鑄鐵
啟動(dòng)時(shí)：
低速（）
高速（）
0.15～0.20
0.1～0.12
0.05～0.08
滾動(dòng)導(dǎo)軌
鑄鐵對(duì)滾柱（珠）
淬火鋼導(dǎo)軌對(duì)滾柱
0.005～0.02
靜壓導(dǎo)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(shí)，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(duì)導(dǎo)軌產(chǎn)生的摩擦阻力，即車輪踏面在軌道上的滾動(dòng)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(dòng)摩擦系數(shù)，K=0.01；
μ— 車輪軸承摩擦系數(shù)，μ=0.004；
Dc—車輪外徑，Dc=250mm；
d—軸承內(nèi)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(shí)，小車受剪體及橫移輥道的重力對(duì)導(dǎo)軌產(chǎn)生的摩擦阻力，即車輪踏面在軌道上的滾動(dòng)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(fù)載力
抬升缸在抬升和下降過(guò)程均只受上刀臺(tái)及其相連機(jī)構(gòu)的自重相對(duì)于軸心向下的轉(zhuǎn)矩.其最大轉(zhuǎn)矩約
T=G×Sm=7800×0.18=1404N·m （3-4）
式中：
G—上刀臺(tái)及其相連機(jī)構(gòu)自重，G=7800N；
Sm—上刀臺(tái)重心到軸心距離，約為Sm=0.18m；
故上刀臺(tái)下降時(shí)，抬升缸抬升，其外載荷
Fw===3265N； （3-5）
同理，上刀臺(tái)上升時(shí)，抬升缸下降，其外載荷
Fw=-=-=-3265N；
各液壓缸的外載荷力計(jì)算結(jié)果列于表3-1
由公式： 活塞上載荷力F= （3-6）
―液壓缸的機(jī)械效率，一般取0.90～0.95，這里取=0.95；
求得相應(yīng)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(dòng)
4100
4316
工進(jìn)
5.35×106
5.63×106
快退
-4100
-4316
橫移缸
啟動(dòng)
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(tǒng)的工作壓力
壓力的選擇要根據(jù)載荷的大小和設(shè)備的類型來(lái)定，還要考慮執(zhí)行元件的裝配空間、經(jīng)濟(jì)條件及元件供應(yīng)情況等的限制。在載荷一定的情況下，工作壓力低，勢(shì)必要加大執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)某些元件的結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)某些設(shè)備來(lái)說(shuō)，尺寸要受到限制，從材料消耗角度看也不經(jīng)濟(jì)，反之，壓力選得太高，對(duì)泵、缸、閥等元件的材質(zhì)、密封、制造精度也要求很高，必須要提高設(shè)備成本。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于固定的尺寸不太受限制的設(shè)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(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力
機(jī)械類型
機(jī)床
農(nóng)業(yè)機(jī)械
小型工程機(jī)械
建筑機(jī)械
液壓鑿巖機(jī)
液壓機(jī)
大中型挖掘機(jī)
重型機(jī)械
起重運(yùn)輸機(jī)械
磨
床
組
合
機(jī)
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(jī)屬中型剪切機(jī)，其剪切缸最大載荷達(dá)5.63MN。剪切系統(tǒng)為高壓系統(tǒng)，依據(jù)上述表格初步確定系統(tǒng)工作壓力為21MPa。橫移缸最大負(fù)載65347N，抬升缸3437N，均為低壓系統(tǒng)。初步確定系統(tǒng)工作壓力為6.3Mpa。（參考文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本液壓傳動(dòng)與控制》表3—2及表3—3）（參考文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表19-6-3）
3.2.3 計(jì)算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸
3.2.3.1 剪切缸
剪切缸最大載荷時(shí)，為剪切缸剪切工作狀態(tài)，其載荷力為F=5.63×106N
參考文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》。缸筒內(nèi)徑：
（3-7）
式中：
D—缸筒內(nèi)徑
F—最大載荷力，F(xiàn)=5.63×106N
—活塞桿徑比，依據(jù)下表選=0.7
P1—供油壓力，取21MPa
P2—回油背壓，依據(jù)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(tǒng)類型
背壓力
簡(jiǎn)單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)
0.2～0.5
回油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng)
0.4～0.6
回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng)
0.5～1.5
用補(bǔ)油泵的閉式回路
0.8～1.5
回油路較復(fù)雜的工程機(jī)械
1.2～3
回油路較復(fù)雜，且直接回油箱
可忽略不記
本表摘自《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本液壓傳動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度校核
（3-10）
式中：
Fmax—活塞桿所受的最大載荷，F(xiàn)max =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(qiáng)度符合，校核完畢。
3.2.3.2橫移缸
當(dāng)橫移缸右移時(shí)，在其啟動(dòng)時(shí)負(fù)載最大，F(xiàn)=65347N，此時(shí),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(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》取標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑：D=160mm，
所以活塞桿直徑為d=0.65D=104mm 取標(biāo)準(zhǔn)值 d=110mm；
則液壓缸有效面積：
活塞桿強(qiáng)度校核
所以強(qiáng)度符合要求，校核完畢。
3.2.3.3 抬升缸
當(dāng)抬升缸抬升時(shí)，其負(fù)載F=3628N，此時(shí)，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(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，取標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑 D=32mm，
活塞桿直徑為d=0.65D=19.8mm 取標(biāo)準(zhǔn)值 d=20㎜
則液壓缸有效面積
活塞桿強(qiáng)度校核
所以強(qiáng)度符合要求，校核完畢。
3.2.4.計(jì)算各工況所需時(shí)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(zhǎng)度
2m/min—拉坯速度.
故剪切工作全過(guò)程應(yīng)在1.25min之內(nèi)完成。
由鋼坯接觸定尺裝置觸球?yàn)榧羟兄芷陂_(kāi)始，橫移缸，抬升缸開(kāi)始動(dòng)作，抬升缸抵達(dá)指定位置后剪切缸動(dòng)作，剪斷鋼坯即剪切缸觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)上觸點(diǎn)，為剪切缸，抬升缸，橫移缸反向行程開(kāi)始時(shí)間。待各缸全部退回，剪切一周期結(jié)束，等待下一周期開(kāi)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(shí)剪斷鋼坯。
抬升缸：
抬升缸抬升即上刀臺(tái)下降時(shí)間約取t1=5s
v1===5.4m/min
抬升缸下降即上刀臺(tái)上升時(shí)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(kāi)始動(dòng)作。
工進(jìn)時(shí)間 t3=t-t1=19s
工進(jìn)速度 v3===0.95m/min
快退時(shí)間 t4=6s
快退速度 v4===1.8m/min
橫移缸：
右移時(shí)間 t5=24s
右移速度 v5=2m/min
左移時(shí)間 t6=6s
左移速度 v6===8m/min
式中： L—小車行程。
3.2.5計(jì)算液壓執(zhí)行元件實(shí)際所需流量
根據(jù)已經(jīng)確定的液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸，可以計(jì)算出各個(gè)執(zhí)行元件在各個(gè)工作階段的實(shí)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(yùn)動(dòng)速度
v/m/min
結(jié)構(gòu)參數(shù)
A/mm2
流量
Q/L/min
計(jì)算公式
上刀下降
抬升缸
5.4
804
4.3
Q=A1v
小車啟動(dòng)
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(jì)算液壓執(zhí)行元件的實(shí)際工作壓力
由于液壓系統(tǒng)工作時(shí)回油路安裝有背壓閥，所以系統(tǒng)的實(shí)際工作壓力需要將其考慮進(jìn)去，如下表所示為各個(gè)缸的實(shí)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(fù)載
F/N
背壓力
P2MPa
結(jié)構(gòu)參數(shù)mm2
工作壓力
P1/MPa
計(jì)算公式
A1
A2
上刀
下降
抬升缸
3437
0.5
804
490
4.58
小車
啟動(dòng)
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(tǒng)工況圖
圖3-1各缸位移時(shí)間圖
圖3-2 各缸速度時(shí)間圖
圖3-3各液壓缸的壓力循環(huán)圖
3.3制定液壓系統(tǒng)基本方案和擬定液壓系統(tǒng)圖
3.3.1制定基本方案
3.3.1.1 確定剪切機(jī)液壓系統(tǒng)的總組成及作用
用于將軋件剪切成規(guī)定尺寸的機(jī)械稱為剪切機(jī)。由液壓作為主傳動(dòng)的剪切機(jī)叫做液壓剪切機(jī)。一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)由五部分組成，即動(dòng)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(jī)系統(tǒng)中都將被設(shè)計(jì)到。
剪切機(jī)動(dòng)力組件的作用是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體的壓力能，指液壓系統(tǒng)中的油泵，它向整個(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。在本套系統(tǒng)中采用一個(gè)定量泵和一個(gè)變量泵供油。
執(zhí)行組件（如液壓缸和液壓馬達(dá)）的作用是將液體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)負(fù)載做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。小方坯液壓剪切機(jī)主要采用三個(gè)執(zhí)行組件，剪切缸、上刀臺(tái)抬升缸和輥道小車橫移缸，對(duì)于單純且簡(jiǎn)單的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以采用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)，由剪切機(jī)的特點(diǎn)決定，可采用單活塞桿液壓缸，其有效工作面積大，雙向不對(duì)稱，往返不對(duì)稱的直線運(yùn)動(dòng)。
剪切機(jī)控制組件（即各種液壓閥）在液壓系統(tǒng)中控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量、和方向。根據(jù)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(diào)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(jù)控制方式不同液壓閥可分為開(kāi)關(guān)式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。系統(tǒng)中將用到大部分常見(jiàn)的控制組件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化。
系統(tǒng)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(jì)等，起連接、輸油、貯油、過(guò)濾、貯存壓力和測(cè)量等的作用。
液壓油是液壓系統(tǒng)中傳遞能量的工作介質(zhì)。有各種礦物油、乳化油和合成型液壓油幾大類。系統(tǒng)選用20號(hào)機(jī)械油。
3.3.1.2擬定液壓執(zhí)行組件運(yùn)動(dòng)控制回路
1、 剪切缸基本回路的確定
1）容積節(jié)流調(diào)速回路
容積節(jié)流調(diào)速回路一般用變量泵供油，用流量控制閥調(diào)節(jié)調(diào)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(yīng)。液壓缸慢進(jìn)速度由變量泵調(diào)節(jié)，以減少功率損耗和系統(tǒng)發(fā)熱；快退時(shí)由調(diào)速閥調(diào)節(jié)。此種調(diào)速回路效率也較高，速度穩(wěn)定性較好，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。
因剪切缸回程時(shí)，所受負(fù)載為負(fù)，故調(diào)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(shí)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(shí)現(xiàn)緩沖。此回路用變量泵供油，故在回路中設(shè)置安全閥起安全保護(hù)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(tái)在剪切時(shí)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(tái)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(shí)使活塞迅速平穩(wěn)、可靠且長(zhǎng)時(shí)間地被鎖緊，不為向上的剪切力所移動(dòng)。當(dāng)液壓缸上腔不進(jìn)油時(shí)液控單向閥關(guān)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(shí)間不能太長(zhǎng)。但因抬升缸所需鎖緊時(shí)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(shí)現(xiàn)同步剪切運(yùn)動(dòng)，必須使小車移動(dòng)速度與鋼坯運(yùn)動(dòng)速度相等，這就需要用速度傳感器將鋼坯的運(yùn)動(dòng)速度與橫移缸的運(yùn)動(dòng)速度測(cè)出，然后進(jìn)行比較，將差值快速的轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)傳給橫移缸的主控閥，使液壓小車的橫移速度迅速達(dá)到鋼坯的運(yùn)動(dòng)速度，并且與它同步運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)剪切機(jī)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(fù)載遠(yuǎn)大于抬升缸，要求兩缸互不干擾動(dòng)作，故在橫移缸回路加減壓閥，以控制抬升缸回路壓力，達(dá)到兩缸同時(shí)動(dòng)作。
圖3-6 比例閥調(diào)速回路
3.3.1.5 制定順序動(dòng)作方案
鋼坯斷面接觸定尺裝置觸球時(shí)，發(fā)出電信號(hào)，啟動(dòng)抬升缸和橫移缸電磁鐵開(kāi)始動(dòng)作→ 抬升缸完成預(yù)定動(dòng)作時(shí)觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)，關(guān)閉抬升缸電磁鐵，使抬升缸自鎖，并啟動(dòng)剪切缸電磁鐵使其動(dòng)作→ 當(dāng)剪切缸剪切鋼坯完畢，刀片移動(dòng)到上行程時(shí)，通過(guò)上行程開(kāi)關(guān)發(fā)出電信號(hào)，使剪切缸，抬升缸和橫移缸均反向動(dòng)作→ 剪切缸觸發(fā)下行程開(kāi)關(guān)時(shí)，停止動(dòng)作→ 橫移缸觸發(fā)左側(cè)行程開(kāi)關(guān)時(shí)，停止動(dòng)作→ 抬升缸觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)時(shí)，停止動(dòng)作→ 等待下一周期運(yùn)行。
3.3.1.6液壓源的選擇
剪切缸承受負(fù)載壓力大，屬于高壓系統(tǒng)，。而柱塞泵的柱塞與缸體內(nèi)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(fù)載不是很大，屬于中壓系統(tǒng)，可使用定量葉片泵為動(dòng)力源。
3.3.2擬定液壓系統(tǒng)圖
圖3-7 液壓原理圖
表3-9 剪切機(jī)電磁鐵工作循環(huán)表
動(dòng)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(fù)位
XK6
-
-
-
-
-
-
小車復(fù)位
XK4
-
-
-
-
-
-
下刀復(fù)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(jìn)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(tǒng)泄露系數(shù)，一般取K=1.1～1.3，這里取K=1.2；
—高壓系統(tǒng)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(zhuǎn)速為1500r/min。（參考文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四卷）》P19-175表19-5-51）
3.4.1.2 低壓系統(tǒng)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(jìn)油路上的總壓力損失，=0.92MPa
則：
=4.58+0.92=5.5 MPa
考慮儲(chǔ)備取7 MPa。
2）.液壓泵流量的確定
式中：
K—系統(tǒng)泄露系數(shù)，一般取K=1.1～1.3，這里取K=1.1；
—高壓系統(tǒng)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(zhuǎn)速為1000r/min。（參考文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四卷P19-136表19-5-16）
3.4.2電動(dòng)機(jī)功率的確定
3.4.2.1 高壓系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的確定
驅(qū)動(dòng)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(shí)間很短，而電動(dòng)機(jī)一般允許在短時(shí)間內(nèi)超載25%，因此，
故根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第五卷，選定Y315m—4w型三相異步電動(dòng)機(jī)，其額定功率為132KW，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min
3.4.2.2 低壓系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)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(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第五卷，選定Y225M-6型三相異步電動(dòng)機(jī)，其額定功率為30KW，同步轉(zhuǎn)速為1000r/min。
3.4.3液壓閥的選擇
根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作壓力和通過(guò)各個(gè)閥類元件的實(shí)際流量，可選出這些元件的型號(hào)和規(guī)格，見(jiàn)下表
表3-10液壓剪切機(jī)液壓閥及附件明細(xì)表
序號(hào)
名稱
通徑
型號(hào)
規(guī)格
最大實(shí)際流量
數(shù)量
壓力
MPa
流量
L/min
1
截止閥
50
CJZ-F50L
25
268
1
2
過(guò)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(diào)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(guò)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(guò)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(nèi)徑的確定
由于本液壓系統(tǒng)管路較為復(fù)雜，取主要幾條管路，根據(jù)以下公式確定他們的內(nèi)徑和壁厚，其數(shù)值見(jiàn)表
(1) 管道內(nèi)徑計(jì)算 （3-15）
（2） 管道壁厚計(jì)算 （3-16）
式中：
d—油管內(nèi)徑
q——管內(nèi)流量(/s)
v—管中油液的流速
—油管壁厚
P—管內(nèi)工作壓力，MPa
n—安全系數(shù)，P<7MPa時(shí)，取n=8，P>17.5MPa時(shí)，取n=4
σb—管道材料的抗拉強(qiáng)度，取σb=450Mpa
管道內(nèi)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(tǒng)壓油管道
3～6 壓力高、油管短、粘度小取小值
液壓系統(tǒng)回油管道
1.5～2.6
表3-12 主要管路內(nèi)徑表
管路名稱
通過(guò)流量（L/min）
允許速度（m/s）
管內(nèi)徑
（mm）
管道壁厚（mm）
管內(nèi)工作壓力（Pa）
所選管道的內(nèi)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(jīng)驗(yàn)公式：
V=aq （3-17）
式中：
a—與系統(tǒng)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，（由文獻(xiàn)《液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖集》表2.4-3）高壓系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)值： V=6300L。
3.5 液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算
3.5.1 驗(yàn)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(tǒng)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(shí)即快速退回時(shí)進(jìn)油路的壓力損失。此管長(zhǎng)L=12，管內(nèi)徑d=0.03m，快速退回時(shí)，通過(guò)流量Q=160.7L/min=2.68×。選用L-HM46號(hào)礦物油型液壓油，正常運(yùn)轉(zhuǎn)后油的運(yùn)動(dòng)黏度取，油的密度為。
油液在管路中的實(shí)際流速為：
（3-19）
雷諾數(shù)
（3-20）
圓形光滑管道，其臨界雷諾數(shù)
∴液流為紊流。
沿程壓力損失：
（3-21）
式中：
—沿程阻力系數(shù)，
L—管道長(zhǎng)度，L=12m
d—管道內(nèi)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(shù)，=1.12；
—液體流速，=3.79m/s；
—液體密度，=850
則：
3）控制閥的壓力損失