液压传动设计说明书

摘 要

粗轧自动宽度控制就是针对侧压和水平轧制变形以及工艺参数对宽度变形的影响，

采用控制模型和自适应技术，使成品卷沿全长宽度公差达到允许范围。自动宽度控制的核心是辊缝调整装置，辊缝调整装置用于调整轧辊开口度的大小，通过控制轧辊开口度实现板坯的自动宽度控制。AWC液压系统的作用就是调节辊缝，液压伺服系统惯性小、响应快、控制精度高，使用AWC液压系统调节辊缝能精确控制轧辊开口度，保证钢坯宽度的稳定。

本设计中简要的分析了AWC液压系统的关键问题及其实现方法，详细介绍了液压系统元件的计算与选型，选型完成后投入较大的精力完成了液压控制回路的阀块设计和液压站的结构设计。

元件的选型都是根据元件的工况和计算出来的参数选择，选型时考虑的是元件最恶劣工况，所以选择出来的元件能够满足系统的要求。阀块的设计根据所选择的元件和系统的要求，综合考虑多种方案后得出了较为合适的方案。

关键字： AWC； 自动宽度控制； 液压伺服系统； 短行程控制

I

Abstract

Automatic width control of the rough rolling is aimed to the deformation of width caused by lateral or level rolling or process parameters, using the control model and the adaptive technology to control the products along the length width volume in the scope of tolerance.The roll gap adjustment device is the core of the AWC system,.The roll gap adjustment device is used to adjust the roll gap.By controlling the roll gap,it is easy to keep the width of the slab stable.AWC hydraulic system is just to do this job, hydraulic servo system have small inertia, fast response as well as high control precision.Using AWC hydraulic system to control the roll gap is able to ensure the stability of slab width.

In this design, I analyze the key issues of the AWC hydraulic system as well as its implementation briefly,moreover, i introduce the calculation and Selection of hydraulic system components.Then i put a large energy into the design of the hydraulic control circuit of the valve block and the structural design of hydraulic station.

The selection of components is based on component condition and the calculated parameters , selection of components to consider is the worst case, so the components can meet the system requirements. Valve block design is based on the requirements of components and systems, considering various options resulted in a more appropriate program.

Key words: AWC; Automatic width control; Hydraulic servo system; Short stroke

control

II

目 录

1 绪论 ...................................................................................................................................... 1

1.1 课题背景 .................................................................................................................... 1 1.2 主要技术参数及要求 ................................................................................................ 1 2 系统分析与方案设计 .......................................................................................................... 2

2.1 AWC液压系统液压缸的结构示意 ........................................................................ 2 2.2 AWC液压系统的关键问题及其实现 ...................................................................... 2

2.2.1 通长方向的宽度自动控制 .............................................................................. 2 2.2.2 头尾端的短行程控制 ...................................................................................... 2 2.2.3 轧制力的控制 .................................................................................................. 3 2.2.5 伺服阀控制油的提供 ...................................................................................... 3 2.2.6 伺服阀液压锁的实现 ...................................................................................... 3 2.3 系统控制回路原理图的初步拟定 ............................................................................ 3 3 系统的计算与选型 .............................................................................................................. 5

3.1 液压缸的计算 ............................................................................................................ 5

3.1.1 液压缸工况及要求 .......................................................................................... 5 3.1.2 稳定轧制时液压缸受力分析 .......................................................................... 5 3.1.3 液压缸内径D及活塞杆直径d的计算 ......................................................... 5 3.1.4 进入液压缸最大流量的计算 .......................................................................... 6 3.2 控制回路的计算及选型 ............................................................................................ 6

3.2.1 伺服阀的选型 .................................................................................................. 6 3.2.2 液控单向阀的选择 .......................................................................................... 7 3.2.3 换向阀的选择 .................................................................................................. 7 3.2.4 控制油路的流量的验算 .................................................................................. 7 3.2.5 过滤器的选择 .................................................................................................. 8 3.2.6 电磁溢流阀的选择 .......................................................................................... 8 3.3 电机泵组及其阀块的计算选型 ................................................................................ 8

3.3.1 液压泵的选择 .................................................................................................. 9 3.3.2 电动机的选择 .................................................................................................. 9 3.3.3 电机泵组的验算 ............................................................................................ 10 3.3.4 泵出口处电磁溢流阀的选择 ........................................................................ 10 3.3.5 进油过滤器的选择 ........................................................................................ 10 3.3.6 单向阀的选择 ................................................................................................ 10 3.4 油箱的容量的计算及其附件的选择 ...................................................................... 10

3.4.1 油箱容量的计算 ............................................................................................ 10

III

3.4.2 液位计的选择 ................................................................................................ 11 3.4.3 空气过滤器的选择 ........................................................................................ 11 3.4.4 温度控制器的选择 ........................................................................................ 11 3.4.5 加热器的计算选型 ........................................................................................ 11 3.4.6 放油截止阀的选择 ........................................................................................ 12 3.4.7 清洗盖板的选择 ............................................................................................ 12 3.4.8 注油口法兰的选择 ........................................................................................ 12 3.4.9 回油过滤器的选择 ........................................................................................ 12 3.5 液压工作介质的选择 .............................................................................................. 12 3.6 冷却循环系统的设计 .............................................................................................. 12

3.6.1 系统发热功率的估算 .................................................................................... 13 3.6.2 冷却器的计算与选型 .................................................................................... 15 3.6.3 冷却循环系统流量、压力的确定 ................................................................ 15 3.6.4 冷却水量的计算 ............................................................................................ 16 3.6.5 冷却循环泵的选择 ........................................................................................ 16 3.6.6 泵处先导式溢流阀的选择 ............................................................................ 16 3.6.7 冷却循环系统电动机的选择 ........................................................................ 16 3.6.8 冷却循环过滤器的选择 ................................................................................ 17 3.6.9 电磁水阀的选择 ............................................................................................ 17 3.7 蓄能器及其附件的计算选型 .................................................................................. 17

3.7.1 液压站蓄能器的计算 .................................................................................... 17 3.7.2 蓄能器安全阀组的选择 ................................................................................ 18 3.7.3 阀组蓄能器的计算 ........................................................................................ 18 3.7.4 蓄能器安全阀组的选择 ................................................................................ 19 3.8 管路的计算 .............................................................................................................. 19

3.8.1 管路内径的计算公式 .................................................................................... 19 3.8.2 液压泵吸路的计算 ................................................................................ 19 3.8.3 系统压路的计算 .................................................................................... 20 3.8.4 回路的计算 ............................................................................................ 20 3.8.5 泵出口软管的计算 ........................................................................................ 20 3.8.6 其它管路的内径壁厚计算 ............................................................................ 20 3.9 其它液压辅助元件的选择 ...................................................................................... 21

3.9.1 截止阀的选择 ................................................................................................ 21 3.9.2 压力表的选择 ................................................................................................ 21 3.9.3 压力表开关的选择 ........................................................................................ 21 3.9.4 减震喉的选择 ................................................................................................ 21

IV

3.9.5 测压接头的选择 ............................................................................................ 21 3.9.6 测压软管的选择 ............................................................................................ 21

4 液压系统控制回路阀块的设计 ........................................................................................ 22

4.1 控制油路阀块 .......................................................................................................... 22 4.2 伺服阀阀块 .............................................................................................................. 23 结束语 ...................................................................................................................................... 24 参考文献 .................................................................................................................................. 25

V

1 绪论

1.1 课题背景

粗轧带钢宽度的精确控制可以降低带钢切边损耗，提高带钢成材率，给热轧生产创造直接经济效益。粗轧自动宽度控制就是针对侧压和水平轧制变形以及工艺参数对宽度变形的影响，采用控制模型和自适应技术，使成品卷沿全长宽度公差达到允许范围。粗轧宽度控制主要由两部分组成：一部分由过程机控制完成，主要是对进钢前粗轧带钢的宽展进行计算，产生立辊和水平辊压下的设定值；一部分由粗轧基础自动化(BA)完成，在轧制过程中根据轧制力和温度的变化动态调节辊缝，以控制带钢出口宽度。影响粗轧带钢宽度精度的因素主要有：带材的厚度变化、宽度变化、温度变化、机架刚度等。针对不同的影响因素，粗轧基础自动化宽度控制采用不同的控制方法以提高带材宽度质量。常用的控制方法有：自动宽度控制(AWC)、前馈宽度控制(PWC)、短行程控制(SSC)【1】。

热轧带钢自动宽度控制的核心是辊缝调整装置，辊缝调整装置用于调整轧辊开口度的大小，通过轧辊开口度的控制可实现板坯的自动宽度控制。一种辊缝调整的实现方法是采用电动侧压装置：侧压装置每侧有两根侧压螺丝，两台侧压电机通过蜗轮蜗杆减速机分别带动两侧的侧压螺丝完成辊缝调整工作【2】。这种电动侧压装置只用于在空载情况下预调轧辊开口度，而在轧制时电动侧压装置是不工作的。如果采用电动侧压装置进行带钢压下，侧压电机就需要很大的功率，而大功率电机惯性很大，不可能在很短时间内加速到要求速度，所以采用电动侧压装置进行带钢压下是无法实现的。对此的一个改进方法是：用电动侧压装置设定轧辊的预开口度，以液压伺服系统实现轧制时的动态宽度控制。即当伺服缸活塞不动时，通过电动机带动压下螺丝来进行轧辊开口度的预设；而当电动侧压装置不动时，伺服缸活塞可以带动侧压螺丝作轴向往复运动来改变轧辊的开口度,，实现宽度的动态调节【2】。液压伺服系统惯性小、反应速度快、传动效率高，如果辊缝调整装置采用液压伺服系统实现，用伺服阀控制液压缸的动作，能实现轧辊开口度的精确控制，进而保证带钢宽度的稳定。

1.2 主要技术参数及要求

轧制压力7000kN 液压缸工作行程570mm 最大压下速度60mm/s 工作压力不超过27MPa

压下时既有压力控制工况，又有行程控制工况。 轧制力超过700吨时，AWC缸应快速打开。

1

2 系统分析与方案设计

2.1 AWC液压系统液压缸的结构示意

热连轧E1立辊轧机布置在R1水平轧机之前，与R1水平轧机配合将加热后的板坯进行1-3道次轧制，E1轧机上安装有AWC（自动宽度控制）液压系统，其主要作用是，在轧制过程中对轧辊进行精确定位，控制板材的轧制宽度，提高板型质量。立辊轧机两侧对称布置有四个AWC伺服缸、两个平衡杠；其结构如图2.1所示【3】

图2.1 AWC液压系统伺服缸结构示意图 1号缸为AWC侧压缸 2号缸为平衡杠

立式电机通过直齿轮减速机驱动轧辊转动，侧压装置装在机架的连接横梁上，液压平衡缸平衡。AWC缸体固定在机架上，AWC缸通过控制轧辊轴承的位置来控制辊缝开口度的大小。AWC缸后装有位移传感器，用于检测轧辊辊缝的开口度；辊缝调整装置中设有测压仪，用于检测轧制力的大小。

2.2 AWC液压系统的关键问题及其实现

2.2.1 通长方向的宽度自动控制

稳定轧制中间部分时，由于带钢全长上硬度和温度等因素的差异，立辊轧制过程中会引起立辊轧制力的变化，最终导致立辊辊缝波动，AWC控制的目的就是针对辊缝波动，采用液压系统调节立辊侧压量，以保持辊缝恒定，即保证轧辊开口度保持预设开口度不变【1】。稳定轧制中间部分钢坯时，用位移传感器检测轧辊开口度，并与预设开口度比较，以二者差值作为伺服阀的输入信号驱动AWC液压缸的动作，即可实现钢坯宽度的恒定。

2.2.2 头尾端的短行程控制

头尾端的短行程控制，由于板带头尾部分和稳定轧制的中间部分金属压下的流动不同，常会造成头尾端失宽；为了控制板带头尾的形状，应在AWC系统中采用短行程控制【4】。在板坯到达E1立辊轧机之前，通过测宽仪检测板坯头尾的宽度变化，并将检测结果输入过程计算机进行计算，然后根据计算结果控制伺服阀的开口度，进而

2

控制AWC缸动作，实现板坯头尾的短行程控制【6】。

2.2.3 轧制力的控制

轧制力过大会使AWC伺服缸过载，当轧制力超过7000kN时，AWC伺服缸应快速打开。在AWC液压缸压下进路上并联一电磁溢流阀，调定溢流阀压力为27MPa，保证AWC的工作压力不超过27MPa。当AWC缸的压力传感器检测到轧制力超过7000kN时，过程计算机给电磁溢流阀发出信号，使电磁溢流阀卸荷，AWC缸快速打开。液压泵采用恒压式变量泵，能保证系统压力在很小的范围内波动，进而保证稳定轧制时轧制力的稳定。

2.2.4 稳定轧制时系统震动的减小

轧制过程中，轧制力作用于立辊上，传递到伺服缸，使液压系统产生冲击，进而使阀架和管道产生震动，影响液压系统工作的稳定性【5】。在伺服阀前后设置液压锁，防止液压缸的冲击传递到伺服阀；同时在伺服阀前设置蓄能器，吸收液压系统的脉动，缓和液压冲击，保证AWC液压缸的稳定工作。

2.2.5 伺服阀控制油的提供

伺服阀对油液清洁度要求很高，为了保证伺服阀的正常工作，伺服阀控制口的油液要经精密过滤器过滤后单独提供。

2.2.6 伺服阀液压锁的实现

伺服阀采用的是正开口，伺服阀在零位时，伺服阀回油口不接零压，普通液压锁不能保证锁紧的可靠，可考虑用外控液控单向阀来完成液压锁的功能。液控单向阀外控口接零压时，伺服阀被锁住，液压回路不工作；液控单向阀接控制油路时，液控单向阀打开，液压回路接通，伺服阀能正常工作。

2.3 系统控制回路原理图的初步拟定

经过上面的的系统分析，初步拟定液压系统控制回路如图2.2所示

3

图2.2 液压系统控制回路

图中 P为压力油路，T为回油路，X为液控单向阀控制油路

K为伺服阀控制油路，Y为泄漏油路。

4

3 系统的计算与选型

3.1 液压缸的计算

3.1.1 液压缸工况及要求

单侧液压缸最大轧制力 液压缸最大工作压力 活塞杆工作行程 最大压下速度

F7000/23500kN

p127MPa

570mm

60mm/s

压下时负载力很小，压下速度较大；稳定轧制时负载力大，轧制速度很小。

3.1.2 稳定轧制时液压缸受力分析

液压缸的受力如图3.1所示

图3.1 油缸受力示意图

稳定轧制时，液压缸驱动轧辊在轧制位置微动，油缸所受负载力最大(即轧制力)，又由于此时油缸微动，轧辊的加速度很小，轧辊的惯性力相对于轧制力是可以忽略的。 考虑到回油路上阀及管路上的压降，可取回油腔压力为 分析有

(3.1)

则油缸有效面积

AF/(p1p2)3.510/[(270.5)10]0.13207m5662p20.5MPa,对液压缸受力

A(p1p2)F

3.1.3 液压缸内径D及活塞杆直径d的计算

根据几何关系有液压缸有效面积

5

A(3.2)

4(Dd)

22

上式中D为液压缸内径(m)，d为活塞杆直径(m)；查文献[7]，根据负载力的要求，取

d0.7D，代入公式2.2有

D4A10.72

43.140.1320750.57436m8210.7

D600mm为安全考虑，油缸的尺寸应往加大的方向圆整，取油缸内径 塞杆直径，液压缸有效面积分别为

Ad0.7D22，则活

0.76002m42m 04(Dd)4(0.620.42)0.m14 412623.1.4 进入液压缸最大流量的计算

进入液压缸最大流量

QmvmA0.060.1441260.00876m/s518.8536L/m33

3.2 控制回路的计算及选型

3.2.1 伺服阀的选型

伺服阀工况及要求为：最大工作压力27MPa；最大流量518.8536L/min；稳定轧制时，液压缸在轧制位置微动，伺服阀在零位附近工作，为保证板坯通长方向的宽度恒定，伺服阀在零位附近必须有较好的线性，零点漂移要小。

根据上述要求查文献[7]选MOOG-D792系列电反馈三级伺服阀，型号为 D792ES40JOPMFVSA0，其主要技术参数为：额定供油压力31.5MPa；单边压降

p3.5MPa时的名义流量为

400L/min；响应时间4~12ms；分辨率<0.2%，滞环<0.5%，

零漂(T55K时)<2%；总的零位泄漏量(最大值)为10L/min；先导阀的零位泄漏量(最

大值)为6L/min；先导级采用外控外泄，控制压力范围为1.5~31.5MPa。

快速压下时，通过伺服阀的流量最大(即为Qm)，伺服阀压降也最大；伺服阀压降与通过流量的关系为

(3.3)

代入数据到上式，快速压下时伺服阀的实际压降

p1p2Q1Q2

6

pmpQmQ3.5518.85363.98M6Pa2400

3.2.2 液控单向阀的选择

液控单向阀外控口接零压时，液控单向阀不开启，伺服阀进出油口被锁住，油液无法进入，能防止油缸动作对伺服阀的冲击，可起到保护伺服阀的作用；液控单向阀外控油引入时，伺服阀进出油口被打开，使液压控制回路接通。为保证液控单向阀锁紧的可靠，液控单向阀要采用外控外泄式，而且锁紧时液控单向阀外控口必须接零压。通过液控单向阀的最大流量为518.8536L/min，液控单向阀的最高工作压力为27MPa。查力士乐产品资料(电子版) 选择液控单向阀型号为SL52PB21X，其主要技术参数为：最高工作压力31.5MPa；最大流量700L/min；板式连接，外控外泄；开启压力0.3MPa；控制压力范围 0.6~31.5MPa；控制口X容积91cm3；泄漏口Y容积83.5cm3。伺服阀回油口的液控单向阀是为了防止回油路对伺服阀回油的干扰，可采用外控内泄式。型号为 SV52PB21X，主要参数同上。

3.2.3 换向阀的选择

换向阀的主要作用是通过切换液控单向阀控制口与控制油路或泄漏油路的通断来控制液控单向阀的开闭。其最大工作压力为27MPa。由此选择两位三通电磁换向阀 型号为3WE6A50-50/AG24N，其主要技术参数为：通径6mm；工作压力31.5MPa；额定流量60L/min；其滑阀机能如图3.2所示

图3.2 电磁换向阀的滑阀机能

P口接液控单向阀控制口，B接泄漏油路，A接控制油路

3.2.4 控制油路的流量的验算

换向阀额定流量60L/min ，其中10L/min用于伺服阀控制口；其余50L/min用于六个液控单向阀的控制口，则六个液控单向阀所需的控制容积为6×91cm3=273cm3=0.273L

控制油充满液控单向阀控制腔所需时间为0.273/50=0.1365min=8.19s；液控单向阀开闭对响应时间要求不高，所以选择通径6的液控单向阀是合适的。

7

3.2.5 过滤器的选择

此处过滤器的主要作用是精细过滤油液，为伺服阀和液控单向阀提供控制油。 最高工作压力为27MPa；通过流量60L/min；过滤精度5μm；为便于阀块的设计，过滤器应选择板式连接。据此选择高压过滤器型号为ZU-H63×5BS，其主要技术参数为：通径20mm；公称流量63L/min；公称压力32MPa；过滤精度5μm；滤芯型号HX-63×5；板式连接；原始压力损失0.15MPa；最大压力损失0.35MPa。

3.2.6 电磁溢流阀的选择

溢流阀设定压力27MPa；稳定轧制时系统流量很小，故卸荷时流量较小；电磁溢流阀采用管式连接。据此选择电磁溢流阀型号为DBW10AG3-50/315，其主要技术参数为：通径10mm ；最高调定压力 31.5MPa；管式连接；连接螺纹 M22×1.5。

3.3 电机泵组及其阀块的计算选型

图3.3 电机泵组及其阀块原理图

8

3.3.1 液压泵的选择

1. 供油压力的计算

根据文献[7]有供油压力 ps(3.4)

稳定轧制时，液压缸有最大负载力，通过伺服阀的流量很小，即伺服阀的压降很小，考虑伺服阀、液控单向阀压降及管路损失，取

psp1p27128MPap1MPap1p

，则供油压力为

2. 液压泵工作压力的计算

考虑到泵出口过滤器、单向阀的压降，及泵出口到伺服阀阀块管路的压力损失，取泵出口压力为29MPa。考虑液压泵的压力储备，可取液压泵的工作压力为30MPa。 3. 液压泵最大输出流量的计算

压下时，仅操作侧的AWC缸达到最大压下速度，则两AWC缸所需要的最大流量为

Q系统2Qm2518.85361037.7072L/min

考虑到系统工作时需要的流量很大，选5台电机泵组同时工作向系统供油，一台电机泵组备用，则每台电机泵组应向系统提供的最大流量为 4. 液压泵的选择

稳定轧制时要求系统压力保持稳定，故选择恒压式变量泵；在根据上面计算出来的压力和流量选择CY14-1B斜盘式轴向柱塞泵，型号为250PCY14-1B，其主要技术参数为：最大排量250mL；额定压力31.5MPa；转速1000r/min ；恒压变量。液压泵的最大输出功率为

N0ppqm3010Pa(207.5414/60/1000)m/s103.7707kW63qm1037.7072/5207.5414L/min

取液压泵容积效率

v0.95，机械效率

m0.95；则液压泵的输入功率

NiN0103.77070.950.95vm114.9841kW3.3.2 电动机的选择

液压泵所要求的输入功率 Ni =114.984kW，转速1000r/min，据此选择电动机型号为Y315M3-6型三相异步电动机。其主要技术参数为：额定功率132kW；满载时转

9

速990r/min；效率93.8%。

3.3.3 电机泵组的验算

电动机的最大输出功率

132×93.8%=123.816> Ni

故电动机可以驱动液压泵。

液压泵所能提供的最大流量

qtqv2501000L/r990r/min0.95235.125207.5414

故液压泵能提供系统所需的最大流量。

所以电机泵组的选择能满足系统的需求。

3.3.4 泵出口处电磁溢流阀的选择

溢流阀的调定压力位28.5MPa；由于选择的是恒压式变量泵，液压泵的流量会随着系统工况的不同自动调整，故泵卸荷时的流量较小。据此选择电磁溢流阀型号为 DBW10AG3-50/315，其主要技术参数为：通径10mm；最高设定压力31.5MPa；最大流量250L/min；管式连接；内控内排。

3.3.5 进油过滤器的选择

进油过滤器主要作用是在油液进入系统之前对其进行过滤，由于伺服阀对油液清洁度要求较高，此过滤器的过滤精度应为10μm；过滤器最高工作压力28.5MPa；最大流量 207.5414L/min。据此选择高压过滤器型号为ZU-H250×10BS，其主要技术参数为：通径40mm；公称流量250L/min ；公称压力32MPa；板式连接；滤芯型号HBX-250×10；过滤精度10μm；原始压力损失0.15MPa；最大压力损失0.35MPa。

3.3.6 单向阀的选择

此处单向阀的主要作用是防止油液的倒流；其最高工作压力为29MPa；最大流量为207.5414L/min。据此选择单向阀型号为S30P20/V2，其主要技术参数为：通径30mm；最大工作压力31.5MPa；开启压力0.15MPa；流量207.5414L/min时的压力损失约为0.2MPa。

3.4 油箱的容量的计算及其附件的选择

3.4.1 油箱容量的计算

系统最大流量为1037.7072L/min，查文献[7]冶金传动液压系统油箱容量通常为系统每分钟最大流量的7-10倍,本系统中取8倍；则油箱容量为

1037.7072×8=9131.8224L 考虑到油箱的散热，圆整取油箱容积为10000L。

10

查文献[8]矩形油箱三边尺寸比在1：1：1至1：2：3之间,由此取矩形油箱的尺寸为：

长度 a=3m 高度 h=1.5m 宽度 b=2.2

油箱的有效容积 V0=0.8·V=0.8×10000=8000L 油箱内液面最大高度 h0=0.8·h=0.8×1.5=1.2m

3.4.2 液位计的选择

油箱内液面最大高度为1.2m。据此选择液位计型号为 LKSI24·BH-3-1200，其主要技术参数为：液位计连接法兰距离1200mm；液位控制点数为3；液位控制指示器电压24V。

3.4.3 空气过滤器的选择

空气过滤器的进入油箱空气的最大流量与系统最大流量相同，即 流量1m3/min。

Q系统1037.7072L/min1.0377072m/min3

据此选择空气过滤器型号为QUQ2-20×1，其主要技术参数为：过滤精度20μm；空气

3.4.4 温度控制器的选择

查文献[7]，选择温度控制器型号为 WTYK-11。

3.4.5 加热器的计算选型

查文献[7],加热器发热功率计算公式如式3.5所示 (3.5)

式中 N为加热器的发热能力(W)；

C为油的比热，取C=1880J/(kg·℃)； r为油的密度，r=0kg/m3； V 为油箱内油液的体积，V=8000L

Q 为油加热后的温升(℃)，设油温为20℃时加热器开始工作，油温超过 25℃时，加热器停止工作；即加热后油液温升为5℃； T为加热时间(s)，设加热时间为3600s。 代入数据至式3.3，有

NCrVQT

NCrVQT1880085360011

18591.1W18.5911kW

电加热器的功率 (3.6)

取加热器效率为0.5，代入电加热器功率

PN/18.591/0.537.182kWPN/

根据计算结果选择电加热器型号为 GYY4-220/8，数量5个,其主要技术参数为：功率8kW；额定电压220V。

3.4.6 放油截止阀的选择

由于油箱有效容积较大，放油口截止阀应有较大的通径。选择放油口截止阀型号为CJZQ-F80F，其主要技术参数为：通径80mm；公称压力21MPa ；法兰连接。

3.4.7 清洗盖板的选择

考虑成年人要通过清洗盖板进入油箱清洗，上网查选取清洗盖板型号为

YG-450F 。

3.4.8 注油口法兰的选择

考虑到油箱有效容积较大，注油口法兰应有较大的通径。选择注油口法兰型号为

250-25 JB/T81-1994，其主要技术参数为：公称通径250mm；公称压力2.5MPa；连接螺栓12-M20。

3.4.9 回油过滤器的选择

回油过滤器的通过流量为1037.7072L/min，回油过滤器安装在油箱附近的地面上。据此选择易拆式回油过滤器，型号为YHP-1200×20FS，其主要技术参数为：公

称流量 1200L/min ；额定压力1.6MPa；过滤精度 20μm；法兰连接；纸质滤芯， 滤芯型号为 YHP-1200×20FS。

3.5 液压工作介质的选择

本设计中液压介质工作环境恶劣，属于高温高压的应用场合，所以应选择耐磨性较好的液压油。选择32号耐磨型液压油，牌号为L-HM32，其主要技术参数为：密度 850-960kg/m3 ；运动粘度 28.8-35.2mm2/s；比热容 1.88CkJ/(kg·℃) 。

3.6 冷却循环系统的设计

冷却循环系统的主要作用对油液进行过滤冷却，保证油液的清洁度和温度，进而保证系统的正常工作。循环冷却系统原理图如图3.4所示。

12

图3.4 冷却循环系统的原理图

3.6.1 系统发热功率的估算

1. 液压系统的效率的估算

液压系统的总效率 pcA

；

(3.7)式中 p液压泵的总效率，p A为液压缸的效率，可取A c为液压系统回路的效率 其中液压回路的效率为 c

vm0.950.950.90250.95；

p0q0ppqp

13

(3.8) 式中

p0液压缸的两腔的压差(MPa)

q0进入液压缸的流量(L/min)

pp液压泵的工作压力(MPa)

qp液压泵的输出流量(L/min)

下面计算快速压下时液压回路的效率，快速压下时，液压缸的两腔压差 (3.9) 式中

psp0pspps[(p1p2)2p3]

为供油压力；

p1为液控单向阀的压降(MPa)

p2伺服阀的单边压降(MPa);

p3为管路上的压力损失

p0pspps(p1p2p3)28(0.33.98620.5)218MPa

则快速压下时液压回路效率 c液压系统总效率 pcA0.90250.60.950.51442 5p0q0ppqp181037.7072301037.70720.6

2. 系统发热功率的估算

液压系统工作时，液压泵、液压缸的容积损失和机械损失，控制元件的压降和管路的压力损失及元件和管路的油液泄漏，系统损失的这些能量除极少部分以热量形式散发到周围空间外，绝大部分的能量会转换成热量使油液温度升高。液压系统的输入功率

则系统的发热功率

HNi(1)114.98145(10.514425)279.16047kWNi114.9814kW

查文献[7]知，通过油箱散发的热量

H0KAt

(3.10)式中 K为散热系数，有冷却循环系统时取K=150W/(m2℃) A为油箱散热面积 据经验公式A0.0653V2

14

t系统温升，取t35℃

代入数据至公式3.10，有

H0KAtK0.0653V2t1500.065310000235158391.19W158.3912kW

则冷却器需要散发的热量

HHH0279.16047158.3912120.7627kW

3.6.2 冷却器的计算与选型

1. 冷却器散热面积的计算

查文献[7] ，冷却器的散热面积计算公式为 (3.11)

(3.12)式中

t2'AHktm

tmt1t2''2t1t22

t1为冷却水入口温度，取t110℃

为冷却水出口温度，取t2'135℃

465W/mK2t1为液压油进口温度，取tt'55℃35℃2为液压油出口温度，取t'2 k为为冷却器传热系数，选择平板式水冷时，取k代入数据至公式(3.11)、(3.12)，有

tmt1t2''2

t1t22553521035222.5℃

AHktm120.7627100046522.511.5424m2

根据计算得到的散热面积选择板式冷却器BR0.2-120℃/1-15，其主要技术参数为：板片面积 0.2m2；介质压力 1MPa；散热面积 15m2；设计温度 120℃。

3.6.3 冷却循环系统流量、压力的确定

油箱内液压介质的有效容积为10000L，取冷却循环系统的循环周期为20min，

15

则冷却循环系统流量

qVT1000020500L/min

取冷却循环系统压力为1MPa。

3.6.4 冷却水量的计算

用水冷式冷却器时，由热平衡方程知冷却水的吸热量应等于工作介质释放的热量，由此得出需要的冷却水流量为

Q'C(t1t2)C(t1t2)''''Q

(3.13)式中 Q、Q'——油及水的流量（L/min）；

' C、C——油及水的比热容[J/(kgK)]；取液压油的C1340 [J/(kgK)]；

水的C4186.8' [J/(kgK)]；

3

' ,—油及水的密度，液压油的=0kg/m,水的=10 kg/m。 代入数据得出

Q'C(t1t2)C(t1t2)''''33

Q18800(5535)4186.81000(3510)500159.8548L/min

按上式计算出的冷却水量，应保证水在冷却器内的流速不超过1.2 m/s，否则应增大冷却器的过流面积。

3.6.5 冷却循环泵的选择

循环冷却泵工作压力很低，但流量较大，可采用螺杆泵。螺杆泵工作压力较低，且能提供较大的流量，恰能满足冷却循环系统的要求。冷却循环系统选用两台电机泵组同时工作，泵工作压力为1MPa，，总流量为500L/min，单泵流量为250L/min。据此选择螺杆泵型号为G50-2，其主要技术参数为：额定压力1.2MPa；公称流量20m3/h (333L/min)；额定转速960r/min；驱动功率7.5kW。

3.6.6 泵处先导式溢流阀的选择

溢流阀的调定压力应为1MPa。据此选择先导式溢流阀型号为BT-10-32，其主要技术参数为：管式连接；公称通径1 ；调压范围 0.5~25.0MPa；最大流量400L/min。

413.6.7 冷却循环系统电动机的选择

螺杆泵要求驱动电机的转速为960r/min 驱动功率为7.5kW。据此选择三相异步电动机型号为Y160L-6，其主要技术参数为：额定功率11kW；效率87%；同步转速1000r/min 满载时转速970r/min。

16

3.6.8 冷却循环过滤器的选择

冷却循环过滤器工作压力为1MPa，通过过滤器的最大流量500L/min，过滤精度取20μm，据此选取易拆式回油过滤器，型号为YHP630×20FS，其主要技术参数为：额定流量630L/min；过滤精度20μm；额定压力1.6MPa；通径80mm；纸质滤芯，滤芯型号YHP-630×20。

3.6.9 电磁水阀的选择

电磁水阀的主要作用是控制冷却器内介质的通入或断开，采用常闭式电磁水阀，即电磁铁通电时，阀门开启。选择电磁水阀型号为ZCT-50A，其主要技术参数为：通径50mm；额定控制压力DC24V；压力范围0.1~0.8MPa。

3.7 蓄能器及其附件的计算选型

3.7.1 液压站蓄能器的计算

液压站蓄能器的主要作用是作辅助动力源，补偿系统元件和管路的流量泄漏。本系统为高压系统，可选用气囊式蓄能器。系统的泄漏流量可由液压站蓄能器补偿，取系统的泄漏系数

k1.1。

1. 蓄能器工作容积的计算

AWC液压缸一个工作行程所需要的油液容积

VAL

(3.14)上式中 A为AWC液压缸有效面积，A=0.144126m3 L为工作行程，L代入数据至公式3.14，有

VAL0.1441260.570.082151m83570mm

两个AWC缸同时工作所需要的油液容积

V总2V20.08215180.13036m1.3036L3

两个AWC缸在一个工作行程内的泄漏油容积为

VlV总（k1）1.3036(1.11)16.4303L61min

参考文献[8]，蓄能器工作在绝热过程（t

VopoVW0.715）时，n=1.4,其总容积为

1p10.7151p20.715(3.15)

17

上式中

p0p2——冲气压力，MPa；

p1——最低工作压力，MPaVW；

Vl16.43036L——最高工作压力，MPa；

——有效工作容积，Vw

下面计算蓄能器的最低工作压力p1和最高工作压力p2 参考文献[8] 作为辅助动力源的蓄能器最低工作压力p1应满足 (3.16)

上式中 (pI)max最远液压机构的最大工作压力，这里(pI)max

(p)maxp1(pI)max(p)max

p127MPa;

蓄能器到最远液压机构的压力损失之和，由于AWC液压缸有

最大工作压力时，系统的流量是很小的，即压力损失很小，可 取(p)max代入数据至公式3.16，有

p1(pI)max(p)max271.528.5MPa

1.5MPa。

对于压力要求相对稳定的液压系统，要求蓄能器最低工作压力和最高工作压力相差尽量在1MPa左右。且最高工作压力p2应小于所选液压泵的额定压力，取蓄能器最高工作压力

p230MPa。折合型气囊蓄能器

p00.8p10.828.522.8MPa。

代入数据至公式3.16，有

VopoVW0.7151p10.7151p20.7116.4303522.50.715[(128.5)0.7(115535.1934L)]0.715

30根据算出的蓄能器总容积V0查文献[8]选63L的蓄能器9个，型号为NXQ1-63/31.5FH，其主要技术参数为：公称容积63L；公称通径60mm；公称压力31.5MPa；法兰连接。

3.7.2 蓄能器安全阀组的选择

根据所选的蓄能器选择蓄能器安全阀组型号为AJD20，其主要技术参数为：公称通径20mm；安全阀压力级 31.5MPa；流阀结构为直动式溢流阀。

3.7.3 阀组蓄能器的计算

阀组蓄能器的主要作用是吸收液压冲击、缓和液压脉动，保证系统压力的稳定。查文献[8]得此类蓄能器计算的经验公式为

18

V00.2LQAp02[(1p2p0)0.285] 1

(3.17)上式中 Q 为阀关闭前管内流量，稳定轧制时由于伺服阀在零位附近工作，管内流量是

很小的，取Q=20L/min

A 为压道流通截面

p0

A(d2)3.14(26.52)33.16625cm22

为蓄能器的充气压力，取

p00.8p10.828.522.8MPa2.2810Pa7

代入数据至公式3.17，有

V00.2LQAp02[(1p2p0)0.285]10.2113510202733.166252.2810[(13022.8)0.285]0.0147595m1314.7595L 根据算出的蓄能器总容积V0查文献[8]选25L的蓄能器1个, 型号为NXQ1-25/31.5FH，其主要技术参数为：公称容积25L；公称通径25mm；公称压力31.5MPa； 法兰连接。

3.7.4 蓄能器安全阀组的选择

根据所选的蓄能器选择蓄能器安全阀组 AJD20，其主要技术参数为：公称通径20mm；安全阀压力级 31.5MPa；溢流阀结构为直动式溢流阀。

3.8 管路的计算

3.8.1 管路内径的计算公式

参考文献[7]管子内径(m)计算公式为 (3.18)上式中

d4qvv

qv为通过管路的流量，L/min

v为流体在管路的流速，m3/s

3.8.2 液压泵吸路的计算

液压泵最大输出流量为207.5414L/min；吸路流速一般小于1~2m/s，此处取

v1m/s；则液压泵吸路内径

19

d14qvv4207.5414/1000/6010.0663807m66.3807mm

查文献[7]表23.9-3，圆整取钢管公称通径为65mm,吸路油液压力很小，可取钢管外径为72mm，即钢管壁厚为3.5mm。

3.8.3 系统压路的计算

用过压路流量为1037.7072L/min；压路流速

v3~6m/s，系统压力很

高，故压流速可取较大值，取6m/s；则压路内径

d24qv41037.7072/1000/603.1460.060597m60.597mmv

压路油液压力较大，管子壁厚要较大，查文献[7]表23.9-3，圆整取钢管公称通径为65mm外径为85mm,则壁厚为10mm。

3.8.4 回路的计算

通过回路的流量为1037.7072L/min；回路流速

v2.5m/s；则回路内径

v1.5~2.5m/s，取

0.0938765m93.8765mm

d4qvv41037.7072/1000/603.142.5

查文献[7]表23.9-3，圆整取钢管内径为100mm，外径为120mm，壁厚为10mm。

3.8.5 泵出口软管的计算

软管内油液流量为207.5414L/min；软管内油液为高压油，取油液在软管内的流速为5m/s；则软管内径为

d4qv4207.5414/1000/603.1450.0296863mm29.6863mv

查文献[7]表23.9-4,取胶管内径为32mm，胶管外径为45mm，钢丝层数为2层，最小曲率半径为450mm。

3.8.6 其它管路的内径壁厚计算

用上述相同的方法可计算出液压系统其它管路的内、外径，如表3.1所示

20

表3.1 管路的内、外径及其壁厚

管路名称 系统泄漏管路 泵总吸 泵泄漏 冷却循环吸 冷却循环管路 管路内径/mm 25 160 15 120 70 管路外径/mm 30 180 20 135 80 管路壁厚/mm 2.5 10 2.5 7.5 5 3.9 其它液压辅助元件的选择

3.9.1 截止阀的选择

根据所在管路的不同选择不同通径的CJZQ型球芯截止阀，由于管路通径较大，故选用法兰连接。截止阀型号为CJZQ-F80F、CJZQ-F50F、CJZQ-F32F。其主要技术参数为：公称通径为80mm 50mm和32mm；公称压力21MPa；法兰连接。

3.9.2 压力表的选择

系统中压力表主要安装在阀架上，起显示系统压力的作用，压力表的安装应便于工作人员的观察。选择压力表型号为 YN-60，其主要技术参数为：压力表直径60mm；测量范围0-40MPa。

3.9.3 压力表开关的选择

压力表开关是小型的截止阀或节流阀，用来切断压力表和油路的连接或调节开口度大小。它是有阻尼作用可减轻压力表急剧跳动，防止损坏，也可当作一般小流量的截止阀或节流阀使用。选择压力表开关型号为 KF-L8/M20E，其主要技术参数为：进油接口螺纹M14×1.5；压力表接螺纹 M20×1.5；压力等级 35MPa；通径8mm。

3.9.4 减震喉的选择

减震喉的用在液压泵和油箱之间的管路上，防止电动机的震动传向油箱。选择减震喉型号为 KXTⅠ-65。

3.9.5 测压接头的选择

测压接头用于检测测压点的压力，便于系统的维护检修。选择测压接头型号为 PT-00A2，其主要技术参数为：连接螺纹M14×1.5；压力表软管连接螺纹 M16。

3.9.6 测压软管的选择

测压软管的作用是连接压力表和待测压的管路，防止管路的震动影响压力表的示数。选择测压软管型号为HFPM14×1.5-3-P，其主要技术参数为：公称通径3.0mm；最大压力等级 40MPa；软管连接螺纹M14×1.5。

21

4 液压系统控制回路阀块的设计

分析液压系统控制回路，如图2所示，可将精过滤器和两位三通换向阀设计为一个阀块，为伺服阀和液控单向阀提供控制油。将伺服阀和4个液控单向阀设计为一个阀块。电磁溢流阀采用管式连接。

4.1 控制油路阀块

图4.1 控制油供油阀块原理图

控制油路阀块有两个入口P(接压路)、Y(接泄路)

两个出口K(接伺服阀控制油口)、X(接液控单向阀控制油口) 如图所示，两个侧压接头分别检测K口和X口的压力，便于系统检修维护时使用。阀块的零件图如附图ZFS002 所示，阀块装配图如附图 ZFS003 所示。

22

4.2 伺服阀阀块

图4.2 伺服阀阀块原理图

伺服阀阀块有一个进油口P 一个回油口T 一个泄漏油口Y

一个液控单向阀控制口X 两个到负载的油口A、B 伺服阀阀块的设计要点

由于D792系列伺服阀控制油口和泄漏油口并不在安装底板上，而在阀体两侧。伺服阀外控油路K通过软管不经过阀块直接接到伺服阀外控口。伺服阀泄漏油口通过软管连接到阀块的外泄口，通过阀块的泄油通道与泄路相接。

三个外控外泄液控单向阀要通过阀块的控制通道和泄漏通道统一供油和泄油，为便于液控单向阀孔道的连通，可将两液控单向阀并排布置在阀块一面上，另一单向阀对称布置在其对面。工艺孔用外六角螺塞封堵。伺服阀阀块零件图如附图ZFS004 所示，伺服阀阀块装配图如附图ZFS005所示。

23

结束语

热连轧宽度控制采用AWC液压系统来实现已经是当前的主流趋势，液压系统的控制精度很大程度取决于伺服阀的性能，所选用的三级电反馈伺服阀MOOG-D792动态性能较好，能满足系统的要求。由于缺乏对系统工况的具体认识，设计中有些部分还不是很完善，如蓄能器的计算、液压站的结构设计中部分元件的安装连接也还存在一些问题。这都有待进一步的完善。

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