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3MN液压剪液压系统的设计

文档作者：张建明傅波卫平郑毅谢岩松李明文档来源： 1．四川大学制造科学与工程学院 2．成都菜克冶金机械设备制造有限公司 3．江阴兴澄特种钢铁有限公司		点击数：	更新时间： 2021年09月10日
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2010年10月
第38卷第20期
机床与液压
MACHINE T0OL &amp;amp; HYDRAULICS
Oet．2010
Vo1．38 No．20
DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2010．20．018
3 MN液压剪液压系统的设计
张建明 ，傅波 ，卫平 ，郑毅。，谢岩松 ，李明
(1．四川大学制造科学与工程学院，四川成都610065；2．成都菜克冶金机械设备制造有限公司，
四川成都610041；3．江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏江阴214429)
摘要：设计3 MN液压剪液压系统。根据剪切工艺拟定液压系统的原理图，采用二通插装阀控制回路，并利用差动回
路和顺序阀来实现剪切速度的转换。对泵站进行设计计算，并验算系统的发热。使用三维设计软件Inventor设计集成块。
关键词：液压剪；二通插装阀；差动回路；Inventor
中图分类号：TH137．9 文献标识码：B 文章编号：1001—3881(2010)20—049—3
Hydraulic System Design Of 3 M N Hydraulic Shear
ZHANG Jianming。， FU B0 ，WEI Ping ，ZHENG Yi ，XIE Yansong ，LI Ming
(1．College of Manufacturing Science and Engineering，Sichuan University，Chengdu Sichuan 610065，China；
2．Chengdu Laike Metallurgical Equipment Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 610041，China；
3．Jiangyin Xingcheng Special Steel Co．，Ltd．，Jiangyin Jiangsu 2 l4429，China)
Abstract：The hydraulic system of 3 MN hydraulic shear was designed． The schematic diagram of hydraulic system was drawn
according to the cutting process．Two-way cartridge valves was used to control the system． Th e diferential loop and sequence valve
were used to realize the cutting speed switching．The pump station was designed and calculated．The heating of the hydraulic system
was checked．The manifold block was designed using Inventor．
Keywords：Hydraulic shear；Two—way cartridge valve；Differential loop；Inventor
连铸技术由于具有简化冶金生产、缩短生产流
程、节约能耗和提高金属的回收率等优点，已经成为
各冶金钢铁厂的主流技术。钢坯的定尺寸切割是整个
连铸系统的重要环节。目前比较常用的钢坯切割方法
主要是火焰切割法和机械切割法。火焰切割法运行费
用高，切割时需喷射铁粉，污染环境，因此需要专门
的除尘设备；同时切缝一般为6～10 mm，造成了钢
坯的极大浪费；在高拉速的情况下切割时间不足，生
产效率不高。与之相比，液压剪由于具有剪切时间
短、剪切时金属损失极少、操作安全可靠、劳动强度
低、工作环境好和生产成本低等优点⋯，在国内外的
许多钢铁厂得到了应用。作者主要对3 MN液压剪的
液压系统进行分析设计。
1 设备组成和工作原理
1．1 设备组成
整个液压剪主要由机械部分、液压系统和电气控
制系统组成 。机械部分由机架体、机体拖人拖出装
置、剪刃装置等组成。剪体45。斜向布置，这样即使
液压油泄漏，也不会掉在轧件上，保证设备安全。采
用PLC电气控制系统，可靠性高，编程使用方便，
通用性好，网络通讯功能强。液压系统采用二通插装
阀控制回路，主要由泵站、
3大部分构成。
1．2 工作原理
剪切钢坯时，剪切力
不是恒定的，图1显示了
剪切力随相对切入深度变
化的情况。当剪刃与钢坯
接触后，剪切力随切入深
璧苎 阻 ， 兰 图 剪切力与相对切
达到最大，此时钢坯开始 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯
装阀11进人剪切缸的无杆腔，推动剪刃上升。当剪
收稿日期：2009—09—16
作者简介：张建明(1983一)，男，硕士研究生，研究方向为机械电子工程。电话：13982287727，E—mail：jianbingmm@
gmail．corn。
· 50· 机床与液压 第38卷
开，剪切缸有杆腔的油经插装阀l2和11回到无杆
腔，形成差动回路，实现快速剪切。当剪切力超过顺
序阀17的设定压力时，插装阀13打开，剪切缸有杆
腔的油经插装阀13回油箱，此时开始慢速剪切。当
剪切力随着剪切断面的缩小而减小，低于顺序阀17
的设定压力时，插装阀13又关闭，系统形成差动回
路，剪刃将钢坯快速切下。这种速度变化与钢坯的剪
切力学特性相适应，使剪切过程平稳。当剪切完毕
后，电磁阀YA3通电，YA2断电，液压油经插装阀
l2进入剪切缸有杆腔，无杆腔液压油通过插装阀10
流回油箱，剪刃退回初始位置，准备下一步剪切。为
了降低剪切过程中产生的冲击振动，采用了带阻力器
的插装阀，同时利用溢流阀l6来缓冲钢坯剪断瞬间
所形成的液压冲击。
2 泵站的设计计算 。
剪切机的技术参数如表1所示。
表1 剪切机的技术参数
图2 液压系统原理图
Pl = = 而 ．74 MPa
剪切时最大速度为
剪切力／N 3 X 10 液压缸行程／mm 260
无杆腔直径／／／2／i"1 44O 剪切行程／mm 200
活塞杆直径／mm ~b380 剪切次数／(次·rain ) 8
2．1 液压泵的选择
首先计算液压泵的最高工作压力P。和流量q
P。≥p +Σ邸 (1)
式中：P。为液压缸最大的工作压力；Σ△p为从泵口
到液压缸的压力损失，按经验取约1 MPa。
q 。≥K(Σg⋯ ) (2)
式中： 为系统泄漏系数，一般取1．1～1．3；q⋯ 为
液压缸的最大流量。
÷=孚 05 n1／s=3 m／min
式中：s为剪切行程；t为剪切时间，这里取4 s。
由此可得出液压缸最大流量是
7rD 竹X0． 44 X0．44 X3
g⋯ 下 —— — ■一
0．456 m ／min=456 L／rain
由公式(1)和(2)可以得出
P ≥p1+Σ△p=19．74+1—21 MPa
q 。≥K(Zq 一)=1．3 X456~-593 L／rain
根据以上参数，液压泵选用250SCY14—1B变量
柱塞泵。该泵可根据需要手动改变排量。液压泵的工
第20期 张建明等：3 MN液压剪液压系统的设计 ·51·
作压力随剪切力变化，将溢流阀溢流压力设定为23
MPa，以限制系统的最高工作压力。
2．2 油箱容量的确定
油箱容量可按经验公式计算，也可按照系统的发
热温升计算公式得到，一般按照经验公式计算然后再
用系统发热温升计算公式进行校核。根据经验公式
V= 。 (3)
式中：V为油箱的有效容积；q 为液压泵总的额定流
量； 为经验系数，与系统的压力或者应用场合相
关，在此系统中选择 =10。
可以得到油箱的容积为
V= =10 ×250 X 3=7 500 L
2．3 系统发热温升估算 J
系统的发热主要是由于液压系统的压力、容积
和机械损失构成的能量损失都将转化为热量，使油
温升高。过高的温度将使系统不稳定，会使液压油
的黏度降低造成系统泄漏，效率降低，同时造成密
封元件的老化，对泵的寿命影响十分显著。因此在
液压系统设计的过程必须对系统进行发热和温升计
算，并进行控制。系统的总发热量日可以按下式进
行估算
H=N。i—N 。 (4)
式中：Ⅳ 为液压泵的输入功率，』v 。为执行器的输出
功率。
由2．1节可以得出：
Npi=pp×qvp=21×10。×593×10一 ／60=
2．075 5×10 W
NM
。
=plq⋯ =19．74×10。×456×10一 ／60：
1．500 24×10 W
Ⅳ =5．752 6×10 W
系统在产生热量的过程中，同时也通过系统的元
件散发热量至空气，其中油箱为主要散热表面，其他
如管道等因散热面较小，可以忽略不计。油箱的散热
可以通过以下公式计算得到：
Ho=KAAT (5)
式中：K为散热系数，单位W／(m。·℃)，计算时在
通风良好的条件下K取14～20；A为油箱的散热面
积，一般根据经验散热面积的计算公式 ：
0．065 计算，其中V为油箱的有效容积(L)；
△ 为系统的温升，即系统达到热平衡的时候和环境
的温度之差(℃)，在工作机械中一般取ATe<35℃。
因此油箱散发的热量为
no=KAAT=17×0．065 7 500 ×35=
1．481 8×10 W
可以看出，通过油箱表面积散热无法达到热平
衡。因此需要通过加设冷却器来达到系统所需的冷却
效果。
3 阀台的设计
由于二通插装阀是阀座式结构，具有内部泄漏
少、通流阻力小、通流能力大、压力损失小、结构简
单等优点，被广泛应用于高压大流量的液压传动控制
领域。作者采用二通插装阀控制系统 。
集成块的设计应满足两个要求： (1)功能上必
须满足原理图的控制要求； (2)结构上必须满足良
好的工艺性和易加工性。传统的二维设计要求设计人
员有着良好的空间想象能力，但随着集成块孔系复杂
程度的提高，二维设计方法已经越来越难以完成任
务。三维设计软件的普及使得集成块的设计有了更高
的效率，但一些三维软件工程图表达的弱性成为用三
维软件设计集成块的瓶颈，而专用集成块设计软件如
SecoMAN由于较高的价格很难为中小企所接受。
Autodesk公司在AutoCAD的基础上开发的三维软件
Inventor比较好地解决了这个问题。Inventor不仅具有
三维软件所具有的功能，而且在工程图的绘制方面达
到二维软件所具有的优势。
采用Inventor设计二通插装阀集成块时，首先要
确定元件的布局方案。由于元件相互连接通过内部孔
道，而阀块内部的孑L系十分复杂，一个元件的变动经
常造成整体的变动，因此需根据原理图对元件进行合
理的布局。首先大致确定主要油口的方向位置，然后
安排好通径大和主油路关系密切的阀，就近摆放方便
控制油路的阀，计算出阀块的大致尺寸。第二步，进
行内部孔道的连通。首先配置较大的孔，大孔的长度
尽可能短些，避免长孔以免造成加工的困难，避免采
用斜孔和孔道之间的干涉，同时对于高压孔道需要有
一定的壁厚确保承受压力，工艺孔的数目尽可能的
少。第三步，检查设计结果，生成工程图。图3为采
用Inventor设计的集成块三维图。
图3 集成块三维图
(下转第54页)
· 54· 机床与液压 第38卷
为比例变量泵控油缸的活塞杆位移，将两油缸位移差
值通过计算机再发送给比例变量泵，从而实现同步控
制。同步升降既要保证速度同步还要保证位置同步，
系统中采用P2D算法来实现位置同步和速度同步的闭
环控制。由式(2)、(27)及控制原理，以其中两个
支路为例，其传递函数方框图如图2所示。
图2 同步控制系统方框图
3 控制系统的SIMULINK模型
MATLAB中的S2MUL2NK为系统仿真提供了强大
的软件工具，根据数学模型可以直接建立系统的仿真
模型[6]。根据数学模型，将上面系统输入输出关
系关联起来得到系统的仿真模型。
系统参数为：泵最大排量D ：200 cm ／r；变量
泵转速n =2 450 r／min；变量泵泄漏系数C =3 x
10。 m ／kg；变量泵摆角 =0。～30。；液压缸泄漏系
数C，=3 X 10 m ／kg；负载质量m，=7．5×20 kg；
液压缸尺寸6250 mm×,／,280 mm X6 000 mm；输入电
压U=0～20 V。
图3 手动变量泵控油
缸位移仿真图形
10
8
6
爱2
0
图4 比例变量泵控油
缸位移仿真图形
当输入同一阶跃信号
时，两油缸及两缸位移差
值的仿真图形如图3—5所
示。
从上边的计算结果可
以看出：同步控制精度可
以满足设计要求；动态调
整时间在6 S左右，满足此
大型舞台的工作要求。
4 结论
0 1 2 3 4 S 6 7 8 9 10
时间，s
图5 两缸位移差
值仿真图形
(2)此种液压同步控制原理及控制策略能够满
足舞台升降的具体要求。
(2)仿真结果表明，此泵控同步控制系统在控
制精度及响应时间上均可满足重型升降舞台同步控制
要求。
(3)此同步控制系统相对阀控同步系统基本上
不产生热量，将节省大量的能源，而且控制系统结构
较简单，给具体工程实现带来了便利。
参考文献：
【1】王春行．液压伺服控制系统[M]．北京：机械工业出版
社，1989．
【2】顾瑞龙．控制理论与电液控制系统[M]．北京：机械工业
出版社，1984．
【3】路甬祥，胡大 ．电液比例控制技术[M]．北京：机械工
业出版社，1988．
【4】刘长年．液压伺服系统优化设计理论[M]．北京：冶金工
业出版社，1989．
【5】王占林．近代液压控制[M]．北京：机械工业出版社，
1997．
【6】施阳．MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK
[M]．西安：西北工业大学出版社，1997．
(上接第51页)
液压集成阀块的设计一直是液压系统设计的一个
难题，合理利用三维软件可以提高设计效率，缩短设
计周期，提高阀块的设计水平和质量，改善阀块的可
靠性和精度。
4 结束语
作者介绍的3 MN液压热剪二通插装阀控制回路，
采用差动回路和顺序阀来控制剪切速度，符合钢坯剪
切工艺，剪切过程动作平稳，效率较高。使用Inventor
三维软件设计集成阀块，让设计任务更加轻松。
参考文献：
【1】费珉．铸坯切割装置[J]．冶金设备，1994(1)：35—39．
【2】李诗京．6200KN液压剪液压控制系统[J]．冶金设备，
1992(6)：46—48．
【3】张利平．液压站设计与使用[M]．北京：海洋出版社，
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【4】张瑞虹．液压系统发热的原因及预防措施[J]．有色金
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【5】侯波，武俊锋，汪选要．采用插装阀的液压支架泵站液压
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