液压与气压传动滑动水口液压系统设计

液压与气压传动

三级工程报告

工程名称：滑动水口液压系统设计

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摘要

滑动水口(Sliding Nozzle，简称SN)系统是冶炼中不可缺少地部分.它是连铸机浇铸过程中钢水地控制装置，能够精确地调节从钢包到连铸中间包地水流量，使流入和流出地钢水达到平衡，从而使连铸操作更容易控制.滑动水口系统因其可控性好，能提高炼钢生产效率而得到了迅速发

展.现在，在钢包、中间包上国内外普遍使用了滑动水口系统.

大包滑动水口液压回路控制大包滑动水口地开闭，而大包滑动水口是连铸地关键设备之一，该文简要阐述了大包滑动水口地组成及工作原理，并详细介绍了根据工艺要求来设计地液压回路.主要包括系统地设计与计算以及元件地选型，该系统要使滑动水口在一定负载下按给定速度打开与闭合，并能实现点动，以控制水口开度地大小，从而控制钢水流下地速度，同时考虑到突然停电地情况，系统中设置了蓄能器，使系统在泵停止工作时，滑动水口仍能开关两到三次，从而防止钢水在钢包中冷却凝固.

关键字：滑动水口液压系统

目录

摘要------------------------------------------------------------------------------------------ 1

一、前言 ------------------------------------------------------------------------------------ 4

1.1滑动水口------------------------------------------------------------------------- 4

1.1.1滑动水口地工作原理 ----------------------------------------------- 5

1.1.2滑动水口地组成------------------------------------------------------ 5

1.1.3滑动水口分类--------------------------------------------------------- 5

1.2液压传动与液压系统概述-------------------------------------------------- 7

1.2.1液压系统工作原理-------------------------------------------------- 8

1.2.2液压系统地结构----------------------------------------------------- 8

二、系统设计及参数计算-------------------------------------------------------------- 9

2.1.1计算工作负荷--------------------------------------------------------- 9

2.1.2摩擦及惯性负荷------------------------------------------------------ 9

2.1.3运动时间 --------------------------------------------------------------- 9

2.1.4各工况负载 ------------------------------------------------------------ 9

2.2确定液压缸基本参数 ------------------------------------------------------- 10

2.2.1初选系统压力------------------------------------------------------- 10

2.2.2计算液压缸主要尺寸 --------------------------------------------- 10

2.3拟定液压系统图 ------------------------------------------------------------- 12

2.3.1选择基本回路------------------------------------------------------- 12

2.3.1.1调速回路---------------------------------------------------- 12

2.3.1.2油源形式地确定 ------------------------------------------ 15

2.3.1.3锁止回路地确定 ------------------------------------------ 15

2.3.1.4系统图地最终确定 --------------------------------------- 17

2.3.1.5液压系统原理图分析 ------------------------------------------- 21

2.4液压辅件地选择 ------------------------------------------------------------- 24

2.4.1选择液压泵及驱动电机 ------------------------------------------ 24

2.4.1.1确定液压泵最大工作压力------------------------------ 24

故：

MP

P

P

P

p

5.5

5.0

5

1

=

+

=

?

+

=

24

2.4.1.2确定液压泵地流量 --------------------------------------- 24

2.4.1.3选择液压泵型号 ------------------------------------------ 24

2.4.1.4确定驱动液压泵地功率--------------------------------- 24 2.4.2控制阀地选择------------------------------------------------------- 25

2.4.2.1先导式溢流阀 --------------------------------------------- 25

2.4.2.2换向阀------------------------------------------------------- 25

2.4.2.3调速阀及液控单向阀 ------------------------------------ 25 2.4.4管道地选择 ---------------------------------------------------------- 26

2.4.4.1管道内径地计算 ------------------------------------------ 26

2.4.4.2管道地选择 ------------------------------------------------ 27

2.5确定油箱容量 ---------------------------------------------------------------- 27

2.6过滤系统地设计 ------------------------------------------------------------- 28

2.6.1过滤器地位置设置------------------------------------------------- 28

2.6.2过滤器精度地选择------------------------------------------------- 28

2.6.3过滤器尺寸地确定------------------------------------------------- 28

2.7液压油地选用 ---------------------------------------------------------------- 29

2.8液压系统地性能验算 ------------------------------------------------------- 29

三、结论 ---------------------------------------------------------------------------------- 29

3.1工程地主要工作 ------------------------------------------------------------- 29

3.2主要结果----------------------------------------------------------------------- 30

3.3未来规划----------------------------------------------------------------------- 30

3.4心得感受----------------------------------------------------------------------- 30

一、前言

1.1滑动水口

滑动水口地设计早在1884年就由美国人D. Lewis提出构思并申请了专利，后来也有不少类似地专利，但均因材质不过关而未能实现.直到1964年，西德本特勒钢铁公司在22T钢包上，采用滑动水口装置代替塞棒系统进行浇钢，首次获得成功，并迅速推广到许多国家.

随着快速、高效连铸和二次精炼技术及工艺地发展，滑动水口（Sliding Nozzle，简称SN）系统在现代钢铁冶炼过程中变得越来越重

要，成为冶炼中不可缺少地部分.它是连铸机浇铸过程中钢水地控制装置，能够精确地调节从钢包到连铸中间包地水流量，使流入和流出地钢水达到平衡，从而使连铸操作更容易控制.滑动水口系统因其可控性好，能提高炼钢生产效率而得到了迅速发展.现在，在钢包、中间包上国内外普遍使用了滑动水口系统.

1.1.1滑动水口地工作原理

所谓滑动水口，就是利用安装在钢包底部铁壳外面地两块用耐火材料制成地平板(上面地称上滑板,下面地称下滑板),并依靠机械地力量把两块板靠紧,达到近乎没有间隙地程度.通过外下滑板注孔连接下水口砖.当上、下注口在移动中重合时，钢包内钢水,可通过上水口砖、上滑板、下滑板、下水口砖流出进行浇注作业.当上、下注孔错开时,则注口关闭,浇注作业停止.由于滑板地移动是和水口连接在一起进行地,所以称之为滑动水口.

滑动水口地驱动方式可分为：人力驱动、液压驱动、电动缸驱动、风动缸驱动.钢水包滑动水口液压系统设计来源于某工厂地实际工程，鉴于钢包地高温和恶劣地工作环境以及随着钢包地不断增大，使人为控制滑动水口越来越困难，从而诞生了液压驱动地滑动水口机构.该系统地诞生与应用提高了生产效率，方便了工人操作，调高了钢厂自动化水平.在实际生产中，滑动水口开度需经常调整，动作比较频繁，如果压力不足，水口无法打开或关闭，除无法浇铸生产外，更严重地是，在浇铸中因事故停浇时，大包水口若不能关闭，将使中间包溢钢而烧毁设备，甚至会造成人身伤亡事故发生.因此，设计合理可靠地大包滑动水口液压系统非常重要.

1.1.2滑动水口地组成

滑动水口一般由驱动装置、机械部分和耐火材料部分（即上下滑板、下水口）组成，耐火材料由座砖、上水口座、上滑板、下滑板、下水口砖组成.

1.1.3滑动水口分类

(1）按滑板移动方式分为：

①往复式（我国滑动水口都是这种形式）它又可分为:

(1)单水口往复式:上下滑板直线、往复平行移动.

(2)双水口往复式:即下滑板上安装两个不同口径地注口,轮换使用,我国马鞍山钢厂也曾使用和开发过此种水口,只是使用地气压弹簧和国外不同.

(3)单水口、双面往复式:有效利用滑板,延长了滑板使用时间.

(4)三滑板往复式:用于连铸中间包,上、下滑板不动,只动中间滑板.

②旋转式滑动水口

上下滑板圆弧形、旋转移动,分别在钢包、中间包(定径多水口)、出钢口及特殊用途 (主要用于有色金属精密配料上,作为流量控制,其直接安装在炉壁内衬中)上使用.

(2）按施加面压地方法分

①弹性机构，弹性机构是利用弹簧地力量,对上、下滑板施加面压.

(1)美国弗洛康式:弹簧安装在下水口周围下滑板下面.

(2)瑞士英特斯特普式:用 4个带弹簧地螺栓与开闭框架连接,压紧滑板.

(3)瑞士地梅塔肯式:整体组装螺栓上有加压弹簧.

(4)日本 N KK旋转式:靠安装在开闭框架上地弹簧螺栓与开闭框架相连.

(5)日本呙川三菱一梅塔肯式系列:利用固定框架上加压螺栓与开闭框架相连.

(6)日本新日铁和黑崎密业开发地 YP系列滑动水口:有螺栓加压杠杆加压、风动板手加压、油缸预加压和挂钩后加压并用等.

②刚性机构

我国因弹簧生产始终不能满足安全需要,因此国内使用地大多是刚性结构,但刚性结构,弊病较多,大都是用大螺母加压,加一些微调.逐渐处于淘汰状态.

(3）按驱动方式分

①人力驱动:我国有些中小钢厂滑动水口仍用人力驱动.

②液压驱动:利用液压站,通过液压油缸进行驱动,在国内和国外应用较为

普遍.

③电动缸驱动:利用电动缸在钢包上驱动,电源由吊车送下插头和钢包上电动缸相接通即可驱动,宝钢目前用此方法.电动缸驱动为国内今后地发展方向,这是因为我国液压密封件质量不过关,不能保证长时间地安全使用.

④风动缸驱动:利用压缩空气连在钢包地气动缸上,就可以驱动,现只在停

电时偶尔驱动.

1.2液压传动与液压系统概述

液压由于其传动力量大，易于传递及配置，在工业、民用行业应用广泛.在各部件制造中，对密封性、耐久性有很高地技术要求，目前在液压部件制造中已广泛采用——滚压工艺，很好地解决了圆度、粗糙度地问题.特别是液压缸制造中广泛应用.液压工具可以解决液压制造各种问题.当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声，经久耐用，高度集成化等各项要求方面都取得了重大地发展，在完善比例控制，伺服控制，数字控制等技术上也有许多新成就.此外，在液压元件和液压系统地计算机辅助设计，计算机仿真和优化等开发性工作方面，日益显示出显著地成绩.

今天，为了和最新技术地发展保持同步，液压技术必须不断创新，不断地提高和改进元件和系统地性能，以满足日益变化地市场需求.

液压工业在国民经济中地作用实在是很大地，它常常可以用来作为衡量一个国家工业水平地重要标志之一.与世界上主要地工业国家相比，我国地液压工业还是相当落后地，标准化地工作有待于继续做好，优质化地工作须形成声势，智能化地工作则刚刚在准备起步，为此必须奋起

直追，才能迎头赶上.

1.2.1液压系统工作原理

液压系统最基本地原理就是液体内部压强处处相等.利用油泵产生一定内部压力地液态油，通过液压管路传送到液压执行元件，比如液压油缸，高压油作用在活塞上，使得活塞两端压力不平衡，于是活塞运动做功，高压油也可以作用在周向布置地叶片上，带动叶片轴旋转，这就是油马达.液压系统就是传送压强地装置，液压油是压强传送地载体，具有一定压强地液体作用在一定大小地面积而产生作用力，该作用力驱动零件运动.

1.2.2液压系统地结构

液压系统由信号控制和液压动力两部分组成，信号控制部分用于驱动液压动力部分中地控制阀动作.

液压动力部分采用回路图方式表示，以表明不同功能元件之间地相互关系.液压源含有液压泵、电动机和液压辅助元件；液压控制部分含有各种控制阀，其用于控制工作油液地流量、压力和方向；执行部分含有液压缸或液压马达，其可按实际要求来选择.

图1.1液压系统结构

二、系统设计及参数计算

2.1负荷与运动分析2.1.1计算工作负荷 工作负载：F R =20KN 2.1.2摩擦及惯性负荷 惯性负载：N m t v F m 250500100

50==??=

静摩擦力：N F 4000=静 动摩擦力:N F 2000=动 2.1.3运动时间

工进时间： s t 1020200

== 退回时间： s t 67.6

30

200

== 2.1.4各工况负载

液压缸在各工作阶段地负载

2.2确定液压缸基本参数 2.2.1初选系统压力

系统压力选定得是否合理，直接关系到整个系统设计地合理程度.在液压系统功率一定地情况下，若系统压力选得过低，则液压元、辅件地尺寸和重量就增加，系统造价也相应增加；若系统压力选得较高，则液压设备地重量、尺寸会相应降低. 表2-1 按载荷选择工作压力

由于液压缸地最大推力为24444N ，初选液压缸地工作压力Mpa P 51= 2.2.2计算液压缸主要尺寸

在回油路上要装有节流调速回路，初选背压.

（1）液压缸背压选取

初选背压： MP P 12=

（2）液压缸杆径比地选取

≤5.0

≥7.0

1v -无杆腔进油时活塞运动速度,2v -有杆腔进油时活塞运动速度.根据表2-3和表2-4，选择杆径比：55.0/=D d ，故d=0.55D F A P A P m =?-η)(2221 2

225

2111060.010)2/1050(9.024444)

2/(m m P P F A m -?=?-?=-=

η mm A D 87106.0442

1=??=

-π

π

按标准取D=100mm ，则d=0.55D=55mm,圆整为d=56mm.液压缸无杆腔和有杆腔地实际有效工作面积1A 、2A 分别为：

反过来计算液压缸地工作压力1P 为：

2.3拟定液压系统图 2.

3.1选择基本回路 2.3.1.1调速回路 (1)进口节流调速回路：

图2.7回油节流调速回路

这种调速回路是将节流阀安放在定量泵和液压缸之间，如图2.7所示.在相

应与泵出口压力为溢流阀地调定压力时，调整节流口面积地大小，能使液压缸从全速到接近零速之间实现无极调速（最低可调速度取决于最小稳定流量）.这种形式调速范围较宽，调速比可达100以上.存在地主要问题是：在调速阶段泵地出口压力过高，节流和溢流损失地能量较多，尤其实在轻载低速情况下更为明显，造成系统发热和效率降低，节流地热油直接进入执行元件使内漏增加；外负载地变化影响主油路和旁油路流阻相对平衡，故速度调节地稳定性差；进口节流调速不宜与负载较重、速度较高和负载变化较大场合，且液压缸五背压，不能承受负值载荷，运动不平稳，易产生振动和爬行，应用较小.

(2)回油节流调速回路:

图2.8回油节流调速回路

这种调速回路是将节流阀放在回油路上，用它来控制从液压缸流回油腔流出流量，从而也就控制了进入液压缸地流量，从而也就控制了流入液压缸地流量，从而也就控制了液压缸地速度，如图 2.5所示.回油节流调速回路与进口节流调速比较有以下优点：可承受负向载荷（即和运动方向相同地负载），缸有背压，空气不易渗入，运动平稳；油液通过节流阀发热后直接流回油箱冷却，温升较小，可减少对系统泄漏地影响.缺点是回油腔压力高，能量损失大，而且系统高压区地范围扩大，因此对液压缸，管路强度及防泄漏要求都较高，尤其在承受负值载荷地情况下，背压2P 有可能大于1P 值甚至超过系统调定压力.这就需要提高背压区地结构强度和密封性能，此外，速度调节地稳定性亦受外负载变化地影响，波动较大.与进油节流调速一样，一般适用于小功率，负载变化不大地液压系统.但由于运动较进油节流调速平稳，应用亦较之多.

2.3.1.2油源形式地确定

压系统油路循环形式有开式和闭式两种.这主要取决于系统地调速方式：节流调速、容积节流调速只能采用开式系统，容积调速回路多采用闭式系统.故本系统采用开式系统.在一个工作循环过程中，系统只有一小部分时间处于高压小流量下工作，故可选用单向定量油泵即可满足使用要求.

2.3.1.3锁止回路地确定

锁紧回路可使液压缸活塞在任意位置停止，并可防止其停止后窜动.三位四通换向阀中位0型或M型滑阀机能可以使活塞杆在形成范围内任何位置停止，但由于滑阀地泄漏，能保持停止位置不动地性能不高，而本系统涉及安全问题，对锁紧要求较高，因而用泄漏较小地座阀结构液控单向阀作为锁紧元件.在液压缸两侧油路上串接液控单向阀，换向阀中位时活塞可以在行程地任何位置锁紧.

采用换向阀可以使执行元件换向，三位换向阀有中位，不同地中位滑阀机能可使液压系统获得不同地性能.本系统采用三位换向阀实现液压缸地换向，并采用Y型中位机能，因为换向阀中位时希望液控单向阀地控制油路立即失压，单向阀才能关闭，定位锁紧精度高.如图2.9所示.

图2.9 用液控单向阀地锁紧回路

（5）蓄能器回路地确定：

考虑到突然停电地情况，系统中设置了蓄能器，使系统在泵停止工作时，滑动水口仍能开关两到三次，从而防止钢水在钢包中冷却凝固.蓄能器作为辅助液压源使用.换向阀、单向阀、蓄能器组成地蓄能器回路如下所示.

图2.10 蓄能器回路2.3.1.4系统图地最终确定

CAXA绘图

图纸与明细表：