大型高炉料流阀的液压控制系统设计.doc

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1、液压控制系统结业论文 摘要冶金工业飞速发展，作为钢铁冶炼过程中重要组成部分炼铁炉也产生了几次大变革。从100米3300米3小高炉发展到现1750米3、3800米3到4200米3大型高炉，从最初双料钟炉顶到现已经普遍使用无料钟炉顶，无料钟炉顶结构方式也分为串罐式和并罐式,等等。现无料钟炉顶主要有BT型、PW型、SS型等几种形式。在炉顶布料控制中，料流调节阀的开度控制(即7角的控制)至关重要，只有下角控制精确，才能有效地控制好下料的料流量，进而更准确地控制好每批料布料的厚度、环数及布料的起点和终点，以求得到需要的炉内煤气流分布。关键词：无料钟炉、料流调节阀、开度控制、布料的厚度目 录第一章绪论41

2、.1概述41.2无料钟炉顶实现精确布料的原理41.3料流调节阀的控制现状51.4利用液压伺服系统控制料流调节阀的可行性6第二章液压伺服系统的确定72.1系统设计要求72.2系统控制方案及原理图72.2.1系统控制方案72.2.2系统原理图8第三章动力元件及参数93.1供油压力的选择93.2服阀流量与执行元件尺寸的确定93.3伺服阀的选择183.4执行元件的选择19第四章反馈传感器的选择224.1伺服阀选择224.2液压马达选择234.3溢流阀选择224.4速度传感器的选择224.5冷却器的选择24第五章动态分析与计算265.1确定系统方块图265.2确定开环放大系数和放大增益26第六章系统静动

3、态品质分析及确定校正特性28第七章液压能源及辅助设备的选择297.1油箱在液压系统中的主要功能297.2油箱的设计要点297.3油箱容量的计算307.3.1发热计算307.3.2散热计算317.3.3油箱容积计算317.3.4油箱中油液的冷却与加热327.5油箱主要附件的选配337. 5.1空气滤清器337. 5.2过滤器337. 5.3吸油口过滤器347. 5.4回油口过滤器347. 5.5其他附件347. 5.5油盘34结语35参考文献36对本课程的建议37第一章 绪论1.1概述无料钟高炉,采用并罐布料方式,左、右料罐各有一个料流阀控制布料角度。通过调节料流阀开角度的大小来控制料罐的布料速

4、度,料流阀的性能直接影响高炉布料的准确性,要达到在设定的布料圈数内布完料的目的,要求布料圈数误差控制在1圈之内,料流阀必须快速、准确地达到设定角度。随着冶金工业的飞速发展，作为钢铁冶炼过程中的重要组成部分炼铁炉也产生了几次大的变革。从100立方米300立方米的小高炉发展到现在1750立方米、3800立方米甚至到4200立方米大型高炉，从最初的双料钟炉顶到现在已经普遍使用的无料钟炉顶，无料钟炉顶的结构方式也分为串罐式和并罐式, 等等。现在的无料钟炉顶主要有BT型、PW型、SS型等几种形式。本文通过对现代化大型高炉精确布料的讨论，揭示了料流调节阀精度控制的重要性，并对大型高炉的料流调节阀控制现状、

5、利用液压伺服比例系统控制料流调节阀的可行性和控制原理进行了详细的阐述，简单介绍了在大型高炉的实际应用的效果。1.2无料钟炉顶实现精确布料的原理现代化的高炉为了最大限度的提高冶炼效率，均采用了料流调节阀加布料溜槽的控制方式来实现矿、焦在炉内的精确布料，料流调节阀和布料溜槽控制布料的原理如图一和图二所示:高炉炉料（烧结矿、球团矿或焦炭等）经过槽下配料工艺后先进入到炉顶的上料斗和下料斗，在高炉接到布料指令后，其下料斗的料流调节阀首先按工艺要求开到给定的开度（即角），这时炉料按一定的流量经布料滚筒后流到布料溜槽上，此时布料溜槽已经按工艺要求升到一定的倾动角度（即角），同时布料溜槽还在水平面方向上进行着

6、匀速旋转（即角）。这样炉料就可以均匀的布到高炉的料面上了。从上面炉顶布料的基本控制原理可以看出，只要控制好、三个角度，就可以把炉料按任意的形式布到炉内。一般来说高炉的布料方式有环形布料、扇形布料和定点布料等几种形式。最多使用的是环形布料，即一批料以不同的倾动角度布到炉内，形成以炉中心为圆心的数个圆环，使炉料均匀的布在炉内。根据环形布料的环数的多少还分为单环布料和多环布料，最常用的为一环到四环布料。如果在冶炼过程中出现炉内料面不均匀的情况，则可以利用扇形布料或定点布料来弥补。或者炉长根据炉况需要，为改善透气性、保护炉壁使其温度不致过热等等原因，也需要采用扇形或定点布料的方法来改善炉内炉料的分布状

7、态。在炉顶布料控制中，下料斗料流调节阀的开度控制（即角的控制）是至关重要的，因为只有角控制的精确，才能有效地控制好下料的料流量，进而更准确的控制好每批料布料的厚度、环数及布料的起点和终点。1.3料流调节阀的控制现状 现在的无料钟高炉炉顶，其料流调节阀的控制基本有三种：1.普通电机加齿轮减速机构来控制料流调节阀的开度。这种方式控制设备简单，但精度很难提高，系统的动作时间也较长，不利于提高高炉生产的节奏。另外，齿轮减速机构中的机械间隙对角精度的影响也很难消除，因此在大型高炉上基本不使用这种控制方式。2使用伺服电机驱动料流调节阀。这种驱动方式能较好的保证角的精度，但驱动力矩受到一定的限制，另外其动作

8、时间也比较长，不利于提高生产节奏，一般在450米3及以下的高炉上应用较多。3. 采用液压系统来驱动料流调节阀。这用方式最大的优点是驱动力矩较大，可以使系统的动作时间大幅缩短，另外其控制也比较简单，即使用两个常规的液控单向阀来控制液压缸的开度，进而达到控制角开度的目的，如图三所示。一般大型高炉大都采用这种方式。但这种方式的缺点也很明显。其一是普通液压系统控制的液压缸，其推力受系统压力的影响比较大，容易形成冲击，对料流阀的寿命有着一定的影响；其次也是比较重要的，就是其精度很难控制，这是因为料流阀在开到给定角度时，由于里面充满了炉料，必须要求一次到位而不能反复调节，而普通的液压系统是不能满足这种要求

9、的。而利用液压缸一次定位的精度误差又比较大，一般在1.52.0度，有时竟达到2.53.5度。 这样的精度在高炉布大粒度料（例如20mm以上的烧结矿或焦炭）的时候可能影响不是太严重，但是在需要布小粒度料的时候，尤其是小于5mm的碎矿或碎焦时，就很难控制甚至无法控制了。1.4利用液压伺服系统控制料流调节阀的可行性鉴于以上原因，在大型高炉上，如果能充分利用液压系统推力大、动作速度快的特点，又能最大限度的消除系统压力变化对推力的影响，减小对机械系统的冲击，同时把控制精度大幅提高，那是再理想不过的了。 基于以上思路，我们用液压伺服比例控制系统来代替原先的普通液压系统控制料流调节阀，获得了理想的效果。第二

10、章 液压伺服系统的确定2.1系统设计要求物料密度（g/cm3） 6.5阀门可动部件重量（KN） 40料口宽度（mm） 900调节行程（mm） 600最大调节速度（mm/s） 40系统频宽f0.7（Hz） 14角度精度（o） 0.122.2系统控制方案及原理图1系统控制方案电气控制系统，采用了施耐德公司的QUANTUM系列PLC控制系统，负责采集炉顶料流调节阀的实际开度返回值（由自整角机或光电编码器检测转换成实际角度），接收炉顶控制系统发出的角开度大小和动作指令。在经过分析处理后，把开度指令转换成420mA的电信号发给伺服比例阀的集成放大器,用来控制伺服比例阀的开度。为了使系统既能有较大的推力和

11、快速性，又能够达到较理想的准确度，在控制方式上采用了PID开环控制和PID闭环控制相结合的方法。PLC控制系统首先检测角的给定值和实际返回值，并计算出他们的差值, 当值大于某个角度（比如2度），这时给定伺服比例阀较大的开度值，使油缸高速大推力运行；当值小于某个角度、即角接近给定值时，系统自动进入PID调节控制状态，即随着值的减小，控制系统给定伺服比例阀的开度值也按比例减小，直至为零。当料流调节阀到达给定位置后（角的给定值与实际返回值之差2.55816163232 因本次液压缸的设计要求中已知的公称压力为10Mpa，由表3.1可知，本此液压缸属于中高压。2 流量所谓流量是指单位时间内液体流过管道

12、某一截面的体积。对液压缸来说，等于液压缸容积与液体充满液压缸所需时间之比。即：q=V/t式中：V液压缸实际需要的液体体积（L） t液体压力充满液压缸缸所需的时间（min）3 运动速度 运动速度是指单位时间内液体流入液压缸推动活塞（或柱塞）移动的距离，运动速度可表示为：v=q/A式中：q流量（m3/s） A活塞受力作用面积（m）设计规定快进速度为0.2m/s计算运动速度的意义在于：1.对于运动的速度为主要参数的液压缸，控制流量是十分重要。2.根据液压缸的速度，可以选用流量合适的液压泵。3.根据液压缸的速度，可以确定液压缸的进、出油口的尺寸，注塞杆，活塞和活塞杆的直径。4.利用活塞杆前进和后退的不

13、同速度，可实现液压缸的慢速攻进和快速退回。4 推力和拉力 液压油作用在活塞上的液压力，对于单作用单活塞杆液压缸来说，活塞杆伸出时的推力为F：F1=A1P106式中： P工作压力（Mpa） D缸筒内径（m） d活塞杆直径（m）5 行程 液压缸的活塞行程S，在初步设计时，主要是按实际工作需要长度来考虑。但是，实际需要的工作行程并不一定是液压缸的稳定性所允许的行程，为了计算行程，应首先计算出活塞杆的最大允许计算长度。L=1.01d10(cm)式中： d活塞杆直径（cm） P活塞杆纵向压缩负载（N） n末端条件系数，可查表求出，依题可知n=1/4 安全系数，6 根据液压缸的各种安装形式和欧拉公式所确定

14、的活塞杆计算长度及导出行程计算式。一般情况下，液压缸看纵向压缩负载是知道的，有上式即可大概求出液压缸的最大允许行程。设计要求液压缸的行程为1000mm。6 液压缸的基本参数3.2 液压缸内径及活塞杆外径尺寸系列（GB/T2348-1993）液压缸内径尺寸810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200220（250）（280）320（360）400450500活塞杆外径尺寸456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360括号内为优先

15、选取尺寸,活塞杆连接螺纹型式按细牙，规格和长度查有关资料。3.3 液压缸的行程系列（GB23491980）第一系列2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000第二系列406390110140180220280360450550700900110014001800220028003600 在设计计算后按1.1、1.2选用缸径、杆径和行程，并验算与要求控制在5%内。3.2.4 液压缸主油缸的设计计算1 缸体内径D的计算 设计过程中，根据已经给出的工作压力、公称压力计算缸体的内径，对于单作用单活塞杆液压缸的计算如下：

16、F=PA= P 式中： F液压缸的公称压力； P液压缸的工作压力；所以： D = = =0.225mm根据（GB/T23481993）圆整后取D =230mm实际公称力: 验算： 在5%内，所以合理，即D =230mm2 缸体壁厚的计算 按厚壁筒计算，因我们本次设计缸体的材料为QT500-7球墨铸铁，是脆性材料，则考虑用第一和第二强度理论计算，又因第二强度理论比第一强度理论更节省材料，故选用第二强度理论来计算：为试验压力： 当缸的额定压力P16Mpa时，=1.5P 当缸的额定压力P16Mpa时，=1.25P所以： =1.2510=12.5Mpa=（-1） =0.5230(-1)=0.046m根

17、据国标GB87131988，圆整后取=50mm3 缸体外径D1的计算D1 = D+2式中： D缸体内径所以： D1 = D+2=230+250=330mm根据重型机械表,取D1=330mm合理。4 缸体壁厚的验算 因我们本次设计缸体的材料为QT500-7球墨铸铁,是脆性材料，采用第二强度理论验算（以能量为依据）即：=71.99MPaD=D=0.22=0.317m=71.99Mpa80mm,则取 A=0.620=12 cm 根据实际情况考虑: A=985cm B=19.5cm3导向套的材料及技术要求1.导向套的材料导向套一般采用摩擦系数小、耐磨性好的青铜材料制作，也可以选用铸铁、球铁。2.导向套

18、的技术要求(1)外圆与端盖内孔的配合多为H8/f7(2)导向套内孔与活塞杆外圆的配合多为H9/f9(3)外圆与内孔的同轴度误差不大于0.03(4)形状误差不大于公差之半(5)内孔中的环形油槽和直油槽要浅而宽，保证润滑条件良好(6)表面粗糙度为3.2.10密封件和防尘圈的选用1. 活塞的密封活塞与缸筒即活塞密封为动密封，由于液压缸是单作用的，工作压力最大为10Mpa，所以在这里选用车式组合密封。氟橡胶材料制作的滑环及O形圈组合，结构简单，摩擦阻力小，密封性能好，多次拆卸可重复使用。2. 活塞杆的密封活塞杆的密封要遵循以下几个条件：(1)在一定工作压力和温度下具有良好的密封效果，泄漏小(2)摩擦系

19、数小，摩擦力均匀，不会引起运动零件的爬行或卡死等现象(3)耐磨性好，寿命长，在一定程度上能自动补偿被密封件的磨损和几何精度的误差(4)不损坏被密封件表面(5)耐油性、抗腐蚀性好，不易老化(6)成本低廉，制造容易，使用方便，维护简单(7)采用标准化结构和尺寸(8)适应液压缸工作条件的特殊要求活塞与活塞杆一般为静密封，由于系统的工作压力为10MPa，所以，其密封选用“O”型橡胶密封圈加挡圈密封。3. 其他密封 由于端盖，导向套、压盖与缸筒配合处为静密封，所以，用O型圈加挡圈密封能够满足要求。4. 活塞杆的防尘装置 液压缸工作时常有灰尘、沙粒、铁屑等污物落在活塞杆上。若将污物带进液压缸，不仅会加剧零

20、件的磨损、产生划痕，而且会影响液压系统的正常工作，因此需要安装防尘装置。因防尘圈能刮掉落在活塞杆上的污物，同时考虑到活塞杆的最大运动速度和工作温度，则选用SA型防尘。3.3伺服阀的选择3.3.1伺服阀流量为： L/min此时，伺服阀的压降为：根据以上参数，选得伺服阀型号为YJ742，额定流量为250L/min，额定电流mA。3.4执行元件的选择由以上已经设计出液压缸的相关参数，以及液压缸附件的选用。第四章 反馈传感器等的选择4.1 伺服阀选择型号:SVA8额定流量：63L/min 工作压力：1-31.5MPa额定电流:300mA样品、负载流量曲线、频率特性曲线分别如图4.1、4.2、4.3；图

21、4.1图4.2图4.34.2 液压马达选择由第二章已经选得液压马达型号为JM12-E1.25F2排量：1237mL/r 额定工作压力16MPa额定转速：200 有效转矩：2876N.M样品如图4.64.3 溢流阀选择溢流阀型号：RF-G04 最高使用压力：250MPa 额定流量：100压力调节范围：7-70MPa 安装螺栓：M12X95L 4PCS样品和压力流量曲线如图4.4和4.5图4.44.4速度传感器的选择型号：JX61G样本和相关技术参数如图4.6和4.74.5冷却器的选择型号：2LQFW-A8.5.样本和参数如图4.84.8第五章 动态分析与计算5.1确定系统方块图5.2确定开环放大

22、系数和放大增益此系统为恒速调节系统，则误差主要来自干扰和速度传感器。该系统对输入 和干扰都是I型系统，所以对恒定干扰力矩和伺服阀零漂是无差的。设传感器的误差为0.1%，由此引起的转速误差为： 设加载时间为0.5s，则加载速度为：等速力矩负载误差为：由此得满足转速误差的开环增益为：转速误差 与 成正比，因此最大误差发生在 为最大的工作点。因为，所以： 开环增益为： l/S 取。则放大器增益为：第六章 系统静动态品质分析及确定校正特性根据系统工作原理方块图和所确定的传递函数可得系统开环传递函数：根据上式可画出系统开环伯德图如下：所以，系统稳定。系统的频宽为35，精度为0.18，符合设计要求。第七章

23、 液压能源及辅助设备的选择7.1油箱在液压系统中的主要功能 1. 储存系统工作循环所需要的油量； 2. 散发系统工作过程中产生的一部分热量； 3. 促进油液中的空气分离及消除泡沫； 4. 为系统提供元件的安装位置。油箱的容积必须能够储存停机时由重力而返回油箱的油液。并且要求油箱中的油液本身是达到一定清洁度等级的油液。并以这样清洁的油液提供给液压泵和整个系统的工作回路。7.2油箱的设计要点（1）油箱必须有足够大的容积，一方面尽可能满足散热的要求，另一方面在液压系统停止工作时应能容纳系统中的所以工作介质，而工作时又能保持适当的液位。（2）设置过滤器。油箱的回油口一般都设置系统所要求的过滤精度的回油

24、过滤器，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（即泵的吸口）为了防止意外落入油箱的污染物，有时也装设吸油网式过滤器。由于这种过滤器浸入油箱的深处，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。（3）设置油箱主要油口。油箱的排油口与回油口之间的距离应尽可能远些，管口都应插入最低油面之下，以免发生吸空和回油冲溅产生气泡。管口制成45度的斜角，以增大吸油及出油的截面，使油液流动时速度变化不致过大。管口应面向箱壁。吸油管离箱底的距离（D为管径），距箱边不小于3D。回油管离箱底距离。（4）设置隔板，将吸、回油管隔开，使液流循环，油流中的气泡与杂质分离沉淀。隔板结构有溢流式

25、标准型、回流式及溢流式等几种。另外，还可以根据需要在隔板上安置滤网。（5）在开式油箱上部的通气孔上必须配置空气滤清器。兼做注油口用。油箱的注油口一般不从油桶中将油液直接注入油箱，而是经过滤车从注油口注入，这样可以保证注入油箱的油液具有一定的污染等级。（6）放油孔要设置在油箱底部最低位置，使换油时油液和污染物能顺利从放油孔流出。在设计油箱时，从结构上应该考虑清洗换油的方便，设置清洗孔，以便油箱内沉淀物的定期清理。（7）当液压泵和电动机安装在油箱盖板上时，必须设置安装板。安装板在油箱上通过螺栓加以固定。（8）为了能够观察向油箱注油的液位上升情况和在系统过程中看见液位高度，必须设置液位计。（9）按G

26、B/T 37661983中5、2、3a规定：“油箱的底部应离地面150mm以上，以便于搬移、放油和散热”。（10）为了防止油液可能落到地面上，可在油箱下部或上盖附近四周设置油盘。油盘必须有排油口，以便于优盘的清洁。油箱的内壁应进行抛丸或喷砂处理，以清除焊渣和铁锈。待灰砂清理干净之后，按不同工作介质进行处理或涂层。对于矿物油，常采用磷化处理。对于高水基或水、乙二醇等介质，则采用与介质相容的涂料进行涂刷，以防油漆剥落污染油液。7.3油箱容量的计算 油箱有效容量一般为泵每分钟流量的3-7倍。对于固定设备，空间、面积不受限制的设备，应采用较大的容量。如冶金机械液压系统的油箱容量通常取为每分钟流量的7-10倍，锻压机械的油箱容量通常取为每分钟流量的6-12倍。 油箱容量大小可以从散热角度设计，以下通过热平衡角度计算油箱的容积。7.3.1发热计算1. 液压泵功率损失H1 式中：P液压泵的输入功率， 液压泵的总效率，一般在0.7-0.85之间，这里取0.8 液压泵实际出口压力，Pa 液压泵的实际流量，m3/s所以 kw2. 阀的功率损失H0式中：p单向阀的压力降，Pa q经过单向阀的流量，m3/s所以： kw3. 管路及其他损失H3此项功率损失，包括很多复杂