矫直机的设计

第一章 绪论 ............................................................. - 1 -

1.1课题研究的背景和意义 ............................................. - 1 -

1.1.1金属板材矫直技术概况 ....................................... - 1 - 1.1.2平行多辊薄板矫直机国内外概况 ............................... - 2 - 1.1.3国内外实际生产中矫直技术概况举例 ........................... - 3 - 1.1.4课题研究的提出及意义 ....................................... - 4 - 1.2本课题的研究内容 ................................................. - 4 - 第二章 液压矫直机的工作原理和系统构成 .................................... - 5 -

2.1 矫直原理 ........................................................ - 5 - 2.2液压矫直机的设备机构及用途概述 ................................... - 5 -

2.2.1矫直机本体 ................................................. - 5 - 2.2.2换辊装置 ................................................... - 8 - 2.2.3主传动装置 ................................................. - 8 - 2.3液压矫直机的液压伺服控制系统设备 ................................. - 9 -

2.3.1液压泵站 ................................................... - 9 - 2.3.2主AGC液压缸 ............................................... - 9 - 2.3.3液压伺服阀台 ............................................... - 9 - 2.4液压矫直机电气控制系统 ........................................... - 9 -

2.4.1电气控制系统的方案 ........................................ - 10 - 2.4.2自动控制系统的功能 ........................................ - 10 - 2.5本章小结 ........................................................ - 10 - 第三章计算元件的参数和选型 .............................................. - 11 -

3.1选择系统供油压力 ................................................ - 11 - 3.2求液压缸相关参数 ................................................ - 11 - 3.3确定伺服阀规格 .................................................. - 13 - 3.4 液压泵计算及选型液压泵的选择 .................................... - 14 - 3.5 电动机计算及选型 ................................................ - 15 - 3.6的计算 ...................................................... - 16 -

3.6.1直径的计算 ................................................ - 16 - 3.6.2壁厚的计算 ................................................ - 16 - 3.7油箱计算及选型 .................................................. - 17 -

3.7.1油箱的选型 ................................................ - 17 - 3.7.2 热平衡计算 ................................................ - 18 - 3.8压力传感器选型 .................................................. - 18 - 第四章 液压伺服系统设计 ................................................. - 20 -

4.1 拟定系统原理图.................................................. - 20 - 4.2电液伺服阀传递函数 .............................................. - 20 - 4.3液压缸传递函数 .................................................. - 20 - 4.4 确定闭环函数的传递函数及建立数学模型 ............................ - 21 - 4.5 绘制系统开环伯德图并根据稳定性确定开环增益 ...................... - 22 - 4.6 求闭环系统的频宽 ................................................ - 23 - 第五章 结论与展望 ...................................................... - 25 -

5.1 论文总结 ....................................................... - 25 - 5.2 存在问题及工作展望 .............................................. - 25 - 参考文献 ............................................................... - 27 - 对本课程的意见 ......................................................... - 28 -

液压控制系统结业论文

第一章 绪论

1.1课题研究的背景和意义 1.1.1金属板材矫直技术概况

随着我国板材生产规模的不断扩大，各厂家日益认识到板形在生产与市场销售中的重要性。不良板形的外部表现是板材上常见的中心波浪、边浪、瓢曲、扭曲、镰刀弯或局部‘鼓包’等。板材的不良板形实际上在连续铸轧过程中就已经产生了，连续铸轧的温度、辊形、压下、冷却水温、水压等因素都可能在铸轧板坯中引起不均匀内应力，而最终导致板形缺陷。若将板带看作由无数条纵向金属纤维连结而成的材料，则不良板形材料中内应力的出现，正是因相邻纤维间存在长度差之故。由于邻近纤维间的相互制约，长纤维受压应力，短纤维受拉应力。因此，板带横向厚度差与板形有着密切的关系。横向厚差大的板带，一般板形都不好，但因只需几微米的横向厚差即可造成明显的板形缺陷。因此，有些横向厚差很小的材料，板形也完全有可能不符合要求[1][2]。

随着民用消费类产品需求不断增加，市场对薄板需求也大幅度提升。而薄板往往加工成卷板，这样便于材料运输。购买卷材替代板材作为原材料，在现场对卷料按照要求进行加工不仅能够降低原材料的成本，还能提高利用率。而卷板材生产和运输时易产生弯曲、翘曲、扭曲、波浪形屈曲，这些变形如果得不到及时有效的矫正，将严重影响着产品质量和数量的提高，尤其是本身作为工具的高精密仪器仪表和刀具，它们对用材平整度要求极其苛刻。

目前，控制手段良好的冷轧机，在冷轧过程中能部分的改善不良板形，但却不可能彻底消除。而有些冷轧机比较落后，生产过程完全由人工操作，因此，在改善板形方面存在不少困难。矫直技术多用于金属板材加工的后部工序，尤其是精整矫直是从根本上改善板形的最终工序，决定了产、成品的最终质量水平[3][4]。

矫直工序由各种矫直机来完成，现在正在应用的矫直机按工作原理不同划分为五大类:

①复弯曲式矫直机，如压力矫直机及辊式矫直机，他们是靠压头或辊子在同一个平面内对工件进行反复压弯并逐渐减小压弯量，直到压弯量与弹复量相等而变直。

②旋转弯曲式矫直机，是工件在塑性弯曲状态下以旋转变形方式从大的弯矩区向小的等弯矩区过渡，在走出塑性区时弹复变直。旋转者可以是工件，也可以是变形方位。如常见的斜辊矫直机，转毅式矫直机及平动式矫直机。

③拉伸矫直机，它依靠拉伸变形把原来长短不一的纵向纤维拉成等长度并进入塑性变形后经卸载及弹复而变直，如钳式拉伸矫直机及连续拉伸矫直机。

④拉弯矫直机，他是把拉伸与弯曲变形合成起来使工件两个表层的较大拉伸及全

- 1 -

液压控制系统结业论文

截面的拉伸变形三者不在同一时间发生，全断面各层纤维的弹复变形也不是同时发生的，既防止了板带的断裂，又提高了矫直质量。

⑤拉胚矫直机，它是在拉动连铸胚下行的同时使铸胚的弧形弯曲渐伸变直。 对于1一3mm的金属薄板，平行多辊矫直机应用最广，技术也最成熟。这种矫直机克服了普通压力矫直机断续工作的特点，成倍地提高了矫直效率，使矫直工序得以进入连续生产线，而且可以达到很高的矫直精度。 1.1.2平行多辊薄板矫直机国内外概况

平行多辊薄板矫直机国内外发展很不平衡，国内基本上还停留在传统的手动调节及机械传动方式，位置精度只有士0.smm，而国外已经实现了计算机电液自动控制，位置精度已经达到0.lmm，且有良好的人机界面，便于现场工程师操作。

在中国销售高精度薄板矫直机的海外公司主要有三家，瑞士海莫乐公司、双郁机械公司和美国的IO认rA精密工业公司，后两家公司矫直机都作为卷板材加工流水线工序设备，而瑞士海莫乐公司作为专业矫直机制造公司，性能最好。它采用液压系统来控制矫直机的辊缝，公司产品广泛应用于汽车、建筑玻璃、精密仪器仪表和工具等领域。这三家的矫直机都能实现计算机数值控制(CNC)，而且海莫乐公司矫直机能自动感应压应力，采用双闭环控制，实现了智能化，但价格不扉，一台20一30万美金。

国内的情况是:北京机械工业自动化研究所机器人工程中心开发的一套开卷、矫平、剪切、堆垛生产线技术中，矫平机能实现计算机数值控制(CNC)，但矫直机的间隙调整由标尺指示，并没有采用闭环控制，所以位置控制精度仅有士0.5~。生产制造公司有国营西北机器厂、富地机械、山东省淄博市桓台齐光锻压机床厂、无锡梅里精品机械和湖北重型机器集团，前后辊缝间距全部采用手动机械调节，位置精度仅依靠蜗轮控制。所以产品的矫直精度不高，不能应用在精矫工序。

由湖北重型集团有限公司同华中理工大学威奇数控公司合作开发的辊式板材矫直机系列，经过近年的完善和发展，在理论上和实践上形成了较成熟的体系。

结构上，采用机械传动和液压传动相结合的方案，并重点加入了液压垫这一专利技术，使得设备结构更为紧凑，精度高，噪声低。控制方便，不仅提供了良好的交互环境.而且在实时性和预警上也对液压、机械和电气各环节实现了全面管理。整套控制系统由一台工控机和PLC组成，矫直精度也达到了0.1mm[5]。

- 2 -

液压控制系统结业论文

1.1.3国内外实际生产中矫直技术概况举例

国内圆锯片加工工序一般是:材料切割，利用冲床进行齿形和穿孔加工，手工焊接，磨床表面加工，热处理，手工矫直，包装。因此，国内圆锯片生产效率低下，质量只是中低档。影响效率的一个关键因素是矫直工序采用手工方式，而经验丰富的矫直高级技工市场奇缺，这也制约了国内圆锯片质量的提高。圆锯片最为重要的两个参数是平整度和跳动，其测量方法是圆锯片不加张力地放置于平台上，测量锯片的端面跳公差，单面最大公差值为跳动，双面最大公差值为平整度。矫直工序作为最后工序控制这两个重要参数，但国内多数都是手工敲击的方式，此种矫直方式不是从机理方面改善锯片的性能，反而大范围的增加了局部残余应力。同时国内圆锯片用材质量差，材质分布不均，冲床加工留下大量局部残余应力，这些因素都影响着圆锯片的质量。

国外圆锯片基造的加工过程一般为，对于高质量的锯片基体:

预材料的矫直→锯片基体的切割→锯片基体的退火→中心孔的加工→锯片基体的张紧→锯片基体的矫真→外形加工→锯片基体的外形加工。而低质量的锯片基体，特别是小规格的锯片基体，加工过程省略了中间环节，由锯片基体的切割后直接进行外形加工。

从上面加工过程可以看出，平面研磨工序基本取消，降低了加工成本。通过两道矫直工序，提高了圆锯片的平整度。通过高质量的轧辊矫直使原材料的状况得到平衡并达到较高的平整度。由此而得到的激光切割后的锯片基体没有影响不良的不平衡现象，并为下道工序提供良好的平整度[6]。

最近十年来国外圆锯制造行业出现了三个显著的特点:l、专用材料，即冷轧和硬

- 3 -

液压控制系统结业论文

度处理后的初加工材料不断增加;2、激光切割板材，齿形和穿孔加工，减少材料的延伸;3、手工矫平越来越为轧辊矫直取代。这三个方面的发展为圆锯片的经济生产提供了可能性。另外，还有助于圆锯片的质量改善、提高生产灵活性以及迅速适应市场需求的能力。

圆锯片制造工业近期和较长时期发展趋势是:

1、在不妨碍灵活性的情况下，提高生产方式的自动化程度; 2、提高加工深度;

3、在大直径范围和圆锯片装配中采用机械矫直; 4、改善预应力的施加和测量。 1.1.4课题研究的提出及意义

通过对材料平整工业的分析，可知平行辊矫直机在材料加工方面应用广泛，但从国内现状可以看出，高精度的液压多辊薄板矫直机(位置精度0.巧mm以下)国内还相当缺乏。基于高档锯片基体(平整度<0.10~，跳动<0.05~)实际生产的需要，研制了高精度液压矫直机。本课题以液压矫直机的控制系统为研究对象，它具有重要的工程意义。

对于液压伺服控制系统，有很多先进的控制算法，但是大部分都停留在计算机仿真阶段，真正应用在实践中并取得良好控制效果的还是以PID为主。本课题利用矫直机一实际产品作为研究对象，通过计算机对该矫直机的位置控制系统进行可行性分析，拓宽了电液伺服控制技术的应用领域，对其它相关课题的研究具有一定的参考价值。

1.2本课题的研究内容

液压矫直机电液控制系统包括压下位置控制系统(辊缝控制系统)和送料速度控制系统，而送料速度控制系统其精度不作要求，因此本课题研究的重点是液压矫直机位置控制系统。前面介绍的海莫乐公司的矫直机综合位置精度达到0.Ilnm，由于系统本身存在多种不可补偿的误差因素，所以允许的控制误差范围是很小的，尤其在国内机械加工装配的条件下，要达到海莫乐公司矫直机同样的精度，就需要对实际位置控制系统进行深入研究，选取合理元件组成系统，并采用最适合实际位置控制系统的液压伺服控制策略。

本课题研究的内容是高精度液压矫直机电液伺服控制系统，主要包括: 液压矫直机的工作原理和系统构成 计算元件的参数和选型 液压伺服系统设计

- 4 -

液压控制系统结业论文

第二章 液压矫直机的工作原理和系统构成

2.1 矫直原理

液压矫直机矫直原理：金属材料不管其原始弯曲程度有多大差别，但是在较大弹塑性弯曲条件下，其在弹性回复后残余弯曲程度差别会明显减小，甚至会趋向一致。随着压弯程度的降低，残余弯曲会趋于零值，从而达到矫直目的。辊式矫直机的工作原理就是：在矫直辊压下力的作用下，使板带材发生弹塑性变形，当消除矫直力，板带材弹复后，一部分的原始曲率减少了。剩余的曲率则作为下一个矫直辊的原始曲率，经过多个矫直辊的作用，剩余曲率逐渐减小、最后使板带趋于平直[18]。由于钢板中性层的金属不发生屈服变形，因此整个钢板不可能产生固定的延伸。当钢板在宽度方向上某些区域以一个较小的半径发生弯曲时，就会使长度较短或绷得较紧的部分延伸，如图2.1所示。这些地方的延伸仅限于钢带外层金属，也是和拉伸矫直的不同之处，最终钢板达到较高的平直度，形成的残余应力可以在进一步弯曲或剪切时被消除[19]。

图2.1 方钢坯连铸机工作示意图

2.2液压矫直机的设备机构及用途概述

液压矫直机由矫直机本体、换辊装置、主传动装置三大部分组成。 2.2.1矫直机本体

矫直机本体由预应力机架、液压压下装置、平衡装置、辊系、接轴托架装置、机架辊装置、液压弹簧卡紧装置、平台及梯子等部分组成。主体的机械机构如图2.2所示。

- 5 -

液压控制系统结业论文

图2.2 机械结构

（1）预应力机架

机架采用预应力框架焊接结构。由两个上横梁、两个中间框架、底座、四根预紧螺杆、八个螺母（四个液压螺母）组成。机架的装配是通过超高压油泵给压力油，使四个拉紧螺杆受拉产生伸长，通过垫片填充液压螺母与上部横梁之间的空隙，从而实现机架的组装和预紧。在矫正时可抵消机架的变形量。具有机架的刚度系数要比普通机架的刚度系统大、重量轻、加工和安装运输比较方便等特点。

（2）液压压下装置

液压压下装置采用四个带位移传感器的液压缸实现压下、抬起动作。

压下机构的作用是用于调整上排矫直辊位置，达到矫直不同厚度钢板辊缝的调整要求；通过入口侧两压下缸和出口侧两压下缸的单独和同步调整，实现上辊系沿矫直方向向前或向后倾动及整体平行上下移动，同时通过左右两侧压下缸的单独调整实现辊系的左右倾动功能。倾动可在过钢或非过钢下进行。通过压下缸位移传感器显示矫直辊的开口度大小以及倾动量[21][22]。

压下装置还带有弯辊机构，由两个上压力框架通过三个联接轴、推力架和弯辊缸组成，可以实现上矫直辊的预弯。

压下装置的另一个作用是实现快速松卡功能。在正常工作时，压下缸充满压力，此时，单向阀关闭，油路是锁死的。当出现故障时，由电接点压力表自动给出信号或人工给出信号，打开单向阀卸油，使压下缸快速抬升[23]。在平衡装置的作用下，矫直辊上抬，这样可以迅速处理卡住的钢板，同时可以起到保护设备的功能。

（3）平衡装置

平衡装置是由固定在机架上的四个液压平衡缸组成。

平衡装置的作用是平衡上辊系和上压力框架装置的重量，使上辊系和上压力框架跟随压下缸一同上下移动，并消除压下缸与上压力框架在矫直力方向上的间隙。

（4）辊系

- 6 -

液压控制系统结业论文

辊系由矫直辊、支承辊、上、下辊盒等组成，辊系结构如图2.3所示。

图2.3 棍系结构图

为提高边辊的刚度，在边辊下设置了支承辊，并增设了边辊升降装置，用以调整边辊升降量。

① 矫直辊

上下矫直辊装置是进行板材矫正的主要部件，上下矫直辊交错排列，上矫直辊轴承座固定在上辊盒上。下矫直辊的轴承座固定在机架窗口的下辊盒上。矫直辊材质为60CrMoV，辊身表面硬度HS78～83（HRC58～61）,辊面具有硬度高、良好的耐磨性等特点，并且加工精度和表面光洁度高，提高了被矫钢板的表面质量。轴承采用双列向心球面滚子轴承（SKF、FAG），轴承润滑采用油气润滑[24]。上、下矫直辊及边辊采用中空通冷却水冷却（内冷方式）。

② 支承辊

边辊设有3根支承辊，其余九根矫直辊每根辊下面（上面）均设有6根（6排）支承辊；并通过错位板，使支承辊轴线与矫直辊轴线错位，呈交错布置形式，增加了工作辊的稳定性。

支承辊辊身表面硬度HS70～75（HRC53～56），支承辊轴承采用高承载能力的双列球面滚子轴承（SKF、FAG），轴承润滑采用油气润滑[25]。

③ 上辊系

上辊系设有上辊盒、上支承辊装置和上矫直辊装置等。在工作时，该装置通过液压卡紧装置（连杆机构）使其与上压力框架紧紧连成一体，矫直力由上压力框架传递到压下装置上。上辊盒底部开有多个孔，以便迅速带走钢板上方的热气流，降低支承辊轴承座的温度。换辊时，通过液压卡紧装置使上辊系与上压力框架快速脱开，以实现上、下辊系的整体快速换辊。

④ 下辊系

下辊系设有下支承辊装置、下矫直辊装置、边辊装置等。在工作时，该装置座落在机架底座上，并由销子定位。矫直力通过下辊系传递到机架上。下辊盒与机架底座上对应开有多个矩形孔，以利于矫直过程中脱落的氧化铁皮顺利地落入地沟。

（5）边辊调整装置

- 7 -

液压控制系统结业论文

边辊调整装置布置在下机架上，由液压马达、同步轴、螺旋千斤顶组成。通过边辊调整装置可以实现边辊的单独垂直调整。边辊调整量通过编码器传递信号显示。并通过限位开关控制其行程极限位置。

（6）接轴托架装置

接轴托架装置是由托架、油缸、液压马达、同步轴、螺旋升降机等组成。它能保证在换辊时旧矫直辊抽出后，所有的万向接轴得到固定，并保证新辊推入矫直机时，顺利地整体插入万向接轴。

（7）液压卡紧装置

液压卡紧装置固定在压力框架上，由液压缸和连杆机构等组成。液压卡紧装置在更换辊系时可快速脱开和卡紧，操作简单可靠、方便，为快速换辊节省了辅助时间。

（8）机架辊装置

机架辊装置位于机架进口和出口侧，布置在矫直辊与辊道之间。由两台减速电机分别驱动，用于连接辊道和矫直机，顺利导入、导出钢板。传动箱采用油池润滑。

（9）左右侧导板

左右侧导板用于保护机架，辅助导入导出钢板。 （10）平台、梯子

在矫直机本体上，安装有检修操作平台和斜梯。平台、梯子可以为矫直机检修、安装提供工作空间。 2.2.2换辊装置

为了实现设备在线的辊系快速更换，非传动侧安装有快速换辊装置。包括万向接轴夹紧和机外换辊装置。万向接轴夹紧采用液压缸驱动结构；机外换辊采用电机驱动链轮链条实现辊系的整体移动，换辊重量约为90t，最大单体起吊重量按50t考虑。控制系统可实现自动和点动切换。 2.2.3主传动装置

主传动部分由主电机、安全联轴器、减速机、联轴器、齿轮机座及万向接轴等组成。传动系统由两台650kW交流变频电机通过安全联轴器→减速机→联轴器→齿轮机座→万向接轴→矫直辊装置，使设备转动运行。

齿轮机座和减速机内部齿形采用渐开线硬齿面齿形，齿形淬火后进行磨齿，其优点是传递力矩大，使用寿命长。同时采用的标准润滑站润滑，电控部分与其有联锁信号，只有在有稀油润滑的前提条件下设备才能启动工作，防止齿轮机座和减速机在无润滑的情况下工作[26]。

为了让矫直辊轴头能准确方便地插入万向接轴，矫直辊端部和万向接轴头部采用内外渐开线花键的结构形式。接轴采用十字型万向接轴，接轴的一端与矫直辊传动端

- 8 -

液压控制系统结业论文

相连，另一端与齿轮机座相连。 2.3液压矫直机的液压伺服控制系统设备

矫直机液压伺服控制系统主要有液压泵、AGC液压缸及液压伺服阀台组成。 2.3.1液压泵站

液压站由主泵装置（轴向变量柱塞泵装置）、循环泵装置、蓄能器及蓄能器安全阀组、油箱及附件组成。主泵装置有四台，其中三台工作一台备用（可互换）。油箱结构采用不锈钢焊接方型油箱，钢管（无缝钢管）、管件、法兰和接头材质为不锈钢，管路采用焊接方式，在需检修的地方采用法兰接头连接。工作介质为N46抗磨液压油。过滤精度5μm，系统油液清洁度NAS5级[27]。主循环过滤系统油泵选择seim产品，一用一备；站内配备温度、压力等检测元件，能自动调节站内温度。液压站油箱其上设有液位、液温等控制检测仪表。如图2.4所示为以泵和阀为主的液压柜。

图2.4 液压站

2.3.2主AGC液压缸

矫直机液压伺服系统中采用的是四个带位移传感器的液压缸。位移传感器为MTS磁尺，分辨率为0.002mm，数量4个；压力传感器，用来测量矫直力，矫直力测量精度0.3%，数量8个。 2.3.3液压伺服阀台

液压伺服阀台主要包含电液伺服阀、电磁换向阀、电磁溢流阀、减压阀、插装阀、阀前过滤器、蓄能器以及单向阀等。 2.4液压矫直机电气控制系统

- 9 -

液压控制系统结业论文

2.4.1电气控制系统的方案

矫直机主传动采用交流变频调速,其中主传动2台变频器分别控制两台主电机运行，控制方式采用由光电编码器反馈的闭环速度控制。主机传动既可手动，也可实现在线速度匹配和自动运行。主传动和压下、换辊设有联锁控制。

PLC可编程序控制器作为基础自动化控制的核心，主要完成主传动、压下、更换辊系及液压、稀油、油气、干油泵站的逻辑控制、数算及PROFIBUS-DP数据交换，矫直机本体的操作、控制[28]。 2.4.2自动控制系统的功能

控制系统采用西门子S7-400系列PLC来完成矫直机各种逻辑控制，与其它PLC之间的通讯采用工业以太网，与ET200之间的通讯采用profibus DP网络[29]。

矫直机逻辑控制分为生产状态控制和维护状态控制：1）生产状态控制有自动控制、半自动控制和手动控制三种控制模式；2）维护状态控制主要指换辊逻辑控制，其中也包括通过各现场就地操作箱等设备进行控制。

自动控制主要是矫直机电气系统的逻辑控制，包括各机械机构动作的位置控制，液压系统和润滑系统的逻辑控制，系统参数和工艺参数的显示和系统故障报警等控制功能。

半自动控制是某些关键环节在人工确认下自动运行。

手动控制是利用手动操纵杆和人机界面，通过PLC系统来实现矫直机的生产和维护。 2.5本章小结

本章首先介绍了液压矫直机的工作原理、压下方案以及矫直机液压AGC的特点，然后分析了液压矫直机的设备机构、液压伺服控制系统设备及电气控制系统，从而得到液压矫直机液压系统和电器控制元件组合连接，液压压下控制系统中各元件协同工作的方式，及各元件的精度对整个系统工作精度的影响。

- 10 -

液压控制系统结业论文

第三章计算元件的参数和选型

3.1选择系统供油压力

压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到，从材料消耗角度看出不经济；反之，压力选得太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。一般来说，对于固定的尺寸不太受限的设备，压力可以选低一些，行走机械重载设备压力要选得高一些。

表3.1 几类机器常用系统压力

机床 设备类型 磨床 系统压力（MPa） 0.8~2 组合机床 龙门刨床 3~5 2~8 拉床 8~10 农业机械、小型工程机械 10~16 液压机、重型机械 20~32 参考表3.1，选取此系统压力Ps=20MPa。 本次设计的原始数据如表3.2所示：

数 参 据 数 最大校直力（kN） 调节行程（mm） 最大调节速度（mm/s） 系统频宽f0.7（Hz） 校直精度（mm） 数 据 IV 950 400 50 9 1.5 3.2求液压缸相关参数

由已知数据

最大校直力Fmax950KN，则最大负载力FLmax=Fmax950KN

工程上常用近似计算的方法确定执行元件的主要规格尺寸和比例阀空载流量，按

2最大负载力FLmax确定执行元件的规格尺寸，并限定比例阀的负载压力pL≤ps，则液

3压缸的有效面积为

ApFLmax3FLmax7.13102m2 pL2ps由液压缸有效面积计算出液压缸的内径D=301.27mm，查机械设计手册液压缸内径尺寸系列，选择D=320mm。则液压缸的有效面积为Ap8.0410-2m2。

- 11 -

液压控制系统结业论文

由《机械设计手册》第四版第4卷活塞杆直径计算可知：活塞杆是液压缸传递力的重要零件，它承受拉力、压力、弯曲力和振动冲击等多种作用力，必须有足够的强度和刚度。根据《机械设计手册》第四版第4卷活塞杆的计算表17-6-16，如图3.1：

图3.1

查机械设计手册，速比为2可得活塞杆直径Dd220mm

已知调节行程S400mm，选用对校直机液压缸的工作环境分析可知：选择常温缸（-35°~100°），对其安装方式选择头法兰固定式（TF）。分析选取液压缸头法兰固定方式的UY系列液压缸技术参数表21-6-45可知，选取长度为L1S1075mm

图3.2

对上述参数的计算可以对方坯校直机液压系统的液压缸进行选型，其具体型号：UY TF 11 320-900-400-16选择其安装方式选择头部法兰固定式，对已选取的方坯校直机液压系统的液压缸进行具体参数、外形及安装尺寸方面分析如下： （1）液压补偿缸参数（表3.2）：

表3.2 液压补偿缸参数 液压缸直活塞杆直活塞面积 杆端承受

- 12 -

工作压力 液压控制系统结业论文

径D/mm 径d/mm 320

220 /cm2 804.25 面积/cm2 速比/ 424.13 2 21Mpa 推力/KN 1688.92 拉力/KN 0.67 （2）液压缸外形（图3.3）：

图3.3 头法兰固定式（TF）液压缸外形尺寸

（3）液压缸外形尺寸（图3.4）：

图3.4 液压缸外形尺寸

3.3确定伺服阀规格

动力元件能给出的最大速度为50mm/s，则伺服阀最大空载流量为

q0mvmaxAp4.02103m3s241.4Lmin

- 13 -

液压控制系统结业论文

式中 vmax——负载最大速度

Apvmax2——活塞杆腔有效面积

所以由已知的供油压力ps20Mpa和电液伺服阀空载流量

根据《机械设计手册》第三版第4卷P23696,选取伺服阀为MOOG系列的，型号为：35

具体参数如下表

表3.3伺服阀参数表

额定流量 额定供油压力 线圈电阻 压力增益 工作温度

170L/min 额定电流 供油压力范围 滞环 工作介质 重量 40mA 1～28MPa <3 MIL-H-6083 0.50㎏ 21MPa 80 >30 -4～135°C 3.4 液压泵计算及选型液压泵的选择

由机械设计手册可知：为了保证系统正常运转和使用寿命，一般在固定设备中，正常工作压力为泵的额定压力的80%；要求工作可靠性较高的系统或移动的设备，系统正常工作压力为泵的额定压力的60%~70%。

20Mpa分析可选取泵的额定压力为：pa25Mpa。

0.8对于机械设计手册第5卷表21-5-4 各类液压泵的主要技术参数分析，（如图3.5所示）：

q0m241.4L/min

图3.5 各类液压泵的主要技术参数

对液压泵的选择选取双作用叶片泵，其压力范围为：6.3~32Mpa，满足系统的要求。

液压补偿缸的活塞有效面积S=804.25cm2。通过对于液压系统的最大负载速度进

- 14 -

液压控制系统结业论文

行分析，由于液压缸采用的结构模式，其单位时间内下降速度取 ，可以得到液压缸单位时间排量：

1VmaxSvmax2010.62cm3/s120.6L/min

2即液压泵应向液压缸提供的最大流量为120.6L/min，若回路中的泄漏按液压缸输入流量的10%计算，则泵的流量应为

qp1.1120.6L/min132.7L/min

根据以上压力和流量的数值查阅产品样本，最后确定选取PFE-52110型柱销式叶片泵。其图3.6所示：

图3.6 单泵PFE*2系列技术参数

若取液压泵的容积效率v0.9，则当泵的转速np1800r/min时，液压泵的实际输出流量为：

qp[13812000.9/1000]L/min149.0L/min

3.5 电动机计算及选型

液压泵的工作压力为25Mpa，流量为149.0L/min。取泵的总效率为液压泵驱动电动机所需的功率为：

p0.85，则

PPpqpp25149kw73.04kw

0.8560有机械手册（JB/T 7840—2005）查得选 YZRW系列机座型号280M电机。如图3.7

- 15 -

液压控制系统结业论文

图3.7

3.6的计算 3.6.1直径的计算

内径主要由油液的速度确定，直径小、流速高、压力损失大，甚至产生噪声；直径大，占用空间大，机器重量增加，因此要合理选用管内径。

d4.61 q 149

pv4.610.862.91mm式中 qp液体流量

v按推荐值选，取v0.8 3.6.2壁厚的计算

受拉伸接薄壁筒公式计算壁厚

pdpd2062.91 6.19mm （6.2）

6102p2b26n 式中 p——工作压力

p——许用应力，钢管：P n b——抗拉强度，选用45＃钢，所以b610MPa n——安全系数，此处p21MPa，n6

所以d62.96.1969.09mm

b - 16 -

液压控制系统结业论文

考虑到连接时螺纹对强度的削弱，选择管壁适当增大。

所以选择钢管外径为：d70mm；此时壁厚为：7mm；管接头连接螺纹为：

M701.5mm

3.7油箱计算及选型 3.7.1油箱的选型

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。

综合上述条件，采用最大工作原理计算，通过机械设计手册见图3.8可选规格为1500L的不带支撑脚的矩形油箱。

可选取如下规格为1500的油箱：

图

3.8不带支撑脚的矩形油箱

油箱的外形如下图所示：

图3.9 油箱的外形

- 17 -

液压控制系统结业论文

3.7.2 热平衡计算

功率的最大损失为液压泵的全部流量直接回油箱，此时功率损失为H69kw 油箱尺寸的长、宽、高之比为（1:1:1）~（1:2:3）之间，油面高度达到油箱高度的0.8，油箱靠自然冷却使系统在允许温度Ty以下，则油箱散热面积为：

A6.663V

2式中：V—油箱的有效体积，m3 则散热面积

A6.663V29.32m2

因为油箱中油液的温度一般为30~50℃,最高不超过65℃。由公式可得

kH462.71TTAy0 式中：k—传热系数

Ty—由机械设计手册规定的温度范围，取40k T0—取室温24k 由此可知必须得选冷却器。

由上面算得的传热系数，选取水冷式冷却器。型号选4FQFW3,参数如表3.4。

型号 换热面积/m2 传热系数/w(m2K1) 设计温度/0C 工作介质压力/MPa 冷却介质压力/MPa 油侧压力降/MPa 介质粘度/106m2s1 表3.4 4FQFW3型冷却器的主要参数

4FQFW3 1.3~5.3 523~580 80 1.6 0.4 <0.1 10~50 3.8压力传感器选型

选择上海奥博生产的AOB型传感器 技术参数 l、量程：25MPa

2、使用介质：流体(气体或液体)压力 3、输出信号：4~20mADC(三线制) 4、电源：15~30VDC 5、过载：标准量程的150％

- 18 -

液压控制系统结业论文

6、工作温度：-10℃~+60℃ 7、精度等级：0.5，0.3 8、壳体材料：不锈钢361L 长期稳定性：<0.2％FS/年

- 19 -

液压控制系统结业论文

第四章 液压伺服系统设计

4.1 拟定系统原理图

因为是力控系统，而且要随动控制，控制精度要求高，所以选择闭环控制，响应要快所以选择阀控，由输入信号和反馈信号可知是电液伺服，综上所述系统方块原理图如图4.1所示。

ur力信号电压ucuf积分放大器 伺服阀 液压缸Fg 负载 m，K 力传感器

图4.1

4.2电液伺服阀传递函数

供油压力益为

ps20Mpa时，阀的空载流量

q0m4.02103m3/s。电液伺服流量增

q0m4.0210-33Ksvm/s•A0.1m3/s•A

In0.04由样本查得电液伺服阀固有频率传递函数为

Q00.12 s20.7Is12560560sv560rad/s，阻尼比ζsv=0.7。于是比例阀的

4.3液压缸传递函数

取总压缩容积为：

Vt3.52Ap3.523.148.0410-21.77m3 式中，3.5是考虑无效容积的系数。

取伺服阀的流量-压力系数为Kc3.51011m3sPa，忽略液压缸泄露，则

KceKc，取e7108Pa

液压缸-负载环节的传递函数为：

- 20 -

液压控制系统结业论文

FgXVs2Ap(21)Kcewm 20ss2(1)(2s1)wrw0w0Kq式中wm——负载的固有频率。wmK mt wr——液压弹簧与负载弹簧串联偶合的刚度与阻尼系数之比， wr

Kce2Ap(11) KhKw0——液压弹簧与负载弹簧并联偶合的刚度与负载质量形成的固有频率

wmKh1K

w0 0——阻尼比，取0.2 带入数据得传递函数为：

s22.310Kq(1)8Fg1.2110ss2 XV(1)(0.11s1) 60.541012.329通过以上确定的传递函数，可画出方坯校直机系统的方框图，如下 s29+ 0.12.310K(1) v8Fg 1.21102s20.7K2 s1ss2Xv2(1)(0.11s1)56056060.541012.32 — F 2102图4.2

4.4 确定闭环函数的传递函数及建立数学模型

通过以上对于各环节的计算可以确定闭环系统的开环传递函数，并建立方坯矫直机系统的数学模型如下：

- 21 -

液压控制系统结业论文

Gk(s)B(s)G1(s)G2(s)G3(s)H(s) (s)由以上各环节传递函数计算得出结果G1(s)，G2(s)，G3(s)和H(s)联合计算得：

s24.610Kq(1)8 1.2110Gk(s)s220.7ss2(s1)(1)(0.11s1)265605600.541012.3211

化简得：GK(s)6.9K2 22s20.7s1.43s(s1)(s1)5602560132134.5 绘制系统开环伯德图并根据稳定性确定开环增益

对校直机系统绘制闭环伯德图，通过Matlab软件用频率法判定系统的稳定性，

由方块图4.2绘制Kv=1时的开环伯德图，见图4.3。然后通过将图中零分贝线下移至某一点，使系统达到稳定性的条件

[11]

：

(wc)30~60Kg(dB)6dB

图4.3 当Kv=1时系统开环伯德图

为达到满足系统稳定性的必要条件：相角稳定裕度=50°，通过Matlab软件绘

- 22 -

液压控制系统结业论文

制出bode图用频率法分析得到图4.4，可知满足系统稳定性的条件。计算出频域指标：幅值裕度Lh=12.12dB；穿越频率wg=12.7rad/s；剪切频率wc=5.85rad/s。此时系统增益裕量Kg=9.44dB，开环增益Kv=12

图4.4 当Kv=6时系统开环伯德图

由图4.3分析得系统的开环增益：

Kv1K20.133.326.7K2

所以放大器增益为：

K2Kv121.94 6.76.74.6 求闭环系统的频宽

由系统传递函数的开环伯德图，通过尼柯尔斯图可以求得系统的闭环伯德图，如图4.5所示，由该图可得到闭环系统的频宽f0.7dB。通过图形曲线处理分析求得系统的截止频率wb，具体处理方式如下：对幅频特性M(w)的数值由零频幅值M(0)下降3dB时的频率称为系统的截止频率wb。故得到该闭环系统的频宽为

w56f0.7dB0.7dBHz8.92Hz

22

- 23 -

液压控制系统结业论文

总结：满足系统参数要求。

图4.5矫直机传递函数闭环bode图

- 24 -

液压控制系统结业论文

第五章 结论与展望

5.1 论文总结

液压矫直机电液控制系统包括压下位置控制系统(辊缝控制系统)和送料速度控制系统，而送料速度控制系统其精度不作要求，因此本课题研究的重点是液压矫直机位置控制系统，主要内容包括

（1） 矫直机主要控制参数的数学推导与应用中的简化。 （2） 液压伺服控制系统的数学建模和控制框图。 （3） 对矫直机的控制系统进行计算机仿真。 （4） 可编程序控制器PLC程序的编写。

（5） 通过现场实际数据采集与计算机仿真进行比较。

考虑到矫直机对速度要求只是O一18m/min可调，而对速度控制的精度不作要求，所以速度控制只采用电液比例开环控制。为了得到理想的矫直效果，对矫直机的位置控制精度要求较高，位置控制误差必须小于0.lmm，位置控制系统采用液压伺服闭环控制。经过简化后发现，矫直机是一个五阶I型的控制系统，而I型系统对于阶跃信号不会产生稳态误差，而且系统对于阶跃的响应没有超调，因此实际系统采用实时性最好的P控制器。经过实际的辊缝数据采集，本套系统能满足o.lmm的位置精度要求。因为矫直机工作在辊缝达到稳态值之后，而且由实际采集数据发现控制左前辊缝和控制右前辊缝的液压系统有很好的同步度，所以不需要再加另外的同步算法

[10]

。

查阅的大量文献资料表明，材料平整和具体的圆锯片加工迫切需求高精度轧辊矫直技术，但国内矫直机技术相比国外存在很大差距，尤其高精度矫直机国内很缺乏，本课题选题一个非常重要的意义就在于实现这一产品的国产化，提高国产设备的竞争力。本课题研究内容的重点是，液压矫直机控制系统中的高精度位置控制。从液压位置伺服控制策略的现状和发展分析可以发现，几乎所有的先进控制策略在液压伺服控制系统中都得到应用，例如PID控制、智能控制、自适应控制、鲁棒控制和非线性控制，在液压系统都取得成功应用。

本套板材矫直装置采用平行多辊线性递减矫直法，整体结构包括机械、液压和控制三个部分。辊缝控制采用液压闭环伺服控制，速度系统采用液压开环比例控制，电液控制系统可分为液压传动部分和电气控制部分。

把实测的前辊缝值利用MATLAB进行插值拟合，就得到了实际前辊缝的响应曲线，与仿真曲线比较发现，仿真控制模型比较好地模拟了实际控制系统，理论对实际很好地起了指导作用，同时也发现了两者之间存在的差异。 5.2 存在问题及工作展望

液压矫直机电液控制系统融合了机械、电子、液压以及控制理论和计算机技术，

- 25 -

液压控制系统结业论文

是一个典型的高精度位置伺服控制问题，但由于作者知识水平、时间和条件的，仍有许多工作没能开展。

液压矫直机对圆锯片矫直，需要把锯片来回两次错角90度才能够矫直，而且合格比例也并非100%[11]。其中两个重要的原因是，一是矫直前圆锯片板形存在较大的差异，二是对于不同厚度的锯片，矫直力的幅值波动很大。因此，研究如何自动检测矫直前锯片板形和定量估算矫直力显得相当必要。

同样厚度的圆锯片，若材料不同，则各个位置的设定值也不同，而这些值还需要根据一些材料参数和现场经验进行手动计算。因此，可以考虑把各种材料参数和经验值存入计算机或者控制器数据库，让计算机来进行设定值计算，实现矫直机的全自动智能控制。

本位置控制系统位置精度高，这得益于系统中采用了线性度好的比例伺服阀，但其价格比较高，以后可以尝试采用性能差一点的比例阀，采用先进控制策略使控制精度达到同样的水准，这有利于降低成本，提高产品竞争力。

- 26 -

液压控制系统结业论文

参考文献

[1] 崔甫.《矫直原理与矫直机械》.北京:冶金工业出版社，2002年7月 [2] 崔甫，施东成.矫直机压弯量计算法的探讨.冶金设备，1999年 [3] 张铁.板带平直度的意义与度量.轻合金加工技术.1997，25(l)

[4] [日]高桥，亮一等.热连轧中的板带平直度和断面形状控制.宝钢情报，1990，l [5] 张长丰，熊晓红等.辊式板材轿直机微机控制系统与工艺分析研究.锻压技术，2001，l

[6] EricTheis著，杨连发译.何时对材料矫平最理想.国外金属加工.2001，3 [7] 章宏甲，黄谊.液压传动.北京:机械工业出版社，1992 [8] 陈德池.传感器及其应用.北京:中国铁道出版社，1993 [9] 王春行.《液压控制系统》，北京：机械工业出版社，1999.5 [10] 叶恒，矫直机控制系统的研究，浙江：浙江大学，2004.2 [11] 刘彩玲, 大方坯连铸机关键技术, 重型机械,2006.2.8

[12] 魏端勋，1000t油压校直机液压系统，甘肃科技，2007年9月，第23卷 第9期

[13] 刘江涛，矫直机液压位置伺服系统的研究，微计算机信息，2008 年，第2 4 卷第2 -1 期

[14] 陶维瑛，连续矫直及其拉矫机的研究与应用，四川冶金，2001年，第5期 [15] 王效岗，新式中厚板矫直机的技术特点，山西冶金，2006 年，第2 期 [16] 李骏，压力校直工艺理论研究的现状与展望，机械设计与研究，2004年8月，第20卷第4期

[17] 张泳，液压伺服控制技术在校直机上的设计和实现，工程与试验，2009年，第2期

[18] 单淑梅，液压自动校直机的应用与研究，材料·工艺·设备，1998年，第11期

[19] 庄树明，自动校直机的应用与发展，工程与试验，2009年，第1期 [20] 成大先.《机械设计手册》第五版第五卷，北京：化学工业出版社，2008年3月

- 27 -

液压控制系统结业论文

对本课程的意见

通过几天的努力，终于做完了，我感觉本门课是对我们机电与液压学生一次考验，并且对毕业设计也算是一次实战演习，因为本次设计考察了机电与液压知识，让我们更深一步掌握所学知识，总体来说受益匪浅。 至于对本课程的我有以下几点小建议：

1、本次设计感觉比较吃力，可能是没有把所有的知识融会贯通，希望老师在讲课过程中，多提及一些有利于我们设计或者在以后工作中需要的知识。 2、当然在涉及那些设计知识的时候前提是保证基础知识的扎实，希望在学完基本知识后，老师能留一些设计性作业，当然不需要太难，能够掌握运用那些知识便好。 3、对于设计我们认为很多时候无从下手，大部分原因是我们对设计目标不了解，在需要设计的时候再去查询，这样浪费很多时间，希望老师上课时能多介绍一些有关于设计目标的东西，类似小百科的，或者多余时间有目标性的让同学自己查询并且讲解，老师做以补充。

4、最后感觉理论联合实际还是让知识更容易接受。所以课余时间可以组织兴趣小组，或者老师安排时间带领同学多了解一些各种系统或者仪器的知识。 以上就是我对本课程的一点小建议，如果老师认为有可取之处，希望采纳。

- 28 -