650五机架冷连轧机液压压上系统设计
1450五机架冷连轧机工作辊液压压下系统
摘要
本设计系统为1450五机架冷连轧机工作辊液压压下系统，针对钢板轧机的轧辊的位置偏差进行反馈纠正。主要介绍了目前国内外轧机液压AGC控制的发展状态和发展趋势以及现存的一些问题，本设计主要包括系统原理的设计、元件选择、阀组装配体设计、油箱设计等。本着合理并存有一定裕量、保证工艺要求、降低成本的原则设计本系统。通过这套伺服控制系统，可以精确控制轧机轧制钢板的厚度。
设计中参数的计算、系统原理的设计、元件的选择、油箱的设计等有关问题在说明书中进行了详细的阐述。
关键词冷轧机液压AGC 油箱
Abstract
The design system for the1450 five stand cold rolling mill hydraulic AGC control system for steel mill roll position feedback error correction is a servo control system. Mill at home and abroad are introduced the development of hydraulic AGC control of the state and development trends and existing problems. The design principles include system design, component selection, Manifold Design, valve assembly design, tank design and pump station design, the spirit of reasonable co-exist with a certain margin to ensure the process requirements, the principles of the design cost of the system . Through this servo control system can precisely control the thickness of steel plate rolling mill.
The calculation of the design parameters, system design principles, component selection, integrated block design, the design of pumping stations in the prospectus for the issue in details.
Keywords Cold Rolling Mill Hydraulic AGC Pumping Station
1450五机架冷连轧机工作辊液压压下系统
1450五机架冷连轧机工作辊液压压下系统 第1章 绪论
图1.1 AGC 控制方式简图
第1章 绪论
1.1 课题背景
1.1.1 AGC 概述
AGC （Automation Gauge Control ）,即为厚度自动控制。厚度是板带钢最主要的尺寸之一，随着技术的进步，厚度自动控制已成为现代化板带钢生产中不可缺少的重要组成部分。厚度自动控制（AGC-Automation Gauge Control ）的基本方式是通过测厚仪或者其他传感器对带钢的实际轧出厚度进行连续测量，根据实测值与给定值相
比较得到的偏差信号，借助各种测量装
置调整压下量、张力或压下速度，将轧
机出口厚度控制在允许的偏差范围内。
其基本方式就是通过测厚仪或者
其他传感器对带钢的实际轧出厚度进行
连续测量，根据实测值与给定值相比较
得到的偏差信号，借助各种测量装置调
整压下量、张力或压下速度，将轧机出
口厚度控制在允许的偏差范围内。
1.1.2 AGC 控制的发展情况 近30年来，国外轧机的装备水平发展很快。在冷带轧机上广发利用液压压下、液压弯辊、厚度自动控制、板形控制和计算机控制等技术、在新技术运用方面均已采用液压AGC 系统与计算机控制相结合的DCS ，装设了测量精度高的三测仪表（测厚、测压、测张），且装设了板形检测装置。而国内轧机设备还比较落后，特别是自动控制系统。即使60年代中期从日本、美国等引进的当时属于较先进的单机架轧机，由于当时技术水平的限制，多数未达到设计目标，面临着改造。在采用新技术方面，部分设备采用了液压压下，少数设备将原有的机液伺服改成了电液伺服系统，并装设了AGC 系统，
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安装了三测仪表，实现了张力闭环控制，但是精度不高。面对国内轧机的这种情况及资金短缺的实情，在吸收国外AGC先进控制的基础上，开发实用性、高精度自控系统装备现有的设备，能使我国钢铁冷轧设备的控制水平进一步提高。
由于轧机自动化水平及对板带材的质量要求越来越高，对轧机执行机构及控制系统性能的要求也越来越高。目前，液压技术的应用程度和水平，已成为冶金设备技术水平高低的一项衡量指标。其中液压AGC(Automatic Gauge Control)系统是所有冶金设备中液压技术应用的典型代表，是现代化轧机设备的核心技术。液压AGC系统运行状态的好坏，直接决定了轧机的工作可靠性。长期以来，由于机械设备水平的整体差距，我国的轧机设备主要依赖进口，在技术特别是核心技术方面受到限制。虽然近年来在先进技术的应用方面有重大突破，但仍局限在单机应用的水平。因此，开展液压AGC
系统故障诊断技术的研究不仅对提高轧机设备的生产率、提高设备的维护管理水平具有重要意义，同时也对提高国产轧机设备的应用水平具有重要的社会意义。
1.1.3 AGC控制的发展趋势
在连轧工艺发展过程中，轧制过程模型研究一直为钢铁研究企业所重视，由于轧制内部机理十分复杂，目前对数学模型研究多集中在轧机体系模型，分析轧制过程中某一因素对厚度的影响，如张力、轧辊变形等，所建的模型缺乏全面、完整性。因此，建立一个全面、完整、正确的机电一体化轧制模型，进行轧机体系在轧制过程中的实时动态研究是目前的发展趋势。
1)采用智能控制技术（如神经网络）提高自适应学习的精度。
2)模型计算过程中考虑单元细化，如有限元方法和有限元思想的使用。
3)在控制策略的研究方向，基于反馈控制理论，控制模型出现了两个
研究方向。一是复合控制，即在常规PID控制的基础上，加入前馈、压力、秒流量等控制策略。这种方法在轧钢工业中得到广泛应用，效果良好；二是利用被控对象建模的新方法（如人工神经网络）、自适应控制、预测控制、优化控制的新算法，构造单环反馈系统，由于这些算法
1450五机架冷连轧机工作辊液压压下系统第1章绪论在理论推到研究上有许多假设条件，与实际有很大差距，随着算法的进一步改进，这个方向无疑有很大的发展前景。
1.1.4 AGC控制存在的问题
虽然AGC在各个方面都有了不同程度的发展，但是，由于各方面因素的限制以及AGC控制方式很多，各种AGC复合体统往往相互关联，相互影响，实际上存在最优组合方案。存在的问题和带来的难点主要有：
1) 建立真实反映被控对象内在本质的数学模型比较复杂。冷轧机阀控液压系统是一个多变量、非线性、强耦合、参数时变的且带有随机干扰的不确定系统。目前轧机系统的模型都用二阶惯性环节简化代替，由此利用经典的控制方法设计的控制器很难进一步提高厚度控制的精度，难以适应轧制工艺。
2) 对于闭环系统而言，系统设定值的精度难以保证，从而限制了AGC 的控制精度。
3) 影响出口厚度波动的因素很多。
4) 测厚仪的安装位置，导致了检测到的出口厚度在反馈控制上的滞后。
当前，厚度控制系统的控制存在问题除了上述几个方面，还有其他方面，如轧机的制造水平、测量技术的发展等。
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第2章液压系统原理图的设计
2.1 轧机的工艺要求
表2.11450五机架冷连轧机工作辊液压压下系统设计技术参数
压下缸 2 个
两侧总轧制力1800 T
厚控方式液压AGC
压下缸输出速度 2.5--3 mm/s
压下缸行程280 mm
系统压力28 Mpa
此轧机为五机架冷连轧机，其工艺要求为三个方面：正常轧制——通过力反馈控制辊缝、故障状态——压下缸快速抬起、换辊时——压下缸快速撤消。
2.2 轧机系统组成
液压AGC系统的主要设备由一套以计算机、检测元件为主的控制装置和以一套液压系统（包括泵站、控制阀台等）、液压伺服油缸为主的执行机构组成。每架机架配有2个AGC液压缸，每个缸中心安装一个磁尺，用于检测油缸活塞的位移。同时在每个油缸的活塞测和活塞杆侧均配有压力传感器，检测油缸两侧的压力，得出轧机的轧制力。
2.3 轧机系统原理图
第2章液压系统主要参数设计及元件选择
2.3.1 泵站原理图
图2.1 泵站部分原理图
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说明：辅泵有三个作用：给主泵柱塞泵供油以延长主泵工作寿命、给执行元件液压缸有杆腔产生被压、使多余流量通过溢流阀形成冷却循环；主泵定为恒压变量泵，保证阀台伺服阀的工作稳定性；主泵出口的电磁溢流阀做安全阀用，蓄能器作为辅助动力源，两个温度控制器的作用是保证冷却器和加热器使用时的适当温度。
2.3.2快抬部分原理图
说明：中间辊和工作辊的正负弯用的是堆成控制，中间辊的电磁换向阀为Y型机能，能够实现换辊时的浮动状态。
第3章 液压系统主要参数计算及元件选择
3.1 初选系统工作压力
供油压力选择，由下表
表3.1 各种机械常用的系统工作压力
机械类型
机床 农业机械、小型工程机械、 建筑机械、液压凿岩机
大中型挖掘机、 液压机、 重型机械、
起重运输机械 磨床
组合机床
龙门刨床
拉床 工作压力/MPa
0.8～2
3～5 2～8 8～10 10～18
20～32
取工作压力28s P MPa =。
3.2 液压缸尺寸计算及选择
3.2.1缸尺寸的确定
由于系统压力Ps=28Mpa ，两侧总轧制力Fmax=1800T 则一个缸最压下力 Fmax1 = 9000KN
每个压下缸额定轧制压力：KN F F MAX S 72005
4
=?=
缸最大输出速度Vc=3mm/s=3×10-3m/s 缸行程S=280mm
下面根据以上数据来计算压下缸的尺寸。
A0=
Ps F 1
max =0.482m2 可以得出：
D0=
π0
4A =0.7m
因为系统不一定在最大压力Ps 下工作，所以 取Do 为0.7m 则实际面积Ap=0.385 确定活塞杆直径d
因为取d 与Do 的比值大于0.6 所以d ＝0.7Do 得出d=0.49m
3.2.2 负载压力及负载压力的计算
此压下为混合压下，选择压下速度3/L mm s ν=， 则负载min /3.693385.0L V A Q L P L =?=?=
负载压力a 7.18MP A F
P P
S L ==
实际最大压力：a 38.23p max max MP A F
P ==
快抬时的作用面积：20.04
d (22l =-=
）
D A P π
3.3 伺服阀的选择
阀的空载流量：0(1.5~3)L Q Q =,则16.832.1==L O Q Q 28MPa 下阀的流量()1.15~1.3s
P L s L
P Q Q P P =-, 选系数为1.2，得min
36.130L Q P =
21MPa 下阀的流量n
n P s
P Q Q P =, 解得：90.112n =Q
所以，min
125n L
Q =，最大压力28MPa ，四通零开口，内控内排。
3.4 泵的选择
3.4.1 主泵选择
由原理系统图，为了保证压力的恒定，保护伺服阀，选用恒压变量泵，
应满足要求：min /250min /12522L L Q Q n =?=≥，由样本，选择轴向柱塞泵，型号：,排量A2F355Ml/r ，排量355,设想选用电机同步转速为
1500/min rev ，
则最大流量：min
5.5321500355.0q max L
=?=，满足要求。
3.4.2 辅泵选择
由出口压力要求低，作为补油泵要求流量要大于主泵，排量：400 Ml/r
3.5 电机的选择
3.5.1 主泵电机选择
要求功率max
()100/min 1510015
29.40.85600.85
p p p
p q L MPa P KW KW η??≥
=
==?,
由于是变量泵，一般选法选出的电机一般比较大，参考系统功率，
KW KW FV P 15003.05000=?=≥,所以结合选用电机为Y2系列（IP54）三
相异步电动机,额定功率15KW ，转速1460rpm 。
3.5.2 辅泵电机选择
要求功率max
()160/min 11601
3.1370.85600.85
p p p
p q L MPa P KW KW η??≥
=
==?,
选用电机为Y2系列（IP54）三相异步电动机，额定功4KW ，转速1440rpm 。
3.6 其他阀类元件的选择
3.6.1 溢流阀的选择
溢流阀作用：压下缸有杆腔保护，即若P2油路的出油截止阀未打开，则当压下时，为防止压下缸有杆腔爆掉，采用溢流阀保护。选用直动式溢流阀，设定压力可达10MPa ，最大流量可达120/min L ，最大压力为63MPa ，厂家：REXROTH 。
3.6.2 减压阀的选择
减压阀的作用：给快抬动作提供低压油。由系统原理图，最大流量
150/min L ，最高压力35MPa 。
3.6.3 电磁换向阀的选择
压下部分的电磁换向阀作用：控制快抬动作的启动。此阀为二位四通换向阀，作用：控制快抬动作。通径10。
3.6.5 电磁溢流阀的选择
压下部分的电磁溢流阀作用：快抬时油液回油箱，冲缸冲阀时回油作用，并且有安全阀作用。
3.7过滤器的选择
过滤器一般由滤芯和壳体组成由滤芯上无数微小间隙和小孔组成通流面积。当混入液压介质的污染物粒子的尺寸大于微小间隙活小孔时，杂质被阻隔分离出来。
过滤器按精度分可分为粗过滤器和精过滤器两种；按过滤方式分为表面性过滤器、深度性过滤器和中间型过滤器三种；按滤芯的结构分为网式过滤器、线隙式过滤器、纸式过滤器、磁性过滤器、烧结式过滤器、不锈钢纤维式过滤器和合成树脂过滤器。
选择过滤器时，应考虑以下几方面：
(1) 根据使用目的选择过滤器的类型，根据安装位置情况选择过滤器的安装形式。
(2) 过滤器应有足够大得通油能力，并且压力损失要小。
(3) 过滤精度应满足液压系统或元件的所需清洁度要求。
(4) 滤芯使用的滤材应满足所使用工作介质的要求，并且有足够的强度。
(5) 过滤器的强度及压力损失是选择是需要重点考虑的因素，安装过滤气候会对系统造成局部压降或产生背压。
(6) 滤芯的更换及清洗要方便。
(7) 应根据系统的需要选择合适的滤芯保护附件。
(8) 结构应尽量简单、紧凑、安装形式合理。
3.7.1 伺服阀前过滤器的选择
流量要求：1 1.5~2240/min 80/min n Q Q L L ≥=?=，精度要求：3~5μ，选择过滤器型号：HH143S20DPTWM ，流量可至380/min L ，最大工作压力达42MPa ，精度：5μ，滤芯长度：13英寸，无旁通阀。
3.7.2主泵出口过滤器的选择
流量要求：2 1.5~3(2)380/min 240/min n Q Q L L ≥=?=，精度要求：
5~10μ，流量可至565/min L ，最大工作压力为41.4MPa ，精度为7μ。
3.7.3 辅泵出口过滤器的选择
由于辅泵出口压力比较小，流量较大，所以选用低压过滤器，流量可至
835/min L ，最大压力2.8Mpa ，精度7μ。
3.7.4 回油过滤器的选择
流量要求：321.5~22240/min 480/min Q Q L L ≥=?=，选用过滤器为油箱回油过滤器，为油箱内置回油过滤器，公称流量为630/min L ，最大压力为1MPa ，精度10μ。
3.8蓄能器的选择
3.8.1 蓄能器压力的选择
液压系统中蓄能器是一种能量储存装置，它的作用是在适当的时候把具有一定压力的液压油存储起来，以便在需要时系统从新放出。蓄能器的种类很多，如气囊式、活塞式、气瓶式、重锤式、弹簧式等。选择蓄能器应考虑以下因素：工作压力及耐压性；公称容积及允许吸(排)流量或气体容积；允许使用的工作介质及介质温度等等。其次还要考虑到蓄能器的重量级占用的空间问题；价格、质量及使用寿命；安装维修的方便。蓄能器为压力容器，必须有生产许可证才能生产，所以，一般不能自行设计，制造蓄能器，应选择专业厂家的产品。
本系统中选用气囊式蓄能器。
对于气囊式蓄能器，从保护胶囊，延长使用寿命的角度出发，一般充气
压力01(0.8~0.85)P P =，则泵站高压处蓄能器充气压力
01(0.8~0.85)16P P MPa ==，低压处蓄能器充气压力大约为0.9MPa 。
3.8.2 蓄能器容积的选择
有杆腔连接蓄能器的作用是吸收压力脉动，液压缸有杆腔是恒定的压力油作用，,如果在轧制过程中液压缸有杆腔的压力有脉动,这将引起轧制力的波动,从而影响到产品的质量。因此,为保证轧制力稳定,通常在液压缸有杆腔的进油路上设置液压力脉动补偿蓄能器。 作为辅助动力源，其容量计算为：3
200.285200
0.410()[]2()1m V v P P P =- 式中，
m —— 管路中液体的总质量，估为两个有杆腔的液体
则2320.0240.040.9/0.002m m m kg m kg =???≈
ν —— 管中流速，9/m s ν=
0P —— 充气压力，按系统工作压力的90%充气，00.9P MPa =
所以计算得：
33
223060.2850.285200
0.4100.410()[]0.0019()[] 1.320.910 1.11
()1m V v m L P P P ==??=?-- 选择型号为：NXQ1-L1.6/10-H,螺纹连接为：M42×2，厂家：奉化液压件厂。
泵站的蓄能器作用是：做辅助动力源，根据经验选用>20L
所以，主泵出口处选择型号：NXQ1-L25/10-H 。
3.9冷却器的选择
选择水冷式冷却器。
水冷式冷却器的冷却面积计算： hr hc m
N -N A=K Δt 式中
hr N —— 液压系统的发热功率
hc N —— 液压系统的散热功率
K —— 冷却器的散热系数，见液压辅助元件有关冷却器的散热系数；选20450/K W m C =?
m t ? —— 平均温升(℃)
121222
m T T t t t ++?=- 式中
1T 、2T —— 液压油入口和出口温度，0155T C =,0245T C =
1t 、2t —— 冷却水或风的入口和出口温度，0130t C =,0235t C = 则0121217.522
m T T t t t C ++?=-= (1)hr P c N N η=-
式中
P N —— 输入泵的功率，P N =554()59P N KW KW =+=
c η —— 系统的总效率，一般系统仅达到50%60% ，选60%c η= 则(1)59(10.6)23.6hr P c N N KW KW η=-=?-=
1hc N K A t =?
式中
1K —— 油箱散热系数，由于采用单体式油箱，散热较好，所以选20140/K W m C =?；
A —— 油箱散热面积，油箱有效容积为31.6m 则油箱实际体积：331.620.8
a b h m m ??==，2a m =，1b h m == 则油箱散热面积21.8() 1.58.4A h a b ab m =++=
选此系统的允许的油温为040~70C ,室温定为020C ,则050t C ?=
所以1408.45016.8hc N K A t W KW =?=??=
综上，3
22(23.616.8)100.945017.5
hr hc m N N A m m K t --?===?? 考虑到冷却器长期使用时，设备腐蚀和油垢、水垢对传热的影响，冷却面积应比计算值大30%，实际选用散热面积为：221.30.9 1.2A m m =?=。
3.10加热器的选择
选用电加热器，加热器的发热能力：
C r V Q N T
????≥ 式中，
C —— 油的比热，取016802094/()C J kg C =
r —— 油的密度，取3900/r kg m =
V —— 油箱内油液体积（3m ）
Q ? —— 油加热后温升（0C ）
T —— 加热时间（s ）
，定加热时间为2个小时，即7200T s = 则1800900 1.65 1.87200
C r V Q N W KW T ???????≥== 电加热器的功率：
N P η
=，η取0.6， 则 1.830.6N P KW KW η===。
3.11管路的计算
3.11.1 硬管的选择
根据机械手册，选用钢管如下：
主泵吸油管：压力低于1.6MPa ，所以选用焊接钢管，流量最大为106/min L ，管子外径选用34mm ，壁厚选用3mm ，管接头螺纹为332M ?；
辅泵吸油管：压力低于1.6MPa ，选用焊接钢管，流量最大为160/min L ，管子外径选用42mm ，壁厚选用4mm ，管接头螺纹为422M ?；
辅泵压油口：压力低于1.6MPa ，所以选用焊接钢管，流量最大为160/min L ，管子外径选用42mm ，壁厚选用4mm ，管接头螺纹为422M ?；
主泵压油口：压力大于1.6MPa ，选用无缝钢管，流量最大为流量最大为106/min L ，管子外径选用34mm ，壁厚5mm ，管接头螺纹为332M ?；
回油管：压力低于1.6MPa ，选用焊接钢管，流量最大为160/min L ，管子外径选用42mm ，壁厚选用4mm ，管接头螺纹为422M ?。
压下缸各自入口端：压力大于1.6MPa ，选用无缝钢管，流量最大为流量最大为40/min L ，管子外径选用22mm ，壁厚3mm ，管接头螺纹为22 1.5M ?。
3.11.2 软管的选择
根据公式管子内径的计算
管子内径d （单位：mm ），按流速选取
1130v q d v ≥
式中
v q —— 液体流量（3/m s ）
V —— 流速，荐用流速：对于吸油管v ≤1～2m/s （一般取1m/s 以下）；
对于压油管5～10m/s （压力高、管道短或油粘度较小的情况取大值，反之取小值，局部或特殊情况可取v ≤10m/s ）；对于回油管v ≤2～3m/s 。
主泵吸油管：选1/m s ν=，解得：44.78d mm ≥，选软管内径为50mm ，压力承受力5MPa ；
主泵压油管：选9/m s ν=，解得：14.93d mm ≥，选软管内径为16mm ，压力承受力31.5MPa ；
辅泵压油管：选9/m s ν=，解得：10.05d mm ≥，选软管内径为16mm ，压力承受力31.5MPa 。
图5.2 油箱结构尺寸
第四章 油箱的设计
4.1 油箱尺寸计算
油箱容量的经验公式
aq V =
式中，
q —— 液压泵每分钟排出的压力油
的容积
a —— 经验系数，a 取10.
L L aq V 1600min /16010=?==
油箱主要设计参数如图5.2所示。一般油面的高度为油箱高h 的0.8倍，选取油箱长b 、宽a 、高h 之比为2：1：1，则
V=0.8abh
得a=1000mm ，b=2000mm ，h=1000mm 4.2 油箱结构的设计
1）过滤器的设置
油箱的回油口一般都设置系统所要求的过滤精度的回油滤油器，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（即泵的吸油口）为了防止意外落入油箱中的污染物，有时也装设吸油网式过滤器。由于这种过滤器侵入油箱深处，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。
本油箱设计的回油过滤器为油箱内置过滤器，泵后的过滤器都为板式连接。
2）设置油箱的主要油口
油箱的排油口与回油口之间的距离尽可能远些，管口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，油液流动时速度变化不大。
燕山大学里仁学院课程设计
管口应距箱底的距离H≥2D（D为管径），距离箱边不小于3D。回油管离箱底距离h≥3D。
3）设置隔板
隔板将吸油、回油管路隔开，油流中的气泡与杂质分离和沉淀。隔板结构有溢流式标准型、回流式及溢流式等几种。另外还可根据需要在隔板上安装滤网。
本设计的隔板为整体式，底部有过油孔。
4）在开式油箱上部的通气孔上必须配置空气滤清器。兼作注油口的作用。油箱的注油口一般不从油桶中将油液直接注入油箱，而是经过过滤车从注油口注入，这样可以保证注入油箱中的油液具有一定的污染等级。
5）放油孔的安装。
放油口要设置在油箱的底部最低位置，使患有换油时油液和污物能顺利地从放油孔流出。在设计油箱，从结构上应考虑清洗换油的方便，设置清油孔，以便于油箱内沉淀物的定期清理。
该油箱的放油孔根据要求设置在油箱的底部，直接焊接管接头连接截止阀。