冷轧管机液压式双回双送控制机构的设计.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ．0 6 ． 2 01 4 d o i l 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 1 0 冷轧管机液压式双回双送控制机构的设计 缪飞军 ． 陈 健 1 , 2 1 ． 浙江纺织服装职业技术学院 机电分院 ， 浙江 宁波3 1 5 2 1 1 ；2 ． 浙江大学 机械工程学系 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 2 7 摘要 采用双 回转双送进的轧制方式 ， 能有效提高冷轧管机 的生产率 ， 而传统 的液压控制机构 只能用 于“ 单 回单 送” ， 所以必须开发设 计用于双回双送的液压控制机构 。通过对液压控制原理 的分析 ． 提 出了该新 型控制机构 的设计方法 通过对关键 零部件的理论计算与 结构设计 ， 得 出了该机构各控制阀块与活塞杆匹配的结构图。经专 家和企业共 同评审 。 该机构控制原理新颖 ， 结构简单合理 ． 完全符合 设计要求 ． 经相关企业实际应用效果 良好 关键词 冷轧管机 ； 双回双送 ； 曲柄滑阀控制机构 控制 阀块 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 6 0 0 3 5 0 4 De s i g n o f t h e Hy d r a u l i c M e c ha n i s m wi t h Do u b l e Ci r c u i t a n d M o v i ng f o r Co l d Ro l l i n g Pi pe M a c h i ne MI A0 F i qld ,n , ， C H E N J i a n 1 ． S c h o o l o f E l e c t r o me c h a n i c a l ， Z h e j i a n g T e x t i l e a n d F a s h i o n C o l l e g e ， N i n g b o 3 1 5 2 1 1 ， C h i n a ； 2 ． D e p a r t m e n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， H a n g z h o u 3 1 0 0 2 7 ， C h i n a Ab s t r a c t T o i mp r o v e t h e p r o d u c t i v i t y o f t h e c o l d r o l l i n g p i p e ma c h i n e ， a n e w h y d r a u l i c c o n t r o l me c h a n i s m wi t h d o u b l e c i r c u i t a n d mo v i n g i s p r e s en t e d， wh i c h i s be t t e r p e r f o r ma nc e t ha n t h e t r a di t i o n a l s i n g l e c i r c ui t a nd mo v i ng o ne ． The d es i g n me t ho d i s a dv a n ce d un de r t he a n a l y s i s o f t h e f u n c t i o n a n d wo r k i n g p rin c i p l e ． T h e k e y p a r t s u s e d t o c o n t r o l n e w me c h a n i s m h a s b e e n c o mp u t e d a n d d e s i g n e d e x p l i c i t l y ， a n d ma t c h i n g d i a g r a m o f t h e c o n t r o l v a l v e a n d p i s t o n r o d u s e d i n t h e n e w me c h a n i s m i s p r e s e n t e d ． Ac c o r d i n g t o t h e c o n c l u s i o n o f f e r e d b y e x p e r t s a n d e n t e r p ris e s ， t h e n e w me c h a n i s m h a s t h e a d v a n t a g e s o f n o v e l p ri n c i p l e ， s i mp l e a n d r e a s o n a b l e s t r u c t u r e ． I t me e t s t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s f u l l y a n d i t s p e r f o r ma n c e i s t e s t i fi e d i n t h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ． Ke y wo r d s c o l d rol l i n g p i p e ma c h i n e ； d o u b l e c i r c u i t a n d mo v i n g ； c o n t r o l me c h a n i s m o f c r a n k s l i d e v a l v e； c o n t r o l ma n i f o l d 0 引言 采用双 回转双送进轧制方式 ．能有效提高冷轧管 机 的生产率 。液压式回转送进机构由于具有结构简单 、 传动平稳 、 调整方便及能耗与成本较低等优点 ， 目前仍 被广泛地应用 而传统的液压控制机构只能用于“ 单回 单送 ” ． 为了实现双 回双进的轧制方式 ． 必须 开发设计 用 于 双 回双送 的液 压控 制机 构 1 回转送进控制机构 的功能 液 压 回转 送 进控 制 机 构应 达 到 的功 能是 通 过 曲 柄滑阀机构 ． 来控制两个 回转 、 送进液压马达出油 口的 “ 开 与关 ” ． 从而达到控制两个 油马达 的“ 一转一停 ” 的 间歇式旋转运动之 目的．两马达再通过各 自的齿轮副 减速传动后 ． 带动杠杆和丝杆输出 ， 从而分别带动管坯 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 0 4 作者简介 缪飞军 1 9 6 2 一 ， 男 ， 浙江宁波人 ， 高级 工程师 ， 学士 ， 主要从 事 机械设计与制造及液压传动等方面的教学与研究丁作。 的回转与送进 。而曲柄滑阀机构 的控制速度 节拍 必 须 与冷 轧 管机 的机 头运 行 速 度 保持 同步 或协 调 ．同 时 又通 过 两 个调 节 器 来适 当调 整 两个 油 马 达 的 出油量 大 小 ．以达到调整管坯的回转角和送进量至工艺要求 之 目的 。 2 控制机构关键零 部件 的设计分析 曲柄滑 阀机构是 回转送 进控制 系统 的关 键性 部 件 ．而其 中控制 阀块和与之相配合的活塞杆是关键零 件 ． 因此对它 的设计 ， 关键是控制 阀块与活塞杆之间的 结构组合设计 ．而曲柄滑阀机构对于机头不同的回转 送进方式 ． 需要有不同的传动结构与之匹配 ， 以确保三 种 回转送进方式 单 回单送 、 双 回单送 、 双回双送 动作 的准确 性 2 ． 1 回转送 进 角 的选取 针对双 回转双送进的轧制方式 ．在轧辊处在前后 死点时 ． 均需对其开大 口， 使轧辊表面与管坯外表面脱 离接触 ．以便于管坯 的回转 和送进 ，这与单回单送相 3 5 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 4年 第 0 6期 比． 更加缩短了轧辊 的有效轧制长度。为了充分提高轧 辊实际轧制长度 ， 应尽可能取较小 的回转送进 角 ， 即机 头处于前后死点时的回转送进角应取小于单 回单送时 的角度 。理论上一般取前后死点时 3 0 o 共 6 O 。 范围， 作为双 回双送 时． 机头处于前后死点时的回转送进角 。 而曲柄所处其余 的 2 4 0 范围则属于轧制 区。 2 ． 2 曲柄滑 阀控 制 机构 的设 计要 求 与单 回单送相 比．用于双 回双送 的曲柄滑 阀控制 机 构 ， 不仅结构较复杂 ， 而且控制原理也有所不 同 ， 所 以要开发和设计一种创新 的机构 ．这种新型机构是将 机头处于前后死点 时的回转送进分两组 阀块来 控制 。 即前死点回转 、 送进用两个阀块控制 ， 后死 点回转 、 送 进也用两个 阀块控制 ． 再加上一个共 用的卸荷阀块 ， 这 样总共五个 阀块 ． 分两组安装 。即后死点 回转 、 送进和 卸 荷 三个 阀块 组 成 I 组 ．前 死 点 回转 与 送进 两 个 阀块 组成 Ⅱ组。并且为了结构布局上的紧凑性 ， 两组滑阀控 制机构均布置于同一侧 ． 且采用同一根 曲柄轴传动 ． 同 时为 了简化 阀块 结构 和 通 用性 。除 卸 荷 阀块 结 构 不 同 外 ． 其余四个阀块结构均相 同。 卸 荷 阀块 在 前 、 后 回转 送 进 期 各 6 0 o ， 共 1 2 0 o 内 不得 通油 关闭 ， 而在轧制 区 其余 的 2 4 0 。 范 围 内必 须通油 打开 ， 使系统卸荷。而前死点 回转送进阀块应 满足 当机头处于前死点时上下各 3 0 。 共 6 0 o 范围内． 对两油 马达 的出油 口实行 通油 ．而 曲柄处 于其余 的 3 0 0 转 角范 围 内 ， 应 对 两油 马达 出油 口实 行 封死 。同样 后死点回转 、送进 阀块则应满足当机头处于后死点时 上 下 各 3 0 共 6 0 范 围 内 ． 对 两 油 马 达 的 出油 口实 行 通油 ． 而曲柄处于其余的 3 0 0 转角范 围内 ， 应对两油马 达 出油 口实行 封死 3 曲柄滑 阀控制机构 的设计 过程 3 ． 1 计 算 相位 角 由于两组滑阀控制机构布置于 同一侧 ．且采用 同 一 根 曲柄轴传动两根活塞杆 ．因此 曲柄轴上需要有两 个 曲拐半 径 为 r ， 且两 个 曲拐 之 间的相 位 角为 ∞． 的大 小应等于当机头处于前 、 后死点时 ， 机头大曲柄拐点所 处的两个位置之间的夹角 ．显然当大 曲柄中心与轧制 中心线错距 e为零时 ． 相位角 0 9 1 8 0 o ． 但 由于轧机结构 所限 ． 错距 e不可能为零 ． 所以实 际相位角 应 略小于 1 8 0 。 。 其计算方法如下 设大曲柄半径为 R， 连杆长度为 L ， 错距为 e 1 当机头处于后死点位置时 ． 曲柄与连杆应处于 同一条直线上 ， 如图 1 所示 此时 O B L R 图 1 机 头 处 于后 死 点 位 置 示 惹 图 则 曲柄和连杆连成的直线与 曲柄中心水平面之 间 的夹角为 O a r c s i n 2 当机头处 于前死点位置时 ， 曲柄与连杆应重叠 成一条直线 ， 如图 2所示 此时 O B L - R 图 2机 头 处 于 前 死 点 位 置 示 葸 图 此时曲柄和连杆 叠成 的直线 与曲柄中心水平面之 间 的夹 角为 O z a r c s i n 2 上 一 』、 则 曲柄拐点 由A． 点转至 点时所转过 的角度 即 为前后死点之间的相位角 ． 即 0 ---- 1 8 0 。 。 0 2 0 1 1 8 0 a r c s in 一 a rc s in 寺 3 3 ． 2确 定 曲柄 滑 阀控 制机构 传 动原 理 图 根据以上分析可知 ．五个控制 阀块在结构和功能 上 ． 均相当于三位三通行程型换向滑阀。其中第 1 组是 由三个三位 三通控制阀块与活塞杆 I配合组成 第 Ⅱ 组是 由两个 三位 三通控制 阀块 与活塞杆 Ⅱ配合组成 。 曲柄滑阀控制机构的传动原理 图见图 3所示 。 图 3 曲柄滑阀控制机构传动原理图 Hv dr a ul i c s Pn e uma t i c s S e a l s ／ No ． 0 6． 2 01 4 3 ． 3 曲柄 滑 阀机构 的小 曲柄 与 机头 位置 的 匹配 首先 ．由于双 回双送的回转送进角只有各 6 0 。 为 了增大 回转送进时活塞杆的通油开 15长度 ．当机头处 于后死点时 ．小 曲柄 的曲拐拐点需配置在小曲轴轴心 线的正下方 I l 其 次 ， 由 于 差 角 I r c s in 一 a r c s in I 4 很小 ．一般 只有 1 ． 5 o 左右 ．因此前后相位 角 0 9 接近于 1 8 0 o 。为 了简化曲柄滑阀控制机构的结构 ． 可近似地取 前后 回转送进的相位角为 1 8 0 ．即机头处于后死点时 大 曲柄上下各 3 0 共 6 0 范 围属于后死点 回转送进 期 ．而当机头处于前死点时大 曲柄 以上 3 0 0和 以下 3 0 一 0范 围 共 6 0 内则 属 于前 死点 回转 送 进 区 。 由于 差角 0 很小 ． 其所产生的误差也很小 ， 并可以在设计轧 辊时． 在前死点开 V I 区长度上得以修正。这样反映在小 曲柄上则为 当小曲柄 曲拐点处于小曲轴轴心线正下 方 时左 右各 3 0 o 共 6 0 o 范 围属 于后 死点 回转 送 进 区 ， 而此拐点处于小曲轴轴心线正上方左右各 3 0 共 6 0 范 围则属 于 前死 点 的 回转 送进 期 1 对小 曲柄 I 组 的传动示意图见图 4所示 。 ＼ 一． ＼ E 活 图 4小 曲柄 I 组的传动示意图 向视图 图 3中的 I 组原理 图实际为图 4示意图 O A 曲柄 位置的临界状态 ．当曲柄转至 O B与 O C之 间的 6 0 o 范 围属于后死点 回转送进期 ． 而 至 O B区间为调节器 排油区 ． O C至 O D区间调节器不 能排油 ，故曲柄转至 O D与 0 A 区间时 ． 由于调节器内充满 了未能排出的存 油 ． 在此区间 ． 两马达虽与调节器接通 ， 但不能 出油 ， 故 不 能 回转 送进 ． 即 曲柄 处 于 O B至 O C区 间为 回转送 进 期 ， 其余范围两马达均不能转动 。而对卸荷阀块 ， 则 曲 柄 处 于 O A 至 O B 和 O C至 O D两 区 间共 2 4 0 。 范 围 内 ． 对系统实行卸荷 ， 其余范围则对系统进行封油。 2 对于小 曲柄 Ⅱ组 的传动示意图则为图 5所示。 一 一 一 图 5小 曲柄 组的传 动示意图 ， 向视 图 由于前 、 后 回转送进的相位角取 1 8 0 。 ， 故当 I组的 曲柄位置处于 O A时 ．Ⅱ组 的曲柄必处于图 5中的 O C 位置 。 当 I组 曲柄处 于 O B与 OC区间的后死点回转送 进期 时， Ⅱ组曲柄就处于 O D与 O A区间的不回转送进 期 ． 而 当曲柄转动 1 8 0 后 ． I 组 中的曲柄就处 于 O D与 O A 区间 的不 回转送进期 ．此时 Ⅱ组 中的曲柄 就处于 O B与 O C区 间的前 死点 回转 送 进 期 ．从 而完 成 了在 一 个周期 内的双回转双送进动作 3 对小 曲柄传动的行程计算 根据图 4 ， 经推导 过程略 可得下列公式 当小 曲柄拐点从 A 点转至 点或 由 E点 转至 B 点时， 点 活塞杆 的右行程为 厂 r ～ S右 Z 0 ． 5 r V Z r C O S O ／ 5 当拐点从 点转至 C点或 由 D点转至 点时 ． 点 的 中行程 为 Js中 r 6 当拐点从 C点转 至 F点或 由 F点转至 D点时 ． 点的左行程为 ， - F 一 S左 2 r S中 一 S右 V Z r C O S O ／ 0 ． 5 r Z 7 对 中型轧机 ，选取 r 2 0 ， Z 1 5 0， a 3 0 o 代入 以上各 式经计算得 S 右l l mm ， S , 2 0 mm ， S 9mm 3 ． 4 确 定各 控 制 阀块 与 活塞 杆 匹配 的结 构 图 根据 以上分析和计算 ．最终确定 了图 3传动原理 图所 处 状 态 的各 控 制 阀块 与 活 塞 杆 匹 配 的结 构 图 ． 见 图 6所 示 与机头 传动比为l 1 3 0 2 5 3 0 3 0 J ， e O r 2 0 ， 1 5 O r厂Ⅱ 组 P 0 一 ．P 3 l 鱼 旦 ． 1 L 一 2 鱼 垦 JD 叶 ． 3 0 2 82 ， 4 3 ． 1 1． B3 图 6双 回双 单 送各控制 阀块与活塞杆 匹配 的结构 图 对该 控 制 机 构结 构 设计 时 ．还需 着 重 注 意 以下 几 个 问题 1 由图 6可知 ， 各 阀块在结构功能上相当于三位 三通换 向滑 阀，图中接 口P。 接液压系统供油 15， p z , p ， 分别接后死点 回转和送进调节器 ， P 和 P ， 分别接前死 点 回转 和 送进 调 节 器 ， 。 、 。 接 口合 并后 回油 箱 ，两 个 A ， 接 口合并后接 回转马达 出油 口， 两个 接 15合并后 下转第 6 3页 3 7 一 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N0 ．0 6 ． 2 01 4 垂 一 上接 第 3 7页 接送进马达 出油 口， 、 共 四个接点通过各 自的单 向 阀后回油箱 ． 各接 口均为螺纹接 1 3． 接 1 3 大小和管路布 置 由通径和油箱结构决定 。 2 各控制阀块与活塞杆外径之间及各调节器 内 腔 和与之配套 的内活塞杆外 径之间 的配合必须 经配 磨 、 配研 ， 使之配合间隙控制在 0 ． 0 3 ～ 0 ． 0 5 ram 以内， 以 确保其 良好的密封性 ， 不得出现任何渗漏现象。同时为 了简化曲柄 的结构和便于加工 ．可采用两个偏心套分 别用平键定位 ． 安装在 同一根 同心轴上 ， 其 曲拐的相位 角可取 1 8 O o 3 为 了轧制工艺 的合理性和轧制力分布 的均匀 性 ． 在采用双回双送的实际轧制 中． 一般后死点用较大 的送进量 ． 前死点采用较小的送进量 而管坯 回转角则 前 、 后死 点 差不 多 。 即前 死点 管 坯 回转 角 比后 死 点 时稍 小一些 ． 但两角之和应略小于 6 0 为宜。这些 问题在设 计各调节器内腔直径和活塞行程时 。 均需考虑 。 4结 论 1 冷轧 管机 液压式双 回双送控制机 构 中各控制 阀块 在 结 构 和功 能上 ．相 当 于三 位 三通 行 程 型换 向滑 阀 ． 但由于其结构和运动的特殊性 ． 又不能用标准型的 行程滑阀代替 ． 所以必须对它的结构进行设计和制造 。 该控制机构的关键和核心结构是各控制阀块与活塞杆 的结构匹配 ． 即图 6所示的结构图。 2 经有关专家和企业工程师共 同评审 ， 该机构控 加 工 艺 和热 处 理工 艺 的改 进 ．经过 小 批 量生 产 试 验证 明， 改进后开启触动时间有明显降低 ． 衔铁开启运动时 间无明显变化 ．解决了电磁 阀负载开启响应时间超差 的问题。因此在实际生产 中． 工艺文件不能局限于某些 标准或者手册 ． 应不断进行优化改进。 参 考 文 献 [ 1 ] 中 国机 械工程 学会热 处理学 会． 热处理 手册 第 1 卷 [ M】 ． 北 京 机械工业 出版社． 2 0 0 8 ． [ 2 ] 中 国航 空材料 手册 编辑委 员会． 中国航空 材料手 册 第 5 卷 [ M] ． 北京 中国标准出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 3 ] G B ／ T 6 9 8 3 1 9 8 6 ， 电磁 纯铁[ S ] ． [ 4 ] G B ／ T 6 9 8 3 2 0 0 8 ， 电磁 纯铁[ S ] ． [ 5 ] Q J 2 8 5 1 9 6 ， 电磁纯铁 的热处理【 S 】 ， [ 6 ] 李 泉风． 电磁场数值计算 与电磁铁设计f M1 ． 北 京 清华 大学 出 版社． 2 0 0 2 ． 【 7 】 杨叔子 ， 等 ． 机械 加工工艺 师手册 第 2版 [ M] ． 北 京 机械工 业 出版 社 ． 2 01 0 ． -一 一 } 一 - } 一 一 一一 - 一 制 原 理新 颖 ． 结 构 简单 合 理 ， 对 各 阀块 加 工 和检 测 均很 方便 ． 完全符合设计要求 ． 并且对“ 双回双送 ” 和 “ 双 回 单送” 两种方式在结构上得到了有机地统一 该机构经 相关企业实际应用效果 良好 ．从而解决 了冷轧管机液 压式双回双送的控制问题 ． 并填补了国内空 白 3 本机构 通用于轧制速度为 中低速 的中大型二 辊轧机 中． 对于速度较高的小型轧机 ， 回转送进时存在 着 冲击较大、传动不平稳的缺点 。当前死点送进量调 至零时 ．或用截止阀关闭从送进马达接到前死点送进 控制 阀块的油路 ．则系统可实行双回转单送进 的轧制 方 式 参考 文 献 【 1 】 韩观 昌， 李连诗． 小 型无缝钢管生产 下册 【 M】 ． 北京 冶金工业 出版社 ． 1 9 9 9 ． 【 2 】 张利 平． 液 压阀原理 、 使用与维 护[ M] ． 北京 化学工业 出版社， 2 0 0 8 ． [ 3 】 张 利平 ． 液 压控 制 系 统 及设 计 【 M] ． 北京 化 学 工 业 出版 社 ， 2 00 6． 【 4 ] 袁 承训． 液 压与气压传动[ M ] ． 北京 机械工业出版社 ，2 0 1 1 ． [ 5 】 范存德． 液 压技术手册【 M】 ． 沈阳 辽宁科技出版社， 2 0 0 4 ． 【 6 】 曲继方． 机 构创新原理【 M】 ． 北京 科学出版社， 2 0 0 1 ． 【 7 】 吴宗泽， 卢颂 峰， 冼健生． 简 明机 械零件 设计手册【 M】 ． 北京 中 国电力 出版社． 2 0 1 0 ． 【 8 】 王廷溥， 齐克敏． 金属塑性 加T学轧 制理论 与T艺 第 2 版 【 M】 ． 北京 冶金工业出版社， 2 0 0 1 ． 6 3