步进式加热炉液压系统设计

摘要

步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。广泛应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。

本次设计任务是设计步进梁加热炉的液压系统，采用普通液压阀，由于在以一个运动周期中，要求能适应不同的负载变化和钢坯运动速度，要通过控制系统的流量来满足这些要求。为了保证步进梁下降时平稳下降，在回路上采用了平衡阀，保证了其平稳下降。为了实现钢坯在出现故障的时候能够在任意位置停止，系统加入了液压锁紧装置，以免出现系统失控。

关键词：步进式加热炉；普通液压阀；锁紧

Step by step heating furnace hydraulic system design

Abstract

Step by step heating furnace use the beam at the bottom of the furnace of the cool steel beam to rise，to go ahead，to come down，to go back.It is widely used in the petroleum，chemical ，metalllurgy ，machinery ，heat treatment，surface

treatment ，building materials，electronic ，materials ，light industry，chemical ，pharmaceutical and other industries.

The design in mainly to design the hydraulic proportioning system for the

walking beam type furnace.,In this design,the normal hydraulic valve will be used.As we know the speed of the beam will change at the reason of the change of the load in a circle,so we must change the flow of hydraulic actuating cylinder.In order to ensure an steady decline when the walking beam goes down.,the balance valve is been used to ensure its steady decline.As the same time,we use locking acuipement to fasting the beam at any location in case of malfunction.

Keyword: Walking beam type furnace; The normal hydraulic valve; Locking acuipement

1 绪论 .............................................. 1

1.1 背景及工艺 .............................................. 1

1.2中国步进式加热炉炉门液压系统的现状与未来技术发展......... 1

1.3步进式加热炉炉门升降液压系统的特点....................... 2

1.4加热炉的特点............................................. 2

2 设计任务 ........................................... 4

2.1 设计题目 ................................................ 4

2.2 主要技术参数及要求 ...................................... 4

2.3 设计方案 ................................................ 5

2.4拟订液乐系统原理图....................................... 5

2.4.1确定系统类型 . ...................................................................... 5

2.4.2选择液压基本回路 . ............................................................... 6

2.5负载分析................................................. 8

3 液压系统的计算与选型 ............................... 9

3.1 系统工作压力的确定 ...................................... 9

3.2 执行元件的计算与选型 .................................... 9

3.2.1 升降液压缸.......................................................................... 9

3.3 执行元件速度的计算 ..................................... 11

3.4 执行元件流量的计算 ..................................... 12

3.4.1 升降液压缸........................................................................ 12

3.5 绘制液压系统工况图 ..................................... 12

3.5.1 流量循环图........................................................................ 12

3.5.2 压力循环图........................................................................ 13

3.5.3 功率循环图........................................................................ 14

3.6 液压元件的选择和专用件设计 ............................. 15

3.6.1 液压泵的选择 .................................................................... 15

3.6.2 液压阀的选择 .................................................................... 16

3.6.3 蓄能器的选择 .................................................................... 16

4 液压系统的计算与选型 .............................. 19

4.1 油箱的选择 ............................................. 19

4.2 滤油器的选择 ........................................... 20

4.3 冷却器的选择 ........................................... 21

4.4 管道的选择 ............................................. 23

4.4.1 管道内径计算 .................................................................... 23

5 液压系统性能验算 .................................. 25

5.1 液压系统压力损失 ....................................... 25

5.1.1 升降缸回路压力损失 ......................................................... 25

5.2 温升验算 ............................................... 27

5.3集成阀块................................................ 28

6 液压站的设计 ...................................... 30

6.1 液压站的结构设计 ....................................... 30

6.2 液压叠加回路设计 ....................................... 30

6.3 液压系统的安装 ......................................... 31

6.4 管路的安装和清洗 ....................................... 32

6.5 液压系统的维护 ......................................... 33

7. 环境分析 ......................................... 34

7.1 环境污染 ............................................... 34

7.2 机械工业（本部分主要尤指液压）对环境的危害和防治 ....... 35

7.2.1液压工业对环境的危害 . ...................................................... 35

7.2.2 解决方法 ......................................................................... 36

结束语 .............................................. 38

致谢 ................................................ 39

参考文献 ............................................ 40

1 绪论

1.1 背景及工艺步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。

炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成。步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。

同推钢式炉相比，它的优点是：运料灵活，必要时可将炉料全部排出炉外；料坯在炉底或梁上有间隔地摆开，可较快地均匀加热；完全消除了推钢式炉的拱钢和粘钢故障，因而使炉的长度不受这些因素的限制。

改进的步进式加热炉，属于冶金行业生产设施，它包括炉体，炉体的侧墙由内向外分别是低水泥料层、隔热砖层、硅酸铝纤维毡隔热层，炉体分为预热段、加热段、均热段，加热段的两面侧墙上设置调焰烧嘴，均热段的上加热段设置平焰烧嘴，均热段的下加热段设置调焰烧嘴，调焰烧嘴的煤气和空气的混合气管道上设置电磁阀和调节阀，平焰烧嘴的煤气和空气的混合气管道上设置调节阀，空气总管道和煤气总管道设置在炉顶。

炉门是轧钢加热炉的重要设备。大型步进式加热炉的炉门，以往多采用主减速机加平衡配重的机械传动方案，这种方案无法调节炉门开启与关闭的速度，停位时冲击较大，而且设备投资也较多。为此，设计了一种针对大型炉门升降驱动的新型液压回路，采用了液压平衡回路与缓冲回路，使得炉门升降速度可以方便的调节，减少了设备停住时的冲击，并取得了良好的经济效益。

1.2中国步进式加热炉炉门液压系统的现状与未来技术发展

大型步进式加热炉，有双侧炉门。其中，进料炉门一侧处于冷端，炉门采用常开状态，而出料炉门随着加热炉完成出料动作，需要频繁的开启和关闭。而且出料炉门是保护炉子加热效率与板坯加热质量的重要设备，炉门钢结构的内衬侧镶嵌了大量的保温材料，自重也比较大，运动产生的惯性冲击也比较大。

1. 液压软管2. 平衡缓冲阀组3. 液压缸4. 链条5. 滑轮

图1.1 炉门出料设备安装示意

以往炉门驱动，采用电动机匹配减速机组成动力单元。再加上滑轮组、链条和配重，构成一整套完整的驱动设备。一般情况下这套设备投资也比较的大，例如以十吨重的炉门而言，就需要两套设备，投资相应翻倍。整套设备安装于加热炉而言，就需要两套设备，投资也相应的翻倍。整套设备安装于加热炉顶部，吊装与安装就位也需要很大的工作量。炉门设备的运行速度无法调定过高，在实践中，链速达到4m/s时，曾发生惯性冲击使得链条断裂的事故。为改善炉门机械传动时存在的不足，设计了一种采用液压传动的炉门升降驱动新方案，液压回路中采用平衡回路和缓冲回路的复合设计。

1.3步进式加热炉炉门升降液压系统的特点

通过对炉门驱动方式的重新设计，与机械传动方案相比，具有以下优点： 1液压系统采用了缓冲回路，可以使得炉门开启，关闭的速度调节到更快，而运行业更平稳。还使得炉子加热效率得到提高，并改善了板坯加热质量。

2省却了机械传动中的庞大的减速机和配重，主设备液压油缸安装在地坪上，因此降低了安装难度与安装施工时间。

3相比机械传动方案来说，采用节约了大量的设备采购成本。

目前，已经将此炉门升降驱动液压回路应用到热轧线板坯步进式加热炉工程实践之中，收到良好的经济效益。

1.4加热炉的特点

步进式加热炉于1967年在日本问世, 由于一系列的特点决定它的优势, 很快地得到了工业发达国家的重视, 在热轧厂、线材厂、管材厂等轧钢厂推广应用,

现在世界上已有一百多座步进式加热炉, 代替传统的推钢式加热炉。与推钢式加热炉相比,

步进式加热炉具有以下特点

(1)不要均热床, 在同等生产能力条件下, 炉长较短, 节约场地和相应的维修费用。推钢式加热炉都用推钢机推送料, 由于推钢机行程及推力的限制, 炉长受到一定的限制, 同时钢坯之间无间隔, 因此炉内钢坯加热温度不均匀, 在出料端设置了实底均热床, 使钢坯温度实现均热步进式加热炉采用步进间隔送料, 钢坯多面加热, 温度均匀, 均热段已满足钢坯加热温度均匀要求, 不需均热床。

(2)钢坯在支承梁上无摩擦地运行, 消除滑轨划伤, 黑印小, 因而提高了轧制钢材的产品质量。

(3)减少空气渗入, 钢坯氧化少, 提高了钢坯的成材率。由于炉子的结构, 易于用进出料机出钢和进钢坯, 按轧制计划进出料, 关闭炉门推钢式加热炉大多用滑道出钢坯, 推钢机推钢坯进料, 钢坯一块一块地从装料端到出料端连成一片, 装入坯料才能推出坯料, 因而炉门关闭时间短。因空气渗入而产生的钢坯氧化损失和燃料损失, 步进式加热炉比推钢式加热炉少。

(4)步进式加热炉由于炉内不产生拱钢现象, 炉长不受限制, 故可加长预热段, 提高热能利用由于自身能出空炉料, 缩短停炉和升温时间, 节省燃料消耗, 由于进出料炉门关启自动控制, 减少热能损失由于采用了先进的节能烧嘴和余热利用, 提高了热能利用以及自动化控制的完善, 近几年投产的步进式加热炉燃料单耗为又‘左右, 而年以前建的推钢式加热炉包括早期步进式加热炉燃料单耗为为‘以上, 节约能源左右能耗数字摘自日本工业炉协会编工业炉手册页燃料单耗部分

（5）炉子可将炉内钢坯全部送出, 轧机停机时不会造成炉内因送不出的钢坯氧化及热能损失现象。也便于更换钢材规格、品种。

（6）步进式加热炉送料是无冲击平稳传动, 从装料端到出料端跑偏量小, 不会产生推钢式加热炉的“起拱”和“粘钢”等危险, 因而任何时候可确定坯料在炉内位置, 从而可预计坯料出炉的准确时间, 便于实现装出料过程的自动不匕。现代步进式加热炉不仅实现了装出料过程的自动控制, 而且通过计算机控制炉内温度及各种控制项目, 提高产品质量设定控制空燃比, 节约燃料, 减少污染具有监视控制机能及自己诊断的机能, 确保安全生产

2 设计任务

本次任务是设计步进式加热炉液压系统，具体细节如下。

2.1 设计题目

步进式加热炉液压系统设计

2.2 主要技术参数及要求

已知炉门质量m=3t

运行速度V=0.1m/s

工作行程S=1m

2.3 设计方案

此次设计主要是设计一个步进式加热炉液压系统设计。要求这个液压系统能实现自动化，能进行过载保护，工作平稳，能够在一定范围内进行无级调速，在步进梁式加热炉里，钢坯移动是通过固定梁和载有钢坯的移动梁进行的。步进梁的一个工作周期分为上升下降两个动作。在步进梁的升降运动中，运动过程都是先加速运动，后做匀速运动，最后做减速运动，速度减为0，然后切换到下一个运动过程。在步进梁的运动中，我们始终要保证其平稳运动，既要控制进入或流出液压缸的流量。为了满足上列工作要求，采用如下方案。

1 压力的选定要根据设计任务的要求并考虑压力损失，初步选定液压系统的工作压力不能小于4MPa ，由于系统工作压力应比最高工作压力低10%-20%,故系统的实际工作压力不能小于3.2MPa 。采用两个升降液压缸来完成步进梁的垂直运动，采用单向节流阀进行回油调速，从而保证升降液压缸的速度平稳，同时采用了平衡阀，保证液压缸在下降时平稳下落。

2 本液压系统采用了平衡缓冲阀组成压力补偿回路，有效防止了液压缸升降时产生的惯性冲级，起到了缓冲作用。

3 在快速运动的液压机械或系统需要大流量时为节省能源，通常采用多泵供油或将蓄能器作为辅动力源供油。

4 以上液压缸的动作实现都要用一供一备的变量液压泵来提供压力油。

2.4拟订液乐系统原理图

液压系统原理图的拟订是从液压系统的作用原理和结构组成上润足各项设计要求的其体体现. 可通过确定系统类型、选择液压基本回路以及由基本回路组成液压系统这三个步骤来实现。

2.4.1确定系统类型

液压系统主要分为开式系统和闭式系统两种类型，采用哪种类觅主要取决于液压系统的调速和散热方式。一般来说. 凡是具备较大空间可以存放油箱且不宜另外设2散热装里的系统. 耍求结构尽可能简单的系统. 或采用节流调速、容积一节流调速的系统，那适于采用开式类型; 凡允许采用辅助泵进行补油并通过换油来达到冷却目的的系统. 对工作毯

定性和效率有较高要求的系统，或采用容积调速的系统. 都适于采用闭式类型。

2.4.2选择液压基本回路

主要根据执行机构的性能、负载、速度和运动形式来确定组成液压系统的基本回路. 在液压系统. 考书和设计手册中都可以找到关于液压基本回路的介绍内容，因此最好的方法是从参考书或设计手册介绍的诸多成熟方案中选择合适的基本回路来满足系统设计的要求. 选择基本回路时既要保证主机的各项性能要求，也要考虑符合节约能深、减少发热、减少冲击等原则。基本回路的选择应首先从对主机性能起决定作用的换向和调速回路开

始，然后根据需耍考虑其他回路。

(1)选择换向和调速方案

液压执行元件运动方向和运动速度控制是拟订液压回路的核心问超，应根据主机运动方向和调速性能要求选择合适的基本回路。对于中小流盆的液压系统. 大多采用换向阀的各种组合形式来实现系统对换向的要求:对于高压大流量的液压系统. 多采用先导式阀和插装阀来实现. 对于调速回路，如果系统要求调速刚度大. 回路简单，则采用节流调速方式. 并根据系统对启动冲击、提升对密封件的影响等要求选择进口、出口还是旁路节流调速。如果要求系统效率高、发热少，则采用容积调速方式。回路的循环方式一般由调速方式来确定，节流调速通常采用开式回路. 容积调速大多采用闭式娇环形式。

(2)选择压力控制方案

在液压系统工作过程中，耍求系统保持一定工作压力或压力在一定范围内变化，有时也要求压力能够多级或无级地连续调节。对于节流阅速回路. 由定最泵供油. 用滋流阀调节系统所需压力，并保持系统压力基本恒定。在容积调速系统中. 用变量泵供油，安全阔起安全保护作用并限定系统的最大工作压力。如果系统需要流流不大的高压油. 可以考虑采用增压装置实现的增压回路. 而不会采用高压液压泵. 当考虑到系统间歇工作时的节能和发热等问题时，应考虑采用不同形式的卸荷回路. 如果系统某个支回路的工作压力需低于主油源压力时. 应考虑采用减压回路。

(3)选择顺序动作方案

不同的设备类型对主机执行机构的顺序动作要求也不同，有的耍求按照固定

的方式运行. 有的可以是随机的或人为控制的。例如. 工程机械工作装工的动作多是人为控制的. 因此顺序动作可以由操作人员操纵手动多路阀来实现。加工机械的暇序动作通常是由行程控制的. 因此可以采用行程阀或行程开关来实现。此外。还可以采用时间控制(如时间继电器) 或压力控侧(如压力继电器) 的顺序动作方式。除上述设计方式。对有垂直运动工况的系统应考虑采用平衡回路，有快速运动部件的系统要考虑增设缓冲和制动回路，有多个执行元件的系统还要考虑同步或互不干扰回路等。此外，在不同的工作阶段. 系统所需要的流量差别较大时，可以考虑采用双泵或多泵供油方式. 或者增设蓄能器作为辅助油源.

2.4.3由基本回路组成液压系统

由液压荃本回路组成系统的方法是首先选择和拟订液压系统的主回路. 其次拟订所需要的辅助回路. 之后把各种液压基本回路综合在一起，并加人其他起辅助作用的元件和装置。例如加人保证顺序动作或自动循环的相应元件. 接人起安全保险、连锁作用的阔和装置以及辅助元件。然后进行整理合并. 去掉作用相同或相近的元件和油路，使系统简单，成为完整的液压系统。为便于液压系统的维护和监侧. 在系统的关健部位还要装设必要的检侧元件，例如压力表、沮度计和流皿计等。最后进行回路检查，粉是否能够实现系统的设计要求。此外，还应注惫防止系统过热，提高系统效率. 系统循环中的每一个动作是否安全可靠、相互间有无千扰等。在实际的设计过程中. 确定液压系统原理图时，应尽量参考已有的同类产品或相近产品的有关设计资料。

绘制液压系统原理图时，各液压元件图形符号应尽量采用国家标准中规定的图形符号，在图中要按照国家标准规定的液压元件职能符号的常态位置绘侧. 对于自行设计的非标准元件可用结构原理图或半结构示愈图绘制。在系统图中. 应注明各液压执行元件的名称和动作、各液压元件的序号以及各电磁铁的代号，并附有电磁铁、行程阀及其他控制元件的动作顺序表。

图3.2 系统原理图

1液压泵2电动机3电磁溢流阀4液压表5电磁换向阀6双向夜控单向阀7双向节流阀8截止阀9平衡阀10蓄能器11安全阀12单向阀13空气滤清器14温度计15液位计16嵌入式加热器17回油过滤器18油箱

2.5负载分析

加热炉炉门受到的重力G=mg=29.4KN

取静摩擦系数为0.2受到的摩擦力为f=0.2G=5.88KN

F=G-f=23.52KN

得出F=23.52KN、t=0.0128s、取P=4MPa 、A=0.006M2、s=0.00112m

3 液压系统的计算与选型

3.1 系统工作压力的确定

压力的选定要根据设计任务的要求并考虑压力损失，初步选定液压系统的工作压力不能小于4MPa ，由于系统工作压力应比最高工作压力低10%-20%,故系统的实际工作压力为5MPa 。

3.2 执行元件的计算与选型

升降液压缸分为上升和下降两个动作，采用两个升降液压缸完成，要完成液压缸的选取，先要计算其负载。

3.2.1 升降液压缸

图3.1 液压缸受力图

由上图可知： π

由（3.1）式可得： ⨯D 2⨯P 1=F +π4⨯(D 2-d 2) ⨯P 2+F fc （3.1）

D =（3.2）

1------液压缸工作压力，初算时可取系统工作压力

式中 P

表3.1

P 2------液压缸回油腔背压力，初算时无法准确确定，根据《液压系统设计简明手册》表2-2，取P2为0.5MPa 。

d/D-----活塞杆直径与液压缸内径之比，根据《液压系统设计简明手册》表2-3，取d/D=0.7.

F-------工作循环中最大的外负载。

F fc ------液压缸密封处摩擦力，它的准确值不易求得，常用液压缸的机械效率ηcm 进行估算

式中 ηcm -----液压缸的机械效率，一般ηcm =0.9～0.97，这里取ηcm =0.95。外负载F=3×103×9.8=29400N

由于由两个液压缸同时作用，所以单个液压缸的负载为外负载的一半。所以F=14700N

代入（3.2）式得

D ==48mm

d=0.7D=33.6mm

根据《机械设计简明手册》表2-4，D 圆整到63mm ，d 圆整到45mm 。

由于升降缸的垂直位移是1000mm ，查机械设计手册，采用升降缸的型号为冶金液压缸UY-TF-20-63×1000-16

3.3 执行元件速度的计算

由于设计任务要求的工作循环周期为15s ，并且由于每个工况的运动速度不同，先将任务分配与如下

图3.3 系统工况图

步进梁在每个运动阶段的运动过程中，都是先加速后匀速最后减速，由于加速和减速的过程中所有时间极短，可以忽略不计，故按平均速度计算。

上升速度 V 上=1000mm/10s=100mm/s

下降速度 V 下=1000mm/5s=200mm/s

运动周期 T=10s+5s=15s

3.4 执行元件流量的计算

3.4.1 升降液压缸

基本参数 D=56mm，d=40mm，V 升=100mm/s ，v 降=200mm/s 上升时进入升降

缸的流量： Q 升=π4⨯D 2⨯V 升=π42⨯（56mm ）⨯100mm/s=14.8L/min

下降时进入升降缸的流量：

Q 降=π4⨯(D 2-d 2)⨯V 降=π⎡22⨯(56mm )-(40mm )⎤⨯200mm/s=14.4L/min 4⎣⎦

3.5 绘制液压系统工况图

3.5.1 流量循环图

图3.4 系统流量循环图

3.5.2 压力循环图

3.5.2.1 升降缸实际工作压力计算

基本参数D=56mm，d=40mm， P 2=0.5Mpa, F=14700N, ηcm =0.95,

由公式（2.1）和（2.3）可得：

当步进梁上升时升降液压缸实际工作压力P 1=10.1Mpa；

当步进梁下降时液压缸通过重力自己下降，由重力提供压力，故其工作压力为17.73MPa

图3.5 压力循环图

3.5.3 功率循环图

由于功率 N=PQ 所以步进梁上升时所需的功率 N=10.1Mpa×2×14.8L/min=5.8Kw；

步进梁下降时所需的功率 N=17.73Mpa×2×14.4L/min=10Kw；

图3.6 系统功率循环图（3.4）

3.6 液压元件的选择和专用件设计

3.6.1 液压泵的选择

3.6.1.1 确定液压泵的最大工作压力P P

P P ≥P 1+∑∆P （3.5）式中 P1----------液压缸或液压马达最大工作压力；

∑△p------从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。∑△p 的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取；管路简单，流速不大的，取∑△p=（0.2～0.5）Mpa ；管路复杂，进口有调速阀的，取∑△p=（0.5～1.5）Mpa ，这里取1.2Mpa 。

由于上述计算的最大压力P1=10.1Mpa，所以pP ≥11.3Mpa 。

3.6.1.2 确定液压泵的流量Q P

多液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量应为

Q P ≥K（∑Qmax ）（3.6）

式中 K-----系统泄漏系数，一般取K=1.1～1.3，这里取1.2；

∑Qmax —同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量，可从（Q-t ）图上查得。对于在工作过程中用节流调速的系统，还须加上溢流阀的最小溢流量，一般取0.5×10-4m 3/s。

根据上述计算，Q max =14.8L/min，Q P ≥1.2×（14.8⨯2+0.5⨯4）=37.9L/min。根据以上求得的p P 和Q P 值，按系统中拟定的液压泵的形式，从产品样本或手册中选择相应的液压泵。为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大25%～60%。

参照《液压技术实用手册》HVPVC 型变量叶片泵，选取用HVPVC-F54-A1-02系列叶片泵，其性能参数如下所示排量：54L/min，最高转速：1800r/min，最大流量：1800r/min时 54L/min，800r/min时 24L/min；容积效率：0.9，额定压力：14MPa 。

3.6.1.3 确定液压泵的驱动功率

由于在工作循环中，液压泵的压力和流量比较大，即（Q-t ），（P-t ）曲线起伏较大，所以必须分别计算出各个动作阶段内所需功率，驱动功率取其平均功率

n t

N p e （3.7） r

式中 t1，t 2„„t n --------一个循环内每一动作阶段内所需要的时间（s ）；

N1，N 2„„N n ------一个循环内每一动作阶段内所需要的功率（W ）。

其中N 1=5.8KW。t 1=10s。代入上式得N per =7.46KW。

查阅《机械设计手册》第四卷表17-1-29，选取电动机型号为Y4-160L4. 其参数为：额定功率P 额=15KW，转速n=1460r/min，效率η=0.85。

选用轴向弹性联轴器HL9型

3.6.2 液压阀的选择

选择阀根据系统的工作压力和实际通过阀的最大流量，选择有定型产品的阀件，溢流阀按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，要考虑最小稳定流量应满足执行机构的最低稳定速度的要求。控制阀地流量一般要选的比实际通过的流量大一些，必要时也允许有20%的以内的短时间过流量。

表3.2 部分元件列表 3.6.3 蓄能器的选择

蓄能用的蓄能器包括“做辅助动力源”，“补偿泄漏保持恒压”，“做应急动力源”，“改善频率特性”和做液压空气弹簧等。由于本系统为高压系统，故选用皮囊式蓄能器。

蓄能器总容积的计算：蓄能器的总容积V 0，即充气容积（对活塞式蓄能器而言，是指气腔容积与液腔容积之和）。根据玻尔定律：

P 0V 0n =P1V 1n =P2V 2n =C （3.8）

蓄能器工作在绝热过程（t

V 0=ＶＷ

Ｐ0.715

０⎡⎛1⎫⎢ ⎪Ｐ⎢⎣⎝１⎭£0.715⎛1⎫－ ⎪⎝Ｐ２⎭0.715⎤⎥⎥⎦ (3.9)

P 0-----充气压力，MPa

P 1-----最低工作压力，MPa

P 2-----最高工作压力，MPa

以上压力均为绝对压力，相应的气体容积分别为V 0，V 1，

n------指数，绝热过程n=1.4（对氮气和空气），

V w -----有效工作容积，L 。

（1）计算P1

作为辅助动力源来说，蓄能器的最高工作压力为

P 1=（P 1）max+( ∑Δp) max （2.10）

（P 1）max------最远液压机构的最大工作压力，MPa

( ∑Δp)max---蓄能器到最远液压机构的压力损失之和，MPa

由系统图和计算可得，（ P 1）max=10.1MPa. ( ∑Δp)max =0.5MPa×4=2MPa。

所以P 1=（P 1）max+( ∑Δp) max =10.1MPa+2MPa=12.1MPa。

（2）计算P 2

作为辅助动力源的蓄能器，为使其在输出有效工作容积过程中液压机构的压力相对稳定些，一般推荐

P 1=（0.6～0.85）P 2

这里取P 2=18MPa。

（1）计算P 0

在保护胶囊，延长其使用寿命的条件下：

P 0=（0.8～0.85）P 1 （3.10）这里取P 0=0.8P1=0.8×12.1MPa=9.68MPa

（2）计算V W

对于作为辅助动力源的蓄能器，可按下式粗算：

V W =∑

i=1n Q t V K- （3.11） p i 60

n ∑V -------最大耗油量处，各执行元件耗油量总和，L i

i=1

A i ---------液压缸工作腔有效面积，m 2

l i ----------液压缸的行程，m

K-----------系统泄漏系数，一般取K-=1.2

∑Q p -------泵站总供油量，L/min

t-----------泵的工作时间，s

V i ----------应急操作时，各执行元件耗油量，L

其中 ∑V =14.8L/min⨯10s ⨯2=5L i

i=1n

∑Qp t=14.8L/min×10s×2+7.2L/min×10s=6.2L

将以上参数带入公式（2.11），得：V W =9.43L

将以上求得参数代入公式（2.9）得V 0=23.9L

查《力士乐样本》，选取HAB35-330-2X/10G09G-2N111-CE型蓄能器，其公称容积为35L ，其公称压力为20MPa 。

查《机械设计手册第20篇液压传动》，选取安全阀组AJS32Z-20

4 液压系统的计算与选型

4.1 油箱的选择

油箱在系统中的功能，主要是储油和散热，也起着分离油液中的气体及沉淀污染的作用。

根据系统的具体条件，合理选用油箱的容积，形式和附件，以使油箱充分发挥作用。

油箱有开式和闭式两种。开式油箱应用广泛，箱内液面与大气相通，为防止油液被大气污染，在油箱顶部设置空气滤清器，并兼作注油口用。闭式油箱一般指箱内液面不直接与大气相通，而将通气孔与具有一定压力的惰性气体相接，充气压力可达到0.05MPa 。

油箱的形状一般采用矩形，而容量大于2m 3的油箱采用圆筒形结构比较合理，设备重量轻，油箱内部压力可达0.05MPa 。油箱必须有足够大的容量，以保证系统工作时能够保证一定的液面高度，为满足散热要求，需要设置冷却装置。

油箱的回油口一般都设置系统所需要求的过滤精度的回油过滤器，以保持返回油箱具有允许的污染登记，油箱的排油口为了防止意外落入油箱中的污染物，要装吸油网式滤油器。

油箱中需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与沉淀。

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。

油箱有效容量一般为泵每分钟流量的3～7倍。对于行走机械，冷却效果比较好的设备，油箱的容量可选择小些；对于固定设备，空间，面积不受限制的设备，则应采用较大的容量，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。

本系统为冶金机械的设计，故V=（7～10）Q P ，其中V 为油箱容积，Q P 为泵的最大流量，由泵的技术参数可知，1800r/min时最大流量为54L/min，取V=10 Q P ，所以V=54L/min×10=540L/min,故可取油箱容量为600L ，所以采用矩形油箱。

4.2 滤油器的选择

滤油器是液压系统中的重要元件。他可以清除液压油中的污染物，保持油液清洁度，确保液压元件工作的可靠性。

滤油器按其过滤精度的不同，有粗过滤器，普通过滤器，精密过滤器和特精过滤器四种。在选用滤油器时，应注意以下几点。

（1）有足够的过滤精度，过滤精度是指通过滤芯的最大坚硬颗粒的大小，以其直径d 的公称尺寸表示。其颗粒越小，精度越高。不同的液压系统有不同的过滤精度要求。应该指出，近年来，有一种推广使用高精度滤油器的观点，实践证明，采用高精度滤油器，液压泵，液压马达的寿命可延长4～10倍，可基本消除阀的污染，卡紧和堵塞故障，并可延长液压油和滤油器本身的寿命。

（2）有足够的通油能力，通油过滤能力是指在一定压降和过滤精度下允许通过滤油器的最大流量，不同类型的滤油器可通过的流量值有一定的限制，需要时可查阅有关样本和手册。

滤芯便于清洗和更换。

根据滤油器在液压系统中所处的位置不同，滤油器的种类也多种多样。网式滤油器：装在液压泵吸油管路上，用以保护液压泵。它具有结构简单，通油能力大，阻力小，易清洗等特点。

线隙式滤油器：一般用于中，低压系统，这种滤油器阻力小，通流能力大，但不宜清洗。

纸质滤油器：比一般其它类型滤油器过滤精度高，可滤除油液中的微细杂质。这种滤油器有用于高压管路的和低压管路上的两种。可安装压差发讯装置。用于要求过滤质量高的液压系统中。

烧结式滤油器：是由烧结青铜滤芯作为过滤元件，加上钢质壳体而成的。这种滤油器耐高压，高温，有时颗粒脱落影响精度，堵塞后不易清洗。用于要求过滤质量高的液压系统中。

片式滤油器：用于一般过滤，油流速度比超过0.5～1m/s。

磁性滤油器：用于吸附铁屑与其他滤油器合用。

查阅《液压设计手册》(电子版) ，回油路上的过滤器选用ABZFR-S0160 -10-1X/M-A回油过滤器，过滤精度为10 um，系统流量为54L/min，滤油器通油

能力为160L/min，满足系统要求。

4.3 冷却器的选择

液压系统工作时，因液压泵，液压马达，液压缸的容积损失和机械损失，或控制元件及管路的压力损失和机械损失，或控制元件及管路的压力损失和液体摩擦损失等消耗的能量，几乎全部转换成热量，这些热量使油液和元件的温度升高，如果油液温度过高，将严重影响液压系统的正常工作，因此，我们必须采取强制冷却的方法，通过冷却器来控制油液的温度，使之适合系统工作的要求。

对冷却器的基本要求：（1）有足够的散热面积。（2）散热效率高。(3)油液通过时压力损失小。（4）结构力求紧凑，坚固，体积小，重量轻。

冷却器的选择依据：（1）系统的技术要求。（2）系统的环境。（3）安装条件。

（4）经济性。（5）可靠性及寿命要求。

冷却器的计算

（1）散热面积的计算

冷却器的计算主要根据热交换量确定散热面积和冷却水量

根据热平衡方程式：

H 2=H-H1 （4.1）

式中 H=PP -P c =PP （1-ηp ηc ηm ）（4.2）式中 ηC =p q

p q p 11p （4.3）液压系统在一个动作循环内的平均发热量H=H t

T i i （4.4）

当液压系统处于长期连续工作状态时，为了不使系统温升增加，必须使系统产生的热量全部散发出去，即H 2=H

若H 2≤0，则不设冷却器

冷却器的散热面积：

A=H 2 (4.5) k ∆t m

（t +t ）（t +）t ∆t m 121122

式中（4.6） 22

H------系统的发热功率，W

P P ------油泵的总输入功率，W

ηp --------油泵的效率

ηm --------液压执行元件的效率，对液压缸一般按0.95计算

ηc --------液压回路效率

∑p1q 1----各液压执行元件工作压力和输入流量乘积总和

∑pp q p ----各油泵供油压力和输出流量乘积总和

T------循环周期，s

H 1------油箱散热功率，W

H 2------冷却器的散热功率，W

△t m —油和水之间的平均温差，K

t 1-----液压油进口温度，K

t 2-----液压油出口温度，K

t 11----冷却水进口温度，K

t 22----冷却水出口温度，K

k------冷却器的传热系数，初步计算可按下列值选取：

蛇形管式水冷k=110～175W/（m 2.K ）

多管式水冷k=116 W/（m 2.K ）

平板式水冷k=465 W/（m 2.K ）

根据推荐的k 值按上式算出的冷却器散热面积是选择冷却器的依据，考虑到冷却器工作过程中由于污垢和铁锈的存在，导致实际散热面积减少，因此在选择冷却器时，一般将计算出来的散热面积增大20%～30%。

已知参数P P =10.24Kw, ηp =0.9ηm =0.95, ηc =0.9，T=20,求得系统的发热量H= P P （1-ηp ηc ηm ）=15Kw×（1-0.9×0.95×0.9）=2.36Kw

同时由于在前面已经初步计算求得油箱的有效容积为0.6m 3，一般油面的高度为油箱高h 的0.8倍，与油直接接触的表面算全散热表面，与油不直接接触的表面算是半散热面。

按V=0.8abh求得油箱的各边之积，abh=0.8/0.8=1m3，取油箱的长度a=1m，油箱的宽b=1m，高度h=1m。

油箱的散热面积为：A=1.8h（a+b）+1.5ab=5.1m2

油箱的散热功率为：H 1=KA△T

式中：K------油箱的散热系数，查表取K=15W/（m 2. o C ）；

T----油温与环境温度之差，取△T=25 oC

求得H 1=15×5.1×25=1.91Kw

所以H 2=H-H1>0,要设置冷却器。

取冷却器的冷却系数多管式水冷k =116 W/（m 2.K ），取液压油进口温度t 1=60 o

o C ，液压油出口温度t 2=50 oC ，冷却水进口温度t 11=25 oC ，冷却水出口温度t 22=30 C 。

将上述参数带入公式（4.6），求得：△t m =27.5 oC

不需要冷却器

4.4 管道的选择

在液压传动中常用的管子有钢管，铜管，橡胶软管以及尼龙管等。

钢管能承受较高的压力，价廉；但弯制比较苦难，弯管半径不能太小，多用在压力较高，装置位置比较方便的地方，一般采用无缝钢管，当工作压力小于1.6MPa 时，也可用焊接钢管。

紫铜管能承受的压力较低（P ≤ 3.6~10MPa）, 经过加热冷却处理后，紫铜管软化，装配时可按需要进行弯曲；但价贵且抗振能力较弱。

尼龙管用在低压系统，塑料管一般只做回油管用。

胶管作联接两个相对运动部件之间的管道。胶管分高，低压两种。高压胶管是钢丝编织踢为骨架或钢丝缠绕体为骨架的胶管，可用于压力较高的油路中。低压胶管是麻绳或者棉线编织踢为骨架的胶管，多用于压力较低的油路中。由于胶管制造比较困难，成本高，因此非必要时不用。

由于本次设计的液压系统属于高压系统，故考虑用钢管。而对于联接两个相对运动部件的管路则采用那个软管联接。软管分高低压两种，压力油路中采用以钢丝编织或钢丝缠绕为骨架的高压软管，压力较低的回油路或气动回路中则采用以麻线或棉线编织体为骨架的橡胶软管。

4.4.1 管道内径计算

式中 Q------通过管道内的流量（L/min）

V------管内允许流速（m/s），见下表

表4-1 管道与流速的选择

4.4.1.1 吸油管路

由于液压泵的最大流量为54L/min，所以吸油管路的流量Q=54L/min，由于泵的出口是软管连接，依据上表，取流速v=1m/s，，代入公式（4.7）得d=33.87mm

查《液压设计手册》（电子版），选取吸油管路公称通径为40mm ，外径为50mm ，壁厚为4.5mm 。

4.4.1.2 压力管路

（1）泵联接段流量Q =43.8L/min×0.9=39.42L/min，根据上表，取流速v=5m/s,代入公式（4.7）得d=12.95mm

查《液压设计手册》（电子版），选取吸油管路公称通径为15mm ，外径为22mm ，壁厚为2mm 。

（2）升降液压缸回路流量Q=14.8L/min，根据上表，取流速v=3m/s，代入

公式（4.7）得d=10.23mm

查《液压设计手册》（电子版），选取吸油管路公称通径为12mm ，外径为18mm ，壁厚为3mm 。

4.4.1.3 吸油管路

由于系统的最大流量为43.8L/min，取v=3m/s，代入公式（4.7）得d=13.64mm。查《液压设计手册》（电子版），选取吸油管路公称通径为20mm ，外径为28mm ，壁厚为4mm 。

5 液压系统性能验算

液压系统初步设计是在某些估计参数情况下进行的，当各回路形式，液压元件及联接管路等完全确定后，针对实际情况对所设计的系统进行各项性能分析。对一般液压传动系统来说，主要是进一步确切地计算液压回路各段压力损失，容积损失和系统效率，压力冲击和发热温升等。根据分析计算发现问题，对某些不合理的设计要进行重新调整，或采取其他必要的措施。

5.1 液压系统压力损失

压力损失包括管路的沿程损失△P 1，管路的局部压力损失△P 2，阀类△P 3，总的压力损失

△P=△P 1+△P 2+△P 3 （5.1） ∆P 1=2λl v p

2d （5.2）

∆P 2=

式中 l-------管道的长度（m ）；

d-------管道内径（m ）；

v-------液流平均速度（m/s）；

ρ-------液压油密度（kg/m3）；

λ-----------延程阻力系数；

ζ------------局部阻力系数。 ςv 2ρ2 （5.3）

Λ，ζ的具体值可参考流体力学相关内容。

2 P 3=∆P n (Q /Q ) （5.4）n

式中 Q n -----阀的额定流量(m3/s);

Q------通过阀的实际流量（m 3/s）；

△P n ----阀的额定压力损失（Pa ）（可从产品样本中查到）

5.1.1 升降缸回路压力损失

5.1.1.1 延程压力损失

由于升降回路选取的管路公称通径为12mm ，且通过升降管路的最大流量为

14.8L/min，依据公式（4.7），求得其实际流速V=2.18m/s。取管路的长度为40m ，油液的运动粘度为ν=46mm2/s。

因为 R e =Vd/ν

式中：d--------管道内径（m ）;

V--------管道内实际流速（m/s）

ν--------油液运动粘度(mm2/s)

R e -------雷诺数

将上述参数代入得R e =568.7

依据公式（5.2）将上述参数代入得△P 1=0.38MPa。

5.1.1.2 局部压力损失

局部压力损失包括通过管路中折管和管接头等处的管路局部损失压力△P 2以及通过控制阀的局部压力损失△P 3。其中管路局部压力损失相对来说小的多，故主要计算通过控制阀的局部压力损失。此油路的流量为14.8L/min。

由原理图可知，由泵出口到升降回路进油口，依次经过单向阀，三位四通电磁换向阀，液压锁，单向节流阀，截止阀。

单向阀S30A3O ：查《机械设计手册》中的特性曲线可知，当流量为54L/min时，其压降为0.7MPa 。

三位四通电磁换向阀4WEH16J7XO/6EG24K4，查《力士乐样本》中特性曲线可知，当流量为14.8L/min时，其压降为0.5MPa 。

液压锁VS01-06/MDSV，查《ARGO HYTOS液压样本》中特性曲线可知，当流量为14.8L/min时，其压降为0.6MPa 。

单向节流阀V-06/MCV，查《ARGO HYTOS液压样本》中特性曲线可知，当流量为54L/min时，其压降为0.5MPa 。

△P 3=0.7MPa+0.5MPa+0.6MPa+0.5MPa=2.3MPa

故升降回路上压力损失总和为

△P=△P 1+△P 3=0.047MPa+2.3MPa=2.347MPa

由于升降液压缸实际最高工作压力10.1MPa ，所以在升降液压缸工作时，泵的实际工作压力为P=10.1MPa+2.547MPa=12.347MPa。由于所选定的液压泵的额定功率为14MPa ，实际工作压力大大小于其额定压力，所以该泵的选择是合适

的。

5.2 温升验算

在整个工作循环中，工进阶段所占的时间最长，且发热量最大。为了简化计算，主要考虑工进时的发热量。一般情况下，工进时做功的功率损失大引起发热量较大，所以只考虑工进时的发热量，然后取其值进行分析。

当V=100mm/s时，即v=6000mm/min

q =π

4D 2v =π

4⨯0.0562⨯6m /min =14.8⨯10-3m /min （5.5）

即 q =14.8L /min

此时泵的效率为0.9，泵的出口压力为15MP ，则有

P 入=15⨯14.8KW =4.11KW 60⨯0.9

6000P 输出=Fv =14700⨯⨯10-3⨯10-3KW 60

P 输出=1.47KW （5.6）（5.7）即

此时的功率损失为：

∆P =P 入-P 出=(4.11-1.47)KW =2.64KW

-32 假定系统的散热状况一般，取K =20⨯10KW /cm ⋅C ， ()

油箱的散热面积A 为

A =0.065=0.0652=6.5m 2

系统的温升为

∆t =∆P 2.64 =C =20.3 C -3KA 20⨯10⨯6.5

根据《机械设计手册》成大先P20-767：油箱中温度一般推荐30-50 C 所以验算表明系统的温升不在许可范围内。

选取SRY 油用加热器GYY2-220/1加热器

5.3集成阀块

集成阀块又称为集成块，是各个液压元件集成的平台。在集成阀块表面可以安装各种液压阀、压力表以及其他辅助元件，以组成一个完善的液压系统。目前液压系统的控制阀大多数采用集成形式安装，即将液压阀件安装在集成阀块上，集成阀块一方面起安装底板作用，另一方面起内部油路作用，这样集成式的液压阀和液压元件的安装方式结构紧凑，安装方便，维护简单。

集成阀块的材料一般为铸铁或铸钢，低压固定设备可用铸铁材料，高压强震场合最好使用锻钢材料，块体形状通常为正方形或长方形。对于简单的液压系统，液压阀数量较少时，采用一个集成块即可满足安装需要。如果液压系统复杂，控制阀较多，最好采用多个集成块叠加的形式

集成阀块的设计步骤主要有

1）确定各个液压元件的尺寸，包括液压元件的外形尺寸，链接尺寸，操作空间大小等。

2）确定孔道的直径。阀块上的公用通道，包括压力油孔P 、回油口T 、泄漏油口L(有时不用) 及四个安装紧固的螺栓孔。液压泵输出的压力油经调压后进入公用压力油口P ，作为供给歌单元回路压力油的公用油源。各单元回路的回油均通到公用回油孔T, 然后流回油箱。各液压阀的泄露油，统一通过公用泄露油孔L 流回油箱。压力油孔的尺寸由液压泵的流量确定，回油孔一般不得小于压力油孔，直接与液压元件链接的液压油孔由选定的液压元件规格确定，与液压油管链接的液压油孔可采用米制细牙螺纹或英制管螺纹，孔与孔之间的链接孔（工艺孔）用螺塞在阀块表面堵死。

3）确定集成阀块上液压元件的布置。把选择好的各个液压元件放在阀块的各个视图上进行布局，最好让各个阀体集中布置在阀块的正面。保证各个液压元件之间不会干涉。同时还应该考虑元件在安装固定时的操作空间。

4）确定集成阀块的尺寸要求满足阀件的安装、孔道布置及其他工艺要求。在液压系统较复杂时，由于液压元件较多，应避免阀块上孔道过长，给加工制造带来困难，所以集成阀块的外形尺寸一般不大于400mm ，为减少工艺孔，缩短孔道长度。阀的安装位置要仔细考虑，使想通油孔尽量在同一水平面或是同一竖直面上，需要多个集成阀块叠积时一定要保证三个公用油孔的坐标相同，使之叠积

起来后形成三个主通道。各个通油孔的直径要满足最大允许流速要求，在设计手册和参考书中均可以找到相应的推荐流速值。油孔之间的壁厚不能太小，一方面防止使用过程中，由于油的压力面击穿；另一方面避免加工时，因油孔的偏斜而误通。对于中低压系统，壁厚不得小于5mm ，高压应该更大些。

5）集成阀块零件图的绘制。阀块的六个表面都是加工表面，其中有三个侧面要安装液压元件，一个侧面引出管道。阀块内孔道纵横交错，需要多个视图和剖面图才能表达清楚。孔道的位置精度要求度高，因此尺寸、公差及表面粗糙度均应标记清楚，技术要求也应予以说明。此外，为了便于检查和装配阀块，应把集成回路图和阀块上液压元件布置简图绘在旁边，而且应将各个孔道编号。孔道较多时，最好采用列表的方式说明各个孔的尺寸，深度以及孔与孔之见的相交等情况。

6 液压站的设计

6.1 液压站的结构设计

液压站是由液压油箱，液压泵装置及液压控制装置三大部分组成。液压油箱专有空气滤清器，滤油器，液面指示器和清洗孔等。液压泵装置包括不同类型的液压泵，驱动电机及其它们之间的联轴器等。液压控制装置是指组成液压系统的各阀类元件及其连接体。

液压站的结构分为分散式和集中式两种结构。本系统采用集中式结构，将液压系统的供油装置，控制调节装置单独设置一个液压站。这种结构的优点是安装维修方便，液压装置的震动，发热都与执行元件隔开。

压站的结构设计有以下几点注意事项：

液压装置中各部件，元件的布置要均匀，便于装配，调整，维修和使用，并且要适当地注意外观的整齐和美观。

液压泵与电动机可装早液压油箱的盖上，也可装在液压油箱之外。主要考虑液压油箱的大小和刚度。由于本系统的油箱较大，故将液压泵与电动机按装在液压油箱之外。

在阀类元件的布置中，行程阀的安防位置必须靠近运动部件。手动换向阀的位置必须靠近操作部位。唤醒发之间应留有一定的轴向距离，以便进行手动调整或装拆电磁铁。压力表及其开关应布置在便于观察和调整的地方。所以，本系统中，将手动换向阀装在现场，方便操作人员及时将事故钢包旋转到事故处理点，将危害控制在最小。压力表安装在阀台最上面的显示牌上。

液压泵与系统相联的管道一般都集中接到系统的中间接头上，然后再分别通向不同部件的各个执行机构中去，这样有利于搬运，装拆和维修，也比较美观。硬管应贴地或沿着外形壁面铺设，相互平行的管道应保持一定的距离，并用管夹固定。随工作部件运动的管道可采用软管，伸缩管或弹性管。软管安装时应避免发生扭转，以免影响使用寿命。本系统在泵的出口处用软管连接，还可减少液压冲击。

6.2 液压叠加回路设计

对液压叠加回路设计的重点注意的是叠加阀的技能，通径和工作压力，将所

选的叠加阀按一定的规律叠加成液压叠加回路。设计叠加回路时，要注意以下几点：

1）主换向阀，叠加阀，底板块之间的通径连接尺寸应一致。所以，本系统将通径一样的叠加支路安放在通义阀块上。

2）主换向阀应该布置在叠加阀的最上面，兼作顶盖用。执行元件通过连接油管和底板块的下底面连接，叠加阀布置在主换向阀和底板块之间。

3）压力表开关应靠紧底板块，否则将无法测出各点压力。

4）集中供油系统，顺序阀通径按高压泵流量确定，溢流阀通径由液压泵总流量确定。

5）回油路上的调速阀，节流阀和电磁节流阀，应布置在紧靠主换向阀的地方，应尽量减少会油路上的压力损失。

集成块结构设计注意事项：

1）与液压油管连接的液压油口可采用多种螺纹，本系统采用米制牙螺纹。液压元件的布置应以集成块上加工的孔最少为好。

2）孔道相同的液压元件尽可能布置在同意水平面或直径范围内，否则要钻垂直中间油孔。不通孔道之间的最小壁厚必须进行强度校核。

3）液压元件水平面上的孔道若与公共油孔相通，则应尽可能布置在同一垂直位置或直径d 范围内，否则要钻中间孔道。

4）集成块前后与左右连接孔道应互相垂直，不然要钻中间孔道；。

5）设计专用集成块时，要注意其高度应比装在其上的液压元件的最大横向尺寸大2～3mm 。以避免上下集成块上的液压元件相碰。

6）本系统采用叠加阀，将叠加好的阀安装在集成块上，再将它们一起安放在阀台上，这里对集成块的设计采用分层设计法，将P ，T ，A ，B 油道分层布置，这样可以有效防止各个油路的沟通。

6.3 液压系统的安装

各种液压元件的安装方法和具体要求，在产品说明书中，都有详细的说明，在安装时必须加以注意。以下仅是液压元件在安装时应注意的事项。

安装前元件应进行质量检查，若确定元件被污染需要拆开清洗，并进行测试，应符合《液压元件通用技术条件》的规定，合格后安装。

安装前应将各种自动控制仪表（如压力计，电接触压力计，压力继电器，液位计，温度计等）进行校正，这对以后的调整工作极为重要，以避免不准确而造成事故。

液压泵位置安装要求如下：

1）液压泵与原动机之间的联轴器的形式及安装要求必须符合制造厂的规定。

2）外露的旋转轴，联轴器必须安装防护罩。

3）液压泵与电动机的安装底座必须有足够的刚性，以保证运转始终同轴。

4）液压泵的进油管路应短而直，避免拐弯过多，断面突变。在规定的油液粘度范围内，必须使泵的进油压力和其他条件符合泵制造厂家的规定。

5）液压泵的进油管路密封必须可靠，不得吸入空气。

6）高压，大流量的液压泵装置推荐采用:泵进油口设置橡胶弹性补偿接管，泵出油口连接高压软管，泵装置底座设置弹性减震垫。

本系统为高压，大流量的系统，故采用在泵的出口连接高压软管。

油箱安装要求如下：

油箱应仔细清洗，用压缩空气干燥后，再用煤油检查寒风质量。

必须有足够的支持面积，以便于在装备和安装时用垫片等进行调整。

液压阀安装要求如下：

1）阀的安装方式应该符合厂家规定。

2）为了保证安全，阀的安装必须考虑重力，冲击，震动对阀内零件的影响。

3）应注意进油口与回油口的方位，某些阀如将进油口与回油口装反，会造成事故。

4）为了避免空气混入，连接处应保证有良好的密封性。

5）方向控制阀的安装，一般使轴线安装在水平位置上。

6）一般调整的阀件，顺时针方向旋转时，增加流量，压力；反时针旋转时，则减少流量，压力。

6.4 管路的安装和清洗

管路的安装一般在所连接的设备和元件安装完毕后再进行。钢管路酸洗应在管路配置完毕，且已具备冲洗条件后进行的。管路酸洗复位后，应尽快进行循环冲洗，以保证清洁与防锈。

6.5 液压系统的维护

系统的压力试验应在安装完毕组成系统，并冲洗合格后进行。

系统调试一般应按泵站调试，系统压力调试和执行元件调试的顺序进行，并应配合机械的单部件调试，单机调试，区域联动，机组联动的调试顺序。

液压设备通常采用“日常检查”和“定期检查”的方法，以保证设备的正常运行。

液压系统某个回路的某项液压功能出现失灵，失控，失效，失调或功能不全称为液压系统故障。它会导致液压机构某些技术指标和经济指标偏离正常值或正常状态，如液压机构不能动作，输出不稳定，运动不符合要求，运动不稳定，运动方向不准确，产生爬行或液压冲击等，这些故障一般都可以从液压系统的压力，流量，液流方向去查找原因，并想对策来排除。

液压系统的故障大多属于突发性故障和磨损性故障，这些故障的液压系统的调试期，运行的初期，中期和后期表现形式与规律也不一样，应尽早采用状态检测技术，努力做到早期诊断及排除。一般来说液压系统发生故障的因素约有85%是由液压油受到污染所造成的，所以应定期检查油液的清洁度。

7. 环境分析

7.1 环境污染

随着科学技术水平的发展和人民生活水平的提高，环境污染也在增加，特别是在发展中国家。环境污染问题越来越成为世界各个国家的共同课题之一。

由于人们对工业高度发达的负面影响预料不够，预防不利，导致了全球性的三大危机：资源短缺、环境污染、生态破坏。人类不断的向环境排放污染物质。但由于大气、水、土壤等的扩散、稀释、氧化还原、生物降解等的作用。污染物质的浓度和毒性会自然降低，这种现象叫做环境自净。如果排放的物质超过了环境的自净能力，环境质量就会发生不良变化，危害人类健康和生存，这就发生了环境污染。

环境污染会降低生物生产量，加剧环境破坏。

环境污染源主要有以下几方面：

1. 工厂排出的废烟、废气、废水、废渣和噪音；

2. 人们生活中排出的废烟、废气、噪音、脏水、垃圾；

3. 交通工具（所有的燃油车辆、轮船、飞机等）排出的废气和噪音；

4. 大量使用化肥、杀虫剂、除草剂等化学物质的农田灌溉后流出的水；

5. 矿山废水、废渣。

环境污染的各种分类：

按环境要素分：大气污染、水体污染、土壤污染。

按人类活动分：工业环境污染、城市环境污染、农业环境污染。

按造成环境污染的性质、来源分：化学污染、生物污染、物理污染（噪声污染、放射性、电磁波）固体废物污染、能源污染。

环境污染会给生态系统造成直接的破坏和影响，如沙漠化、森林破坏、也会给生态系统和人类社会造成间接的危害，有时这种间接的环境效应的危害比当时造成的直接危害更大，也更难消除。例如，温室效应、酸雨和臭氧层破坏就是由大气污染衍生出的环境效应。这种由环境污染衍生的环境效应具有滞后性，往往在污染发生的当时不易被察觉或预料到，然而一旦发生就

表示环境污染已经发展到相当严重的地步。当然，环境污染的最直接、最容易被人所感受的后果是使人类环境的质量下降，影响人类的生活质量、身体健康和生产活动。例如城市的空气污染造成空气污浊，人们的发病率上升等等；水污染使水环境质量恶化，饮用水源的质量普遍下降，威胁人的身体健康，引起胎儿早产或畸形等等。严重的污染事件不仅带来健康问题，也造成社会问题。随着污染的加剧和人们环境意识的提高，由于污染引起的人群纠纷和冲突逐年增加。

目前在全球范围内都不同程度地出现了环境污染问题，具有全球影响的方面有大气环境污染、海洋污染、城市环境问题等。随着经济和贸易的全球化，环境污染也日益呈现国际化趋势，近年来出现的危险废物越境转移问题就是这方面的突出表现。

7.2 机械工业（本部分主要尤指液压）对环境的危害和防治

工业对环境污染的影响是十分严重的，其表现在环境污染的各个方面。例如大气污染、水污染、固体废物污染等都与国家的工业化发展进程中对环境问题的忽视有着很重要的关系。而结合液压专业，对液压系统和设备容易对环境造成的危害和防止的简单方法来大致谈一谈。

7.2.1液压工业对环境的危害

1. 噪声污染

噪声污染是液压生产过程中最容易产生也最难以克服的一项难题。

液压系统中，发电机、马达、泵等工作时，就会发出很刺耳的噪声；一些液力驱动的冲压、冷轧、锻造机床等，更是会发出巨大恼人的声响，对工人甚至是周边地区的人造成伤害，因此，液压工业中的噪声污染成为我们最关注的问题。

2. 水污染

液压系统中的水污染也同样需要防治。由于液压系统中用需要大量使用液压油驱动液压设备去工作。工作油液经过循环、使用之后变为废液需要排放。但如果废液排放不慎，就会造成下游水域的污染。

3. 能源的浪费

由于液压系统多数情况下是需要多个液压元件进行配合工作，液压设备又普遍比较笨重巨大。而同时液压系统的精度要求很低，所以往往造成液压系统的效率十分低下，从而造成电能、化学能、水能、风能等能源的严重浪费。

7.2.2 解决方法

1. 对于污染的防治

针对液压系统中容易出现的噪声污染和水污染，主要解决办法有：

(1)工厂尽量远离市区；增强对车间噪声的控制，消除减弱噪声源，通过研制和选用低噪声设备，改进生产加工工艺，达到减少发生体数目或降低发生体中的辐射功率。

(2)改革生产工艺，合理充分的使用液压油，提高其重复利用率；同时建立合理完善的管理制度，控制废液的排放。

2．液压系统效率的提高方法

(1)改进加工工艺，采用一些提高效率的工艺手段，同时提高对系统控制的精度；

(2)定期更新工厂设备，用新的高效的先进设备代替原有设备，提高液压系统效率和能源的利用率。

每一个环境污染的实例，可以说都是大自然对人类敲响的一声警钟。为了保护生态环境，为了维护人类自身和子孙后代的健康，必须积极防治环境污染。

我国防治环境污染的对策为了防治环境污染，我国相继颁布了《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国水污染防治法》等一系列法律。1983年，我国政府宣布把环境保护列为一项基本国策，提出在经济发展过程中经济效益、社会效益和环境效益相统一的战略方针。1994年，我国政府制定了今后中国环境保护工作的行动指南——《中国21世纪议程》，指出“通过高消耗追求经济数量增长和‘先污染后治理’的传统发展模式已不再适应当今和未来发展的要求，而必须努力寻求一条人口、经济、社会、环境和资源相互协调的、既能满足当代人的需要而又不对满足后代人需求的能力构成危害的可持续发展的道路”。为了

做好环境污染的防治工作，我们每一个公民必须努力增强环境意识：一方面要清醒地认识到人类在开发和利用自然资源的过程中，往往对生态环境造成污染和破坏；另一方面要把这种认识转变为自己的实际行动，以“保护环境，人人有责”的态度积极参加各项环境保护活动，自觉培养保护环境的道德风尚。防治环境污染的措施很多，其中与生物科学密切相关的有利用生物净化来消除环境污染和发展绿色食品等。

结束语

四年的艰苦跋涉，五个月的精心准备，毕业论文终于到了划句号的时候，心头照例该如释重负，但写作过程中常常出现的辗转反侧和力不从心之感却挥之不去。论文写作的过程并不轻松，工作的压力时时袭扰，知识的积累尚欠火候，于是，我只能一次次埋头于图书馆中，一次次在深夜奋笔疾书。第一次花费如此长的时间和如此多的精力，完成一篇具有一定学术价值的论文，其中的艰辛与困难难以诉说，但曲终幕落后留下的滋味，值得我一生慢慢品尝。

敲完最后一个字符，重新从头细细阅读早已不陌生的文字，我感触颇多。虽然其中没有什么值得特别炫耀的成果，但对我而言，是宝贵的。它是无数教诲、关爱和帮助的结果。

我要感谢我的指导教师张新宇老师。张老师虽身负教学、科研重任，仍抽出时间，不时召集我和同门以督责课业，耳提面命，殷殷之情尽在谆谆教诲中。这篇论文更倾注了他的大量心血。从初稿到定稿，张老师不厌其烦，一审再审，大到篇章布局的偏颇，小到语句格式的瑕疵，都一一予以指出。同时，我要感谢机械学院所有给我上过课老师，是他们传授给我方方面面的知识，拓宽了我的知识面，培养了我的功底，对论文的完成不无裨益。我还要感谢学院的各位工作人员，他们细致的工作使我和同学们的学习和生活井然有序。

谨向我的父母和家人表示诚挚的谢意。他们是我生命中永远的依靠和支持，他们无微不至的关怀，是我前进的动力；他们的殷殷希望，激发我不断前行。没有他们就没有我，我的点滴成就都来自他们。

让我依依不舍的还有各位学友、同门和室友。在我需要帮助的时候他们伸出温暖的双手，鼎立襄助。能和相遇、相交、相知是人生的一大幸事。

本论文的完成远非终点，文中的不足和浅显之处则是我新的征程上一个个新的起点。

我将继续前行！

致谢

四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。

回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。

学友情深，情同兄妹。三年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。

在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。

最后，我要特别感谢张新宇老师、张新宇老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励, 使我能够顺利完成毕业设计，在此表示衷心的感激.

张老师认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢她耐心的辅导。

在系统开发过程中#老师也给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得系统能够及时开发完成，这里一并表示真诚的感谢。

参考文献

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[14] 潘毓淳．炼钢设备[M] ．北京：北京科技大学，1992.

步进式加热炉液压系统设计

摘要

关键词：步进式加热炉；普通液压阀；锁紧

Step by step heating furnace hydraulic system design

Abstract

treatment ，building materials，electronic ，materials ，light industry，chemical ，pharmaceutical and other industries.

The design in mainly to design the hydraulic proportioning system for the

Keyword: Walking beam type furnace; The normal hydraulic valve; Locking acuipement

1 绪论 .............................................. 1

1.1 背景及工艺 .............................................. 1

1.2中国步进式加热炉炉门液压系统的现状与未来技术发展......... 1

1.3步进式加热炉炉门升降液压系统的特点....................... 2

1.4加热炉的特点............................................. 2

2 设计任务 ........................................... 4

2.1 设计题目 ................................................ 4

2.2 主要技术参数及要求 ...................................... 4

2.3 设计方案 ................................................ 5

2.4拟订液乐系统原理图....................................... 5

2.4.1确定系统类型 . ...................................................................... 5

2.4.2选择液压基本回路 . ............................................................... 6

2.5负载分析................................................. 8

3 液压系统的计算与选型 ............................... 9

3.1 系统工作压力的确定 ...................................... 9

3.2 执行元件的计算与选型 .................................... 9

3.2.1 升降液压缸.......................................................................... 9

3.3 执行元件速度的计算 ..................................... 11

3.4 执行元件流量的计算 ..................................... 12

3.4.1 升降液压缸........................................................................ 12

3.5 绘制液压系统工况图 ..................................... 12

3.5.1 流量循环图........................................................................ 12

3.5.2 压力循环图........................................................................ 13

3.5.3 功率循环图........................................................................ 14

3.6 液压元件的选择和专用件设计 ............................. 15

3.6.1 液压泵的选择 .................................................................... 15

3.6.2 液压阀的选择 .................................................................... 16

3.6.3 蓄能器的选择 .................................................................... 16

4 液压系统的计算与选型 .............................. 19

4.1 油箱的选择 ............................................. 19

4.2 滤油器的选择 ........................................... 20

4.3 冷却器的选择 ........................................... 21

4.4 管道的选择 ............................................. 23

4.4.1 管道内径计算 .................................................................... 23

5 液压系统性能验算 .................................. 25

5.1 液压系统压力损失 ....................................... 25

5.1.1 升降缸回路压力损失 ......................................................... 25

5.2 温升验算 ............................................... 27

5.3集成阀块................................................ 28

6 液压站的设计 ...................................... 30

6.1 液压站的结构设计 ....................................... 30

6.2 液压叠加回路设计 ....................................... 30

6.3 液压系统的安装 ......................................... 31

6.4 管路的安装和清洗 ....................................... 32

6.5 液压系统的维护 ......................................... 33

7. 环境分析 ......................................... 34

7.1 环境污染 ............................................... 34

7.2 机械工业（本部分主要尤指液压）对环境的危害和防治 ....... 35

7.2.1液压工业对环境的危害 . ...................................................... 35

7.2.2 解决方法 ......................................................................... 36

结束语 .............................................. 38

致谢 ................................................ 39

参考文献 ............................................ 40

1 绪论

1.1 背景及工艺步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。

1.2中国步进式加热炉炉门液压系统的现状与未来技术发展

1. 液压软管2. 平衡缓冲阀组3. 液压缸4. 链条5. 滑轮

图1.1 炉门出料设备安装示意

1.3步进式加热炉炉门升降液压系统的特点

2省却了机械传动中的庞大的减速机和配重，主设备液压油缸安装在地坪上，因此降低了安装难度与安装施工时间。

3相比机械传动方案来说，采用节约了大量的设备采购成本。

目前，已经将此炉门升降驱动液压回路应用到热轧线板坯步进式加热炉工程实践之中，收到良好的经济效益。

1.4加热炉的特点

步进式加热炉于1967年在日本问世, 由于一系列的特点决定它的优势, 很快地得到了工业发达国家的重视, 在热轧厂、线材厂、管材厂等轧钢厂推广应用,

现在世界上已有一百多座步进式加热炉, 代替传统的推钢式加热炉。与推钢式加热炉相比,

步进式加热炉具有以下特点

(2)钢坯在支承梁上无摩擦地运行, 消除滑轨划伤, 黑印小, 因而提高了轧制钢材的产品质量。

（5）炉子可将炉内钢坯全部送出, 轧机停机时不会造成炉内因送不出的钢坯氧化及热能损失现象。也便于更换钢材规格、品种。

2 设计任务

本次任务是设计步进式加热炉液压系统，具体细节如下。

2.1 设计题目

步进式加热炉液压系统设计

2.2 主要技术参数及要求

已知炉门质量m=3t

运行速度V=0.1m/s

工作行程S=1m

2.3 设计方案

2 本液压系统采用了平衡缓冲阀组成压力补偿回路，有效防止了液压缸升降时产生的惯性冲级，起到了缓冲作用。

3 在快速运动的液压机械或系统需要大流量时为节省能源，通常采用多泵供油或将蓄能器作为辅动力源供油。

4 以上液压缸的动作实现都要用一供一备的变量液压泵来提供压力油。

2.4拟订液乐系统原理图

2.4.1确定系统类型

定性和效率有较高要求的系统，或采用容积调速的系统. 都适于采用闭式类型。

2.4.2选择液压基本回路

始，然后根据需耍考虑其他回路。

(1)选择换向和调速方案

(2)选择压力控制方案

(3)选择顺序动作方案

不同的设备类型对主机执行机构的顺序动作要求也不同，有的耍求按照固定

2.4.3由基本回路组成液压系统

图3.2 系统原理图

2.5负载分析

加热炉炉门受到的重力G=mg=29.4KN

取静摩擦系数为0.2受到的摩擦力为f=0.2G=5.88KN

F=G-f=23.52KN

得出F=23.52KN、t=0.0128s、取P=4MPa 、A=0.006M2、s=0.00112m

3 液压系统的计算与选型

3.1 系统工作压力的确定

3.2 执行元件的计算与选型

升降液压缸分为上升和下降两个动作，采用两个升降液压缸完成，要完成液压缸的选取，先要计算其负载。

3.2.1 升降液压缸

图3.1 液压缸受力图

由上图可知： π

由（3.1）式可得： ⨯D 2⨯P 1=F +π4⨯(D 2-d 2) ⨯P 2+F fc （3.1）

D =（3.2）

1------液压缸工作压力，初算时可取系统工作压力

式中 P

表3.1

P 2------液压缸回油腔背压力，初算时无法准确确定，根据《液压系统设计简明手册》表2-2，取P2为0.5MPa 。

d/D-----活塞杆直径与液压缸内径之比，根据《液压系统设计简明手册》表2-3，取d/D=0.7.

F-------工作循环中最大的外负载。

F fc ------液压缸密封处摩擦力，它的准确值不易求得，常用液压缸的机械效率ηcm 进行估算

式中 ηcm -----液压缸的机械效率，一般ηcm =0.9～0.97，这里取ηcm =0.95。外负载F=3×103×9.8=29400N

由于由两个液压缸同时作用，所以单个液压缸的负载为外负载的一半。所以F=14700N

代入（3.2）式得

D ==48mm

d=0.7D=33.6mm

根据《机械设计简明手册》表2-4，D 圆整到63mm ，d 圆整到45mm 。

由于升降缸的垂直位移是1000mm ，查机械设计手册，采用升降缸的型号为冶金液压缸UY-TF-20-63×1000-16

3.3 执行元件速度的计算

由于设计任务要求的工作循环周期为15s ，并且由于每个工况的运动速度不同，先将任务分配与如下

图3.3 系统工况图

步进梁在每个运动阶段的运动过程中，都是先加速后匀速最后减速，由于加速和减速的过程中所有时间极短，可以忽略不计，故按平均速度计算。

上升速度 V 上=1000mm/10s=100mm/s

下降速度 V 下=1000mm/5s=200mm/s

运动周期 T=10s+5s=15s

3.4 执行元件流量的计算

3.4.1 升降液压缸

基本参数 D=56mm，d=40mm，V 升=100mm/s ，v 降=200mm/s 上升时进入升降

缸的流量： Q 升=π4⨯D 2⨯V 升=π42⨯（56mm ）⨯100mm/s=14.8L/min

下降时进入升降缸的流量：

Q 降=π4⨯(D 2-d 2)⨯V 降=π⎡22⨯(56mm )-(40mm )⎤⨯200mm/s=14.4L/min 4⎣⎦

3.5 绘制液压系统工况图

3.5.1 流量循环图

图3.4 系统流量循环图

3.5.2 压力循环图

3.5.2.1 升降缸实际工作压力计算

基本参数D=56mm，d=40mm， P 2=0.5Mpa, F=14700N, ηcm =0.95,

由公式（2.1）和（2.3）可得：

当步进梁上升时升降液压缸实际工作压力P 1=10.1Mpa；

当步进梁下降时液压缸通过重力自己下降，由重力提供压力，故其工作压力为17.73MPa

图3.5 压力循环图

3.5.3 功率循环图

由于功率 N=PQ 所以步进梁上升时所需的功率 N=10.1Mpa×2×14.8L/min=5.8Kw；

步进梁下降时所需的功率 N=17.73Mpa×2×14.4L/min=10Kw；

图3.6 系统功率循环图（3.4）

3.6 液压元件的选择和专用件设计

3.6.1 液压泵的选择

3.6.1.1 确定液压泵的最大工作压力P P

P P ≥P 1+∑∆P （3.5）式中 P1----------液压缸或液压马达最大工作压力；

由于上述计算的最大压力P1=10.1Mpa，所以pP ≥11.3Mpa 。

3.6.1.2 确定液压泵的流量Q P

多液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量应为

Q P ≥K（∑Qmax ）（3.6）

式中 K-----系统泄漏系数，一般取K=1.1～1.3，这里取1.2；

3.6.1.3 确定液压泵的驱动功率

n t

N p e （3.7） r

式中 t1，t 2„„t n --------一个循环内每一动作阶段内所需要的时间（s ）；

N1，N 2„„N n ------一个循环内每一动作阶段内所需要的功率（W ）。

其中N 1=5.8KW。t 1=10s。代入上式得N per =7.46KW。

查阅《机械设计手册》第四卷表17-1-29，选取电动机型号为Y4-160L4. 其参数为：额定功率P 额=15KW，转速n=1460r/min，效率η=0.85。

选用轴向弹性联轴器HL9型

3.6.2 液压阀的选择

表3.2 部分元件列表 3.6.3 蓄能器的选择

蓄能器总容积的计算：蓄能器的总容积V 0，即充气容积（对活塞式蓄能器而言，是指气腔容积与液腔容积之和）。根据玻尔定律：

P 0V 0n =P1V 1n =P2V 2n =C （3.8）

蓄能器工作在绝热过程（t

V 0=ＶＷ

Ｐ0.715

０⎡⎛1⎫⎢ ⎪Ｐ⎢⎣⎝１⎭£0.715⎛1⎫－ ⎪⎝Ｐ２⎭0.715⎤⎥⎥⎦ (3.9)

P 0-----充气压力，MPa

P 1-----最低工作压力，MPa

P 2-----最高工作压力，MPa

以上压力均为绝对压力，相应的气体容积分别为V 0，V 1，

n------指数，绝热过程n=1.4（对氮气和空气），

V w -----有效工作容积，L 。

（1）计算P1

作为辅助动力源来说，蓄能器的最高工作压力为

P 1=（P 1）max+( ∑Δp) max （2.10）

（P 1）max------最远液压机构的最大工作压力，MPa

( ∑Δp)max---蓄能器到最远液压机构的压力损失之和，MPa

由系统图和计算可得，（ P 1）max=10.1MPa. ( ∑Δp)max =0.5MPa×4=2MPa。

所以P 1=（P 1）max+( ∑Δp) max =10.1MPa+2MPa=12.1MPa。

（2）计算P 2

作为辅助动力源的蓄能器，为使其在输出有效工作容积过程中液压机构的压力相对稳定些，一般推荐

P 1=（0.6～0.85）P 2

这里取P 2=18MPa。

（1）计算P 0

在保护胶囊，延长其使用寿命的条件下：

P 0=（0.8～0.85）P 1 （3.10）这里取P 0=0.8P1=0.8×12.1MPa=9.68MPa

（2）计算V W

对于作为辅助动力源的蓄能器，可按下式粗算：

V W =∑

i=1n Q t V K- （3.11） p i 60

n ∑V -------最大耗油量处，各执行元件耗油量总和，L i

i=1

A i ---------液压缸工作腔有效面积，m 2

l i ----------液压缸的行程，m

K-----------系统泄漏系数，一般取K-=1.2

∑Q p -------泵站总供油量，L/min

t-----------泵的工作时间，s

V i ----------应急操作时，各执行元件耗油量，L

其中 ∑V =14.8L/min⨯10s ⨯2=5L i

i=1n

∑Qp t=14.8L/min×10s×2+7.2L/min×10s=6.2L

将以上参数带入公式（2.11），得：V W =9.43L

将以上求得参数代入公式（2.9）得V 0=23.9L

查《力士乐样本》，选取HAB35-330-2X/10G09G-2N111-CE型蓄能器，其公称容积为35L ，其公称压力为20MPa 。

查《机械设计手册第20篇液压传动》，选取安全阀组AJS32Z-20

4 液压系统的计算与选型

4.1 油箱的选择

油箱在系统中的功能，主要是储油和散热，也起着分离油液中的气体及沉淀污染的作用。

根据系统的具体条件，合理选用油箱的容积，形式和附件，以使油箱充分发挥作用。

油箱中需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与沉淀。

4.2 滤油器的选择

滤油器是液压系统中的重要元件。他可以清除液压油中的污染物，保持油液清洁度，确保液压元件工作的可靠性。

滤油器按其过滤精度的不同，有粗过滤器，普通过滤器，精密过滤器和特精过滤器四种。在选用滤油器时，应注意以下几点。

滤芯便于清洗和更换。

线隙式滤油器：一般用于中，低压系统，这种滤油器阻力小，通流能力大，但不宜清洗。

片式滤油器：用于一般过滤，油流速度比超过0.5～1m/s。

磁性滤油器：用于吸附铁屑与其他滤油器合用。

查阅《液压设计手册》(电子版) ，回油路上的过滤器选用ABZFR-S0160 -10-1X/M-A回油过滤器，过滤精度为10 um，系统流量为54L/min，滤油器通油

能力为160L/min，满足系统要求。

4.3 冷却器的选择

对冷却器的基本要求：（1）有足够的散热面积。（2）散热效率高。(3)油液通过时压力损失小。（4）结构力求紧凑，坚固，体积小，重量轻。

冷却器的选择依据：（1）系统的技术要求。（2）系统的环境。（3）安装条件。

（4）经济性。（5）可靠性及寿命要求。

冷却器的计算

（1）散热面积的计算

冷却器的计算主要根据热交换量确定散热面积和冷却水量

根据热平衡方程式：

H 2=H-H1 （4.1）

式中 H=PP -P c =PP （1-ηp ηc ηm ）（4.2）式中 ηC =p q

p q p 11p （4.3）液压系统在一个动作循环内的平均发热量H=H t

T i i （4.4）

当液压系统处于长期连续工作状态时，为了不使系统温升增加，必须使系统产生的热量全部散发出去，即H 2=H

若H 2≤0，则不设冷却器

冷却器的散热面积：

A=H 2 (4.5) k ∆t m

（t +t ）（t +）t ∆t m 121122

式中（4.6） 22

H------系统的发热功率，W

P P ------油泵的总输入功率，W

ηp --------油泵的效率

ηm --------液压执行元件的效率，对液压缸一般按0.95计算

ηc --------液压回路效率

∑p1q 1----各液压执行元件工作压力和输入流量乘积总和

∑pp q p ----各油泵供油压力和输出流量乘积总和

T------循环周期，s

H 1------油箱散热功率，W

H 2------冷却器的散热功率，W

△t m —油和水之间的平均温差，K

t 1-----液压油进口温度，K

t 2-----液压油出口温度，K

t 11----冷却水进口温度，K

t 22----冷却水出口温度，K

k------冷却器的传热系数，初步计算可按下列值选取：

蛇形管式水冷k=110～175W/（m 2.K ）

多管式水冷k=116 W/（m 2.K ）

平板式水冷k=465 W/（m 2.K ）

已知参数P P =10.24Kw, ηp =0.9ηm =0.95, ηc =0.9，T=20,求得系统的发热量H= P P （1-ηp ηc ηm ）=15Kw×（1-0.9×0.95×0.9）=2.36Kw

按V=0.8abh求得油箱的各边之积，abh=0.8/0.8=1m3，取油箱的长度a=1m，油箱的宽b=1m，高度h=1m。

油箱的散热面积为：A=1.8h（a+b）+1.5ab=5.1m2

油箱的散热功率为：H 1=KA△T

式中：K------油箱的散热系数，查表取K=15W/（m 2. o C ）；

T----油温与环境温度之差，取△T=25 oC

求得H 1=15×5.1×25=1.91Kw

所以H 2=H-H1>0,要设置冷却器。

取冷却器的冷却系数多管式水冷k =116 W/（m 2.K ），取液压油进口温度t 1=60 o

o C ，液压油出口温度t 2=50 oC ，冷却水进口温度t 11=25 oC ，冷却水出口温度t 22=30 C 。

将上述参数带入公式（4.6），求得：△t m =27.5 oC

不需要冷却器

4.4 管道的选择

在液压传动中常用的管子有钢管，铜管，橡胶软管以及尼龙管等。

紫铜管能承受的压力较低（P ≤ 3.6~10MPa）, 经过加热冷却处理后，紫铜管软化，装配时可按需要进行弯曲；但价贵且抗振能力较弱。

尼龙管用在低压系统，塑料管一般只做回油管用。

4.4.1 管道内径计算

式中 Q------通过管道内的流量（L/min）

V------管内允许流速（m/s），见下表

表4-1 管道与流速的选择

4.4.1.1 吸油管路

由于液压泵的最大流量为54L/min，所以吸油管路的流量Q=54L/min，由于泵的出口是软管连接，依据上表，取流速v=1m/s，，代入公式（4.7）得d=33.87mm

查《液压设计手册》（电子版），选取吸油管路公称通径为40mm ，外径为50mm ，壁厚为4.5mm 。

4.4.1.2 压力管路

（1）泵联接段流量Q =43.8L/min×0.9=39.42L/min，根据上表，取流速v=5m/s,代入公式（4.7）得d=12.95mm

查《液压设计手册》（电子版），选取吸油管路公称通径为15mm ，外径为22mm ，壁厚为2mm 。

（2）升降液压缸回路流量Q=14.8L/min，根据上表，取流速v=3m/s，代入

公式（4.7）得d=10.23mm

查《液压设计手册》（电子版），选取吸油管路公称通径为12mm ，外径为18mm ，壁厚为3mm 。

4.4.1.3 吸油管路

5 液压系统性能验算

5.1 液压系统压力损失

压力损失包括管路的沿程损失△P 1，管路的局部压力损失△P 2，阀类△P 3，总的压力损失

△P=△P 1+△P 2+△P 3 （5.1） ∆P 1=2λl v p

2d （5.2）

∆P 2=

式中 l-------管道的长度（m ）；

d-------管道内径（m ）；

v-------液流平均速度（m/s）；

ρ-------液压油密度（kg/m3）；

λ-----------延程阻力系数；

ζ------------局部阻力系数。 ςv 2ρ2 （5.3）

Λ，ζ的具体值可参考流体力学相关内容。

2 P 3=∆P n (Q /Q ) （5.4）n

式中 Q n -----阀的额定流量(m3/s);

Q------通过阀的实际流量（m 3/s）；

△P n ----阀的额定压力损失（Pa ）（可从产品样本中查到）

5.1.1 升降缸回路压力损失

5.1.1.1 延程压力损失

由于升降回路选取的管路公称通径为12mm ，且通过升降管路的最大流量为

14.8L/min，依据公式（4.7），求得其实际流速V=2.18m/s。取管路的长度为40m ，油液的运动粘度为ν=46mm2/s。

因为 R e =Vd/ν

式中：d--------管道内径（m ）;

V--------管道内实际流速（m/s）

ν--------油液运动粘度(mm2/s)

R e -------雷诺数

将上述参数代入得R e =568.7

依据公式（5.2）将上述参数代入得△P 1=0.38MPa。

5.1.1.2 局部压力损失

由原理图可知，由泵出口到升降回路进油口，依次经过单向阀，三位四通电磁换向阀，液压锁，单向节流阀，截止阀。

单向阀S30A3O ：查《机械设计手册》中的特性曲线可知，当流量为54L/min时，其压降为0.7MPa 。

三位四通电磁换向阀4WEH16J7XO/6EG24K4，查《力士乐样本》中特性曲线可知，当流量为14.8L/min时，其压降为0.5MPa 。

液压锁VS01-06/MDSV，查《ARGO HYTOS液压样本》中特性曲线可知，当流量为14.8L/min时，其压降为0.6MPa 。

单向节流阀V-06/MCV，查《ARGO HYTOS液压样本》中特性曲线可知，当流量为54L/min时，其压降为0.5MPa 。

△P 3=0.7MPa+0.5MPa+0.6MPa+0.5MPa=2.3MPa

故升降回路上压力损失总和为

△P=△P 1+△P 3=0.047MPa+2.3MPa=2.347MPa

的。

5.2 温升验算

当V=100mm/s时，即v=6000mm/min

q =π

4D 2v =π

4⨯0.0562⨯6m /min =14.8⨯10-3m /min （5.5）

即 q =14.8L /min

此时泵的效率为0.9，泵的出口压力为15MP ，则有

P 入=15⨯14.8KW =4.11KW 60⨯0.9

6000P 输出=Fv =14700⨯⨯10-3⨯10-3KW 60

P 输出=1.47KW （5.6）（5.7）即

此时的功率损失为：

∆P =P 入-P 出=(4.11-1.47)KW =2.64KW

-32 假定系统的散热状况一般，取K =20⨯10KW /cm ⋅C ， ()

油箱的散热面积A 为

A =0.065=0.0652=6.5m 2

系统的温升为

∆t =∆P 2.64 =C =20.3 C -3KA 20⨯10⨯6.5

根据《机械设计手册》成大先P20-767：油箱中温度一般推荐30-50 C 所以验算表明系统的温升不在许可范围内。

选取SRY 油用加热器GYY2-220/1加热器

5.3集成阀块

集成阀块的设计步骤主要有

1）确定各个液压元件的尺寸，包括液压元件的外形尺寸，链接尺寸，操作空间大小等。

6 液压站的设计

6.1 液压站的结构设计

压站的结构设计有以下几点注意事项：

液压装置中各部件，元件的布置要均匀，便于装配，调整，维修和使用，并且要适当地注意外观的整齐和美观。

6.2 液压叠加回路设计

对液压叠加回路设计的重点注意的是叠加阀的技能，通径和工作压力，将所

选的叠加阀按一定的规律叠加成液压叠加回路。设计叠加回路时，要注意以下几点：

1）主换向阀，叠加阀，底板块之间的通径连接尺寸应一致。所以，本系统将通径一样的叠加支路安放在通义阀块上。

2）主换向阀应该布置在叠加阀的最上面，兼作顶盖用。执行元件通过连接油管和底板块的下底面连接，叠加阀布置在主换向阀和底板块之间。

3）压力表开关应靠紧底板块，否则将无法测出各点压力。

4）集中供油系统，顺序阀通径按高压泵流量确定，溢流阀通径由液压泵总流量确定。

5）回油路上的调速阀，节流阀和电磁节流阀，应布置在紧靠主换向阀的地方，应尽量减少会油路上的压力损失。

集成块结构设计注意事项：

1）与液压油管连接的液压油口可采用多种螺纹，本系统采用米制牙螺纹。液压元件的布置应以集成块上加工的孔最少为好。

2）孔道相同的液压元件尽可能布置在同意水平面或直径范围内，否则要钻垂直中间油孔。不通孔道之间的最小壁厚必须进行强度校核。

3）液压元件水平面上的孔道若与公共油孔相通，则应尽可能布置在同一垂直位置或直径d 范围内，否则要钻中间孔道。

4）集成块前后与左右连接孔道应互相垂直，不然要钻中间孔道；。

5）设计专用集成块时，要注意其高度应比装在其上的液压元件的最大横向尺寸大2～3mm 。以避免上下集成块上的液压元件相碰。

6.3 液压系统的安装

各种液压元件的安装方法和具体要求，在产品说明书中，都有详细的说明，在安装时必须加以注意。以下仅是液压元件在安装时应注意的事项。

安装前元件应进行质量检查，若确定元件被污染需要拆开清洗，并进行测试，应符合《液压元件通用技术条件》的规定，合格后安装。

液压泵位置安装要求如下：

1）液压泵与原动机之间的联轴器的形式及安装要求必须符合制造厂的规定。

2）外露的旋转轴，联轴器必须安装防护罩。

3）液压泵与电动机的安装底座必须有足够的刚性，以保证运转始终同轴。

4）液压泵的进油管路应短而直，避免拐弯过多，断面突变。在规定的油液粘度范围内，必须使泵的进油压力和其他条件符合泵制造厂家的规定。

5）液压泵的进油管路密封必须可靠，不得吸入空气。

6）高压，大流量的液压泵装置推荐采用:泵进油口设置橡胶弹性补偿接管，泵出油口连接高压软管，泵装置底座设置弹性减震垫。

本系统为高压，大流量的系统，故采用在泵的出口连接高压软管。

油箱安装要求如下：

油箱应仔细清洗，用压缩空气干燥后，再用煤油检查寒风质量。

必须有足够的支持面积，以便于在装备和安装时用垫片等进行调整。

液压阀安装要求如下：

1）阀的安装方式应该符合厂家规定。

2）为了保证安全，阀的安装必须考虑重力，冲击，震动对阀内零件的影响。

3）应注意进油口与回油口的方位，某些阀如将进油口与回油口装反，会造成事故。

4）为了避免空气混入，连接处应保证有良好的密封性。

5）方向控制阀的安装，一般使轴线安装在水平位置上。

6）一般调整的阀件，顺时针方向旋转时，增加流量，压力；反时针旋转时，则减少流量，压力。

6.4 管路的安装和清洗

6.5 液压系统的维护

系统的压力试验应在安装完毕组成系统，并冲洗合格后进行。

系统调试一般应按泵站调试，系统压力调试和执行元件调试的顺序进行，并应配合机械的单部件调试，单机调试，区域联动，机组联动的调试顺序。

液压设备通常采用“日常检查”和“定期检查”的方法，以保证设备的正常运行。

7. 环境分析

7.1 环境污染

随着科学技术水平的发展和人民生活水平的提高，环境污染也在增加，特别是在发展中国家。环境污染问题越来越成为世界各个国家的共同课题之一。

环境污染会降低生物生产量，加剧环境破坏。

环境污染源主要有以下几方面：

1. 工厂排出的废烟、废气、废水、废渣和噪音；

2. 人们生活中排出的废烟、废气、噪音、脏水、垃圾；

3. 交通工具（所有的燃油车辆、轮船、飞机等）排出的废气和噪音；

4. 大量使用化肥、杀虫剂、除草剂等化学物质的农田灌溉后流出的水；

5. 矿山废水、废渣。

环境污染的各种分类：

按环境要素分：大气污染、水体污染、土壤污染。

按人类活动分：工业环境污染、城市环境污染、农业环境污染。

按造成环境污染的性质、来源分：化学污染、生物污染、物理污染（噪声污染、放射性、电磁波）固体废物污染、能源污染。

7.2 机械工业（本部分主要尤指液压）对环境的危害和防治

7.2.1液压工业对环境的危害

1. 噪声污染

噪声污染是液压生产过程中最容易产生也最难以克服的一项难题。

2. 水污染

3. 能源的浪费

7.2.2 解决方法

1. 对于污染的防治

针对液压系统中容易出现的噪声污染和水污染，主要解决办法有：

(2)改革生产工艺，合理充分的使用液压油，提高其重复利用率；同时建立合理完善的管理制度，控制废液的排放。

2．液压系统效率的提高方法

(1)改进加工工艺，采用一些提高效率的工艺手段，同时提高对系统控制的精度；

(2)定期更新工厂设备，用新的高效的先进设备代替原有设备，提高液压系统效率和能源的利用率。

结束语

让我依依不舍的还有各位学友、同门和室友。在我需要帮助的时候他们伸出温暖的双手，鼎立襄助。能和相遇、相交、相知是人生的一大幸事。

本论文的完成远非终点，文中的不足和浅显之处则是我新的征程上一个个新的起点。

我将继续前行！

致谢

回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。

学友情深，情同兄妹。三年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。

在系统开发过程中#老师也给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得系统能够及时开发完成，这里一并表示真诚的感谢。

参考文献

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步进式加热炉液压系统设计

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