【高爐料流調(diào)節(jié)閥電液控制系統(tǒng)設(shè)計7200字（論文）】

-2-高爐料流調(diào)節(jié)閥電液控制系統(tǒng)設(shè)計摘要 I1引言 -1-1.1課題研究的目的與意義 -1-1.2電液伺服系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 -1-2高爐料流調(diào)節(jié)閥電液控制系統(tǒng)設(shè)計要求 -2-2.1引言 -2-2.2放料機(jī)構(gòu) -2-2.3料流調(diào)節(jié)閥的控制方式 -2-2.4高爐料流調(diào)節(jié)閥驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計要求 -2-2.5設(shè)計參數(shù)和技術(shù)要求 -2-3選擇控制方案，擬定原理圖 -4-3.1選擇控制方案 -4-3.2擬定原理圖 -4-4工況分析 -5-4.1運(yùn)動分析 -5-4.2負(fù)載分析 -6-5確定主要參數(shù) -7-5.1供油壓力的選擇 -7-5.2液壓缸參數(shù)確定 -7-5.3伺服閥的選擇 -7-5.4反饋裝置的選擇 -8-5.4.1反饋方案的選擇 -8-6液壓油源和輔助裝置原理圖的擬定 -9-6.1裕度設(shè)計 -9-6.2鎖緊及限速 -9-6.3過濾及冷卻 -9-7液壓油源和輔助裝置的元件選擇 -11-7.1液壓泵和電動機(jī)的選擇 -11-7.1.1液壓泵的選擇 -11-7.2液壓閥的選擇 -11-7.3輔助元件的選擇 -12-7.3.1過濾器的選擇 -12-7.3.2電接點(diǎn)溫度計的選擇 -13-7.3.3空氣濾清器 -13-7.3.4蓄能器 -13-7.3.5油箱的設(shè)計 -13-8結(jié)束語 -14-參考文獻(xiàn) -14-摘要自鋼鐵冶煉技術(shù)發(fā)明以來，高爐冶煉一直都是其中的主角?，F(xiàn)今主要的高爐設(shè)備都是采用無料鐘爐頂，而料流調(diào)節(jié)閥則是其中的重中之重。相比于之前傳統(tǒng)的高爐，采用無料鐘爐頂?shù)膬?yōu)點(diǎn)顯然多得多。因為帶有料流調(diào)節(jié)閥，控制精度和運(yùn)行速度有著明顯的提高。所以，未來對于高爐冶煉技術(shù)的發(fā)展，基本全都是在無料鐘爐頂?shù)幕A(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)。本文通過特定的數(shù)據(jù)，設(shè)計了一款基于高爐料流調(diào)節(jié)閥的電液控制系統(tǒng)。設(shè)計步驟依次是：通過查閱資料分析選定了液壓系統(tǒng)的參數(shù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)制定了液壓系統(tǒng)的工作原理，并繪制出液壓系統(tǒng)原理圖，然后進(jìn)行油源和輔助裝置的原理圖繪制，最后進(jìn)行設(shè)備的選型。關(guān)鍵詞：爐頂布料；料流調(diào)節(jié)閥；電液；精度1引言1.1課題研究的目的與意義一個國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展是離不開鋼鐵工業(yè)的。而高爐冶煉是鋼鐵的主要生產(chǎn)方式，其中高爐料流調(diào)節(jié)閥是高爐煉鐵設(shè)備的重要組成設(shè)備，其動作特性直接影響著鋼鐵的冶煉質(zhì)量。在大型高爐中，各種設(shè)備加上負(fù)載常常達(dá)到數(shù)噸之中，而且想要讓高爐充分燃燒和保證冶煉的質(zhì)量，需要對料流有著精準(zhǔn)無誤的控制。2010年到2017年我國進(jìn)口鐵礦石逐年增長，已經(jīng)成長為了第一大鐵礦石進(jìn)口國。[1]所以現(xiàn)在許多鋼鐵企業(yè)都在想方設(shè)法提高礦石的利用率，用來提高收益降低成本。如果采用電液控制系統(tǒng)的高爐料流調(diào)節(jié)閥便能很好的解決這些問題。料流調(diào)節(jié)閥電液控制系統(tǒng)，利用液壓系統(tǒng)推力大，動作速度快的特點(diǎn)，適用于高達(dá)數(shù)噸的負(fù)載以及可以根據(jù)爐內(nèi)燃燒程度的需要實(shí)時調(diào)節(jié)，有效提高生產(chǎn)質(zhì)量。并且還能大幅度提高對料流調(diào)節(jié)閥的控制精度，實(shí)現(xiàn)最佳控制效果，提高鐵礦石利用率。如今，世界各地的大型冶金企業(yè)，對液壓傳動和控制系統(tǒng)的運(yùn)用已經(jīng)日益熟練，并且在其他領(lǐng)域也經(jīng)?？梢钥匆姟＿@也是今后發(fā)展的趨勢。1.2電液伺服系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀電液伺服系統(tǒng)具有抗負(fù)載沖擊能力強(qiáng)、功率密度大、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在冶金領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用。[2]電液伺服閥最重要的部位便是電液伺服閥，整個系統(tǒng)的性能便是有伺服閥決定的，所以發(fā)展電液伺服系統(tǒng)便是發(fā)展電液伺服閥。液壓控制技術(shù)在很長一段時間都是在緩慢發(fā)展。直到第二次世界大戰(zhàn)前夕，隨著工業(yè)的發(fā)展需要，液壓控制技術(shù)出現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，許多早期的控制閥原理及專利均是這一時代產(chǎn)生的。[3]在這期間，阿斯卡尼控制器公司及Askania-Werke根據(jù)射流原理發(fā)明了射流管閥并申請了專利，根據(jù)同樣的原理，福克斯波羅申請了雙噴嘴擋板閥的專利，德國西門子公司發(fā)明了永磁式力矩馬達(dá)。[4]1950年穆格發(fā)明了采用噴嘴節(jié)流孔作前置級的兩級伺服閥，緊接著卡森發(fā)明了反饋式兩級伺服閥，1957年，阿奇利發(fā)明了兩級電液伺服閥。[4]這段時期電液伺服閥進(jìn)入了迅速發(fā)展的時期，提升了許多的性能。1960年出現(xiàn)的電液伺服閥的設(shè)計，與現(xiàn)在的電液伺服閥非常相像。從這個階段開始，國外對于電液伺服閥的使用已經(jīng)非常熟練，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，而我國起步的比較晚，不過也取得了一些成果我國一些單位在六十年代中研究并試制成功了電液伺服閥。機(jī)床研究所的工人和技術(shù)人員，從六五年起開始研究和成批試制電液伺服閥，一九七二年又試制成功并投入生產(chǎn)了自行設(shè)計的QDY系列的電液伺服閥。[5]北京機(jī)床研究所在1995年末開始研制直接驅(qū)動式電液伺服閥并在1996年底試制了第一批，在展覽會上引起了會者的廣泛興趣。[6]由上述可知，我國已經(jīng)在慢慢追上國外電液伺服閥的發(fā)展速度了，相信在比較的將來是可以追上并且超越國外，達(dá)到世界先進(jìn)水平。2高爐料流調(diào)節(jié)閥電液控制系統(tǒng)設(shè)計要求2.1引言高爐是高爐煉鐵必須的設(shè)備，高爐是一個豎立的圓柱形，上面設(shè)置了進(jìn)料口以及出煤氣的出風(fēng)口，下面設(shè)有排鐵和空氣的出口，耐火與耐高溫材料組成了高爐，在應(yīng)用高爐煉鐵是，需要使用其他的冶煉鋼鐵的輔助設(shè)備實(shí)施鋼鐵的生產(chǎn)。[9]2.2放料機(jī)構(gòu)高爐放料機(jī)構(gòu)是整個系統(tǒng)最核心的部分。高爐放料機(jī)構(gòu)發(fā)展至今，已經(jīng)有許許多多的形式出現(xiàn)。其中最常使用的是有料鐘式和無料鐘式放料機(jī)構(gòu)。而無料鐘式放料機(jī)構(gòu)逐漸成為主流。2.3料流調(diào)節(jié)閥的控制方式料流調(diào)節(jié)閥是通過調(diào)節(jié)閥門的開度來控制布料的流量，滿足高爐生產(chǎn)之所需，因而對料流調(diào)節(jié)閥而言，必須保證具有高效的運(yùn)行速度及精準(zhǔn)的控制能力。[10]直到目前為止無料鐘高爐爐頂料流調(diào)節(jié)閥的控制方式如下；普通電動機(jī)加齒輪減速機(jī)構(gòu)來控制料流調(diào)節(jié)閥的開度。使用伺服電動機(jī)驅(qū)動料流調(diào)節(jié)閥。采用液壓系統(tǒng)來驅(qū)動料流調(diào)節(jié)閥。本設(shè)計采用的是液壓系統(tǒng)來驅(qū)動料流調(diào)節(jié)閥，初步設(shè)計的液壓部分原理圖如下；圖2-1料流調(diào)節(jié)閥原理圖2.4設(shè)計要求在設(shè)計和選擇料流調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動系統(tǒng)時，不僅要讓所有設(shè)備的相性穩(wěn)定，不能產(chǎn)生排斥，而且因為料流調(diào)節(jié)閥運(yùn)用在高爐冶煉中，其驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動的負(fù)載較重，污染性高。為了能正常工作。需要滿足下面的要求推力大、動作速度快通常料流調(diào)節(jié)閥和負(fù)載的重量都比較大，所以需要的推力較大才能驅(qū)動整個系統(tǒng)。而且料流調(diào)節(jié)閥要滿足動作靈敏，才能在放料過程中能無時無刻的調(diào)整。實(shí)時的調(diào)整放料可以有效的提升高爐的生產(chǎn)質(zhì)量?？刂凭雀呔_的控制高爐的放料過程，可以使得材料得到充分的燃燒，進(jìn)而提升冶煉的質(zhì)量和效率。但是想要完美的控制料流調(diào)節(jié)閥是有一定難度的。本設(shè)計通過精確控制料流調(diào)節(jié)閥的開度，使得材料可以均勻分布在爐內(nèi)，并且讓貼近爐壁的材料較多一點(diǎn)，這樣可以降低爐壁的溫度。提高整個高爐的使用時間?？煽啃愿?、沖擊?。挥捎诹狭髡{(diào)節(jié)閥經(jīng)常被使用到，所以便比較容易破損，導(dǎo)致整個高爐停止工作。所以除了上述要求外，減少系統(tǒng)內(nèi)的沖力也是很關(guān)鍵的。這樣可以有效的提高料流調(diào)節(jié)閥的使用壽命，而且料流調(diào)節(jié)閥一旦損壞，很容易發(fā)生工作事故。防塵環(huán)保問題。高爐的工作環(huán)境因為冶煉礦物，所以粉塵等一系列污染物比較多。而粉塵容易對設(shè)備產(chǎn)生許多影響。會加快設(shè)備的磨損，嚴(yán)重的會使設(shè)備卡死停止工作。所以防塵保護(hù)也尤為重要。在設(shè)備選型上要針對粉塵污染做出調(diào)整。2.5設(shè)計參數(shù)和技術(shù)要求1）主要尺寸和設(shè)計參數(shù)2)技術(shù)要求(1)負(fù)載質(zhì)量5t；(2)料流調(diào)節(jié)閥控制角度0到60度；(3)傳動系統(tǒng)總行程4.5s，控制系統(tǒng)總行程9s；(4)系統(tǒng)有手動和自動模式；(5)料流調(diào)節(jié)閥角度誤差在-5°到5°之間；(6)選擇的液壓缸為對稱式，距離伺服閥18m。3選擇控制方案，擬定原理圖3.1選擇控制方案由于該設(shè)備長期在多灰塵的情況下工作，所以需要馬達(dá)有更強(qiáng)的抗污染能力，而如果采用斜盤式變量柱塞泵作為控制元件的來實(shí)現(xiàn)控制，由于他的馬達(dá)采用的是動鐵式力矩馬達(dá)，該馬達(dá)的抗污染能力差，長期使用可能會有安全隱患，所以該種控制元件不適合采用在本設(shè)計中。其次，泵控方式的成本太高，對于企業(yè)來說不是最優(yōu)的選擇。所以采用閥控的方式。如果要提高系統(tǒng)的工作效率，讓其功率損失達(dá)到最小，可以采用恒壓變量泵供油的方式。這種方式不僅可以實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)所需的要求，同時成本也要更加低廉，更適合企業(yè)使用。

可供選用的執(zhí)行元件有伺服液壓缸和液壓馬達(dá)，據(jù)分析，雖然使用液壓馬達(dá)來得更方便，但是液壓馬達(dá)與減速器同時使用會產(chǎn)生較大的縫隙，會產(chǎn)生許多問題。所以執(zhí)行元件使用伺服液壓缸比較合適。根據(jù)上述的分析，本設(shè)計需要采用閥控液壓缸控制方式。因為高爐冶煉的工作環(huán)境非常惡劣，常常伴有高溫，粉塵，會嚴(yán)重影響整個高爐設(shè)施的性能和壽命。而本設(shè)計與一般情況下不同，采用的是伺服閥與液壓缸分離開來。雖然會給系統(tǒng)增加額外的質(zhì)量，導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)速度降低，但是能使元件的使用壽命更持久且在工作中更不容易出現(xiàn)問題，所以該設(shè)計更加合適。3.2擬定電液原理圖本設(shè)計的電液控制系統(tǒng)分別有自動模式和手動模式，而且在兩種模式的切換下，料流調(diào)節(jié)閥一直處于平穩(wěn)狀態(tài)。經(jīng)過上述的分析，擬定了下面的原理圖。而為了能讓設(shè)備控制更加準(zhǔn)確，本設(shè)計還加入了pid的校正環(huán)節(jié)。因為料流調(diào)節(jié)閥的操作需要非常精準(zhǔn)。圖3-1電液原理圖4工況分析4.1運(yùn)動分析正弦信號下操縱桿的運(yùn)動規(guī)律為θ=（θ0+θc式中θ0θmθmx2=R2對x求導(dǎo)得x'=RLsinθx液壓缸未工作時θ液壓缸工作時θxx因此，液壓缸的最大行程為ym=系統(tǒng)走完全部行程使用的時間為9s，。所以有ω=2π又有θm=107°，θ0=θ=79轉(zhuǎn)成弧度制θ=對上式一階求導(dǎo)θ求二階導(dǎo)數(shù)θ=活塞桿的運(yùn)動規(guī)律y=x-x0=R2對上式求導(dǎo)y=x=RL4.2負(fù)載分析FRcosπ式中α——液壓缸活塞桿與操縱桿夾角sinαsinα=得F=T+M+M由式（4-8）得4-v=y=由上述兩式可得到最大負(fù)載速度為vm液壓缸的最大負(fù)載力為33400N5確定主要參數(shù)5.1選擇供油壓力選擇選用的供油壓力為ps=12MPa5.2確定液壓缸參數(shù)液壓缸的有效作用面積為A=取液壓缸的機(jī)械效率為ηmA=Fmp式中Fm——最大負(fù)載力，取3帶入數(shù)據(jù)得A=1.12×3340012×又有A=14式中D——液壓缸內(nèi)徑d——活塞桿直徑根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，D取100mm，d取70mm。A=14π（1002所以滿足本設(shè)計的設(shè)計需求，前述計算得出液壓缸的最大行程為0.467m?？紤]到會有些許誤差，所以液壓缸的最大行程應(yīng)選擇0.47m。5.3伺服閥的選擇已知有效作用面積，伺服閥的型號可用最大空載流量確定負(fù)載流量qLqL=13q式中qq0=式中vLvL=式中vm——最大負(fù)載速度，取5.3436×10伺服閥的空載流量q0經(jīng)過《液壓元件及選用》查詢可以選擇QDY8系列的伺服閥，主要性能參數(shù)如下表5-1QDY8伺服閥性能指標(biāo)已知本設(shè)計的供油壓力為ps=供油壓力下的最大空載流量q0與最大空載流量比較，符合設(shè)計需要5.4選擇反饋裝置5.4.1選擇反饋方案本設(shè)計選用的控制系統(tǒng)為位置控制系統(tǒng)，所以測量裝置選擇位移傳感器，位移傳感器能把活塞桿上的位移反饋到控制器上，而且還能把這些值記錄下來，讓設(shè)備能被更好的控制。5.4.2位移傳感器的選擇計算得出的液壓缸的最大行程為4670mm，可以選擇WYD?5006液壓油源和輔助裝置原理圖的擬定6.1裕度設(shè)計高爐冶煉中，設(shè)備常常持續(xù)不斷的工作，所以本設(shè)計采用了裕度設(shè)計的方法。下圖為初步擬定的設(shè)計。該系統(tǒng)共有兩個液壓油源，一套工作，另一套起保險作用，使得油液供給能源源不斷，從而使高爐也能一直工作。該系統(tǒng)共有兩套控制方案，分別為電液控制系統(tǒng)，液壓傳動系統(tǒng)。原因是因為電液系統(tǒng)比較容易出現(xiàn)問題，影響到高爐工作，所以需要另一套控制系統(tǒng)來輔助使用。在電液控制回路方面，也有兩套設(shè)備，兩套設(shè)備交替工作，既能提高電液伺服閥的壽命，也增加了可靠性，防止伺服閥突然失效。圖6-1裕度設(shè)計原理圖6.2鎖緊及限速放料過程中為了使得原料均勻分布，需要讓料流調(diào)節(jié)閥能夠在任意角度都能長時間停止。液壓缸也需要能在指定的地方立刻鎖緊。所以本設(shè)計選用了雙向液壓鎖。而且液壓缸在運(yùn)動過程中如果運(yùn)動過快，會產(chǎn)生不必要的麻煩，所以還應(yīng)該設(shè)置限速元件，在液壓缸運(yùn)動過快時可以起到限速作用。6.3過濾及冷卻設(shè)備的工作環(huán)境一般比較惡劣，而粉塵更是主要存在的問題，因此為了防止油路被污染，需要層層過濾，一次過濾不足以過濾干凈，這樣才能使油液清潔，液壓系統(tǒng)可以正常工作。高爐的工作環(huán)境不僅惡劣，溫度常常也比一般情況下高，在50℃左右，而爐頂?shù)臏囟仁亲罡叩模颈３衷?50到200攝氏度之間。因此為了防止溫度超過所能承受的范圍，需要安裝一個冷卻裝置，本設(shè)計采用水冷式裝置。根據(jù)上述設(shè)計，擬定的系統(tǒng)原理圖如下圖6-2總原理圖7液壓油源和輔助裝置的元件選擇7.1選擇液壓泵和電動機(jī)7.1.1選擇液壓泵qmax=Aq1max從上述可知，qmax<q1max。所以去q其中ｋ取1.2，因此q取qp＝19本設(shè)計選用的液壓缸的工作壓力為12MPa。通常在液壓缸工作中會產(chǎn)生壓力損失，定為1.5~2MPa.所以液壓泵的額定壓力取為13.

5MPa。本設(shè)計選用恒壓變量泵為供油裝置。查閱《液壓元件及選用》，選取ZB型斜軸式軸向柱塞泵ZB(M)-40。如果取波壓泵的容積效率ηｐＶ＝０．９，液壓泵實(shí)際輸出的最大流量為q8.1.２電動機(jī)的選擇取液壓泵的機(jī)械效率為ηpmN所以選用三相異步電動機(jī)Y160M-4。該電動機(jī)效率高、節(jié)省能源且運(yùn)行起來比較安全。7.2液壓閥的選擇本設(shè)計選用的供油裝置為恒壓變量泵，泵中壓力恒定不變，所以不必采用溢流閥來控制壓力。溢流閥有著另一種作用，在設(shè)備中作為安全閥，保護(hù)液壓泵。除了溢流閥，還應(yīng)該設(shè)置一個單向閥，使得回路中的油液只有一個通道。回路中還需要一個單向節(jié)流閥和液控單向閥，使得液壓缸能穩(wěn)定工作和精準(zhǔn)控制。通過《液壓元件及選型》液壓閥的型號如下表7-1元件型號及性能參數(shù)7.3輔助元件的選擇7.3.1過濾器的選擇高爐的工作環(huán)境一般情況下都不太好，粉塵多。本控制系統(tǒng)對油液的質(zhì)量要求又比較高。所以系統(tǒng)需要對油液進(jìn)行過濾處理。且頻繁更換過濾器比較麻煩，危險性較高，所以還要考慮過濾器的使用壽命，本設(shè)計采用多級過濾方式，由多個過濾器共同分擔(dān)。三個安裝在液壓泵的管路上，一個安裝在伺服閥上。

1）安裝在液壓泵吸油管道上

此處過濾器的作用是過濾吸進(jìn)來的油液，使管道中的油液保持純凈，從而讓與油液接觸的元件能在一個良好的環(huán)境下工作。但是這種安裝方式容易對過濾器產(chǎn)生推力，導(dǎo)致過濾器掉落，所以應(yīng)該選用質(zhì)量較重，故選取WU-63X80型網(wǎng)式吸油過濾器，過濾精度180μm,流量63L/

min2)安裝在液壓泵壓油管道上此處的過濾器的優(yōu)點(diǎn)是可以保護(hù)許多元件，通常選用精過濾器，但是過濾器通常容易發(fā)生阻塞，引起許多問題，嚴(yán)重的甚至?xí)沟靡簤罕眠^載，而安裝在安全閥的后面可以解決這些現(xiàn)象。此處選ZU-H63X

10P型高壓管紙質(zhì)過濾器。3)何服閥上的過濾器

伺服閥是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，所以應(yīng)該采用精度較高的過濾器，才能保證伺服閥的工作效率和實(shí)用壽命。本設(shè)計采用LUC-100型精密型過濾器。4)

回油管路上的過濾器同液壓泵壓油管路上的過德器相同，選用ZU-H63X

10P型高壓管紙質(zhì)過濾器。7.3.2溫度計的選擇油箱中的溫度需要時刻知道，防止過熱導(dǎo)致爆炸，所以需要一個能時刻觀察油箱中的溫度和測量的溫度計。本設(shè)計設(shè)置了蒸汽壓式指示溫度計。這款溫度計除了能測量20m以內(nèi)的工業(yè)設(shè)備上的氣體和蒸汽的溫度，還能在溫度達(dá)到極限時發(fā)出電信號警告。本設(shè)計選用WTZ-288型電接點(diǎn)壓力式溫度計。7.3.3空氣過濾器通常情況下開式油箱的上部都有一個通氣孔，為了防止油箱被外界環(huán)境污染，所以需要安裝一個空氣過濾器，過濾掉空氣中的粉塵，達(dá)到凈化作用。本設(shè)計選用EF4-50型空氣濾清器。7.3.4蓄能器在液壓泵中常常會產(chǎn)生沖擊和壓力脈動，需要安裝一個蓄能器，用來吸收產(chǎn)生的這些力。所以應(yīng)該在液壓泵和伺服閥之間放上一個蓄能器。本設(shè)計選用了NXQA-10/31.5/L型蓄能器。其性能參數(shù)；公稱壓力為31.5MPa；公稱容量為6.3L；公稱通徑為32mm；質(zhì)量24kg。7.3.5油箱的設(shè)計油箱的設(shè)計方法經(jīng)過篩選，選擇了最合適的經(jīng)驗系數(shù)法，即油箱的容積V=qp。其中液壓泵的最大流量為qp=36.315L/min,a取5，則V=aq8結(jié)束語本文完成了高爐料流調(diào)節(jié)閥電液控制系統(tǒng)的設(shè)計。因為采用了裕度設(shè)計方法，使得料流調(diào)節(jié)閥能