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第一章 緒 論
1.1 連鑄技術(shù)的簡(jiǎn)介
連鑄設(shè)備在近些年有了長(zhǎng)足的發(fā)展，依據(jù)連鑄機(jī)的發(fā)展和演變的不同，連鑄機(jī)可分為：立式、立彎式、弧形和水平式。依據(jù)一個(gè)機(jī)組（即共用一個(gè)盛鋼桶的幾臺(tái)連鑄機(jī)）所澆注坯流數(shù)的不同，連鑄機(jī)可分為：?jiǎn)瘟?、雙流和多流連鑄機(jī)。工業(yè)中最多為8流。
連續(xù)鑄鋼生產(chǎn)所用的設(shè)備，實(shí)際上包括在連鑄作用線上的一整套機(jī)械設(shè)備。連鑄設(shè)備通常可分為主體設(shè)備和輔助設(shè)備倆大部分。主體設(shè)備包括澆鑄設(shè)備—鋼包運(yùn)載設(shè)備，中間包及中間包小車或旋轉(zhuǎn)臺(tái)，結(jié)晶器及振動(dòng)裝置，二次冷卻支撐導(dǎo)向裝置；拉坯矯直設(shè)備－拉坯機(jī)、矯直機(jī)、引錠機(jī)、脫錠與引錠存放裝置；切割設(shè)備—火焰切割機(jī)與機(jī)械剪切機(jī)（擺式剪切機(jī)、步進(jìn)式剪切機(jī)等）。輔助設(shè)備主要包括：出坯及精整設(shè)備—輥道、拉（推）鋼機(jī)、翻鋼機(jī)、火焰清理機(jī)等；工藝設(shè)備—中間包烘烤裝置、吹氖裝置、脫氣裝置、保護(hù)渣供給與結(jié)晶潤(rùn)滑裝置等；自動(dòng)控制與測(cè)量?jī)x表—結(jié)晶器液面測(cè)量與顯示系統(tǒng)、過程控制計(jì)算機(jī)、測(cè)溫、測(cè)重、測(cè)長(zhǎng)、測(cè)速、測(cè)壓等儀表系統(tǒng)。
在連續(xù)鑄鋼的生產(chǎn)線上，出拉坯矯直機(jī)脫錠后的連鑄坯需按用戶或下部工序的要求，將鑄坯切成定尺或倍尺。因此在所有的連鑄設(shè)備中，切割設(shè)備是非常重要的一種設(shè)備。由于連鑄坯必須在連續(xù)的運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)切割，因而連鑄工藝對(duì)切割設(shè)備提出了特殊的要求，既不管采用什么型式的切割設(shè)備都必須與連鑄坯實(shí)行嚴(yán)格的同步運(yùn)動(dòng)。在連鑄機(jī)上采用的切割方法主要有火焰切割和機(jī)械切割兩類。采用火焰切割的優(yōu)點(diǎn)是：切割裝置重量輕，切割斷面比較整齊。機(jī)械剪切的優(yōu)點(diǎn)是：沒有金屬的燒損，可切成較短的定尺。一般，在板坯和大方坯連鑄機(jī)上，多采用火焰切割，在小方坯連鑄機(jī)上多采用機(jī)械剪切。
連鑄設(shè)備的整個(gè)工藝流程如圖1-1所示：
圖1-1連鑄設(shè)備工藝流程
連鑄機(jī):
連鑄機(jī)可以把鋼水直接連續(xù)地澆鑄成鋼坯，由煉鋼跨送來的盛滿鋼水的盛鋼桶裝在連鑄機(jī)的鋼包旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過中間包小車，把鋼水注入結(jié)晶器，在那里凝結(jié)成具有一定厚度的坯殼，即由引錠桿牽引著拉出結(jié)晶器，進(jìn)入第一至第八段二次冷卻夾輥，引錠桿是由拉矯輥驅(qū)動(dòng)的，鑄坯在二次冷卻區(qū)內(nèi)被霧化的冷卻水冷卻，繼續(xù)凝固。當(dāng)它通過最末一段二冷夾輥后，即被拉矯輥矯直，使之沿水平方向前進(jìn)。
鋼包旋轉(zhuǎn)臺(tái)：
鋼包旋轉(zhuǎn)臺(tái)有不同的運(yùn)動(dòng)形式，不同的工作性能，因而有不同的結(jié)構(gòu)形式。最簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)臺(tái)只用一個(gè)轉(zhuǎn)臂，就能做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一般的旋轉(zhuǎn)臺(tái)除了作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之外，還能使鋼包做升降運(yùn)動(dòng)。多功能的旋轉(zhuǎn)臺(tái)還有鋼包傾倒裝置，鋼包蓋升降裝置和吹起裝置等。在鋼包旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，一般都有連續(xù)側(cè)重裝置，大都是在承托鋼包的鞍座上設(shè)置測(cè)力傳感器來實(shí)現(xiàn)的。
中間包小車：
中間包是鋼包與結(jié)晶器之間的中間容器。用鋼包運(yùn)來的鋼水先注入中間包，然后再經(jīng)過中間包注入結(jié)晶器中，使用中間包的作用是減少鋼水的靜壓力，是鋼流平穩(wěn)，以減小鋼流對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼水的沖擊和攪動(dòng)。鋼水在中間包內(nèi)停留的時(shí)間，是非金屬夾雜物有時(shí)間上浮。在多流連鑄機(jī)上，是通過中間包將鋼水分配到每個(gè)結(jié)晶器。進(jìn)行多爐連澆時(shí)，可以在中間包內(nèi)存放一定數(shù)量的鋼水，以保證在更換鋼包時(shí)能夠繼續(xù)澆鑄。
輥底式均熱爐：
設(shè)在鑄機(jī)和軋機(jī)之間的輥底式均熱爐，是連接鑄機(jī)和軋機(jī)的唯一工藝設(shè)備，其作用是連續(xù)不斷的接收鑄機(jī)產(chǎn)生的高溫板坯，經(jīng)過加熱和均熱后及時(shí)供給軋機(jī)合乎加熱質(zhì)量要求的薄板坯。當(dāng)軋機(jī)正常生產(chǎn)換工作輥，或者下游設(shè)備臨時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)其調(diào)節(jié)和緩沖作用，也即在CSP的“剛性”機(jī)組之間增加了爐子的“柔性”環(huán)節(jié)，使CSP線的連鑄連軋工藝能順利進(jìn)行。
當(dāng)兩機(jī)兩流工藝時(shí)，連接段的爐子還起到連續(xù)不斷轉(zhuǎn)運(yùn)遠(yuǎn)離軋線鑄機(jī)的連鑄熱坯任務(wù)，為擺動(dòng)的轉(zhuǎn)運(yùn)方式。
目前，CSP生產(chǎn)線的連接段多采用直通輥底式爐型，爐型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并方便在線自動(dòng)控制的要求。因它僅需通過對(duì)每個(gè)爐輥速度變化的控制，就可完成與前面鑄機(jī)和后面軋機(jī)對(duì)鑄坯速度的同步要求，以及在爐內(nèi)快速運(yùn)坯拉開前后鑄坯間的間隙，使?fàn)t子具有緩沖與協(xié)調(diào)的能力。板坯還可根據(jù)軋線的工藝要求在爐內(nèi)正向運(yùn)送和反向運(yùn)送，或待軋時(shí)，鑄坯在爐內(nèi)出料端進(jìn)行前后擺動(dòng)等待。
兩機(jī)兩流工藝間距25米時(shí)采用兩座雙線輥底式均熱爐生產(chǎn)線并具有擺動(dòng)功能。爐子均為四段爐型（加熱爐段、運(yùn)輸爐段、擺動(dòng)爐段、存儲(chǔ)爐段），26個(gè)溫度控制區(qū)進(jìn)行側(cè)部上、下供熱。產(chǎn)生的煙氣，由爐子頂部三個(gè)排煙口分別進(jìn)入水平煙道，經(jīng)滲冷稀釋、助燃空氣換熱器，爐膛壓力電動(dòng)調(diào)節(jié)煙閘，最后通過三座自立式鋼煙囪自然排出，并完成爐膛壓力三段（加熱與運(yùn)輸爐段、擺動(dòng)爐段、存儲(chǔ)爐段）自動(dòng)控制。
全爐共有161個(gè)水冷式爐輥，每個(gè)爐輥的速度均可通過變頻器（一個(gè)爐輥一個(gè)）和每個(gè)爐輥所配置的2.2KW變頻齒輪電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)變速。速度范圍為2.8~65m/min,并可正向或者反向轉(zhuǎn)動(dòng)。
板坯加熱溫度通常為1100℃，溫差±10℃。為此加熱爐段的爐溫為1200℃，其他爐段的爐溫為1130℃用于均熱和保溫。不同的鑄速下板坯入爐溫度、爐溫與加熱制度、各爐段的控制區(qū)數(shù)量、燒嘴數(shù)量及供熱能力是不同的。
擺動(dòng)爐段的的爐體鋼結(jié)構(gòu)系安放在下面框架式的擺動(dòng)車上，并通過擺動(dòng)車的支撐、定心、擺動(dòng)、對(duì)中定位、密封五個(gè)主要的環(huán)節(jié)完成板坯在高溫下的轉(zhuǎn)運(yùn)工作。
1.2 剪切機(jī)的類型、特點(diǎn)及選型
用于對(duì)軋件進(jìn)行切頭，切尾或剪切成規(guī)定尺寸（定尺）的機(jī)械稱為剪切機(jī)。根據(jù)剪切機(jī)刀片形狀，配置以及剪切方式等特點(diǎn)，剪切機(jī)可分為平行刀片剪切機(jī)，斜刀片剪切機(jī)，圓盤式剪切機(jī)和飛剪機(jī)。按驅(qū)動(dòng)力來分，可分為電動(dòng)和液壓兩類剪切機(jī)。
平行刀片剪切機(jī)：兩個(gè)刀片彼此平行。用于橫向熱剪初軋坯（方坯，板坯）和其它方形和矩形斷面的鋼坯，故又稱為鋼坯剪切機(jī)。有時(shí)，也用兩個(gè)成型刀片來冷軋管坯及小型圓鋼等。
斜刀片剪切機(jī)：兩個(gè)刀片中有一個(gè)刀片相對(duì)于另一刀片是成某一角度傾斜布置的，一般是上刀片傾斜，其傾斜角為1°～6°。它用來橫向冷剪或熱剪鋼板，帶鋼，薄板坯，故又稱為鋼板剪切機(jī)。有時(shí)，也用于剪切成束的小型鋼材。
圓盤式剪切機(jī)：兩個(gè)刀片均成圓盤狀。用來縱向剪切運(yùn)動(dòng)中的鋼板（帶鋼）的邊，或?qū)摪澹◣т摚┘舫烧瓧l。一般均布置在連續(xù)式鋼板軋機(jī)的縱切機(jī)組的作業(yè)線上。
飛剪機(jī)；剪切機(jī)刀片在剪切軋件時(shí)跟隨軋件一起運(yùn)動(dòng)。用來橫向剪切運(yùn)動(dòng)中的軋件（鋼坯，鋼板，帶鋼和小型型材，線材等），一般安裝在連續(xù)式軋機(jī)的軋制線上或橫切機(jī)組作業(yè)線上。
平行刀片剪切機(jī)
根據(jù)剪切軋件時(shí)刀片的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，平行刀片剪切機(jī)可分為上切式和下切式兩大類。
1．上切式平行刀片剪切機(jī)
這種剪切機(jī)的特點(diǎn)實(shí)際下刀固定不動(dòng)，上刀則是上下運(yùn)動(dòng)的。剪切軋件的動(dòng)作由上刀來完成，其剪切機(jī)構(gòu)由最簡(jiǎn)單的曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成。除了剪切機(jī)本體之外，一般還配有定尺機(jī)構(gòu)，切頭收集與輸送裝置等。由于下刀固定不動(dòng)，為使剪切工作順利進(jìn)行，剪切的軋件厚度大于30～60mm時(shí)，需在剪切機(jī)后裝設(shè)擺動(dòng)臺(tái)或擺動(dòng)輥道，其本身無(wú)驅(qū)動(dòng)裝置。剪切時(shí)，上刀壓著軋件下降，迫使擺動(dòng)臺(tái)也下降。當(dāng)剪切完畢，上刀上升時(shí)，擺動(dòng)臺(tái)在其平衡裝置作用下也回升至原始位置。此類剪切機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廣泛用于剪切中小型鋼坯。此外，隨著快速換刀的生產(chǎn)需要，也出現(xiàn)了能快速換刀的上切式平行刀片剪切機(jī)，用來剪切初軋鋼坯和軋板。當(dāng)然，其設(shè)備重量會(huì)有較大的增加，結(jié)構(gòu)也稍復(fù)雜些。
2. 下切式平行刀片剪切機(jī)
這種剪切機(jī)的特點(diǎn)是：上下刀都運(yùn)動(dòng)，但剪切軋件的動(dòng)作由下刀來完成，剪切時(shí)上刀不運(yùn)動(dòng)。由于剪切時(shí)下刀臺(tái)將軋件抬離輥道，故在剪切機(jī)后不設(shè)擺動(dòng)臺(tái)，而且這種剪切機(jī)的機(jī)架不承受剪切力。由于上述兩個(gè)特點(diǎn)，下切式平行刀片剪切機(jī)普遍用來剪切中型和大型鋼坯和板坯，以減輕整個(gè)剪切機(jī)組的設(shè)備重量。
本次設(shè)計(jì)所剪的鋼坯為連鑄小方坯□160×160㎜和□180×225㎜，因此選用平行刀片下切式剪切機(jī)。
剪切機(jī)按照驅(qū)動(dòng)力來劃分，可分為電動(dòng)和液壓兩類。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)又有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩種。大中型剪切機(jī)多采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并以啟動(dòng)工作制進(jìn)行剪切。在大型剪切機(jī)上，除了采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)外，還可以采用液壓驅(qū)動(dòng)。采用液壓驅(qū)動(dòng)比電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)有許多優(yōu)點(diǎn)：
在同等的體積下，液壓裝置能比電氣裝置產(chǎn)生出更大的動(dòng)力；同樣在同等的功率下，液壓裝置的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。
1)液壓裝置工作比較平穩(wěn)，便于實(shí)現(xiàn)頻繁及平穩(wěn)的換向；
2)液壓裝置能在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速,還可以在運(yùn)行過程中進(jìn)行調(diào)速；
3)與電氣或壓縮空氣配合后液壓驅(qū)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；
4)液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，液壓缸和液壓馬達(dá)都能長(zhǎng)期在失速狀態(tài)下工作而不會(huì)發(fā)熱，這時(shí)電氣驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)裝置無(wú)法辦到的。此外，液壓元件能自行潤(rùn)滑，使用壽命較長(zhǎng)；
5)液壓元件易于實(shí)現(xiàn)通用化和自動(dòng)化；
6)用液壓驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)比機(jī)械傳動(dòng)簡(jiǎn)單。
綜上所述，雖然電動(dòng)剪切機(jī)在操作和維護(hù)方面簡(jiǎn)單，但與液壓剪切機(jī)相比，它的體積和重量大；而液壓剪切機(jī)卻不同，目前液壓技術(shù)已成熟，使操作和維護(hù)已不成問題，故本設(shè)計(jì)選用液壓剪切機(jī)。
因此，本次設(shè)計(jì)的最終選型為平行刀片下切式液壓剪切機(jī)。
第二章 液壓剪切機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算
設(shè)計(jì)參數(shù)
剪切機(jī)型式： 油壓小車移動(dòng)式
被剪鋼坯斷面尺寸： □180×180 mm×mm
□165×225 mm×mm
代表鋼種： Q235-A 27SiMn
剪切溫度： ≥750℃
拉坯速度： 2m/min
剪切小車及橫移輥道重量： 17.8T
鋼坯定尺長(zhǎng)度： 2.5m
2.1剪切機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定
2.1.1刀片行程
刀片計(jì)算公式
H=h+f+q1+q2+s （2-1）
式中：
H—刀片行程（指刀片的最大行程）；
h—被切鋼坯的斷面高度，這里取h=180mm；
f—是為了保證鋼坯有一些翹頭時(shí)，仍能通過剪切機(jī)的必要儲(chǔ)備，通常50～75，這里取 60；
q1— 為了避免上刀片受鋼坯沖撞，而使壓板低于上刀的距離，q1=5～50mm,
取q1=20mm;
s— 上下刀片的重疊量，取 s=5～20mm,這里取s=10；
q2—下刀低于輥道表面的距離，q2=5～20 mm,這里取q2=20；
故有： H=180+60+20+20+20=300mm
刀片行程關(guān)系如圖 2-1 所示
圖2-1 平行刀片剪切機(jī)刀片行程
1-上刀；2-下刀；3-軋件；4-壓板
2.1.2 刀片尺寸的確定
2.1.2.1 刀刃長(zhǎng)度
因?yàn)樗O(shè)計(jì)的方坯剪切機(jī)，且屬于中型剪切機(jī)（P=2.5～8.0），所以剪刃長(zhǎng)度按如下公式計(jì)算：
L=（2～2.5）bmax （2-2）
式中：
L—刀刃長(zhǎng)度，mm;
bmax—被切鋼坯橫斷面的最大寬度，mm；取bmax=225mm;
則：
L=（2～2.5）bmax =（2～2.5）×225=450～562.5 mm，取L=500 mm
2.1.2.2 刀片斷面高度及寬度
h′=(0.65～1.5)h (2-3)
b′=h′/(2.5～3) (2-4)
式中：
h′—刀片斷面高度，mm;
h —被切鋼坯斷面高度，mm;
b′—刀片斷面高度，mm;
由鋼坯斷面尺寸： □180×180 mm×mm
□165×225 mm×mm
則：
h′=(0.65～1.5)h =(0.65～1.5) ×180=117～270mm,取h′=210mm
b′= h′/(2.5～3)=70～84mm;取b′=70mm
最后根據(jù)表8-2（《軋鋼機(jī)械》（第三版）P259）
剪切刀片的尺寸最后確定為
b′×h′×Ｌ=70×210×800
由（表8-2）確定的熱鋼坯剪切機(jī)基本參數(shù)。如下表:
表2-1熱軋剪切機(jī)基本參數(shù)
最大剪切力
MN
刀片行程
mm
刀刃長(zhǎng)度
㎜
刀片斷面尺寸
㎜
理論空行程次數(shù)
次/min
6.3
300
300
70×210
12～16
2.1.3剪切機(jī)理論空行程次數(shù)
剪切機(jī)的每分鐘理論空行程次數(shù)代表了剪切機(jī)的生產(chǎn)率。理論空行程次數(shù)的提高受到電動(dòng)機(jī)功率和剪切機(jī)結(jié)構(gòu)形式的限制。理論剪切次數(shù)是指每分鐘內(nèi)剪刃能夠不間斷的上下運(yùn)動(dòng)的周期次數(shù)。因此，實(shí)際剪切次數(shù)小于理論空行程次數(shù)。依據(jù)設(shè)計(jì)要求和《軋鋼機(jī)械》（第三版）P259 表8-2，選擇理論空行程次數(shù)為：12～16次/min。
2.2 剪切機(jī)能力參數(shù)計(jì)算
2.2.1 剪切過程分析
軋件的整個(gè)剪切過程可氛圍兩個(gè)階段，即刀片壓入金屬與金屬滑移。壓入階段作用在軋件的力，如圖2-2所示。
圖2-2 軋件的剪切過程
當(dāng)?shù)镀瑝喝虢饘贂r(shí)，上下刀片對(duì)軋件的作用力P組成力矩Pa，此力矩是軋件沿圖方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而上下刀片側(cè)面對(duì)軋件的作用力T組成的力矩Tc 將力圖阻止軋件的轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著刀片的逐漸壓入，軋件轉(zhuǎn)動(dòng)角度不斷增大，當(dāng)轉(zhuǎn)過一個(gè)角度γ后便停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)力矩平衡，即Pa=Tc。
軋件停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，刀片壓入達(dá)到一定深度時(shí)，為克服了剪切面上金屬的剪切阻力，此時(shí)，剪切過程由壓入階段過渡到滑移階段，金屬沿剪切面開始滑移，直到剪斷為止。
2.2.2平行刀片剪切機(jī)的剪切力與剪切功
2.2.2.1 剪切公稱能力的確定
剪切機(jī)的力能參數(shù)包括剪切力和電機(jī)功率。剪切力是剪切機(jī)的主要參數(shù)，驅(qū)動(dòng)剪切機(jī)的電機(jī)功率及剪切機(jī)主要零件尺寸的確定，完全使用或充分發(fā)揮剪切機(jī)的能力都與剪切力有關(guān)。
在設(shè)計(jì)剪切機(jī)時(shí)，首先要根據(jù)所剪軋件最大斷面尺寸來確定剪切機(jī)公稱能力，它是根據(jù)計(jì)算的最大剪切力并參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和資料來確定的。
1）.當(dāng)軋件材料為Q235-A時(shí)
最大剪切力為：
Pmax=K·τmax·Fmax (2-5)
式中：
Fmax —被剪軋件最大的原始斷面面積，mm
τmax —被剪軋件材料在相應(yīng)剪切溫度下最大的單位剪切阻力，MPa根據(jù)圖8-7.a（《軋鋼機(jī)械》），取τmax=100MPa;
K— 考慮由于刀刃磨鈍、刀片間隙增大而使剪切力提高的系數(shù)，其數(shù)值根據(jù)剪切機(jī)能力選擇，中型剪切機(jī)，K=1.2。
按鋼坯斷面尺寸：
□180×180 mm×mm
Fmax=180×180=32400 mm2
按鋼坯斷面尺寸：
□165×225 mm×mm
Fmax= 165×225=37125 mm2
故： Pmax=K·τmax·Fmax=1.2×100×165×225=3.89 MN
2） 當(dāng)軋件材料為27SiMn時(shí)
因?yàn)樵摷羟胁牧蠠o(wú)單位剪切阻力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以最大剪切力為：
Pmax=0.6K·σbt·Fmax (2-6)
式中：
K—同軋件材料Q235-A一樣，K=1.2；
σbt—被剪軋件材料在相應(yīng)剪切溫度下的強(qiáng)度極限，MPa，根據(jù)表8-4（《軋鋼機(jī)械》），取σbt=200MPa；
Fmax—軋件最大的原始斷面面積，mm2，根據(jù)上述 1） 中計(jì)算可知，
Pmax=0.6×1.2×200×165×225=5.35 MN
綜合以上計(jì)算結(jié)果，并考慮到今后剪切軋件品種的擴(kuò)大，且結(jié)合我國(guó)國(guó)標(biāo)所規(guī)定的系列標(biāo)準(zhǔn)，將剪切機(jī)公稱剪切力確定為6.3 MN。而實(shí)際工程中，考慮到我們?cè)O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的要求，確定為5.0 MN，相當(dāng)于500T液壓鍵切機(jī)。
2.2.2.2 剪切功的計(jì)算
根據(jù)剪切功可以近似而方便的計(jì)算出鍵切機(jī)功率。剪切功與剪切力和刀片行程有關(guān)，當(dāng)不考慮刀片磨鈍等因素時(shí)，可按以下公式計(jì)算：
A= Pmax·h (2-7)
式中：
A— 剪切功，N·m
h—鋼坯厚度，m
Pmax—最大剪切力，N
則：
A= Pmax·h=5.35×180×1000=963000 N·m
第三章 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
液壓系統(tǒng)是液壓機(jī)械的一個(gè)組成部分，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要同主機(jī)的總體設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行。著手設(shè)計(jì)時(shí)，必須從實(shí)際情況出發(fā)，有機(jī)地結(jié)合各種傳動(dòng)形式，充分發(fā)揮液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，力求設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡(jiǎn)單、維修方便的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。
3.1液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與設(shè)計(jì)要求
3.1.1設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)要求是進(jìn)行每項(xiàng)工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。在制定基本方案并進(jìn)一步著手液壓系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)之前，必須把設(shè)計(jì)要求以及與該設(shè)計(jì)內(nèi)容有關(guān)的其他方面了解清楚。
1)剪體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，最大的剪切力受工作液體壓力限制，且要能夠保證不致過載和損壞。
2)液壓剪切機(jī)工作循環(huán)：
上刀下降，鎖緊小車右移下刀上升，剪切鋼坯下刀下降（快退）上刀升起小車左移（快退）。
3)剪切運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)，為使機(jī)構(gòu)具有所要求的精確運(yùn)動(dòng)，需要依靠上下刀臺(tái)的平穩(wěn)和附加的約束來獲得，這均需由液壓系統(tǒng)來控制。
3.1.2設(shè)計(jì)參數(shù)
剪切機(jī)型式： 油壓小車移動(dòng)式
被剪鋼坯斷面尺寸： □180×180 mm×mm
□165×225 mm×mm
代表鋼種： Q235-A 27SiMn
剪切溫度： ≥750℃
拉坯速度： 2m/min
剪切小車及橫移輥道重量： 17.8T
鋼坯定尺長(zhǎng)度： 2.5m
3.2進(jìn)行工況分析，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)
3.2.1液壓缸的載荷計(jì)算
如圖3-1表示一個(gè)液壓缸簡(jiǎn)圖。各有關(guān)系數(shù)標(biāo)注圖上，其中FW是作用在活塞桿上的外部載荷，F(xiàn)m是活塞與缸壁以及活塞桿與導(dǎo)向套之間的密封阻力。
作用在活塞桿上的外載荷包括工作載荷Fg,導(dǎo)軌的摩擦力Ff,由于速度變化而產(chǎn)生的慣性力Fa。
圖3-1 液壓缸受力情況
3.2.1.1 剪切缸的載荷力
工礦分析：
剪切缸運(yùn)動(dòng)分為啟動(dòng)、工進(jìn)、快退三個(gè)動(dòng)作循環(huán)。
當(dāng)剪切缸啟動(dòng)時(shí)，液壓缸負(fù)載只有下刀臺(tái)本身的重力，
Fw=G=4100N 式中：G---下刀臺(tái)重量；
工進(jìn)時(shí)，活塞桿承受剪切力，其外載荷是剪切力及下刀臺(tái)自重。
Fw=Pmax+G=5.35×106+4100≈5.35×106N；
快退時(shí),工作負(fù)載主要是下刀臺(tái)本身重力，其值為負(fù)。
Fw=-G=-4100N。
3.2.1.2 橫移缸的載荷力
橫移缸在啟動(dòng)過程中，其外載荷主要是小車和橫移輥道對(duì)導(dǎo)軌的摩擦力。
Fw=μsG （3-1）
式中：
μs—靜摩擦系數(shù)，μs=0.15；由表3-1查的
G—小車及剪體總重，N；
表3-1 摩擦系數(shù)μ
導(dǎo)軌類型
導(dǎo)軌材料
運(yùn)動(dòng)狀態(tài)
摩擦系數(shù)
滑動(dòng)導(dǎo)軌
鑄鐵對(duì)鑄鐵
啟動(dòng)時(shí)：
低速（）
高速（）
0.15～0.20
0.1～0.12
0.05～0.08
滾動(dòng)導(dǎo)軌
鑄鐵對(duì)滾柱（珠）
淬火鋼導(dǎo)軌對(duì)滾柱
0.005～0.02
靜壓導(dǎo)軌
鑄鐵
0.005
G=G1+G2+G3；
G1—小車及橫移輥道重量，G1=17800N；
G2—鋼坯重量，G2=7239N；
G3—剪體重量，G3=40000N；
G=G1+G2+G3=225239N；
外載荷：Fw=μsG=33786N；
小車右移時(shí)，橫移缸外載荷為小車鋼坯、剪體、橫移輥道的重力和剪切力對(duì)導(dǎo)軌產(chǎn)生的摩擦阻力，即車輪踏面在軌道上的滾動(dòng)摩擦阻力和車輪軸承的摩擦阻力。
摩擦阻力矩：
Mn=(G+G4)(KDc/2+μd/2）； （3-2）
式中：G—輥道車，剪體，鋼坯總重，G=225239N；
G4—剪切力，G4=5.35×；
K—滾動(dòng)摩擦系數(shù)，K=0.01；
μ— 車輪軸承摩擦系數(shù)，μ=0.004；
Dc—車輪外徑，Dc=250mm；
d—軸承內(nèi)徑，d=70mm；
故：Mn=（225239+5.36×）（0.05×250/2+0.003×70/2）
=7.76×N/mm
外載荷：Fw==7.76×/125=62080N （3-3）
小車左移時(shí)，小車受剪體及橫移輥道的重力對(duì)導(dǎo)軌產(chǎn)生的摩擦阻力，即車輪踏面在軌道上的滾動(dòng)摩擦阻力和車輪軸承的摩擦阻力。
同上.摩擦阻力矩：
Mn=（G1 +G3）（KDc/2+μd/2）
=（178000+40000）（0.01×250/2+0.004×70/2）
=303020N/mm；
外載荷：Fw==303020/125=2424.2N。
3.2.1.3 抬升缸的負(fù)載力
抬升缸在抬升和下降過程均只受上刀臺(tái)及其相連機(jī)構(gòu)的自重相對(duì)于軸心向下的轉(zhuǎn)矩.其最大轉(zhuǎn)矩約
T=G×Sm=7800×0.18=1404N·m （3-4）
式中：
G—上刀臺(tái)及其相連機(jī)構(gòu)自重，G=7800N；
Sm—上刀臺(tái)重心到軸心距離，約為Sm=0.18m；
故上刀臺(tái)下降時(shí)，抬升缸抬升，其外載荷
Fw===3265N； （3-5）
同理，上刀臺(tái)上升時(shí)，抬升缸下降，其外載荷
Fw=-=-=-3265N；
各液壓缸的外載荷力計(jì)算結(jié)果列于表3-1
由公式： 活塞上載荷力F= （3-6）
―液壓缸的機(jī)械效率，一般取0.90～0.95，這里取=0.95；
求得相應(yīng)的作用于活塞上的載荷力，并列于表3-2
表3-2 各液壓缸載荷力
液壓缸名稱
工況
液壓缸外載荷
Fw/N
活塞上載荷力
F/N
剪切缸
啟動(dòng)
4100
4316
工進(jìn)
5.35×106
5.63×106
快退
-4100
-4316
橫移缸
啟動(dòng)
33786
35564
右移
62080
65342
左移
2424
2552
抬升缸
下降
3265
3437
上升
-3265
-3437
3.2.2初選系統(tǒng)的工作壓力
壓力的選擇要根據(jù)載荷的大小和設(shè)備的類型來定，還要考慮執(zhí)行元件的裝配空間、經(jīng)濟(jì)條件及元件供應(yīng)情況等的限制。在載荷一定的情況下，工作壓力低，勢(shì)必要加大執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)某些元件的結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)某些設(shè)備來說，尺寸要受到限制，從材料消耗角度看也不經(jīng)濟(jì)，反之，壓力選得太高，對(duì)泵、缸、閥等元件的材質(zhì)、密封、制造精度也要求很高，必須要提高設(shè)備成本。一般來說，對(duì)于固定的尺寸不太受限制的設(shè)備，壓力可以選的低一些。具體選擇可參考下表3-3和表3-4
表3-3 按載荷選擇工作壓力
載荷（KN）
<5
5～10
10～20
20～30
30～50
>50
工作壓力（MP）
<0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
≥5
表3-4 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力
機(jī)械類型
機(jī)床
農(nóng)業(yè)機(jī)械
小型工程機(jī)械
建筑機(jī)械
液壓鑿巖機(jī)
液壓機(jī)
大中型挖掘機(jī)
重型機(jī)械
起重運(yùn)輸機(jī)械
磨
床
組
合
機(jī)
床
龍
門
刨
床
拉
床
工作壓力（MP）
0.8～2
3～5
2～8
8～10
10～18
20～32
500T液壓剪切機(jī)屬中型剪切機(jī)，其剪切缸最大載荷達(dá)5.63MN。剪切系統(tǒng)為高壓系統(tǒng)，依據(jù)上述表格初步確定系統(tǒng)工作壓力為21MPa。橫移缸最大負(fù)載65347N，抬升缸3437N，均為低壓系統(tǒng)。初步確定系統(tǒng)工作壓力為6.3Mpa。（參考文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本液壓傳動(dòng)與控制》表3—2及表3—3）（參考文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表19-6-3）
3.2.3 計(jì)算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸
3.2.3.1 剪切缸
剪切缸最大載荷時(shí)，為剪切缸剪切工作狀態(tài)，其載荷力為F=5.63×106N
參考文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》。缸筒內(nèi)徑：
（3-7）
式中：
D—缸筒內(nèi)徑
F—最大載荷力，F(xiàn)=5.63×106N
—活塞桿徑比，依據(jù)下表選=0.7
P1—供油壓力，取21MPa
P2—回油背壓，依據(jù)下表選P2=1MPa
表3-5 按工作壓力選取徑比參考表
工作壓力（MPa）
≤5.0
5.0～7.0
≥7.0
徑比
0.5～0.55
0.62～0.70
0.7
表3-6執(zhí)行元件背壓力選擇參考表
系統(tǒng)類型
背壓力
簡(jiǎn)單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)
0.2～0.5
回油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng)
0.4～0.6
回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng)
0.5～1.5
用補(bǔ)油泵的閉式回路
0.8～1.5
回油路較復(fù)雜的工程機(jī)械
1.2～3
回油路較復(fù)雜，且直接回油箱
可忽略不記
本表摘自《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本液壓傳動(dòng)與控制》表23.4-5及23.4-4
故有：
取D=600mm
活塞桿直徑：d=0.7D=420mm ，取標(biāo)準(zhǔn)值d=500mm
則液壓缸有效面積 （3-8）
（3-9）
液壓缸行程 L=H=300㎜.
式中：
H—刀片行程,H=300㎜;
活塞桿強(qiáng)度校核
（3-10）
式中：
Fmax—活塞桿所受的最大載荷，F(xiàn)max =5.63×106；
d—活塞桿直徑，d=420mm。
所以有：
活塞桿材料為碳鋼故 =100～120MPa
∴強(qiáng)度符合，校核完畢。
3.2.3.2橫移缸
當(dāng)橫移缸右移時(shí)，在其啟動(dòng)時(shí)負(fù)載最大，F(xiàn)=65347N，此時(shí),橫移缸受拉
由上述的公式可得下式：
（3-11）
式中：
—活塞桿的徑比，=0.65；
—供油壓力，=6.3MPa；
—回油背壓，=0.5MPa。
則：
由文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》取標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑：D=160mm，
所以活塞桿直徑為d=0.65D=104mm 取標(biāo)準(zhǔn)值 d=110mm；
則液壓缸有效面積：
活塞桿強(qiáng)度校核
所以強(qiáng)度符合要求，校核完畢。
3.2.3.3 抬升缸
當(dāng)抬升缸抬升時(shí)，其負(fù)載F=3628N，此時(shí)，活塞桿受壓
式中：
—活塞桿的徑比，=0.65；
—供油壓力，=6.3MPa；
—回油背壓，=0.5MPa。
則： 0.027m =27㎜
由文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，取標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑 D=32mm，
活塞桿直徑為d=0.65D=19.8mm 取標(biāo)準(zhǔn)值 d=20㎜
則液壓缸有效面積
活塞桿強(qiáng)度校核
所以強(qiáng)度符合要求，校核完畢。
3.2.4.計(jì)算各工況所需時(shí)間及速度
剪切鋼坯工作循環(huán)周期
T==1.25min
式中： 2.5m—鋼坯定尺長(zhǎng)度
2m/min—拉坯速度.
故剪切工作全過程應(yīng)在1.25min之內(nèi)完成。
由鋼坯接觸定尺裝置觸球?yàn)榧羟兄芷陂_始，橫移缸，抬升缸開始動(dòng)作，抬升缸抵達(dá)指定位置后剪切缸動(dòng)作，剪斷鋼坯即剪切缸觸發(fā)行程開關(guān)上觸點(diǎn)，為剪切缸，抬升缸，橫移缸反向行程開始時(shí)間。待各缸全部退回，剪切一周期結(jié)束，等待下一周期開始，依次循環(huán)。
由小車行程約800mm，即0.8m，得
t==0.4min=24s
即在t=24s時(shí)剪斷鋼坯。
抬升缸：
抬升缸抬升即上刀臺(tái)下降時(shí)間約取t1=5s
v1===5.4m/min
抬升缸下降即上刀臺(tái)上升時(shí)間約取t2=3s
v2===9m/min
式中： L=450m=0.45㎜，液壓缸行程。
剪切缸：
抬升缸自鎖后，剪切缸即開始動(dòng)作。
工進(jìn)時(shí)間 t3=t-t1=19s
工進(jìn)速度 v3===0.95m/min
快退時(shí)間 t4=6s
快退速度 v4===1.8m/min
橫移缸：
右移時(shí)間 t5=24s
右移速度 v5=2m/min
左移時(shí)間 t6=6s
左移速度 v6===8m/min
式中： L—小車行程。
3.2.5計(jì)算液壓執(zhí)行元件實(shí)際所需流量
根據(jù)已經(jīng)確定的液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸，可以計(jì)算出各個(gè)執(zhí)行元件在各個(gè)工作階段的實(shí)際所需流量。
表3-7 各工況所需流量
工況
執(zhí)行元件
名稱
運(yùn)動(dòng)速度
v/m/min
結(jié)構(gòu)參數(shù)
A/mm2
流量
Q/L/min
計(jì)算公式
上刀下降
抬升缸
5.4
804
4.3
Q=A1v
小車啟動(dòng)
橫移缸
0
10598
0
Q=A2v
小車右移
橫移缸
2
10598
21.2
Q=A2v
下刀上升
剪切缸
0.95
282600
268.0
Q=A1v
下刀下降
剪切缸
1.8
86350
155.0
Q=A2v
上刀上升
抬升缸
9
490
4.4
Q=A2v
小車左移
橫移缸
8
20096
160.7
Q=A1v
3.2.6計(jì)算液壓執(zhí)行元件的實(shí)際工作壓力
由于液壓系統(tǒng)工作時(shí)回油路安裝有背壓閥，所以系統(tǒng)的實(shí)際工作壓力需要將其考慮進(jìn)去，如下表所示為各個(gè)缸的實(shí)際工作壓力。
表3-8各工況工作壓力
工況
執(zhí)行元件
名稱
負(fù)載
F/N
背壓力
P2MPa
結(jié)構(gòu)參數(shù)mm2
工作壓力
P1/MPa
計(jì)算公式
A1
A2
上刀
下降
抬升缸
3437
0.5
804
490
4.58
小車
啟動(dòng)
橫移缸
35564
0
20096
10598
1.77
小車
右移
橫移缸
65347
0.5
20096
10598
3.51
下刀
上升
剪切缸
5.63×106
0
282600
86350
20.0
下刀
下降
剪切缸
-4316
0.5
282600
86350
0.95
上刀
上升
抬升缸
-3628
1
804
490
1.63
小車
左移
橫移缸
2552
0.5
20096
10598
1.18
3.2.7擬定液壓系統(tǒng)工況圖
圖3-1各缸位移時(shí)間圖
圖3-2 各缸速度時(shí)間圖
圖3-3各液壓缸的壓力循環(huán)圖
3.3制定液壓系統(tǒng)基本方案和擬定液壓系統(tǒng)圖
3.3.1制定基本方案
3.3.1.1 確定剪切機(jī)液壓系統(tǒng)的總組成及作用
用于將軋件剪切成規(guī)定尺寸的機(jī)械稱為剪切機(jī)。由液壓作為主傳動(dòng)的剪切機(jī)叫做液壓剪切機(jī)。一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)由五部分組成，即動(dòng)力組件、執(zhí)行組件、控制組件、輔助組件和液壓油。在小方坯液壓剪切機(jī)系統(tǒng)中都將被設(shè)計(jì)到。
剪切機(jī)動(dòng)力組件的作用是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體的壓力能，指液壓系統(tǒng)中的油泵，它向整個(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。在本套系統(tǒng)中采用一個(gè)定量泵和一個(gè)變量泵供油。
執(zhí)行組件（如液壓缸和液壓馬達(dá)）的作用是將液體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)負(fù)載做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。小方坯液壓剪切機(jī)主要采用三個(gè)執(zhí)行組件，剪切缸、上刀臺(tái)抬升缸和輥道小車橫移缸，對(duì)于單純且簡(jiǎn)單的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以采用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)，由剪切機(jī)的特點(diǎn)決定，可采用單活塞桿液壓缸，其有效工作面積大，雙向不對(duì)稱，往返不對(duì)稱的直線運(yùn)動(dòng)。
剪切機(jī)控制組件（即各種液壓閥）在液壓系統(tǒng)中控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量、和方向。根據(jù)控制功能的不同，其液壓閥可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥又可分為溢流閥（安全閥）、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流閥、集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方式不同液壓閥可分為開關(guān)式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。系統(tǒng)中將用到大部分常見的控制組件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化。
系統(tǒng)的輔助組件包括油箱、濾油器、油管及管接頭、密封圈、壓力表、油位溫度計(jì)等，起連接、輸油、貯油、過濾、貯存壓力和測(cè)量等的作用。
液壓油是液壓系統(tǒng)中傳遞能量的工作介質(zhì)。有各種礦物油、乳化油和合成型液壓油幾大類。系統(tǒng)選用20號(hào)機(jī)械油。
3.3.1.2擬定液壓執(zhí)行組件運(yùn)動(dòng)控制回路
1、 剪切缸基本回路的確定
1）容積節(jié)流調(diào)速回路
容積節(jié)流調(diào)速回路一般用變量泵供油，用流量控制閥調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量，并使其供油量與所需油量相適應(yīng)。液壓缸慢進(jìn)速度由變量泵調(diào)節(jié)，以減少功率損耗和系統(tǒng)發(fā)熱；快退時(shí)由調(diào)速閥調(diào)節(jié)。此種調(diào)速回路效率也較高，速度穩(wěn)定性較好，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。
因剪切缸回程時(shí)，所受負(fù)載為負(fù)，故調(diào)速閥裝在回程回油路上。
2）壓力控制方案
剪切缸在剪斷鋼坯時(shí)剪切力突然消失，使活塞由于慣性突然前沖，引起液壓沖擊，故在液壓缸端部安裝蓄能器，吸收多余能量，減少液壓沖擊，實(shí)現(xiàn)緩沖。此回路用變量泵供油，故在回路中設(shè)置安全閥起安全保護(hù)作用。為減小回路中液壓沖擊，采用電液換向閥。
圖3-4剪切缸基本回路
2、抬升缸基本回路確定
雙液控單向閥鎖緊回路：
由于上刀臺(tái)在剪切時(shí)承受極大的載荷，為了在極大沖擊下仍具有較好的剪切效果，上刀臺(tái)必須具有高的位置精度，采用雙液控單向閥鎖緊回路。它能在液壓缸不工作時(shí)使活塞迅速平穩(wěn)、可靠且長(zhǎng)時(shí)間地被鎖緊，不為向上的剪切力所移動(dòng)。當(dāng)液壓缸上腔不進(jìn)油時(shí)液控單向閥關(guān)閉，液壓缸下腔不能回油，活塞被鎖緊不能下落。但由于液控單向閥有一定泄露，因此，鎖緊時(shí)間不能太長(zhǎng)。但因抬升缸所需鎖緊時(shí)間僅為19s。故滿足要求。
圖3-5抬升缸基本回路
3、 橫移缸基本回路的確定
為實(shí)現(xiàn)同步剪切運(yùn)動(dòng)，必須使小車移動(dòng)速度與鋼坯運(yùn)動(dòng)速度相等，這就需要用速度傳感器將鋼坯的運(yùn)動(dòng)速度與橫移缸的運(yùn)動(dòng)速度測(cè)出，然后進(jìn)行比較，將差值快速的轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)傳給橫移缸的主控閥，使液壓小車的橫移速度迅速達(dá)到鋼坯的運(yùn)動(dòng)速度，并且與它同步運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)剪切機(jī)將鋼坯剪斷后，小車有需要快速的退回，因此，有必要選用高控制精度的比例閥。
由于橫移缸和抬升缸共用定量泵，且橫移缸負(fù)載遠(yuǎn)大于抬升缸，要求兩缸互不干擾動(dòng)作，故在橫移缸回路加減壓閥，以控制抬升缸回路壓力，達(dá)到兩缸同時(shí)動(dòng)作。
圖3-6 比例閥調(diào)速回路
3.3.1.5 制定順序動(dòng)作方案
鋼坯斷面接觸定尺裝置觸球時(shí)，發(fā)出電信號(hào)，啟動(dòng)抬升缸和橫移缸電磁鐵開始動(dòng)作→ 抬升缸完成預(yù)定動(dòng)作時(shí)觸發(fā)行程開關(guān)，關(guān)閉抬升缸電磁鐵，使抬升缸自鎖，并啟動(dòng)剪切缸電磁鐵使其動(dòng)作→ 當(dāng)剪切缸剪切鋼坯完畢，刀片移動(dòng)到上行程時(shí)，通過上行程開關(guān)發(fā)出電信號(hào)，使剪切缸，抬升缸和橫移缸均反向動(dòng)作→ 剪切缸觸發(fā)下行程開關(guān)時(shí)，停止動(dòng)作→ 橫移缸觸發(fā)左側(cè)行程開關(guān)時(shí)，停止動(dòng)作→ 抬升缸觸發(fā)行程開關(guān)時(shí)，停止動(dòng)作→ 等待下一周期運(yùn)行。
3.3.1.6液壓源的選擇
剪切缸承受負(fù)載壓力大，屬于高壓系統(tǒng)，。而柱塞泵的柱塞與缸體內(nèi)孔均為圓柱表面，易得到高精度的配合，可在高壓下工作，故選用柱塞泵。
橫移缸和抬升缸所承受負(fù)載不是很大，屬于中壓系統(tǒng)，可使用定量葉片泵為動(dòng)力源。
3.3.2擬定液壓系統(tǒng)圖
圖3-7 液壓原理圖
表3-9 剪切機(jī)電磁鐵工作循環(huán)表
動(dòng)作名稱
發(fā)訊元件
電磁鐵DT
1DT
2DT
3DT
4DT
5DT
6DT
上刀下降
XK3
-
-
+
-
-
-
小車右移
XK3
-
-
-
-
+
-
鎖緊上刀
XK5
-
-
-
-
-
-
下刀上升
XK5
+
-
-
-
-
-
上刀快退
XK1
-
-
-
+
-
-
小車左移
XK1
-
-
-
-
-
+
下刀快退
XK1
-
+
-
-
-
-
上刀復(fù)位
XK6
-
-
-
-
-
-
小車復(fù)位
XK4
-
-
-
-
-
-
下刀復(fù)位
XK2
-
-
-
-
-
-
3.4液壓元件的選擇
3.4.1液壓泵的選擇
3.4.1.1高壓液壓泵的選擇
1）.確定液壓泵的最大工作壓力Pp
（3-12）
式中：
—液壓缸最大工作壓力；=20.2MPa
—進(jìn)油路上總壓力損失，=0.8MPa
則：
=20.0+1.0=21.0 MPa
∵所選泵的額定壓力一般要比最大工作壓力大25%～60%
∴選取的液壓泵要求額定壓力為
2）.液壓泵流量的確定
（3-13）
式中：
K—系統(tǒng)泄露系數(shù)，一般取K=1.1～1.3，這里取K=1.2；
—高壓系統(tǒng)液壓缸最大總流量，=268L/min
則：
=1.2×268=322 L/min
故選用A7V250型斜軸式軸向柱塞泵，其額定壓力為35MPa，額定流量為364 L/min，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。（參考文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四卷）》P19-175表19-5-51）
3.4.1.2 低壓系統(tǒng)液壓泵的選擇
1）.確定液壓泵的最大工作壓力Pp
式中：
—液壓缸最大工作壓力；=4.58MPa
—進(jìn)油路上的總壓力損失，=0.92MPa
則：
=4.58+0.92=5.5 MPa
考慮儲(chǔ)備取7 MPa。
2）.液壓泵流量的確定
式中：
K—系統(tǒng)泄露系數(shù)，一般取K=1.1～1.3，這里取K=1.1；
—高壓系統(tǒng)液壓缸最大總流量，=160.7L/min
則：
=1.1×160.7=169 L/min
故選用YB-C171B型葉片泵，其額定壓力為7MPa，額定流171 L/min，額定轉(zhuǎn)速為1000r/min。（參考文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四卷P19-136表19-5-16）
3.4.2電動(dòng)機(jī)功率的確定
3.4.2.1 高壓系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的確定
驅(qū)動(dòng)液壓泵的功率為：
（3-14）
式中：
—液壓泵最大工作壓力，=21.0MPa
—液壓泵額定流量，=364L/min
—液壓泵總效率，=0.85
則：
考慮到剪切時(shí)間很短，而電動(dòng)機(jī)一般允許在短時(shí)間內(nèi)超載25%，因此，
故根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第五卷，選定Y315m—4w型三相異步電動(dòng)機(jī)，其額定功率為132KW，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min
3.4.2.2 低壓系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的確定
式中：—液壓泵最大工作壓力，=7MPa
—液壓泵額定流量，=171L/min
—液壓泵總效率，=0.85
則
故根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第五卷，選定Y225M-6型三相異步電動(dòng)機(jī)，其額定功率為30KW，同步轉(zhuǎn)速為1000r/min。
3.4.3液壓閥的選擇
根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作壓力和通過各個(gè)閥類元件的實(shí)際流量，可選出這些元件的型號(hào)和規(guī)格，見下表
表3-10液壓剪切機(jī)液壓閥及附件明細(xì)表
序號(hào)
名稱
通徑
型號(hào)
規(guī)格
最大實(shí)際流量
數(shù)量
壓力
MPa
流量
L/min
1
截止閥
50
CJZ-F50L
25
268
1
2
過濾器
50
QUIE400×40
32
400
268
1
3
安全閥
30
BG-03-V32
25
96
1
4
單向閥
20
RVP20B
31.5
300
268
1
5
截止閥
50
CJZ-F50L
25
1
6
壓力表
Y-200
0～25
31
1
7
電磁換向閥
16
4WEG16G20B
28
300
268
1
8
單向調(diào)速閥
30
MSA30EF
21
300
268
1
9
蓄能器
50
NXQ2-L100
31.5
600
535
1
10
單向閥
40
RVP40B
31.5
600
535
1
11
過濾器
55
QUIE700×10
32
700
535
1
12
冷卻器
32
2LQFW-A5.3F
10
-
535
1
13
單向閥
40
RVP40B
31.5
600
535
1
14
電磁換向閥
6
4WE6G50B
35
80
4.41
1
15
雙液控單向閥
6
Z2S6
31.5
60
4.41
1
16
截止閥
50
CJZ-F50L
165
2
17
過濾器
50
QUIE400×40
32
400
165
1
18
溢流閥
30
BG-03-32
0.5～25
300
268
1
19
單向閥
20
RVP20B
31.5
300
160.7
1
20
截止閥
50
CJZ-F50L
160.7
1
21
壓力表
Y-200
0～25
31
1
22
減壓閥
32
DRC32-1
31.5
300
160.7
1
23
電磁換向閥
16
4WEG16G20B
28
300
160.7
1
24
單向閥
16
RVP16B
31.5
260
160.7
1
25
比例流量閥
16
2FRE16
31.5
180
160.7
1
3.4.4 油管內(nèi)徑的確定
由于本液壓系統(tǒng)管路較為復(fù)雜，取主要幾條管路，根據(jù)以下公式確定他們的內(nèi)徑和壁厚，其數(shù)值見表
(1) 管道內(nèi)徑計(jì)算 （3-15）
（2） 管道壁厚計(jì)算 （3-16）
式中：
d—油管內(nèi)徑
q——管內(nèi)流量(/s)
v—管中油液的流速
—油管壁厚
P—管內(nèi)工作壓力，MPa
n—安全系數(shù)，P<7MPa時(shí)，取n=8，P>17.5MPa時(shí)，取n=4
σb—管道材料的抗拉強(qiáng)度，取σb=450Mpa
管道內(nèi)的流速可以參考表3-11：
表3-11允許流速推薦值
管道
推薦流速（m/s）
液壓泵吸油管道
0.5～1.5一般取1以下
液壓系統(tǒng)壓油管道
3～6 壓力高、油管短、粘度小取小值
液壓系統(tǒng)回油管道
1.5～2.6
表3-12 主要管路內(nèi)徑表
管路名稱
通過流量（L/min）
允許速度（m/s）
管內(nèi)徑
（mm）
管道壁厚（mm）
管內(nèi)工作壓力（Pa）
所選管道的內(nèi)徑與壁厚（mm）
高壓吸油管
364
1.3
77
7.2
21
80，10
高壓壓油管
268
5
34
3.0
20
40，5.5
高壓回油管
268
2.5
48
0.2
0.5
50，3
低壓吸油管
171
1.0
60
3.7
7
65，4
低壓壓油管
160.7
5
26
0.8
3.51
32，2.5
低壓回油管
160.7
2
41
0.2
0.5
50，3
3.4.5 油箱的有效面積的確定
油箱容量的經(jīng)驗(yàn)公式：
V=aq （3-17）
式中：
a—與系統(tǒng)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，（由文獻(xiàn)《液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖集》表2.4-3）高壓系統(tǒng)取a=10
q—液壓泵每分鐘排出壓力油的容積，=364+171=535L/min
則：
V=10×512=5350L
選標(biāo)準(zhǔn)值： V=6300L。
3.5 液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算
3.5.1 驗(yàn)算回路中的壓力損失
3.5.1.1 橫移缸回路的壓力損失
管路系統(tǒng)上的壓力損失由管路的沿程損失、管件局部損失和控制閥的壓力損三部分組成：
（3-18）
1）.沿程壓力損失
由于液體在同一管路中，液體的平均流速越大，它的沿程壓力損失就越大，因此，我門所需考慮的是橫移缸流量最大時(shí)即快速退回時(shí)進(jìn)油路的壓力損失。此管長(zhǎng)L=12，管內(nèi)徑d=0.03m，快速退回時(shí)，通過流量Q=160.7L/min=2.68×。選用L-HM46號(hào)礦物油型液壓油，正常運(yùn)轉(zhuǎn)后油的運(yùn)動(dòng)黏度取，油的密度為。
油液在管路中的實(shí)際流速為：
（3-19）
雷諾數(shù)
（3-20）
圓形光滑管道，其臨界雷諾數(shù)
∴液流為紊流。
沿程壓力損失：
（3-21）
式中：
—沿程阻力系數(shù)，
L—管道長(zhǎng)度，L=12m
d—管道內(nèi)徑，d=0.03m
v—液體流速，v=3.79m/s
—液體的密度，=850
則：
2）.局部壓力損失
（3-22）
式中：
—局部阻力系數(shù)，=1.12；
—液體流速，=3.79m/s；
—液體密度，=850
則：
3）控制閥的壓力損失
（3-23）
式中：