液压起重机变幅系统设计

- I - 液压起重机变幅系统设计 摘 要 随着经济建设的飞速发展，我国的基础建设力度正逐渐加大 。 道路交通 、 机场 、 港口 、 水利水电 、 市政建设等 基础设施的建设规模也越来越大 。 市场上液压起重机的需求也随之增加 。 液压起重机是各种工程建设广泛 运用的重要起重设备 。它是 用来对物料进行起重、运输、装卸或安装等作业的机械设备 。 作为主要施工机械 在工业和民用建筑中 得到广泛运用。它对减轻劳动强度、节省人力 、 降低建设成本 、 提高施工质量 、 加快建设速度 、 实现工程施工机械化起着十分重要的作用 。 本设计的主要任务是 查阅相关的资料和文献，确定起重机变幅系统的方案以及变幅机构三铰点的位置。根据已知数据，对起重机的变幅液压缸进行设计和计算。根据计算的数据画 纸。最后对变幅系统的其他主要元件进行选取。 变幅系统中变幅液压缸的设计和计算是整个系统设计的重点 。变幅液压缸的设计与计算主要参照 新编液压工程手册和机械设计手册 中的公式。 关键词 液压起重机 ；变幅机构；变幅 液压缸 - s is is is an in It is on As in It is to of up a of is to to of to to to AD of of is of of is in 目 录 摘要 . I . 1 章 绪论 . 5 题研究的意义 . 5 内外发展现状与趋势 . 5 第 2 章 变幅系统方案和变幅机构三铰点的确定 . 8 幅系统方案的确定 . 8 幅机构布置形式的确定 . 8 幅机构液压回路方案的确定 . 9 幅机构三铰点的确定 . 9 铰点的运动和受力要求 . 10 架油缸铰点位置确定 . 10 章小结 . 12 第 3 章 变幅液压缸的设计与计算 . 13 压缸的定义和组成 . 13 重机变幅油缸推力计算 . 13 压缸的基本机构设计 . 14 径 D 的计算 . 14 塞杆直径 D 的计算 . 14 压缸缸筒 . 15 压缸筒与端盖的连接 . 15 筒壁厚 的计算 . 16 筒壁厚 的验算 . 错误 !未定义书签。 筒底部厚度 的计算 . 错误 !未定义书签。 底与缸筒的连接 . 错误 !未定义书签。 塞的设计 . 错误 !未定义书签。 塞杆的设计 . 错误 !未定义书签。 塞杆的结构 . 错误 !未定义书签。 塞杆的外端结构 . 错误 !未定义书签。 塞杆内端结构（活塞杆与活塞的连接） . 错误 !未定义书签。 塞杆的导向、密封和防尘 . 错误 !未定义书签。 塞杆的导向 . 错误 !未定义书签。 塞杆的密封 . 错误 !未定义书签。 塞杆的防尘 . 错误 !未定义书签。 冲装置 . 错误 !未定义书签。 - 、出油口尺寸 . 错误 !未定义书签。 装连接元件的确定 . 错误 !未定义书签。 章小结 . 错误 !未定义书签。 第 4 章 变幅系统中其他元件的选择 . 错误 !未定义书签。 压泵的选择 . 错误 !未定义书签。 压阀的选择 . 错误 !未定义书签。 油器的选择 . 错误 !未定义书签。 压油的选择 . 错误 !未定义书签。 压油管的选择 . 错误 !未定义书签。 箱的选择 . 错误 !未定义书签。 章小结 . 错误 !未定义书签。 结 论 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 附 录 . 错误 !未定义书签。 - 5 - 第 1章 绪论 课题研究的意义 工程起重机是各种工程建设广泛 运用的重要起重设备，是用来对物料进行起重、运输、装卸或安装等作业的机械设备，在工业和民用建筑中作为主要施工机械而得到广泛运用。它对减轻劳动强度、节省人力，降低建设成本，提高施工质量，加快建设速度，实现工程施工机械化起着十分重要的作用。目前我国是世界上使用工程起重机最大的国家之一。 近年来，随着工程建设规模的扩大，起重安装工程量越来越大，吊装能力、作业半径和机动性能的更高要求促使起重机发展迅速，具有先进水平的塔式起重机和汽车起重机已成为机械化施工的主力。相对于其他起重机， 液压 起重机不仅具有移动方便，操 作灵活，易于实现不同位置的吊装等优点，而且对其进行驱动和控制的液压系统易于实现改进设计。 随着液压传动技术的不断发展， 液压 起重机已经成为各起重机生产厂家主要发展对象。随着中国社会的发展，社会生活中对起重机的需求越来越大，所以起重机的研发越来越紧迫，由于 液压 式起重机转场灵活，从而方便快捷，所以进几年我国的 液压 式起重机发展很快。但是，与国外 液压式起重机相比，国外 液压式 起重机技术得到了飞速发展，为了降低整机成本，提高性能，整机质量越来越小，在起重性能相同的情况下，自重约比十年前降低了 20左右，由于车辆自重的减小 ，使车辆采用尽可能少的轴数（尤其是大吨位起重机）这样大大简化了车辆的结构，成本降低，同时提高了起重机的作业能力及使用经济性。所以，同等吨位的销售价较前十年有大幅下降，对中国国内市场造成了很大冲击，因此，对我国的 液压 式起重机的生产者来说是一个严峻的考验。 液压 起重机的变幅系统是起重机的最主要的部分，它的优劣直接关系到起重机的性能，所以加大对 液压 式起重机变幅系统的设计的研究，努力创新和借鉴外国经验是当务之急。 国内外发展现状与趋势 20 世纪 50 年代，我国的起重机行业才开始起步，后来通过引进国外的先进技术，在学习 改进的基础上积极的研发创新，很大程度上提升了自主技术水平，不管是外观还是使用性能各方面都很好的满足了国内大多数用户的要求。但是，很多制造企业由于体制的问题不能很好的解决，再加上成本方面的制约，在这行业的发展还是显得比较迟缓。直至 21 世纪初，整个工程机械行业才真正焕发出了蓬勃发展的趋势。国内汽车起重机- 6 - 的主要生产厂家有徐州重型机械厂、长沙中联重工科技发展股份有限公司浦沅分公司和三一集团起重机公司等。 徐州重型机械厂作为工程机械行业专业的研发、制造工厂，其不仅生产全液压汽车起重机，而且生产销售消防车、泵车及其他工 程机械机种。目前已发展成为我国最大的汽车起重机生产制造厂家，形成年产最少 8000余台汽车起重机的生产能力，国内市场占有率超过 50%。其主要产品有5液压汽车起重机、 25路面汽车起重机、 25t 液压轮胎起重机等，并已研发出更高吨位的机型 ，图 1轮胎起重机。 图 1胎起重机 长沙中联重工科技发展股份有限公司下的浦沉分厂主要研发生产履带起重机、汽车起重机以及特种工程机械车辆。其拥有板材预处理、数控等离子切割、五免提加工中心、俄罗斯落地镗、焊接机器人等 2000 多套设备。该公司产 品采用流线型双开门驾驶室，应用高强钢提升了产品的稳定性。在 计中采用了新型伸缩方式，降低油缸负载，解决超长油缸的稳定性问题；采用具有人性化设计的操纵室，可向上倾斜，免除司机高空作业长期仰视的疲劳；采用 算机集成控制系统与双驱动回转系统 ，图 1 片 。 图 1重机 - 7 - 三一集团汽车起重机公司从 2003 年起，在消化国内外汽车起重机先进技术的前提下，自主研发了 个系列产品，在汽车起重机行业内独树一帜，代表着国内中小吨位汽车起重机的先进水 平。此后，其在完善生产线自制工艺装备的同时引进了一些国际先进的设备，极大地提高了产品的加工质量和生产效率，现在三一的汽车起重机产品己在国内初步形成较强的市场竞争力。 近二十年世界工程起重机行业发生了巨大的变化 ,不管是在产品还是市场分布都有很大不同 ,伴随着快速发展的世界经济和日益激烈的市场竞争 ,世界工程机械市场逐步走向统一化。美洲、欧洲和亚洲已经成为最主要的生产基地和销售市场 ,欧美洲拥有包括以利勃海尔集团、马克托瓦克公司、格鲁夫公司等为代表的众多工程机械大集团 ,而亚洲主要以日本的多田野、加藤等公司为代表。 利 勃海尔集团由汉斯 949 年建立 ,其起重机具有该集团研发的装备涡轮增压器的六缸发动机和数据总线控制双项技术的驱动系统 ,采用 动和 2 速全自动变速箱可以降低燃油消耗 ,而制动性能由于液力减速器也得到了很大的提高 ,不仅提高安全系数 ,而且有效地降低了发热带来的危险。 抱死系统和 引控制系统。同时 ,利勃海尔起重机的转向技术非常智能 ,其由后轮独立转向 ,能够保证通过前桥控制行驶过程中后桥的转向角度 ,而且 ,后桥的转向角会在加速时自行变小 ,而速度小于一定值时车体始终保持 直线状态且转向油缸自动锁定。采用独立的后轮转向系统可以使转弯半径和轮胎的磨损均较小。 马尼托瓦克公司始创于 1902 年 ,主要生产重型履带吊和轮胎起重机。该集团在世界拥有 13 家起重机专业生产厂 ,其中一家为中国张家港波坦公司。该公司的产品由于具有先进的技术含量 ,其使用性能以及可靠度都很高 ,特别是其底盘和全路面等关键技术在欧洲处于领先地位 ,产品的主要用户分布在亚洲地区和美洲地区。格鲁夫公司的强项是越野轮胎起重机和汽车起重机 ,其于 1999 年收购了德国的克虏伯轮式起重机公司 ,成为全路面起重机市场上三足鼎立的一支。 日本 的起重机技术也比较成熟 ,其可以生产轮胎起重机、履带起重机和汽车起重机等多种机型 ,销量最好的是越野轮胎起重机 ,其次便是汽车起重机。日本的汽车起重机技术注重适应性与经济性 ,在保证性能指标和基本功能的前提下大量采用通用配套件 ,自制部分也尽可能继承和简化。上车液压系统采用中高压多联齿轮泵 ,下车的动力系统和传动系统几乎全应用汽车的通用配套件。 - 8 - 第 2章 变幅系统 方案 和变幅机构三铰点的 确定 幅系统方案的确定 幅机构布置形式的确定 全液压起重机的变幅机构使用液压缸来驱动动臂变幅。液压缸的布置形式有三种， 分别是前倾式、后倾式和后拉式三种。前倾式缸对吊臂的作用力臂长，因此变幅推力小，可采用小直径液压缸；而且吊臂悬臂部分长度短，改善了吊臂的受力状况。其缺点是：变幅液压缸行程长，吊臂下方有效空间小，小幅度起吊大体积重物不方便。后倾式变幅液压缸的特点和前倾式完全相反，它除了具有变幅行程短，吊臂下方有效空间大等优点外，由于重心后移，便于总体布置，并可减少平衡重量。后拉式变幅液压缸布置在吊臂后方。由于吊臂摆动铰点位置在前，吊臂长度可以设计得短一些，吊臂前方的有效工作空间也较大。但后拉式在提升吊臂时，液压缸只能是小腔进油 ，推力小，所以只能用在小型轮胎式起重机上 7。前倾式变幅机构如图 2示。 图 2倾式变幅机构 前倾式变幅机构因液压缸前倾，其对动臂作用力臂较长，变幅缸的推力可以较小些，故缸径较小。因臂的悬臂长度较短，对臂受力有利。但也有液压缸行程较长，臂下方空间较小的缺点。大多数全液压汽车起重机都采用此布置形式。前倾式变幅机构可以采用一个油缸也可采用两个油缸。本次变幅系统方案确定为前倾式变幅机构，采用两个变幅油缸。液压缸采- 9 - 用双作用液压缸 7。 变幅机构液压回路方案的确定 变幅机构在工作装置作业时， 其液压缸处于闭锁状态，受负载较大，要求不能无控制自动回缩。变幅缸的内漏和外漏会使工作幅度变大而造成重大事故。另外，变幅机构落臂时，因载荷的重力作用，会产生重力超速现象，需要限速措施。因此，在此机构中必须设置限速装置。国内外大都采用使用平衡阀 (限速阀 )的限速回路。平衡阀不仅能防止超速下行，也能保证整个下降过程为匀速过程 6。 变幅机构液压回路 如图 2示 图 2用平衡阀限速回路 从图 2可见，平衡阀的开度大小是由供油压力控制的，当落臂速度过大时，供油压力减小，从而平衡阀的开口减小落臂速度下降 ；反之，落臂速度过小时，供油压力增大平衡阀开口也随之增大，从而落臂速度上升，最终保证落臂速度恒定。在变幅机构工作时，平衡阀又能具有良好的密封性 6。 幅机构三铰点的确定 起重机的三铰点是指臂架与转台相接的铰点、臂架与变幅液压缸相接的铰点、变幅液压缸与转台相连接的铰点。三铰点布置是否合理，对总体设计影响较大。理想的三铰点可使液压缸受力好，油压波动小，液压缸参数合理，整机重量轻，造型美观，桥荷分配合理，起重性能好 7。 - 10 - 铰点的运动和受力要求 三铰点可简化如图 2示的液压缸机构，其 中 机架（起重机上的转台）、 摇杆（起重机上的臂架）、液压缸缸筒与机架铰接于 压缸缸杆与连架杆铰接于 A 点、 为摇杆 摆角， 小于90，一般在 0， 是机构运动的传动角。当液压缸伸长是， A 点由 2 绕 O 点作半径为摇杆 的圆周运动； 液压缸长， 差为液压缸的行程， 围内，以便制造。臂架尾铰点 O 至回转中心线之距 E 值的确定，对整机外形尺寸造型总重，起重性能以及变幅液压缸受力，各桥荷分配和主要性能参数等均有很大影响， E 值大，可使上车 重心后移，减小起重机行驶状态下的前桥轴荷，但同时降低工作时的幅度影响起重作业工作半径， E 架尾架铰点 O 至地面的距离受整机高度限制，其值大，整车重心提高，影响行驶稳定性，一般在 23m。 图 2压缸机构 起重机变幅液压缸受力受载荷、臂长、幅度的影响，在工作过程中尽量是变幅液压缸推力随臂架仰角而变化的曲线平稳，也就是机构的传动角变化要小，只有这样变幅液压缸能够具有良好的工作环境和合理的机构铰点形状。 架油缸铰点位置确定 如图 2幅机构三铰点，把变幅机构三铰点的集合 关系简化为三角形 三角形随着变幅油缸的伸长和缩短而变化。 - 11 - 图 2幅机构三铰点 如图 2幅机构运动轨迹所示，吊臂位于水平位置时， =0，此时三角形 初始三角形， 角 0 为初始角。当吊臂绕铰点 臂与水平线夹角为 ，变幅油缸也随之伸长。 图 2幅机构运动轨迹 (1)铰点几何位置的计算 在三铰点中， A（ 横坐标 对值在 坐标 吊臂结构尺寸、变幅液压缸缸杆铰点外边缘尺寸决定，根据实际安装 形式可取 B（ 纵坐标 般取1/31/2 的基本臂长，由吊臂截面特性、载荷等决定，可取 臂杆处于水平时， m； 所以根据公式 22 X Y 22 X Y 将数据代入公式（ 2 2 300800为吊臂仰角一般 80，可取仰角为最小角即可计算出油缸最小安(22 12 - 装长度（初始安装长度）。 当吊臂角度最大为 80时，可计算出油缸最大安装长度（极限位置长度）。 (2)初始位置安装长度 =0 22m i n 2 c o O A O B O A O B 将数据代入公式 （ 2 6173)极限位置时变幅油缸长度 =00 将数据代入公式（ 2 2254)变幅油缸行程 H m a x m i 2 5 2 6 1 7 1 6 0 8 m B A B 章 小 结 本章主要是确定变幅系统和 变幅机构三铰点 ，然后对三铰点的受力进行分析，根据已知 的数据，计算出液压缸的安装长度和最大变幅长度，从而算出变幅油缸的行程。为下一章变幅液压缸的设计与计算打好基础。 (2 13 - 第 3章 变幅液压缸的设计与计算 压缸的定义和组成 液压缸又称油缸，其作用类似液压马达，它将液压系统提供的液压能转变成机械能，与液压马达不同的是，液压缸用来实现直线运动或转角行程不超过 360 度的回转运动，产生预定的推（拉）力。 液压缸主要由缸筒、缸盖（缸底）、活塞（柱塞）、活塞杆、密封件和连接件组成，根据需要，有些液压缸上还设有缓冲和排气装置。 重机变幅油缸推力计算 受力分析如图 3示 图 3力分析图 设 O 点为原点，则变幅油缸推力为 - 14 - 12bG e G eF e 式中 F 为变幅油缸推力， e 为油缸力矩的作用力臂， 臂杆重心力矩作用距离， 载荷有效作用力臂， G 为最大载重量， 臂杆自重。其中 441 6 1 0 N , 5 1 0 ，根据最大起升高度为 22m 可以计算出后再根据勾股定理可以计算出 e=数据代入公式（ 3 46 2 . 3 1 0 N 。由于此次采用两个液压 缸，所以每个液压缸的推力 /2 即 43 1 . 1 5 1 0 N 压缸的基本机构设计 起重机工作负载高，为了使机械的结构紧凑、轻便，一般都采用高压或中压系统，所以在本次设计中根据实际工作的需求，液压系统的压力为16杆变幅机构主要是通过变幅油缸的变化来实现臂杆的变幅，对其要求是能够在负载的情况下实现变幅，并且要求工作平稳，无冲击。由于在变幅过程中，伸缩臂杆上的负载很大，所以威力是臂杆的变幅能够平稳的变化，并较大的冲击，则要再变幅 液压回路中装有平衡阀，时期能够保证在有负载的时候实现快速提升，缓慢下降。本次主要对变幅机构液压系统的油缸进行设计计算。 径 D 的计算 根据液压缸负载力 F 和工作压力 P 确定 4 式中 F 为一个变幅油缸的推力， P 为变幅油缸工作压力，本次设计取16数据代入公式中可得 D=158机械设计手册表如下： 表 3压缸内径尺寸系列 单位（ 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 32