[交通运输]QY16型汽车起重机下车液压系统优化设计.doc

2009届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 毕业设计（论文）题 目 QY16型汽车起重机 下车液压系统优化设计 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 学 生 指导教师 2009年目 录中文摘要I英文摘要II第1章 绪 论11.1 概述11.2 液压传动应用于汽车起重机的优缺点21.2.1 液压传动应用于汽车起重机的优点21.2.2 液压传动应用于汽车起重机的缺点21.3 液压系统的类型31.4 汽车起重机液压系统功能、组成和工作特点31.4.1 起升系统31.4.2 回转系统51.4.3 变幅系统51.4.4 伸缩系统61.4.5 支腿系统61.4.6 转向系统71.5 本课题来源、设计要求和整机性能参数71.5.1 课题来源71.5.2 任务要求81.5.3 整机主要性能参数81.6 本课题主要研究工作9第2章 QY16型液压系统工况分析及元件选择102.1 典型工况分析及对液压系统要求102.1.1 伸缩机构的作业情况102.1.2 副臂的作业情况102.1.3 三个以上机构的组合作业情况102.1.4 典型工况的确定112.1.5 对液压系统要求122.2 发动机与液压油泵的功率匹配优化方案132.2.1 电控系统主控对象132.2.2 电控系统控制原理132.3 液压系统类型选择152.3.1 QY16型汽车起重机液压系统分析152.3.2 各机构动作组合、分配及控制162.3 各种液压元件的初步选择17第3章 液压系统原理图设计183.1 支腿系统原理图设计183.1.1 性能要求183.1.2 主要回路183.1.3 功能实现和工作原理193.1.4 支腿液压系统优化方案193.2 回转系统原理图设计203.2.1 性能要求203.2.2 主要回路213.2.3 功能实现和工作原理213.2.4 转向系统优化方案213.3 转向系统原理图设计223.3.1 性能要求223.3.2 主要回路223.3.3 功能实现和工作原理23第4章 QY16型下车液压系统设计计算254.1 液压元件选择计算254.1.1 回转系统254.1.2 支腿系统284.1.3 液压转向系统364.2 液压辅助元件选择384.2.1 油路的通径384.2.2 油箱选择394.2.3 滤油器选择39第5章 系统性能计算415.1 系统功率计算415.1.1 各回路功率选取415.1.2 管路系统容积效率及压力效率计算415.2 系统各回路性能的验算425.2.1 回转液压系统425.2.2 支腿液压系统435.2.3 转向液压系统445.3 液压系统的发热验算455.3.1 工作循环周期T455.3.2 油泵损失所产生的热能H465.3.3 油箱散热量475.4 液压油的选取47第6章 总结与展望496.1 设计总结496.2 工作展望50致 谢51参考文献52前 言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。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，汽车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，汽车起重机已经成为各起重机生产厂家主要发展对象。最近两年，我国工程起重机市场像工程机械的其它行业一样经历了火爆市场的发展高峰，目前各工程起重机生产厂家和配套厂家都已经恢复了活力，为我国工程起重机行业的发展奠定了经济基础。必须首先解决整机可靠性低的问题。目前，我国工程起重机与国外水平相比，最大的差别莫过于可靠性差、故障反馈率高，而反馈最大的以配套件为多，因而配套厂家有义务在主机厂的带领下，转变观念，增大投入，提高产品质量，振兴民族工业。 在行业内开展像高新技术产品竞赛的活动，逐渐淘汰低技术含量、低性能产品，开发符合中国国情的全地面起重机产品，提高行业整体水平。高新技术产品对我国起重机市场的冲击，将加速我国工程起重机高新技术应用的步伐。目前国外工程起重机的平均吨位数为200吨，而我国则在25吨左右，八倍的差距需要我们加倍地努力。产品改造和开发注重环保、安全、可靠、节能高效，以提高产品的社会效益。我国已通过各种法律、法规对产品的环保、安全性能提出了硬性要求，但对可靠性、节能高效等要求的不多，这就要求起重机行业以造福社会为己任，开发出高效可靠的产品。 加大科研投入，提高研发能力。一方面要求企业对开发手段进行更新，加强同科研、院校的联合，积极利用可利用资源，提高研发水平。抓住欧美工程起重机行业发展势头减慢的契机，加强同国外先进技术的交流，减少同先进水平的差距。QY16全液压汽车起重机属于中型起重机，是工程建设中较常用的一款汽车起重机。现在国内很多厂家不断的向生产大型起重机迈进。随着“神州第一吊”的QY300液压汽车起重机2004年在中联浦沅成功下线，这是引进国外技术才生产出来的，代表了中国汽车起重机制造的最高水平，而不是设计的最高水平。生产厂家把生产的起重机所能够吊的吨位作为生产能力的主要标志，而忽视中小型起重机的技术发展，从某种方面来说是不完美的。本机液压系统采用的液压元件主要是是电液比例液压元件。这种元件具有操作方便，微调性能好，可以对油路实现连续控制等特点，是目前世界上比较先进的技术。采用这种技术设计出来的液压系统操作性能和各机构的控制性能都比较高，不仅各机构的定位准确，安全可靠，稳定，而且操作灵活方便。为了使设计出来的起重机具有高的性能，设计时不竟要采用一些国内外的先进技术，也要有自己的创新技术,对产品进行了优化设计。这样，才能使自己设计出来的产品具有一定的先进性，很高的性价比，才能在市场中具有很强的竞争能力。因此，设计这样一款汽车起重机不仅很有必要而且是可行的。本课题主要针对汽车起重机的功能、组成和工作特点，结合国内外汽车起重机的运用现状和发展趋势，设计一款能够适应国内外工程建设的中型汽车起重机（QY16）下车液压系统。在设计本机液压系统时，在明确设计任务和设计要求；仔细研究设计方案，理清设计思路，使设计过程清晰化，这两点的基础上，进行以下研究工作：1）分析已有的汽车起重机，结合本机特点，对液压元件进行选择。2）对各工作机构液压回路进行设计，对个回路的组成原理和性能进行分析。3）根据本机液压系统工作参数和各机构主要参数对液压系统进行设计计算，即对各种类型的主要元件进行设计计算，并且对其进行选择。4）液压元件选好以后需要对各回路进行性能计算，其中包括系统各回路功率计算，各回路性能验算以及对整个系统的发热进行验算。5）由于初步设计并不能满足实际需要,所以在最后根据下车液压系统常见的故障有针对性的进行了优化设计,以达到实际生产作业的需要。本文针对16吨汽车起重机下车液压系统进行设计计算并对有针对性的进行了优化设计。我国的汽车起重机设计技术已经很成熟了，本人的设计步骤基本上跟厂里专业人员的一样，唯一不同的就是设计的具体内容与传统的有很大区别，具有很多自己的新意，主要向起重机自动控制和节能方向设计，增加了系统的稳定性。另外，由于时间仓促，本人能力有限，论文中肯定还有瑕疵，望见谅。摘 要本设计在分析汽车起重机的功能、组成和工作特点的基础上，并结合国内外汽车起重机的运用现状和发展趋势，设计了一款中型汽车起重机（QY16）下车液压系统。在设计本机液压系统时，对工作机构液压回路进行典型工况分析，确定了液压系统要求，并结合优化设计思路拟定液压系统原理图和对液压元件进行选择。在设计中对发动机与液压泵的功率匹配进行了分析，并在回路中使用电液比例控制阀，以使系统更加稳定可靠。对各个回路的组成原理和性能进行分析，并结合各机构的主要参数对液压系统进行了优化分析及设计计算，通过对系统各个回路进行性能验算以及对整个系统的发热进行校核，验证了本设计满足QY16型汽车起重机所要达到的要求。 关键字: 汽车起重机, 工况分析, 下车液压系统, 设计计算, 电液比例优化第1章 绪 论近年来，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。液压汽车起重机以它的机动灵活、动作平稳、操作简便、安全可靠和效率高等特点而广泛应用于国防、工矿、林业、港口等行业和部门。液压汽车起重机的性能取决于它的液压传动系统的设计。相对于其他起重机，汽车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，汽车起重机已经成为各起重机生产厂家主要发展对象。1.1 概述汽车起重机是一种使用广泛的工程机械，这种机械能以较快速度行走，机动性好、适应性强、自备动力不需要配备电源、能在野外作业、操作简便灵活。在汽车起重机上采用液压起重技术，具有承载能力大，可在有冲击、振动和环境较差的条件下工作。由于系统执行元件需要完成的动作较为简单，位置精度要求较低，所以，系统以手动操纵为主，对于起重机械液压系统，设计中确保工作可靠与安全最为重要1。汽车起重机是用相配套的载重汽车为基本部分，在其上添加相应的起重功能部件，组成完整汽车起重机，并且利用汽车自备的动力作为起重机的液压系统动力；起重机工作时，汽车的轮胎不受力，依靠四条液压支撑腿将整个汽车抬起来，并将起重机的各个部分展开，进行起重作业；当需要转移起重作业现场时，需要将起重机的各个部分收回到汽车上，使汽车恢复到车辆运输功能状态，进行转移。 一般的汽车起重机在功能上有以下要求:1整机能方便的随汽车转移，满足其野外作业机动、灵活、不需要配备电源的要求；2当进行起重作业时支腿机构能将整车抬起，使汽车所有轮胎离地，免受起重载荷的直接作用，且液压支腿的支撑状态能长时间保持位置不变，防止起吊重物时出现软腿现象；3在一定范围内能任意调整、平衡锁定起重臂长度和俯角，以满足不同起重作业要求；4使起重臂在360以内能任意转动与锁定；5使起吊重物在一定速度范围内任意升降，并能在任意位置上能够负重停止，负重启动时不出现溜车现象。1.2 液压传动应用于汽车起重机的优缺点1.2.1 液压传动应用于汽车起重机的优点 在起重机的结构和技术性能上的优点：来自汽车发动机的动力经油泵转换到工作机构，其间可以获得很大的传动比，省去了机械传动所需的复杂而笨重的传动装置。不但使结构紧凑，而且使整机重量大大的减轻，增加了整机的起重性能。同时还很方便的把旋转运动变为平移运动，易于实现起重机的变幅和自动伸缩。各机构使用管路联结，能够得到紧凑合理的速度，改善了发动机的技术特性。便于实现自动操作，改善了司机的劳动强度和条件。由于元件操纵可以微动，所以作业比较平稳，从而改善了起重机的安装精度，提高了作业质量。采用液压传动，在主要机构中没有剧烈的干摩擦副，减少了润滑部位，从而减少了维修和技术准备时间。在经济上的优点:液压传动的起重机，结构上容易实现标准化，通用化和系列化，便于大批量生产时采用先进的工艺方法和设备。此种起重机作业效率高，辅助时间短，因而提高了起重机总使用期间的利用率，对加速实现四个现代化大有好处2。1.2.2 液压传动应用于汽车起重机的缺点液压传动的主要缺点是漏油问题难以避免。为了防止漏油问题，元件的制造精度要求比较高。油液粘度和温度的变化会影响机构的工作性能。液压元件的制造和系统的调试需要较高的技术水平。从液压传动的优缺点来看，优点大于缺点，根据国际上起重机的发展来看，不论大小吨位都采用液压传动系统。纵观众多用户的反馈意见，液压式汽车起重机深受他们的欢迎和好评。所以本设计汽车起重机决定采用液压传动的形式。1.3 液压系统的类型液压系统主要实现其工作目的必须经过动力源调节控制机构执行机构三个环节。其中动力源主要是液压泵；传输控制装置主要是一些输油管和各种阀的连接机构；执行机构主要是液压马达和液压缸。这三种机构的不同组合就形成了不同功能的液压回路。泵马达回路是起重机液压系统的主要回路，按照泵循环方式的不同有开式回路和闭式回路两种。开式回路中执行元件的回油直接通回油箱，工作油在油箱中冷却及沉淀过滤后再由液压泵送入系统循环，这样可以防止元件的磨损。但油箱的体积大，空气和油液的接触机会多，容易渗入。闭式回路中马达的回油直接与泵的吸油口相连，结构紧凑，但系统结构复杂，散热条件差，需设辅助泵补充泄漏和冷却。而且要求过滤精度高，但油箱体积小，空气渗入油中的机会少，工作平稳3。1.4 汽车起重机液压系统功能、组成和工作特点汽车起重机液压系统一般由起升、变幅、伸缩、回转、支腿和控制六个主系统组成。从图1.1可以看出，各个回路之间具有不同的功能、组成和工作特点： 图1.1 汽车起重机各回路工作状态图1.4.1 起升系统起升回路起到使重物升降的作用如图1.2。图1.2 起升系统1-主起升液压泵；2-三位三通液控换向阀；3-溢流阀；4-主起升液压马达；5-制动油缸；6-单向节流阀；7-二位三通液控换向阀；8-压力记忆阀；9-副起升液压马达；10-副起升液压泵；11-三位四通液控换向阀；12-三位五通电磁阀；13-压力传感器；14-梭阀；15-功率限制器起升回路主要由液压泵、换向阀、平衡阀、液压离合器和液压马达组成。起升回路是起重机液压系统的主要回路，对于大、中型汽车起重机一般都设置主、副卷扬起升系统。它们的工作方式有单独吊重、合流吊重以及单独共同吊重三种方式，其中对于吊大吨位且要求速度不太高时用主卷扬吊的方式，对于吊小吨位且要求速度不太高时用副卷扬吊的方式；对于吊大吨位且要求速度比较高时用主副卷扬泵合流吊的方式；对于吊比较长的物体时用单独共同吊重方式。在实际的工作中根据实际的需要选择工作方式。1.4.2 回转系统回转回路起到使吊臂回转，实现重物水平移动的作用。回转回路主要由液压泵、换向阀、平衡阀、液压离合器和液压马达组成，由于回转力比较小所以其结构没有起升回路复杂。回转机构使重物水平移动的范围有限，但所需功率小，所以一般汽车起重机都设计成全回转式的，即可在左右方向任意进行回转。回转系统还具有独立的工作能力，工作过程中可防止打停现象的出现，并通过加装电磁浮动阀使其能够自由的摆动，具有良好的微动性能。 1.4.3 变幅系统绝大部分工程起重机为了满足重物装、卸工作位置的要求，充分利用其起吊能力（幅度减小能提高起重量），需要经常改变幅度。变幅回路则是实现改变幅度的液压工作回路，用来扩大起重机的工作范围，提高起重机的生产率。如图1.3所示，变幅回路主要由液压泵、换向阀、平衡阀和变幅液压缸组成。图1.3 变幅系统1-可调平衡阀；2-液控单向阀；3-变幅液压油缸工程起重机变幅按其工作性质可分为非工作性变幅和工作性变幅两种。非工作性变幅指只是在空载条件下改变幅度。它在空载时改变幅度，以调整取物装置的位置，而在重物装卸移动过程中，幅度不改变。这种变幅次数一般较少，而且采用较低的变幅速度，以减少变幅机构的驱动功率，这种变幅的变幅机构要求简单。工作性变幅能在带载的条件下改变幅度。为了提高起重机的生产率和更好地满足装卸工作的需要，常常要求在吊装重物时改变起重机的幅度，这种类型的变幅次数频繁，一般采用较高的变幅速度以提高生产率。工作性变幅驱动功率较大，而且要求安装限速和防止超载的安全装置。与非工作性变幅相比，这种变幅要求的变幅机构较复杂，自重也较大，但工作机动性却大为改善。汽车起重机由于使用了支腿，除了吊非常轻的重物之外，必须带载变幅。1.4.4 伸缩系统伸缩回路可以改变吊臂的长度，从而改变起重机吊重的高度，如图1.4。伸缩回路主要由液压泵、换向阀、液压缸和平衡阀组成，根据伸缩高度和方式不同其液压缸的节数结构也就大不相同。图1.4 伸缩系统1-电液换向阀组；2-平衡阀；3-梭阀；4-一级液压油缸；5-二级液压油缸；6-三级液压油缸；7-二位四通电磁换向阀；8-三位四通液控换向阀汽车起重机的伸缩方式主要有同步伸缩和非同步伸缩两种，同步伸缩就是各节液压缸相对于基本臂同时伸出，采用这种伸缩方式不仅可以提高臂的伸出效率，而且可以使臂的结构大大简化，提高起重机的吊重。伸缩回路只能在起重机吊重之前伸出。非同步伸缩方式一般是不常用的。对于特殊的起重机械中会用到这种方式。1.4.5 支腿系统支腿回路是用来驱动支腿，支撑整台起重机的。支腿回路主要由液压泵、水平液压缸、垂直液压缸和换向阀组成。汽车起重机设置支腿可以大大提高起重机的起重能力。为了使起重机在吊重过程中安全可靠，支腿要求坚固可靠，伸缩方便。在行驶时收回，工作时外伸撑地。还可以根据地面情况对各支腿进行单独调节。1.4.6 转向系统工程机械在行驶和作业中，需要利用转向系统改变其形式方向或保持直线行驶。转向系统的基本组成是液压泵、控制回路、换向阀、计量马达、转向液压缸。随着生产率的不断提高，工程机械重量和操作速度亦相应增加，加之使用条件复杂以及采用了宽基或超宽基的低压轮胎，这就要求转向系统能克服更大的转向阻力矩，并要求转向过程中具有相当的速度，这就意味着要求提高转向的功率。由于工程机械，在作业中需要频繁地转向，转向系统是否灵便灵活，对生产率影响很大，而采用液压能驱动转向机构是实现这一要求的理想途径。操作人员之需用极小的操作力和一般的操作速度操纵控制元件，就可以实现高速，克服转向阻力矩的转向能量则由发动机提供，这种转向形式称为液压转向。它使作业时操作的操作的繁重程度大为改善，并进一步提高了生产率，同时也提高了行驶的安全性。1.5 本课题来源、设计要求和整机性能参数1.5.1 课题来源QY16全液压汽车起重机属于中型起重机，是工程建设中较常用的一款汽车起重机。现在国内很多厂家不断的向生产大型起重机迈进。随着“神州第一吊”的QY300液压汽车起重机2004年在中联浦沅成功下线，这是引进国外技术才生产出来的，代表了中国汽车起重机制造的最高水平，而不是设计的最高水平。本机液压系统采用的液压元件主要是电液比例液压元件。这种元件具有操作方便，微调性能好，可以对油路实现连续控制等特点，是目前世界上比较先进的技术。采用这种技术设计出来的液压系统操作性能和各机构的控制性能都比较高，不仅各机构的定位准确，安全可靠，稳定，而且操作灵活方便。为了使设计出来的起重机具有高的性能，设计时不必要采用一些国内外的先进技术，也要有自己的创新技术,对产品进行了优化设计。这样，才能使自己设计出来的产品具有一定的先进性，很高的性价比，才能在市场中具有很强的竞争能力。因此，设计这样一款汽车起重机不仅很有必要而且是可行的。1.5.2 任务要求1整机基本参数应符合汽车起重机基本参数标准。2各工作机构既能单独单独作业又能复合作业。 3液压系统采用多泵多回路变量液压系统，主、副卷扬和回转采用闭式回路，变幅、伸缩和支腿采用开式回路。操作方式为先导伺服操作。4所设计的汽车起重机液压系统构成合理，技术性能先进，在满足可靠性前提下具有一定的创新性。技术资料完整、正确。5撰写的汽车起重机液压系统关键技术研究报告具有一定的理论性、使用性和独创性。1.5.3 整机主要性能参数QY16型汽车起重机的主要性能参数如表1.1所示：表1.1 QY16主要性能参数表项 目数 值备 注工作性能参数最大额定总起重量 kg16000主臂最大起升高度 m31.08副臂最大起升高度 m38.5工作速度单绳最大速度 m/min120尺寸参数外形尺寸(长宽高) mm1205025003300支腿跨距（纵横） m4.354.8主臂长 m9.830.8主臂仰角 -2 80质量参数行驶状态自重(总质量) kg23560发动机参数发动机最大功率 kw/r/min154/21001.6 本课题主要研究工作本课题主要针对汽车起重机的功能、组成和工作特点，结合国内外汽车起重机的运用现状和发展趋势，设计一款中型汽车起重机（QY16）下车液压系统。在设计本机液压系统时，在明确设计任务和设计要求；仔细研究设计方案，理清设计思路，使设计过程清晰化，这两点的基础上。进行以下研究工作：1对各工作机构液压系统进行设计，对个回路的组成原理和性能进行分析。2分析已有的汽车起重机，结合本机特点，并根据液压系统优化方案，对液压元件进行选择。3根据本机液压系统工作参数和各机构主要参数对液压系统进行设计计算，即对各种类型的主要元件进行设计计算，并且对其进行选择。4液压元件选好以后需要对各回路进行性能计算，其中包括系统各回路功率计算，各回路性能验算以及对整个系统的发热进行验算。第2章 QY16型液压系统工况分析及元件选择根据分析确定QY16型汽车起重机的典型工况，并根据汽车起重机的典型工况确定对液压系统的要求，并合理确定各液压系统的类型，选择所需的执行元件。2.1 典型工况分析及对液压系统要求分析各机构的实际作业情况，起重机的试验规范，确定QY16汽车起重机的典型工况。根据汽车起重机的典型工况确定对液压系统的要求。2.1.1 伸缩机构的作业情况汽车起重机工作中主要用到的机构是主、副卷扬机构，回转机构；在重物下降定位时常常用到变幅机构。带载伸缩是比较危险的，在实际作业中很少使用，空载吊臂伸缩循环仅占试验基本工况作业循环次数的5，故伸缩及带载伸缩不是典型工况。2.1.2 副臂的作业情况大多数汽车起重机都带有副臂，它的作用是增加起重机的最大起升高度。很多大型汽车起重机主臂前都有一个突出滑轮，在副卷扬工作时，顺着滑轮吊下副钩，用于主、副卷扬的组合动作，而很少用副臂与主卷扬进行组合动作。本机属于中型起重机，不提倡采用副臂，不过可以增加臂的节数来增大最大起升高度。2.1.3 三个以上机构的组合作业情况有些大型汽车起重机要求有三、四个动作同时组合功能，是靠手柄的45联动功能实现的，即一个手柄同时控制两个机构的运动，这种操作方式对司机的操作水平要求很高，且有危险，实际作业中很少使用。本机为中型起重机实现功能没有大型的多，操作也没大型的那么复杂，采用电液比例伺服系统来控制，操作灵活稳定，因此，对操作人员要求不是很高。对于QY16型汽车起重机属于中型起重机，所以，决定在液压系统中多采用电液比例伺服系统来控制，以实现精准控制和稳定的工作。2.1.4 典型工况的确定根据以上原则，各机构的实际作业情况，起重机试验规范，以及很多操作者的实际经验，可确定表2.1的五种工况，作为大中型汽车起重机的典型工况。设计液压系统时要求各系统的动作能够满足这些工况要求4。表2.1 汽车起重机典型工况表序号工 况一次循环内容特 点1基本臂；额定起重量80；相应的工作幅度；吊重起升回转下降起升回转下降（中间制动一次）起重吨位大，动作单一，很少与回转等机构组合动作2基本臂；额定起重量80；相应的工作幅度；（主+副）卷扬起升回转（主副）卷扬下降（主副）卷扬起升回转（主副）卷扬下降（中间制动一次）主、副卷扬组合动作主要用于平吊安装或空中翻转3中长臂；中长臂最大额定起重量1/2；相应的工作幅度；（起升回转）变幅下降（起升回转）下降（中间制动一次）起重机在额定起重量的（5060）的作业工况最多4中长臂；中长臂最大额定起重量1/2；相应的工作幅度；（主+副）卷扬起升回转变幅（主副）卷扬下降（主副）卷扬起升回转（主副）卷扬下降（中间制动一次）中长臂，中等起重量工况出现机率大，此时的台装作业或空中翻转作 业也很常用5最长臂；最长臂最大额定起重量1/2；相应的工作幅度；（主副）卷扬起升回转变幅（主+副）卷扬下降（主副）卷扬 下降（中间制动一次）很多工况并不是利用汽车起重机起吊吨位大的特点，而是利用臂长特点高空作业2.1.5 对液压系统要求根据汽车起重机的典型工作状况对系统的要求主要反映在对以下几个液压回路的要求上：1起升系统：1）主、副卷扬既能单动，又能同时动作，要求自动分流合流并将保证低压合流高压自动分流。2）副卷扬只要求单泵供油。3）要求卷扬机构微动性好，起、制动平稳，重物停在空中任意位置能可靠制动，即二次下滑问题，以及二次下降时的重物或空钩下滑问题，即二次下降问题。2回转系统：1）具有独立工作能力。2）回转制动应兼有常闭制动和常开制动（可以自由滑转对中），两种情况。3变幅系统：1）带平衡阀并设有二次液控单向阀锁住保护装置。2）要求起落臂平稳，微动性好，变幅在任意允许幅值位置能可靠锁死。3）要求在有载荷情况下能微动。4）平衡阀应备有下腔压力传感器接口，作为力矩限制器检测信号源。4伸缩系统：本机伸缩机构采用四节臂（含有三个液压缸），由于本机为中型起重机为了使本机运用广泛，采用电液阀控制液压缸实现各节臂顺序伸缩。各节臂具有任意伸缩的选择性，但不能实现同部伸缩。5控制系统：1）为了使操纵方便总体要求操纵手柄限制为两个。2）操纵元件必须具有45方向操纵两个机构联动能力。6支腿系统：1）要求垂直支腿不泄漏，具有很强的自锁能力（不软腿）。2）要求各支腿可以进行单独调整。3）要求水平支腿伸出距离足够大，能够满足最大吊重而不至于整机倾翻。4）要求垂直支腿能够承载最大起重时的压力。5）起重机行走时不产生掉腿现象。2.2 发动机与液压油泵的功率匹配优化方案汽车起重机能量的总利用率一般仅为20%左右，能量损失巨大，因而节能技术便成为衡量汽车起重机先进性的重要指标。目前国外的技术大多是采用电子功率优化系统，对发动机和液压油泵系统进行综合控制，使二者达到最佳匹配以获得节能效果。该系统由单片机控制的无级调速的电控油门和电磁比例阀使挖掘机的机电一体化程度大大提高。可以根据发动机负荷的变化，由微处理器控制调节液压泵所吸收的功率和油门的开启度，使发动机始终保持在额定转速附近以全功率投入工作；同时电控油门还可以使发动机转速在很大的范围内任意设定。由此电控系统控制的起重机工作性能将会更稳定，操作起来更加精细，平滑可靠，没有冲击感，能量利用率更高，更节省燃料，节能效果自然更明显。另外，还可实现对发动机转速的实时监控及自动怠速、自动升速和自动稳速等的控制功能。 2.2.1 电控系统主控对象 汽车起重机主要由起重臂、地盘部分、转台和支腿部分四部分组成，它的重物起吊、控制室转动动作都是在液压系统的油缸和马达的驱动下完成的。而液压系统的油源又是由发动机带动的液压油泵提供的，因此发动机和液压油泵就是汽车起重机整车的动力源，功率优化控制系统的主控对象也就是发动机和液压油泵。这里配置的发动机是康明斯柴油发动机；而液压油泵则是斜盘式柱塞变量泵。斜盘式柱塞变量泵的排量和流量可以通过改变斜盘倾角来改变。柱塞泵的斜盘前后有两根耳轴支承在变量壳体的两个圆弧导轨上，斜盘可以耳轴中心线为轴心摆动，使倾角改变。斜盘中部装有销轴，其左侧球形端部插入变量活塞的孔内。当变量活塞顶部的负载变大超过弹簧弹力时，变量活塞会向下移动，使斜盘倾角变大，泵的流量就会变大，液压泵吸收的发动机的功率也会跟着变大。只要能控制好液压油泵变量活塞所受压力的大小就可以控制液压油泵的吸收功率。 2.2.2 电控系统控制原理 1对发动机转速控制柴油机基本上是恒扭矩调节的，其输出功率的变化表现为输出转速的变化，即不同的油门开度对应着不同的柴油机输出转速，也就是说我们可以通过对油门开度大小的控制来实现对发动机输出转速的控制。门开度大时，喷油泵有效供油行程大，循环供油量大，发动机转速提高；反之，转速就低。只要我们能使油门开度微动调节，供油行程一点一点变化，就可对发动机进行无级调速。 2对液压油泵的控制 由柴油机的外特性曲线还可以看出，当喷油泵的油门拉杆处于某一位置时，柴油机的输出扭矩随转速变化的特性曲线很平坦。这种特性对柴油机的工作是很不利的，当柴油机的负荷有较小变化时，其转速就会发生很大的变化。所以发动机在驱动工作机械时，只有当它的输出扭矩与工作机械的阻力相等，发动机才可以稳定工作。如阻力矩超过发动机的输出扭矩，发动机转速将下降；反之，则升高。 1） 对超负荷运行状态的控制汽车起重机在施工作业中，如遇到起重重物时，起升阻力变大，工作负载变大，执行元件动作变缓，回油变慢，而油泵仍继续向系统供油，油缸内的油压急增，使系统压力过大，发动机的输出扭矩已小于这时的工作阻力，于是，发动机开始超负荷运转，转速迅速下降，甚至导致“熄火”。这时单靠拉大油门，硬性地使发动机转速升上去，溢流损失会很大，甚至会使油路因压力过大而漏油；还有一种情况是负荷特别重，油门已在最大位置，而我们已无法再通过调节油门来升速。这时我们可以通过降低液压油泵向系统提供的液压油量来降低系统的压力，减少油泵对发动机功率的吸收，从而降低油泵的输出扭矩。这样一来，即使回油变慢，泵油量也会同时减小，油缸内的油压就不会太大，系统的压力也将减轻，从而降低了发动机的负载，这时发动机就不会再“熄火”，仍然可以保持额定转速运转，发挥最大的有效功率，只是起升动作变得慢了些。 2）对正常负荷运行状态的控制挖掘机正常工作负载时，我们也可以通过调节液压油泵对发动机功率吸收量的大小使发动机始终能保持在额定转速附近，发挥最大的功率；同时，防止发动机多余的能量进入液压系统，使系统压力过高和液压油过热。而且对应着工作负载大小的不同，发动机保持额定转速的油门位置也会不同，负荷越小，油门就越小，油料消耗也越小。另外，当挖掘机工作负载很轻时，为降低油耗，我们还可以将发动机转速调小，相应的降低油泵的吸收功率，使发动机在较低转速下仍能稳定工作，同时又降低了油门，减少了油料的消耗，达到更好的节能效果。2.3 液压系统类型选择2.3.1 QY16型汽车起重机液压系统分析根据开式和闭式系统的优缺点、典型工况，结合国内外同类产品的具体情况，上车液压系统决定选用多泵多回路和多种型式的高压变量系统。在起升（主、副卷扬）、回转、伸缩、变幅、支腿和控制6个液压回路中，起升和回转采用独立闭式油路，变幅、伸缩和支腿采用开式油路。起升油路分主卷扬油路和副卷扬油路，液压泵采用具有压力切断功能的双向电液比例排量调节泵，此泵能实现排量与输入电压信号成正比的控制功能，用手动比例电压控制阀来进行调节，它与定量马达构成了两个独立的容积调速回路。副卷扬油路可通过合流阀向主卷扬油路自动合流。主副卷扬回路中设有压力记忆阀，防止二次起升下坠，缓冲补油和自动冷热油交换等装置。由于本机属于中型起重机，回转比较频繁，所以回转油路由双向电液比例排量调节泵和定量马达组成，除采用缓冲补油和冷热油自动交换措施外，还采用了防止“打停现象”（在回转过程中出现打停后再回转现象）和防止臂杆因外力（风力等）引起的自由摆动的特殊阀。伸缩回路有四节液压缸，使用电液阀控制使液压缸实现顺序伸缩和各节臂单独伸缩。回路中，电磁阀仅通过推动液动阀所需的流量，流量较小，而流动阀才是通过工作机构所需的大流量。这样电磁阀可靠性大大提高。液动阀可通过很大流量，从而提高伸缩速度。大中型起重机的变幅机构，为了减小变幅缸的缸径，通常采用双缸并联回路，即两个等直径的变幅缸分别置于臂的两侧跟臂一起刚性连接。本机采用液控单向阀来锁紧臂自动下滑，才用了一平衡阀来防止在变幅下降时产生超速现象。伸缩、变幅回路在工作时只能一个单独工作，用电液比例换向阀来控制它们的伸缩速度。本机采用了一个二位六通转阀来切换伸缩、变幅油路，这样不但可以实现一个操作手柄单独操作伸缩、变幅工作，而且用一个二位六通转阀替换了一个电液比例换向阀和一个电路切换开关降低了生产成本。支腿回路采用H式支腿，此支腿外伸距离大，每一支腿有两个液压缸，一个水平的，一个垂直的，支腿外伸后成H形。支腿回路的各油缸均采用手柄操纵换向阀来实现各种控制。回路中支腿油路转阀可以对各支腿进行单独调节和共同伸缩，液控单向阀可以防止支腿软腿现象。控制回路采用电控方式来实现。主、副卷扬回路，回转回路均采用了电液比例排量调节泵，此泵能实现排量与输入电信号成正比的控制功能。此泵的控制过程为：操纵手控电阀发给电液比例方向阀一定量电信号值，电液比例方向阀有一对应位移，并打开阀口使补油泵的油液进入变量活塞缸，使之对电液比例方向阀有一跟踪位移，并使泵的排量变化，直至变量活塞缸的反馈移动量又使电液比例方向阀的阀口关闭为止。这就使得操纵者搬动手控电阀的角度与泵的排量成正比例变化，达到预期的操纵目的。伸缩、变幅回路也采用电液比例阀控制其速度，操纵方式也是用手动比例电压控制阀。采用电液比例控制的调速系统，不仅可以省力，也可改变主机的设计柔性，并且可以实现远距离有线或无线控制。根据汽车起重机的工况，支腿回路、伸缩回路和变幅回路只能一个单独工作，所以采用同一个液压泵供油。主、副卷扬回路，回转回路都用了电液比例排量调节泵，它们都带有副泵，此副泵负责给自己所在闭式回路补油和提供控制油。2.3.2 各机构动作组合、分配及控制1各机构组合情况 图2.1 各机构动作组合情况支腿机构在起升过程中不能动作，但是支腿回路工作时其他的回路均不能工作，回转可以与各个机构进行组合动作，主副起升之间，以及主、副起升分别与变幅，伸缩回路要有组合动作功能，伸缩、变幅之间不需要组合动作，在相同手柄上控制的两个是靠手动比例电压控制阀的手柄45联动功能完成，应尽量少用，免得使操纵变得复杂。各机构组合情况如图2.1所示。2动力分配情况 根据设计要求、工作情况、起重量等，本机的动力分配如图2.2所示：动力元件：3双向电液比例排量调节泵，1个单向柱塞泵图2.2 上车动力分配情况3各机构的组合控制情况对于支腿回路伸缩速度控制、伸缩回路、变幅回路、回转回路、主副卷扬回路都采用了电液比例控制方式，用手动比例电压控制阀手柄做操纵工具，其搭配情况如图2.3所示，控制量由比例电压控制阀的手柄45联动完成（支腿电液比例方向阀单独控制，它与支腿油路转阀一起安装在底盘上） 图2.3 手动比例电压控制阀手柄的工作位置搭配情况2.3 各种液压元件的初步选择以上各步完成以后，本机的总体方案也已基本确定，各回路的主要元件也可初步确定了。1动力元件 轴向柱塞双向变量泵（含辅助泵）、 轴向柱塞定量泵2执行元件 起升马达、 回转马达、 变幅油缸、 伸缩臂油缸3控制元件 功率限制阀、 压力记忆阀、 电磁阀、电液比例方向阀、先导比例阀 、主副卷扬合流阀、变幅伸缩多路阀、 回转中位浮动阀、平衡阀、单向阀、手动比例电压控制阀4辅助装置 油箱、 滤油器、 各种管道及接头 第3章 液压系统原理图设计3.1 支腿系统原理图设计支腿回路如图3.1所示：本机采用H式支腿回路，具有防软腿、掉腿和单独调节各支腿伸缩的装置，操作方便，工作安全可靠等特点。3.1.1 性能要求要求水平液压缸和竖直液压缸伸缩方便；支撑平稳；可防止软腿现象；可单独对各支腿进行调节；在锁死的时候油缸不发生油液泄露。3.1.2 主要回路水平伸缩油路；竖直伸缩油路图3.1 支腿回路1-油箱；2-滤油器；3-泵；4-溢流阀；5-二位三通液控换向阀；6-二位三通手动换向阀；7、11-三位四通手动换向阀；8-水平液压油缸；9-垂直液压油缸；10-液控单向阀3.1.3 功能实现和工作原理1. 支腿伸出1）水平支腿伸出由液压泵3来油后，经液控换向阀5（下）进入手动换向阀6（左）液控打开5，液压油进入手动三位四通换向阀7（左），再进入水平油缸8（左）。液压油由水平液压缸8（左）进入7（左），再进入11（中）进入油箱。此时，水平支腿液压缸伸出2）垂直支腿伸出由液压泵3来油后，经液控换向阀5（下）进入手动换向阀6（左）液控打开5，液压油进入手动三位四通换向阀7（中），随后进入11（左），由支腿油路转阀12进行选择进油顺序并加以调节，进入垂直支腿液压缸9无杆腔。液压油由垂直支腿液压缸有杆腔出油进入11（左）随后进入油缸。此时，垂直支腿液压缸伸出。为了提高支腿伸缩速度也可以同时打开7和11使水平和竖直液压缸同时伸出，不过为了安全还是常采用分步伸出的方式。2支腿缩回支腿缩回跟伸出基本相同，只是把7、11换成右位就行了。对各支腿进行调节时，只需要把12转向相应的支腿位，把11打开就行了。3.1.4 支腿液压系统优化方案起重机作业的现象常常不允许支腿完全伸出，各支腿伸出长度也往往不一致。这时，就要求由传感器来检出各支腿的伸出长度，将支腿伸出情况传递给力限器，并根据各个支腿的不同伸出状态和起重机的旋转角，计算允许起重载荷。这样，不仅提高了安全性，而且可以最大限度地发挥起重能力。起重作业过程中，保持车身的水平是不容忽视的安全要素。它对提高起重性能和整机稳定性有好处。一般调平由人工操纵多路阀来进行，调平操作主要靠目测，其调平精度差，时间长，且不易操作。采用带有电液比例阀的自动调平装置可以快速平稳，准确地进行车身的调平工作。图3.2 支腿自动调平装置原理方框图 图3.3 支腿地面支承强度不足的情况图3.2所示为自动调平原理方块图。它一般是由两个在同一平面内相互垂直安装的纵向水平传感器、支腿行程传感器、支腿压力传感器、微机控制系统、电液比例阀等组成。其工作原理是，在在支腿调节过程中，由于液流分配不均等，而产生车架倾斜，或由于地面支承点的不平以及其他因素使车架产生倾斜时，纵向和横向水平传感器立即将倾斜量转化成电信号传递给微机控制器，控制器根据信号量的大小和方向，给电液比例阀发出一定的控制信号，控制支腿油缸进行自动调平。目前，在支腿控制中有待解决的问题是如何防止由于地面支承强度不足而引起的事故，如图3.3，特别是大吨位起重机来说很重要，需要继续开发地面支承强度自动检测装置。3.2 回转系统原理图设计回转系统如图3.4所示：回转油路所需功率较小，因此采用小排量的双向电液比例排量调节泵和双向定量马达构成闭式容积调速回路。油泵中设置有电液比例伺服变量机构，辅助泵，缓冲补油阀，马达两腔并联有冲洗阀，其作用和工作原理与主副卷扬油路中的有关分析相同。由于回转功率小，回转油路没有设置功率限制装置。回路中装有电磁浮动阀，DF4通电后，二位四通阀换向，锥阀控制腔与油箱接通，锥阀开启，回转马达两腔连通形成短路，上车部分在回转方向上可以浮动，从而避免了起重机因起升高度大、起吊重物不易对中而使臂架和卷扬机构承受的不必要的侧向偏载。3.2.1 性能要求具有独立工作能力；工作过程中可防止“打停现象”和自由摆动；微动性能好。 图3.4 回转系统1-辅助泵；2-主泵；3-调节油缸；4-溢流阀；5-滤油器；6-电磁浮动阀；7-三位三通液控换向阀；8-溢流阀；9-回转泵；10-二位三通电磁阀；11-制动油缸；12-三位四通电磁比例换向阀3.2.2 主要回路主油路（含补油油路）、冷却油路、制动油路、变量操纵控制油路3.2.3 功能实现和工作原理1向左旋转打开三位四通电控比例换向阀12（下）使12上移。使得泵1由12（下）进入3（下）。由泵2来油进入液压马达9。液压油由液压马达9进入液控三位三通换向阀7（左）由溢流阀8进入油箱进行泄油。2向右旋转打开三位四通电控比例换向阀12（上）使12下移。使得泵1由12（上）进入3（上）。由泵2来油进入液压马达9。液压油由液压马达9进入液控三位三通换向阀7（右）由溢流阀8进入油箱进行泄油。3制动器控制油路由泵1来油，进入二位三通电磁换向阀10(下)，再进入制动液压缸11（左），使得制动器11打开。3.2.4 转向系统优化方案在回转系统中加装阀组来优化回转系统回路。回转阀：控制起重作业的回转动作，回转主阀为液控比例换向阀，实际压力，流量与负载有关，负载无动作时，低压卸荷。而且，回转还具有自由滑转、回转缓冲性能，使起重机在起动和制动时都比较平稳。回转缓冲阀内设有自由滑转电磁阀，其作用是：在起吊重物过程中，特别是当重物将要离开地面时，吊臂会受到侧向拉力，为防止吊臂弯曲或折断，这时可按下自由滑转控制开关，使得回转制动控制电磁阀和自由滑转电磁阀同时有电，将回