斗轮堆起料机俯仰液压系统设计

I 摘 要 本论文对斗轮堆取料机尾车俯仰及脱钩液压系统进行改进设计，主要进行了原理方案的比较设计、液压元件的计算选择、阀集成块和油箱的机械设计以及尾车液压站的布局设计等工作。通过本论文设计实现的尾车液压站能够满足使用要求，运行稳定，安全性好，维修及改造方便，可以应用在散料货场的斗轮堆取料机上，改善散料堆取、混匀作业的工作效率。 关键词 ： 斗轮堆取料机，液压系统，俯仰， 脱挂钩 he to of of to of be in 录 摘 要 . I 1 绪 论 . - 1 - 题背景 . - 1 - 计内容 1 1. 2 液压系统的方案设计 . - 2 - 要求 . - 2 - . - 2 - 3 元件的选择与计算 . - 5 - . - 5 - . - 5 - . - 6 - . - 6 - . - 7 - . - 10 - 4 液压系统的结构设计 . - 12 - . - 12 - . - 14 - 5 系统说明书 . - 17 - . - 17 - . - 17 - . - 18 - 6 结 论 . - 20 - 致 谢 . - 21 - 参考文献 . - 22 - - 1 - 1 绪 论 题背景 斗轮堆取料机液压系统包括俯仰系统 、 尾车变幅及脱钩系统两部分 ,尾车变幅及脱钩系统与俯仰系统配合 ,完成尾车液压缸的脱挂钩和尾车的升降变幅功能 指 在通过本 论文设计实现的尾车液压站能够满足使用要求 ,运行稳定 ,安全性好 ,维修及改造方便 ,可以应用在散料货场的斗轮堆取料机上 ,改善散料堆取、混匀作业的工作效率 。 计内容 设计的主要内容为一套完整的液压传动系统 ,从系统工作环境和完成的功能 分析开始 ,通过分析 比较 拟定该液压系统的原理图 ,计算系统的主要参数 ,选择执行元件和各种液压辅助元件 ,包括油箱的初步设计 ,泵、电动机、阀类元件以及其它液压辅助装置 (过滤器、液位计、密封件、管件、管接头、测压组件等 )的选择 ,集成块和油箱结构的机械设计 ,最后是液压泵站的结构设计以及整个液 压系统的组装 ,并提出系统的使用说明书 . - 2 - 2 液压系统的方案设计 尾车变幅液压系统属于液压传动系统，适用于煤炭、沙子、石子等散料堆取机械的尾车变幅及脱钩功用，属于中小型液压系统，没有过高的走行及抗燃要求，露天工作，环境比较恶劣，工作场地沙尘较多，冬季气温较低，因此，要求系统防尘能力强，工作安全性高，可靠性好，能在较低气温下持续可靠的工作，并能够适应较恶劣且温度变化较大的工作环境。 根据工况条件判断，该系统属于中压中载系统，液压尾车采用双缸同时、同步工作，工作时液压泵在斗轮工作期间应不间断 持续运行，变幅动作由电磁换向阀控制，为提高安全性，系统有超压保护等保护装置，同时保证系统的密闭性。 根据对液压系统的要求，斗轮机尾车变幅及脱钩液压系统应 能实现以下功能的基本回路： 现尾车脱钩和挂钩、变幅升和变幅降之间的转换。 制系统的工作压力，使它不超过预先调好的某个数值。 统在只需要输出少量功率或不需输出功率时，液压泵停止运转或在很低压差下运转，以减少系统功率损耗和噪声，延长泵的工作寿命。 变幅液压缸在某个工作阶段内压 力保持恒定不变。 得俩个双缸内高压腔中的压力缓慢释放，以免突然减压引起的冲突、振动和噪声。 得变幅液压缸保持一定的背压力，和负载相平衡。 液压缸在行程终点前预先减速、延缓其停止或换向的时间，以及延缓调压卸载回路的卸载和升压过程来达到缓和冲击的目的。 节两个双缸的工作速度。 - 3 - 1. 分析拟给定的原理图(如下图 1). 换向回路由两个电磁换向阀完成，分别控制俯仰缸和脱钩缸。 2). 调压回路由两个溢流阀完成，分别控制两个电磁换向阀入口处 的压力，液压泵的最大工作压力由溢流阀规定，可以预先调定以控制系统的工作压力，同时还起安全阀的作用。 3). 该系统原理图中脱钩缸的卸载功能由电磁换向阀的中位机能来实现。而俯仰缸的卸载是限压式变量卸载，当回路中压力达到溢流阀的预先调定值时，通过溢流阀实现保压卸载，这使得俯仰缸能够承受一定的负载，同时又能实现卸载，减少功率损耗，延长泵的寿命。 图 ). 脱钩液压缸不承受负载所以不需有保压回路功能，而俯仰缸的保压回路由液控单向阀实现，在俯仰缸的进油路口串接一个液控单向阀，利用锥 形阀座的密封性能实现保压。采用电接点接触式压力计，可以控制液流波动范围和补压动作。 5). 平衡回路的功能由液控单向阀来完成，液压缸回油腔由液控单向 和单向节流阀串接锁闭，活塞能长期停留在任意位置，活塞上下行时有不大的功率损失，1615141732112465131110897 - 4 - 能够满足系统要求。 6). 调速回路由叠加式单向节流调速阀实现。 由以上分析，给定的回路能够比较好的满足工作要求，保压、卸荷、调压、调速的功能要求都能够完全满足，但是在缓和冲击方面还有待改进，并且该回路效率比较高，安全性好，成本适中，考虑到该系统的工作环境对噪 音和振动没有太高要求， 可以使用该回路提出的原理。 - 5 - 3 元件 的选择与计算 选择液压泵的主要原则是满足系统的工况要求，据此初步确定泵的结构形式，通过对液压泵的主要参数工作压力和流量的选取进而确定泵的具体型号和相关参数。 定泵的额定流量 m a Q式中 泵的额定输出流量（ L/ 流量最大值（ L/ Q 泄漏量，根据经验估算 Q （ 10 30），因管路结构比较简单 取 Q 10 以 36+ 确定泵的额定压力 m a x()PP k P P式中 P 泵的最大工作压力 (额定压力 ) ( 执行元件的最高工作压力 (P 压力总损失，该系统结构比较简单，取 k 系数，该系统结构比较简单，取 以 P =(16+ 据以上计算，泵的工作压力较高，因此选用斜盘式轴向柱 塞泵，根据泵的额定压力和输出流量确定泵的型号为 63机转速为 1500 液压泵实际需要的输入功率是选择电动机的主要依据。由于液压泵存在着容积损失和机械损失，为满足液压泵向系统输出所需要的压力和流量，液压泵的输入功率必须大于它 - 6 - 的输出功率。 P = 76 10m 式中 P 液压泵的输入功率（ P 液压泵的额定压力（ 液压泵的额定流量（ 3m /s） 液压泵的总效率， ，其中， m 是液压泵机械效率， v 是液压泵的容积效率，取 以671 6 1 0 3 6 1 0 . 1 16 1 0 0 . 9 5 因此选择电动机型号为 根据系统的要求、工作压力和流量，从元件产品样本中选择元件型号如下： （ 1） 三位四通电磁阀 4 2） 电磁溢流阀 3） 液控单向阀 （ 4） 双联单向节流阀 5） 单向阀 管路的选择主要 依据安装位置、工作环境、工作压力和油管的特点来进行。 路内径的计算 2 qd v 式中 d 管子内径（ q 管内流量（ 3m /s） v 油液流速，吸油管 s，压油管 5m/s, 回油 s,阀内通道 6m/s。 - 7 - 取 1v 1m/s, 2v =5m/s, 3v =2m/s, 4v =6m/s, 则 : 313 6 1 02 2 83 . 1 4 1 6 0d m m 323 6 1 02 1 2 . 43 . 1 4 5 6 0d m m 333 6 1 02 1 9 . 53 . 1 4 2 6 0d m m 343 6 1 02 1 1 . 33 . 1 4 6 6 0d m m 子壁厚的计算 2 式中 油管壁厚（ p 管内工作压力（ d 管子内径（ n 安全系数， 7p 取 n=6 b 材料抗拉强度，对于钢管， b 380 : 1 1 6 2 8 6 3 . 5 42 3 8 0 2 1 6 1 2 . 4 6 1 . 5 72 3 8 0 3 1 6 1 9 . 5 6 2 . 52 3 8 0 4 1 6 1 1 . 3 6 1 . 4 32 3 8 0 根据以上数据，选取管子尺寸见表 3 3子尺寸 公称通径 外径 接头螺纹 壁厚 吸油管 32 42 2 4 压油管 10 18 油管 15 22 内通道 10 18 - 8 - 油箱容积的确定，是设计油箱的关键。油箱的容积应能够保证当系统供油 流量大于回油流量时，最低液面在进口过滤器之上 ;当系统回油流量大于供油流量，或者系 统停止运转油液返回油箱时，油液不会溢出。同时，油箱还应该满足系统散热要求。 据使用情况确定油箱的容积 有效容积的计算按经验公式 : 式中 经验系数，本系统属于中压系统所以 7 额定流量（ L/ 所以 V=7 36=252L=，在一般情况下，计算发热量时，只考虑液压泵和溢流阀的发热量 ;在计算散热量时，只考虑油箱温升所允许的热量。在元件选择合理时，其他液压阀及管的发热量并不大，且考虑到他们会向空气中散热，故可忽略不计。 1. 液压系统的发热计算 1). 液压泵的发热功率 )p p 式中 液压泵 的发热功率（ 液压泵的输入功率（ p 液压泵的效率，由产品样本查取 所以 631 6 1 0 3 6 1 0 1 0 . 9 2 0 . 7 6 860pH k w 2)H - 9 - 1M M 式中 执行元件的发热功率（ 执行元件的有效功率（ M 执行元件的效率，液压缸取 以 631 6 1 0 3 6 1 0 1 0 . 9 5 0 . 5 2 260MH k w 3)H 310v V Q 式中 阀孔发热损失功率（ 对溢流阀而言是其调定压力， 对其他阀而言是其压降（ 流经液压阀的流量（ 3/ 根据阀类元件的要求，忽略除溢流阀和换向阀外其他阀类元件的阀孔损失热量，得 33 31 6 3 6 1 0 0 . 2 3 6 1 0 1 0 9 . 7 26 0 6 0VH k w 综上，系统发热总功率为： 0 . 7 6 8 0 . 5 2 2 9 . 7 2 1 1 . 0 1P V H H k w 2. 系统的散热计算 油箱的散热功率 12() A t t K A t 式中 系统的散热功率（ K 散热系数，根据该系统情况取 17 A 散热面积（ 2m ） t 系统温升（ C ） - 10 - 1t 系统油温（ C ） 2t 环境温度（ C ） 231 1 . 0 1 1 6 . 21 7 1 0 4 0 所以 ,由于所需的散热面积比较大，所以在油箱上安装冷却器，选取冷却器型号 却面积为 16 2可满足散热要求，并初步确定油箱的尺寸为 1200 600 600 21. 回油滤油器 列微型直回式回油过滤器适用于液压系统回油精过滤，滤除系统中由于元件磨损产生的金属颗粒和密封件的橡胶杂质等污染物，使流回油箱的油液保持清洁。过滤器配有发讯器、旁通阀、液流扩散器。滤油器具体的型号为： 1径 50称流量为 180L/滤精度为 1m，法兰连接，带 发讯器，当滤芯堵塞时将报警。 2. 吸油滤油器 以 保护油泵及其他液压元件，有效的控制液压系统污染，提高液压系统清洁度，具有通油能力大、阻力小管路简单、易清洗等特点。具体型号为： 80径为 70称流量为 380L/滤精度为 75m，管式连接，带旁通阀。 3. 空气滤清器 该系列过滤器根据国外先进技术资料进行标准化、系列化设计，适用于液压系统油箱的空气过滤，既有体积轻巧、结构合理、外形美观新颖、过滤性能稳定、安装使用方便等特点。具体型号为： 10，规格 2，过滤精度 12m，空气流量 / 4. 测压组件 液压系统应设置必要的压力检测和显示装置。主要功能是调定各有关部位的压力和检查各有关部位压力是否正常。测压组件一般安装在液压泵的进出口，主要执行元件的进油 - 11 - 口，压力继电器安装处，液压系统中与主油路压力不同的支路及控制油路，蓄能器进油口处。 压力表型号： 型高压测压接头型号： 50 5. 液位计 - 12 - 4 液压系统的结构设计 箱设计要点 油箱在液压系统中除了储油外，还起着 散热、分离油液中的气泡、沉淀杂质等作用。本系统采用开式油箱，油液与大气相通，设计要点如下： 方面尽可能地满足散热的要求，另一方面在液压系统停止工作时应能容纳系统中的所有工作介质，而工作时又能保持适当的液位。 板之间要用隔板隔开以增加油液循环距离，使油液有足够的时间分离气泡，沉淀杂质，消散热量。隔板高度最好为箱内油面高度的 3/4，隔板形式可采用溢流式标准型，溢流式，回流式，此处采用溢流式标准式，隔板下部开有缸口。吸油管入口和回油管出口处应安装相 应精度的滤油器。 5 度，以增大出油口截面积，减慢出口处油流速度，此外，应使回油管斜切口面对箱壁，以利油液散热。当回油管排回的油量很大时，应使它的出口处高出油面，向一个带孔或不带孔的斜槽排油，使油流散开，一方面减慢流速，另一方面排走油液中的空气，减慢回油流速、减少它的冲击搅拌作用。 箱上各盖板、管口处都要妥善密封。注油器上要加滤油网防止油箱出现负压而设置的通气孔上安装空气滤清器。油箱内回油集中部分及清污口附近设置一些磁性块。 护保养，按 83 规定，箱底离地至少应在 150于散热、放油和搬运。箱底应适当倾斜，在最低部位处设置放油阀。按 83 规定，箱体上注油口的近旁必须设置液位计，滤油器的安装位置应便于拆装。箱内各处应便于清洗。 4尺寸油箱要加槽钢、筋条，以增加刚性。当压泵及其驱动电机和其他液压件都要装在油箱上时，油箱顶盖要相应的加厚。 - 13 - 壁涂一层极薄黑漆加强辐射冷却效果，铸造油箱内壁进行喷砂处理，不涂漆。 (如下图 箱简图 ) 14 - 成块简介 一个液压系统要使用很多执行元件，其中包括众多完成各种功能的液压阀，为简化液压系统结构，方便液压系统的管理和维修，通常将大部分液压阀集成起来。阀的集中主要有三种形式：块式集成、叠加阀式集成和插装式集成。 块式集成是将标准的板式阀及少量的叠加阀或插装阀装在集成块上组成基本回路，元件之间靠集成块上加工出的通道连接，块与块之间又有连接孔，以便将适当的回路 块叠积在一起成为所需要的系统。 叠加阀式集成以阀体自身作为连接体，同一通径的叠加阀，其油口和螺栓孔的大小、位置及数量都与相匹配的板式换向阀相同，只要将同一通径的叠加阀按一定次序叠加起来，再加上电磁换向阀或电液换向阀，即可组成各种典型的液压系统。叠加阀式集成的优点众多，但由于回路形式较少，通径较小，不能满足复杂的和大功率液压系统的要求。 插装阀是不同于滑阀的另一类液压控制阀的统称，其基本核心为插入元件，将一个或若干个插入元件进行不同的组合，并配以相应的先导控制级，可以组成插装阀的各种控制功能单元。而所谓的插装 式集成就是集成插装阀的一类阀集成形式。 在斗轮机的设计中，根据功能要求和系统特点，选择块式集成。 式集成特点 取适当的回路块叠积在一起，即可构成所需的液压系统。所以可简化液压装置的设计。 需要更改系统时，只需更换或增减单元回路块就能实现，所以灵活性大，便于更改设计。 艺简单，便于组织专业化生产，减低成本。 达或液压缸及蓄能器等的连接仍然采用管接头 和管道以外，各元件之间的连接都通过集成块上的通道，所以结构简单，便于安装，占地面积小，系统泄漏少，稳定性好。 统压力损失小，发热少，效率高。 成块的设计步骤 压力油、回油及泄漏油管路引到系统图的一边，然后按照 - 15 - 元件动作功能划分单元回路块，并标明每一单元回路块上安装的阀数，是否采用过渡板或专用阀，以及各阀之间油路连通情况。集成块应优先采用标准系列集成块单元回路，以减少设计工作量。集成块上元件安排要紧凑，块数要少，对 简单回路可用一个块体，当泵的出油口需串接单向阀时，也可采用管式单向阀。 按照液压元件轮廓尺寸及各油口位置预先制作元件样板，放在集成块各个有关视图上，安排合适的位置，简单回路也可以直接布置。 行设计集成块的要点 集成块体的油道孔，有二孔式、三孔式、四孔式及五孔式等多种设计方案，其中二孔式和三孔式应用广泛。二孔式采用 口两个公用油孔，用四个螺栓孔来接通泄漏油，二孔式结构简单，压力损失小。三孔式通道体有 P 口、 O 口和 L 口共三个公用油口，泄漏口 道较长，直径较小，加工较困难且工艺孔较多。四孔式通道体有两个泄漏油孔，布置在靠近元件的地方，故泄漏油道短，便于加工，但对设置其它孔道不方便，且不利于元件的布置。 d(确定 d= Q 流经孔道的流量（ L/ v 孔内允许流速，对压力油孔可取 v=()m/s， 对回油孔可取 v=()m/s 若取 1v 5m/s, 2v =2m/s, 则有： 1d d 1d 102d 20用泄漏油孔 10。 直接与阀相通的孔，通道体上的孔径与阀的孔径相同。 (1) - 16 - 油孔间最小壁厚一般不小于 8压力高于 进行校核。 (2)通道块的外形尺寸主要取决于其于所安装的阀的尺寸。 集成块通常采用 20号钢和硬铝制造，铸件不得有砂眼、气孔及缩松。 - 17 - 5 系统说明书 要性能参数 （ 1） 工作压力 P=16 2） 额定流量 Q=36L/ 3） 电机功率 N=15 4） 电机转速 n=1500 5） 外形尺寸 2163 1801 900 能说明 的启动，停止 ;系统压力、流量在允许范围内的任意调节 ;尾车俯仰缸在任意位置的停留 ;脱钩缸的脱钩和挂钩动作。 压（超载）保护，超温、超压或液位异常时报警 ;当环境温度过高或过低时对油液进行加温或降温。 作原理 电机 9启动后，泵 8开始向系统供油，此时各电磁阀均处于停电状态，泵供出的油经过电 磁换向阀 12的中位直接回油箱。当操纵开关处于“俯仰升”位置时，电磁阀 12右侧电磁铁通电，泵的来油经过单向阀 10、电磁阀 12、单向截流阀 14右侧的单向阀及液控单向阀 15 进入俯仰缸 16 的无杆腔使油缸伸出，有杆腔的油经过左侧单向截流阀 14 中的节流阀、电磁阀 12、溢流阀 13 回油箱。当操纵开关处于尾车“俯仰降”的位置时，电磁阀12左侧的电磁铁通电，泵的来油经过电磁阀 12 左侧单向节流阀 14中的单向阀进入俯仰缸16 有杆腔，同时打开液控单向阀 15，使无杆腔的油经液控单向阀、右侧单向节流阀中的单向阀、电磁阀 12、电磁溢流阀流 回油箱。 当操纵开关处于“脱钩”位置时，电磁阀 18右侧电磁铁通电，泵的来油经单向阀 10、电磁阀 12中位、电磁阀 18流入液压缸 17无杆腔，液压缸向上伸出完成脱钩动作 ;当操纵开关处于“挂钩”位置时，电磁阀 18左侧电磁铁通电，泵的来油经单向阀 10、电磁阀 12中位、电磁阀 19 中位流回油箱，从而使得液压缸与油箱相通，靠其自重使液压缸落回从而完成挂钩动作。 备工作 - 18 - 操作前检查油箱中油液情况，如不够应及时加油，所加的油必须与原来所用油的牌号相同，油液的污染度控制在 19/16内。 俯仰缸的压力调节：俯仰缸的压力调节依靠对左侧电磁溢流阀的调节来实现，调解时先使溢流阀的调压螺杆处于旋松状态，然后使液压泵供油，并使俯仰缸处于某一端的极限位置，逐渐拧紧调节螺杆，使左侧压力表的压力达到设定值，然后用螺杆上的螺母锁紧固定。 脱钩液压缸的压力调节：脱钩液压缸的压力调节依靠对右侧电磁溢流阀的调节来实现，调节方法和上述方法相同，使脱钩缸处于某一端的极限位置，逐渐拧紧调节螺杆，并观察右侧压力表的压力到设定值，然后用螺杆上的螺母锁紧固定。 2. 俯仰速度调节 尾车俯仰速度调节，可通过调节叠 加式双联单向节流阀中的节流阀来实现，该系统为出口节流调速，左侧节流阀调节上升速度，右侧节流阀调节下降速度，一般情况下应使俯仰下降速度略高于俯仰上升速度，且液压系统与主臂不振动为宜。 意事项 系统中泵的吸油口和总回油口均装有滤油器，以防止油液中的污染颗粒进入元件中使其损坏或影响系统的正常运行。一旦滤油器堵塞就会发出报警信号，这时必须停止操作，待清洗或更换滤芯后方可继续操作。 （ 1） 轴向柱塞泵 25 2） 电动机 3） 溢流阀 4） 电磁换向阀 4 5） 叠加式单向节流阀 6） 液控单向阀 （ 7） 单向阀 （ 8） 截止阀 9） 液位液温计 10） 空气滤清器 （ 11） 冷却器 - 19 - （ 12） 回油滤油器 1（ 13） 吸油滤油器 80 14） 加热器 （ 15） 压力表 16） 微型高压测压接头型号 50 （ 17） 管接头 压油管、压力表 18/（ 18） 回油管 22/（ 19） 吸油管 42/2 （ 20） 管路 无缝钢管 普通精度等级 （ 21） 高压软管 2（ 22） 软管接头 卡套式软管接头 1988 - 20 - 6 结 论 在本课题的研究条件下 ，本论文完成了尾车俯仰及脱钩液压控制装置的设计和改进工作，完成了包括原理图的比较设计、液压元件和参数的计算和选择、集成块和油箱结构的机械的设计以及液压站的总体布局设计。基于以上的研究和设计，可以得出如下的结论： 操作，成本较低，生产效率高，是散料货场实现对散料的堆取、输送和混匀操作的首选设备，亦可应用在码头、电厂、煤炭等行业。 作可靠性好。日常维护和管理工作易于进行，设备的维修和改进都比较方便，只需更改其中的两个阀集成块，即可实现系统功 能的改变或者升级。 尘较多，气温变化较大，工作环境比较恶劣，但是只要做好日常的维护保养工作，按说明书中的使用要求正确操作该系统，系统使用寿命仍比较理想。 良好的过载保护、超压保护，在油温较低或较高