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CHANGSHACHANGSHA UNIVERSITYUNIVERSITY OFOF SCIENCESCIENCE c)超高压液体式水泥混凝土路面碎切机液压元件布置图(1 号); d)零件设计图（若干，包含一张手工绘制图） 此任务书最迟必须在毕业设计开始前一周下达给学生。 课题完成后应提交的文件和图表（或设计图纸） 1.开题报告，不少于字； 2.设计计算说明书一本，不少于字； a)水泥混凝土路面的发展概况 b)水泥混凝土路面维修养护中常用机械设备其及存在的主要问题与解决方案 c)超高压液体式水泥混凝土路面碎切机工作原理及总体方案设计 d)超高压液体式水泥混凝土路面碎切机液压系统及元件布置方案设计 e)超高压液体式水泥混凝土路面碎切机电气系统与其它工作装置设计简介 f)结论及本设计尚存在的不足之处 3.相关英文资料及译文 4.设计图纸，折合零号图纸不少于三张 主要参考文献与外文翻译文件（由指导教师选定） 1.筑路机械设计手册何挺继等主编人民交通出版社2003.7 2.机械设计手册(共四册)化工出版社 3.沥青混凝土路面试验手册 4.电气工程设计手册 5.工程机械构造图册同济大学刘希平主编机械工业出版社 6.液压工程手册 7.英汉技术字典 8.其它的有关资料（图书馆、系资料室的有关杂志、图书和一些专题报导） 9.自己从 Internet 上下载一篇与毕业设计相关的英文资料 同组设计者 祖象欢、郭云飞、吴虎、张楠、何安、刘志远、王银星、王永杰 学生送交全部文件日期 学生（签名） 学生完成毕业设计（论文）阶段任务情况检查表 注： 1.此表应由指导教师认真填写。 2.“组织纪律”一栏应按长沙理工大学学生学籍管理实施办法精神，根据学生具体执行情况 ， 如实填写。 3.“完成任务情况”一栏应按学生是否按进度保质保量完成任务的情况填写。 4.对违纪和不能按时完成任务者，指导教师可根据情节轻重对该生提出警告或对其成绩降一等 级。 5.阶段分布由各院（系）自行决定。 时间第一阶段第二阶段第三阶段 内容组织纪律完成任务情况组织纪律完成任务情况组织纪律完成任务情况 检 查 记 录 教 师 签 字 签字日期签字日期签字日期 毕业设计（论文）工作进度计划表 注： 1.此表由导师填写； 2.此表每个学生人手一份，作为毕业设计（论文）检查工作进度之依据； 3.进度安排请用“”在相应位置画出。 序 号 毕业设计（论文）工作任务工作进 度 日程 安 排 周次1234567891011121314151617181920 1查阅资料，翻译英文文献 2毕业实习 3总体方案设计、计算 4绘制总图 5绘制系统图 6绘制零件图 7整理说明书 8准备答辩 9答辩 10 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 摘要 水泥混凝土路由于有整体强度高、承载能力大、使用寿命长等特点在公路使用越来越普遍。 而水泥混凝土路面的维护也越来越重视，而国内的养护机械技术水平相对落后。 本设计主要是研究液体式水泥混凝土路面碎切机结构的设计以及液压系统的详细设计计 算。通过分析水射流技术这一新型技术，它和传统的水泥路面切割方式相比有着比较大的优势。 本设计课题采用纯水切割水泥混凝土路面，其工作装置采用全液压系统，工作平稳而有效。这项 技术推广应用将会创建我国水泥混凝土路面维修的新局面。 关键词： 高压水 水泥混凝土破碎 液压 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 Ultra-highUltra-highUltra-highUltra-high pressurepressurepressurepressure waterwaterwaterwater brokenbrokenbrokenbroken concreteconcreteconcreteconcrete cuttingcuttingcuttingcutting machinemachinemachinemachine DesignDesignDesignDesign -Hydraulic-Hydraulic-Hydraulic-Hydraulic SystemSystemSystemSystem andandandand ComponentComponentComponentComponent LayoutLayoutLayoutLayout designdesigndesigndesign AbstractAbstractAbstractAbstract Cement concrete pavement due to the overall high strength, load capacity, long servicelife and more common in highway use. Cement Concrete Pavement maintenance is also increasing emphasis on. Domestic level of conservation is relatively backward mechanical technology. This design is to study the liquid-type cement concrete pavement structure broken cutting machine hydraulic system design and detailed design of thecalculation. Through theanalysis of water jet technology of this new technology and traditional methodsof cement road cutting has moreadvantages. Thedesign of the subject using purewatercutting of cement concretepavement, and its installations in the work of theentire hydraulic system, smooth and effective work. Promote theuse of this technology will create acement concrete road repair and maintenance of our new situation. KeyKeyKeyKeyWords:Words:Words:Words:High-pressure water;ConcreteCrusher; Hydraulic 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 目录 1 绪论 1 1.1国内外水泥混凝土道路的发展现状1 1.2 水射流切割发展情况1 1.3本设计的研究内容和意义3 2 水泥混凝土路面维修养护现状和养护机械设备及存在的主要问题 4 2.1 水泥混凝土路面的养护现状4 2.2水泥混凝土路面常见的破坏形式和相关的养护机械5 2.3超高压液体破碎的优点 7 3 超高压液体式水泥混凝土路面碎切机工作原理及总体方案设计7 3.1 总体方案设计 7 3.2高压水喷嘴位移控制 11 4 超高压液体式水泥混凝土路面碎切机液压系统及元件布置方案设计 12 4.1切割站液压系统原理 13 4.2液压系统设计 15 4.2.1明确设计依据进行工况分析15 4.2.2确定液压系统主要系数 18 4.2.3拟订液压系统图20 4.2.4液压元件的选择 21 4.2.5液压系统性能验算 24 4.2.6液压系统液压使用和维护25 4.2.7液压系统的维护及注意事项 26 5 超高压液体式水泥混凝土路面碎切机电气系统与其它工作装置设计简介 27 5.1电气系统设计原则和选取原件 28 5.2其他工作装置设计简介 28 5.2.1增压器设计28 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 5.2.2高压缸设计与校核 30 5.2.3润滑油加注油缸的选择 31 5.2.4油泵和驱动电机的选择 32 6 结论 34 参考文献 35 致谢 36 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第1页 共 36 页 1 绪论 1.1 国内外水泥混凝土道路的发展现状 近年来，随着国民经济发展突飞猛进， 我国公路事业发展迅速， 公路建设将从 2005 年的 1.92106km 扩大到 2010 年的 2.30106km，并向2.74106km 的目标前进，高速 公路将从 2005 年的 4.1104km 扩大到 2010 年的 6.50104km， 这有力地促进了公路交 通事业的发展1。而水泥混凝土路面结构形式自 20 世纪 90 年代以来在公路建设中得到 飞速发展，里程也增长很快，截止2002 年底，我国已经建成水泥混凝土公路达 13 万多 km。在我国，水泥混凝土高速公路具有得天独厚的资源优势，其在未来的经济建设中 将面临着高速发展的机遇，同时也为道路水泥的发展提供了良好的机遇。 在国外，美国已把国内 30%的高速公路建成了水泥混凝土路面；加拿大魁北克省 在加拿大水泥混凝土高速公路中约占 4%。在欧洲，比利时是使用水泥混凝土路面最多 的国家，约 50%的高速公路是水泥混凝土路面，绝大多数水泥混凝土路面使用现状达 到了设计要求。用水泥混凝土加铺旧路面在比利时也是常用的方法，特别是德国的水泥 混凝土路面表现出非常卓越的长期使用性能。 中国目前仍是一个发展中国家，经济不发达，地区发展不平衡，基础设施建设较发 达国家仍有一定的差距，尤其是交通基础设施方面。在目前的情势下，发展交通基础设 施，应选择造价低、性能好、比较符合我国国情的道路建设方式。由于我国沥青资源有 限，含腊量较高，用于重交通的道路石油沥青大量依赖进口，因而沥青混凝土路面造价 相对较高。与沥青相比，我国水泥的资源及供应状况非常充裕，无需进口，据统计，我 国现有水泥产量达 10 亿吨以上，而且水泥混凝土高速公路最著名的优点之一就是它的 卓越的耐久性和更大的承载力，比较适合我国国情2。因此，在我国的高等级公路中， 水泥混凝土路面（高速公路和一级公路）约占 25%，二级以下公路所占比例约为 40%。 1.2 水射流切割发展情况 19 世纪中叶，在北美洲第一次用水射流开采非固结的矿床。20 世纪 50 年代初，前 苏联和我国用水射流进行采煤（称水力采煤）。随着水力采煤技术的推广，人们认识到 提高水的压力可以显著地提高水射流落煤效果。于是人们开始研究高压力源 （高压泵和 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第2页 共 36 页 增压器）和高压脉冲射流（俗称水炮）。进入 20 世纪 60 年代，大批高压柱塞泵和增压 器的问世大大推动了水射流的研究工作。当时，部分学者片面认为水射流的压力越高越 好，日本研究出 170MPa 的增压器，前苏联和美国研究出 560Mpa 的脉冲射流发生器。 到 20 世纪 70 年代末，水射流技术出现一个新的转向，即从单一提高射流压力转向研究 如何提高水射流的威力，开始出现了高频冲击射流、共振射流和磨料射流3。进入 20 世纪 80 年代，磨料射流、空化射流、气水射流和自振射流的发展，把水射流技术推向 一个新的阶段。如用磨料水射流精密切割金属板材、合金钢、硬质合金、玻璃和陶瓷， 已在工业中推广应用，它与激光束、电子束和等离子切割，合称现代工业切割的四大高 新技术。同时，各国学者也开始对各种射流的基础理论和切割机理等方面进行研究。水 射流切割技术的应用也由采矿扩大到航空、建筑、建材、交通运输、市政建设、化工、 机械、轻工业等领域。水射流作为一种良好的切割、破碎和清洁工具，已被人们所公认 。 一大批水射流切割机、采煤机、掘进机、打桩机和清洗机已进入市场。 在美国以及一些欧洲国家， 超高压和大功率的水射流式混凝土破碎机械已经应用于 混凝土结构的切割和破碎、隧道施工、荒料开采等领域。应用情况表明，采用水射流法 切割或松动混凝土材料时，不会损坏相邻的材料。由于高压水射流优越的切割性能，以 及我国高压水射流技术近二十年来的发展， 可以相信该项技术一定会在我国高等级水泥 混凝土路面养护领域中得到广泛的应用和推广。 现今最一般使用的高压水切割介质都含有磨料。事实上，通过水的高压喷射和磨料 的磨削作用，加速了切割的过程的完成。 含磨料的高压水切割一般用来切割金属，玻璃，石头和陶器，而不含磨料的高压水 切割一般用来切割的材料如橡皮，木材或地毯材料等。 高压水射流切割原理是：经净化后的水，进入水高压发生装置，将水压提高到一定 压力后，经过控制阀送到喷嘴，形成能量高度集中的高速射流束（射流在喷嘴出口速度 一般超过音速） ，即可对材料进行切割。高压水射流的切割机理，使其具有以下特点3： （1）由于高压水切割压力高（数十兆帕至几百兆帕） ，喷嘴直径（0.12.5mm）小 ， 能量高度集中，因此切割反力小，只有十几公斤，便于切割过程中的自动控制。 （2）高压水射流冲击到切割件表面时，会在滞止点（射流中心线与被切割平面的 交点）及其附近产生很高的局部传热率，使得被切割件的温度升高很小，切口中（包括 切割面）的温度低于 100。因此在高压水射流切割过程不会产生热变形和热影响区， 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第3页 共 36 页 从而不会改变被切割材料的性能。 （3）高压水射流切割切口宽度较小，因此可以提高被切割材料的利用率。 （4）由于高压水切割为非接触式切割，因此被切割材料对切割刀具无磨损。 水射流技术作为一门新兴的技术，其发展十分迅速。现在已从单一的纯水射流发展 到多种型式的新型射流，如：气蚀水射流、磨料水射流等。气蚀水射流5切割是指气蚀 水射流到达被切割材料的表面时，包含在水射流中的气蚀空泡溃灭，结果产生一集中在 被切割材料表面非常微小面积上的极高的压力。 正是由于这种气蚀空泡的爆破压力和高 压水射流的冲击压力的联合作用，使得材料被切割。与一般的纯水射流相比，在相同的 工作压力下，气蚀水射流具有较高的切割效率。目前，国内外关于气蚀水射流最典型研 究工作有淹没气蚀水射流、中心体式气蚀水射流、和射流泵式气蚀水射流等。 磨料水射流是磨料粒子与高速流动的水束互相混合而成的液固两相介质射流。 在磨 料水射流中，水射流作为载体使磨料通过混合管加速，极大地提高了射流的功率密度。 当载有较大动能的磨料水射流喷射到被切割材料表面时， 若所产生的冲击力超过被切割 材料的抗压强度，材料就能被切割。 这些新型射流与纯水射流相比，在相同的工作压力下具有较高的切割效率。但是这 些新型的水射流切割技术，设备复杂，成本较高。纯水射流切割效率相对较低，但其设 备简单，同时不存在磨料回收问题。因此，目前纯水射流切割依然广泛应用于采矿、混 凝土破碎等领域 1.3 本设计的研究内容和意义 水泥混凝土路由于有整体强度高、承载能力大、使用寿命长等特点，在修建公路及 告诉公路中越来越受到人们的青睐，但它在产生路面病害后维护修理工作难度大的缺 点。 如果路面局部出现损害后如何快速整齐切割病害处而不损坏周边良好路面是迫在眉 睫的难题。近年来，有许多专家学者试图解决水泥路面维修问题，如使用冲击器破碎、 锯片切割、重锤砸板等方法，但事实证明，这些方法在环保要求、维修质量、能量利用 等居多方面存在问题。如冲击器破碎、重锤砸板以及锯片切割，不仅产生无法忍受的噪 音、飞扬的尘土，而且冲击器破碎、重锤砸板对本来完好的混凝土路面产生微裂纹而加 剧混凝土路面的损坏，锯片切割时由于剧烈磨损，导致成本大幅度提高。事实证明，这 些传统的维护方法在环保要求、维修质量、能量利用等居多方面都存在问题，因此必须 寻找更好的方法来维护水泥混凝土路面。 本文试图从理论上研究超高压水射流与旧混凝 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第4页 共 36 页 土路面相互作用的原理与效果，力图探索一种适应于水泥公路维修的新方法。 在这种新的理论指导下形成的新技术将产生巨大的社会、经济效益。公路是我国国 民经济的命脉，而水泥混凝土路面在我国公路网中占据了相当大的比重，尤其象我国南 方这样的多雨地区。这是因为水泥混凝土路面寿命相对较长，雨天不透水、不晃光、不 泥泞。而且我国水泥产量居世界首位，其价格较低，所以在我国修建路面是最适合不过 了。但由于缺乏高水平的水泥路面养护机械，当路面产生病害后不能快速高效地维修损 坏的路面，影响公路运输的畅通，对于保障国民经济的快速发展产生负面影响。因此近 年来，许多地区因此不得不舍弃了水泥路面，而改用进口沥青修筑沥青混凝土公路。据 统计，现在使用进口沥青修筑的公路较用水泥修筑的公路造价高 35%40%，即每公里 公路造价高出 200 万元以上4。试想一下，若能找到一种合适的方法养护水泥路面，我 国每年新修筑的数千公里路面就可以采用水泥路面，每年节约的资金将是十分巨大的。 所以本研究将产生巨大的经济效益。 同时减少进口沥青而使用国产水泥对于拉动国民经 济的持续高速发展也具有重大的意义，因此本研究还具有重大的社会效益。 其次，本项目突破了水泥混凝土路面的传统维修方法，摈弃了机械式破碎设备进行 路面破碎带来的负面影响。 而用高压射流理论破碎水泥混凝土路面， 它的工作介质是水 ， 所以它具有高效、节能、无污染、易操作的特点，而且工作装置与混凝土之间不存在机 械接触，所以不存在磨损，减少了更换工作装置的时间，提高了效率，降低了维修成本 。 本新技术还可保证维修路面的质量。质量就是最大的效益。引入这种新技术维修公路， 延长公路的使用寿命，对于减少公路的维修费用、提高公路网的营运经济效益具有重要 意义。而保证我国国民经济命脉的畅通，对于保障国民经济的快速发展所产生的经济效 益和社会效益就更加巨大。 2 水泥混凝土路面维修养护现状和养护机械设备 及存在的主要问题 2.1 水泥混凝土路面的养护现状 在国外， 一些欧美先进工业国家就水泥混凝土路面在高速公路路面结构中占有较大 比例，这些国家在公路养护方面积累了许多经验，并制定了相应的管理规范。如德国公 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第5页 共 36 页 路养护机械化今年发展很快，主要养护项目基本上都实现了机械化，高速公路养护站一 般都装备有 UNIMOG 综合养护车、路面清扫车、涵洞清淤车、冬季综合养护车、管道 清洗车、路面清扫车、大型除草机、桥梁检测车、标志维修车及有关维护和再修路面的 大型机械。 这些高速公路网发达的国家养护工作机械化程度很高、技术设备先进，大大减轻了 养护工人的体力劳动，同时使养护质量得到充分保证。由此可见，研究新型的养护机械 在未来养护工作中占据重要的地位 目前，我国公路养护机械化日益得到人们的重视，大中型养护作业中引进了一些国 外先进的养护施工机械，国内的饿养护机械正在向话、标准化方向迈进，但总的看来还 存在一些问题5： （1）发展不均衡。在地域分布上，一般是经济发达地区机械化程度较高，边远地 区较差。在组成结构上，路面养护机械少于路面工程机械，日常养护机械少于大中型维 修工程机械。 （2）技术水平低。一方面，产品的质量和性能还比较差，产品品种规格少；另一 方面，没有形成规模化生产，制造工艺落后，成本高，售后服务水平低，除汽车，摊铺 机，拌和等主要设备生产厂家较固定外，其他中、小型养护机械多为各省自行研究，技 术难以过关，标准化程度低，通用性和配套性差 （3）管理不配套。对公路的养护机械的购置，更新和配套设施的建设没有一个明 确的投资比例和投资渠道，原有的小道班养护已经不适应机械化养护的要求。公路养护 定额无法保证机械的使用费，使得先进养护机械不能普遍应用。 以上原因造成了高速公路机械化养护中机械利用率低，养护成本相应提高，投资效 益不明显，也造成了先进的养护机械无法引进，落后机械养护工作的不足摆在眼前。 实际上使用先进的技术和设备，延长公路的使用寿命，所带来的经济效益或者损失 远大于公路工程的修建费用。 2.2 水泥混凝土路面常见的破坏形式和相关的养护机械 水泥路面常见的损坏形式有：板块裂缝与折断，板块边缘角隅破损，板块垂直错台 与拱起，板块表面磨损与麻面等。水泥路面维修常用的工艺有：扩缝、清缝、灌缝，凿 孔、切槽、搅拌、摊铺、振捣、拉毛、钻孔、顶升，破碎和翻修等。水泥路面常用的维 修机具有：破碎机、凿岩机、高压水清洗机、切缝机、封层机、水泥搅拌机、振捣器等 。 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第6页 共 36 页 相关的养护机械： 破碎机。在较长一段时间里， 人们曾利用液压挖掘机的破碎器 （俗 称液压破碎锤）和落锤式水泥路面破碎机对旧水泥路面板块进行破碎。但由于它们作业 速度慢、效率低，业已被液压多锤头破碎机所代替。 液压多锤头破碎机由两部分组成：前半部分为动力装置柴油机和液压系统；后半部 分工作装置破碎系统中间设有两排各 3 对锤头，两侧各有一对翼锤。柴油机驱动液 压泵，液压泵为液压缸提供压力油。液压缸的往复运动带动各锤头交替地锤击水泥板块 并使其破碎。每对锤头提升高度可独立调节。液压多锤头破碎机的作业宽度可达 4m/ 次，工作速度可达 62.5m/h5。 上述冲击压实机和多锤头破碎机均存在振动噪声大，工人劳动强度大，碎块尺寸大 且不均匀，需要多次重复作业、效率低等缺点。特别是不均匀的碎块作为基层使用，难 以避免新路面反射裂缝的产生，使其实际使用受到很大限制，甚至有的国家如美国已禁 止使用重锤冲击式破碎工艺来修复水泥路面。 20 世纪末，美国 RMI 公司成功研制了共振式破碎机。 共振破碎原理是共振式破 碎机是利用振动梁带动工作锤头振动，其频率约 44Hz、振幅为 20mm。锤头与水泥板 接触，通过调节锤头的振动频率使其与水泥板块的固有频率成整数倍时，激发其共振， 将水泥板块破碎。安装在工作锤头 2 上的专用传感器感应水泥板块的振动反馈，由控制 器自动调节工作锤头的振动频率，并搜寻水泥板块的固有频率。当两者发生共振时，水 泥板块因内部颗粒间的内摩擦阻力迅速减小而崩溃破碎。 共振式破碎机可同时控制 水泥板块的碎块粒径和破碎深度。 由于共振式破碎机工艺合理、自动控制工作参数，因此具有如下的特点： （1）碎块尺寸理想、均匀。由于共振破碎力发生在整个水泥板块厚度范围内，能 使工作锤头下方的水泥板块均匀破裂。通过微调振动频率，可以使碎块粒径达到 8 20cm 的理想尺寸。此外，破碎后的水泥面层，其上部粒径较小、下部的较大，不仅可 有效地阻止新铺筑的路面的反射裂缝的产生，而且提高了路基的承载能力。 （2）由于破碎深度可以控制，可以保持路基结构及其内的管线设施完好无损。 （3）振动噪声污染轻，施工适应范围大。由于共振式破碎机使用的高频低幅振动 波衰减速度很快、传递范围小（23m） ，因此不影响道路下方及周围的结构物和设施， 可适用于水泥路面的公路、机场、港口、城市道路等修复工程。 （4）破碎深度大，施工效率高。通过调节振动频率和振幅，共振式破碎机作业深 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第7页 共 36 页 度可达 66cm、每天可完成 2000m 或近 6400m 的破碎作业量，并且由于单车道作业， 可以不中断交通6。 2.3 超高压液体破碎的优点 水泥混凝土路面的维护采用传统的维修方法，如冲击器破碎、重锤砸板以及锯片切 割。不仅产生无法忍受的噪声、飞扬的尘土，而且冲击器破碎、重锤砸板对本来完好的 混凝土产生微裂纹而加剧混凝土路面的损坏，锯片切割时由于剧烈磨损，导致成本大大 提高。事实证明，这些传统的维修方法在环保要求、维修质量、能量采用等方面都存在 问题。为了突破传统维修方法，消除机械式破碎设备进行路面破碎带来的负面影响。我 们利操作的特点，尤用高压水切割，高压水切割不仅没有上述设备的缺点，而且具有高 效、节能、无污染、易其，没有和混凝土接触，磨损大大降低，因而成本大大减少。 采用高压水切割具有以下特点：不存在刀具变钝问题，永远“锋利” ；无灰尘、 噪声小、不污染环境；材料是水，不产生二次污染；在切割钢筋、混凝土时，只要压力 调整适当，可以只切割凝固的水泥而保持其中钢筋完好无损；与冲击破碎相比，利用高 压水拆除坏混凝土时，不会在保留部分中生产裂纹。 3 超高压液体式水泥混凝土路面碎切机工作原理 及总体方案设计 根据绪论的高压水射流理论分析，我们可以得出结论，在纯水压力达到 200MPa 左右的时候，切割水泥混凝土能取得比较好的效果。我们设计水切割工作站的工作压力 取 200MPa，最高压力取 250MPa7。同时考虑切割轨迹的控制应该实现任意形状切割， 并且切割喷头应该有足够的行程。 3.1 总体方案设计 基于高压水压力和高压水喷嘴位移控制的方面的考虑， 整个水切割工作站主要为两 部分组成， 第一部分是高压水发生装置及液压系统， 在这一部分中， 核心部件为增压器 。 低压水被潜水泵泵送到增压器中，运用液体增压原理，通过增压器中活塞的往复运动， 将动力源（电动机）的机械能转换成压力能，从而形成压力极高的高速水射流。 这一部分除了包含产生高压水的装置增压器之外， 还有提供增压器工作液压油和切 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第8页 共 36 页 割喷嘴控制液压油的泵及其提供原动力的电机，以及控制元件，比如各个换向阀、单向 阀、调压阀等等。另外整个低压水供应系统及其液压系统的各个辅助元件元件，比如水 箱、潜水泵、油箱、冷却器、过滤器和各种仪表，增压器的润滑油加注系统，包括液压 缸、 手动控制阀， 高压水射流压力脉动控制元件本设计中为蓄能器， 也设置在这一部分 。 这样使得切割平台部分的装置尽量的简单化，提高了切割运动喷嘴运动控制的可靠性， 教易于达到良好的切割效果。 切割站另外一个主要的组成部分是切割平台，这是工作站的切割实现部分，主要是 切割基座、切割喷嘴、以及对切割喷嘴水平和垂直共六个方向的控制系统构成，增压装 置所产生的高压水通过高压水管向切割平台的工作装置及高压水喷嘴提供工作水流， 喷 嘴控制系统控制喷嘴的移动方向及其速度，从而完成任意形状的切割。在这一部分中， 具有极大压力能的高压水，通过高压水喷嘴高速流出，压力能转化为动能。作为工作装 置的高压水喷嘴， 在切割平台上要满足水平和垂直六个方向的自由移动， 分别是前、后 ， 左、右和上、下。在水平方向 X 向和 Y 向上，由于在水平面两个方向高压水喷嘴的移 动范围比较大，而且工作不连续，间歇性比较强，所以拟采用液压马达驱动链条来控制 高压水喷嘴的水平位移。在垂直方向上，即上下两个方向上，由于行程比较短，而且对 移动精度要求比较高，拟采用液压缸来控制。 两个主要组成部分独立安装，其间通过液压油软管和高压水软管相连。液压油从第 一部分中由柱塞泵从油箱中泵出， 作为控制用油经过换向阀和液压油软管向控制切割喷 嘴位移的两个马达和液压缸输送。高压水则是从蓄能器中输出，作为工作高压射流经过 高压水软管向切割喷嘴输入，从而完成指定形状的切割。 高压水切割站的整体布局示意图（俯视）如图 3.1 所示。 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第9页 共 36 页 图 3.1 切割站布局俯视图 整体布局示意图（主视）如图 3.2 所示。 3.2 切割站布局主视图 水切割工作站的第一部分，即高压水发生装置及液压系统外观如图 3.3 所示： 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第10页 共 36 页 图 3.3 高压水发生装置及液压系统外观 水切割的第二部分，即切割平台外观如图 3.4 所示： 图 3.4 切割平台外观 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第11页 共 36 页 3.2 高压水喷嘴位移控制 在本切割站中，作为工作装置的高压水喷嘴，在切割平台上要满足水平和垂直六个 方向的自由移动，分别是前、后，左、右和上、下。在水平方向 X 向和 Y 向上，由于 在水平面两个方向高压水喷嘴的移动范围比较大，而且工作不连续，间歇性比较强，所 以拟采用液压马达驱动链条来控制高压水喷嘴的水平位移。在垂直方向上，即上下两个 方向上，由于行程比较短，而且对移动精度要求比较高，拟采用液压缸来控制。 链条传动无弹性和打滑现象，传动效率比较高，同样条件下，链条传动比带传动的 径向压力小，而且结构较之简单，能在较低的速度下平稳运行。与齿轮传动相比，制造 和安装精度比较低，成本低廉，远距离传动时，结构比齿轮轻便很多。液压马达通过减 速器减速，带动链轮，通过链条来驱动导轨上的高压水喷嘴8。 估算喷嘴与喷嘴支架重量 100Kg，导轨摩擦因数为0.20.3（钢与铸铁、无润滑）， 喷嘴移动时候摩擦力fmax1000.3g300N。快速定位，即工作站处于非切割状态时， 喷嘴水平移动速度V设计为10001500mm/min， 此时， 链轮最大线速度为1500mm/min， 最大角速度为 1500/（2*D/2） （r/min）即可，其中 D 为链轮直径。 液压马达按其额定转速分为高速和低速两大类，额定转速高于 500r/min 的属于高 速液压马达，额定转速低于 500r/min 的属于低速液压马达。 高速液压马达的基本型式有齿轮式、螺杆式、叶片式和轴向柱塞式等。它们的主要 特点是转速较高、转动惯量小，便于启动和制动，调速和换向的灵敏度高。通常高速液 压马达的输出转矩不大（仅几十 NM 到几百 NM） ，所以又称为高速小转矩液压马 达。 低速液压马达的基本型式是径向柱塞式，例如单作用曲轴连杆式、液压平衡式和多 作用内曲线式等。此外在轴向柱塞式、叶片式和齿轮式中也有低速的结构型式。低速液 压马达的主要特点是排量大、体积大、转速低（有时可达每分种几转甚至零点几转） ， 因此可直接与工作机构连接，不需要减速装置，使传动机构大为简化，通常低速液压马 达输出转矩较大（可达几千 NM 到几万 NM） ，所以又称为低速大转矩液压马达3。 依据以上分析，可知液压马达通过链条传动水平拖动高压水喷嘴，功率和负荷都比 较小，宜选用高速小转矩液压马达与大减速比的减速器组合。 液压马达选用上海东方液压元件厂的 BMR80 型齿轮泵，其基本参数：额定转速 620r/min，额定压力 10Mpa，额定转矩 95Nm。 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第12页 共 36 页 减速器选用杭州萧山机械厂生产的 WPS100 涡轮减速器，减速比为 60。安装尺寸 如图 3。4 所示： 图 3.4 减速器安装尺寸 减速器的各参数如表 3.1 所示： 表表 3.13.13.13.1 减速器参数减速器参数 对于喷嘴液压缸的选择，由于高压水喷嘴的质量不大，液压缸的负载很小，所以选 用轻型的拉杆型液压缸即可满足控制要求。拉杆型液压缸结构简单，制造和安装都比较 方便，低速性能好。缸筒是用内径经过研磨的无缝钢管半成品，按行程要求的长度切割 15。端盖和活塞均为通用件。 在高压水喷嘴位移的每个方向极限位置，都设有行程开关，可以控制喷嘴的过 量位移。对于两个马达和喷嘴液压缸的控制，分别设置了三个三位四通电磁换向阀，可 以独立的控制每个油路，从而完成对喷嘴指定位置和指定运动轨迹的控制。 4 超高压液体式水泥混凝土路面碎切机液压系统 及元件布置方案设计 减速比AABBBBCCHLLMNE 入力轴出力轴重量 S UTVS SWYG 6022905469003450906055 05845 81055 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第13页 共 36 页 4.1 切割站液压系统原理 水切割工作站液压系统原理图如图 4.1 所示，主油路液压油由 6.1，6.2 两个油泵合 流泵送，经由三位四通电液换向阀 31 向增压器 38 供油。当阀 31 处于左位，A 路为进 油口，B 路为回油口，此时增压器 38 中活塞被液压油推动，向右侧移动，压缩右侧增 压缸中的工作介质。当阀31 处于右位时，A 路为出油口，B 路为回油口，此时增压器38 中活塞由于液压油作用，向左侧移动，压缩左侧增压缸中的工作介质。 如果将此高压工作介质直接送到喷嘴，那么喷嘴出来的射流压力将会是脉动的， 而 且这对管路系统产生周期性振荡，为获得稳定的高压水射流，常在增压器和喷嘴回路之 间设置一蓄能（恒压）器50，消除水压脉动，达到恒压之目的，控制脉动量在 5之内。 在此切割工作站中，工作介质为不加磨料的纯水。纯水由水泵 04 从水箱 03 中抽入 左右两侧的增压缸内8。由于每端两个单向阀的设置，纯水不可回流，在增压器活塞的 高速往复冲击下，低压水压力迅速升高，逐渐达到设计所需压强。高压水流经过高压水 管流向蓄能器 50。 增压器的润滑油的添加由油缸36来完成， 三位四通手动换向阀30控制油缸的伸缩 ， 从而控制润滑油的添加。油泵 6.1 和油泵 6.2 向润滑油添加油缸 30 提供液压油。 高压水喷嘴作为工作装置，要满足前、后，左、右和上、下六个方向的运动。在水 平面方向，即前后左右四个方向，由液压马达带动的链传动控制。两个液压马达的工作 用油由独立的变量泵 22 提供。两个三位四通电磁换向阀 32。1 和 32。2 分别独立的控 制两个同样独立的液压马达。电磁换向阀处于不同的工作位置，可以控制马达不同的转 向，从而控制喷嘴的水平面四个方向的移动。 高压水喷嘴在垂直方向，即上下方向的运动是由喷嘴油缸 37 来实现的。液压油由 油泵 22 抽出，经过三位四通电磁换向阀 34，向喷嘴油缸37 供油。当换向阀 34 处于左 位时，油缸37 上腔进油，喷嘴下落，向下运动。反之当换向阀34 处于右位时，油缸37 下腔进油，喷嘴升起，向上运动。由于高压水切割的特性，当喷嘴远离工作面的时候， 即水射流变长，水压力会急剧减小，对垂直运动行程要求并不大，而对于控制精度，则 比水平方向的要求严格。所以舍弃链传动，而用油缸来控制喷嘴的上下运动，以更好的 把握喷嘴与工作面的距离。 在增压器油路中， 油泵6.1 和油泵 6.2 出口处设置了溢流阀 25， 在切割平台油路中 ， 油泵 22 出口处也设置了溢流阀 26。在控制高压水喷嘴移动的三个油路中，都各自设置 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第14页 共 36 页 了单向节流阀，分别是单向节流阀 33.1，单向节流阀 33.2，单向节流阀 35。 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第15页 共 36 页 图 4.1 液压系统原理 4.2液压系统设计 4.2.1 明确设计依据进行工况分析 4.2.1.1 设计依据 一、主机的结构和总体布局 水泥混凝土碎切机主要有以下几个部分：汽车底盘（选用 12吨汽车吊底盘） ，水箱 及垃圾箱，高压水泵，工作装置，泥水的抽吸装置以及联系这些装置的液压系统。 水泥混凝土碎切机碎切装置安置在汽车底盘的尾部，碎切装置靠一液压执行元件 （油压缸）实现沿车身方向的移动，碎切装置靠一螺杆系统实现垂直车身的纵向运动。 为减小液压油缸的负载弯矩，泥水抽吸装置上的真空泵，高压水泵及带动高压水泵 的泵，马达等均安置在车身的后部。对于体积，重量较大的水箱及垃圾箱，安置在车身 中前部。 二、机器对性能的要求。 （1）机器对运动方式和精度要求，水泥混凝土碎切机是停车作业类机械，其运动 方式主要是车后部切碎装置的运动， 而车后部切碎装置运动包括油缸沿车身方向的横向 运动（要求恒定在 150mm/min） ，以及切碎装置沿纵向速度为 150mm/min 的运动。这 就要求油缸直进，返回速度为 150mm/min，螺杆带动碎切机速度为 150mm/min，其运 动速度应在 150mm/min 左右。 （2）控制方式，水泥混泥土控制方式主要是对液压系统的控制，以实现碎切装置 的运动，液压系统主要是手动式。 （3）驱动方式，碎切机的动力源是 16 吨汽车吊底盘车的内燃机，该内燃机输出功 率从取力器分出给碎切系统。 三、液压系统使用条件和对环境的影响 机器在室外工作，振动较大，对环境污染不大，但噪音较大。 4.2.1.2负载分析及负载循环图 负载分析是研究一部机器在工作过程中，其执行机构的受力情况。对本液压系统来 说，也就是液压缸或液压马达的负载随时间变化的情况。 一、液压缸的负载及其负载循环图 横向运动的液压缸 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第16页 共 36 页 启动时F= Fe+Ff+Fi 其中Fe =0， Ff =s （G+Fn） ，Fi=GV/gt G 取 60KG，Fn 取零， V/t 取 1m/sss=0.13 则F=810N 横速阶段F=90N 制动阶段F=Ff- GV/gt=-690N 二、 高压马达的负载及其负载循环图 工作机构旋转运动时，液压马达必须克服的负载力矩 M=Me+Mf+Mi （1）工作负载力矩 Me 由高压水泵输入决定，取 Me=420NM （2）摩擦力矩 Mf=GR 取 G=12。5KN，s=0。2，d=0。08， R=0。1 Mfs =sGR=250nm Mfd=dGR=100nm （3）惯性力矩 Mi=J/t=（GD）*（GD）n/ 375t 设加减速时间为 5 s，设其负载为一飞轮，外径 D=1M，宽度=200mm 轴颈半径 R=100MM，G=12。5kn。 查 机械设计手册 GD*GD=6200nmm Mi=4960nm 故启动阶段 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第17页 共 36 页 M= Mfs+Me+ Mi =5630 NM 匀速阶段 M=Me+ Mfd=520NM 减速阶段 M= Mfd-Mi=-4860 NM （） 4.2.1.3 运动分析及运动循环图 该机器碎切装置行进一个周期，走出一个宽 2 米，长 3 米的矩形，如图 （1）位移循环图 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第18页 共 36 页 （2）速度循环图 （3）负载循环图 4.2.2 确定液压系统主要系数 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第19页 共 36 页 系统压力选定后，液压缸主要尺寸或马达的排量即可确定，接着就可根据液压缸的 速度或液压马达的转速确定其排量。 一、 初定系统压力 考虑到阀的选用性，及性价比，初定高压系统压力为 21MPA，低压系统压力为 11MPA。 二、 计算液压缸尺寸及液压马达排量 1. 液压缸主要尺寸 A 横向行走油缸 A1=2A2 ，背压 P2=0.5MPA，P1=4MPA P1*A1-P2*A2=F/0.95 由此解得 缸径 D1=16MM B 喷头固定油缸 A1=2A2 ，背压 P2=0。5MPA，P1=4MPA P1*A1-P2*A2=F/0.95 由此解得 缸径 D1=14MM C 转向油缸设 F=1。2KN P1*A1-P2*A2=F/0.95 忽略 P2*A2 由此解得 缸径 D1=20MM 2. 计算液压马达的排量 A-高压液压马达的排量 Qm=6。28M/P*0.94=162.2L/r 其中 M=620NM， P=P1-P2=21-1=20MP B 带动螺杆的液压马达排量 Qm=6。28M/P*0.94=75ML/r 据马达需输出力矩 M=45NM P=P1-P2=4MPA C 带动真空泵的马达 要求 P=4MPA，n=1500r/min 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第20页 共 36 页 取压力为 5.5MPA Qm=4000*60/（1500*0.0000006）=27ML/r 三、 计算液压缸，液压马达的流量 1 液压缸 A 横向油缸 Qmax=A Vmax=780ml/min B 喷头油缸 Qmax=A Vmax=552ml/min C 转向油缸 Vmax 取 500mm/min Qmax=A Vmax=246ml/min 2 液压马达 A 高压马达 Qmax= Qm nmax=240l/min B 带动螺杆马达 Qmax= Qm nmax= 6.01L/min C 带动真空泵 Qmax= Qm nmax=40.5L/min 4.2.3 拟订液压系统图 这一步分两步：1.选择基本回路；2.把基本回路组成液压系统。 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第21页 共 36 页 1 2 3 4 5 6 7 8 9 13 10 11 12 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 4.2.4液压元件的选择 一、液压执行元件的选择 1 液压缸 名称：横行行走油缸型号： HSGL-80/40AE 喷头固定油缸Y-HG1E40/22 转向油缸SG1-D25*320SL 2 液压马达 名称：高压马达型号：ZM160 螺杆驱动马达YMC-10 真空泵驱动马达YM-A28B-*L 超高压液体式水泥混凝土碎切机设计 液压系统及元件布置方案设计 第22页 共 36 页 二、液压泵的选择 1 确定液压泵的工作压力 A 主泵工作压力 Pp=P1+P P 取 0.5MPA Pp=P1+P=21+0.5=2.5MPA B 副泵工作压力 P 取 0.5MPA Pp=P1+P+P2=4+5.5+0.5=10MPA 2 确定液压泵