（机械电子工程专业论文）重庆轻轨换轮库液压系统的设计与分析.pdf

重庆人学硕士学位论文中文摘要 摘要 液压传动作为现代l j k 中普通采用的三大传动方式之一，对其研究具有重要 的意义，由于它具有结构紧凑、传动平稳、输出功率大和易于实现无级变速及自 动控制等优点，所以发展很快。 本文较为系统的设计和分析了重庆轻轨换轮库液压系统：从换轮库转向架的 总体结构出发，根据机械结构和环境对系统的要求，拟定液压系统草图，具体比 较优化各执行部分回路，计算并选出各液压元件，最后的得出合理而实用的液压 系统原理图。在此基础上，给出系统动作顺序图并作具体说明。 同时，本文对系统可能出现的问题：泄漏、发热温升和液压冲击等，进行详细 地分析，提出解决办法。并合理的提出安装技术要求。最后对系统的核心和关键 部分一比例位置控制系统进行数学建模和静态特性分析，从理论上解决了该位置 控制系统的可行性和可靠性问题。通过实际调试和使用，证明理论分析正确，达 到预期效果。因此，本文具有较大的理论和实际参考价值。 关键词：液压传动，泄漏，液压冲击，比例位置控制系统，数学建模 重庆人学硕七学位论文 英文摘要 a b s t r a c t h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td r i v e m o d e l si nm o d e m i n d u s t r y i t ss t u d yi si m p o r t a n ti np r a c t i c e b e c a u s eo f i t sm e r i t s ，w h i c hi n c l u d ec o m p a c t s t r u c t u r e ， s t a b l e t r a n s m i s s i o n , h i g h p o w e ro u t p u t ， c o n v e n i e n t a c h i e v i n g c v t ( c o n t i n u o u s l y v a r i a b l e t r a n s m i s s f o n ) a n d a u t o m a t i c c o n t r o l ，t h e h y d r a u l i c t r a n s m i s s i o nd e v e l o p s q u i c k l y a tf i r s t ，t h eh y d r a u l i cs y s t e mo ft h ec h a n g e w h e e lg a r a g eo nc h o n g q i n gl i g h tr a i l i ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e da n d d e s i g n e di nt h i sp a p e r a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt ot h e g e n e r a ls t r u c t u r e o ft h eg a r a g e b o g i ea n dt h er e q u i r e m e n t so ft h ee n v i r o n m e n ta n d s t r u c t u r e ，ie l i c i tt h es k e t c hm a po ft h eh y d r a u l i cs y s t e mi nt h i sp a p e r a f t e rc o m p a r i n g a n do p t i m i z i n gp e r f o r mc o m p o n e n t s ，c a l c u l a t i n ga n dc h o o s i n gh y d r a u l i ce l e m e n t , t h e a p p l i e da n d r e a s o n a b l eh y d r a u f i cs y s t e ms c h e m a t i cd i a g r a mi sg i v e n o nt h eb a s i so f s t u d y i n g ，id r a wa n di l l u m i n a t et h es e q u e n t i a ld i a g r a m a to n e t i m e ， t h ep r o b l e m so ft h es y s t e m ，s u c ha sl e a k a g e ，t e m p e r a t u r er i s ea n dh y d r a u l i ci m p a c t ，a r e a n a l y z e di nd e t m l a n dt h es o l u t i o n so f t h ep r o b l e m sa r eg i v e n t h e nil i s tt h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t so f t h ea d j u s t m e n t a tl a s t ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e si nd e t a i lt h ep r o p o r t i o n a l l y p o s i t i o n a lc o n t r o ls y s t e mw h i c hi st h ec o r ep a r to ft h es y s t e mt h r o u g hm o d e l i n ga n d a n a l y z i n gs t a t i cp e r f o r m a n c e t h er e s u l t so f t h er e s e a r c hs e t t l ei nt h e o r yt h ef e a s i b i l i t y a n dr e l i a b i l i t yo ft h ep o s i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h er e s u l t s ，w ec a nf i n dt h e s y s t e mi sf e a s i b l e a f t e rt h et e s ta n d u s eo ft h es y s t e m ，t h et h e o r yi sa c c u r a t ea n dt h e r e s u l t sa c h i e v et h ee x p e c t e dp u r p o s e s ot h er e s u l t so ft h er e s e a r c hi nt h i sp a p e rh a v e i m p o r t a n tr e f e r c n c e v a l u ei nt h et h e o r ya n d p r a c t i c e k e y w o r d s ：h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n ，l e a k a g e ，h y d r a u l i ci m p a c t ，p r o p o r t i o n a l l y p o s i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 l绪论 1 1 问题的提出及研究的意义 城市轻轨是城市轨道建设中的一种重要形式，也是当今世界上发展最为迅猛 的轨道交通形式。近年来，随着中国城市化步伐的加快，我国重庆、上海、北京 等城市纷纷兴建城市轻轨。一时间，轻轨成为都市人的时髦话题。轻轨的机车重 量和载客量要比一般列车小。重庆市轻轨是我国确定的西部大开发首期十大重点 工程之一，预计线路纵贯长江和嘉陵江间狭长的渝中半岛，穿行于中梁山至真武 山之间的低丘地带，总长1 4 3 5 公里。沿途共有1 4 个车站、两个主变电所、一个 车辆段、一个控制中心。据铁道部第二设计院的专家介绍，重庆轻轨在我国首次 引进了具有国际先进水平的跨座式单轨系统，能够适应沿线特殊地形的要求。而 重庆轻轨“较一新”线，全线长1 7 4 7 公里，贯穿渝中区，设1 7 座车站，隧道2 座， 含3 个地下车站，采用高跨座式单轨车，初期配车8 8 辆，全线通车后可满足高峰 每小时内运送2 8 万人次。分二期建设实施。一期工程从较场口至大堰即将在年内 完工，实现投资3 3 亿元人民币，是重庆市“九五”城市基础设施建设重点工程项目。 第一期共4 辆编组列车，高峰每小时单向输送客流量1 2 5 万人次，年客运量1 4 亿人次。本文来源于较新线车场检修之一的换轮库。液压系统作为换轮库的核心 部分，其设计与研究对整个轻轨的正常运行起着至关重要的作用，同时也可以为 二期工程作铺垫，并为国内外相关工程提供一定的参考。同时也是理论与实践的 有机结合。 1 2 液压传动的总体介绍 1 2 1 液压传动的工作原理 一个液压系鲥2 1 主要由油箱、滤油器、液压泵、溢流阀、开停阀、节流阀、换 向阀、液压缸以及连接这些元件的油管组成。他的工作原理j i l l 3 是：液压泵由电动 机带动旋转后，从油箱中吸油。油液经滤油器进入液压泵，当它从泵中输出进入 压力管后，通过开停阀、节流阀、换向阀进入液压缸一腔，推动活塞和工作台运 动。这时，液压缸另一腔的油经换向阀和回油管排回油箱。 由此可知龇3 】：( 1 ) 液压传动是以液体作为工作介质来传递能量的；( 2 ) 液压传动 用液体的压力能来传递动力，它与利用液体动能的液力传动是不相同的；( 3 ) 液压 传动中的工作介质在受控制、受调节的状态下进行工作的，因此液压传动和液压 控制常常难以截然分开。 重庆人学硕十学位论文 】绪论 1 2 2 液压传动的组成部分 液压传动主要由以下四部分组成【m 1 1 】： ( 1 ) 能源装置把机械能转换成油液液压能的装置。最常见的形式就是压力 泵，它给液压系统提供压力油。 ( 2 ) 执行装置把油液的液压能转换成机械能的装簧。它可以是作直线运动 的液压缸，也可以是作回转运动的液压马达。 ( 3 ) 控制调节装置对系统中油液压力、流量或方向进行控制或调节的装置。 例如溢流阀、节流阀、换向阀、开停阀等。这些元件的不同组合形成了不同功能 的液压系统。 ( 4 ) 辅助装置上述三部分以外的其它装置，例如油箱、滤油器、油管等。 他们对保证系统正常工作也有重要作用。 1 2 3 液压传动的优缺点 1 液压传动的优点 ( 1 ) 在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生出更大的动力，因为液压系 统中的压力可以比电枢磁场中的磁力大3 0 - 4 0 倍【3 j 。在同等功率的情况下，液压装 置的体积小，重量轻，结构紧凑。液压马达的体积和重量只有同等功率电动机的 1 2 左右。 ( 2 ) 液压装置的工作比较平稳【4 】。液压装置由于重量轻、惯性小、反应快、易 于实现快速启动、制动和频繁的换向。液压装置的换向频率，在实现往复回转运 动时可达每分钟5 0 0 次，它实现往复直线运动时可达每分钟1 0 0 0 次。 ( 3 ) 液压装嚣能在大范围内实现无级调速( 调速范围可达1 ：2 0 0 0 ) ，还可以在液压 装置进行的过程中进行调速p l 。 ( 4 ) 液压传动易于实现自动化，因为它是对液体的压力、流量和流动方向进行 控制或调节，操纵很方便。当液压控错和电气控制或气动控制结合在一起使用时， 能实现复杂的顺序动作和远程控制。 ( 5 ) 液压装簧易于实现过载保护。液压元件能自行润滑，因此使用寿命较长。 ( 6 ) 由于液压元件已实现标准化、系列化和通用化，液压系绞的设计、制造和 使用都比较方便【5 1 。液压元件的排列布置也有较大的机动性。 ( 7 ) 用液压传动来实现直线运动远比用机械传动简单。 2 液压传动的缺点 ( 1 ) 液压传动不能保证严格的传动比，这是由液压油的可压缩性和泄漏等因素 造成的【4 1 。 ( 2 ) 液压传动在工作过程中常有较多的能量损失( 摩擦损失、泄漏损失等) ，用作 远距离传动时更是如此。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ( 3 ) 液压传动对油温的变化比较敏感，它的工作稳定性很易受到温度的影响， 应此他不宜在很高或很低的温度条件下工作。 ( 4 ) 为了减少泄漏，液压元件在制造精度上的要求都较高，因此它的造价较贵， 而且对油液的污染比较敏感【5 】。 ( 5 ) 液压传动要求有单独的能源。 ( 6 ) 液压传动出现故障时不易找出原因。 总的说来，液压传动的优点是突出的，它的缺点将随着科技的发展而逐渐得 到克服。 1 3 国内外发展情况 1 3 1 应用现状 液压传动与气压传动统称为流体传动，它与机械传动和电气传动一起构成了 现代工业中普通采用的三大传动方式【3 】。 液压传动相对于机械传动来说，是- - 1 7 新兴的技术。若从1 7 世纪中叶，帕斯 卡提出静压传递原理、1 8 世纪末英国制成地一台水压机开始算起，液压传动已有 二、三百年的历史。但是液压传动被各国普遍重视，并应用于国民经济各部门中， 只是近5 0 年左右的事。第二次世界大战以后，随着现代科学技术的迅速发展和制 造工艺的提高，各种液压元件的性能只益完善，液压传动才开始得到广泛应用。 特别是出现了高精度、响应速度快的伺服阀后，液压技术的应用更是飞速发展。 在本世纪7 0 年代末至8 0 年代末，由于电子计算机的迅速发展，促使液压技术进 入了数控液压伺服技术的时期。目前普遍认为：电子技术和液压技术相结合是液 压系统实现自动控制的发展方向。 液压传动由于具有传动平稳、结构简单、功率大、易于无级调速和定位精度 高等系列优点【6 j ，因此，目前已不仅广泛应用于机床、工程机械、农业机械、汽 车、冶金、航空航天等工业部门，而且在轻工业机械中也被普遍采用。同时，随 着原予能、空间技术、电子技术等方面的迅速发展，液压技术不断地向着更深、 更广泛的领域中发展。近2 0 年液压技术的发展极为迅速，新式元、辅件接连不断 出现。如继电液比例阀、插装阀之后，近年正在研制和试用的有电液比例控制液 压泵、数字阀等。应用领域也不断扩大，如太阳跟踪系统，高层建筑防震系统等 均采用了液压技术。目前，我国液压元件都有了比较完整的系列，且正在向i s o 标准靠近。很多工厂都先后制成了或引进了许多液压传动的设备和生产线，实现 了生产过程的自动和半自动控制。 1 3 2 发展动向 随着生产的不断发展，对液压元件的结构和性能的要求也越来越高，纵观国 重庆大学硕士学位论文 绪论 内外液压元件的发展趋势，大致有以下两方面： ( 1 ) 小型化、轻量化、集成化【3 1 随着液压机械自动化程度不断提高，所用元件数量急剧增加，因而元件小型 化、系统集成化就成了液压技术发展的主要方向之一。为了要达到小型轻量化的 目的，液压系统的压力趋向高压化，如国外的建筑机械正向3 5 m p a 迈进；航空附 件正向5 6 6 3 m p a 进军。当然，随着压力的提高，系统及元件的寿命有所下降， 重量也有增加的趋势，上述矛盾的出现，给材料科学的研究者提出了新的课题。 在国外，液压元件正向多功能或系统化方向发展。例如：以方向控制法为核 心，再加上其它各种功能的截止式四通阀，使液压系统具有高度集成化、轻量化 和小型化等特点。用一个多功能阀( 及组合阀) 即可组成一个差动回路，其安装尺寸 仅与一般电磁阀相同。 ( 2 ) 与电子技术相结合 以电子元件作为系统的信息处理和传递信息的手段来控制控制阀，以输出流 体的压力作为功率输出，这两者的结合，是流体控制阀的重要研究课题。在液压 技术中，现在一般感兴趣的是比例电磁阀和数字阀，这两者虽然都是开环控制， 但与电- 液伺服阀相比，抗污染能力要强得多，且制造方便，维护使用简单。 降低能耗提高效率是当前液压技术中的重要课题之一。目前主要通过能量贮 备法；能量回收法；负载压力、流量和功率匹配法及用微型计算机对液压系统进 行自适应控制来降低系统能耗。 随着液压技术向高压、高速、大流量方向发展，降低液压系统噪声便是一个 突出的问题，因此近l o 年来各国都围绕降低液压元件及其系统噪声在进行着大量 的研究工作1 “。 为了提高液压产品的可靠性，人们越来越重视对可靠性技术的研究和应用。 诸如开展元件的强化快速寿命试验方法、元件污染允许度、系统故障诊断设备、 以及进行系统可靠性预测技术的研究等。 1 4 本文研究的目的和内容 1 4 1 本文研究的目的 本文研究的目的就是根据系统工作及环境要求设计最为合理的液压系统，并 对液压系统的核心部分比例位景控制系统进行数学建模和特性分析，为系统提供 可靠的理论依据。 1 4 2 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容包括六个部分，第一部分为绪论：第二部分主要介绍系 统的总体结构以及工况和环境对系统的要求，系统的设计原则和安装技术要求等； 4 重庆大学硕士学位论文t 绪论 第三部分介绍液压系统的具体设计，拟定原理草图，分析各主要回路的作用，择 优选择最为合理的回路，并重点介绍液压元件各参数的计算和选用，从而得出较 为合理的系统原理图；第四部分介绍本系统中最具代表性和最为复杂的比例位置 控制系统的数学建模过程；第五部分主要是根据数学模型，对系统进行特性分析， 并提出可能出现的问题；第六部分为致谢。 重庆大学硕士学位论文 2 系统总体结构介绍 2 系统总体结构介绍 2 1 换轮库转向架分离装置总体结构 转向架分离装置是将车体与车架进行分离的装置，它主要由平台水平保持机 构、沉降梁、升降平台、p c 粱、平台升降机构、沉降梁回转机构、平台水平插销 机构、翻盖机构等组成。其总装配示意图如图2 1 。 123d 1 平台水平保持机构2 沉降梁3 升降平台4 p c 梁5 平台升降机构 6 沉降梁回转机构7 平台水平插销机构8 痢盖机构 图2 1 转向架分离装置总装配图 f i 9 2 1t h eg e n e r a ls e t - u pd i a g r a m o f t h es e p a r a t e de q u i p m e n to f b o g i e 6 重庆人学硕士学位论文 2 系统总体结构介绍 下面介绍各机构的作用。 2 1 1 平台水平保持机构 为保证轻轨车辆顺利驶上和离开沉降梁，必须保证沉降梁和两端p c 梁的精确 对位，平台错位不大于2 m m ，左右错位不大于3 m m 。另外，在转向架与车体分离 时，特别是转向架回装车体的过程中，必须保证沉降梁的水平度和位置度。为实 现上述目的，设计了升降平台水平保持机构。该机构安装在平台左右两端，由滚 轮机构和齿轮齿条机构组成。其作用限制平台的x 轴( 左右) 、y 轴( 前后) 方向 的移动，限制平台的y 轴( 自f 后) 、z 轴( 上下) 方向的转动，限制平台的x 轴( 前 后) 方向的转动，从而达到只能进行z 轴( 上下) 方向运动的目的。保证了平台 水平度，也就保证了平台上沉降梁的水平度。而且使升降油缸不承受侧弯力，保 证了其安全性和可靠性。其结构图如图2 2 所示。 12 34 1 基础壁2 齿轮、齿条3 左右导向滚轮4 传动轴5 平台6 上下导向滚轮 图2 2 平台水平保持机构示意图 f i 9 2 2t h e s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eh o r i z o n t a lm a i n t a i n e ro f p l a t f o r m 2 1 2 平台升降机构 考虑到平台和沉降梁的重量，以及换轮装嚣的负荷总共达2 5 t ，参考c n 公司 的换轮用升降系统和日本北九洲小仓线轻轨换轮装置，决定采用液压方式驱动。 采用两个三级单作用液压油缸，并通过液压同步装置来进行同步升降。与行程限 位开关和液压回路配合在行程终点前慢速运动，以减少冲击和定位准确。在液压 回路中，采用了管路防爆装置和保压设施，防止液压回路压力的快速下降导致平 台坠落而造成设备的损坏，保证了平台运动的安全性。 重庆大学硕士学位论文 2 系统总体结构介绍 2 1 3 沉降梁回转机构 该机构由4 个滚轮、轨道、回转滑动轴承、回转主轴、回转铰链和回转油缸 等组成。滚轮和轨道承受沉降梁及车辆的垂直负荷，回转油缸的直线运动通过回 转铰链使沉降梁围绕回转主轴旋转。采用两个工作位置，可同时对两副转向架的 轮胎进行更换和充气，工作效率较高。回转油缸采用内置传感器的双作用数字油 缸，与电气系统的接近开关相结合，以实现沉降粱的4 5 0 和0 0 三个工作位置的精 确定位。其结构如图2 3 所示。 与日本北九洲小仓线的沉降梁旋转滑块机构相比，本机构具有结构简单，维 护方便，运行稳定可靠的特点。其结构示意图如图2 3 所示。 囊 崔 ，。爻? 二垂爹劳爹7 、 夕 ? 7 夕? o 心 1 沉降粱2 车轮3 回转油缸4 ，回转铰链5 轨道6 p c 梁 图2 3 沉降梁回转机构示意豳 f i 9 2 3t h e s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es w i v e l i n gm e c h a n i s mo f s e d i m e n t a t i o n g i r d e r 2 1 4 平台水平插销机构 当换轮装置未工作时，要求平台上的沉降梁与两端梁的p c 梁保持在同一水平 面，因此采用4 个水平插销来保证平台的平衡和承受车辆通过时的载荷。4 个水平 插销安装在平台的4 角，采用4 台油缸推出或拉入插销。此结构简单，动作灵活， 维护方便。其结构示意图如图2 4 。 2 1 5 翻盖机构 由于升降平台铺板下降过程中与检修工位上的固定梁相碰，因此需采用液压 8 重庆大学硕士学位论文 2 系统总体结构介绍 油缸推开翻盖。其结构示意图如图2 5 。 1 舳缸座2 油缸3 连接头4 接头5 插销孔 图2 4 平台水平插销机构示意圈 f i 9 2 4t h e s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eh o r i z o n t a li n s e r t e dp i nm e c h a n i s m o f p l a t f o r m 1 盖扳2 涟杆a3 ，连杆b4 _ 油缸5 支座 图2 5 翻盖机构示意图 f i 9 2 5t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h et u m b l i n g 2 2 换轮库转向架分离装置液压系统的基本要求 2 2 1 设计依据： 1 用途：用于将转向架( 也称台车) 与车体分离和组装，进行换轮作业。 2 工作条件 室内使用 海拔高度： 1 0 0 0 m 9 重庆大学硕士学位论文2 系绕总体结构介绍 环境温度：0 4 3 环境最大相对湿度： 9 5 工作制度：8 小时内间断工作 3 设计基础资料 ( 1 ) 转向架外形尺寸及重量：在设计联络时确定 ( 2 ) 换轮库工艺平面布置图： ( 3 ) y i j 车走行p c 梁断面尺寸：见图2 6 8 荨j _ 一 l 1 1 ；1 。1 。“ 叫2 0 x 2 0 8 2 ，j 图2 6p c 粱 f j 9 2 6p cg i r d e r 4 设备主要功能 本装置具有锁定、升降、旋转、对位、安全保护等功能，满足跨座式单轨车 辆( 两个转向架) 的换轮作业要求。 2 2 2 设计原则： 专用的标准及规范： 设备的设计、制造、试验、安装及验收应遵照下列标准现行有效的最新版本( 但 不限于下列标准) ： 重型机械标准1 4 卷 l o 1，：(二u 重庆入学硕士学位论文2 系统总体结构介纠 g b 5 0 0 5 4 低压配电设计规范 g b 2 3 4 8 2 3 5 l 液压气动系统及元件 g b 2 3 4 6 液压气动系统及元件 g b 2 8 7 8 液压气动系统及元件 2 2 _ 3 主要技术参数： ( 1 ) 沉降梁装置荷载：1 5 t ； ( 2 ) 转向架重量：约6 5 t ； ( 3 ) 沉降梁长度：4 5 0 0 m m ； ( 4 ) 沉降梁平台升降高度：2 9 8 0 m m ； ( 5 ) 沉降梁平台升降时间：上升时间5 m i n ； 下降时间2 5 m i n ； ( 6 ) 沉降梁平台升降方式：液压油缸； ( 7 ) 沉降梁回转角度：a ：4 5 0 ： ( 8 ) 沉降梁回转时间：1 5 2 5 s ： ( 9 ) 电源：三相五线3 8 0 v a c5 0 h z ； ( 1 0 ) 设备总功率：盟2 k w ： ( h ) 固定检修梁长度：6 5 0 0 m m 。 2 2 4 安装技术要求： l 安装工作范围和主要工程数量 安装工作范围为全套设备建筑安装工程，主要工程数量包括全套设备基础工 程、全套设备的安装工程、设备的贮存、场地的清理、设备的现场调试等。 2 接口界面和接i i l 条件( 此工作另有他人完成) ( 1 ) 设备的工作电源由低压配电承包商负责配到设备设置车间内。 ( 2 ) 设备设置车间内电源点与设备相接的电缆由设备承包商连同设备配套提供， 其连接工作也由设备承包商承担。 ( 3 ) 设备承包商应向土建承包商提供换轮坑的土建要求，其施工由土建承包商 完成。 重庆大学硕士学位论文 3 换轮库液压系统设计 3 换轮库液压系统设计 3 1 确定液压系统执行机构 根据系统设计要求，按五个主要部分分别拟定，最终给出系统原理图。 3 1 1 升降机构液压回路的确定 此机构主要是采用调速回路来实现动作目的。调速回路应满足以下基本要求： ( 1 ) 能在工作部件所需的最大和最小的速度范围内，灵敏地实现无级变速【19 】；( 2 ) 负 载变化时，调好的速度不发生变化，或仅在允许的范围内变化；( 3 ) 力求结构简单， 安全可靠；( 4 ) 功率损失要小，以节省能源，减少系统发热。 本机构采用节流调速回路【1 0 1 1 1 】，它是通过改变回路中流量控制阀通流节面积 的大小控制流入或流出执行元件的流量，从而调节其运动速度。升降机构的动作 顺序是：三级油缸先上升2 0 m m ，隔一段时间后下降2 9 8 0 m m ( 在下降过程中要求先 快速下降，快到终点时降低速度) 。其原理图如图3 1 。 - ：哼 ( 紫叫一 j j 矽 、一j ri 【 吓j j 半判 n g l 0 氲严”一 鹭 彳二1 6i 1 1 彳丑p 。 i l 图3 1 节流调速同路 f 移1t h er e g u l a t i n gl o o po f t h r o t t l i n g 1 2 重庆大学硕士学位论文3 换轮库液压系统设计 当d t 5 、d t 6 得电，调速回路开始工作，三级油缸活塞杆伸出2 0 m m ，车架与 车体分离，d t 5 、d t 6 断电，d t 7 得电，转向架下降3 0 0 0 m m 左右至工作位。换 轮完成后，d t 5 得电，d t 7 断电，转向架以速度l 快速上升2 9 0 0 m m 左右，调节 节流阀开口的大小，转向架以速度2 上升1 0 0 m m 左右至工作位，车架与车体连接 好后，d t 6 得电，整个机构下降2 0 m m 。需要说明的是，在车架与车体分离时，由 于三级油缸需要保持一段时间，管道内压力可能会急剧上升，引起管道的破裂， 造成工程事故，说以需要在三级油缸出口装上防爆阀f 8 1 。在正常工作时，防爆阀处 于常开状态，一旦管道爆裂，防爆阀关闭，三级油缸内的压力不会出现急剧的下 降，可以起到安全的作用1 9 i 。 3 1 2 回转机构液压回路的确定 此机构的作用是，当车架下降到工作水平位时，使车架水平旋转+ 4 5 0 至工作位。 其原理图如图3 2 。 p s 图3 2 回转机构液压回路 f i 9 3 2t h eh y d r a u l i cl o o po f t h es w i v e l i n gm e c h a n i s m 本回路的创新之一在于它用比例阀代替了常用的伺服阀，两者的区别在： ( 1 ) 伺服阀的阀芯在零位时基本是零遮盖，而比例方向阀处于零位时阀口有较 大的重叠量( 正遮盖量) ，其目的是为了简化比例方向阀的制造工艺【l 舶。因此，比例 方向阀的价格低，零位的密封性能好。 ( 2 ) 伺服阀的额定开口量很小( 一般小于0 5 r a m ) ，而比例方向阀的阀口最大开启 量设计得较大，接近一般的换向阀1 1 3 l 。因此，比例方向阀在通过全流量时的压力 损失小，一般不大于1 m p a ，所以有利于降低系统的能耗及温升。 ( 3 1 伺服阀采用了零遮盖的阀芯结构，所以中位时各油1 3 之间都是被隔开的， 而比例方向阀可以设计成其有与常规方向阀类似的多种中位机能，以满足不同系 重庆大学硕士学饨论文 3 换轮库液压系统设汁 统的控制要求。 ( 4 ) 比例方向阀的静态特性，除零位死区外，其他诸如滞环、线性度、重复精 度等，都已经可以接近或达到电液伺服阀的水平，但是动态性能较伺服阀低，其 幅宽( 一3 d b ) 多数在1 0 h z 附近，性能优良的可达3 0 - - 4 0 h z 。这已经可以在相当多的 工业领域中满足控制性能的要求。 3 1 3 沉降梁定位插销机构液压回路的确定 此机构的作用是当沉降梁回转至检修位时，插销伸出，使沉降粱固定。保证 换轮工作的正常进行。其原理图如图3 3 。 p s 图3 3 插销机构调速回路 f i 9 3 3t h er e g u l a t i n gl o o po f t h ei n s e r t e dp i nm e c h a n i s m 由于负载变化不大、调速要求不高，所以本回路采用了两个单向节流阀，而 且可以根据需要调节活塞的运动速度。 3 1 4 平台定位插销机构液压回路的确定 本机构要求在车辆通过位( 高位) 将平台锁定并精确定位。其原理图如图3 _ 4 。 此回路作用同图3 3 ，但在管路上需加一个一分四的齿轮分流器，使流向四个油缸 的液体流量基本相同，以保证四个缸运动的同步性。 3 1 5 翻盖机构液压回路的确定 此机构的作用是防止升降平台铺板下降过程中与检修工位上的固定梁相碰。 1 4 重庆人学硕- l ：q ：位论文 3 换轮库液压系统设计 其原理图如图3 5 。 此综合回路中溢流阀起安全作用，左边溢流阀限制两液压缸有杆腔压力在 8 m p a 以下，右边溢流阀限制无杆腔压力在6 m p a 以下。而顺序阀起背压作用，以 避免液压缸出现“点头”现象。单向节流阀既可以调节回路的流量，也可以调节吲路 的压力。 图3 4 平台定位调速回路 f i 9 3 4t h ep l a t f o r ml o c a t i n gr e g u l a t i n gl o o p 图3 5 翻盖机构液压回路 f i 9 3 5t h eh y d r a u l i cl o o po f t h et u m b l i n g 1 5 重庆人学硕士学位论文3 换轮库液压系统设计 3 2 液压系统常规设计计算 3 2 1 液压系统的总体计算 1 负载的组成 ( 1 ) 油缸负载的组成【1 5 1 ：作用在油缸活塞上的负载包括外载荷( r m 作负载) 、 导轨上的摩擦力以及运动部件在启动过程中由于速度变化产生的惯性力等，即： 工作负载16 j ：分为正负载和负负载。 正负载一油缸的运动方向与负载作用力方向相反。 负负载一油缸的运动方向与负载作用力方向相同。 导轨的摩擦阻力【1 7 1 珞 对于平导轨 p 摩= ( g + 弓) ( 3 1 ) 式中p 摩一作用在导轨上的摩擦力总和； g 一运动部件的重量； 弓一外载荷的垂直分力； 一摩擦系数，对于铸铁导轨= o i 0 2 ，滚动导轨芦= 0 0 0 5 0 0 1 。 惯性负载：加速时p 惯为正，减速时为负。 = 篱 ( 3 2 ) 式中g 一重力加速度，g = 9 s m s 2 ； v 一速度变化量( m s ) ； 址一启动或制动时间。 根据以上分析可知油缸总负载为【1 8 】： 启动加速时：屹= & 作+ ( g + ) + 詈喏 ( 3 3 ) 稳态运动时：& = 旺作+ ( g + 乞) ( 3 4 ) 减速运动时：p 总= p i 柞+ 卢( g + r ) _ 里g 出a t ( 3 5 ) 油缸密封处的摩擦力【1 8 】：油缸密封处的摩擦阻力可以用公式计算。也可以 从有关手册中查出，但是由于密封圈的尺寸、压缩量、硬度等都直接影响到摩擦 力的大小，往往计算数值与实际出入较大，一般情况下，可以估算： p 密= ( o 0 5 o 1 ) 或= 石万p 而 1 6 重庆大学硕士学位论文3 换轮库液压系统设计 如果要得到密封处的摩擦阻力较准确的数值，可用实验的方法。 2 油缸几何尺寸的设计 ( 1 ) 油缸活塞的有效面积 吮= 五月l 一只一2 ( 3 6 ) 式中乓一油缸活塞上的负载； 只一活塞无杆腔的压力； 只一油缸无杆胶的压力； 一活塞无杆腔有效工作面积； a 一活塞有杆腔有效工作面积。 而e 为回油管压力差，即：丑= 蝇： 对于高压系统及回油管直接回油箱只= 0 ； 对于闭式回路即复杂油路只= 5 1 5 b a r ： 对于简单节流系统只= 2 5 b a r ； 所以油缸活塞的有效工作面积为：4 ：半 q 对于油缸工作压力丘，一般机床弓5 0 7 0 b a r ，强力机床只= 8 0 一l o o b a r ， 农业机械、通用机械e = 1 0 0 1 6 0 b a r ，起重机械、压力机、工程机械异1 6 0 b a r 。 在求出活塞的工作面积4 后，就可以确定油缸直径d 及活塞杆直径d ，当活 塞杆受拉时，d d = 0 3 0 5 ，当活塞杆受压时d d = o 5 0 7 。当活塞杆有杆腔为 工作腔时，活塞直径为：d胆埘 v 石 当无杆腔为工作腔时，活塞直径为 d ：，胆“1 3 、 - a 。 v 石 3 有关油缸的参数 根据l 和2 的分析可以得出所选油缸的型号及基本参数如下： ( 1 ) 升降机构采用两个三级单作用液压油缸，升降是与行程限位开关和液压回路 配合，采用多级调速控制回路，以确保定位准确，与p c 梁对接时的平面错位不大 于2 毫米。 主要技术参数： 油缸规格 1 9 0 1 5 0 1 2 0 - 3 0 0 0 工作油压1 7 3 m p a 理论推力首级1 4 8 9 k n末级3 7 1 1 k n 重庆大学硕士学位论文3 换轮库液压系统设计 升降行程3 0 0 0 m m 工作行程2 9 8 0 m m 上升速度1 0 m m s 可调 下降速度2 0 m m s 可调 上升时间 5 m i n 下降时间2 5 m i n 上升负载计算表( u p w a r d ) 如表3 1 表3 1 上升负载计算 t a b 3 1t h ec a l c u l a t i o no f t h e e l e v a t i n g l o a d 有效直径面积单杆推力 总推力压力行程 ( r a m ) ( e m 2 )( t o n )( t o n )( b a r )( m m ) 第一级1 9 02 8 3 54 9 9 81 7 3l o o o 第二级1 5 0i 7 6 73 0 66 1 21 7 3i 0 0 0 第三级1 2 01 1 3 11 9 6 3 9 21 7 31 0 0 0 下降负载计算表( d o w n w a r d ) 如表3 2 表3 2 下降负载计算 t a b 3 2t h ec a l c u l a t i o no f t h ed e s c e n d i n gl o a d 有效直径面积单杆推力总推力压力行程 ( n u n ) ( c m 2 )( t o n )( t o n )( b a 0( m m ) 第一级1 9 02 8 3 51 7 92 1 56 31 0 0 0 第二级1 5 01 7 6 7 1 7 92 1 51 0 11 0 0 0 第三级1 2 01 1 3 11 7 92 1 51 5 81 0 0 0 上升流量、时间计算( u p w a r d ) 如表3 3 表3 3 上升流量及时间计算 t a b 3 3t h ec a l c u l a t i o no f t h ee l e v a t i n gf l o wa n dt i m e 有效直径面积速度单根流量总流量时问行程 ( r a m ) ( 嘣囝 ( r a n s ) ( v r m )( v m h ) ( s )( r a m ) 第一级1 9 02 8 3 581 3 6 2 7 21 2 51 0 0 0 第二级】5 01 7 5 7j 2 8l3 62 _ 7 - 27 8 1 1 0 0 0 第三级1 2 0“3 12 01 3 ，62 7 2 5 01 0 0 0 下降流量、时问计算( d o w n w a r d ) 如表3 4 重庆人学硕士学位论文3 换轮库液压系统设计 置。 表3 4 下降流量及时间计算 t a b 3 4t h ec a l c u l a t i o no f t h e d e s c e n d i n gf l o wa n dt i m e 有效直径面积速度单根流量总流量时间行程 ( m m ) ( c m 2 )( 唧w s )( ( m ) ( s )( m m ) 第一级1 9 02 3 3 5 1 42 3 8 4 7 67 1 41 0 0 0 第二级1 5 01 7 6 72 2 52 3 94 7 84 4 41 0 0 0 第三级1 2 01 1 3 i3 5 22 3 94 7 82 8 41 0 0 0 ( 2 ) 平台定位插销机构 平台定位插销机构为平台在车辆通过位( 高位) 将平台锁定并精确定位的装 浚装黄由四组液压油缸、插销装置及长型定位孑l 组成。 主要技术参数： 油缸规格 5 0 2 8 2 0 0 活塞杆行程 2 0 0 r a m 推杆速度 5 0 m m s 工作油压1 2 5 m p a 理论作用力推力3 9 k n 拉力1 8 k n 推拉力：2 吨 时间：外升3 5 s ，缩回：3 5 s 负载、流量计算如表3 5 表3 5 负载及流量计算 t a b 3 5t h ec a l c u l a t i o no f t h el o a da n dt h ef l o w l 船 压力行程回转时间速度单根流量总流量i ( b a r )( m m )( s )( m m s )( l m h )( l m i n ) l f 21 0 22 0 03 55 7 16 72 6 8 i i 21 4 82 0 03 55 7 14 61 8 4 l ( 3 ) 回转机构 回转油缸的直线运动通过回转臂、回转主轴使旋转梁旋转，回转油缸为双作 用数字式油缸，与比例阀一起构成闭环控制回路，使其定位精度满足与p c 梁对接 时的左右错位不大于3 m m 。 主要技术参数： 油缸规格 1 2 5 7 0 8 5 0 推杆行程8 5 0 m m 推杆速度 2 6 4 3 m m s 9 重庆大学硕士学伉论文 3 换轮库液压系统设计 工作油压1 2 ? m p a 理论作用力推拉力：1 2 吨 回转时间1 5 2 5 s 无级可调 回转角度 ：1 ：4 5 。 时间：0 - - 4 5 0 ，1 5 2 5 s 负载、流量计算如表3 6 表3 6 负载及流量计算 t a b 3 6t h ec a l c u l a t i o no f t h e1 0 a da n dt h ef l o w 面积出力压力行程回转时间速度流量 ( c m 2 )( t o n )( b a r )( m m )( s ) ( m m s )( l r n m ) 外升1 1 3 11 21 0 64 2 5 1 5 ，2 5 ( 可调) 1 7 o 2 8 3 3l1 5 1 9 2 缩回7 4 61 21 6 l4 2 5 1 5 2 5 ( 可调11 7 o 2 8 3 3 7 6 一1 2 7 ( 4 ) 旋转梁定位插销机构 旋转粱定位插销机构作用为使旋转部分在工作位定位。定位插销机构采用液 压缸推动插销结构形式。 主要技术参数： 油缸规格 5 0 2 8 2 0 0 推杆行程2 0 0 m m 推杆速度 5 0 m m s 工作油压 1 2 5 m p a 理论作用力推力3 9 k n 拉力1 8 k n 推拉力：2 吨 时间：外升3 s ，缩回：3 s 负载、流量计算如表3 7 表3 7 负载及流量计算 1 1 a b 3 7t h ec a l c u l a t i o no f t h el o a da n dt h ef l o w i 面积出力压力行程回转时间速度单根流量总流量 ( c m 2 )( t o n )( h a r )( m m )( s )( r a m s )( l m ( l m i 外升1 9 621 0 22 0 036 6 77 8