xg 王家宁 护栏清洗车液压系统设计 20141112 a.doc

护栏思考题目列在封面之后清洗车液压系统设计 机械学院车辆121王家宁 1205051251.1护栏清洗车液压系统的设计要求思考1作业行驶时，滚刷系统的载荷？图示其载荷图、速度图、压力图、流量图，功率-转速、扭矩-转速、液压系统参数（功率、扭矩、转速）-排量图 护栏清洗车主要用于护栏清洗和城市道路隔离护栏清洗。也可用于清洗工业排液管道、壁面等、市道路隔离护栏、道路两侧墙体的刷洗。护栏清洗车可加装洒水和高压清洗装置。还可根据用户需要加装高压水泵、水枪，适用于冲刷城市小广告和刷洗城市雕塑等。1.1.1护栏清洗车的结构及其基本技术指标 护栏清洗车由油路、水路、气路、电路四大部分所组成 1、油路和水路是靠副发动机为动力，来完成它的各项环节的工作； 2、气路是采用主车气源和气缸来完成副发动机离或合； 3、电路部分它是来完成油路、水路、气路各工作环节的动作操作； 二 护栏清洗车主思考2布置液压管路，3液压系统的压力损失？4设计合理的过滤系统5设计合理油箱要配置如下：1、副发动机采用江铃55KW发动机；2、液压双联泵、多路阀站、液压油箱、液压油冷却器；3、液压马达、大小液压油缸、各种液压管道；4、清洗用尼龙刷二把（进口尼龙丝）；5、不锈钢水箱一个（2.2立方），黑猫柱塞泵一台及各种水喷头；6、分动箱一台（主车减速作用）；7、副发动机用小气缸一个（它是用作副发动机的离合用）；8、配电箱、操作箱（它是用来控制各种操作功能）；9、该车每小时可洗3公里，满水箱可洗6公里。 1. 过滤器2. 双联泵3. 高压马达4. 5.低压马达6. 8.二位四通电磁阀7. 溢流阀9. 三位四通电磁阀10. 液压缸11. 全液压转向器12. 清洗臂旋转油缸13. 清洗臂升降油缸14. 剪式液压平台升降油缸15. 行驶液压系统16. 转向液压系统 护栏清洗车的基本技术参数有（1） 剪式液压升降平台举升力（2） 剪式液压升降平台起升高度（3） 动力箱提供的动力（4） 高压水清流量1.1.2护栏清洗车工作装置 城市护栏的主要结构形式有两种:一种是由圆形截面的钢筋或钢管焊接成段每段，通过螺栓相互连接而成;另一种是由方形截面的钢管焊接成段，每段通过螺栓相互连接，根据道路的长度确定连接的护栏数量。城市护栏清洗车主要包括1、工作装置 2、臂架 3、二节臂液压缸 4、一节臂液压缸 5、承载车 6、V型臂架 7、动力箱总成等，如图所示。工作装置是护栏清洗机械的主要组成部分之一，清洗机构又是护栏清洗车工作装置的核心部件，工作装置采用滚刷式清洗装置，臂架通过液压缸的驱动实现自动折叠或伸缩，清洗作业时展开伸出，转场运输时折叠收回，其中，一节臂液压缸与二节臂液压缸分别驱动 V型臂架与二节臂的运动，实现臂架的折叠与姿态调整，图为节臂连接示意图。2个滚刷分别安装在支架上，滚刷的旋转由液压马达驱动，由安装在滚刷前后的喷水杆对护栏进行喷水。底盘总成上安装贮水罐、低压水泵和液压控制系统等。1.1.3护栏清洗车液压系统的液压系统的组成和原理 高低压水泵的运转分别由高压水泵马达和低压水泵马达驱动。马达回路有两套油路，根据工作情况分为单泵工作和双泵工作两种情形。喷水架的升降、摆动。以及左右喷杆的伸缩由液压缸控制。1.1.4护栏清洗车对液压系统的工作要求 护栏清洗车液压系统保证护栏清洗车正常工作，对液压系统的工作要求包括：（1） 最大速度控制（2） 液压系统部件在额定载荷、额定速度范围内不应该出现爬行、停滞和明显的冲动现象。（3） 液压系统管路接头牢固、无渗漏。与其他机件不磨碰，橡胶软管不得有老化、变质现象1.1.5设计参数与技术要求1.1.5.1护栏清洗车剪式液压升降平台液压设计参数及技术要求 本设计所设计的护栏清洗车主要用于公路护栏清洗作业，剪式液压升降平台负责工作平台的移动，根据具体工作情况定下参数1.1.5.2高压水枪设计参数及技术要求 压力：破坏和清除污垢的强度，代表打击强度和能力，污垢越坚硬压力要求越大，公路护栏污垢一般要求700bar 1400 bar。 流量：冲刷能力和打击频率要素，流量越大清洗效率越高，通过我们实验和实践，在压力1350bar条件下，44L/min流量可以保证8喷嘴布置同时工作，加大旋转清洗面。时间：时间越长，清洗频率越高，清洗效率也就越好。要求2分钟一根，相当于上下管各4秒，进60秒退2040秒其它16秒10米长管，约进0.18米每秒，8嘴超高压射流旋转清洗，要求转速大于或等于420rpm可调。温度：一般1350bar水射流喷射产生约3040oC喷射摩擦热，冷洗除垢清蜡同时进行没有问题。但在环境温度015oC条件下，冷洗除蜡清垢非常困难，如果-500oC环境下，使用冷水更加不可能。一般有在15oC以下工作时，需将水温加热保持到1520oC，但清蜡温度要求高于30oC以上。（参考文献） 喷射方式：由喷射距离、喷射角、喷嘴数量，综合而成为清洗能力和效率最大化的决定要素。1.1.5.3清洗刷设计参数及技术要求清洗刷数量：盘形清洗刷2个清洗刷直径：1200mm清洗刷转速：800-1200rmin清洗刷材质：超软聚乙烯数种多棱丝清洗速度：3-12公里每小时1.1.5.4清洗臂设计参数及技术要求清洗臂旋转范围：180度清洗臂左右移动范围：600mm清洗臂上下移动范围：0-2.5米1.1.5.5喷水系统设计参数及技术要求水泵流量：0-42.3L/M1.1.5.5转场速度转场速度：与水车速度一样，最高速度为90公里/小时1.2初步确定液压系统方案和主要技术参数 护栏清洗车液压工作装置包括剪式液压升降平台，液压马达，油缸。剪式液压升降平台控制高压水枪和升降平台的升降。液压马达驱动刷体完成清洗工作。油缸驱动清洗臂的旋转与升降。1.2.1确定剪式液压升降平台液压系统设计方案和技术参数。 剪式液压升降平台由动力和主机两部分组成。主机由内外剪式交加板、工作台面和底座等部分组成，如图所示剪式液压升降台的运动通过液压缸的伸缩来实现。柱塞拐臂8内绞架4固定为一个整体，缸尾拐臂1与绞架7固定为一整体，内、外绞架4和7的右端分别铰接于工作台面5和9上，其左端的滚轮可分别在底座9和工作台面5的滑道中滚动，内外绞架4和7可以绕其中心铰接点o旋转，同时滚轮在滑道中滚动，内外绞架的夹角发生变化，从而实现工作台面的上升与下降。剪式液压升降平台的运动原理如图2所示。设工作台面及底座的长度为b，绞架的长度为2L，液压缸有效长度为S，液压缸与水平面的夹角为，柱塞拐臂的长度为S，液压缸与水平面的夹角为，柱塞拐臂的长度为r，柱塞拐臂与内绞架的夹角为，缸尾铰接点F到绞架中心铰接点O的距离为R，OF与外外绞架的夹角为，内外绞架的夹角2，缸尾铰接点F到绞架中心铰接点O的距离为R，OF与外铰点的夹角为2，缸尾铰接点F到下铰接支座B所在水平面的高度为x，柱塞铰接点E到上铰支座（或滚轮中心）的距离为h。为了使工作台面下降至最低位置滚轮不至于脱离滑道，绞架的长度2L应该比工作台面的长度b小一些，一般可取L=(0.4-0.45)b （1）由图2可知，h=2Lsin则h（max）=2Lsin（max）h（min）=2Lsin（min）液压升降台的有效升降高度h=h（max）-h（min）=2L（sin（max）-sin（min） (2)根据OEF，液压缸上下铰接点E、F的距离S（即液压缸的瞬时长度）为S=r（）+R（）-2rRcos（+2）液压缸两铰接点之间的最大距离和最小距离分别为S（max）=r（）+R（）-2rRcos（+2（max） (3)S（min）=r（）+R（）-2rRcos（+2（min） (4)设液压缸有效行程为S，为了使液压缸两铰接点之间的距离为最小值时，柱塞不抵到液压缸缸低，并考虑到液压缸结构尺寸K1和K2，一般取S（min）K1+K2+S (5)同样，为了使液压缸两铰接点之间的距离为最大值时，柱塞不会脱离液压缸中的导向套，一般应取S（min）K1+K2+S (6)和（6）中K1和K2根据液压缸的具体结构决定，两者250mm-400mm之间。液压缸上下铰接点距离工作台面和下导轨的距离x和y分别为X=LsinRsin（+）X=Lsinrsin（+）y（min）=Lsin（min）-rsin（(min)+）0 (8)液压缸与车厢平面所成夹角为Tan=Rsin(+)+rsin(+)/Rcos(+)+rcos(+) (9)牛宝书对剪式液压升降平台的液压缸推力进行了公式推导，得出了液压缸所承受负载力T的计算公式T=LGcos/2Rsin（-） （10）其中G为升降台的起升载荷根据公式（1）-（10）结合实际情况进行以下计算工作时间10s 加速时间0.05s进程速度v=0.12m/S加速度a=0.9m/s（）静摩擦力f1=3.1KN动摩擦力f2=3KN 惯性力f2=0.3KN列出负载和推力液压缸负载液压缸推力启动F=f1=3.1F1=3.1加速F=f2=3F2=3进程F=3F=3回程F=f1=3.1F=3.1初步确定缸的参数初选缸的工作压力最大推力为3.1KN按教材4-7取液压缸工作压力0.3mpa计算液压缸尺寸单活塞缸取背压0.1mpa缸内径D（）P1/4=(D（）-d（）)p2+F2 (1)0.7D=d (2)解得D=39MM由表4-3圆整D=40MM活塞直径d=27.3mm圆整d=30mm油臂厚：初选=10mm校核pyD/2Py=1.5p1=4.5mpa=b/n=11.3mpapyD/2 可知满足要求有效工作面积A1=D（）/4=12.56CM（）A2=(D（）-d（）)/4=5.5CM（）液压缸工作各个阶段压力、流量、功率的计算进程流量：q进=0.10.001256600.1=7.54L/min回程流量：q回=0.20.0055600.1=6.6L/min压力的计算快进时p1启动=（F+A2p2）/A1=2.9mpa加速时p2加速=（F+A2p2）/A1=2.7mpa进程时p进=（F+A2p2）/A1=2.6mpa回程时p恒=（F+A1p2）/A2=2.7mpaP加速=（F+A1p2）/A2=2.6mpaP启动=（F+A1p2）/A2=5.4mpa功率计算P进=p进q进=2.67.54/60KW=0.33KWP回=p回q回=2.76.6/60KW=0.29KW1.2.3高压水枪液压系统参数的确定公路护栏污垢一般要求70MP 140MP。厂家规定的水泵流量为0至42.3L/M我们取水枪的工作压力为140MP1.2.4刷体液压系统参数的确定选定的参数清洗刷数量：盘形清洗刷2个清洗刷直径：200mm清洗刷转速：100rmin清洗速度：3公里每小时额定功率：1.5KW液压马达排量为V=2T/pT：液压马达载荷的转矩液压马达排量满足最低转速要求Vmq（min）/n（min）式中q(min)为通过液压马达的最小流量n(min)为液压马达工作时的最低转速滚刷扭矩T=9549Pk/n=111.9-176.9N.m进出口压力损失为估值为0.002MP解得V=0.037Lrq（min）Vm. n（min）=29.6-44.4L/min由此确定选定液压马达。1.2.5清洗臂液压系统参数的确定清洗臂旋转范围：180度清洗臂左右移动范围：600mm清洗臂上下移动范围：0-2.5米1.2.5.1清洗臂的升降 液压缸主要设计参数见图2。图a为液压缸活塞杆工作在受压状态，图b为活塞杆工作在受拉状态。活塞杆受压时，活塞杆受拉时，式中 A1无杆腔活塞有效作用 面积(m2)；A2有杆腔活塞有效作用面积(m2)； P1液压缸工作腔压力(Pa)； P2液压缸回油腔压力(Pa) D活塞直径(m)；d活塞杆直径(m)。液压缸最大推力为15000N系统压力12MP选用单杆双作用缸，根据工作压力选取d/D=0.7，取背压p2=0.5MP。当液压缸快进时，管中有压力损失，液压缸中有杆腔的压力必须大于无杆腔压力，压力损失按0.5MP算，即油管压力损失p=0.5.1000000pa当活塞杆受压时F=P1A1-P2A2A1=F+P2A2/P1一般，液压缸在受压状态下工作，其活塞面积为令杆径比=d/D解得：F=100000N P1=12MP P2=0.5MP求得D=0.103m取D=100mm，d=70mm所以液压缸有效工作面为A1=D（）/4=7850mm（）A2=（D（）-d（）/4=4003.5mm（）启动时：V1=0.5t（a=0.5m/s（）0.05s后达到稳定状态V1=0.025m/s制动减速时V2=0.025-0.5t上升时所需最大流量q（max）=v1A1=11.78L/min因为v2/v1=1.46，V2=17.20M/s下降时的最大流量q(max)=V2A2=9.05L/min此时系统的准确最大压力P1=(F/(m)+p2A2)/A1=16.7MP1.2.5.2清洗臂的旋转与清洗臂升降液压缸算法一致1.2.6 行驶系统功能要求：1.完成前进，后退的基本行驶功能。2.根据作业要求具有稳定的低速控制性，便于精确定位。3.护栏清洗车行走时，由液压马达驱动车轮行走，动力由泵传递。故行走系统中需要对液压马达和泵进行参数计算，其它一些辅助参数在后面统一进行选择。1) 首先建立数学模型铣刨机在运动过程中路面状况既有平地也有斜坡，针对这两种情况，设护栏清洗车遇到的总阻力为Ff，重量G，地面的运动阻力系数为u。 则Ff=Gg（+） 铣刨机开始行走，需要经过一段加速过程，可视为匀加速直线运动，加速度为a，加速时间为t，匀速行驶速度为v，设加速牵引力为Fa则有Fa=Ga=G则在实际路况中，护栏清洗车驱动力总力为：F=Ff+Fa.由以上功能要求及数学模型，选择用变量泵和定量液压马达的组合装置。液压原理图如下：1变量泵 2安全阀 3单向阀 4溢流阀 5马达 6补油泵 7过滤器 8油箱2）拟定工况参数护栏清洗车整车重量G总=1.5t匀速行走速度v=3Km/h=0.8m/s护栏清洗车启动加速时间t=10s3）计算液压马达参数 马达与驱动轮之间的减速比i,i=25.667 0.6-25.6672.5 行走车轮的外径为Dm=0.66m 液压马达行走时的转速计算公式为： nm= v（Km/h）代入数值计算：nm=816r/min综上：预选马达MB100-C40参数如下：排量ml/r最高转速r/min流量L/min转矩N.m压力Mpa9597699432最高压力30.2额定压力25.53）计算选择合适的泵 由公式：Ff=Gg（cos+sin）取 =0.12 =0-10Fa=Ga=G v/tF=Ff+Fa 得 ： F=1.51000010（0.12cos7+sin7）+100006.5/3.6/20+1.5=18121+1354=19475N下面求驱动轮的输出转矩Mk：马达的输出转矩为M=432N.m，马达驱动通过驱动桥将力传递到各个驱动车轮，设共2个驱动车轮，马达与驱动桥的总转速比也为i，则驱动轮的输出转矩为Mk=,，驱动轮的切线牵引力为Fk=, 并且切线牵引力应该等于铣刨机收到的总阻力，那么Mk=194756329.4N.m 则马达的输出转矩为M出=207.7N.m选择泵的最大排量：D=47.4ml/r综上，选择轴向柱塞变量泵A4VG-56A4VG-56泵的参数为最大排量ml/r最大额定转速r/min功率KW扭矩N.m最大流量L/min563600134289-356202应用变量泵-液压马达容积式调速回路，速度，转矩，转速三者关系图如下：1.2.7转向系统 护栏清洗车的转向系统为全液压式转向系统。（折腰转向）1） 转向机构图如下： 此系统中液压泵供油，转向器是一个集成的组合阀块，组合阀块上的溢流阀可以限制转向器的最大工作压力，以此保护系统不至压力太大。组合阀上的单向阀可以在车辆转向的时候为液压缸自动供油，可预防液压系统吸空，而且如果液压阀一侧的压力大于液压系统的供油压力，能防止倒流。单向节流阀保证方向盘向左或者向右转向的时候转过相同的圈数，通过溢流阀与节流阀使多余的油液回到油箱。 根据以上内容，我设计的液压原理图如下：1滤油器2定量泵3液压缸4单向节流阀5回油滤油器6全液压转向器2）拟定工况参数及车辆参数轮胎半径为R=0.69m轮胎宽度B=255mm转向总力矩TL=5500N.m轮胎中心到液压缸推杆的距离为L=330mm3）计算液压缸的参数初估转向油缸的工作压力为P=9Mpa液压缸无杆腔的有效面积为A，则PA=TL A=D2 D=27mm初选液压缸缸径为D=63mm,杆径d=35mm那么无杆腔面积为A1=31.2cm2 有杆腔面积为A2=21.53cm2油缸行程为：Ls=400mm初选油缸压力为P=10Mpa，则无杆腔推力矩为：T1=PA10.325=10126N.m有杆腔的推力矩为T2=PA20.325=6997N.m以上计算均大于推力转向力矩TL=5500N.m液压缸的排量为：Vc=（A1-A2）L则Vc=860ml，根据转向器输入转速为100r/min， Qc=86L/min4）转向器的排量设液压缸完成一次最大的转向转向器转过m圈，则转向器的排量为：Vm= 取m=3,4m=3时，Vm=290ml/rm=4时,Vm=220ml/r有以上计算可知：所需液压缸的内外径分别为35mm,63mm.全液压转向器的排量为300ml/r。选用全液压转向器的型号为WHITEDRIVE S10/300/A5)转向泵的计算Q转向泵=60V转向器=18L/min则V转向泵= n发动机=650r/min得：V转向泵=29.1ml/r，根据以上计算可选择力士乐ZAPF系列排量为25ml/r的外啮合齿轮泵。转速为750r/min。1.3拟定液压系统的原理图流量大压力大应选用双联泵使用调速阀三位四通电磁阀（由caxa绘制）(下面为qq截图)1.4选择液压原件初步拟定液压系统原理图后，进行液压原件的选择1. 由表7.3-1选择20号液压油2. 确定液压泵的容量及驱动电机的功率进油压力损失初选p=1mpa液压泵最大工作压力为14mpa+1.5mpa=15.5mpa取油液泄露系数K=1.2则Qmax=48L/min额定压力20mpa转速为2000r/min工作油压粘度为30mm（）/S总效率为80功率为60KW取力器功率Pmax=（P进+p）q进/=7.46kw。根据表7.4-5选择双联泵其型号为GB-G2050/20403. 根据表7.4-44选定液压马达型号JM23-D0.094. 根据表7.5-2选定液压缸型号为HSGK 01-100/dE5. 根据表7.6-3选用单向阀型号为DIF-L32H26. 根据工作原理选用二位四通电磁阀根据表7.6-9选用型号22DH6B7. 根据表7.6-15选择电磁溢流阀型号为YFDH-L20H-S8. 根据表7.7-21选择蓄能器型号为NXQ-F6.39.选择10m油管10.水箱2.2m（3）11.过滤器的选择 系统过滤精度要求能滤掉20m即可，选择粗过滤器选用XU-10100型号1.5验算液压系统的性能（1）沿程压力损失液压油选取20号液压油 其密度0.86-0.87g/cm 运动粘度液压油路总长约 10m 其平均流速 v=3m/s查表知 其雷诺数所以 其油液为湍流沿程阻力系数 所以 （2） 局部压力损失所以 总的压力损失 估算时初选压力损失 1Mpa 大于实际压力损失，所以泵及其他元件规格不变(3)阀类元件的局部损失式中 Qn阀的额定流量（m3/s）；Q通过阀的实际流量（m3/s）；pn阀的额定压力损失（Pa） 估算阀类原件的局部损失0.14Mp（4）系统温升验算 Wrv=PrvqrvT=Wrc/cpqrv=6.83C液压系统工作时，除执行元件驱动外载荷输出有效功率外，其余功率损失全部转化为热量，使油温升高。液压系统的功率损失主要有以下几种形式：（5）液压泵的功率损失 式中 Tt工作循环周期（s）； z投入工作液压泵的台数；Pri液压泵的输入功率（W）； Pi各台液压泵的总效率； ti第i台泵工作时间（s）。 估算0.01Mpa（6）液压执行元件的功率损失式中 M液压执行元件的数量； Prj液压执行元件的输入功率（W）； j液压执行元件的效率；tj第j个执行元件工作时间（s）。 估算功率损失0.032kw（6）溢流阀的功率损失 式中 py溢流阀的调整压力（Pa）；Qy经溢流阀流回油箱的流量（m3/s）。估算功率损失0.021kw（7）油液流经阀或管路的功率损失Ph4=pQ 式中 p通过阀或管路的压力损失（Pa）；Q通过阀或管路的流量（m3/s）。由以上各种损失构成了整个系统的功率损失，即液压系统的发热功率Phr=Ph1+ Ph2+ Ph3+Ph4 此式适用于回路比较简单的液压系统，对于复杂系统，由于功率损失的环节太多，一一计算较麻烦，通常用下式计算液压系统的发热功率Phr=Pr-Pc式中Pr是液压系统的总输入功率，PC是输出的有效功率。其中 Tt工作周期（s）；z、n、