SWDM-20旋挖钻机液压系统计—左右行走及主转扬

本科毕业设计（论文）通过答辩内容提要旋挖钻机是灌注桩基础施工中重要的大型工程装备，主要用于铁路公路桥梁、高层建筑、城市交通、大型港口的桩基础施工，已逐渐成为国家重大工程中灌注桩施工的首选设备。旋挖钻机的功能与性能，直接影响到施工质量与进度，本文首先通过对旋挖钻机各部分的介绍再到主要的设计左右行走和主卷扬液压系统的设计。（1）设计出该液压系统的主干回路，并对主阀三位四通换向阀进行选择及具体说明，并画出 SWDM-20 旋挖钻机液压系统图。（2）选择左右行走的马达，并得出其相关的性能参数，对左右行走马达的排量、流量、扭矩、功率等进行具体计算。（3）选择主卷扬的马达，并得出其相关的性能参数，对主卷扬的排量、流量、扭矩、功率等进行具体计算。（4）选择左右行走及主卷扬的主泵，并得出其相关的性能参数，对主泵的排量、流量、进出口压力、进出口流量差、扭矩、功率等进行具体计算。（5）对液压系统的性能进行验算，对发热功率、散热功率的验算及对冷却器所需冷却面积的计算。本科毕业设计（论文）通过答辩毕业设计(论文)题 目 名 称 SWDM-20 旋挖钻机液压系统计 左右行走及主卷扬 课 程 名 称 液压与气压传动 学 生 姓 名 学 号 系 、 专 业 机械与能源工程系 08 机械（机制方向）指 导 教 师 2013 年 12 月 25 日本科毕业设计（论文）通过答辩目 录1. 概论11.1 前言41.2 旋挖钻机的分类及主要结构特性61.3 本课题研究的主要内容62. SWDM-20 旋挖钻机各部分结构具体说明72.1 SWDM-20 旋挖钻机底盘 72.2 SWDM-20 旋挖钻机主幅卷扬及转台 82.3 SWDM-20 旋挖钻机钻桅及变幅机构102.4 SWDM-20 旋挖钻机动力头及钻具123. SWDM-20 旋挖机液压系统左右行走和主卷扬设计 153.1 液压系统的设计计算步骤和系统设计要求163.2 液压系统液压系统主干回路设计203.3 左右行走液压系统设计计算243.4 主卷扬液压系统设计计算273.5 左右行走、主卷扬主泵的设计计算303.6 左右行走,主卷扬液压系统总体概括 314. 液压系统性能的验算 324.1 发热功率验算334.2 散热功率验算334.3 冷却器所需冷却面积的计算 33本科毕业设计（论文）通过答辩参考文献35概论旋挖钻机是灌注桩基础施工中重要的大型工程装备。我国目前正处在一个大发展时期，特别是公路桥梁、铁路、水利、城市发展，需要大量的桩工机械，这类机械应归属于工程机械领域，近十多年，特别是近五年才在我国国内兴起。1.1 前言1.1.1 旋挖钻机的简介旋挖钻机作为一项新兴桩基础施工设备，从上世纪80年代中期第一次试探性进入中国市场，经过90年代在青藏铁路建设中的大规模示范应用，到最近5年的广泛快速发展，在我国市场方兴未艾，进口产品正不断大量涌入，而我国的同类产品，将在未来几年将处于急速发展的上升时期，每年市场需要新增100台左右的旋挖钻机，发展潜力巨大，且国产化旋挖钻机突破了核心的关键技术，技术进步明显，可靠性不断提高。到90年代末，我国旋挖钻机的拥有量仅为100台左右，2002年，我国进口各种旋挖钻机近百台，截止2003年底，我国旋挖钻机的保有量为350-400台，截止2004年底，我国旋挖钻机的保有量为450-500台。国内旋挖钻机品牌主要在山河智能、三一重工、徐工科技、宇通重工，主要产品有：山河智能的（SWDM12/16/20/22/25）；三一重工的（SR180）；徐工科技（RD18）；天津宝峨；石家庄煤机；北方重汽；宇通重工；安源重工；上海金泰；时代重车；黄海机械；四海工程；郑州勘察等公司。国外的旋挖钻机品牌主要集中于宝峨、土力、意马、迈特、卡萨格兰第、日本产小扭矩旋挖钻机，主要产品有：德国宝峨公司(BAUER)，其产品系列为BG12BG25、BG7、BG15H、BG15V、BG20、BG14、BG22H； 意大利土力公司(SOILMEC)，其产品为R412R628；意大利迈特公司（MAIT），其产品为HR45、HR100、HR110；HR130、HR130/60、HR180、HR260、HR300-570、HR240-本科毕业设计（论文）通过答辩800；意大利的意马公司（IMT）的AF6AF50和神威公司（CMV）的TH12TH25等。国外产品的最大扭矩可达360KNm，发动机功率达448KW，钻孔直径4米，钻深90余米等。1.1.2 国内外研究现状随着全球经济的高速发展，基本建设范围的持续拓宽，以人为本和保护环境的理念及至相关法津法规实施的不断强化，使桩基础特别是现浇混凝土灌注桩基础几乎取代了其他基础，得到了广泛的应用空间。旋挖钻机因其效率高、污染少、功能多的特点，适应上述综合发展的需求，在国内外的现浇混凝土灌注桩施工中得到了广泛应用。旋挖钻机是灌注桩基础施工中重要的大型工程装备，主要用于铁路公路桥梁、高层建筑、城市交通、大型港口的桩基础施工，已逐渐成为国家重大工程中灌注桩施工的首选设备。旋挖钻机的功能与性能，直接影响到施工质量与进度，本文从施工应用的角度，初步探讨这类设备的技术特点、选型要求和在我国现场应用的状况。旋挖钻机是一种用于桩基础工程现场灌注桩施工的成孔机械，该钻机具有装机功率大、输出扭矩大、轴向压力大、机动灵活、环保安全，施工效率高及多功能的特点，可配长螺旋、短螺旋钻头、回转斗、岩心钻、液压桩锤等多种钻具，可钻进粘土层、沙土、卵石层和中风化岩石层，适于我国大部分地区的土壤地质条件，广泛应用于道路、桥梁、码头、高层建筑等地基基础工程施工。从工程机械的技术发展来说，旋挖钻机是现代机、电、液技术集成的高技术产品，技术特点主要体现在：(1) 大构件专用底盘的设计与制造技术：旋挖钻机按底盘的结构可分为轮式、履带式和步履式。履带式底盘占绝大部分，主要分两种结构形式：一种是为适应旋挖钻机工况和性能而专门设计的专用底盘；另外一种是选用通用的挖掘机底盘。(2) 变幅机构的优化设计与制造技术：通过计算机优化设计和铰接点的简化，无论动力头和钻杆处于钻桅的任何位置均能实现桅杆的竖立和放倒，易于实现本科毕业设计（论文）通过答辩工作状态和运输状态的转换，克服了某些钻机只有当动力头在钻桅的特定位置时才能实现钻桅起落平举的毛病，变幅机构简单美观、驱动力大、稳定性好。(3) 液压系统技术：旋挖钻机的液压系统，一般有二种方案，节流控制系统，其主泵具有恒功率/分功率调节/正流量控制的功能，另一种是负载敏感控制系统，主泵具有恒功率/负载敏感LUDV/带电气越权的负控制；根据适应旋挖钻机特性工况而研发的一种节能型液压系统，其主泵采用大流量恒功率与分功率调节、主阀中位正流量控制，配合动力系统的功率极限控制，不仅具有节能，系统发热少、油温低等特点，而通用底盘旋挖钻机的液压系统一般采用的是适应挖掘机工况的液压系统，其性能与旋挖钻机有很大差别，能耗大，发热量大；另外在旋挖钻机的钻桅变幅回路是采用一个小泵单独供油，通过小泵实现小流量控制，满足旋挖钻机工作装置变幅不需要复合动作，保证了操作的平顺性，达到一个较好的控制要求，并且配合电控系统，实现了一些动作的安全互锁功能。(4) 大惯性体的自动回转定位技术：旋挖钻机在进行钻孔作业时，有一个钻进、提升、回转、抛土、再回转至原孔口、再钻进的过程。旋挖钻机的平台回转，是一个大惯性体的回转定位控制，指机器回转时能记录回转角度，待抛土后再回转回来时，一旦达到记录的角度后，便自动停止，做到手动回转与自动回转的切换。这样，大大减轻了劳动强度、提高了生产效率及作业精度，特别是旋挖钻在第一次开孔定位时，进行准确的标定孔位十分有效。(5) 施工的保护技术：旋挖钻机的钻杆在孔内作业时，具有对钻杆、钻具的多重保护功能，如防埋钻提示（每斗进尺显示）、塌孔提示、超钻提示、主卷自动浮动、浮动提示、孔内防平台回转等（卷扬上提出孔后，平台才能回转或动臂举升）；同时，在对钻机的施工保护（对钻机设备的保护），以及对钻孔施工质量的保护，这2方面的功能开发，也具有显著的特色，如：防止二次启动、先导油路的使能选择、急停、作业安全防护(钻孔作业时，其它动作不能动作)、动力头限扭或加压缸限压、立桅的左右倾斜报警、移位对孔与钻进作业的操作相对独立、操作中要按按钮操作手柄等等，这些功能都能很好地处理实际施工中，对设备的内在保护。(6) 钻机的自动控制技术：旋挖钻机是技术含量高、机电一体化集成的设备，本科毕业设计（论文）通过答辩采用电液比例控制系统、PLC、CAN总线控制等，提高了定位钻孔精度，一般都具有钻孔深度的自动检测，能进行钻机控制、自动垂直调平、回转倒土控制、发动机的监控、钻孔深度测量及显示、电喷发动机的总线控制、车身工作状态动画显示及虚拟仪表显示、故障检测与报警等功能。对比国外的旋挖钻机，湖南山河智能公司采用国际先进水平的硬件（控制器/显示屏/传感器等元件），掌握应用基础的核心技术，形成了三级控制平台（如图1所示），自主开发应用软件，在旋挖钻机上取得多项专利和软件版权，在电子控制系统的功能开发上具有特色，除完成上述功能外，还有钻机发动机与液压泵的功率极限控制、自动怠速、动力头马达自动变量控制、数据掉电保护、故障诊断与在线调试、自动快速抛土、加压力及加压速度的控制、钻孔的施工管理等功能。(7) 旋挖钻机多功能化：旋挖钻机采用的是多用途模块式设计，如大口径短螺旋和旋挖斗回转施工、长螺旋施工、全护筒跟管施工、液压抓斗地下连续墙施工、高压旋喷施工、潜孔锤施工、嵌岩施工；1.1.3 山河智能旋挖发展状况山河智能多功能旋挖钻机是一种新型钻孔灌注桩施工设备，融合了现代液压桩工机械新技术和新工艺，发动机等关键配套件国际化采购，采用自己研制的可伸缩式履带专用底盘，稳定性明显优于采用通用底盘的同类钻机；自主研发的控制系统集成度高、功能强大，反应快、精度高；可实现钻桅自装自卸；变幅机构结构新颖，驱动力大，稳定性好；可配多种钻具，适应粘土层、沙层、卵石层和中风化岩层等复杂地质条件下的施工。广泛应用于公路、铁路立交桥、高架桥的大直径桩墩和高层建筑桩基的施工中，在首都新机场、国家奥运场馆鸟巢工程等国家大型重点工程中已越来越展示出山河智能旋挖钻机的优势。在国际性市场上也获得国外高水平同行的好评。山河智能旋挖钻机采用精心设计并精益制造的专用底盘和将大滚筒卷扬安装在其上的设计方案就从根本上解决料上述两个问题，整机稳定性非常好，作为易损件的钢丝绳寿命成倍提高，大幅度降低运行成本。而且为重达 70 多吨的旋挖钻机设计的专用底盘的刚度、强度都明显优于改装的 30 吨挖掘机通用底盘。成为明显的专用底盘，大滚筒卷扬，稳定性好，钢丝绳寿命长的特点。本科毕业设计（论文）通过答辩1.2 旋挖钻机的分类及主要结构特性1.2.1 旋挖钻机的分类：（1） 按底盘结构可分为轮式、履带式和步履式底盘的旋挖钻机。其中履带式底盘又可分为专用底盘结构和选用通用挖掘机或履带吊底盘结构两种结构形式。一种是为适应旋挖钻机工况和性能而专门设计的专用底盘；另外一种是选用通用的挖掘机底盘；（2） 按动力头悬挂装置的结构可分为钻桅式和臂架式旋挖钻机；（3） 按动力源不同可分为电动和内燃驱动的旋挖钻机。（4） 按工作装置的结构形式分：钻桅加双三角平行四边形连杆变幅机构和钻桅加大三角架支撑两种机型。其中前者是主流形式，占国内外机型的 90%，其优点：工作装置调整灵活；钻桅收放也较方便，易于实现自装自卸。缺点：钻桅调整稳定性相对较差。后者的的优缺点正好与前者相反。另外还有根据动力头驱动方式分为电动和液压驱动的旋挖钻机。SWDM-20 旋挖钻机为采用钻桅结构的内燃型履带式旋挖钻机。1.2.2 旋挖钻机机构组成部分及施工步骤：旋挖主要由专用底盘、主卷扬、副卷扬、装台、钻桅及变副机构、动力头、钻具、发动机系统、液压系统 、控制系统、回转机构、操作系统。结构如下图1.1 所示： 本科毕业设计（论文）通过答辩图 1.1 SWDM-20 旋挖钻机整机结构图第一步：旋挖钻机的就位。第二步：钻头轻轻着地，旋转，开钻。最好以钻头自重作为钻进压力，以更好的 保证桩基精度。第三步：当钻头里装满土砂料，提升出孔外。注意孔内地下水位情况，及时补充水，以防坍塌。第四步：旋挖钻机旋回，将钻头内的土砂料倾倒在土方车或地上。第五步：关上钻头活门，旋挖钻机旋回到原位，锁上钻机旋转体。第六步：放下钻头。第七步：埋设护筒，放入泥浆。按照工地现场土质情况，放下一定长度的护筒。护简直径一般应比桩径大 100mm，以便钻头在孔内自由升降。按现场土质情况，本科毕业设计（论文）通过答辩调配泥浆。如果现场土质都是比较好的粘性土，可以考虑不注入泥浆或清水，直接钻进。第八步：钻孔完成，进行第一次清孔，并测定深度。第九步：放入钢筋笼。第十步：放入导管。第十一步：进行第二次清孔。第十二步：进行水下混凝土灌注。第十三步：拔出护筒，清理桩头沉淤回填，成桩。第 1.3 节 本课题研究的主要内容：本课题研究的主要问题为 SWDM 旋挖 20 机左右行走和主卷扬的液压系统的设计计算。主要通过对左右行走和主卷扬的马达的选择、设计、计算以及功率分析、计算等。对左右行走和主卷扬的泵的设计计算和参数的选择、功率的分析、计算等。2 . SWDM-20 旋挖钻机各部分结构及性能2.1 SWDM-20 旋挖钻机底盘旋挖主要由专用底盘、主卷扬、副卷扬、装台、钻桅及变副机构、动力头、钻具、发动机系统、液压系统 、控制系统、回转机构、操作系统。如图 1.1 所示2.1.1 底盘结构 （1）底盘底盘是旋挖钻机的基础部件：底盘包括车架和行走装置。行走装置如图 2.1所示：本科毕业设计（论文）通过答辩1、行走减速机 2、驱动轮 3、支重轮 4、托链轮 5、涨紧装置6、导向轮 7、履带总成图 2.1 SWDM-20 旋挖钻机底盘结构图（2） 底盘涨紧装置：如图 2.2 所示：1、导向轮 2、涨紧弹簧 3、涨紧油缸 4、注油嘴图 2.2 SWDM-20 旋挖钻机底盘涨紧装置2.1.2 底盘特点：（1）底盘的强度和钢度可按钻机实际载荷设计，安全系数较大；（2）工作稳定性好；（3）卷扬可采用大滚筒设计，减少钢丝绳相互挤压磨损，提高其使用寿命。本科毕业设计（论文）通过答辩由于采用专用底盘结构可以在设计上较好地解决了设备的稳盯性和钢丝绳的使用寿命问题，大幅度降低了设备运行成本。与通用底盘比较另一种底盘形式是采用通用底盘，且以履带式挖掘机底盘为主。优点：降低了制造难度、减少了设计、制造工作量，有利于装配型生产模式的组织。缺点：（1）底盘的强度和钢度安全系数较小；（2）工作稳定性相对较差，容易产生“点头”现象甚至出现“翻车”事故；（3）钢丝绳相互挤压磨损频率高，影响其使用寿命。2.2 SWDM-20 旋挖钻机主幅卷扬及转台2.2.1 主副卷扬大直径卷筒结构：如图 2.3 2.4 所示：图 2.3 SWDM-20 旋挖钻机主卷扬结构图本科毕业设计（论文）通过答辩图 2.4 SWDM-20 旋挖钻机主副卷扬大直径卷筒示意图主卷扬采用大直径卷筒结构，60 米钻孔深度的钢丝绳在卷筒上为单层缠绕，有效的解决了多层缠绕结构钢丝绳之间的相互挤压磨损。确保了钢丝绳的使用寿命。卷扬减速机为力士乐公司的 CET 系列。主卷可实现双速控制，且有自由下放功能，以适应钻进的需要。控制方式为液压先导控制，主副卷扬配有压绳器。2.2.2 转台结构转台主要包括回转减速机、回转支撑、转台主体、钻桅支承等组成，作用是承载上部重量，并使之作回转运动。如图 2.5 所示：本科毕业设计（论文）通过答辩图 2.5 SWDM-20 旋挖钻机转台示意图2.2.3 转台特点：（1）转台的回转是从液压泵供油驱动液压马达，经回转减速机的小齿轮带动回转支撑内齿圈，从而是上车回转。回转减速机为三级行星齿轮传动带常闭式多片式制动器。（2）回转支承选用单排、四点接触球式回转支承 014.45.1600 型。（3）转台与专用底盘结构相适应，可内置安装主副卷扬。使整机的结构及重心布置更加合理 1。2.3 SWDM-20 旋挖钻机钻桅及变幅机构2.3.1 钻桅及变幅机构结构：（1） 钻桅为箱形截面，共有三节钻桅，上部鹅头和下部一节钻桅均可折叠。如图 2.6 所示：本科毕业设计（论文）通过答辩图 2.6 SWDM-20 旋挖钻机钻桅鹅头及截面形状（2） 变幅机构由动臂、三角架、拉杆及变幅油缸组成。如图 2.7 所示图 2.7 SWDM-20 旋挖钻机钻桅变幅机构示意图2.3.2 钻桅及变幅机构特点特点 1：变幅机构，专利技术，驱动力大，任意起落 26。经过计算机优化设计，简化了由动臂和三角架组成的变幅机构结构，并增大了钻桅的驱动力。无论动力头处于钻桅任何位置都能实现钻桅的平举和变幅。确保该机工作半径大，适应能力强。如图 2.8 所示本科毕业设计（论文）通过答辩图 2.8 SWDM-20 旋挖钻机钻桅变幅机构特点 2：钻桅自主装卸，方便灵活。利用自身的动力和结构，不用吊机，在钻桅处于后倾状态时即可实现自装自卸，便于整机转场和运输，与其他机型钻桅处于前倾状态时才能实现装卸相比，其装卸过程更加安全稳定。特点 3：辅助支腿，功能多样。钻桅下端设计了内藏式液压辅助支腿。利用液压辅助支腿既可很方便地安放孔护筒，而且可安全方便的进行履带的伸缩作业和履带的维护保养。2.3.3 变幅机构的优化设计与制造质量钻机的钻桅调整结构目前有小结构的三角形和大结构的平行四边形这2种，但都应能保证无论动力头和钻杆处于钻桅的任何位置，均能实现桅杆的竖立和放倒，易于实现工作状态和运输状态的转换。2.4 SWDM-20 旋挖钻机动力头及钻具2.4.1 动力头动力头是旋挖钻机的核心部件。主要包括托架和驱动器。工作原理为液压泵供油带动液压马达，经减速机和驱动齿轮的两级减速后，以低速大扭矩的形式通过套管式驱动轴传递给钻杆。动力头一种具有高速抛土功能，另一种不具有高速抛土功能。本科毕业设计（论文）通过答辩（1）带高速抛土功能 的动力头特点：动力头的抛土能力较强，但成本较高，且 高速抛土时对设备的冲击较大。 （2）不具有高速抛土功能的动力头特点：动力头的变速范围与前者低速状态相比相对较大 ；动力头采用急停抛土，对设备的冲击较小。2.4.2 动力头特点动力头结构设计合理，润滑可靠，动力强劲。通过抗剪结构设计及合理的易损件选择，同时采用 2 源 4 级多点循环强制式润滑冷却系统，强化润滑和散热效果，确保了动力头作为核心部件的工作可靠性。同时适用机锁和摩阻两种钻杆。2.4.3 钻机动力头扭矩与动力头制造质量 依据工程需要选择钻机扭矩，确保钻机能够可靠地工作在钻机的高效区。在密实度大的砂层、砾石层，成孔直径每增大100mm，钻机扭矩应增大15-20kNm，同时，钻机成孔速度和钻头的结构及结构参数有非常密切的关系。动力头在设计、制造中的受力分析与制造质量保证，以及与钻杆之间的磨损基准的选择，对动力头寿命有较大的影响。2.4.4 钻具结构及特点：钻具由钻杆、钻头、钻斗三部分组成。（1） 钻杆：钻杆采用凯氏(伸缩式)钻杆，钻杆第一节(最外部一节)采用矩牙形嵌与动力头相配合，以传递扭矩和压力，上端通过回转支承和支承架与钻桅滑轨连接，使之自由转动的同时能上下滑动。里面各节钻杆也采用矩形牙嵌与其外面一节钻杆相配合，当牙嵌合时能传递扭矩轴向压力，牙嵌分离时，各节钻杆可以自由伸缩，最里面一节钻杆上端通过万向节与主卷钢丝绳相连，钻杆回缩时，通过主卷钢丝绳来提升，下端与钻头相连接。（2） 钻头：钻头的结构形式很复杂，一般由用户根据工程的地质情况选用相应结构形式的钻头。 本机可配用短螺旋钻头、回转斗钻头，岩心钻头，岩心回本科毕业设计（论文）通过答辩转斗等各种规格的钻头 78。（3） 钻斗 如表2.1所示表2.1为旋挖钻斗组成及序号 钻具 适用地质条件 备注 1 单层底旋挖斗（配斗齿） 粘性地层及胶结性强的地层 分单开门、双开门2 双层底旋挖斗（配斗齿） 砂土层及胶结性差的卵砾石地层。也应用于粘层地层。 分单开门、双开门3 双层底旋挖斗(全截齿或斗齿及截齿混装式) 大卵砾石地层 单开门4 带辅助卸土机构的特型旋挖钻斗 粘性强、卸土困难 3. SWDM-20 旋挖机液压系统左右行走和主卷扬设计液压传动系统是保证旋挖钻机正常运行的关键。动力头、钻桅及变幅机构、主、副卷扬机构、行走机构、和转台机构等都要由液压系统来驱动与控制；因此，液压传动系统被视为旋挖钻机的“血液循环系统” 。旋挖钻机所有功能均由液压驱动，液压系统包括三个部分：（1）下车部分：主要包括中心回转体及其以下部分可实现行走及履带伸缩；（2）上车部分：可实现桅杆变幅、桅杆角度调整、钻进加压、主、副卷扬、上车回转以及动力头的旋转等功能； （3）先导控制系统：对上述两个系统的主阀进行先导操纵使操纵轻便、灵活、平稳。由液压泵、液压马达和液压阀等主要液压元件组成911。本设计主要是关于 SWDM-20 旋挖钻机左右行走和主卷扬的液压系统的设计计算。本科毕业设计（论文）通过答辩3.1 液压系统的设计计算步骤和系统设计要求3.1.1 液压系统的设计计算步骤（1）明确系统设计要求；（2）分析系统工况，确定主要参数；（3）拟定液压系统原理图；（4）液压元件的计算和选择；（5）液压系统的性能验算；本设计的要求为：设计出旋挖钻机的左右行走和主卷扬连动作的液压系统。主要参数有：马达的排量 V、角速度 、转速 、扭矩 、功率 等。泵twtntTtp的压力 P、排量 V 和流量 、功率 和效率 等。tqtp3.1.2 系统设计要求在开始设计液压系统时，首先要对机械设备主机的工作情况进行详细的分析，明确主机对液压系统提出的要求，具体包括：（1）主机的用途、主要结构、总体布局；主机对液压系统执行元件在位置布置和空间尺寸上的限制。（2）主机的工作循环，液压执行元件的运动方式（移动、转动或摆动）及其工作范围。（3）液压执行元件的负载和运动速度的大小及其变化范围。（4）主机各液压元件的动作顺序或互锁要求。（5）对液压系统工作性能（如工作平稳性、转换精度等） 、工作效率、自动化程度等方面的要求。（6）液压系统的工作环境和工作条件，如周围介质、环境温度、湿度、尘埃情况、环境冲击震动等。（7）其他方面的要求，如液压装置在重量、外行尺寸、经济性等方面的规定和限制。3.2 液压系统主干回路设计3.2.1 液压系统回路设计本科毕业设计（论文）通过答辩（1）主干回路设计对于任何液压传动系统来说，调速回路都是它的核心部分。这种回路可以通过事先的调整或在工作过程中通过自动调整来改变元件的运行速度，但它的主要功能却是在传递动力（功率） 。根据伯努力方程：2dvpqCx（3.1）式中 主滑阀流量阀流量系数d阀芯流通面积vx阀进出口压差p流体密度其中 和 为常数，只有 和 为变量。dCvxp液压缸活塞杆的速度：qvA（3.2）式中 为活塞杆无杆腔或有杆腔的有效面积一般情况下，两调平液压缸是完全一样的，即可确定 和 所12A12A以要保证两缸同步，只需使 ，由式（1-2）可知，只要主滑阀流量一定，12q则活塞杆的速度就能稳定。又由式（1-1）分析可知，如果 为一定值，则主p滑阀流量 与阀芯流通面积成正比即： ,所以要保证两缸同步，则只需满足qvx以下条件：， 且 1pc212v（3.3）此处主滑阀选择三位四通的电液比例方向流量控制阀，如图 3.1 所示。本科毕业设计（论文）通过答辩图 3.1 三位四通的电液比例方向流量控制阀它是一种按输入的电信号连续地、按比例地对油液的流量或方向进行远距离控制的阀。比例阀一般都具有压力补偿性能，所以它输出的流量可以不受负载变化的影响。与手动调节的普通液压阀相比，它能提高系统的控制水平。它和电液伺服阀的区别见表 3.1。表 3.1 比例阀和电液伺服阀的比较项目 比例阀 伺服阀电位移转换器功率较大（约 50w）的比例电磁铁，用来直接驱动阀芯或压缩弹簧功率较小（约 0.10.3w）的力矩马达，用来带动喷嘴挡板或射流管放大器。其先导级输出功率约为 100w过滤要求约 25 m由于是由普通阀发展起来的，没特性要求15 m为了保护精密断面（零遮盖） ，要求进口过滤线性度在低压降（0.8 ）下工作，MPa通过较大流量时，阀体内部的阻力对线性度有影响（饱和）在高压降（7 ）下工作，阀MPa体内部的阻力对线性度影响不大滞环 约 1% 约 0.1%遮盖 20%一般精度，可以互换0极高精度，单件配作响应时间 4060ms 510ms频率响应 210Hz 10300Hz 或更高电子控制 电子控制板与阀一起供应，比较简单电子电路针对应用场合专门设计，包括整个闭环电路应用领域 执行元件开环控制 执行元件闭环控制价格 约为普通阀的 36 倍 约为普通阀的 10 倍以上与电液伺服阀相比，它虽在某些性能方面稍逊色些，但它的结构简单，成本低，所以它被广泛应用于要求对液压参数进行连续远距离控制或程序控制，但对控制精度和动态特性要求不太高的液压系统中 1215。又因为在整个举身或收回过程中，单缸负载变化范围变化比较大（050T） ，而且举身和收回时是匀速运动，所以调平缸的功率为 ，为变功率调平，PFv为达到节能效果，选择变量泵。综上所可得，主干调速回路选用容积节流调速回路。容积节流调速回路没有溢流损失，效率高，速度稳定性也比单纯容积调速回路好。本科毕业设计（论文）通过答辩为保证 值一定，可采用负荷传感液压控制，其控制原理图如图3.2所示。p图 3.2 LS 同步控制系统原理图它主要利用负荷传感和压力补偿技术，可用单泵（或一组泵）驱动多个执行元件，各执行元件运动速度仅依赖于各节流阀开启度，而与各执行元件的负载压力和其它执行元件的工作状态无关。即使当泵的输出流量达不到实际需要时，各执行元件运动速度的比例关系仍然可以得到保持。此系统的这一特有的独立调速功能大大减少了作业中操纵者协调各执行元件动作所花费的时间，不但显著提高了作业效率，而且有效减轻了操作者的劳动强度。另外，能够以最节省能量的方式实现调速，系统无溢流损失，并以推动执行元件动作所需的最低压力供油。在工作间隙(发动机不停机，各执行元件处于无载状态，不动作)，系统自动调节泵的排量到最小值。可以有效降低功率损耗、减小液压系统的温升，所以它是一种性能较好的新型液压系统。一般的同步回路还有：机械连接同步回路；用分流阀或分流集流阀的同步本科毕业设计（论文）通过答辩回路；用调速阀的同步回路；串联缸的同步回路等，但这些同步回路同步精度一般比较低，而且大多数只是保证速度同步而不能保证位置同步，受负载变化的影响较大。图中两个执行元件中的最高压力，可以通过单向阀选出，作为负荷传感压力 分别引到负荷传感阀和各压力补偿阀的弹簧腔。当负荷传感阀芯及各压LSP力补偿阀芯达到平衡时，各节流口前压力 为负荷传感压力 加上负荷传感1pLSP阀下腔弹簧压力 ; 各节流口后压力 均为负荷传感压力 加上压力补偿KLp2阀左腔弹簧压力 ，两节流口压力差为：C12KLCpp（3.4）可知， 只与两弹簧弹力有关，所以只要保证两弹簧压力差恒定，则 值基p p本为一定值。因而通过各节流口流向执行元件的流量与各节流口大小有关，而与每一执行元件的负载压力无关。SWDM 旋挖钻机液压系统图：如图 3.3 所示：3.3 左右行走液压系统设计计算3.3.1 左右行走马达设计计算液压马达是将液压能转换为机械能的装置，可以实现连续地旋转运动。左右行走马达型号为 A6VE 变量插装式马达，用于开式和闭式回路。（1） 技术特性 斜轴结构轴向锥形柱塞变量马达，用于闭式和开式回路。 安装方便，易插装减速机中（不需要考虑安装公差） 。 马达的安装法兰设计在壳体中间，这种结构允许马达几乎全部插入减速机中（节省空间结构） 。 应用于工程机械领域。 完整的部件，已经组装和实验 1619。本科毕业设计（论文）通过答辩图 3.3 SWDM20 机的液压系统图（2） 左右行走马达-A6VE 变量插装式马达的主要工作参数和使用性能1） 排量 V在不考虑泄漏的情况下，液压马达每转一弧度所需输入液体的体积（）3/mradA6VE 变量插装式马达的排量为 160( )3/mrad2） 理论角速度 和理论转速twtn即不考虑泄漏时的角速度和转速，有本科毕业设计（论文）通过答辩/469/102.3(/)tqVradsw（3.5）07.9(/min)2.8tn（3.6）式中，q 为输入马达的流量（ ） 。3/ms3） 理论输出扭矩 tT根据能量守恒定律，有 ，则tpqw/350469/2.350160()ttpqVNmA（3.7）式中， 为马达进出口压差 。2(/)Nm4） 理论输出功率 t理论输出功率 等于其输出功率 ，即tpr3504691()trpqKW（3.8）5） 容积效率 v马达内部各间隙的泄漏所引起的损失称为容积损失，用 表示。为保证q马达的速满足要求，输入马达的实际流量应为tq液压马达的理论输入流量 与实际输入流量之比称为容积效率，即t401.9156tvqq（3.9）6） 机械效率 m由于各零件间相对运动及流体与零件间相对运动的摩擦而产生扭矩损失 ，使得实际输出扭矩 比理论扭矩 小，则马达的机械效率为TTt本科毕业设计（论文）通过答辩801.921tmt tT（3.10）7） 总效率液压马达的总效率等于输出功率 与输入功率 之比，即pr0.915.20.843wWtmvr TVpqPq（3.11）8） 实际角速度 和实际转速 n/4690.15/2.68(/)tv rads（3.12）60. .7(/min)2.28160tvvqn r（3.13）9） 实际输出扭矩 Tt 35.92156()mpVNA（3.14）10) 实际输出功率rPq或51762.813()pTwKW（3.15）11) 起动性能马达的起动性能主要用起动扭矩 和起动机械效率 来描叙。如发动机0T0m效率低，起动扭矩就小，马达的起动性能就差。起动扭矩和起动机械效率的大小，除了与摩擦力矩有关外，还受扭矩脉动性的影响。实际工作中，即希望起动扭矩和起动机械效率尽可能大一些。12） 最低稳定转速最低稳定转速是指液压马达在额定负载下，不出现爬行现象的最低转速。实际工作中，一般都希望最低稳定转速越小越好，这样就可扩大马达的调速范围。不同结构形式的液压马达的最低稳定转速大致为：多作用内曲线马达本科毕业设计（论文）通过答辩可达 ；曲轴连杆式马达约为 ；轴向柱塞马达为0.1/minr23/minr，有的可低到 ，个别可低到 ；高速叶3525/inr0.51/inr片马达约为 ，低速大扭矩叶片马达约为 ；齿轮马达的0/i低速性能最差，一般在 ，个别可低到 2026。30/i/i（3） 左右行走液压系统控制回路及液压系统原理图行走制动阀可在坡上行走时避免在开式回路中工作的液压马达超速而引其的供油不足。只要由外力产生的转速超过进油量对应的转速，马达就会出现供油不足。行走制动阀带梭阀（S ） ，阀芯内有剩余开口（ k）及带节流孔的冲洗油道（S） ，马达为液压变量，与高压有关（HA） ，液压叠加控制（ T）及油口连接板带溢流阀，用于安装制动阀。如图 3.4 所示 a ba 行走制动阀 b 变量马达 A6VE图 3.4 左右行走液压系统控制回路图图 3.5 所示为左右行走液压系统原理图本科毕业设计（论文）通过答辩如图 3.5 左右行走液压系统原理图3.4 主卷扬液压系统设计计算3.4.1 主卷扬马达设计计算主卷扬马达为 A2FM 型定量马达，用于开式回路和闭式回路斜轴式轴向锥形蛛柱塞元件。（1） 技术特性 A2FM 型斜轴式轴向柱塞定量马达适用于行走机械和工业应用。 输出转速与输入流量成正比而与排量成反比。 驱动扭矩随马达的高压侧和低压侧的压降加大而增大。（2） 主卷扬马达为 A2FM 型定量马达的主要工作参数和使用性能1） 排量 V在不考虑泄漏的情况下，液压马达每转一弧度所需输入液体的体积（）3/mradA2FM 型定量马达的的排量为 160( )3/mrad2） 理论角速度 和理论转速twtn即不考虑泄漏时的角速度和转速，有/57/1603.(/)tqVrads本科毕业设计（论文）通过答辩（3.16）605734.(/min)2.8160tqrVn（3.17）式中，q 为输入马达的流量（ ） 。3/s3） 理论输出扭矩 tT根据能量守恒定律，有 ，则tpqw/3507/.6350160()ttpqVNm（3.18）式中， 为马达进出口压差 。2(/)Nm4） 理论输出功率 t理论输出功率 等于其输出功率 ，即tprp350721()trqKW（3.19）5） 容积效率 v马达内部各间隙的泄漏所引起的损失称为容积损失，用 表示。为保证q马达的速满足要求，输入马达的实际流量应为tq液压马达的理论输入流量 与实际输入流量之比称为容积效率，即t501.9147tvqq（3.20）6） 机械效率 m由于各零件间相对运动及流体与零件间相对运动的摩擦而产生扭矩损失 ，使得实际输出扭矩 比理论扭矩 小，则马达的机械效率为TTt本科毕业设计（论文）通过答辩801.9216tmt tT（3.21）7） 总效率液压马达的总效率等于输出功率 与输入功率 之比，即pr0.914.20.84wWtmvr TVpqPq（3.21）8） 实际角速度 和实际转速 n/570.914/63.29(/)tvwqrads（3.22）606057.9143.7(/min)2.28tvvqn r（3.23）9) 实际输出扭矩 Tt 35016.925176()mpVNA（3.24）10) 实际输出功率rPpq或51763.291()pTwKW（3.25）3.4.2 主卷扬液压系统控制回路及液压系统原理图卷扬用制动阀要可在负载下降是避免在开式回路中工作的液压马达超速而引起的供油不足。只要由外力产生的转速超过进油量对应的转速，马达就会出现供油不足。本科毕业设计（论文）通过答辩卷扬用制动阀带梭阀，制动器释放阀和 Br(L),无剩余开口（KOO）和冲洗油路闭死（SOO）.定量马达 A2FM 带用于安装制动阀的油口连接板（18）和溢流阀无压力级（1） 。如图 3.6 所示：a ba 卷扬用制动阀 b 定量马达 A2FM图 3.6 主卷扬液压系统控制回路图图 3.7 所示为主卷扬液压系统原理图本科毕业设计（论文）通过答辩图 3.7 主卷扬液压系统原理图3.5 左右行走、主卷扬主泵的设计计算3.5.1 左右行走、主卷扬主泵的设计计算液压泵是一种能量转换装置，它将机械能转换为液压能，是液压传动系统中的动力元件，为系统提供压力油液。左右行走、主卷扬主泵为 A10VO 是用于开式回路的静液压驱动轴向柱塞斜盘式结构变量泵。流量与驱动速度及泵排量成正比。通过调节斜盘的位置可无级改变流量。（1）主要技术特点 2 个泄油口，高驱动转速； 良好的吸油性能，低噪音； 功率/重量比高，使用寿命长； 控制时间短，驱动轴可承受轴向和径向载荷； 多种变量形式，用于多回路系统的通轴驱动。（2）A10VO 的性能参数1） 压力 P(单位为 Pa) 吸入压力：泵进口出压力。本科毕业设计（论文）通过答辩 额定压力：在正常工作条件下，按试验标准规定连续运转的最高压力。 最高允许压力：按试验标准规定，超过额定压力允许短暂运行的最高压力。 工作压力：泵实际工作的压力。在实际工作中，泵的压力是随负载而定的。2） 排量和流量 排量 V：泵每转一弧度，由其几何尺寸计算而得到的排出液体的体积，称为泵的排量 泵的理论流量 ：在不考虑泄漏的情况下，泵在单位时间内排出的液体tq体积，称为理论流量。设泵的角速度为 转速为 ，则 (/)wrads(/min)r32.64517twVm（3.26a）3(/)60tnsq（3.26b） 泵的瞬时流量 ：每一瞬时的流量 。一般指泵的瞬时理论流量。sh 3(/)ms 实际流量 ：泵工作是实际排出的流量，称为泵的实际流量。它等于泵的q理论流量 减去泄漏、压缩等损失的流量 ，即t 3(/)qs317809/t（3.27）通常称 为容积损失，它与工作油液的粘度、泵的密封性及工作q压力 P 等因素有关。 额定流量 ：泵在额定压力和额定转速下输出的实际流量，称为泵的额n定流量 。3(/)ms（3） 功率和效率 理论输入功率 ：用理论流量 与泵的进出口压差 的rtptq3(/)ms(/)spNm本科毕业设计（论文）通过答辩乘积来表示，即172803.()rttpKWq（3.28） 实际输入功率 ：实际驱动泵轴所需的机械功率，称为泵的实际输入功r率。设实际输入转矩为 ，输入角速度为 转速为 ，则()TNm(1/)ws(/min)r2.6305.0rnwKWp（3.29） 理论输出功率 ：用理论流量 与泵的进出口压差 的乘积来表示，t tqp即172803.()ttpKW（3.30） 实际输出功率 ：用实际流量 与泵的进出口压差 的乘积来表示，qp即109283.5()pqKW（3.31） 容积效率 ：泵经过容积损失 后的实际输出功率与理论输出功率v()q之比，称为容积效率，即810.9327tvtttttpq（3.32） 机械效率 ：泵的理论输出功率 与实际输入功率 之比，称为泵mtprp的机械效率，即/17280/35.926mtrtrpq（3.33）与 相对运动零件间和零件与流体间的摩擦力损失有关。m本科毕业设计（论文）通过答辩 总效率 ：泵的实际输出功率与实际输入功率之比，称为泵的总效率，即/0.926.30.86vvmrrtrpqp（3.34）由式（3.34）可知，泵的总效率等于其容积效率和机械效率的乘积 2636。3.5.2 主泵原理图 泵的压力和流量控制是通过一个电控比例阀来实现的通过改变泵的斜盘摆角实现流量控制器驱动转速的变化。泵的压力和位置由一个压力传感器和感应式位置传感器传输到相应的放大器上。 如图 3.8 所示：图 3.8 A10VO 泵原理3.6 左右行走,主卷扬液压系统总体概括该旋挖钻机所有功能均由液压驱动 。液压系统包括三个部分。 （1）下车部分。主要包括中心回转体及其以下部分 ，可实现行走及履带伸缩；（ 2）上车部分。可实现桅杆变幅、桅杆角度调整、钻进加压、主、副卷扬、上车回转以及动力头的旋转等功能； （3）先导控制系统。对上述两个系统的主阀进行先导操纵，使操纵轻便、灵活、平稳。左右行走,主卷扬液压系统流程为首先从主泵 A10VO 泵供油到齿轮泵进入先导回路实现先导控制,由驾驶室手柄,脚踏阀控制先导油路实现小流量控制大流量经各级换向阀到达 M8 阀左右行接口和主卷扬接口使动作得以实现.本科毕业设计（论文）通过答辩4. 液压系统性能的验算在左右行走及主卷扬的液压系统设计后，应对系统的安全和可靠性给以验算，必须满足液压系统的要求。4.1 发热功率验算液压系统设计时，除了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。按下式计算其发热功率：crhP（4.1）其中，泵的平均输入功率为ziirtQTP1（4.2）式中： 工作循环时间 s；tT液压泵的输出压力 Pa；ip液压泵的输出流量 /s；iQ3m各台液压泵的总效率；第 台泵工作时间 s；iti对本回转循环来说， = ，因此，泵的平均输入功率为iTt217.8037.96rPkw（4.3） 系统的输出功率为：iziWctTPi1（4.4）本科毕业设计（论文）通过答辩式中： 工作循环时间 s；tT液压马达的载荷扭矩 Nm；iW液压马达的转速 rad/s；i第 台泵工作时间 s；iti由于 = ，iT2.61305.()rwKWp（4.5）总的发热功率为：37.952.