斗轮堆取料机俯仰液压系统设计与优化

2 0 1 3年 8月 第 4 1 卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Au g 2 01 3 V0 l 41 No 1 6 D OI 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 6 0 2 4 斗轮堆取料机俯仰液压系统设计与优化 肖艳军 孟照建 梁新宇 郭伟鑫 郭迪明 关玉明 1 河北工业大学机械 学院 天津 3 0 0 1 3 0 2 天津重钢机械装备股份有限公司 天津3 0 0 4 5 9 摘要 针对传统的斗轮堆取料机俯仰液压系统存在运行不可靠 稳定性差 使用寿命短等不足 对液压系统中的回路 进行优化设计 增强设备运行的平稳性 延长使用寿命 减少维护量 降低运行成本 提高斗轮堆取料的工作效率 关键词 堆取料机 俯仰机构 液压系统 优化设计 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 6 0 7 8 3 Op t i mi z a t i o n De s i g n f o r P i t c h Hy d r a u l i c S y s t e m o f Bu c k e t W h e e l S t a c k e r r e e l a i me r X I A O Y a n j u n M E N G Z h a o j i a n L I A N G X i n y u G U O We i x i n G U O D i m i n g G U A N Y u m i n g 1 He b e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y T i a n j i n 3 0 0 1 3 0 C h i n a 2 T i a n j i n He a v y S t e e l Me c h a n i c a l E q u i p me n t C o L t d T i a n j i n 3 0 0 4 5 9 C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e f a u l t s e x i s t e d i n t r a d i t i o n a l p i t c h h y d r a u l i c s y s t e m o f b u c k e t w h e e l s t a c k e r r e c l a i me r s u c h a s t h e ma i n o p e r a t i o n wa s n o t r e l i a b l e p o o r s t ab i l i t y a n d s h o f t s e r v i c e l i f e a n d S O o n t h e c i r c u i t i n h y d r a u l i c s y s t e m wa s d e s i g n e d w i t h o p t i mi z a t i o n T h e o p e r a t i o n s t a b i l i t y i n e q u i p me n t i s e n h a n c e d t h e s e r v i c e l i f e i s e x t e n d e d t h e main t e n a n c e o f o p e r a t i o n i s r e d u c e d a n d t h e c o s t i s r e d u c e d w h i c h i m p r o v e s th e e ffic i e n c y o f w o r k f o r b u c k e t w h e e l s t a c k e r r e c l a i m e r Ke y wo r d s S t a c k e r r e c l a i me r P i t c h i n s t i t u t i o n s Hy d r a u l i c s y s t e m Op t i mu m d e s i g n 悬臂式斗轮堆取料机主要由行走机构 俯仰机构 变幅装置 斗轮机构 上部 回转机构和平 台 底 架 斗臂架 和斗臂架带式输 送机 既受料 又卸 料 门架 平衡梁架 和配重 司机室 液压系统 电气设备等组成 俯仰机构有机械和液压变幅两种形 式 由于液压系统在悬臂俯仰运动过程中能对俯仰进 行灵活的控制和平稳的启停 而且具有结构小巧 配 置灵活 组装方便 可靠耐用等独到的特点 因此液 压系统在堆取料机和其他装卸设备中得到了更为广泛 的应用 俯仰机构的作用是支承取料斗轮 悬臂机构 及配重装置的重量 并在俯仰液压缸的牵引下 改变 取料斗轮的高度 使斗轮机构可以在原 燃料场中的 不同高度的料堆上方便地进行堆料和取料作业 俯仰 机构的工作安全可靠性非常重要 一旦因俯仰机构失 效而引发悬臂架高空坠落 不仅会造成斗轮堆取料机 整体永久破坏 还会严重危害到操作人员的人身安 全 传统的液压系统回路存在运行不可靠 稳定性 差 使用寿命短等不足 因此 有必要对液压系统回 路进行优化设计 以增强设备运行的平稳性 延长使 用寿命 减少维护量 降低运行成本 提高斗轮堆取 料的工作效率 1 液压系统类型选择 液压系统的类型即油路循环方式有开式和闭式两 种 开式回路 即执行元件的排油回油箱 油液经过 沉淀 冷却后再进入液压泵的进口 该系统采用开式 还是采用闭式 主要取决于它的调速方式和散热要 求 一般来说 凡备有较大空间可以存放油箱且不另 设置散热装置的系统 要求结构尽可能简单的系统 或采用节流调速或容积一 节流调速的系统 都宜采用 开式 凡允许采用辅助泵进行 补油并 通过换 油来 达到 冷却的目的的系统 对工作稳定性和效率有较高要求 的系统 或采用容积调速的系统 都宜采用闭式 行 走装置或者航空航天等装置为了减轻体积和质量可选 用闭式回路 因此 液压系统选用开式回路 2 液压回路优化设计 选择系统的液压回路是根据系统的设计要求和工 况 从众多的成熟方案中挑选出来的 挑选时既要保 证满足各项主机要求 也要考虑符合节省能源 减少 发热 减少冲击等原则 由设计要求可知 此设计中 是靠 2 个液压缸同步动作来实现悬臂的频繁间歇上下 运动 并要保证悬臂在某一位置能够保持不动 即不 能因悬臂重力使之下降 因此需考虑的基本回路有卸 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 2 4 基金项 目 河北省科学技术研究与发展计划资助项目 1 0 2 1 3 9 4 7 河北省科技支撑计划资助项目 1 2 2 2 7 1 0 9 D 作者简介 肖艳军 1 9 7 6 一 男 博士研究生 讲师 研究方向为机电成套设备及其关键技术 通信作者 关玉明 E ma i l g y umi n g 1 6 3 c o rn 第 l 6期 肖 艳军 等 斗轮堆取料机俯仰液压系统设计与优化 7 9 荷回路 锁紧回路 平衡回路 同步回路等 2 1 卸荷回路 卸 荷 回路 的功用是在液压泵驱动 电动机不频 繁启 闭的情况下 液压泵在功率损耗接近零的情况下运 转 以减少功率损耗 降低系统发热 延长泵和电动 机的寿命 因为液压泵的输出功率为其流量和压力的 乘积 因而 两者任一近似为零 功率损耗即近似为 零 因此液压泵的卸荷有流量卸荷和压力卸荷两种 前者主要是使用变量泵 使泵仅为补偿泄漏而以最小 流量运转 此方法比较简单 但泵仍处在高压状态下 运行 磨损比较严重 压力卸荷的方法是使泵在接近 零压下运转 使其输出流量在压力很低的情况下流回 油箱 传统系统采用电液换向阀作为主换向阀 但是 系统中的三位 阀是Y型 中位机能 油泵不能卸荷 在系统非工作状态下 必须使电机停止 这会造成电 机频繁起动 基于对传统方式的优化 将此处的电液 换向阀采用 M型中位机能 当三位换 向阀处于 中位 时 油泵可以卸荷 系统在非工作状态时电机不必停 止 避 免 了 电 机 频 繁 起 动 图 1所 示 为 采 用 M 型中位机能的电液换向阀 的卸荷回路 这种 回路切 换时压力冲击小 但回路 中必须设置单向阀 以使 系统能保持 0 3 MP a 左右 的压 力 供 控 制 油路之 用 2 2 锁 紧回路 保 压 回路 锁 紧回路 的功用 是在液 压执行元件不工作时切断其 进 出油液通道 确切地使 它保持在既定位置上 图2 所示为一种使用液控单向阀 的双向锁紧回路 它能在液 压缸不工作时使活塞迅速 平稳 可靠且长时间地被锁 住 不为外力所移动 此回 路不仅 可以应 用于堆取料机 中 还可 以广 泛应用 于工程 机械 起重运输机械等有锁 紧要求的场合 2 3平衡 回路 图 1 卸荷回路 图2 使用液控单 向阀的双向 锁紧回路 平衡 回路是指在油路设计中设置的某种回路 用 来阻止因 自重等因素而下降 平衡 回路是具有立式 垂直地面 液压缸 的机械设备必不可少的一种 回 路 它的功用在于防止垂直放置的液压缸和与之相连 的工作部件因自重而 自行下落 因为起重液压机械在 非起重状态时 无论是处于停止状态还是工作状态都 会因重力作用而具有向下运行的趋势 故必须阻止这 种有害现象 使之达到平衡 图3所示为一种现在常使用单向顺序阀的平衡 回 路 由图可见 当换向阀2左位接人回路使活塞下行 时 回油路上存在着一定的背压 只要调节单向顺序 阀3 使液压缸内的背压能支撑得住活塞与之相连的工 作部件 活塞就可以平稳地下落 当换向阀处于中位 时 活塞就停止运动 不再继续下移 这种回路在活 塞向下快速运动时功率损失较大 锁住时活塞和与之 相连的工作部件会因单向顺序阀3和换向阀2的泄漏 而缓慢下落 因此它只适用于工作部件 自重不大 活 塞锁住时定位要求不高的场合 因此 若在单向顺序 阀和液压缸之间增加一液控单向阀 由于液控单向阀 密封性能好 就可以防止活塞因单向顺序阀泄漏而下 降 最终选用的平衡 回路如图4 所示 图 3 单向顺序阀的平 衡回路 优化前 图4 单向顺序阀加液 控单向阀的平衡 回路 优化后 2 4同步 回路 液压同步回路是指在各类机器 设备 装置 中 实现同步运行功能 是由液压元件 管路按一定规律 组合 并以液流介质传递 控制驱动两个或者两个以 上的执行器 液压缸或液压马达 产生相同的线位 移或角位移和相同的位置的回路 液压同步回路是液 压系统 中回路 之一 一般 是 由控制 同步运 动 的液 压 件 经管道至执行器 执行器的回油口经管路至油箱 部分 即同步 回路组成部分 这种 回路实质上也是流 量 调速 控制 回路的一种 也是多缸控制 回路 的 一 种 同步回路分为容积控制液压同步回路和流量控制 液压同步回路两种 其中容积控制液压同步回路利用 封闭容积变化通过管道等组件向尺寸精度 结构相同 的数个执行器 液压缸或者液压马达 输入等体积 的液体使其产生同步运动 此方法效率高 精度高 但结构复杂 价值昂贵 故不采用 另一种流量控制 液压同步回路是通过流量阀调节控制进入或排出液压 8 O 机床与液压 第 4 l 卷 执行器 液压缸或者液压马达 中的流量 使液压 执行器中运动件运动速度相等 实现速度同步等 流 量控制同步系统最大的优点是结构简单 成本低 缺 图5 流量控制液压同步回路 俯仰油缸 点是精度不高 故采用此方法 实践证明可行 流量 控制液压同步回路如图5 所示 流量控制液压同步系统常用的控制元件有节流 阀 调速阀 同步阀等 这些阀都是通过改变节流口 开度的大小 来调节流量的多少 改变同步执行