BYD-1水草收割船液压系统设计【含CAD图纸】
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中国地质大学长城学院08届毕业设计1 绪论1.1课题的提出及意义水草在日常生活中有诸多的作用和价值，例如养殖、生态和景观等有重要的价值体现，吸引着人们大量种植。但由于种植量过大，同时缺乏相应的管理措施，导致人工种植的水草一度发展到过剩的状态。为了保持水域的生态平衡，需要在景观水域中大量种植水草，但是在每年的高温时节，水草生长非常迅速，必须及时进行收割清理，否则会对水质造成二次污染。目前，水草治理方法主要有化学清除法和物理收割法。化学清除法会引起水质污染，破坏生态环境，并对其他生物的生存造成很大影响。所以，人们大都采用更为环保的物理收割法来治理水草。但由于人工收割效率低下，往往打捞的速度跟不上水草生长的速度，因而机械收割就成为理想的水草治理方式。目前，市场上一般的水草收割机多是机械控制的，动力来源复杂，难以实现收割船的简单，智能，据此现状，设计一种结构紧凑，机构传动平稳，效率高，机身全部动力来源为液压，液压控制液压系统控制船的行走、割台的升降以及输送装置的运动的水草收割船。这种新型的水草收割船可在水下实现切割，回收，传送一体化连续作业方式，能够达到清除多余的水草的目的，充分体现简便化。1.2国外水草收割船的发展状况对于水草收割机器的研制，国外起步比较早，早在50年代荷兰等国家就开始使用专门的机械进行河道的清淤除草作业。荷兰在1958年IHC CO Konljn机械厂研制出H系列两栖式挖泥船共6种机型，随后又相继开发出M 系列、s系列和FB系列等多种清淤机械；随后HERDER公司也开始研制各种机型的河道除草机。起初他们一般是把切割器安装在液压挖掘机或农用拖拉机上，把沟渠、河道内的蒲草、杂草切割后捞起放于岸边，其整机需停在岸边或沿岸边行驶进行作业，这就是陆用割草机。由于陆用割草机的使用范围有较大限制，河道、沟渠旁常揎有树木，无法停机，远离岸边的水草又无法切割到，因此研制一种能在河道中航行的水中割草机应运而生。60年代，英国的Rolbe公司开发出Oibeaux系列水中割草机，英国的John wider(工程)公司也开发出自己的系列产品。这些产品至今还在世界各地广泛使用。1.3国内水草收割船的发展状况对于国内一些相关企业及研究机构进入该领域，并且取得了一定的研究成果，如宁波农业机械研究所、桂林象山农机厂、绍兴县农林管理总部联合研究的WH1800型河道清草机，北京市水利局联合数家单位共同开发的SGY-2.5型水草收割机，上海电器集团现代化装备有限公司新液压长研究开发的GC2230型号河道割草保洁船以及GC2000型小型河道割草作业机械。经历半个世纪的发展历程，水草收割机的设计，由开始的岸边切割水草作业，水中水草作业，水中收割水草作业，到现在的水中切割、收获、后续处理一体化作业模式，功能日益完善，而且经过长时间的摸索和经验积累，其工作模式也发生了很大的改变。其主要是朝着小型化、智能化方向发展。1.4液压技术在水草收割船中的应用及特点液压传动是以液体为工作介质，利用压力能来驱动执行机构的传动方式。 而液压系统是由以下组成：1）能源装置液压泵。它将动力部分（电动机或其它远动机）所输出的机械能转换成液压能，给系统提供压力油液。2）执行装置液压机（液压缸、液压马达）。通过它将液压能转换成机械能，推动负载做功。3）控制装置液压阀（流量阀、压力阀、方向阀等）。通过它们的控制和调节，使液流的压力、流速和方向得以改变，从而改变执行元件的力（或力矩）、速度和方向。4）辅助装置油箱、管路、蓄能器、滤油器、管接头、压力表开关等.通过这些元件把系统联接起来，以实现各种工作循环。5）工作介质液压油。绝大多数液压油采用矿物油，系统用它来传递能量或信息。由于液压传动有许多突出的优点，因此，它被广泛地应用于机械制造、工程建筑、石油化工、交通运输、军事器械、矿山冶金、轻工、农机、渔业、林业等各方面。同时，也被应用到航天航空、海洋开发、核能工程和地震预测等各个工程技术领域。BYD-1水草收割船就是以液压为动力来源，并通过液压控制水草收割船的行走、割台的升降以及输送装置的运动。特点：(1)简化结构，提高可靠性。水草收割船是由多个工作模块组成，各工作模块分散在整机的各个部位。若过多地采用皮带、齿轮、链条等机械零件，一方面带来了复杂的结构，另一方面导致可靠性较低。收割过程中密集的水草可能会缠住传动部件，增加传动负荷甚至使机器卡死。运用液压技术，可以使水草收割船在结构上获得简化，可以方便地实现各种功能要求，可方便地控制各种参数，利于动力分配及各模块间的节拍整合与优化，有利于提高收割船的整体性能，提高可靠性。(2) 改善行走驱动系统的性能。水草收割船要求行走系统能适应水上作业的各种复杂情况，如频繁的前进、后退、转向等，在整个收获流程中，水草必须从收割船的前部由前至后、从底到高输送，这就要求行走驱动系统无级调节行驶速度来适应作业中随时变化的水下条件和作物长势。因此采用轮边式静压驱动是最佳的方案，它不但可满足水草收割船对行走驱动系统的特殊要求，而且还可以大大简化行走系统的结构。其次，车轮独立驱动的方式可以实现差速转向，可以实现原地转向。液压转向系统使得转向省力、方便灵活。(3) 实现操纵和控制的多样性。改变变量泵斜盘倾角和方向即可方便的实现平稳换向和变速，前进、倒退、制动、变速只需一根操纵杆即可完成;液压传动装置功率密度大，扭矩惯量比大，因而动态性能好，加之闭式系统在减速过程中己具有制动能力，因而速度变化快捷柔和，冲击小，迅速变换方向和加减速不会损坏传动系统和船体;前进、倒退可以获得相同速度。液压传动这种快速机动性和操纵灵便性大大提高了作业能力，操纵的简便性同时减轻司机的劳动强度，使之能够集中精力用于主要的作业任务而提高生产率。(4) 可控性好。借助于液压元件和各种回路很容易实现液压反馈控制，使发动机-行走机构-外负荷形成一个自控式负荷驱动系统，发动机的转速及转矩适应于外负荷变化而连续变化，发动机和液压系统保持高传动效率。液压控制通过传感器监测各种状态参数，通过计算机运算输出理想的控制目标指令，使在整个工作范围内达到自动化控制，机器的燃料经济性、动力性、作业生产率均可达到最佳值。2 BYD-1水草收割船液压系统的构成分析2.1 液压行走系统的构成2.1.1 控制回路的选择农业机械液压驱动行走系统最常用的型式是轴向活塞变量泵带动一个定量或变量的活塞液压马达的闭式回路。轴向活塞泵使变量的控制简单而可靠。而活塞马达能很方便的反向转动。活塞式泵和马达比其他形式具有较高的容积效率和总效率。轴向活塞泵控变量马达虽然具有双向双变量调速的特性，但是考虑其开发成本(一般说，变量马达比定量马达贵的多)，选用轴向活塞泵控定量马达的方式比较合理。其优点为:(1)通过操纵杆在带负载时可以进行无级调速控制。(2)结构紧凑，只有一个体积不大的补油用的油箱，因而自重轻。(3)油液成闭式环节，不接触空气，减少了混入空气的机会系统中，采用双向变量泵，直接用液压泵的变量机构调节速度和方向，避免了换向阀控制方式造成的节流损失。2.1.2 变量泵控定量马达的无级调速方案的确定变量泵一方面要调节其自身的排量来实现无级变速，另一方面还要使发动机和液压传动系统同外部载荷之间始终保持合理的匹配，这方面的成型技术很多，具体包括电液比例控制和机械液压伺服控制两大类。本文考虑水草收割船作为一种农业机械要求开发成本低一些，因此采用手动式机械液压伺服控制方式来实现发动机和液压传动系统之间的匹配和泵排量的调节，虽然其匹配方式不够精确，但考虑到它的性价比对于水草收割船来说较为合适。 无级变速装置由变量泵、油马达组成，改变液压泵的排量获得不同的传动比，使机具在不停车的状态下同步无级变速，以适应采收不同量的水草。而且仅靠控制变量油泵手柄实现同步无级变速，驾驶员操纵疲劳强度低。由于控制变量泵的手柄可固定在一定位置，可保证泵排量为定值。液压系统伺服缸的进油出口常设有阻尼孔，能限制加速，控制响应时间，在机具变速过程中做到安全，平稳，从而保证机具的收获水草作业质量。此外，变量泵定量马达方案的优点还在于:通过改变泵的排量，水草收割船的理论速度可无级调节。当泵的排量为零时，水草收割船停车。将泵的排量从零增加就可使水草收割船原地起步，结构比较简单(一般说，变量泵比变量马达造价低)。 2.2整机的调速系统构成2.2.1液压系统调速方案采用液压系统进行调速，关键在于如何控制管路系统中的流量，液压系统的调速方式由节流调速和容积调速两种控制形式。节流调速:在液压控制系统中，节流调速是实现各种控制功能的基本手段之一。它具有结构简单，成本低廉，容易调节及控制精度高等优点。但是流体流过阀体不可避免地会产生压力降。这种压力降是实现某种控制所必须的，另一方面，从能量转换角度，会引起系统的发热等不良反映，因此限制了其使用的范围。通常节流调速的控制功率范围不超过5千瓦，更大的功率采用容积调速比较合理。水草收割船割台升降液压系统、输送装置液压系统和切割液压系统就是基于节流调速的这些特点，选用节流调速的。容积调速:利用改变液压泵或液压马达的工作容积的方式来实现调速，叫做容积调速。这种回路具有效率高，所以被广泛的使用。可以根据系统的要求，选择不同的搭配方式，如定量泵控制变量马达，变量泵控制定量马达等，同时还可以根据调速的要求不同选择容积调速元件的不同调节特性，这样可以实现希望的调速特性，又使系统的效率大大提高。容积控制能够适应各种应用的场合，能够在工作状态下使液压参数快速而频繁的变化，从而控制水平大大提高。水草收割船行走液压系统就是基于容积调速的以上特点采用变量泵控制定量马达的。水草收割船液压调速系统:通过以上两种调速方式的分析，水草收割船的液压调速系统包括节流调速和容积调速方式的复合调速系统，下面分别进行说明。水草收割船割台升降液压系统、输送装置液压系统和切割液压系统，采用节流控制措施，这是因为台架升降对位置控制要求高，而输送机构和切割机构对速度稳定要求高，所以采用调速阀很容易控制转速。水草收割船由于工作在水上的特点以及水草品种和产量的不同，因而行走速度要求频繁的变化，采用容积调速方式较为合理。2.3马达驱动方案的选择水草收割船行走驱动轮要求转速不是很高(每分几十转)，使用中既有用低速液压马达直接驱动和高速马达经过齿轮等减速箱驱动的两种方案，习惯上称“低速方案”和“高速方案”。2.3.1低速方案的特点最能体现液压传动布局灵活性的优点，有些可以直接安装在驱动轮上，减少安装空间，为整体设计提供很多方便， 由于节省了液压马达和驱动轮之间的减速装置，因此避免产生功率损失和过多的噪音。2.3.2高速方案的特点低速方案要求液压马达直接和驱动轮连接，这就要求马达输出与负载相配合的扭矩，而且还要承受由驱动轮传来的各种径向和轴向载荷，有时还需要有离合，制动的附加功能。而高速方案可以利用中间传动环节来分担这些功能，对马达的要求相对较低。因此，在很多场合下仍采用高速方案。对于水草收割船行走液压系统采用高速方案，同时由于输送机构和切割机构要求较高的转速，所以输送和切割马达也选用高速方案。3 BYD-1水草收割船液压系统的设计3.1 BYD-1水草收割船液压原理设计3.1.1行走液压驱动系统图3-1 水草收割船的单边行走驱动回路行走系统的工作原理及基本组成。现在农业机械中，由于对机器的正，反方向行走及制动的要求，本文行走液压系统采用闭式回路。为了适应这种载荷的特点，同时考虑农业机械价格因素的特点，水草收割船的行走驱动采用轴向柱塞变量泵带动一个定量的柱塞液压马达的闭式回路，且为双泵双定量马达组成的左右独立驰动回路。轴向柱塞泵使变量的控制简单而可靠。径向柱塞式马达能很方便地反向转动。柱塞式泵和马达比其他形式具有较高的容积效率和总效率。同时，两边回路进行统一控制，即可联动实现船体的前进，后退及相应的速度改变，又可分别动作，实现不同方向的转弯和原地转弯。如图 31采用一个具有定量马达的液压行走驱动。充油泵的输出通过变量泵上充当入口的那一个通道(由马达的转动方向决定)进入闭式回路，而其多余的油液则在马达端通过充油压力控制阀(溢流阀)而离开此回路。梭行滑阀能自动使回路(的任一支路)的低压端与充油压力控制阀相连接。由充油压力控制阀出来的自由油流，经过液压马达和泵壳油路使泵和马达得到冷却，最后流到贮油箱中。图3-3 水草收割船行走系统的传动方案驱动系统由变量泵，定量马达，补油泵，补油溢流阀,单向阀，安全阀，梭阀,溢流阀和油箱组成。在这个系统中泵既是液压能源，又是主要的控制元件。通过泵的变量改变主油路中的油的流量和方向，实现船体的变速和换向，可以充分发挥液压传动的优点。闭式回路的主轴上通轴上设置一小排量齿轮补油泵，补油溢流阀和补油单向阀多集成于主泵，冲洗冷却阀组则集成于马达。补油溢流阀调节补油压力，补油单向阀选择补油方向，向主油路低压侧补油，以补偿由于泵，马达容积损失及由冲洗冷却阀组中卸掉之流量。补油泵的存在使系统增加了一部分很小的稳定的附加损失，但其排量和压力相对于主泵很小，因此其附加功率损失通常仅为传动装置总功率的1%2%，可以不计。行驶驱动系统的传动方案。对于行驶系统采用液压传动方式的水草收割船来说，其动力传动方式为分置式结构，即发动机带动左，右变量泵，经左右液压马达后传递到轮边减速装置，在经减速后驱动左右履带使机械行走。其整个传动路线如图3一3图3-4 割台升降系统3.1.2 割台升降液压系统设计如图 3-4 所示，台架升降台是由平衡阀和左右并联液压缸组成。左右液压缸之所以采用并联的方式，主要是因为台架左右液压缸所受到的力基本相同，而且速度也基本相同。采用平衡阀的目的是为了防止在液压缸回程时不至于产生台架过快的降下来，从而在一定的负载情况下，有效的缓解台架的降速。3.1.3输送装置和切割装置的液压系统设计图3-5 输送装置和切割装置液压系统水草收割船输送装置由液压马达控制传送带组成，传送带只向一个方向移动因此用一个单向液压马达控制即可。在换向阀迅速关闭时，回转机构的制动力矩比启动力矩大得多，会产生压力冲击，造成液压管路和构件的破坏。解决制动时压力冲击的措施就是限制制动压力，从而限制制动力矩不致过大。在液压马达两条油路上安装一个直动式小流量溢流阀（也称缓冲阀）起限制作用。在制动过程中，让封闭的高压油液通过缓冲阀溢出一些，起缓冲降压作用。一般将缓冲阀的调定压力和主溢流阀调成一样或略低，这样可保证启动力矩和制动力矩几乎相等，使回转机构不仅有一样制动作用，而且制动比较平稳，冲击力小，缓冲后的油液进入另一油路，起补油作用。切割装置也是单向运动，因此可用同样的系统。3.2水草收割船液压系统草图根据前面的单个系统设计分析后，画出水草收割船的整个液压系统原理图。如图36所示。图36 水草收割船液压系统草图3.3 液压系统参数的理论分析3.3.1 液压缸的分析设计1初选系统工作压力 水草收割船属于农业机械取工作压力16MPa。2液压缸主要是起到使割台升降的作用，其在运动过程中受到外部载荷F 工作载荷F每缸受力取最大值F=G=50009.8=49000N 液压缸的有效作用面积 液压缸的直径 则根据杆径比求得活塞杆直径根据GB/T2348-1993进行圆整，活塞内径为63mm，活塞杆直径为45mm。3计算液压缸所需流量 式中A液压缸有效作用面积（）；v活塞与缸体的相对速度（m/s）取20mm/s。3.3.2液压马达的分析与设计1行走系统行走系统液压马达控制水草收割船的前进、后退和转向。水草收割船总阻力根据经验公式取 式中：sk 粘性阻力系数；w 兴波阻力系数R1= (1+Q)()= (1+1.6) 10.1 = 26.3 NR2= (1+Q)()= (1+1.6) 78.4 = 204 N根据明轮推进器的推力P=Gpn2D2Fp式中：Gp推进力系数，查得Gp = 5.5；Fp明轮的水力作用面积Fp=2 BkTk= 20.50.326=0.326m2n明轮工作转速，n = 0.6 r/s；计算得明轮总推进力P = 854 N ，单个轮推力F轮=P/2=427N根据明轮轴的设计计算，轴的转矩 T=9549=4809.61Nm 式中：转速n = 0.15 r/s功率P=Np=1.15kw液压马达的排量为 式中T马达的载荷转矩（Nm）；液压马达的进出口压差。液压马达所需流量 式中q液压马达排量（）；nm液压马达的转速（r/s）。根据手册选用型号为YLM16-2000的液压马达两个。参数如下：排量V=2034 ml/r；额定压力P1=16Mpa；最高压力P2=25Mpa；额定扭矩T1=6030Nm单位理论扭矩T2=323Nm；转速范围2320r/min。2输送装置由于输送带在工作时一部分是在水中，在行进中会产生行进阻力。由经验公式，输送带产生的阻力可由下计算： 式中：a物体垂直于运动方向的截面积，a = 1.20.8 = 0.96m2；c阻力系数，查得c = 1.12；输送带阻力只有在收割水草时产生，所以V = V1 = 0.556 m/s代入公式得： Rx = 166.19 N考虑水草的附加阻力Rf = Rx则前输送带阻力：R = Rf + Rx = 332.38 N。当进行水草收割作业时，水草收割机总阻力R1 = 332.38 + 26.3 = 358.68 N；航行时总阻力R2 = 204 N。根据输送装置的设计计算，输入传送带的扭矩为T=198.58Nm。查手册选择型号为YLM1-63的液压马达。参数如下排量V=64 ml/r；压力P=25Mpa；扭矩T=225Nm；转速范围151500r/min。同样根据切割装置的设计计算，输入切割机主轴的转速为738 r/min。查机械设计手册选择型号为YLM1-63的液压马达。参数如下排量V=64 ml/r；压力P=25Mpa；扭矩T=225Nm；转速范围151500r/min。马达流量 3.3.3液压泵的选择与设计液压泵的最大工作压力 式中液压缸或马达最大工作压力；从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。取0.5Mpa。即16+0.5=16.5Mpa。液压泵的流量 式中K系统泄漏系数，一般取K=1.11.3，这里取K=1.2.同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量，对于用节流阀调速的系统还需要加上溢流阀的最小流量，一般取。即行走系统液压泵的流量取 控制输送装置、切割装置和割台升降的液压泵的流量取 选择液压泵的规格根据和选择泵，为使泵有一定压力储备，所选泵的额定压力一般比最大压力大25%60%。对于行走系统，从手册中选择型号为200GM14-1B的斜盘式轴向柱塞液压泵，参数如下 公称压力20Mpa，公称排量200Ml/r,额定转速1000转，公称流量200L/min，最大理论转矩666NM。而控制输送装置、切割装置和割台升降的液压泵选择径向柱塞定量泵JB-G100，排量100 mL/r ，额定压力25Mpa，最高压力32Mpa，最高转速1500r/min。3.3.4 液压阀的选择根据系统的工作压力和实际通过阀的最大流量选择，溢流阀按泵的最大流量选，节流阀和调速阀，考虑最小稳定流量应满足执行机构最低稳定速度的要求。控制阀的流量一定比实际通过的流量大一些，允许有20%以内的短时间过流量。3.3.5管道的尺寸的确定 管道内径计算 式中Q通过管道内的流量（）；v管道内允许流速（m/s）计算出内径后根据GB/T2351-1993标准选取液压泵吸油管道取25mm。3.3.6液压泵站的选择根据需要选择PER4560WT-RW电动泵站。流量2.1L/min，油箱可用油60L。结 论 经过几个月的努力，终于将水草收割船液压系统的设计完成了，经过这次毕业设计我复习巩固了液压传动的各方面内容，对液压系统设计的流程有了一定的了解;对液压的应用有了进一步的认识，把液压与实际生活的事物可以联系起来。本次设计内容需要在图书馆内查阅有关的知识，在网上寻找相应的资料，来丰富及完善自己的设计，并提高了书写报告的能力，并在AutoCAD上绘制出水草收割船液压系统的装配图和零件图，巩固了自身AutoCAD的实际应用水平。参考文献1 王文深，王保铭编. 液压与气动 M.机械工业出版社2009.82王昌禄编. 简明机械设计 M. 北京：中国农业机械出版社，1984.6.3 汪恺主编. 机械设计标准应用手册 M. 北京：机械工业出版社，1997.8.4 实用机械设计手册编写组编 实用机械设计手册 M北京：机械工业出版社，1998.5 濮良贵编等.机械设计.M.西安：高等教育出版社，2005.6 秦曾煌编等.电工学.M.哈尔滨：高等教育出版社，2003.7 孙桓编等.机械原理.M.西安.高等教育出版社，2003.8 徐金详.小型水下清淤机的设计及应用.J.排灌机械，2003，219 韩青松.基于ProE的水草收割机明轮装置建模与仿真.J.农机化研究，200110 田勇编著. 液压与气压传动技术 M. 北京：电子工业出版社，2011.11
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