毕业设计（论文）-起重铺管船铺设塔液压系统设计

本科生毕业设计（论文）论文题目起重铺管船铺设塔液压系统设计作者姓名专业指导教师2023年月本科生毕业设计（论文）起重铺管船铺设塔液压系统设计学院：专业：姓名：学号：指导教师：答辩日期：STYLEREF标题1摘要STYLEREF标题1摘要-摘要-PAGE8--PAGE9-第1章绪论1.1课题研究背景深海石油资源的开发和利用在现如今如火如荼的进行，大量的石油资源被开采和利用，那么就需要一种设备用于深海石油开采的管道铺设作业。这种铺管船铺设塔的需求就越来越高，石油开采不断攀升，设备需求也不断地被强烈需求。那么研究这种铺管船铺设塔显得迫在眉睫。铺管船铺设塔中最重要的动力执行机构就是他的液压系统，所以针对设计这种铺管船铺设塔的液压系统是具有重要的研究意义和价值。通过对现在市场上的现有的铺管船铺设塔的液压系统进行研究发现，相应的配套液压系统不够稳定、控制精度不高、能量损失大和不能适应深海作业的恶劣工况，容易出现系统油路问题。针对以上问题，我们积亟需找到解决办法，对铺管船铺设塔液压系统进行全新的设计和优化，满足各种动作要求的同时还能解决上述所有问题，这也是对深海石油开采日益攀升的一个现实的技术支持。通过对液压系统进行设计优化，设计出一种全新的智能化控制的能很好满足海上石油开采的铺管船铺设塔液压系统。本课题针对设计的是一种铺管船铺设塔液压系统的设计，是一种专门适配海上石油开采铺管的铺管船铺设塔的液压系统的设计，对比市场其他现有设备系统，有着显著的优势所在，同时解决了市场产品存在的一系列的问题，是一种全新的设计，全新的研究，是针对这种专用设备的专用液压系统设计。市场需要一种结构紧凑、操作简单、易于维修养护、功能齐全的液压系统，需要一种能应对各种恶劣工作条件、能适配执行动作要求且能高效工作的液压系统。所以本文针对这种铺管船铺设塔液压系统进行深入研究，对国内外研究现状进行分析，对市场多系列多参数的不同类型的液压系统进行研究，对工况进行分析，对作业中需要达到的要求进行综合考虑，对于现在市场上的普遍容易出现的问题进行重点研究，对于小尺寸集约型进行优化设计液压泵站，实现紧凑而高效进行分析，同时结合现在市场需求和对于经济成本进行综合考虑等设计出这种专用海上铺管船铺设塔液压系统。这种液压系统可以很好的配合铺管船铺管工作，适配总体工艺流程，同时综合多种优点于一身。他的设计及推广使用是必要的，可以在现实生活中产生经济效益和社会效益。1.2课题技术现状半潜式起重铺管船(SSCV)是一种柱稳式的移动平台，分为上浮体、立柱、下浮体三部分，可以在深水海域进行大型结构物起重和J-lay铺管，且耐波性能优异，在恶劣海况条件下的可作业天数大幅高于传统船型工程船。半潜式起重铺管船造价昂贵、技术难度大，这种船型在世界范围内都很少，核心技术一直被国外公司垄断。作为自主研发半潜式起重铺管船的前期研究，对半潜式起重铺管船国内外的发展现状进行了总结，并对这种船型的主要特点进行了介绍，为国内技术人员进一步的研究提供参考。一、铺管方法随着世界海洋石油的大面积开发，对深水起重铺管船的需求垣越来越大。随着世界海洋石油不断向深水发展，对深水起蘑铺管船的性能要求也越来越高。世界海洋石油工业的高速发展推动了深水起霞铺管船的快速发展，也带动了起重铺管船装备的快速发展。我国的深水油气开发虽然起步较晚，但发展势头之猛、发展速度之快，令世人瞩目。但我国的深水油气田开发的施工装备与国外仍有一定的差距近年来，国家加大了研发投入力度，相关的企业也加快了市场开发步伐，希望能够为此提供一些有益的参考。铺管方法主要有拖管法、S形铺管法(S-lay)、J形铺管法(J．1ay)、卷简式铺管法(ReellayandCarousellay)以及垂直铺管法：(verticallay)1、拖管法在近海浅水区铺设海底管道时，通常采用拖管法，拖管法中的管道一般在路上组装场地或在浅水避风水域中的铺管船上组装成规定的长度，然后用起吊装置将管道吊到发送轨道上，再绑上浮筒和托管头，用拖船将管道拖下水，按预定航线将管道就位、下沉，最后将各管道对接，完成管道铺设全过程。目前拖管法已经发展为4种方式：浮拖、水面下拖行、离地拖和底托。1.1浮拖浮拖是利用浮筒调节管道浮力使其漂浮在水面上，然后再用大马力主拖牵引管道首段延既定航线航行，尾拖轮牵引管道尾端控制其横向漂移以保证管道安全。浮拖法主要应用于海面风浪较小的海域，受管道尺寸、海水流速、拖轮大小等因素限制，每次浮拖的管道长度从几百米到几千米不等。1.2水面下拖行水面下拖行与浮拖法相似，只是将管道位置调整到水面下一定深度进行拖行。与浮拖法相比，水面下拖行的管道受风、波浪等环境载荷的直接作用较小，管道更安全。1.3离底托离底托是利用浮筒和拖链将管道悬浮在海床以上一定高度，再由水面拖轮进行牵引前进，既减小了海面风浪的影响，又避开了海底障碍和地形起伏，因而适应围较广。离底托法中需要根据管道尺寸、允许及还留等环境条件计算浮筒、拖链的个数和间距，施工工艺比较复杂。1.3课题研究目的设计一款用于深海石油开采铺管的铺管船铺设塔液压系统，能精准控制，利用PLC集中控制，比例阀伺服反馈。同时可以实收管、张紧器张紧和塔架角度调节等功能。本文设计主要对铺管的铺管船铺设塔液压系统进行设计优化，使整个系统的原理更加方便现实生活中对于铺管的铺管船铺设塔铺管流程，整个系统更加稳定平顺，实现了机械化，智能化，大大提高了作业质量和工作效率，大大降低了劳动强度。这种系统设计为了实现：（1）专用性强，液压系统结构紧凑，安装方便，装配周期短。（2）作业功能全，可以实收管、张紧器张紧和塔架角度调节等功能，功能涵盖广。（3）整个系统配置灵活，外观整齐，维护保养容易。（4）标准化、通用化和集成化程度高。（5）智能化水平高，系统采用PLC控制，数字传感器反馈，高效、方便、精准。1.4课题研究内容本课题针对铺管船铺设塔液压系统设计等进行研究，首先进行工况的分析，工作范围的确定，进行常规使用情况下的数据选用，首先根据已知条件给出的负载力、泵站液压系统压力和油缸基本参数，接着计算出整个液压系统中液压泵相关参数，选定液压泵后进行功率计算确定电机参数与型号，在计算出油箱的容积，根据得出的参数选择液压系统的各个元件，再进行原理图的设计，最后进行校核。完成一套压机的液压系统设计。主要内容如下：（1）根据任务书，搜集本课题的研究内容的背景、发展现状以及研究的主要目的和内容；（2）市场调研，查阅文献，整理收集资料，明确课题任务；（3）对工作原理及受力进行分析与模块化划分，收集不同规格系统参数；设计模块化组合结构；确定压机油缸受力、动作原理、液压系统原理、相关参数及要求，初步确定压机实现整体功能的结构。（4）液压系统的设计、集成块的设计、液压油箱的设计、阀孔及流道参数的设计计算、各类控制阀的选型设计、集成块阀组的组装装配、系统参数的计算和系统性能的验证等设计；（5）绘制液压系统原理图、阀组装配图、阀块加工图、三维建模、三维装配、二维图等；（6）对整个设计过程进行一个系统的总结；（7）整理设计资料，完善并提交设计成果，准备答辩；1.5课题解决问题及措施（1）针对常规的铺管船铺设塔液压系统中控制精度低、操作费时费力等问题。本课题设计的这种系统采用PLC控制，利用PLC的计算机技术、半导体技术、自动控制技术、数字控制技术和网络控制技术从而实现了参数动态管理，动态设置，伺服反馈，精确高效，从而解决了上述问题。（2）针对市场上铺管船铺设塔液压系统中的油箱大、能耗高、效率低问题。系统采用变量泵，可以自动适应负载的变化而变化，减少不必要的能量浪费，同时对整个液压系统进行优化设计，减小了整个泵站的体积大、能耗高、效率低问题；设置冷却器，这样可以进而减小油箱体积，同时还能减少系统发热较多损坏元件的问题；系统采用卸荷回路，降低功率损耗问题。（3）针对保压问题、过载问题、油缸停止时的静态平衡问题、过程的速度控制问题等。系统采用卸荷回路、流量调节阀和液压锁等，保证整个油路的动作平稳、过载保护和减少冲击等问题。第2章液压系统的设计与分析2.1基本参数系统额定压力：20MPa系统最大压力：25MPa系统额定流量：200L/min系统最大流量：250L/min泵最大流量：300L/min最大张紧力：75T=750KN2.2液压系统原理图的设计图2-1起重铺管船铺设塔液压系统原理图2.3液压系统原理图的分析根据工况确定其需要的动作，然后进行了液压系统原理图的设计与确定，最终设计出图2-1中的原理图。现对此液压原理图进行详细分析如下：整个起重铺管船铺设塔液压系统由一个变量泵提供动力油源，由三个子系统组成整个液压系统，一个备用泵备用系统。具体三个子系统如下：收管系统、张紧器张紧系统和塔架角度调节系统。收管系统：启动电机4.1，电机4.1通过联轴器与液压泵3.1连接，然后带动泵3.1工作，泵3.1以一定转速运转后，从油箱1中吸油，油液经过吸油过滤器2.1进入到泵3.1中再以一定排量的油液进入到收管系统中，油液到达比例换向阀11.1的P口，当换向阀处于中位的时候，P口堵死，油液不通；当比例换向阀11.1的右侧通电，阀芯左移，右位工作，油液经过P口到达A口，然后经过叠加式双向节流阀12.1到达收管马达15的一端，油液驱动马达旋转开始收管；当比例换向阀11.1的左侧通电，阀芯右移，左位工作，油液经过P口到达B口，然后经过叠加式双向节流阀12.1到达收管马达15的另外一端，油液驱动马达旋转开始放管。整个子回路中叠加式双向节流阀12.1是调节收管和放管的速度，使得到所需的工作状态。张紧器张紧系统：启动电机4.1，电机4.1通过联轴器与液压泵3.1连接，然后带动泵3.1工作，泵3.1以一定转速运转后，从油箱1中吸油，油液经过吸油过滤器2.1进入到泵3.1中再以一定排量的油液进入到张紧器张紧系统中，油液到达比例换向阀11.2的P口，当换向阀处于中位的时候，P口堵死，油液不通；当比例换向阀11.2的右侧通电，阀芯左移，右位工作，油液经过P口到达A口，然后经过双叠加式双向液压锁13.1和叠加式双向节流阀12.2到达张紧器张紧油缸组的无杆腔，油液推动缸杆伸出，进而控制张紧器实现张紧功能；当比例换向阀11.2的左侧通电，阀芯右移，左位工作，油液经过P口到达B口，然后经过双叠加式双向液压锁13.1和叠加式双向节流阀12.2到达张紧器张紧油缸组的有杆腔，油液推动缸杆缩回，进而控制张紧器实现松开的功能。整个子回路中双向节流阀12.2是能调节系统的速度，使得到所需的张紧速度，双向液压锁是在油缸停留在任意位置能锁死油路，防止误动，同时在张紧状态下能长时间保持张紧力不变。塔架角度调节系统：启动电机4.1，电机4.1通过联轴器与液压泵3.1连接，然后带动泵3.1工作，泵3.1以一定转速运转后，从油箱1中吸油，油液经过吸油过滤器2.1进入到泵3.1中再以一定排量的油液进入到张紧器张紧系统中，油液到达比例换向阀11.3的P口，当换向阀处于中位的时候，P口堵死，油液不通；当比例换向阀11.3的右侧通电，阀芯左移，右位工作，油液经过P口到达A口，然后经过双叠加式双向液压锁13.2和叠加式双向节流阀12.3到达塔架角度调节油缸组的无杆腔，油液推动缸杆伸出，进而控制塔架实现仰升状态；当比例换向阀11.3的左侧通电，阀芯右移，左位工作，油液经过P口到达B口，然后经过双叠加式双向液压锁13.2和叠加式双向节流阀12.3到达塔架角度调节油缸组的有杆腔，油液推动缸杆缩回，进而控制塔架实现俯降状态。整个子回路中双向节流阀12.3是能调节系统的速度，使得到所需的调节速度，双向液压锁是在油缸停留在任意位置能锁死油路，防止误动，同时在某个角度状态下能长时间保持角度不变。整个系统中，电磁溢流阀6.1的作用是调节系统压力，同时在需要卸荷的时候，电磁阀控制溢流阀卸荷；蓄能器9是吸收油路震荡，在压力较高时吸收能量，在压力较低时释放能量提供动力源。第3章液压元件的计算与选型3.1基本参数确定最大张紧力为F=750KN,系统工作压力由设备类型、载荷大小、结构要求和技术水平而定，还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不经济;反之，压力选得太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。一般来说，对于固定的尺寸不太受限的设备，压力可以选低一些，行走机械重载设备压力要选得高一些。系统工作压力高，省材料，结构紧凑，重量轻，是液压的发展方向，但要注意治漏、噪声控制和可靠性问题的妥善处理。具体选择参考表3-1，3-2。表3-1按载荷选择工作压力载荷/kN＜55～1010～2020～3030～50＞50工作压力/MPa＜0.8～11.5～22.5～33～44～5≥5表3-2各类设备常用的工作压力设备类型压力范围/MPa压力等级说明设备类型压力范围/MPa压力等级说明机床、压铸机、汽车＜7低压低噪声、高可靠性系统油压机、冶金机械、挖掘机、重型机械21～31.5高压空间有限、响应速度高、大功率下降低成本农业机械、工矿车辆、注塑机、船用机械、搬运机械、工程机械、冶金机械7～212中压一般系统金刚石压机、耐压试验饥、飞机、液压机具＞31.5超高压追求大作用力、减轻重量综上可知，考虑到实际，取系统压力为20MPa。3.2张紧油缸的设计与计算3.2.1张紧油缸的参数计算（1）液压缸的缸径设计计算液压缸的缸径一般指的是油缸的缸筒的内径，它的大小决定了受压的截面积的大小，同时决定了液压油缸的运行的速度。油缸一般工作的时候回油的油路会和油箱接通的，接通后回油管的油压就是和油箱的油压是一样的，此时回油的油液压力一般为PO=0，已知张紧力最大力为750KN，双缸驱动，每个缸的力为375KN，，系统工作压力P=20Mpa，则缸筒内径：D==参照标准系列表，取D=160mm其中：D——缸筒的内径F1——液压缸最大推力P——液压缸最高工作压力η——液压缸总效率，通常取η=95%（2）液压缸壁厚设计计算当壁厚δ＞油缸内径的时候，即δ＞时，按厚壁筒公式计算：δ=当壁厚δ小于或等于油缸的缸径D的时,按薄壁筒公式计算,δ=式中：P——液压缸最大工作压力（MPa）[σ]——许用应力（Mpa），[σ]=，其中，σb为材料强度极限，n为安全系数；通常取n=3.5～5，δ——缸筒的壁厚（mm）查阅相关资料可得，45号钢的σb=600Mpa，中大型的工况，所以它的安全系数取6，对应的[σ]=。薄壁公式计算：δ≥用薄壁筒公式正确。考虑留有加工余量，取δ=20缸体外径尺寸：D1＝D+2＝160+2×20＝200mm（3）活塞杆设计计算首先根据速比的表选定速比表3-3速比与压力表公称压力≤1012.5~20≥20速比1.331.462因为油缸的公称压力为20MPa,选取速比为2通常是由速比μ得出计算出的，速比的定义是液压油缸收缩的速度与液压油缸伸出的速度之比，即：μ=。速比通常都是大于1的，如果速度比越大，那么油缸的活塞杆杆径就会越大越大，这样就会越有利于活塞杆的稳定性，一般情况下，μ在1.25～2范围内变化。考虑到活塞杆的稳定性和强度以及上表中的压力，取μ=2。d=D式中：d——活塞杆外径D——缸筒内径μ——速度比圆整并参考缸杆尺寸标准，取：d=120mm；3.2.2张紧油缸的结构设计油缸的结构设计图3-1油缸结构示意图当压力油由右面油口进入时，油液经过环形节流孔进入到油缸缸杆的右端面，进而作用在缸杆右端面和活塞右端面，当压力油持续升高时，油液推动缸杆伸出，从而实现油缸伸出动作。当压力油由左面的油口进入时，油液经过流道进入到活塞左端面，当油液压力持续升高时，油液推动缸杆收缩，从而实现油缸缩回动作。当油缸缩回的时候往往会产生剧烈撞击，不稳定，所以在油缸的右端设置一个环形节流孔通油，这样会形成节流效果，从而起到缓冲作用，使油缸在工作中更加平稳有效。1、油缸缸筒（1）缸筒结构一般一般来说，活塞油缸的缸筒和端盖的连接形式取决于其使用场合、工作压力等因素。端盖分为前端盖和后端盖，前端盖密封活塞室并起到引导活塞杆的作用，后端盖则连接和固定座位。液压缸筒与端盖之间常用8种连接方式，包括内螺纹、法兰、焊接、外螺纹、外卡环、拉杆、内卡环和挡圈。其中，焊接仅用以缸筒和后端盖之间的连接。这些不同的连接方式适用于不同的液压缸应用场景，选择正确的连接方式可以保证液压系统的安全和稳定运行。（2）缸筒结构由于液压油缸筒体需要承受高压和冲击，因此其材料需要具有足够的强度和韧性。对于采用焊接方式连接的缸筒，同时需要具备良好的焊接性能。目前，最常使用的缸筒材料是热轧或冷拔无缝钢管。（3）缸筒加工要求缸筒加工要求高精度、光洁度、适中粗糙度、高圆度与直线度，并需保证内表面硬度和材料好，以承受高压和大功率的运行。加工过程中，需要严格控制工艺参数，如切削速度、进给量和切削深度等，以确保几何尺寸精度和表面光洁度达到设计要求。此外，缸筒的内壁粗糙度需要适中，不能过度抛光，否则会影响密封垫片的接触面积和密封优良度，圆度和直线度要求高，以确保密封件的密封性和轴向运动的准确性为了保护缸筒不受腐蚀，并满足一些特殊需求，我们将对缸筒内表面进行镀铬处理，确保镀层的厚度达到30-40，并在镀后进行珩磨或抛光处理。这样可以使缸筒内表面更加光滑，有助于优化汽车发动机的性能。缸筒内径圆柱度一般为0.02-0.05，粗糙度一般为0.4，表面的形位公差和粗糙度都保证后，这样才能保证整个油缸的安全高效的运行，不会发生漏油和卡顿等现象，提高油缸的运动效率。缸筒加工要求见图3-2：图3-2缸筒加工要求2、油缸活塞杆（1）活塞杆结构A活塞杆的杆体如图3-3所示，活塞杆的杆体有两种：实心杆、空心杆。实心杆加工简单，广泛应用。中空杆多用于d/D比值较大或者杆体内部有位置传感器等场合。图3-3实心与空心杆结构B活塞杆的外端结构活塞杆的外端是油缸与负载装置连接的位置，一般有多种连接结构，具体见下图4.3。图3-4活塞杆外端部连接结构形式（2）活塞杆材料活塞杆的材料及相关特性详见下表3-4。表3-4活塞杆常用材料及机械性能材料牌号机械性能热处理表面处理σbσsσb35号碳素钢≥520≥31015调质镀铬45号碳素钢≥600≥34013调质镀铬502号碳素钢≥640≥38014调质镀铬35CrMo铬钼钢≥1000≥85012调质镀铬Cr18Ni9不锈钢≥500≥20045淬火（3）活塞杆加工要求活塞杆表面处理：镀硬铬，厚度15-25μm；在恶劣的、腐蚀性极强的工作环境中，需要新型的防腐要求。活塞杆外径公差f7-f9，直线度≤0.02mm/100mm，表面粗糙度≤0.3-0.5μm。圆柱度公差为8级精度。要求加工精度高，性能稳定；活塞杆材料：无缝钢管45。本文采用的是实心的缸杆，活塞杆外径公差是f9。3、油缸活塞塞结构形式：螺纹或卡键与活塞杆相连形式；本文设计的液压缸的活塞采用螺纹连接形式，采用活塞杆和螺母相连接，实现活塞的固定。活塞和活塞杆之间的连接需要留有一定的间隙，然后通过固定密封方式来保证密封效果。通常采用O形圈进行密封，O形圈的安装位置在活塞杆上的密封槽，加工比较方便。这种连接方式可以简单实用，同时密封效果好，保证了活塞和活塞杆的连接质量。4、油缸导向套导向套材料选择球墨铸铁或45号钢加支承环；导向套不仅要起到密封作用，同时还要考虑与活塞杆的密封和防尘问题，好的选用可以避免产生“拉缸”现象。导向套滑动支承面的长度一般是0.6～1.0倍的活塞杆直径。一般导向套有三种形式，具体结构见下图4.4。其中a为卡键连接：缸筒和导向套依靠卡键的左右进行固定。b为外螺纹连接：通过缸盖的外螺纹与缸筒通过螺纹连接在一起。c为内螺纹连接：缸筒与导向套通过内螺纹连接在一起。图3-5导向套结构形式5、油缸缓冲装置通常油缸会设置缓冲装置，用于减缓油缸工作中的急停急起引起的油路震荡。通常油缸在未设置缓冲装置的时候，较高的冲击压力会造成噪声、震动，更严重的会造成油缸机械结构的损坏，所以油缸在设计的时候，一般会设置缓冲装置，用于油缸工作中缓冲保护作用。图3-6缓冲结构形式与压力曲线由上图3-6左图可知，当油缸活塞被压力油推到端部的时候，端部会形成一个密闭腔体A，急剧升压，造成油液只能通过节流孔被挤出，此时就会在A腔形成一个高压的区域，这个高压区域会形成一定的反冲力作用于油缸活塞，使得油缸活塞收到阻力增大，开始降速。右图是缓冲区的缓冲活塞和缓冲腔压力曲线示意图。6、油缸的密封密封对于油缸来说至关重要，一般密封可以分为间隙密封和接触密封。间隙密封：指利用两个相互运动的零件之间的配合间隙来完成的密封，一般常用于液压阀中。接触密封：接触密封分为：O形圈密封、唇形密封和组合密封。其中应用最广泛的就是O形圈密封。O形圈一般是圆形截面，材料为丁腈橡胶或者氟橡胶。图3-7O形圈密封形式唇形密封长用的一种形式就是XY密封，通过唇口张力扩充完成密封。图3-8唇形密封形式组合密封是一种接近完美的密封形式，采用聚四氟乙烯的滑动环加上O形圈的一种密封形式，密封效果最佳。图3-9组合密封形式3.3收线回转马达的选型设定收线回转马达最大扭矩为400N.m液压马达的最高工作压力为20Mpa马达的排量为：马达流量为：取容积效率马达输出最大功率选择YLM2-150马达，额定压力25MPa，理论排量159ml/r，输出转矩为620N·m。3.4液压泵的选型（1）确定液压泵的最大工作压力Pp式中：P1—液压系统最大工作压力；P1=20MPa—进油路上总压力损失，=0.5MPa（简单系统0.2-0.5MPa，复杂系统0.5-1.5MPa）则：≥20+0.5=20.5MPa∵所选泵的最大压力一般要比最大工作压力大25%～60%∴选取的液压泵要求压力为2、液压泵流量的确定式中：K—系统泄露系数，一般取K=1.1～1.3，这里取K=1.2；—高压系统液压元件最大总流量，=250L/min（根据回路经验值）则：=1.2×250=300L/min故选择液压泵供油，型号为A11VLO145，额定压力35MPa，尖峰压力40MPa，最大工作流量300L/min。3.5电机功率的确定驱动功率为：式中：—最大额定压力，=35MPa—泵最大流量，=300L/min—总效率，=0.95则：电动机一般允许在短时间内超载0-25%，因此，取电机的功率为160KW。故根据《机械设计手册》第五卷，变频电机选定Y315L1-4型三相异步变频电动机，其额定功率为160KW，同步转速为1500r/min3.6油箱的设计油箱容量可按下面的经验公式计算得到;也可按系统发热温升计算公式确定。V=ξQp式中:V-油箱的有效容积(L);Qp-液压系统的额定流量(L/min);ξ-与系统压力有关的经验系数:低压系统ξ=2~4,中压系统ξ=5~7,高压系统ξ=10~12。对于行走机械或经常间断作业的设备，系数取较小值;对于安装空间允许的固定机械，或需借助油箱顶盖安放液压泵和电动机和液压集成装置时，系数可适当取较大值。由上式可知V=ξQp=10×250=2500（L)又因液压油箱油液基本占据油箱2/3，所以油箱要比计算值大10%-25%所以，油箱设计为3150L油箱表3-5油箱容量JB∕T7938-199946.310254063100160250315400500630800100012501600200031504000500063000图3-10油箱结构图3.7管路的设计依据工作压力、工作环境和液压装置的总体布局，对于具有不同管路长度的刚性连接，一般使用硬管。由于硬管流动阻力小，安全可靠性高且成本低，油管与执行机构的运动部分并未一起。所以初步选用硬管（钢管），材料为钢。

管道内径一般根据所通过的流量和允许流速，按下式计算：δ≥式中q—通过油管的最大流量;ν—油管中允许流速;d—油管内径;δ—油管壁厚;p—管内最高工作压力;σb—管材抗拉强度;n—安全系数。主系统吸油管：油液流经吸油管时允许流速为0.5-1.5m/s，取v=1.5m/s，吸油管初步选择为10号冷拔无缝钢管，钢管外径为60mm，吸油管管壁厚取8mm。辅系统吸油管：吸油管初步选择为10号冷拔无缝钢管，钢管外径为45mm，吸油管管壁厚取6mm。管接头第一类为压油管与泵吸油口连接，选择法兰连接，型号尺寸同泵进油口；第二类为管道与管道之间，选择直接焊接；第三类为管道与油箱表面之间，采用法兰盘。同理可以计算出：回油管钢管外径45mm，壁厚5mm系统中压力管外径40mm，壁厚5mm。升降油路中钢管外径35mm，壁厚3mm。3.8液压元件选择各种阀门选型应该根据标准液压手册中列出的零件型号进行选择。各类阀门的额定压力和额定流量应接近其工作压力和最大流量，最大流量不得超过额定流量的20%。选择安全阀，以确保液压泵的总流量。此外，所有的压力阀都必须具有适当的压力控制范围，以使额定工作压力不高于工作压力。流量阀和阀门的最小恒定流量满足液压系统执行器的最小稳定速度。选择节流阀时，实际流量不得低于阀门额定流量，避免过度偏差误差（或恢复误差）。过滤精度应注意允许通过的流量满足系统使用和清洁回路；流量容量应大于或等于实际流量的两倍；过滤器的耐受压力应大于其安装现场的系统压力；适用场合一般根据产品样例检查职业代码描述。其余各阀的选择应注意系统最大压力和最大流量值，所选取型号规格要略大于最大压力和流量。表3-6各液压元件型号选择序号液压元件名称型号数量1吸油过滤器XU-40022精过滤器GU-H1023电机Y315L-424变量柱塞泵A11VLO14525先导式溢流阀DBW2026马达YLM2-15017比例电液动换向阀4WSE3EE2538蓄能器NXQ19叠加式双向液压锁Z2S22210叠加式双向节流阀Z2FS22311冷却器SL-421112液位计YWZ-400113单向阀S202第4章液压系统的性能验算4.1系统效率η的估算估算液压系统效率η时，主要应考虑液压泵的总效率ηp、液压执行器的总效率ηA及液压回路的效率ηc。η可由下式计算:η=ηpηAηc其中液压泵的总效率可由产品样本查得，液压执行器总效率一般取0.9-0.95。取ηp=0.8，ηA=0.95液压回路效率ηc可由下式计算：ηc=η=ηpηAηc=0.8*0.95*0.74=0.64.2发热温升估算及热交换器的选择4.2.1发热温升估算液压系统的压力、容积和机械损失构成总的能量损失，这些能量损失都将转化为热量，使系统油温升高，产生一系列不良影响。为此，必须对系统进行发热与温升计算，以便对系统温升加以控制。液压系统发热的主要原因，是由于液压泵和执行器的功率损失以及溢流阀的溢流损失所造成的。因此，系统的总发热量H可按下式估算:H=

Npi（1-η）式中:

Npi-液压泵的输入功率(W)；η-液压系统效率即H=

38（1-0.616）=14.592kw4.2.2液压系统散热估算液压系统中产生的热量，由系统中各个散热面散发至空气中，其中油箱是主要散热面。因为管道的散热面相对较小，且与其自身的压力损失产生的热量基本平衡，故一般略去不计。当只考虑油箱散热时，其散热量H0可按下式计算:H0=KA∆t式中:

K-散热系数

[W/

(m2⋅℃)]计算时可选用推荐值:

通风根差(空气不循环)时，K=8;通风良好(空气流速为1m/s左右)时，K=14~

20;风扇冷却时，K

20-25;

用循环水冷却时，K=110-175;A-油箱散热面积(m2);∆t-系统温升，即系统达到热平衡时油温与环境温度之差(℃)。

一般工作机械∆t≤35℃;工程机械∆t≤40℃;数控机床∆t≤25℃。当系统产生的热量H等于其散发出去的热量H0时，系统达到热平衡，此时∆t

=

H/(KA)当六面体油箱长、宽、高比例为1:1:1-1:2:3且液面高度是油箱高度的0.8倍时，其散热面积的近似计算式为:A=0.065由上两个式子可导出∆t

=式中:

V--

-油箱的有效容量。即

∆t≥35℃需要采用散热器。第5章集成块的设计5.1集成块孔道尺寸的确定1、确定通油孔道的直径（1）主级孔道的直径。主级孔道的直径按下列公式进行估算选取：孔道直径mmQ-孔道内可能流过的工作流量，L/minVmax-孔道允许的最大工作液流速，m/s一般，对于压力孔道，Vmax不大于6m/s；对于回油孔道，Vmax不大于3m/s.（一般取压力孔道不超过8m/s，回油孔道不超过4m/s。）可得：圆整取D=25mm(2)阀的油口相通孔道的直径，应与液压阀的油口直径相同。（3）与管接头相连接的孔道，其直径一般应按通过的流量和允许流速计算；具体计算如下：q-通过油管的最大流量v-油管中允许的流速d-油管内径表5-1油管油液流速表油液流经油管吸油管高压管回油管短管及局部收缩处允许流速0.5-1.52.5-51.5-2.55-7（4）工艺孔应用螺塞活球涨堵死。（5）对于公用孔道，压力油孔和回油孔的直径类比同压力等级的系列集成块中的孔道直径确定。2、确定通油孔道的壁厚当较小孔道孔径不大于25mm时，两相邻孔壁之间的距离不应该小于5mm；较小孔径大于25mm时，两相邻孔道孔壁之间的距离应不小于10mm。本文中设计的集成块孔径不大于25mm，而孔径远远大于5mm，所以符合孔道壁厚的条件。3、连接螺纹孔的直径（1）固定液压阀的定位销孔的直径和螺钉孔的直径，应与所选定的液压阀的定位销直径及配合要求与螺钉孔的螺纹直径相同。（2）连接集成块组的螺栓规格类比相同压力等级的系列集成块的链接螺栓确定，也可以通过强度计算得到。单个螺栓的螺纹小径d的计算公式为：块体内部最大受压面上的推力n-螺栓个数-单个螺栓的材料许用应力经计算的本文集成块固定螺栓M12,4个螺栓固定。5.2集成块的装配与调试5.2.1集成阀组装配注意事项（1）装配前保证各元件分开放置，保证各元件不被污染，保证清洁。（2）装配前检查各元件是否有明显的缺陷，是否有损坏等；（3）装配时，要小心避免元件磕碰损坏，注意密封不要损坏；（4）装配时，严格按照顺序装配；（5）装配后要将外接口封堵，防止进入灰尘等异物。5.2.2集成阀组装配与调试的要求液压阀块的装配制造以及调试，要严格按照使用要求：液压阀块装配前的清洗：阀块进行装配前，一般使用液压油打循环，以此去掉遗留的铁屑、污垢及杂质，防止系统装配好之后,再次打循环时，铁屑等进入液压阀体内，影响使用。（2）液压阀块装配时的注意事项：装配阀块时，首先要将阀块的油口用塑料堵盖或磁性贴片封住，防止脏东西进入污染阀块；其次要用捅块法再次校对，看孔道的相通情况是否符合相对应的液压原理图；然后核对所有待装的元件等，以免漏件或错件。另外，对于阀块上的工艺堵头也应检查一遍，即与图纸相符。对于阀块上安装液压阀或液压元件时所需的螺栓，安装强度应符合该元件的使用要求，使用力矩扳手紧固，否则影响阀与块的密封性。（3）液压阀块的调试：液压阀块的调试是指阀块上已安装好液压阀与液压元件后进行的调试。首先应进行回路清洗，即不断地变换换向阀，以保证所有的油路都能被清洗到；若有伺服阀或者比例阀，则需要使用冲洗盖板来替代，这种清洗不同于之前块加工完成之后所进行的清洗处理，不可省略。（4）阀块调试包括耐压试验和功能试验：试验时可以直接将阀块接入液压系统中进行，也可使用阀块试验台单独对阀块进行功能测试。液压阀块的试验压力应根据液压系统的工作压力来确定，对于小于16MPa的工作压力，试验压力为工作压力的1.5倍；对于16MPa～25MPa的工作压力，试验压力为工作压力的1.25倍；对于25MPa～31.5MPa的工作压力，试验压力为工作压力的1.15倍。耐压试验时应将块上的节流阀开口调到大，压力阀调节弹簧调到松，逐步地进行升压。当压力达到要求的试验压力后保压5min~10min，要求所有结合面不得有渗漏(即渗油)现象，若有渗漏，应查明原因，并在结合面处加密封胶。试验完成后，将阀块上的溢流阀或安全阀调到系统要求的设定压力值。阀块的每个回路都应按照液压系统的原理图一一进行功能核对试验。在液压系统中进行块的功能试验时，只需按照系统原理图的动作要求一一完成即可。在阀块试验台上进行功能试验时，首先应将块上的一组阀的对外油口包括测压点接好，其余回路的油口暂时用螺栓或堵盖封住，依次进行功能试验，对于有节流阀、比例伺服阀、调速阀之类的回路，要外接执行元件做试验；其次将阀块上P口的压力调节到系统要求的工作压力后再测试回路的动作功能，要求该组回路中的电磁阀中位机能正确、换向灵敏，能达到回路的动作功能且准确可靠，并应多次重复试验。当调试中出现故障和问题时，应先从液压原理进行分析，并列出引起故障的各种可能性原因,从主到次逐一检查。功能试验完毕，应将外露的油口堵住，以防脏物进入。第6章液压站的设计原理及注意事项6.1基本液压站的工作原理分析液压站组成及工作原理：液压站又称液压泵站，是独立的液压装置，它按驱动装置（主机）要求供油，并控制油流的方向、压力和流量，它适用于主机与液压装置可分离的各种液压机械下。用户购买后只要将液压站与主机上的执行机构（油缸和油马达）用油管相连，液压机械即可实现各种规定的动作、工作循环。也就是说：电机带动油泵工作提供压力源，通过集成块、液压阀等对驱动装置（油缸或马达）进行方向、压力、流量的调节和控制，实现各种规定动作。电机带动油泵旋转，泵从油箱中吸油后打油，将机械能转化为液压油的压力能，液压油通过集成块（或阀组合）被液压阀实现了方向、压力、流量调节后经外接管路传输到液压机械的油缸或油马达中，从而控制了液动机方向的变换、力量的大小及速度的快慢，推动各种液压机械做功。液压站是由泵装置、集成块或阀组合、油箱、电气盒组合而成，各部件功用如下：泵装置——上装有电机和油泵，它是液压站的动力源，将机械能转化为液压油的动力能。集成块——是由液压阀及通道体组合而成。它对液压油实行方向、压力、流量调节。阀组合——是板式阀装在立板上，板后管连接，与集成块功能相同。油箱——是钢板焊的半封闭容器，上还装有滤油网、空气滤清器等，它用来储油、油的冷却及过滤。电器盒——分两种形式：一种设置外接引线的端子板；一种是配置了全套控制电器。另外液压站还装有滤油网、冷确器、加热器、空气滤清器等，它用于油的冷却、加热及过滤。液压站的分类液压站的结构形式，主要以泵装置的结构形式、安装位置及冷却方式来区分。上置立式旁置式1、按泵装置的机构形式、安装位置可分为：1）上置立式：泵装置立式安装在油箱盖板上，主要用于定量泵系统。2）上置卧式：泵装置卧式安装在油箱盖板上，主要用于变量泵系统，以便于流量调节。3）旁置式：泵装置卧式安装在油箱旁单独的基础上，旁置式可装备备用泵，主要用于油箱容量大250升，电机功率7.5千瓦以上的系统。由于油泵置于油箱液面以下，故能有效改善油泵吸油性能，便于维护。但占地面积较大，这种结构适用于油泵吸入允许高度受限制，传动功率较大，而使用空间不受限制的各种场合。2、按站的冷却方式可分为：1）自然冷却：靠油箱本身与空气热交换冷却，一般用于油箱容量小于250升的系统。2）强迫冷却：采取冷却器进行强制冷却，一般用于油箱容量大于250升的系统。液压站以油箱的有效贮油量度及电机功率为主要技术参数。油箱容量共有18种规格（单位：升/L）：25、40、63、100、160、250、400、630、800、1000、1250、1600、2000、2500、3200、4000、5000、6000一般情况液压站厂家可根据用户要求及依据工况使用条件，可以做到：①按系统配置集成块，也可不带集成块；②可设置冷却器、加热器、蓄能器；③可设置电气控制装，也可不带电气控制装置.3、按油箱形式可分为：1）普通钢板：箱体一般采用5MM－6MM钢板焊接，面板采用10－12MM钢板，若开孔过多可适当加厚或增加加强筋。2）不锈钢板：箱体一般选用304不锈钢板，厚度2－3MM，面板采用304不锈钢板厚度3－5MM，承重部位增加加强筋。比较：普通钢板油箱内部防锈处理较难实现，铁锈进入油循环系统会造成很多故障，采用全不锈钢设计的油箱则解决了这一业界难题。4、按常用液压缸的结构形式可分为：1）活塞式单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。是一种单活塞液压缸。其两端进出口、油口A和B都可通压力油或回油，以实现双向运动，故称为双作用缸。2）柱塞式①柱塞式液压缸是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方向的运动，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；②柱塞只靠缸套支承而不与缸套接触，这样缸套极易加工，故适于做长行程液压缸；③工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度；④柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重而下垂，造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使用更有利。3）伸缩式它由两个或多个活塞式缸套装而成，前一级活塞缸的活塞杆是后一级活塞缸的缸筒。各级活塞依次伸出可获得很长的行程，当依次缩回时缸的轴向尺寸很小，当通入压力油时，活塞由大到小依次伸出；缩回时，活塞则由小到大依次收回。各级压力和速度可按活塞缸的有关公式计算。特别适用于工程机械及自动线步进式输送装置。4）摆动式摆动式液压缸是输出扭矩并实现往复运动的执行元件，也称摆动式液压马达。有单叶片和双叶片两种形式。定子块固定在缸体上，而叶片和转子连接在一起。根据进油方向，叶片将带动转子作往复摆动。45）增压液压缸得到高于泵压的输出压力，但它不是能量转换装置，只是一个增压器件，用在局部高压回路中6）齿轮齿条液压缸齿轮齿条液压缸是活塞缸与齿轮齿条机构组成的复合式缸。它将活塞的直线往复运动转变为齿轮的旋转运动，用在机床的进刀机构、回转工作台转位、液压机械手等。6.2基本液压站的操作与维护6.2.1基本操作与维护操作者对液压系统正确合理使用，密切关系到作业顺利进行，事故的预防和系统使用寿命的延长。1：使用前熟悉液压站的性能、用途、操作方法以及保养规则。开机前的检查和准备工作检查各设施或设备是否均处于安全工作状态；检查油泵吸油球阀和出油球阀是否打开；检查液压系统管路有否漏油、渗油现象；2：主要检查管路的连接和使用情况，检查油箱的液位、油温、压力。3：机械设备巡检（操作工与机械维修人员）定期检查泵的运转情况和轴承温度；定期检查阀和液压缸的使用情况；定期检查油箱油位是否正常、管线和阀门等是否漏油；4：电气设备巡检（电气人员完成）检查电气设备如电阻器、控制屏、接触器、制动器、电磁铁等的清洁，防止漏电击穿、短路等现象产生。经常检查电动机的转子滑环电刷接触是否良好，有否磨损等情况。另外：在生产过程中，应对操作人员是否按操作规程操作进行监督，发现操作人员违章作业，应及时制止。5：液压站操作说明电机控制电压为三相380VAC，液压元件控制电压为单相220VAC。电机油泵组起动时，电磁溢流阀处于卸荷状态，实现了液压系统空载起动。一般情况液压系统正常工作时，电机-油泵组为一开一备。电机-油泵组起动后无异常情况后，即可按系统工作顺序操作各电器按钮。蓄能器实现保压，当蓄能器压力低于工作压力时由电接点压力表发讯起动电机由泵组向蓄能器充压。工作结束，各操作开关回复零位，切断电源开关。6.2.2液压系统清洁问题一个液压系统的好坏不仅取决于系统设计的合理性和系统元件性能的的优劣，还因系统的污染防护和处理，系统的污染直接影响液压系统工作的可靠性和元件的使用寿命，据统计，国内外的的液压系统故障大约有70%是由于污染引起的。油液污染对系统的危害主要如下：a）元件的污染磨损油液中各种污染物引起元件各种形式的磨损，固体颗粒进入运动副间隙中，对零件表面产生切削磨损或是疲劳磨损。高速液流中的固体颗粒对元件的表面冲击引起冲蚀磨损。油液中的水和油液氧化变质的生成物对元件产生腐蚀作用。此外，系统的油液中的空气引起气蚀，导致元件表面剥蚀和破坏。b）元件堵塞与卡紧故障固体颗粒堵塞液压阀的间隙和孔口，引起阀芯阻塞和卡紧，影响工作性能，甚至导致严重的事故。c）加速油液性能的劣化油液中的水和空气以其热能是油液氧化的主要条件，而油液中的金属微粒对油液的氧化起重要催化作用，此外，油液中的水和悬浮气泡显著降低了运动副间油膜的强度，使润滑性能降低。1、污染物的种类污染物是液压系统油液中对系统起危害作用的的物质，它在油液中以不同的形态形式存在，根据其物理形态可分成：固态污染物、液态污染物、气态污染物。固态污染物可分成硬质污染物，有：金刚石、切削、硅沙、灰尘、磨损金属和金属氧化物；软质污染物有：添加剂、水的凝聚物、油料的分解物与聚合物和维修时带入的棉丝、纤维等等。液态污染物通常是不符合系统要求的切槽油液、水、涂料和氯及其卤化物等，通常我们难以去掉，所以在选择液压油时要选择符合系统标准的液压油，避免一些不必要的故障。气态污染物主要是混入系统中的空气。这些颗粒常常是如此的细小，以至于不能沉淀下来而悬浮于油液之中，最后被挤到各种阀的间隙之中，对一个可靠的液压系统来说，这些间隙的对实现有限控制、重要性和准确性是极为重要的，如液压缸压力的稳定、速度的快慢等。2、污染物的来源：系统油液中污染物的来源途径主要有以下几个方面：1）外部侵入的污染物：外部侵入污染物主要是生产产生水、汽以及大气中的沙砾或尘埃，通常通过油箱气孔，油缸的封轴，泵和马达等轴侵入系统的。主要是使用环境的影响。2）内部污染物：元件在加工时、装配、调试、包装、储存、运输和安装等环节中残留的污染物，当然这些过程是无法避免的，但是可以降到最低，有些特种元件在装配和调试时需要在洁净室或洁净台的环境中进行。3）液压系统产生的污染物：系统在运作过程当中由于元件的磨损而产生的颗粒，铸件上脱落下来的砂粒，泵、阀和接头上脱落下来的金属颗粒，管道内锈蚀剥落物以其油液氧化和分解产生的颗粒与胶状物，更为严重的是系统管道在正式投入作业之前没有经过冲洗而有的大量杂质。结论本课题针对起重铺管船铺设塔液压系统进行深入研究设计，通过整体设计分析，具体开展的工作以及得出结论如下：本文设计研究主要展开以下设计内容：对于液压系统方面展开基本功能动作的确定，根据功能和工况分析设计满足执行机构要求的液压系统原理图，液压系统控制元件采用比例换向阀，整个液压系统设置调速回路、锁死回路、溢流回路、卸油回路和备用回路，与此同时对于铺管船铺设塔作业工况进行深入分析，根据具体动作设计液压系统原理图。对于泵站的设计，采用集成块形式集中控制，解决了液压系统中的油箱大、能耗高、效率低、系统功率损耗过大、系统发热较多容易损坏元件的问题。详细的进行了液压系统原理图的设计及绘制、液压系统参数的计算、液压元件的选型、能量损失验算、热平衡验算、油箱设计、集成块设计、油缸的设计等。得出结论：经过对起重铺管船铺设塔液压系统进行深入研究，设计实现了收管、张紧器张紧和塔架角度调节等功能，同时设置了备用泵，根据已知参数最大张紧力75T，铺设速度0.25m/s-0.8m/s等已知条件，计算液压系统参数，确定了系统在20MPa的系统压力下的工作状态最优，设计计算油缸基本参数等。本设计具有现实的意义，通过以上设计步骤，综合设计出一种适用于起重铺管船铺设塔的液压系统。参考文献[1]袁帮谊.电液比例控制与电液伺服控制技术[M].中国科学技术大学出版社,2014.[2]宋志安.MATLAB/Simulink与液压控制系统仿真[M].国防工业出版社,2012.[3]雷天觉.新编液压工程手册[M].北京理工大学出版社,1998.[4]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真.第3版[M].电子工业出版社,2011.官忠范.液压传动系统[M].机械工业出版