過程裝備與控制工程畢業(yè)論文

1、畢 業(yè) 設 計學 院： 機械電子工程學院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 題 目： 成品油管道堵漏工程車 液壓驅動系統(tǒng)設計 2010 年 6 月 目錄摘要第1章 緒 論 1 1.1 本課題研究的背景1 1.2 國內外的研究現(xiàn)狀及相關技術21.2.1 國外現(xiàn)狀21.2.2 國內現(xiàn)狀21.2.3 相關技術3 1.3 論文研究的目的和意義 6 1.4 論文主要的研究內容 6 1.5 論文主要的研究方法 7 1.6 本章總結 7第2章 設計分析 7 2.1 都漏工程車的設計要求 72.1.1 技術要求 72.1.2 功能要求 8 2.2 工程車液壓系統(tǒng)方案的研究 9 2.3 本章總結10第3章 液壓系統(tǒng)

2、原理圖的制定11 3.1 液壓系統(tǒng)的基本回路 11 3.1.1 限壓回路11 3.1.2 緩沖回路11 3.1.3 節(jié)流回路13 3.1.4 行走限速回路14 3.1.5 閉鎖回路15 3.1.6 再生回路15 3.2 工程車液壓系統(tǒng)的原理圖15 3.3 本章總結16第4章 工程功能的實現(xiàn)17 4.1 直線行走17 4.2 行走工程中轉彎17 4.3 繞履帶轉彎17 4.4 繞裝置中心轉彎17 4.5 裝置失速控制18 4.6 補油回路18 4.7 高低兩速切換回路18 4.8 爬坡角度限制回路18 4.9 找管定位18 4.10 本章總結19第5章 主要元件的參數(shù)計算及其選型19 5.1 選

3、擇行走馬達19 5.2 選擇液壓泵195.2.1 液壓泵工作壓力的確定205.2.2 確定液壓泵的流量205.2.3 選擇液壓泵的規(guī)格21 5.3 選擇液壓控制閥22 5.4 選擇發(fā)動機24 5.5 本章小結25第6章液壓輔助元件的選擇與計算 25 6.1 油箱的計算與結構25 6.1.1 油箱有效容積的計算 25 6.1.2 油箱的結構 26 6.2 管道的計算與選擇 27 6.2.1 吸油管道的計算 27 6.2.2 回油管道的計算28 6.2.3 油管的選材29 6.2.4 液壓管路的連接方法29 6.3 過濾器的選用30 6.4 液壓系統(tǒng)溫度的計算和冷卻器的選用316.4.1 液壓系統(tǒng)

4、溫度的計算 316.4.2 冷卻器的選用 34 6.5 加熱器的選用35 6.6 本章總結35第7章 液壓系統(tǒng)性能驗算 36 7.1 液壓系統(tǒng)壓力損失36 7.1.1 沿程壓力損失36 7.1.2 局部壓力損失36 7.2 液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升計算 377.2.1 液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率計算377.2.2 液壓系統(tǒng)散熱功率計算39 7.3 液壓系統(tǒng)郵箱大小的驗算41 7.4 冷卻器所需冷卻面積的驗算41 7.5 本章的總結42第8章 液壓裝置的結構設計42 8.1 液壓裝置的結構42 8.2 液壓泵站的類型及其組件的選擇428.2.1 液壓泵類型的選擇428.2.2 液壓元件的配置形式42 8.3 本章

5、總結43第9章 裝置防爆43 9.1 電氣控制方面43 9.2 靜電放電控制方面44 9.3 機械系統(tǒng)方面44 9.4 本章總結45結論 46參考文獻 48致謝 50 第1章 緒論1.1 本課題的研究背景 當今社會，能源問題日益告急，然而新能源尚未大規(guī)模開發(fā)，在相當長的一段時期之內，石油能源仍將在人類的生產生活中占據(jù)著霸主地位。世界各國仍不斷地進行著石油開采和石油煉制方面的研究。在石油工業(yè)高度發(fā)展的同時，石油以及成品油的運輸也成為現(xiàn)實中一個重要問題：伴隨著地下管道大面積鋪設，于此帶來大大小小的安全隱患，不發(fā)分子進行打孔盜油，從中來謀取利益。再加上自然天氣和地理因素的影響，輸油管道會發(fā)生腐蝕，導

6、致發(fā)生泄露、油噴現(xiàn)象。現(xiàn)象發(fā)生后易造成二次災難，產生更大的損失。輸油管道泄漏事故一旦發(fā)生，其堵漏工作便成為管道搶修的重要環(huán)節(jié)。同時堵漏方法及堵漏時間的長短直接關系到泄漏發(fā)生的經濟損失，財產安全，環(huán)境污染等。在國內國外的石油運輸業(yè)中，輸油管道占有重要地位。因輸油管道相比于其它運輸方式具有眾多的優(yōu)點：可承受多種外力的作用，包括本身的重量、流體作用在管端的推力、風雪載荷、土壤壓力、熱脹冷縮引起的熱應力、振動載荷和地震災害等，同時也降低了成本，提高了輸油效率。因此，管道輸油在石油以及成品油運輸中得到非常廣泛的應用。它的建成以及對其不斷的維護與檢修對國家經濟增長、國防安全、綜合國力的增強，都具有重要意義

7、。然而就目前來看，輸油管道運行條件苛刻，油品易燃易爆，管道腐蝕破裂常常引起連鎖事故。因腐蝕導致的原油泄漏、停工停產、人身傷亡及環(huán)境污染給相關企業(yè)帶來了巨大的損失，同時各種人為管道破壞、違章占壓管道、違章施工作也是造成管道泄漏事故的重要原因。輸油管道泄漏事故嚴重危害著國家和人民群眾的生命財產安全。堵漏作為管道搶修的關鍵步驟，其技術的發(fā)展直接關系到泄漏事故發(fā)生后所造成的危害程度。然而目前在國內，泄漏孔的封堵主要是靠人工安裝夾具和補塊。其作業(yè)的危險性高，并且操作時要求管道降低管道壓力，在低點修補時還需要排出高點管道中大量的油品，從而增加了整個搶修的時間，同時，也會引起油品泄漏量的增加，加大了發(fā)生重大

8、事故的可能性。我們在堵漏技術和堵漏設備上的不完善，促成了管道搶修這一急需研究和解決的重要課題。因此成品油管道堵漏工程車，即成為這一重要研究課題的初步嘗試。1.2 國內外的研究現(xiàn)狀及相關技術1 本論文所設計的堵漏工程車是以某小型液壓挖掘機為模型而改造設計的，所以液壓挖掘機國內外的研究現(xiàn)狀及相關技術間接的影響該工程車的研究現(xiàn)狀及技術?？v觀挖掘機發(fā)展史，在技術上大致經歷了三次飛躍，第一次是柴油機的出現(xiàn)，使挖掘機有了較理想的動力裝置;第二次是液壓技術的廣泛應用，使挖掘機的傳動方式更趨合理;第三次是控制技術的廣泛應用，使液壓挖掘機的控制系統(tǒng)日益完善，并向著自動化、智能化方向發(fā)展。1.2.1 國外現(xiàn)狀工業(yè)

9、發(fā)達國家的挖掘機生產較早，法國、美國、德國、俄羅斯、日本是小型單斗液壓挖掘機的主要生產國家，從20世紀80年代開始生產特大型挖掘機。例如，美國馬利昂公司生產的斗容量50-100m3挖掘機；B-E（布比賽魯斯-伊利）公司生產的斗容量107m3的挖掘機，是世界上目前最大的挖掘機。自20世紀90年代以來，國外工程機械進入了一個新的發(fā)展時期，在廣泛應用新技術的同時，不斷涌現(xiàn)出新結構和新產品。繼完成提高整機可靠性任務之后，技術發(fā)展的重點在于增加產品的電子信息技術含量和智能化程度，努力完善產品的標準化、系列化和通用化，改善駕駛人員的工作條件，向節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展。目前，國外的遙控挖掘機多以純遙控為主，未發(fā)

10、現(xiàn)手動、遙控并用型挖掘機，設備的利用率低，都屬于概念型樣機，價格較高。所以國外的搶險工程車基本上就是以純遙控為主的，而且技術先進，動作靈敏、準確。1.2.2 國內現(xiàn)狀 早在1954年我國就開始生產機械式挖掘機，當時的撫順機器廠（撫順挖掘機廠前身）引進了前蘇聯(lián)的機械式挖掘機。由于國家經濟建設的需要，后又發(fā)展10余家廠生產，到1966年12年間全國共生產了機械式挖掘機3000余臺。在80年代初引進德國系列液壓挖掘機制造技術，浙江大學的馮培恩教授開始率先著手研究挖掘機機電一體化技術，首先實現(xiàn)挖掘機器人作業(yè)過稱的分級規(guī)劃和局部自主控制。后引進日本小松制作所的PC系列挖掘機制造技術，使我國挖掘機的技術上

11、升到一個新水平。在我國由于挖掘機的發(fā)展滯后，故以挖掘機為基礎的搶險工程車研究的起步較晚，總體發(fā)展水平也落后于西方發(fā)達國家，特別是在成品油堵漏工程車方面的研究還沒有起步。搶險工程車是在各種危圖1.1 無線遙控工程車險及惡劣環(huán)境下從事危險作業(yè)、搶險救災、垃圾清理和化學災害處理等工作，其要求人員遠離事故現(xiàn)場，所以就要開發(fā)遙控的搶險工程車，本論文設計的堵漏工程車也不例外。 1.2.3 相關技術21.2.3.1 遙控技術 本堵漏工程車由于在管道堵漏時，其泄露環(huán)境危險，易燃易爆，所以要求設計成遙控工程車，如圖1.2。工程車輛上的所有執(zhí)行裝置全部采用電信號控制，在遙控操作時，操作者雖然從駕駛室中解脫了出來，

12、但仍需要像常規(guī)操作那樣控制各關節(jié)點。無線遙控液壓工程車系統(tǒng)，由控制臺發(fā)射、接收部分和車上接收、發(fā)射部分組成?？刂婆_包括圖像及聲音接收器，為處理輸入信號所需要的譯碼裝置、控制裝置和編碼裝置。機器上接收器接收發(fā)射臺發(fā)出的控制信號，并將信號轉換為驅動比例電磁鐵和控制攝像機所需的信號。發(fā)射器則將電視圖像信號通過天線發(fā)送到遠方的操作員。在工程車上裝有攝像頭，操縱人員可以根據(jù)攝像頭中視野來控制工程車的動作。1.2.3.2 液壓控制技術 本堵漏工程車以挖掘機為基礎，其模型如圖1.3所示，采用三組液壓缸，工作裝置具有三個自由度，鏟斗可實現(xiàn)有限的平面轉動，加上液壓馬達驅動回轉運動，使鏟斗 大到有限空間，再通過行

13、走馬達驅動行走（移位），使挖掘空間可沿水平方向得到間歇地擴大，從而滿足挖掘作業(yè)的要求。 液壓挖掘機傳動示意圖由柴油機驅動液壓泵，操縱分配閥，將高壓油送給個液壓執(zhí)行元件（液壓缸與液壓馬達）驅動相應的機構進行工作。液壓挖掘機采用連桿機構原理，各部分的運動通過液壓缸的伸縮來實現(xiàn)。挖掘作業(yè)時，接通回轉馬達，轉動轉臺，使工作裝置轉到挖掘位置，同時操縱動臂缸小腔進油使液壓缸回縮；動臂下降至鏟斗觸底后在操縱斗桿缸或鏟斗缸，液壓缸大腔進油而伸長，使鏟斗進行挖掘裝載工作。在實際挖掘作業(yè)中，由于土質情況、挖掘面條件及挖掘液壓系統(tǒng)的不同，三種液壓缸在挖掘循環(huán)中的動作配合可以是多樣的、隨機的。 總之，液壓挖掘機是由多

14、學科、多系統(tǒng)組成的有機整體，只有在系統(tǒng)層面上的各系統(tǒng)、各學科協(xié)同優(yōu)化才能獲得挖掘機整機的最佳性能。1.2.3.3 電液比例控制技術3 電液比例控制閥簡稱比例閥，其結構特點是由比例電磁鐵與液壓控制閥兩部分組成。相當于在普通液壓控制閥上裝上比例電磁鐵以代替原有的手調控制部分。電磁鐵接收輸入的電信號，連續(xù)地或按比例地轉換成力或位移。液壓控制閥受電磁鐵輸出的力或位移控制，連續(xù)地或按比例的壓力和流量。 比例閥實現(xiàn)連續(xù)控制的核心是采用了比例電磁鐵，電磁鐵是一種通電后使鐵磁物質產生電磁吸力，把電能轉換成機械能的電器元件。比例電磁鐵的工作原理見圖1.4所示。圖1.2 液壓挖掘機傳動示意圖當線圈2通電后，磁軛1

15、和銜鐵3中都產生磁通，產生電磁吸力，將銜鐵吸向軛鐵。銜鐵上受的電磁力和閥上的或電磁鐵上的彈簧力平衡，電磁鐵輸出位移。當銜鐵3運動時，間隙保持恒值并無變化，所以比例電磁鐵的吸力F和無關，其靜特性見圖1.5所示。圖中靜坐標是比例電磁鐵的吸力F，橫坐標是銜鐵的行程S。圖1.3 比例型電磁鐵原理 圖1.4 比例型電磁鐵的靜特性 1磁軛；2線圈；3銜鐵；4導磁套； 吸合區(qū)；工作行程區(qū)； 5調整彈簧；6調整螺釘；7推桿； 空行程區(qū)； 8限位片；9工作氣隙；10隔磁環(huán)；間隙；由圖可得出以下結論： （1）在S很小，或S很大時，力F隨行程S 而變化，不宜作為工作區(qū)段。 （2）在S大約為1.5mm左右的中間區(qū)段，

16、曲線大體上呈水平的平行線，這個區(qū)段的曲線可作為工作區(qū)段曲線。一般來說，比例電磁鐵的有效工作行程小于開關型電磁鐵的有效工作行程。 （3）比例電磁鐵的吸力在有效行程內和線圈中的電流成正比。 （4）比例電磁鐵的吸力在有效行程內和銜鐵位置無關。由于比例閥實現(xiàn)了用經過放大器放大的電信號對液體壓力、流量和流向的控制，構成自動控制系統(tǒng)，即可開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制；因其能連續(xù)地、按比例地對壓力和流量進行控制，控制方便且可避免壓力和流量有級切換時的沖擊；抗污染性能優(yōu)于伺服閥，制造比伺服閥簡單，價格低于伺服閥，但高于普通液壓閥；一個比例閥可兼有幾個普通液壓閥的功能，可簡化回路，減少閥的數(shù)量，提高可靠性。隨著耐高壓

17、直流比例電磁鐵的產生，電液比例閥的優(yōu)越性得到了進一步發(fā)展。耐高壓直流比例電磁鐵除了具有一般電液比例閥的優(yōu)點，還具有較大的功率重量比，可以輸出較大的位移和力，不僅可用來推動比例先導閥，還可以直接驅動主閥。由于它的導套具有足夠的耐壓強度，所以比例電磁鐵可承受35Mpa靜壓力。1.3 論文研究的目的與意義在我國，輸油管道多埋于地下，泄漏發(fā)生時，其產生的高壓噴射沖出地面，在泄漏周圍環(huán)境中形成大范圍的噴射油液霧化，造成極度危險的環(huán)境空間。同時由于管道埋于地下，具體的泄漏點無法確定，根本無法進行人工手動或機械自動安裝卡具。本課題根據(jù)我國成品油管道泄漏發(fā)生的這一實際情況，進行了“履帶行走式油管堵漏工程車液壓

18、驅動系統(tǒng)”的設計。目的是使該工程車完成在較高的壓力下對508mm成品油輸油管道泄漏的堵漏工作。該工程車應用后，可以遠程遙控進行管道漏點的找管定位，對漏油進行簡單回收，減少成油品的泄漏量或者是損失量，有效控制噴射油液霧化，降低次生災害發(fā)生的可能性，減少泄漏對環(huán)境的污染，為后續(xù)維護搶修人員實施搶修提供更安全的工作環(huán)境。1.4 論文主要的研究內容成品油管道堵漏工程車是履帶式液壓挖掘機與液壓、自動控制技術及無線遙控相結合的產物。用圖1.5進行表示。 圖1.5工程車的控制本課題設計了“成品油管道堵漏工程車液壓驅動系統(tǒng)”，以完成成品油管道泄漏的堵漏工作。成品油管道堵漏工程車由工作裝置，回轉機構及行走機構三

19、部分組成，其中工作裝置包括大臂桿，小臂桿，收油罩桿，行走機構包括左右行走馬達和后支撐機構，上述所有機構的動作均由液壓驅動。本說明書詳細闡述了“成品油管道堵漏工程車液壓驅動系統(tǒng)”的設計過程。包括液壓系統(tǒng)設計的分析，液壓原理圖的制定，各個液壓元件的選擇計算，液壓裝置的結構設計以及液壓系統(tǒng)的性能驗算。液壓驅動系統(tǒng)的設計是該工程車輛設計的關鍵環(huán)節(jié)之一，采用液壓驅動有諸多優(yōu)點：在同等體積下，液壓裝置比電氣裝置產生出更多的動力；液壓裝置工作比較平穩(wěn)，可方便在大范圍內實現(xiàn)無極調速。低速大扭矩馬達的最低穩(wěn)定速度為1r/min。液壓傳動易于實現(xiàn)自動化；液壓裝置易于實現(xiàn)過載保護；由于液壓元件已實現(xiàn)標準化，系列化和

20、通用化，液壓系統(tǒng)的設計，制造，使用和推廣都比較方便。1.5 論文研究的主要方法以某液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)為基礎，按照液壓系統(tǒng)設計步驟設計出堵漏工程車的合適液壓系統(tǒng)。其基本思路是：（1）討論所設計工程車所滿足的基本要求，即技術要求和功能要求 （2）參照挖掘機的液壓系統(tǒng)原理圖，初定都漏工程車的液壓原理圖 （3）分析初定的原理圖，討論所選的液壓系統(tǒng)能否滿足要求 （4）選擇并計算基本的液壓元件和液壓輔助元件 （5）驗證所選的液壓元件是否滿足設計要求 （6）得出結論。1.6 本章總結 本章闡述了該論文研究的背景、目的、意義及內容，簡要說明了改造設計成該工程車的原型液壓挖掘機的國內外發(fā)展現(xiàn)狀和技術水平，最后

21、對本論文的主要研究方法及思路做了一個概括的說明，也就是在液壓系統(tǒng)的設計步驟基礎上，對后面的設計方案提供指導。第2章 設計分析2.1 工程車的設計要求按照堵漏工程車的工作裝置、回轉裝置、行走裝置及其它裝置的工作及傳動需要，把各種液壓泵、液壓馬達、液壓閥等液壓元件用液壓油管有順序有規(guī)律地連接在一起就可以組成一個堵漏工程車的液壓系統(tǒng)。在工作的過程中，液壓系統(tǒng)是用油液作為自己的工作過程中介質、然后利用液壓泵把發(fā)動機送出的機械能轉變?yōu)橐簤河偷囊簤耗軄韨鬟f，然后通過液壓缸和液壓馬達等各種執(zhí)行元件再把液壓油的液壓能轉變?yōu)楦鞣N機械能，這樣就可以實現(xiàn)堵漏工程車所需要的各種動作4。堵漏工程車在預工作時，動作比較復

22、雜，主要機構需要經常啟動、制動、換向，沖擊和振動非常頻繁，溫度和環(huán)境變化大，因此該工程車液壓系統(tǒng)應滿足如下要求。2.1.1 技術要求成品油管道堵漏工程車以某小型液壓挖掘機為模型，雖然很多技術要求與挖掘機相同，但是它擁有自己的技術要求來滿足工程的需要：表2.1 成品油管道堵漏工程車主要技術參數(shù)項目名稱單位數(shù)值輸油管直徑毫米508最大輸油壓力兆帕10維搶工作允許壓力兆帕 3最大工作壓力兆帕20最大流量升/分鐘60輸入功率千瓦22最大承載力千牛頓22.2最大行走速度公里/小時2最大爬坡角度度25整車重量噸 5吊臂可承載載荷千牛頓15車架可實現(xiàn)回轉角度度3602.1.2 功能要求本工程車以液壓挖掘機為

23、模型，擁有自己特殊的工作裝置，因此，具有與挖掘機不同的功能要求4：2.1.2.1 行走功能 （1）直線行走功能 在裝置不需要轉彎時，要求能進行直線行走。 （2）裝置轉彎功能 考慮到裝置在行走過程中，由于道路原因需要轉彎，需設計行走中轉彎功能；當裝置在行走過程中由于道路原因，或找管定位過程中，需要裝置拐急彎時，需設計繞履帶轉彎的功能；當裝置接近泄漏油噴射口，需要就地調整裝置的方位角度時，有時需要繞裝置中心就地旋轉。需設計繞履帶中心旋轉的功能。 （3）爬坡行走功能因為裝置的使用環(huán)境包括山路，有上下坡道，要求爬坡角度為25。裝置行走部分采用履帶式結構，動力由液壓系統(tǒng)提供，左右履帶分別由兩臺低速大扭矩

24、馬達驅動。通過分別控制兩臺液壓馬達液壓油的流量，可實現(xiàn)此功能。 （4）裝置失速控制功能考慮到裝置在行走過程中有上下坡的要求，當裝置下坡時，由于重力作用有可能造成失速，因此在液壓系統(tǒng)中需設計了失速控制。 （5）高低兩速切換功能考慮到充分利用系統(tǒng)的功率，應設計高低速自動切換功能。當裝置在平地或下坡行走時，裝置需要的驅動功率小，使裝置實現(xiàn)高速行走；當裝置上坡時，裝置需要大功率驅動，低速行走。 （6）裝置行走剎車功能 裝置要求能夠上下坡道，在堵漏工作進行時，要求裝置必須能夠可靠的制動，車體確保嚴格不動，保證后續(xù)工作準確可靠的進行。在動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，更要求有可靠的剎車裝置，否則裝

25、置會翻下山去，造成無法挽回的損失。當液壓系統(tǒng)停止供油，或由于故障液壓系統(tǒng)不能供油時，液壓馬達自動剎車，保證裝置安全。2.1.2.2 找管定位功能裝置行走過程中，用遙控攝像頭遠程監(jiān)控路面情況和管道位置情況。人工遠程控制該裝置行走到漏油油管附近后，裝置停止行走并剎車制動。通過遙控攝像頭監(jiān)控，通過液壓系統(tǒng)，控制大臂體、小臂和收油器三個運動部件的轉動，實現(xiàn)泄漏控制和漏油回收部件的定位。2.1.2.3 噴射控制和漏油回收功能利用流體噴射形成的動能把流體導流到指定位置。采用內錐形小錐角大導油管結構，減少油流噴射入收油器中在導流方向的運動能量損失。收油器下端設有回收檐，減少反射回來的油流的速度和泄漏油的霧化

26、，降低收油器的振動。2.1.2.4 防暴功能因為裝置工作在易爆的極度危險環(huán)境當中，所以裝置必須具備防爆性能。選擇防暴型部件，或是設置防暴裝置。2.2 工程車液壓系統(tǒng)方案的研究 堵漏工程車液壓系統(tǒng)的基本組成見圖2.1（沒有考慮液壓附件及先導控制部分）：圖2.1 堵漏工程車液壓系統(tǒng)的基本組成參照目前國內外小型液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)及本章2.1節(jié)的對其工況的分析，本方案的液壓系統(tǒng)采用開式回路，多負載并聯(lián)結構。初定液壓系統(tǒng)原理略圖見圖2.2。該主液壓系統(tǒng)分為上車和下車兩部分液壓系統(tǒng)，上車部分主要包括回轉裝置和工作裝置；下車部分包括行走裝置和支腿液壓缸5。2.3 本章總結 本章詳細討論了所要設計的堵漏工程

27、車的功能要求及技術要求，而且確定了該工程車液壓系統(tǒng)的總體框架和組成部分，給后面詳細分析工程車各功能的實現(xiàn)和最終液壓系統(tǒng)設計的完成做了鋪墊。圖2.2 液壓系統(tǒng)回路示意圖第3章 液壓系統(tǒng)原理圖的制定我們可參照挖掘機液壓系統(tǒng)回路如圖3.1，結合本工程車的具體功能，設計工程車的液壓原理圖6。圖3.1 挖掘機液壓系統(tǒng)回路示意圖 下面對挖掘機液壓系統(tǒng)的基本回路做出分析?；净芈肥怯幸粋€或幾個液壓元件組成、能夠完成特定的單一功能的典型回路，它是液壓系統(tǒng)的組成單元。液壓挖掘機液壓系統(tǒng)中基本回路有限壓回路、卸荷回路、緩沖回路、節(jié)流回路、行走回路、合流回路、再生回路、鎖閉回路、操縱回路等。3.1 限壓回路限壓回路

28、用來限制壓力，使其不超過某一調定值。限壓的目的有兩個：一是限制系統(tǒng)的最大壓力，使系統(tǒng)和元件不因過載而損壞，通常用安全閥來實現(xiàn)，安全閥通常設置在主油泵出油口附近；二是根據(jù)工作需要，使系統(tǒng)的壓力保持定值或是不超過某值，通常用溢流閥實現(xiàn)，溢流閥可使系統(tǒng)根據(jù)調定壓力工作，多余的流量通過此閥流回油箱，因此溢流閥是常開的7。液壓挖掘機執(zhí)行元件的進油和回油路上常成對地并聯(lián)有限壓閥，限制液壓馬達、液壓缸在閉鎖狀態(tài)下的最大閉鎖壓力，超過此壓力時限壓閥打開，卸載保護了液壓元件和管路免受損壞，這種限壓閥（圖3.1）實際上其了卸荷閥的的作用。3.2 緩沖回路液壓挖掘機滿斗回轉時由于上車轉動慣量很大，在啟動，制動和突然

29、轉向時會引起很大的液壓沖擊，尤其是回轉過程中遇到障礙物突然停車。液壓沖擊會使整個液壓系統(tǒng)圖3.1 限壓回路和液壓元件產生振動和噪音，甚至破壞。挖掘機回轉機構的緩沖回路就是利用緩沖閥等使液壓馬達高壓腔的油液超過一定的壓力時獲得出路。圖3.2為液壓挖掘機中比較普遍采用的幾種緩沖回路8。圖3.2（A）中回轉馬達兩個油路上各裝有動作靈敏的小型直動式緩沖（限壓）閥2、3，正常情況下兩閥關閉。當回轉馬達突然停止轉動或反向轉動時，高壓油路的壓力油經緩沖閥3泄回油箱，低壓油路則由補油回路經單向閥4進行補油，從而消除了液壓沖擊。圖3.2（B）是高低壓油路之間并聯(lián)有緩沖閥，每一緩沖閥的高壓油口與另一緩沖閥的低壓油

30、口相通。當回轉機構制動，停止或是反轉時，高壓腔的油經過緩沖閥直接進入低壓腔，減少液壓沖擊。圖3.3（C）是回轉馬達油路之間并聯(lián)有成對單向閥4、5和6、7，回轉馬達制動或換向時高壓腔的壓油經單向閥5，緩沖（限壓）閥流入油箱，低壓腔從油箱經單向閥6獲得補油。上述回轉回路中的緩沖（限壓）閥實際起制動的作用，換向閥1中位時回轉馬達兩腔油路截斷，只要油路低于壓力閥的調定壓力時，回轉馬達即被制動，其最大制動力矩由限壓閥決定9。圖3.2 緩沖回路3.3 節(jié)流回路 節(jié)流調速是利用節(jié)流閥的可變流通截面改變流量而實現(xiàn)調速的目的，通常用于定量系統(tǒng)中改變執(zhí)行元件的流量。這種調速方式簡單，能夠獲得穩(wěn)定的低速，缺點是功率

31、損失較大，效率低，溫升大，系統(tǒng)易發(fā)熱，作業(yè)速度受負載變化較大。根據(jù)節(jié)流閥的安裝位置，節(jié)流調速有進油節(jié)流調速和回油節(jié)流調速兩種。圖3.4 節(jié)流回路 圖3.4(A)為進油節(jié)流調速，節(jié)流閥安裝在高壓路上，液壓泵1與節(jié)流閥串聯(lián)，節(jié)流閥之前安裝有溢流閥2，壓力油經節(jié)流閥和換向閥4進入液壓缸5的大腔使活塞右移。負載增大時液壓缸大腔壓力增大，節(jié)流閥前后的壓力減小，因此通過節(jié)流閥的流量減小，活塞移動的速度降低，一部分油液通過液流閥流回油箱。反之，隨著負載減小，通過節(jié)流閥進入液壓缸的流量增大，加快了活塞的移動速度，液流量也相應的減少。圖3.4（B）為回油節(jié)流調速，節(jié)流閥安裝在低壓回路上，限制回油流量?；赜徒亓骱?/p>

32、的油液雖然發(fā)熱，但進入油箱，不會影響執(zhí)行元件的密封效果，而且回油無阻尼，速度比較穩(wěn)定。液壓挖掘機的工作裝置為了作業(yè)安全，常在液壓缸的回油上安裝單向節(jié)流閥，形成節(jié)流限速回路。如圖3.4（C）所示，為了防止動臂因自重下降度太快而發(fā)生危險，其液壓缸大腔的油路上安裝有單向閥和節(jié)流閥組成的單向節(jié)流閥。此外，抖桿液壓缸，鏟斗液壓缸在相應的回路也安裝了單向節(jié)流閥10。3.4 行走限速回路 履帶式液壓挖掘機下坡行駛時因自重加速，可能導致超速流坡事故，且行走馬達易發(fā)生吸空現(xiàn)象甚至損壞。因此因對行走馬達限速和補油，使行走馬達轉速控制在允許范圍內。 圖3.4行走限速回路行走限速回路是利用限速發(fā)控制通道的大小，以限制

33、行走馬達的速度，履帶式液壓挖掘機行走馬達常用的限速補油回路如圖3.4所示，它由壓力閥2、3，單向閥4、5、6、7和安全閥8、9等組成。正常工作時換向閥1處于右位，壓力油經單向閥4進入行走馬達10，同時沿控制油路推動壓力閥2，使其處于接通位置，行走馬達的回油經壓力閥2回油箱。當行走馬達超速運轉時，進油供應不足，控制油路壓力降低，壓力閥在彈簧力的作用下右移，回油通道變小或關閉，行走馬達減速或制動，這樣保證了液壓挖掘機下坡運行的安全11。3.5 閉鎖回路動臂才操作閥在中位時油缸口閉鎖，由于滑閥的密封性不好會產生泄漏，動臂在重力作用下會產生下沉，特別是挖掘機在進行起重作業(yè)時要求停留在一定的位置上保持不

34、下降，因此設置了動臂支持閥組。如圖3.5所示，二位二通發(fā)在彈簧力的作用下處于關閉位置，此時動臂油缸下腔壓力油通過閥芯內鉆孔通向插裝閥上端，將插裝閥壓緊在閥座上，阻止油腔下腔的油從B至A，起閉鎖支撐作用。當操作動臂下降時，在先導油壓通閥回油，由于閥芯內鉆孔油道節(jié)流孔的節(jié)流作用，使插裝閥上下腔產生壓差，在壓差作用下克服彈簧力，將插裝閥打開，壓力油從B至A12。 圖3.5 閉鎖回路 圖3.6 再生回路 3.6 再生回路 動臂下降時，由于重力作用回事降落速度太快而發(fā)生危險，動臂缸上腔可能產生吸空，為了解決這一問題，目前采用了再生回路，如圖3.6所示，動臂下降時，油泵的油經單向閥通過動臂操縱閥進入動臂油

35、缸上腔，那么從動臂油缸下腔排除的油需經節(jié)流孔回油箱，提高了回油壓力，使得液壓油能通過補油單向閥供給動臂缸上腔。這樣在發(fā)動機在低轉速或泵的流量較低時，能防止動臂應重力作用迅速下降而使動臂缸上腔產生吸空13。 3.7 工程車液壓系統(tǒng)原理圖根據(jù)以上對液壓挖掘機液壓系統(tǒng)基本回路的分析和工程車的實際要求，現(xiàn)把液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)改裝成輸油管道堵漏工程車的液壓系統(tǒng)，其原理圖如3.714。3.8 本章總結 本章以某小型液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)為參考，詳細分析了挖掘機液壓系統(tǒng)中的基本回路，最后總結了出了本論文所設計的液壓系統(tǒng)原理圖。圖3.7 堵漏工程車液壓原理圖第4章 工程車功能的實現(xiàn)根據(jù)以上堵漏工程車的液壓原理

36、圖，可實現(xiàn)工程車的以下功能：4.1 直線行走考慮到裝置行走的控制方便，我們設計了雙液壓泵供油回路。選用性能參數(shù)完全相同的雙聯(lián)液壓泵和性能參數(shù)完全相同的兩個行走液壓馬達，一個泵單獨為一個液壓馬達供油，從而保證裝置在不要求轉彎時的直線行走15。4.2 行走過程中轉彎考慮到裝置在行走過程中，由于道路原因需要轉彎，我們在回路中分別設計了并聯(lián)的節(jié)流閥和兩位兩通電磁換向閥。正常行走時，兩位兩通電磁換向閥不通電，液壓泵打出的液壓油全部直接供給液壓馬達，兩個馬達轉速相同，裝置沿直線行走。當裝置需要左轉彎時，左馬達供油回路中的兩位兩通電磁換向閥的電磁鐵DT11通電，無阻力供油回路斷開，液壓油只能流經節(jié)流閥進入馬

37、達，液壓阻力增大，一部分液壓油通過液壓泵出口的電磁卸荷溢流閥流回油箱。使得左馬達轉速降低，右馬達原速行走，實現(xiàn)裝置左轉彎。當裝置需要右轉彎時，右馬達供油回路的兩位兩通電磁換向閥的電磁鐵DT12通電，無阻力供油回路斷開，液壓油只能流經與此電磁閥并聯(lián)的節(jié)流閥進入馬達，通過右驅動馬達減速實現(xiàn)裝置右轉彎。4.3 繞履帶轉彎當裝置在行走過程中由于道路原因，或找管定位過程中，需要裝置拐急彎時，可以通過左右兩路的三位四通電磁換向閥實現(xiàn)。例如：當我們需要裝置繞左履帶轉彎時，使液壓閥電磁鐵13、14斷電，左馬達停止轉動；使電磁鐵15或16通電，電磁鐵15通電時，右馬達正轉，裝置繞左履帶向前逆時針轉彎；電磁鐵16

38、通電時，右馬達反轉，裝置繞左履帶順時針向后轉彎。4.4 繞裝置中心轉彎當裝置接近泄漏油噴射口，需要就地調整裝置的方位角度時，有時需要繞裝置中心就地旋轉。我們可以通過左右兩路的三位四通電磁換向閥相互配合，使一路前進、另一路后退，實現(xiàn)就地旋轉。如液壓閥電磁鐵13通電，左馬達正轉；液壓閥電磁鐵16通電，右馬達反轉；實現(xiàn)泄漏控制裝置繞中心順時針旋轉。而液壓閥電磁鐵14通電，左馬達反轉；液壓閥電磁鐵15通電，右馬達正轉；實現(xiàn)泄漏控制裝置繞中心逆時針旋轉。4.5 裝置失速控制考慮到裝置在行走過程中有上下坡的要求，當裝置下坡時，由于重力作用有可能造成失速，因此在液壓系統(tǒng)中設計了失速控制。在液壓系統(tǒng)中，并聯(lián)的

39、單向節(jié)流閥和液控換向閥用來完成此項功能。進油通過單向閥進入馬達，同時此壓力切換回油路液控兩位兩通換向閥，馬達流出的回油通過換向閥無阻力的返回油箱。當裝置下坡失速時，由于馬達轉速太快，液壓泵供油流量不能滿足馬達的流量需求，使得進油壓力過低，換向閥的彈簧力切斷回油路兩位兩通換向閥，馬達流出的回油只能通過節(jié)流閥返回油箱，使回油液壓阻力增大，流量減小，使裝置速度降低，最終達到限速的目的16。4.6 補油回路為了避免當裝置失速時馬達進油壓力過低造成吸空現(xiàn)象，從而導致發(fā)生氣蝕現(xiàn)象損壞液壓馬達，系統(tǒng)中在馬達進出油口處設計了補油用的吸油單向閥，當馬達超速時進行補油。4.7 高低兩速切換回路考慮到充分利用系統(tǒng)的

40、功率，設計了高低速自動切換功能。低速大扭矩馬達內設計了兩個馬達，通過控制油可實現(xiàn)兩個馬達的串并聯(lián)轉換。當兩馬達串聯(lián)連接時，馬達處于高速小扭矩運行狀態(tài)；當兩馬達并聯(lián)連接時，馬達處于低速大扭矩運行狀態(tài)。當裝置在平地或下坡行走時，裝置需要的驅動功率小，要求液壓系統(tǒng)輸出壓力低，通過控制油路讓兩馬達串聯(lián)，使裝置實現(xiàn)高速行走；當裝置上坡時，由于阻力增大使得液壓系統(tǒng)壓力升高。利用此壓力切換行走液壓馬達的換向閥，使裝置實現(xiàn)低速行走。4.8 爬坡角度限制回路針對裝置的平衡，系統(tǒng)中考慮了限制爬坡角度的設計。在馬達的進油口連接了溢流閥作為超載閥。當裝置爬坡角度過大時，液壓系統(tǒng)壓力過高使油液從超載閥流走，限制裝置上坡

41、角度17。4.9 找管定位由于成品油輸送管道破損，汽油、煤油高速噴射，使得噴油口周圍形成易燃易爆環(huán)境。需要維搶操作人員遠距離遙控裝置，進行噴射油液的控制和回收。由于電纜收放、運輸?shù)确矫娴囊蛩兀狙b置遙控距離為300m左右。由于輸油管道泄漏口處環(huán)境狀況不確定，其中包括噴油角度、噴射口周圍地面情況等。因此，收油器收油角度要求可調。為了滿足收油器角度調節(jié)需要，裝置設計了大臂、小臂、收油器三個旋轉副，通過大臂、小臂旋轉副相互協(xié)調旋轉，可以調節(jié)收油器的前后位置，使收油器移動到噴油口處；通過旋轉收油器旋轉副，可以調節(jié)收油器的方位和角度，使收油器的軸線與噴射油流方向接近一致。當收油器下行收油時，噴射油流對收

42、油器產生向上的噴射力，有向后翻轉裝置的傾向，為了使裝置穩(wěn)定，設計了后支撐裝置。這4個執(zhí)行部件靠三位四通換向閥控制油缸的伸縮，實現(xiàn)收油器上下行或旋轉動作。在油缸的進出油口連接了單向節(jié)流閥和溢流閥。單向節(jié)流閥用來限制各部件下行的速度，使部件下行不至于過快，保證裝置的穩(wěn)定和安全。連接在油口的溢流閥用做超載閥，當噴射力過大時，限制驅動收油器的各運動部件的繼續(xù)運動，避免對裝置造成破壞。4.10 本章總結 本章在上章節(jié)擬定的工程車液壓統(tǒng)原理圖上，分析了該工程車各功能的實現(xiàn)過程，而且還分析了為實現(xiàn)工程車的各功能所對應的液壓系統(tǒng)。第5章 主要元件的參數(shù)計算及其選型5.1 選擇行走馬達裝置的行走用兩個低速大扭矩

43、減速馬達驅動履帶系統(tǒng)的驅動輪來實現(xiàn)。參照國內的液壓挖掘機，我們選擇了中日合資企業(yè)-上海納博斯克液壓有限公司生產的帝人液壓挖掘機專用行走馬達，該馬達集減速裝置與液壓馬達于一體，是目前世界上最先進水平的產品。馬達內置安全閥、背壓閥，內置停車制動器，并具有高低兩檔切換速度。非常適合我們的技術要求，因此決定選用此行走馬達。根據(jù)液壓挖掘機專用行走馬達的應用范圍和適用挖掘機噸位，我們確定選用GM04VA型行走馬達，如圖5.118。5.2 選擇液壓泵 液壓泵是動力元件，將原動機的機械能轉換成液體的液壓能，向整個液壓系統(tǒng)提供動力。液壓泵的結構形式有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵，他們的性能比較如表5.2所示。表5.1

44、 馬達的主要參數(shù)項目名稱數(shù)值單位額定輸出扭矩最高回轉速度最大減速比最高使用壓力液壓馬達最大行程容積液壓馬達最高回轉速度40206553.724.5213600N.mmin-11/RMPaMPacm3/revmin-1 圖5.1 行走馬達 5.2.1 液壓泵工作壓力的確定 PPP1+P (5.1) P1- 執(zhí)行元件的最高工作壓力； P-是從液壓泵出口到液壓缸之間的管路損失，管路復雜，進口有調速閥，則取P=1Mpa；5.2.2 確定液壓泵的流量 多液壓缸同時工作時，而且系統(tǒng)使用蓄能器輔助動力源時，則液壓泵輸出流量公式為： (5.2) 其中K-為泄露系數(shù)，取K=1.2 Tt-液壓系統(tǒng)工作周期 Vi-

45、每個液壓缸的工作周期中的總耗油量 Z-液壓缸的個數(shù) 動臂油缸的最大流量： Q1=6ViAij104 =60.10.1104=60抖桿油缸的最大流量： Q2=60.140.0031104=26 根據(jù)以上可知： Qmax=60 小泵流量： Q2=Qmax20=12 大泵排量： Q1=Qmax80=48 小泵排量： q2=Q2nD103=8.1 大泵排量： q1=Q1nD103=37按照液壓泵的排量q1、q2 和pp、pvp 的值來選擇液壓泵19。5.2.3 選擇液壓泵的規(guī)格 （1）根據(jù)上述液壓馬達的參數(shù)，我們確定液壓系統(tǒng)工作壓力為20 MPa，最高壓力為25 MPa。 （2）履帶驅動輪分度圓直徑為

46、300mm，行走速度為2.0km/h,驅動輪轉速： n1=2.01000/60/3.14/0.30=35.4 r/min因為泄漏控制裝置行走速度不是主要矛盾，主要要控制整機功率不要過大。因此，我們選擇最大減速比為53.7。 馬達減速前轉速： n2=35.453.7=1901 r/min （3）供油泵流量： Q=211901/1000=39.9 l/min.根據(jù)此參數(shù)，我們選擇液壓泵。 （4）液壓泵選擇根據(jù)系統(tǒng)使用條件和參數(shù)要求，比較液壓泵的性能特點確定液壓泵的型號?？紤]到泄漏油控制裝置使用環(huán)境比較惡劣，環(huán)境污染比較嚴重，葉片泵和柱塞泵抗污染能力都比較弱，要求過濾精度較高，最后決定選用高壓齒輪泵

47、作為液壓系統(tǒng)的動力元件。在本裝置的執(zhí)行機構當中，行走馬達需要的功率最大，因此根據(jù)行走馬達的參數(shù)，結合我們所能承受的裝置總功率的實際情況，決定選用CBQL-F520/F520型雙聯(lián)齒輪泵，見表5.220。表5.2雙聯(lián)齒輪泵主要參數(shù)項目數(shù)值單位型號CBQL-F520/F520工程排量20/20mL/r額定壓力20.0/20.0MPa最高壓力25.0/25.0MPa轉速范圍400-3000r/min功率按照轉速1500r/min、壓力20.0MPa計算N=20150010-6/60201062=20KW5.3 選擇液壓控制閥選擇液壓閥重要根據(jù)閥的工作壓力和通過閥的流量。本系統(tǒng)的工作壓力為20 MPa，最高壓力為25 MPa，所以液壓閥都選用中，高壓閥。液壓閥的作用是控制液壓系統(tǒng)的油流方向，壓力和流量，從而控制這個液壓系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作壓力，執(zhí)行機構的動作順序，工作部件的運動速度，方向，以及變換頻率，輸出力和力矩等。根據(jù)液壓原理圖提供的情況，審查圖中各個液壓控制閥在各種工況下達到的最高工作壓力和最大流量，并以此選擇液壓控制閥的額定壓力和額定流量。一般情況下，閥的實際壓力和流量應與公稱值接近，但對于壓力閥和流量閥，允許的最大流量可超過公稱流量的10%；對換向閥允許通過的流量還受閥的