6380Tm自升式塔式起重机液压系统设计文档格式.docx
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4、应提交的设计文件及成果
设计成果:
包括毕业设计说明书和图纸
第一章工况分析与初定液压系统参数
通过工况分析,可以看出液压执行元件在工作过程中速度和载荷变化情况,为确定系统及各执行元件的参数提供依据。
液压系统的主要参数是压力和流量,它们是设计液压系统,选择液压元件的主要依据。
压力决定于外载荷。
流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。
1载荷的组成和计算
1.1液压缸的载荷组成
塔式起重机液压系统的执行元件是液压缸,由活塞杆顶升塔身升降。
由分析知:
作用在活塞杆上的外部载荷包括工作载荷Fg、活塞组件运动时所产生的摩擦载荷和由于速度变化而产生的惯性载荷Fa。
液压缸的总载荷为:
=
+Fm+
(1-1)
1.2液压缸的载荷计算
(1)工作载荷Fg
常见的工作载荷有作用于活塞杆轴线上的重力、切削力、挤压力等,这些作用力的方向与活塞运动方向相同为负,相反为正。
本设计中工作载荷Fg为塔顶重量,由原始资料可知:
Fg=500~700KN
(2)活塞组件的摩擦载荷
由于液压缸的密封材质和密封形成不同,密封阻力难以精确计算,可以用液压缸的机械效率来考虑。
Fm=(1-ηm)F(1-2)
式中:
ηm为液压缸的机械效率,一般取0.90-0.95
(3)惯性力Fa
由于活塞组件速度变化较小,所以惯性力
可忽略不计。
因此:
=
=500~700KN
(4)液压缸推力
作用于活塞上的载荷F一般估算为:
F=Fw/ηm=700/0.92=760.87KN
F——液压缸推力
Fw——工作载荷
ηm——液压缸的机械效率式中取0.92
2初选系统工作压力
压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。
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,重载设备压力要选得高一些。
具体选择可参考表2和表3。
表1按载荷选择工作压力
载荷/kN
<
5
5~10
10~20
20~30
30~50
>
50
工作压力/MPa
0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5
表2各种机械常用的系统工作压力
机械类型
机床
农业机械
小型工程机械
建筑机械
液压凿岩机
液压机
大中型挖掘机
重型机械
起重运输机械
磨床
组合
机床
龙门
刨床
拉床
0.8~2
3~5
2~8
8~10
10~18
20~32
本设计是起重机械,根据经验本设计方案中取工作压力为:
25MPa
3计算液压缸的主要结构尺寸
由于塔式起重机的液压缸在对塔顶升降过程中,液压缸的活塞及活塞杆处于受压状态,所以这里按受压状态设计液压缸的主要参数(见图1)。
图1液压缸主要设计参数
活塞杆受压时
(1-3)
式中
——无杆腔活塞有效作用面积(m2);
——有杆腔活塞有效作用面积(m2);
——液压缸工作腔压力(Pa);
——液压缸回油腔压力(Pa),即背压力。
其值根据回路的具体情况而定,初算时可参照表3取值。
——活塞直径(m);
——活塞杆直径(m)。
活塞与活塞杆直径间的关系见表4。
表3执行元件背压力
系统类型
背压力/MPa
简单系统或轻载节流调速系统
0.2~0.5
回油路带调速阀的系统
0.4~0.6
回油路设置有背压阀的系统
0.5~1.5
用补油泵的闭式回路
0.8~1.5
回油路较复杂的工程机械
1.2~3
回油路较短,且直接回油箱
可忽略不计
表4按工作压力选取d/D
≤5.O
5.0~7.0
≥7.0
D/d
0.5~0.55
0.62~0.70
0.7
液压缸在受压状态下工作,由(1-3)式可得出,其活塞面积为:
(1-4)
由于工作压力在前面已经选取为25
,根据表4选择d/D=0.7,由表3暂取P2=0.5
。
由式(1-4)得出:
D=
=197.91mm
F—液压缸推力,F=760.87KN;
P1—液压缸工作腔压;
P2—液压缸回油腔压。
则:
d=0.7D=138.54mm
液压缸直径D和活塞杆直径d的计算值要按国标规定的有关标准进行圆整。
如与标准液压缸参数相近,最好选用国产标准液压缸,免于自行设计加工。
常用液压缸内径及活塞杆直径见表7和表8。
表5常用液压缸内径D(mm)
40
63
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
表6按速比要求确定d/D
υ2/υ1
1.15
1.25
1.33
1.46
1.61
2
d/D
0.3
0.4
0.5
0.55
0.62
0.71
表7活塞杆直径d(mm)
速比
缸径
22
28
35
45
60
55
70
由上表可知经圆整后D=200mm,根据杆径比Φ=0.7,查表6得出速比φ=2,再根据表7得活塞杆直径d=140mm。
4液压缸主要结构尺寸验算
4.1液压缸有效工作面积的验算
当工作速度很低时,且采用节流调速时,还须按下式验算液压缸的尺寸。
(1-5)
A——液压缸有效工作面积(m2);
——系统最小稳定流量(m3/s)(在节流调速中取决于回路中所设调速阀或节流阀的最小稳定流量。
查产品样本,调速阀最小稳定流量为0.05
;
若为容积调速,
决定于变量泵的最小稳定流量。
本设计计划采用节流调速;
——运动机构要求的最小工作速度(m/s)。
由设计任务书可知液压缸的最低速度Vmin为0.3m/min。
将以上各值代入(1-5)式,得:
A=
=1.67×
10-4m2
有杆腔有效作用面积为:
=1.6×
10-2m2
无杆腔有效作用面积为:
=3.1×
由于A<A2<A1,故满足稳定性要求。
4.2压杆稳定性校核
对行程与活塞杆直径比L/d>10的确受压柱塞或活塞杆,需要进行压杆稳定性验算。
本设计方案中L=1800mm,d=140mm,则:
=12.86>
10
故需做压杆稳定性校核。
稳定性验算如下:
λ1=
(1-6)
E——为活塞杆材料的弹性模量,一般取E=210GPa;
σp—为材料的许用应力,查材料手册σp=280MPa。
将以上各值代入(1-6)式,得:
λ1=
=86
活塞杆可简化成两端铰支的压杆,所以μ=1。
(一端自由,一端刚性固定μ=2、两端铰接μ=1)。
活塞杆的截面为圆形,则压杆截面的最小惯性半径为:
i=
=
λ=
=51.43
以上两式中:
I——截面的最小极惯性矩;
A——活塞杆面积;
d——活塞的直径;
μ——压杆的长度系数;
L——活塞杆的行程。
由于λ<λ1,所以不能用欧拉公式计算临界压力,若用直线公式由表8查得优质钢的a和b分别a=461MPa,b=2.568MPa
表8直线公式的系数a和b
材料(δb δs的单位为MPa)
a(MPa)
B(MPa)
A3钢
δb≥372
δs=235
304
1.12
优质碳钢
δb≥471
δs=306
461
2.568
硅钢
δb≥510
δs=
587
3.744
353
铬钼钢
9807
5.296
铸铁
332.2
1.454
强铝
373
2.15
松木
28.7
0.19
δs为材料屈服强度查材料手册δs取350MPa
λ2=
=
=43.2
由上述计算可见活塞杆的柔度λ介于λ1和λ2之间(λ2≤λ≤λ1),是中性柔度压杆,由直线公式求出临界应力为:
σcr=a-bλ=461-2.568×
51.43=328.93MPa
临界压力为:
Pcr=σcrA=
(140×
10-3)2×
328.93×
106=5060.92kN
活塞杆的工作这安全系数为:
n=
=6.65
查有关手册知:
活塞杆稳定的安全系统nst=3.5~5。
本设计取nst=5,n≥nst,因此活塞杆满足稳定性要求。
5计算液压缸所需流量
液压缸工作时所需流量为:
q=Aυ(1-7)
A——液压缸有效作用面积(m2);
υ——活塞与缸体的相对速度(m/s)。
由任务书及前面的计算可知:
V=0.3-0.7m/min=0.005-0.012m/s。
液压缸无杆腔面积:
A=πD2/4=3.14×
2002/4=31400mm2=0.0314m2
液压所需最小流量:
q1=A1V1=0.0314×
0.005=1.57×
10-4m3/s
液压缸所需最大流量:
q2=A2V2=0.0314×
0.012=3.768×
第二章液压基本回路确定和液压系统合成
1液压基本回路确定
1.1调速回路确定
液压执行元件确定之后,其运动方向和运动速度的控制是拟定液压回路的核心问题。
速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。
相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者的结合——容积节流调速。
节流调速一般采用定量泵供油,用流量控制阀改变输入或输出液压执行元件的流量来调节速度。
此种调速方式结构简单,由于这种系统必须用溢流阀,故效率低,发热量大,多用于功率不大的场合。
容积调速是靠改变液压泵或液压马达的排量来达到调速的目的。
其优点是没有溢流损失和节流损失,效率较高。
但为了散热和补充泄漏,需要有辅助泵。
此种调速方式适用于功率大、运动速度高的液压系统。
容积节流调速一般是用变量泵供油,用流量控制阀调节输入或输出液压执行元件的流量,并使其供油量与需油量相适应。
此种调速回路效率也较高,速度稳定性较好,但其结构比较复杂。
由设计任务书所给的原始资料可知,该液压系统只要能满足塔顶的升降即可,本着满足控制要求、结构简单、经济可靠的原则,决定采用节流调速方法。
在节流调速回路中根据流量阀的安装位置不同,调速方式有三种:
一是安装在液压缸的进油路上——进油路节流调速,二是安装在液压缸的回油路上——回油路节流调速,三是和液压缸关联,安装在液压缸的旁油路上——旁油路节流调速。
进油路节流调速的特点:
液压泵流量必须按执行元件最高速度所需流量选择,供油压力按最大负载所需压力考虑。
因此,泵输出功率较大,工作部件的运动速度随外负载的增减而忽慢忽快,难以得到稳定的速度,因而进口节流调速回路不宜用在负载大速度高或者负载变化较大的场合,而在低速轻载下速度刚性好,所以适用于负载变化较小、功率不大的液压系统中。
回油路节流调速回路和进油路节流调速回路相比:
速度负载特性,承载能力,功率特性和效率等相似。
在承受负值负载能力、运动平稳性、油液发热对泄露的影响方面优于进油路节流调速回路。
旁路节流调速回路:
由于旁路节流调速回路在高速,重质载下工作时,功率大,效率高,因此适用于动力较大、速度较高、速度稳定性不高、且调速范围小的液压系统中。
经由以上的分析以及设计任务书中所给的已知参数,本系统决定选择回油路节流调速回路。
考虑到无论塔顶上升或下降,均能进行回油路节流调速,且使回路保持一定的背压,同时进油路又敝通无阻,决定液压缸的无杆腔和有杆腔均通过单向节流阀接通,其连接方式如图2所示。
图2采用单向节流阀的节流调速回路
1.2方向控制回路确定
自升式塔式起重机随着建筑物层数的增加,需不断调整自身的塔高,在调整塔身高度时,需将塔顶部分顶升,并能停止在一定的位置,这需要锁紧回路来完成;
塔顶的顶升和下降,需要换向回路来完成。
1.2.1锁紧回路的确定
能使执行元件锁紧的方法有多种,如利用三位换向阀的中位机能。
三位换向阀的中位机能为M、O时,均能使液压缸锁紧,但其锁紧效果欠佳,因为阀芯和阀体间有间隙,随着时间延长,油液会慢慢泄漏,因此这里采用双向液压锁进行锁紧,如图3所示。
图3双向液压锁锁紧回路
1.2.2换向回路确定
执行元件的换向一般由换向阀来控制,换向阀的作用是利用阀芯相对于阀体的运动来控制液流方向,接通或断开油路,从而改变执行机构的运动方向、启动或停止。
由于液压缸的活塞杆要带动塔顶升降,所以需要换向阀来改变流入液压缸的液流方向。
换向阀的种类很多,一般按换向阀阀芯的运动方式、控制方式、工作位置数和通路数等特征进行分类。
见表9,由于润滑式换向阀操作控制方便,在液压系统中得到广泛应用。
因此本系统采用滑阀式换向阀。
表9阀式换向阀类型
分类方式
名称
按阀芯运动方式
滑阀转阀
按操纵阀芯的方式
手动电动机动液动电液动
按阀的工作位置数
二位三位四位
按阀的通路数
二通三通四通五通
按阀的安装方式
管式板式发兰式
由于塔顶能升、降和停止,所以需要采用三位四通换向阀。
为了配合双向液压锁使液压缸锁紧,换向阀采用H型的中位机能。
由于塔身每升、降一次均要工作较长时间,换向阀工作不太频繁,所以采用手动操作装置。
其回路如图4所示。
图4换向回路
1.3压力控制回路确定
压力控制回路是利用压力控制元件来控制系统或局部油路的压力,以满足执行元件的要求。
它可分为溢流阀、减压阀、顺序阀和压力继电器等。
设计任务书可知要顶起塔顶,液压缸需要一定的工作压力。
因此需要有溢流阀来完成。
溢流阀的作用主要有两个,一是在定量泵节流调速系统中,用来保持液压泵出口压力恒定,并将液压泵多余的油液溢流回油箱,即起定压和溢流作用;
二是在系统中起安全保护作用,在液压系统正常工作时溢流阀处于关闭状态,使系统压力不再增加,对系统起过载保护作用。
经分析知:
本系统中的溢流阀起定压溢流作用。
溢流阀根据结构不同,分为直动式和先导式两类。
直动式用于低压系统,先导式用于中、高压系统。
直动式溢流阀的阀芯在弹簧的作用下处于关闭位置。
油液从进油口进入,油液压力作用于溢流阀的阀芯上,使阀芯产生一个打开趋势的液压推力。
当液压力小于弹簧力时,阀芯不动,阀口关闭,油口不通。
当液压力超过弹簧力时,阀芯移动,阀口打开,油口相通,溢流阀溢流,油液便从油口流回油箱。
从而保证进口压力基本恒定,系统压力不再升高。
扭动螺冒可改变弹簧的压力,从而调整溢流阀的工作压力。
直动式溢流阀由于采用了阀芯上设阻尼小孔的结构,因此可以避免阀芯动作过快时造成的振动,提高了阀工作的平稳性。
但这类阀用于高压大流量时,需要设置刚度较大的弹簧,且随着流量的变化,其调节后的压力波动较大,故这种阀只适用于系统压力较低,流量不大的场合。
先导式溢流阀的结构尺寸较小,调压弹簧刚度较小,因此压力调定比较轻便,但需要先导阀和主阀都动作后才起控制作用,因此反应不如直动式溢流阀灵敏。
先导式溢流阀中主阀弹簧主要用于克服阀芯的摩擦力,弹簧刚度小。
当溢流量变化引起主阀弹簧压缩量变化时,弹簧力变化较小。
因此阀的进口压力变化也较小,故先导式溢流阀调压稳定性好。
因先导式溢流阀是由先导阀来控制和调节溢流压力,而由主阀用来溢流,故在工作过程中振动小,噪声低,压力较稳定,它适合于高压,大流量的场合。
通过对溢流阀的分析比较,本系统采用先导式溢流阀来调节系统所需压力,并保持压力恒定。
该溢流阀按装在液压泵的出口,与执行元件并联安装,在系统中不做功,只对元件起控制作用。
1.4液压动力源回路确定
液压动力源回路是液压系统中提供一定压力和流量传动介质的动力源回路。
常用的液压动力源回路有开式液压系统回路、闭式液压系统回路两种形式。
在开式系统中,液压泵从油箱吸油,压力油流经系统释放能量后,再排回油箱。
开式回路结构简单,散热性好,但油箱体积大,容易混入空气。
闭式系统中,液压泵的吸油口直接与执行元件的排油口相通,形成一个封闭的循环回路。
其结构紧凑,但散热条件差。
经分析比较,本系统决定采用开式系统。
液压系统的工作介质的能量完全由液压源来提供,液压源的核心是液压泵。
节流调速系统一般用定量泵供油,在无其他辅助油源的情况下,液压泵的供油量要大于系统的需油量,多余的油经溢流阀流回油箱,溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用,如图5所示。
图5液压动力源回路
1.5滤油器选择
据统计液压系统中有75%以上的故障是和液压油的污染有关。
油液中的污染能加速液压元件的磨损,卡死阀芯,堵塞工作间隙和小孔,使元件失效。
导致液压系统不能正常工作,因而必须对油液进行过滤,过滤器的功用在于过滤液压油中的杂质,使进入到液压系统中去的油液的污染度降低,保证系统正常工作。
液压系统对过滤器的要求是:
有足够的过滤精度,有足够的过滤能力,有一定的机械强度,滤芯有良好的抗腐蚀能力,滤芯便于清洗、更换,便于拆装和维护。
过滤器按滤芯结构可分为网式、线隙式、纸质、烧结式和磁性过滤器等。
网式滤油器:
由1-2层铜丝网围在开口的金属圆筒式圆形的支架上组成,过滤精度一般为0.08-0.18mm,它的特点是结构简单,压力损失小(0.01MPa-0.025MPa)多在系统的吸油路上作粗滤用,也有用较细的2-3层金属网做成精度较高的网式滤油器。
用于调速阀前的过滤。
线隙式滤油器:
滤芯是由金属线细绕在多角形式或圆筒金属骨架上构成,利用线间的缝隙过滤油液。
线隙式过滤器结构简单,过滤效果好,通过能力强,耐高温高压,但是过滤精度较低,多用于吸液管路和油液管路过滤。
纸芯式过滤器:
纸芯是油滤纸围绕在酚醛树脂或木浆微孔滤纸制成的芯架上,为增大过滤器面积,纸芯做成折叠形。
这种滤油器适于精过滤,精度可达0.005mm,工作压力可达38MPa,压力损失为0.05MPa-0.12MPa,但这种过滤器易堵塞,且无法清洗。
故使用时纸芯应定期更换,多用于压力管路和回液管路。
烧结式滤油器:
其滤芯由青铜等金属烧结而成,它是利用金属颗粒间的缝隙进行过滤的。
构成滤芯的金属粉末颗粒不同,过滤进度也不同,精度范围为0.007mm-0.1mm。
这种滤油器的特点是:
结构简单,强度高,抗腐蚀,过滤精度高,适用于精滤器,但颗粒易脱落,压力损失大(0.03MPa-0.2MPa)难以清洗。
磁性滤油器:
磁性滤油器的滤芯有永久磁铁做成,用于清除油液中的铁屑、铸铁粉末等铁磁性物质。
综上所述,在泵的入口要装置粗过滤器,即网式过滤器以除去液压油中的杂质,使进入到液压系统中的油液污染度降低,保证系统正常工作。
过滤器在回路中的连接情况如图5所示。
2液压系统合成
在以上液压基本回路确定以后,可根据上述的基本回路合成液压系统,如图6所示。
液压系统工作原理:
液压泵3由电动机带动旋转,从油箱1中吸油。
油液经过滤器2过滤后流往液压泵,经泵向系统输送。
来自液压泵的压力油流经换向阀与单向节流阀,再经液压锁进入液压缸左腔,推动活塞连同工作台向右移动。
这时,液压缸右腔的油通过换向阀经回油管排回油箱。
图6塔式起重机液压系统图
1—油箱;
2—滤油器;
3—电动机;
4—叶片泵;
5—压力表;
6—液压锁;
7—油缸
第三章液压元件的选择与专用件设计
1液压泵的选择
1.1确定液压泵的最大工作压力pp
pp≥p
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