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优化设计详解
QY16型汽车起重机下车液压系统优化设计
作者:
思学成指导老师:
张学军
摘要:
本设计在分析汽车起重机的功能、组成和工作特点的基础上,并结合国内外汽车起重机的运用现状和发展趋势,设计了一款中型汽车起重机(QY16)下车液压系统。
在设计本机液压系统时,对工作机构液压回路进行典型工况分析,确定了液压系统要求,并结合优化设计思路拟定液压系统原理图和对液压元件进行选择。
在设计中对发动机与液压泵的功率匹配进行了分析,并在回路中使用电液比例控制阀,以使系统更加稳定可靠。
关键字:
汽车起重机;工况分析;设计计算;电液比例优化
前言:
工程起重机是各种工程建设广泛运用的重要起重设备,是用来对物料进行起重、运输、装卸或安装等作业的机械设备,在工业和民用建筑中作为主要施工机械而得到广泛运用。
1.1概述
汽车起重机是一种使用广泛的工程机械,这种机械能以较快速度行走,机动性好、适应性强、自备动力不需要配备电源、能在野外作业、操作简便灵活。
在汽车起重机上采用液压起重技术,具有承载能力大,可在有冲击、振动和环境较差的条件下工作。
由于系统执行元件需要完成的动作较为简单,位置精度要求较低,所以,系统以手动操纵为主,对于起重机械液压系统,设计中确保工作可靠与安全最为重要[1]。
汽车起重机是用相配套的载重汽车为基本部分,在其上添加相应的起重功能部件,组成完整汽车起重机,并且利用汽车自备的动力作为起重机的液压系统动力;起重机工作时,汽车的轮胎不受力,依靠四条液压支撑腿将整个汽车抬起来,并将起重机的各个部分展开,进行起重作业;当需要转移起重作业现场时,需要将起重机的各个部分收回到汽车上,使汽车恢复到车辆运输功能状态,进行转移。
一般的汽车起重机在功能上有以下要求:
1.整机能方便的随汽车转移,满足其野外作业机动、灵活、不需要配备电源的要求;
2.当进行起重作业时支腿机构能将整车抬起,使汽车所有轮胎离地,免受起重载荷的直接作用,且液压支腿的支撑状态能长时间保持位置不变,防止起吊重物时出现软腿现象;
3.在一定范围内能任意调整、平衡锁定起重臂长度和俯角,以满足不同起重作业要求;
1.2液压传动应用于汽车起重机的优缺点
1.2.1液压传动应用于汽车起重机的优点
来自汽车发动机的动力经油泵转换到工作机构,其间可以获得很大的传动比,省去了机械传动所需的复杂而笨重的传动装置。
不但使结构紧凑,而且使整机重量大大的减轻,增加了整机的起重性能。
同时还很方便的把旋转运动变为平移运动,易于实现起重机的变幅和自动伸缩[2]。
各机构使用管路联结,能够得到紧凑合理的速度,改善了发动机的技术特性。
1.2.2液压传动应用于汽车起重机的缺点
液压传动的主要缺点是漏油问题难以避免。
为了防止漏油问题,元件的制造精度要求比较高。
油液粘度和温度的变化会影响机构的工作性能。
液压元件的制造和系统的调试需要较高的技术水平。
1.3液压系统的类型
液压系统主要实现其工作目的必须经过动力源—调节控制机构—执行机构三个环节。
其中动力源主要是液压泵;传输控制装置主要是一些输油管和各种阀的连接机构;执行机构主要是液压马达和液压缸[3]。
这三种机构的不同组合就形成了不同功能的液压回路。
1.4汽车起重机液压系统功能、组成和工作特点
汽车起重机液压系统一般由起升、变幅、伸缩、回转、支腿和控制六个主系统组成。
从图1.1可以看出,各个回路之间具有不同的功能、组成和工作特点:
图1.1汽车起重机各回路工作状态图
Fig.1.1workingstatediagramofeachcircuitoftruckcrane
1.4.1起升系统
起升回路起到使重物升降的作用如图1.2。
图1.2起升系统
Fig.1.2hoistingsystem
起升回路是起重机液压系统的主要回路,对于大、中型汽车起重机一般都设置主、副卷扬起升系统。
它们的工作方式有单独吊重、合流吊重以及单独共同吊重三种方式,其中对于吊大吨位且要求速度不太高时用主卷扬吊的方式,对于吊小吨位且要求速度不太高时用副卷扬吊的方式;对于吊大吨位且要求速度比较高时用主副卷扬泵合流吊的方式;对于吊比较长的物体时用单独共同吊重方式。
在实际的工作中根据实际的需要选择工作方式[4]。
1.4.2回转系统
回转回路起到使吊臂回转,实现重物水平移动的作用。
回转回路主要由液压泵、换向阀、平衡阀、液压离合器和液压马达组成,由于回转力比较小所以其结构没有起升回路复杂。
回转机构使重物水平移动的范围有限,但所需功率小,所以一般汽车起重机都设计成全回转式的,即可在左右方向任意进行回转。
回转系统还具有独立的工作能力,工作过程中可防止打停现象的出现,并通过加装电磁浮动阀使其能够自由的摆动,具有良好的微动性能。
1.4.3变幅系统
绝大部分工程起重机为了满足重物装、卸工作位置的要求,充分利用其起吊能力(幅度减小能提高起重量),需要经常改变幅度。
变幅回路则是实现改变幅度的液压工作回路,用来扩大起重机的工作范围,提高起重机的生产率。
如图1.3所示,变幅回路主要由液压泵、换向阀、平衡阀和变幅液压缸组成。
图1.3变幅系统
Fig.1.3amplitudevariationsystem
工程起重机变幅按其工作性质可分为非工作性变幅和工作性变幅两种。
非工作性变幅指只是在空载条件下改变幅度。
它在空载时改变幅度,以调整取物装置的位置,而在重物装卸移动过程中,幅度不改变。
这种变幅次数一般较少,而且采用较低的变幅速度,以减少变幅机构的驱动功率,这种变幅的变幅机构要求简单。
工作性变幅能在带载的条件下改变幅度。
1.4.4伸缩系统
伸缩回路可以改变吊臂的长度,从而改变起重机吊重的高度,如图1.4。
伸缩回路主要由液压泵、换向阀、液压缸和平衡阀组成,根据伸缩高度和方式不同其液压缸的节数结构也就大不相同。
图1.4伸缩系统
Fig.1.4telescopicsystem
2.1典型工况分析及对液压系统要求
分析各机构的实际作业情况,起重机的试验规范,确定QY16汽车起重机的典型工况。
根据汽车起重机的典型工况确定对液压系统的要求。
2.1.1伸缩机构的作业情况
汽车起重机工作中主要用到的机构是主、副卷扬机构,回转机构;在重物下降定位时常常用到变幅机构[5]。
带载伸缩是比较危险的,在实际作业中很少使用,空载吊臂伸缩循环仅占试验基本工况作业循环次数的5%,故伸缩及带载伸缩不是典型工况。
2.1.2副臂的作业情况
大多数汽车起重机都带有副臂,它的作用是增加起重机的最大起升高度。
很多大型汽车起重机主臂前都有一个突出滑轮,在副卷扬工作时,顺着滑轮吊下副钩,用于主、副卷扬的组合动作,而很少用副臂与主卷扬进行组合动作。
本机属于中型起重机,不提倡采用副臂,不过可以增加臂的节数来增大最大起升高度。
2.1.3对液压系统要求
根据汽车起重机的典型工作状况对系统的要求主要反映在对以下几个液压回路的要求上:
1.起升系统:
1)主、副卷扬既能单动,又能同时动作,要求自动分流合流并将保证低压合流高压自动分流。
2)副卷扬只要求单泵供油。
3)要求卷扬机构微动性好,起、制动平稳,重物停在空中任意位置能可靠制动,即二次下滑问题,以及二次下降时的重物或空钩下滑问题,即二次下降问题。
2.回转系统:
1)具有独立工作能力。
2)回转制动应兼有常闭制动和常开制动(可以自由滑转对中),两种情况。
3.变幅系统:
1)带平衡阀并设有二次液控单向阀锁住保护装置。
2)要求起落臂平稳,微动性好,变幅在任意允许幅值位置能可靠锁死。
3)要求在有载荷情况下能微动。
4)平衡阀应备有下腔压力传感器接口,作为力矩限制器检测信号源。
4.伸缩系统:
本机伸缩机构采用四节臂(含有三个液压缸),由于本机为中型起重机为了使本机运用广泛,采用电液阀控制液压缸实现各节臂顺序伸缩。
各节臂具有任意伸缩的选择性,但不能实现同部伸缩。
5.控制系统:
1)为了使操纵方便总体要求操纵手柄限制为两个。
2)操纵元件必须具有45°方向操纵两个机构联动能力。
6.支腿系统:
1)要求垂直支腿不泄漏,具有很强的自锁能力(不软腿)。
2)要求各支腿可以进行单独调整。
3)要求水平支腿伸出距离足够大,能够满足最大吊重而不至于整机倾翻。
2.2发动机与液压油泵的功率匹配优化方案
汽车起重机能量的总利用率一般仅为20%左右,能量损失巨大,因而节能技术便成为衡量汽车起重机先进性的重要指标。
目前国外的技术大多是采用电子功率优化系统,对发动机和液压油泵系统进行综合控制,使二者达到最佳匹配以获得节能效果。
该系统由单片机控制的无级调速的电控油门和电磁比例阀使挖掘机的机电一体化程度大大提高。
2.2.1电控系统主控对象
汽车起重机主要由起重臂、地盘部分、转台和支腿部分四部分组成,它的重物起吊、控制室转动动作都是在液压系统的油缸和马达的驱动下完成的。
而液压系统的油源又是由发动机带动的液压油泵提供的,因此发动机和液压油泵就是汽车起重机整车的动力源,功率优化控制系统的主控对象也就是发动机和液压油泵。
这里配置的发动机是康明斯柴油发动机;而液压油泵则是斜盘式柱塞变量泵[6]。
2.2.2电控系统控制原理
1.对发动机转速控制
柴油机基本上是恒扭矩调节的,其输出功率的变化表现为输出转速的变化,即不同的油门开度对应着不同的柴油机输出转速,也就是说我们可以通过对油门开度大小的控制来实现对发动机输出转速的控制。
门开度大时,喷油泵有效供油行程大,循环供油量大,发动机转速提高。
2.对液压油泵的控制
由柴油机的外特性曲线还可以看出,当喷油泵的油门拉杆处于某一位置时,柴油机的输出扭矩随转速变化的特性曲线很平坦。
这种特性对柴油机的工作是很不利的,当柴油机的负荷有较小变化时,其转速就会发生很大的变化。
所以发动机在驱动工作机械时,只有当它的输出扭矩与工作机械的阻力相等,发动机才可以稳定工作。
如阻力矩超过发动机的输出扭矩,发动机转速将下降;反之,则升高。
对超负荷运行状态的控制汽车起重机在施工作业中,如遇到起重重物时,起升阻力变大,工作负载变大,执行元件动作变缓,回油变慢,而油泵仍继续向系统供油,油缸内的油压急增,使系统压力过大,发动机的输出扭矩已小于这时的工作阻力,于是,发动机开始超负荷运转,转速迅速下降,甚至导致“熄火”[7]。
这时单靠拉大油门,硬性地使发动机转速升上去,溢流损失会很大,甚至会使油路因压力过大而漏油;还有一种情况是负荷特别重,油门已在最大位置,而我们已无法再通过调节油门来升速。
2.3QY16型汽车起重机液压系统分析
根据开式和闭式系统的优缺点、典型工况,结合国内外同类产品的具体情况,上车液压系统决定选用多泵多回路和多种型式的高压变量系统。
在起升(主、副卷扬)、回转、伸缩、变幅、支腿和控制6个液压回路中,起升和回转采用独立闭式油路,变幅、伸缩和支腿采用开式油路。
伸缩回路有四节液压缸,使用电液阀控制使液压缸实现顺序伸缩和各节臂单独伸缩。
回路中,电磁阀仅通过推动液动阀所需的流量,流量较小,而流动阀才是通过工作机构所需的大流量。
这样电磁阀可靠性大大提高。
液动阀可通过很大流量,从而提高伸缩速度。
大中型起重机的变幅机构,为了减小变幅缸的缸径,通常采用双缸并联回路,即两个等直径的变幅缸分别置于臂的两侧跟臂一起刚性连接。
本机采用液控单向阀来锁紧臂自动下滑,才用了一平衡阀来防止在变幅下降时产生超速现象。
伸缩、变幅回路在工作时只能一个单独工作,用电液比例换向阀来控制它们的伸缩速度。
本机采用了一个二位六通转阀来切换伸缩、变幅油路,这样不但可以实现一个操作手柄单独操作伸缩、变幅工作,而且用一个二位六通转阀替换了一个电液比例换向阀和一个电路切换开关降低了生产成本[8]。
3设计总结
本课题主要针对汽车起重机的功能、组成和工作特点,结合国内外汽车起重机的运用现状和发展趋势,设计一款能够适应国内外工程建设的中型汽车起重机(QY16)下车液压系统。
在设计本机液压系统时,在明确设计任务和设计要求;仔细研究设计方案,理清设计思路,使设计过程清晰化,这两点的基础上。
进行以下研究工作:
1.分析已有的汽车起重机,结合本机特点,对汽车起重机的典型工况进行了分析,确定了液压系统的要求,并对液压系统类型进行选择。
2.回转回路为闭式变量泵定量马达回路;
3.支腿回路和转向回路为开式回路。
4.对各工作机构液压回路进行设计,对各回路的组成原理和性能进行分析。
3.根据本机液压系统工作参数和各机构主要参数对液压系统进行设计计算,即对各种类型的主要元件进行设计计算,并且对其进行选择。
5.回转回路采用电液比例排量调节泵:
斜轴式柱塞双向液控变量泵A2V28HW/EL,带有副泵,此副泵负责给所在闭式回路补油和提供控制油。
回转马达为定量斜轴向柱塞马达A2FM23。
6.支腿回路为体现设计的合理性,选择水平支腿回路工作压力5Mpa,垂直支腿回路工作压力10Mpa。
并设计计算了关键部件垂直支腿液压缸:
垂直支腿液压缸缸径D=100mm;活塞杆直径d=70mm;壁厚20mm。
支腿、变幅、伸缩回路共用泵为A2F0125。
转向回路选择CB型齿轮油泵CB-10型齿轮泵。
7.4.液压元件选好以后对各个回路各项性能进行验算,全部达到了设计要求,并通过发热量验算,油温也控制在合适的范围内,证明本设计所做的QY16型汽车起重机下车液压系统设计符合设计规范,工作安全可靠
参考文献
[1]顾迪民主编.工程起重机.[M].中国建筑工业出版社,1988
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[3]章宏甲编.液压与气压传动.[M].机械工业出版社.2005
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[6]上海交通起重运输机械教研组编.起重运输机的液力传动.[M].中国工业出版社
[7]周士昌主编.液压系统设计图册.[M].机械工业出版社.2003
[8]扬国平刘忠编.现代工程机械液压与液力实用技术.[M].人民交通出版社
新疆农业大学机械交通学院
课程论文
课程名称:
机械优化设计
学期:
2016-2017学年第一学期
专业班级:
机制134
学号:
220130720
学生姓名:
思学成
任课教师:
张学军
提交时间:
2016年12月14日
班级机制134学号220130720姓名思学成
开课学院机械交通学院任课教师张学军成绩
1.论文题目:
关节型果蔬采摘机械臂优化设计与试验
论文要求:
1、根据所选择题目,选择一个点展开分析和讨论,包括基本原理、可能存在的缺点和改善措施、可能的应用前景等。
2、可以使用文字叙述,也可以列出表格或者图像表达。
3、要求有基本的结论。
4、论文结构包括:
题目,摘要,关键词,前言(引言),主题,结论,参考文献等。
5、自己组织语言表述自己的观点,切不可人云亦云、抄袭现有文献资料;课程论文内容要体现出学生的独立思考能力和一定的创新性。
6、字数3000-5000字,主要文献10-20篇。
课程论文评分标准及评分表
一级指标
二级指标
等级评定参考标准
分值
得分
论文选题
(20分)
性质
研究问题界定准确,体现了专业课程的基本要求
5
意义和价值
有一定的科学意义和实际价值
5
难度
难度适当
5
知识综合性
能综合运用所学专业知识阐述和论证问题,达到综合训练目的
5
论文质量
(80分)
摘要
有高度的概括力,语言精练、明确
10
结构
条理清晰,层次分明,结构严谨,内容完整,逻辑性强
10
论证
论证充分,分析深入,选择的材料详实、典型、充分,理论与实践相结合,结论正确
10
研究手段
能较好地运用本科所学专业常规研究方法及研究手段进行研究
10
写作能力
文字流畅,语言表达准确,没有病句和错别字
10
创新能力
能综合运用所学理论知识来发现和解决实际问题,有分析整理各类信息并从中获得新知识的能力,论文中有一定的创新见解和使用参考价值
10
参考文献
文献有一定广泛性,质量高,有综合、归纳资料和提炼各种学术观点的能力,对有关问题的研究状况有较好的了解
10
写作规范性
正文、目录、图表、脚注、参考文献、附录、计量单位、资料引用等格式规范,符合规定字数要求
10
合计
100
教师评语:
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