码头行人踏板液压系统设计.pdf

2 0 1 4年 4月 第 4 2 卷 第 8 期 机床与液压 MACHI NE T0OL＆ HYDRAUL I CS Ap r ． 2 01 4 V0 l _ 4 2 No ． 8 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 8 ． 0 3 0 码头行人踏板液压 系统设计 胡晓东 ，陈妙芳 ，贾铭新 ，鲁阳 1 ．浙江工业职业技术学院，浙江绍兴 3 1 2 0 0 0 ； 2 ．浙江大学，浙江杭州 3 1 0 0 1 3 摘要介绍了码头行人踏板液压系统的主要功能和设计原理。在分析行人踏板运动过程中液压缸承受着变化的正、负 负载工况的基础上，提出了该液压系统和控制系统的设计方案，并从设计要求和技术参数着手，详细阐述了液压系统参数 的确定 、液压元件的计算和选择、安全保护措施 ，并对液压系统进行了调试与试车。经实践测试该液压驱动系统速度 、 背压稳定，运行平稳 ，各项性能满足行人踏板设计要求。 关键词行人踏板；液压系统；控制系统 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 48 0 9 0 4 De s i g n o f Hy d r a u l i c S y s t e m f o r Do c k Pe d e s t r i a n P e d a l HU Xi a o d o n g ，CHE N Mi a o f a n g ，J I A Mi n g x i fi ，L U Y a n g 1 ． Z h e j i a n g I n d u s t r y P o l y t e c h n i c C o l l e g e ，S h a o x i n g Z h e j i a n g 3 1 2 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ． Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 1 3，C h i n a Ab s t r a c t T h e h y d r a u l i c s y s t e m’ s k e y f e a t u r e s a n d d e s i g n p r i n c i p l e s o f d o c k p e d e s t r i a n p e d a l we r e i n t r o d u c e d，a n d p l a n s f o r h y - d r a u l i c s y s t e m a n d c o n t r o l s y s t e m we r e p r e s e n t e d b a s e d o n a n a l y s i s o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r s ’ p o s i t i v e a n d n e g a t i v e l o a d c o n d i t i o n s d u r - i n g e x e r c i s e ． Th e h y d r a u l i c s y s t e m’ s p a r a me t e r s d e t e r mi n i n g ， s e l e c t i o n a n d c a l c u l a t i o n o f h y d r a u l i c c o mp o n e n t s ， s e c u rit y me a s u r e s w e r e e x p l a i n e d f r o m t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s a n d t e c h n i c a l p a r a me t e r s ．De b u g g i n g a n d t e s t i n g w e r e d o n e ． P r o d u c t i o n p r a c t i c e p r o v e s t h a t t h e s p e e d，b a c k p r e s s u r e a n d o p e r a t i o n a r e s t a b l e i n h y d r a u l i c d riv e s y s t e m，a n d i t s p e rfo r ma n c e me e t s t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s ． Ke y wo r d s P e d e s t ria n p e d a l ；Hy d r a u l i c s y s t e m；C o n t r o l s y s t e m 码头行人 踏板 主要供客轮停靠 江、湖 、海 等 码头时旅客 上 、下 船用 的 ，其 示 意 图如 1所 示 。 当客轮 3驶入停靠码头 以后 ，液压缸 1驱动行 人 踏板 2放下以便于旅客通行 ；当客轮驶离码头时 ， 液压缸驱动行 人 踏板抬 起 、收 回。在 踏板放 下 、 抬起 的过程 中，液压系统随着踏板 角度 的变化 而 承受截然不同、且变化较大的正 、负 负载 。因此 ， 在该工况下 如何保 证液压系统速度 的稳定性 ，稳 定的背压是行人 踏板设计的关键。在 国内外许 多 码头主要还是采用 电机驱 动方式 带动链条或索链 实现踏板 的升 、降功能，也有船舶采用 液压驱动 方式实现 吊桥 的升 、降，但也配备 了索链 辅助加 固装置 ，系统复杂 且稳定性 、可靠性不 高⋯。文 中根据行人踏板设 计参数及液压系统 随踏板 角度 的变化其负载发生 变化的正 、负负 载特性 ，提 出 了液压驱动系统 的设计方 案，保证 了踏板在变化 的正 、负负载工况 下被稳定地锁定在空 间任意位 置而不下 滑。经 实 践测试 液 压驱 动 系统 速度 、 背压稳定 ，运行平稳 ，各项性 能满足行人踏 板设 计要 求 。 图 1 行人踏板示意图 1 行人踏板液压系统的设计 1 ． 1 主要执行装置工作要求 行人踏板 摆动角度范围8 0 。 。 液压 系统最大 负载 2 O 0 0 0 N，往 返速 度在 0 ． 3 5 1 ． 2 m ／ ra i n范围内无级调节 ，液压缸有效行程 5 0 0 mm。 1 ． 2踏板抬起、放下液压 系统的设计 根据液压系统运行工况，所设计的液压系统原理 如图 2 所示。踏板放下和抬起分别是通过油缸 1 1的 无杆腔和有杆腔进油实现的。为满足踏板摆动角度 8 0 。 的设计要求 ，在踏板的两极限位置处增设了两个 收稿 日期 2 0 1 3 0 21 6 作者简介 胡晓东 1 9 7 8 一 ，本科学历 ， 讲师 ， 高级技师，主要研究方向为机械设计与制造。E m a i l z j h x d 1 6 3 ． c o m。 第 8期 胡晓东 等码头行人踏板液压系统设计 9 1 限位开关 S T 、S T 2 ， 当1 Y A通电时，电磁阀3 左位导 通液压油进入液压缸无杆腔，推动活塞向右运动，放 下踏板 此时为负负载，且由小向大变化 。当放到 踏板与水平呈 5 。 夹角时，限位开关 S T 使 1 Y A断电， 电磁阀复位 ，踏板停止运动。踏板抬起的过程与放下 类似，所不同的是负载为正，且从大向小变化。为克 服变化的正、负负载而引起踏板运动的不稳定性，系 统中采用了单向调速阀5 、6 ，7 、8的出口节流调速， 保证了液压缸往复运动的平稳性。同时，为保证踏板 运动过程中能长时间稳定地锁定在空间任一位置，而 不下滑，设定了液压锁定油路，在液压缸右侧油路 上，设置了一个液控单向阀4并配以 “ 0 ” 型换向 阀。 l 一液压泵2 、9 一先导式溢流阀卜 三位四通O 型 电磁换向阀 4 --液控单向阀5 、6 、7 、8 --单项调速阀l O - - 滤油器 l l --摆动液压缸1 2 一踏板1 3 、1 4 _ _ 固定挡块 图 2 液压 系统 液压缸做往复运动时，分别承受着截然不 同的 正、负负载，导致液压缸左右两腔的工作压力也高低 不等，因此要求液压泵必须能提供一高一低二级压 力，故系统中设计了双级调压回路 。在正负载，液 压缸 1 1 有杆腔进油时，为高压，压力 由第一个溢流 阀 Y 调整为 p ；在负负载，液压缸无杆腔进油时， 为低压 ，压力由第二个溢流阀 Y 调整为p 。在无杆 腔进油 1 Y A带电时，虽然两个溢流阀同在一个 进油路上，但溢流阀 Y 、Y 为并联 ， p p ，故低 压溢流阀 Y 起作用，Y， 不工作。两个溢流阀互不干 扰，保证了双级调压的可靠性。 制电路如图 3 所示，控制元件动作顺序如表 1所列。 当按下起动按钮 S B ． 时，电磁阀 1 Y A得 电，踏板 自 动放下；当按下起动按钮 S B 时，电磁阀 2 Y A得电， 踏板 自动抬起。踏板在地面和竖立位置时，分别压合 限位开关 S T 、S T ，使得踏板在地面或竖立位置停 止运行。手动方式由旋钮开关 s A来控制，通过与点 A搭合时，点动按钮 S B ，可使踏板点动下放。 踏 板 放下 电机泵启、停 踏板地面停 踏板抬起 踏板竖立停 图3 液压系统控制电路 表 1 控制元件动作顺序表元件 2 液压元件的计算与选择 2 ． 1 液压缸结构尺寸的确定 在行人踏板的往复运动过程中，踏板抬起时液压 缸承受最大正负载F 2 0 0 0 0 N 。根据液压机械设 计手册 初选液压缸工作压力为 3 M P a ，背压为 0 ． 6 MP a ，活塞杆直径 d 0 ． 5 D 其中D为无杆腔直径 。 踏板抬起过程中，液压缸运动的受力平衡方程式 为 p 1 A 2 p 2 A 1 F ￡ 1 式中 A 为有杆 腔有效工作 面积，A “ iT D 一 L 3 麓 募 姜 和 手 动 式 I 系 统 控 为 无 杆 脯效 工 作 面 积 ， 2～- 0 。 、将 p 1 液 压 系 统 操 作 方 式 分 为 自 动 式 和 手 动 式 ， 系 统 控 。 从 。r 一 。 n 一 9 2 机床与液压 第4 2卷 3 MP a，P20 ． 6 MPa，FL2 0 0 0 0 N， 式 1 得 d 0 ． 5 D代人 等 ，确定液压泵的流量 Q 。 ，即 D ／ 2 0 0 0 0 0 ． 1 2 3 3 m √ 3 1 0 嚣- 0 ． 6 1 0 卫4 l 2 3 ． 3 mm 按液压设计 手册 取 D1 2 5 m m，d6 3 m m， 则液压缸无杆腔有效工作面积 A 1 2 2 ． 7 e m ，有杆 腔有效工作 面积 A 9 1 ． 5 e m 。 液压缸有效工作面积 A A 和 A ， 需满足流量 控制 阀最小稳定 流量 Q 的要求 ，即满足条件 介 A Vm i n 2 ⋯ 根据液压设 计手册 ，选 用 Q F ， 一 E 1 0 B调速 阀 ，其 Q v ⋯ 5 0 e m ／ ra i n ，设 计往 返 ⋯ 0 ． 3 5 m ／ ra i n ，取 n 0 ． 3 5 m ／ ra i n 。则 A l 和 A l V m in 1 ．4 3 e m 成立 ，满 mi “ 足条件要求。 2 ． 2液压缸 工作 压 力、流 量 的确定 2 ． 2 ． 1 液压 缸正负载工况 1 工作压力 根 据选定 的液压缸 活塞 和活塞杆直径 ，重新计算 的液压缸工作压力为 FLp 2 A1 2 0 0 0 00 ．61 0 1 2 2 ． 71 0一 P1 3 ． 0 3 MPa A， 9 1 ． 5 X1 0一 3 2 流量 系统设计往返 速度 为 0 ． 3 5～1 ． 2 m ／ ra i n ，则 液压 缸流量 为 QA 2 VA 2 i ～ 9 1 ． 51 0 X 0 ． 3 5～ 1 ． 2 1 0一 3 ． 2～1 1 L ／ rai n 4 2 ． 2 ． 2 液压缸负负载工况 1 工作压力 在 液压缸 负负载工况 时 ，负载与液压缸驱动力方 向一致 ，为保证踏板稳定运行 ，需建立背压 回路 。 与负负载平衡 的最 大背压 为 2 ． 1 8 6 M P 5 ⋯ 一 A ， 一 91 ． 51 0一 一 ‘ 。 ‘ “ 按 液压设 计 手册 ，取 回油 压力 损失 为 0 ． 2 M P a ， 则液压缸工作压力为P 2 ． 1 8 6 0 ． 2 2 ． 3 8 6 M P a 。 2 流量 Q A l A 1 ⋯ ～ 1 2 2 ． 7 X 1 0 一 0 ． 3 5～ 1 ． 2 X 1 0 4 ． 3一l 4 ． 7L ／ ra i n 6 2 ． 3液压 元件 的选择 1 泵 的选择 根据液压缸往 复运动所需最 大流量 Q ⋯ ，并考虑 管路的泄漏及溢 流阀的最小稳 定流量 3 L ／ ra i n Q 。 ≥3 Q 31 ． 2 X 1 4 ． 7 2 0 ． 6 4 L ／ ra i n 7 泵即系统的最高工作压力P 由最大工作压力 P 、 三位 四通 电磁换 向阀 3的压力损失 卸 取 △ p 3 0 ． 4 MP a 、液控单向阀4的压力损失 △ p 、单向阀5的压 力损失 △ p 取 △ p △ p 0 ． 2 M P a 决定，即 P 。 p l△ p 3△ p 4△ p 5 3 ． 0 30 ． 40 ． 2 0 ． 2 M P a 3 ． 8 3 M P a 8 泵的额定压力。在选择液压泵的规格、型号时， 还要考虑 到液压 泵 的压力 储备 即泵 的额 定 压力 比 系统最高工作压力高出2 5 ％ ～ 6 0 ％等 ，即 P 。 ≥ [ 1 2 5 ％ ～6 0 ％ ]3 ． 8 3 4 ． 7 8 8～ 6 ． 1 3 M P a 9 根据以上计算 ，选择双作用式叶片泵 Y B 一 2 5 ， 额定压力为 6 ． 3 M P a ，流量为 2 1 ． 6 L ／ ra i n 。 2 确定驱动电机的功率 取泵 的总效率 叩 。 0 ． 8 ，则 P 一 旦 墨 三 鱼 仉0 ． 8 1 ． 7 2 k W 1 0 选用 Y 1 1 2 M- 6电动机 ，额定功率为 2 ． 2 k W。 3 液压 阀的选择． 依据泵 的额定压力 和液压 阀的最大实 际流量 ，按 液压机 械设 计 手 册 ，选 择 液压 阀 ，其 型号 、规格 如 下 溢流 阀 Y F 3 1 0 B ，额定 压力 为 6 ． 3 M P a ，额 定 流 量为 6 ． 3 L ／ ra i n ；三位 四通 电磁换 向阀 3 4 D F 3 0 ． E 1 0 B， 额定压 力为 1 6 M P a ，额定 流 量为 6 0 L ／ ra i n ；液 控单 向阀 Y A F 3 - E 1 0 B ，额定压力为 1 6 MP a ，额定 流量 为 8 0 L ／ m i n ；普通单 向阀 A F 3 一 E 1 0 B ，额定压力为 1 6 M P a ，额定流量为 8 0 L ／ ra i n ；调速阀 Q F 3 一 F 1 0 B ，额 定压力 为 1 6 M P a ，额定流量为 5 0 L ／ ra i n 。 4 管道尺寸的确定 液 压系统 管道分 为压油 管道 、吸油管道 和回油管 道。3种管道皆按 其最大流量及允许 流速要求 加 以计 算 ，并按标准取值。 其 中 ，压 油管道尽量按液压件接 口尺 寸确定 ，以 使管路连接方便。根据标准 取压油管道 d 1 0 m m，吸油管 道 d 2 0 m m，回油管道 d 日1 5 m m，3 种管道皆为无缝钢管。 5 油箱容积的确定 该系统属 于 中压 系统 ，按 经验 公 式 计 算 3～ 7 Q 6 2 1 ． 1 51 2 6 ． 9 L ，确定油箱实际容量 为 V 1 3 0 L 。 6 其他液压辅件 的选择 根据系统 的最 大工 作 压 力和 流量 ，选 取滤 油 器 X U ． 4 0 8 0 J ；选 用六测 点压力 表开关 K F 3 ． E 6 B 。 3 液压 系统的安全措施 因行人踏板较重，在其运行过程中安全是至关重 第 8期 胡晓东 等码头行人踏板液压系统设计 9 3 要的。液压系统中采用了液控单向阀和 “ 0”型中位 机能的三位电磁换向阀的锁定回路。当系统断电时， 电磁阀复位至中位，液控单向阀也反向关闭。这样就 确保了踏板在放下和抬起过程中不至因失电而下滑并 被稳定锁定在空间任意位置 。 4 液压系统的调试与试车 4 ． 1 准备工作 液压系统调试初始状态为踏板 水平位置 ，如 图 1 所示。为使保证踏板运动的平稳性 ，在运动前必须向 液压缸油腔充满油液，建立背压。具体操作 完全放 松或放松溢 流 阀 Y 的调 压弹簧 如 图 2所 示 ，同 时关死溢流阀 Y 一使 1 Y A接通带 电、换 向阀 3左位 导通一开启液压泵一逐渐调节 旋紧Y ，的调压弹 簧，调定压力逐渐增加 通过压力表开关上的压力 表观察压力 ，之后再调节弹簧使 Y 的调定压力逐 渐减少，如果压力表显示的压力随 Y ， 的调节而做相 应的大小变化时 ，说 明液压 缸无 杆腔 油液 已经充满 ， 即充油结束一关死 Y ，使 1 Y A断 电 切断换 向阀 一关闭液压泵 。 4 ． 2抬起 踏板 踏板抬起 的过程 ，是液 压缸 有杆腔 进油 的过程 。 具体操作 1 调定泵的供油压力 P 。 。放松溢流阀 Y 。 的调压弹簧一开启泵 泵的全部流量经 Y ． 流回油 箱、即泵卸荷 一调节 Y ， 的调压 弹簧使 Y 的调定 压力即泵的供油压力逐渐增加，直到 P 3 ． 8 3 M P a 左右为止 由压力表观察得知 ，即 P P 。 3 ． 8 3 M P a ，调定结束。 2 抬起踏板。关小调速阀 7的阀 口一使 2 Y A带电，换 向阀右位导通 ，油液进入液压 缸有杆腔，踏板开始抬起一调节调速阀7 ，使起开口 由小到大逐渐变化 ，踏板即液压缸的移动速度随之由 小到大地变化，直到满意 符合设计要求 为止。 当踏板抬到固定的竖立位置 由定位挡块限定的位 置时，触动限位开关 s T ，使 2 Y A和泵同时断电， 踏板被锁定在竖立的固定位置上，踏板抬起结束。 4 ． 3放 下踏 板 踏板放下的过程，是液压缸无杆腔进油的过程。 具体操作关小调速阀6 一放松溢流阀 Y 2 的调压弹簧 使换向阀 1 Y A带电，换向阀左位导通一启动液压 泵 ，泵经溢流 阀 Y 卸荷一调溢 流阀 Y ，使其调定 压 力 P 逐渐增加 由压力表 测得 ，单 向阀 8的出 口压 力也随着等值增加 ，在阀8的出口压力，亦即液压缸 无杆腔的进油压力小于液控单向阀4的反向开启压力 反向油压 时 ，液控单 向阀关闭 ，液压缸有杆腔回油 被截住 ，液压缸不动 ，踏板不动。当溢流阀 Y ， 的调定 压力p 增加到使阀8的出口压力大于液控单向阀4的 反向油压时，液控单向阀4反向开启，这时液压缸回 油路导通 ，液压 缸活塞杆右移 ，踏板放下一 调节调 速 阀6 ，使其开口由小向大变化，改变液压缸，即踏板下 放速度 ，直到满意为止。当踏板 下放到地 面 固定位 置 由定位挡块限定的位置时，触动限位开关 s T ，使 1 Y A断电 ，泵亦断 电停转 ，踏板放下结束 。 5结论 1 踏板抬起或放下时 ，由于液压缸承受变化 的正、负负载，导致踏板运动速度不平稳，抖动厉 害，系统通过采用单向调速阀、出口节流调速及双级 调压回路等措施，克服了液压缸往复运动时的不平稳 和抖动现象 。 2 踏板停 留在空间任意位置时 ，由于踏板 自 重 ，踏板会下滑 ，系统采用 了液控单 向阀和 “ 0 ” 型 换 向阀 的液压锁定油路 ，避免 了踏板 的下滑 。 文中在上述设计方案的基础上，对液压元件进行 了计算和选择，并对液压系统进行了调试和试车，通 过实验验证 g该液压驱动系统实现 了踏板的平稳运 行，各项性能指标符合设计要求。 参考文献 【 1 】朱珠． 船舶吊桥的液压浮动[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 3 9 212 2． 【 2 】刘茜． 舞台演出车叠加阀式液压系统设计[ J ] ． 机床与 液压 ， 2 0 1 0 ， 4 0 2 2 7 8 8 0 ． 【 3 】 成大先． 机械设计 手册 单行本液压传动 [ M] ． 5 版． 北京 化学工业出版社， 2 0 1 0 ． 【 4 】范存德． 液压技术手册[ M] ． 沈阳 辽宁科学技术出版 社 ， 2 0 0 4 ． 【 5 】陈俊 ， 刘剑雄， 陈雪菊． 钢卷翻转输送机的液压系统设计 [ J ] ． 机电产品开发与创新 ， 2 0 0 9， 2 1 3 6 3 7 ． 【 6 】 黄文景 ， 黄宜坚． 砂浆车液压系统设计[ J ] ． 机械科学与 技术 ， 2 0 1 1 ， 3 0 1 1 2 91 3 2 ． 【 7 】于连科， 王伟． 平板硫化机附机液压泵站的设计 [ J ] ． 辽 宁工学 院学报 ， 2 0 0 1 ， 2 1 1 3 9 4 2 ．