内嵌双输油管两用起重机液压系统设计.pdf

2 0 1 2年 5月 第 4 O卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I C S Ma v 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ．1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 0 ． 0 3 2 内嵌双输油管两用起重机液压 系统设计 卢志珍 ，倪学虎 ，舒希勇 ，王成龙 1 ．淮安信 息职业技 术学院，江苏淮安 2 2 3 0 0 3 ； 2 ．淮安远航船用设备制造有限公 司，江苏淮安 2 2 3 0 0 1 摘要在分析内嵌双输油管两用起重机对液压系统要求的基础上，针对起重机技术参数及客户要求提出了液压系统设 计的思路 ，对关键液压元件液压泵、液压马达、液压缸进行了计算选型，给出了液压原理图，并阐述 了起重机液压回 路 的工作原理。 关键词 两用起 重机 ；液压系统 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 2 l 0 0 9 9 3 De s i g n o f Hy dr a u l i c Sy s t e m f o r Emb e dd e d Do u bl e Pi pe s Amp hi bi o u s Cr a n e LU Zh i z he n ， NI Xu e h u ，S HU Xi y o n g ，W ANG Ch e n g l o n g 1 ． H u a i a n C o l l e g e o f I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y ， Hu a i a n J i a n g s u 2 2 3 0 0 3 ，C h i n a ； 2 ． H u a i a n Y u a n h a n g Ma r i n e E q u i p m e n t Ma n u f a c t u r i n g C o ． ，L t d ， H u a i a n J i a n g s u 2 2 3 0 0 1 ，C h i n a Abs t r a c t Ba s e d o n a n a l y z i ng r e qu i r e me n t s o f e mb e d de d d o ub l e pi pe s a mp hi bi o u s c r a n e t o hy d r a u l i c s y s t e m，t h e h yd r a u l i c s y s t e rn d e s i g n t h i nk i n g wa s p ut f o r wa r d a c c o r d i n g t o c r a n e t e c h ni c a l pa me t e m a nd c u s t o me r s r e q ui r e me nt s ．Ca l c u l a t i o ns a n d t y p e s e l e c t i o n s o f t h e k e y h y d r a u l i c c o mp o n e n t s h y d r a u l i c p u mp a n d h y d r a u l i c mo t o r ， h y d r a u l i c c y l i n d e r ，w e r e c o mp l e t e d ．T h e h y d r a u l i c p r i n c i p l e d i a g r a m wa s d e s i g n e d a n d t h e w o r k p r i n c i p l e o f t h e h y d r a u l i c l o o p w a s e x p o u n d e d ． Ke ywo r d sAmp hi b i o u s c r a ne； Hy d r a u l i c s y s t e m 内嵌双输油管两用起重机一般安装在运输液体介 质的成品油船或化学品船上，通过内部的套管同心回 转接头 ，实现输油和起重两用 。两根金属管道从起重 机立柱下部进入，通过管接头、回转接头从底座立柱 中伸 到吊机顶部 ，再 由旋转接头 、管接头与 吊臂 内两 根金属管相连，最后从吊臂的末端引出。使用套管同 心回转接头、旋转接头以及回转支承等部件，使内部 金属输油管 自然地随吊臂一起3 6 0 。 回转、0 。～ 7 0 。 变 幅 ，不会使 管道发 生扭 曲变形 。这种起重机安装在船 舶上时，既可作为船用服务起重机配置，完成吊装杂 物及生活补 给品等 ，也可用作油轮或危 险品轮船上 的 9＼ l0 1 一 立柱2 一 油 卜 扶梯4 ～ 回 l 5 _ - 防护栏6 _ - 回转装 置 l 1 7 一 上 梯8 一 输 油管 9 _ 一 起 升装 置1 0 一 吊臂 l l 一变 幅 油缸1 2 一 吊钩装 置 图 1 起重机外形结构 液体介质的装卸起重，工作中输油和起 吊重物两种工 况分开使用。起重机外形结构如图 l 所示，内部结构 如图 2 所示 。 l 一 下 接管 2 一 回 转接 头 3 一 衬 套 4 _上 接 管 5 、 旋 转接 头 7 、l l 一 螺栓 8 -- 垫 圈 螺 母 1 0 、l 2 一 平 垫 图2 起重机内部结构 收稿 日期 2 0 1 l O 50 5 作者简介卢志珍 1 9 6 5 ～ ，女 ，硕士，副教授，高级工程师，主要研究方向为机械设计与制造。E ma i i z z 7 0 8 1 5 7 8 1 6 3 ． t o m。 1 0 0 机床与液压 第4 0卷 1 两用起重机动作机构 两用起重机具有 3 个 动作机 构 1 起升机构 。利 用 起 升绞 车 、钢 丝绳 实现 重 物和吊具 的升 降。起升绞车 由液压马达驱动 ，经高强 度的行 星齿 轮减速箱带动卷筒卷绕钢丝绳完成货物的 升降 。 2 变 幅机构 。利用变幅液压缸实现吊臂变 幅。 3 回转机 构。利用 回转 马达驱 动行 星齿 轮减 速箱 ，使装在行星齿轮减 速箱上 的小齿轮与 回转支承 的内齿 圈直接 啮合来实现 回转 。 2 两用起重机技术参数 两用起重机 主要技 术参 数为 安 全 工作 负荷 2 0 k N；起升高度 3 0 n l ；起升速度 1 0 m ／ ra i n ；回转速度 0 ． 5 r ／ ra i n ；回转角度 3 6 0 。 ；变幅时 间 1 0 0 ；变 幅角 度 0 。 ～ 7 0 。 ；最大 回转半径 2 6 i n ，最小 回转半径 8 ． 3 n l ；额定工作压力 2 0 MP a ；允许倾斜 角度 横倾不大 于 5 。 ，纵倾不大于 2 。 。 3 两用起重机液压 系统设计思路 对应其动作机构 ，两用起重机液压系统由吊钩起 升 、吊臂变幅 、支座 回转 3 个动作 回路组成 。 对于吊钩起升回路应具有规定的提升能力和提升 速度，工作平稳，尤其重物下降时，应能防止由于重 物的自重导致的超速降落，减速性能好 ，防止载荷就 位时发生冲击。吊臂变幅回路应能带负载进行变幅， 变幅动作平稳可靠 ，具备规定的变幅速度，并且注意 由于吊臂 回落时与负载作用方向一致 ，有 自动加速的 趋势。支座回转回路的要求是 回转平稳 ，带限位装 置 。 4 关键液压元件选型计算 船体在横倾 5 。 、纵倾 2 。 的情况下，起重机最大 综合倾斜角度 0约为 6 。 。设计中除了考虑安全工作 负荷外 ，还要考虑起重机及吊具 自重 、起升 回转时 的 惯性力 、风载荷等 。 1 起升机构。起升组合载荷 F 耗2 7 1 8 7 N， 起升 卷 筒 直 径 D 2 8 0 m m；选 取 钢 丝 绳 型 号 为 1 4 B 1 87F C一1 6 7 0 Z Z 1 0 7 G B ／ T 8 9 1 8 - 1 9 9 6，钢 丝绳 直径 d 1 4 m m；起 升 钢丝 绳 破 断拉 力 S 1 0 7 0 0 0 N；满载起 吊绳 速 0 ． 1 7 m ／ s ，起 升绞 车卷 筒转 速 n ， 1 0 r ／ m i n ，绞车工作扭矩 N婶 4 7 5 8 N m。选取 起 升液压 马达 型号 MT 2 8 0 0 P ，其输 出扭 矩 N ． 6 1 0 0 0 N 1q 1 ，排 量 3 ． 3 1 7 L ／ r ，工作 压 力 P ． 2 0 MP a ，起升马达总效率 r l ， 0 ． 7 8 。 起升 马达进 出 口压差 ． Ⅳ 4 7 5 8 ⋯ 起 __ b M P a 起升绞车工作时所需流量 Q 绞n l V1 0 X 3 ． 3 1 73 3 ． 1 7 L／ rai n 2 回转机构 。考虑 回转 支 承摩 擦 力矩 、船 舶 倾斜造成 的旋转阻力矩 、风力造成的旋转阻力距 以及 回转加速度 产生 的惯 性力 矩 ，所 以总 的 回转 阻力 矩 N 2 8 6 5 9 5 N 1 1 3 ，回转速度 n 0 ． 5 r ／ ra i n ，回转齿 轮传动比 i 5 ． 2 6 ，回转马达所需要 的扭矩 N 2 7 2 2 8 N i n 。选取马 达型 号 H R 5 1 3 0 0 0 P ，其 输 出 扭矩 N 2 2 7 5 0 0 N m，排量 1 4 ． 0 5 L ／ r ，工作压 力 P 2 0 MP a ，回转马达工作效率 叼 0 ． 9 。 回转马达的进出 口压 差 △ p 目 1 5 9 2 1 5 91 4 ． 0 5 X0 ． 9 1 3 ． 5 4 MPa 回转马达工作所需流量 Q 目 n 2 i 0 ． 51 4 ． 0 5 X 5 ． 2 6 3 7 L ／ ra i n 3 变幅机构 。变 幅液压缸 所需要 的推力 P 5 3 8 9 9 8 N，变幅时间 t 1 0 0 S ，初定液压缸进 出 口压 差 1 2～1 4 MP a ，液 压缸直径按下式计算 却 叼 3 ≥P变 D≥／ 2 4 0 m m √ 叮 『 。 取 D 2 5 0 n l I n ，选 取变 幅液压缸 型号 H S G K 0 2 2 5 0 ／ 1 8 0 E 一 2 5 1 1 - 2 8 0 0 X 3 5 5 4 两端 带 关节 轴承 ，其行 程 s 2 8 0 0 i n l n ，安装距 Z 3 5 5 4 n l n l ，额定工作压 力 P ， 2 0 M P a ，变幅液压缸效率 7 7 0 ． 9 2 。 变幅液压缸进 出 12 1 压差 卸 变 舞 M 变幅液压 缸所需 流量 Q变 “I t D s ／ t 8 2 ． 2 5 L ／ rai n 综上分析 ，考虑泄漏和压力损失 ，该起重机各机 构实际工作压力和流量为 P 起△ p 起’ K 压 损1 1 ． 6 X 1 ． 11 2 ． 7 6 MP a Q 起 Q 绞。 K 泄 漏 3 3 ． 1 7 1 ． 1 5 3 8 ． 1 5 L／ ra i n P 目 △ p 目’ K 压 损1 3 ． 5 4 X 1 ． 1 1 4 ． 9 M P a Q 目 2 Q 目’ K 泄 漏 3 7 X 2 X 1 ． 1 5 8 5 ． 1 L／ ra i n P 变△ p 变’ K压 损1 2 X 1 ． 11 3 ． 2 MP a Q 变 Q 变 K 泄 漏 8 2 ． 2 51 ． 1 5 9 5 L／ ra i n 式中 压 力 损 失 系 数 K 压 损 1 ． 1 ，泄 漏 系数 K 泄 漏 1 ． 1 5。 该起重机液压系统各机构动作所需电机功率为 ‰ 6 0 6 0 等 0 8 8- 9 _ 2 2 k w 绞 车 一“ 一 ． 一 ” ‰ 6 0 6 0 0 8 8 _ 2 4 k w 凹 转一 钉 一 ． 一 ‰ 堕 _ 2 3 ．7 5 k W6 0 6 0 X0 8 8 变 幅 一 一 ． 一 J。 J 第 1 0期 卢志珍 等内嵌双输油管两用起重机液压系统设计 1 0 1 取 P 3 0 k W，选择 电机型号为 Y B 2 0 0 L - 4 H， 电机转速 n1 4 6 0 r ／ ra i n ，电机 总效 率 叼 0 ． 8 8 。 油泵最 大排量 Q ／ r b 叼 7 2 ． 3 m L ／ r ，取 8 0 m L ／ r ，油泵总效率 叼 0 ． 8 8 ，选择单联柱 塞泵型号为 A 2 F 8 0 R 2 P 3 。 5 两用起重机液压系统设计 在操纵 台上设有 4只手 柄 ，分别控制起重机 的起 升 、回转 、变幅 3种动作 ，其中一只手柄是急停用， 当操作过程中预到紧急问题时，操纵急停手柄停止起 重机的所有动作 ，以保证人机安全。控制各手柄的位 变幅 回转 起升 置可以调整各动作的速度。所有起升、回转、变幅动 作均带有 “ 自动保护装置” 。该装置同主动力系统控 制 油路无 关 ，一旦 由于某种原 因失去动力或压力 ，所 有动作将 自动停 止 ，以保证 起 重机 系统 及人 员 的安 全。P S L型比例多路换向阀内装有安全阀，实行所有 动作 的过载保护 。起升和 回转机构设有制动装 置。回 转限位由两行程换 向阀实现，具体位置由用户确定。 起升限位由机械限位实现，变幅限位由液压缸本身行 程决定 。设计液压系统原理图如图 3所示 。 图 3 起 重机液压原理图 1 起升 回路。起升 动作 由液压 马达一 减速 构右转。两行程换向阀 1 1 实现双 向回转限位，具体 机一卷筒一钢丝绳一滑轮组一吊钩来完成。扳动操纵 位置由用户确定。 手柄 ，液压泵 3通过单 向阀 l 8经 比例多路换 向阀 3 变幅回路。变幅动作 由变幅液压缸一吊臂 7 - 1 、单向平衡阀组 1 3 1向起升液压马达 1 3供油 ，液 来完成。扳动操纵手柄 ，液压泵 3通过单向阀 l 8经 压油经平衡阀组 1 3 ． 1中的梭阀先打开制动装置，然 比例多路换向阀7 - 3 、单向节流阀 8 、单 向平衡阀组 后驱动起升马达 1 3按所需速度、方向回转。松开手 1 0向变幅液压缸 9供油，实现活塞杆推 出动作。松 柄 ，手柄自动复位后，压力油均从多路阀 7 - 1中位流 开手柄后，手柄 自动复位，压力油直接流回油箱，单 回油箱 ，此时刹车在弹簧力的作用下 自动刹紧 ，同时 向平衡 阀 1 0的关 闭使 变 幅动作停 止 ，且不会 使重 物 平衡阀关闭，从而使起升动作停止且重物不会因自身 因自身重力而使油缸收回。当反方向扳动手柄时，压 重力而 向下滑动 ，只需反方 向扳动手柄 即可实现反方 力油进入变 幅液压缸上部 即可使 活塞杆 收回。单 向平 向的下降动作。 衡阀组 l 0起到液压锁的作用，防止吊臂因重力而滑 2 回转回路。回转动作 由回转马达一减速机 落。 一 齿轮齿圈一 回转支承一 回转支座来完成 。由于 回转 阻力矩较大，设计两个回转马达同步稳定回转。扳动 操纵手柄 ，液压泵 3通过单向阀 1 8经 比例多路换向 阀 7 ． 2 、单 向节流 阀 、双 向平 衡 阀组 1 2 - 1 、1 2 2向 回 转液压马达 1 2供 油 ，同时 打开梭 阀松 开刹车 ，实现 左转 动作 。松开手柄 ，手柄 自动复位后 ，压力油直接 流回油箱 ，刹 车在 内部 弹簧力 的作用下重新刹 紧 ，从 而使 回转动作停止 ，反方 向扳动手柄 ，就可使 回转机 4 急停回路。当执行机构在工作 中出现危险， 须立即停车时，拉动急停手柄，液压油经手动换向阀 l 7回油箱 ，切断向系统供油油路。 5 手动 回路 。在 一些 特 殊情 况 下 ，如 突然 断 电，起重机失去动力源，可能会使起重机带着负载长 时间停留在半空中，这是极不安全的。为防止发生危 险，在出现这种情况时可通过手动泵 1 9经单向阀分 下转 第 1 0 4页 1 0 4 机床与液压 第 4 0卷 式 1 微分 后可以解得点 油膜 高度 √ 2 设最大压力点处油膜高度为 ，则残留在密封 界面上的油膜高度可按下式估算 √ ㈩ 3 ． 2 回程时油膜厚度计算 回程时设活塞以速度 “ 向油缸内缩 回，采用与 上述外行程油膜厚度相同的方法计算，这时最大压力 梯度在点 E， ，可以估算残留在密封界面 上的油膜高度 h 1 √ 4 4 矩形封串联使用对密封性能的影响 为了保证 活塞 密封 的可靠性 ，很 多情况下采用多 重密封比一个密封元件的密封性能要好。但对于矩形 封 ，如果采用图 5所示的两个矩形封 串联形式 ，则必 须对活塞密封性 能的影 响进行分析 。 形 密 间区 型 圈 a 活 塞 推程 时 b 活塞 回程 时 图5 矩形封在活塞上串联使用 液压机工作时，设活塞推程速度为 。 ，液压 P ， 作用在活塞上端 面 ，下端为 回油压力 ；活塞 回程速度 为 n ，液压 P 作用在活塞下端 面 ，上端为 回油压力 ， 主油缸直径为 D，活塞工作行程为 ，由式 3 和 4 可得 出每循环的体积净泄漏量 的估算式 订 D H I 耵 删 √ √ 一 √ 5 从上式可 以看出 泄漏 量 与活塞直径 ，工作 行程 日成正 比，与活塞运动 速度 和压力梯度有关 ， 矩形封截面是对称型 ，密封界 面较长 ，压力分布为抛 物线型 ， A、E两点 的压力梯度相差较 小 W W ，液 压机的 回程速 度一 般都 比工作 行程 的快 ，即 u ， u ，因此 ，泄漏量 总是大于零。活塞 工作一 段时间 后 ，两个矩形封 中间 区域 由于密封 泄漏 ，会产生任意 高的压力 ，反而使矩形封受到破坏，使密封效果更 差。所以，矩形封绝对不能采用两个串联使用的形 式 。 5 结束语 1 大型液压机主油缸采用 由矩 形封 和导向带 、 耐磨带合理组合成的密封结构，能获得非常好的密封 效果和可靠性。 2 矩形封的密封效果取决于密封环与主密封 界面上的预加 载荷和压力分布 ，动态的泄漏 是不 可避 免 的 ，微小泄漏对减小摩擦力 、改善密封元件的工作 条件是有益 的，而大的泄漏 是不允许 的。 3 活塞 密封 中 ，采用 一个矩 形 封足 以保 证密 封性能，若使用两个矩形封串联的形式，会使两个密 封环中间区域压力突然大幅升高，产生困油现象，使 密封件被破坏 ，反而会使密封性 能更差 。 参考文献 【 1 】 吴瑞明， 周晓军， 雷良育． 液压缸密封工艺分析[ J ] ． 机 床与液压 ， 2 0 0 3 6 3 0 6 3 0 7 ． 【 2 】 赵亚波． 组合密封圈在直升机液压系统中的应用 [ J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 0 8 ， 3 3 3 1 1 1 1 1 2 ． 【 3 】 叶子波， 黄兴． 新型双向密封件的接触变形及应力分析 [ J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 0 7 ， 3 2 1 1 1 4 21 4 5 ． 【 4 】 特瑞堡密封选型指南[ M] ． 2 0 0 8 ． 【 5 】 张良， 夏春林． 径向单柱塞泵往复密封元件的有限元分 析[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 3 1 0 1 1 0 4 ． 【 6 】 米勒 海因茨 K ， 纳乌 伯纳德 S ． 流体密封技术 原理与应用[ M] ． 程传庆， 译． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 2 6 7 5 7 8 ． 【 7 】 谭晶， 杨卫民， 丁玉梅， 等． 滑环式组合密封件 的研究 I 方形同轴密封件 格来圈 的分析 [ J ] ． 润滑与密 封 ， 2 0 0 7 ， 3 2 1 5 35 5 ． 上接 第 1 0 1页 别向各回路供油 ，使各部件回复初始位置。 该起重机任意两个动作均可联动，联动时应控 制手柄开 口大小 ，联动 时各 动作 速度将 会有所下 降。 6 结束语 两用起重机液压系统设计合理 ，结构可靠 ，操作 方便 。经装船应用 ，证 明其液压系统性能优 越 、安 全 可靠 ，符合技术规范要求 。该设计最终通 过 了美 国船 级社 A B S 认证 。 参考文献 【 1 】张质文 ， 虞和谦， 王金诺， 等． 起重机设计手册 [ M] ． 北 京 中国铁道出版社 ， 1 9 9 8 ． 【 2 】成大先． 机械设计手册 [ M] ． 北京 化学工业 出版社， 1 99 8． 【 3 】 李壮元． 液压元件与系统[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 99 9