旋挖钻机动态液压加载试验台的设计.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 9 ． 2 0 1 6 d o i l O ．3 9 6 9 ． is s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ．2 0 1 6 ． 0 9 ．0 0 3 旋挖钻机动态液压加载试验台的设计 杨仲磊 ， 廉振红 1 ．郑州机械研究所， 河南 郑州 4 5 0 0 5 2 ；2 ．郑州职业技术学院， 河南 郑州 4 5 0 1 2 1 摘 要 以旋挖钻机的液压加载试验台为研究对象 ， 阐述了试验台的机械传动、 液压加载和无线扭矩测量原理； 进行了机械传动系统设 计和液压加载系统的设计以及相关部件的选型计算和强度计算 。完成了试验台的研制， 并顺利通过委托方的验收， 目 前试验台运行 稳定、 正常。 关键词 旋挖钻机 ； 液压加载 ； 动态加载； 试验台 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 ； T H1 3 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 6 0 9 - 0 0 0 7 - 0 4 T h e De s i g n o f Dy n a mi c Hy d r a u l i c L o a d i n g T e s t Be d f o r Ex c a v a t o r Y ANGZ h o n g - l e LL I AN Z h e n h o n g 1 ． Z h e n g z h o u Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 5 2 ， Ch i n a ； 2 ． Z h e n g z h o u T e c h n i c a l C o l l e g e ， Z h e n g z h o u 4 5 0 1 2 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Me c h a n i c a l t r a n s mi s s i o n ， h y d r a u l i c l o a d i n g an d wi r e l e s s t o r q u e me a s e me n t t h e o r y o f the t e s t b e d we r e i n t r o d u c e d ． Me c h ani c a l tra n s mi s s i o n s y s t e m an d h y dra u l i c l o a d i n g s y s t e m we r e d e s i g n e d ． S t r u c t u r a l s tre n g t h o f k e y P a r t s wa s a n a l y z e d a n d the t y p e s o f k e y h y dra u - l i c P a r t s we r e c a l c u l a t e d an d s e l e c t e d ． T h e t e s t b e d wa s d e v e l o p e d a n d h a s b e e n d e l i v e r e d t o the c u s t o me r ． Ex p e r i me n t a l r e s u l t s a n d p r a c t i c e t e s t s s h o w tha t thet e s t b e dme e t s d e s i gn r e q u i r e me n tsan dwo r k swe l l an d s t a b l y ． Ke y wo r d s e x c a v a t o r ； h y dra u l i c l o a d ing ； d y n a mi c l o a d i n g ； t e s t b e d O 引言 旋挖钻机是一种机一 电一 液一体化的高端施工机械 产品， 适用于建筑基础工程中成孔作业的大型基础施 工， 广泛用于市政建设， 公路桥梁 ， 高层建筑等基础施 工工程之中， 具有装机功率和输出扭矩大、 机动灵活、 施工效率高和功能多等特点。由于旋挖钻机的动力头 输出扭矩很大， 通常达到 1 0 5 N m的数量级， 给扭矩的测 量带来了很大困难 ， 是业界急待解决的问题 ， 目前国内 也尚无统一的测量标准n 。扭矩加载方式分为静态和 动态 ， 具体到本文静态指的是动力头传动系统和加载 系统均处于带载静止平衡状态， 动态指的是动力头传 动系统和加载系统均处于带载运行状态。本文主要针 对 的是动态液压扭矩加载和测量 。 1 试验台的工作原理 1 ． 1机械传动系统 被测旋挖钻机的动力头传动系统为液压驱动， 包 括发动机、 液压泵、 液压马达、 行星减速机、 动力头减速 机、 钻杆和钻头。该动力头的液压马达为变量斜轴式 柱塞马达 ， 调节马达的排量可以改变动力头的输出转 收稿日期 2 0 1 6 0 2 2 9 作者简介 杨仲磊 1 9 8 2 一 ， 男， 河南焦作人， 工程师 ， 硕士 ， 现从事传动 系统的设计和研究。 速。旋挖钻机钻孔作业时， 发动机驱动液压泵产生高 压液压油实现机械能到液压能的转变 ， 高压液压油经 液压管路驱动液压马达工作 ， 经行星减速机和动力头 减速机减速增扭后驱动钻杆带动钻头回转 ， 实现液压 能到机械能的转变。 试验台采用开放功率式结构， 机械传动原理如图 1 所示 ， 首先把被测主机的钻头拆卸去掉， 再把钻杆的方 头插入到联轴器的内方孔中， 将联轴器的另一端测扭 法兰连接， 测扭法兰再与增速机连接， 最后由增速机的 输出端驱动液压加载系统中的液压泵。 浓 ； 压 j 加 戢 ； 系 统 { 图1试验台的机械传动原理 增速机采用的是同型号旋挖钻机的库存动力头减 速机和行星减速机， 由1 个动力头减速机和2 个行星减 速机组成二级增速 ， 不仅保证了整个传动系统的匹配 性 ， 同时也为委托方节约了可观的成本和工期。 7 液 压 气 动 与 囊p 封 ／20 1 6年 第 0 9期 1 ． 2 液压加载系统 液压加载系统是一种常用的加载系统 ， 广泛应用 于各种实验装置 ， 不仅具有功重比小的特点 ， 还具有 超载保护功能。液压加载系统通常可采用阀控加载和 泵控加载两种方式。考虑泵控加载控制难度大、 成本 高， 本文选用阀控加载方式。 图2 为本试验台液压加载系统的工作原理图， 被测 主机钻杆通过图I 所述的机械传动系统驱动液压泵工 作， 液压泵从液压油箱吸入并泵出液压油 ， 液压油通过 液压管路流经先导式溢流阀后又回到液压油箱。调节 先导式溢流阀的工作点， 可设定液压泵的工作压力 ， 由 此产生的制动扭矩被加载到液压泵的输人轴端， 进而 通过图 1 所述机械传动系统便加载到被测主机钻杆 上。本液压加载系统由于应用的是液压泵一 溢流阀加 载原理 ， 因此只能够产生动态的制动扭矩 ， 而无法产生 和保持静态的制动扭矩。产生的动态制动扭矩可以是 某一恒定 的值也可以是按不 同加载工况要求的时 变值。 1 一 液压 油箱2 一 吸油 过滤器3 、 4 - 液 压泵5 、 7 一 压力 表阀 6 , 8 一 压力表9 、 I O 一 先导式溢流阀1 卜回油过滤器 图2试验台的液压加载系统原理 1 ． 3 扭矩测量 设计了专门用于测量扭矩的测扭法兰 ， 由于需要 测量的是主机钻杆的工作扭矩 ， 也即测扭法兰处于动 态旋转时的扭矩 ， 因此采用了非接触式的无线扭矩传 感器。无线扭矩传感器将扭矩传感器与无线通信技术 结合在一起 ， 可以实现扭矩的测量和数据的无线传输， 使用简单方便 ， 直接在被测旋转工件上安装传感器， 无 需机械拆卸， 无线数字信号传输方式消除了长电缆传 输和集流环传输带来的噪声干扰， 整个测量系统具有 较高的测量精度和抗干扰能力M 。 8 无线扭矩传感器的测量原理如图3 所示， 电阻应变 片产生的应变电信号由信号处理电路进行放大、 MD 转 换之后， 编码器将采集到的数字量编码传送给发射模 块进行发送， 接收模块接收到数据后， 解码器将译出的 数据传送给计算机进行扭矩值的计算和显示等后 处理 。 图3 无线扭矩传感器原 理 2 试验 台的设计 2 ． 1设计要求 受主机厂家委托用于测量的旋挖钻机的工况和性 能如下 最大输出扭矩为2 3 0 k N m， 工作扭矩为0 2 3 0 k N m， 转速为0 ～ 1 0 r ／ m in ， 单次连续测量时间1 0 m i n 。装 配要求 以被测主机钻杆的方头结构作为试验台的输 入端。设计方案应力求结构简单、 运行可靠、 性价比高 和拆装方便。 2 ． 2 总体方案设计 试验台的总体方案如图4 所示。被测主机钻杆的 方头结构通过联轴器将动力传递到增速机 ， 经增速机 增速降扭后驱动液压泵实现机械能到液压能的转换 ， 然后通过调节先导式溢流阀的工作点 ， 设定液压泵的 压力工作点 ， 由此产生的制动扭矩便被加载到了被测 主机钻杆上， 同时液压能转换成液压泵、 溢流阀和管路 的热能通过液压油箱和各液压部件的空冷耗散到大气 中。被测主机钻杆的扭矩绝大部分通过基座和预埋结 构件传递到地基并得到抵消平衡。 本方案的主要优点 1 利用委托方同型号旋挖钻机的库存动力头减 速机和行星减速机作为增速机使用 ， 不仅保证了整个 传动系统的匹配性 ， 同时也为委托方节约了可观的成 本和工期； 2 通过控制溢流阀的溢流压力即可调整扭矩负 载 ， 调整方法简便 ； 3 在测试旋挖钻机时， 只需要将钻杆的方头结构 插入联轴器的内方孔 中， 并在测试过程中保持钻杆竖 直即可， 拆装和使用方便快捷。 量 叼 。l-一液压泵的机械液压效率。 取液压系统工作时的A p 3 0 0 b a r ， 0 ．9 2 代入式 4 计算得单个液压泵每转排量 的计算值 V g 1 3 6 ．3 c m3 ／ r o 根据上述计算结果 ， 选用 2 台型号为A 2 F O 1 6 0 的 轴向柱塞定量泵 ， 其每转公称排量V , 1 6 0 c m ／ r 。 4 单个液压泵流量q 5 g 式中 口 液压泵流量L ／ m i n ； 容积效率。 取叼 0 ． 9 5 ， V g 1 6 0 c m ／ r 。 将上述数值代人式 5 计算得液压泵流量的计算 值 q 2 2 9 ． 8 L ／ mi n 。 2 ． 4 溢流 阀选型 液压加载系统采用每个液压泵配置一个溢流阀的 设 计 方 案 ， 根 据 液压 泵 的流 量 选用 2 个 型号 为 D B 2 5 G 2 5 X ／ 3 1 5的先 导式 溢流 阀 ， 其 最 大流量 为 5 0 0 L ／ m i n ， 最高设置压力为3 1 5 b a r 。 2 ． 5 主要部件强度计算 为保证试验台机械传动系统的正常运行和安全 性 ， 应用有限元对联轴器和测扭法兰进行结构强度计 算。按设计要求的最大扭矩 2 3 0 k N m作为载荷进行加 载， V o n M i s e s 应力计算结果如图5 和图6 所示。 卜被测主机钻杆2 一 联轴器 3 一 测 扭法兰 4 一 无线扭 矩传感器 5 一 作为第一级增速用的动力头减速机 6 一 机座 7 一 预埋结构件 8 一 混凝土地基 9 一 作为第二级增速用的行星减速机 1 0 一 液压泵 图4 总体方案示意图 2 ． 3 液压泵选型 从方案可行性和成本考虑 ， 选用2 个同型号的液 压泵 。 1 单个液压泵的输入轴扭矩 1 式中 刀 增速机的效率； 卜 速比； - 被测主机钻杆端扭矩N m。 取7 ／ 0 ．9 3 ， ／ 4 ． 8 x 3 1 ．5 ， 2 ．3 x 1 0 5 N m代入式 1 计 算得 T 7 0 7 ． 3 N m。 2 液压泵的输入轴转速n n I 2 式中 被测钻杆转速； 卜增速比。 取 1 0 r ／ m i n 代人式 2 可得n 1 5 1 2 r ／ m i n 。 3 单个液压泵的排量 由液压泵的扭矩计算公式 3 得每转排量计算公 式 4 y a p 3 竽 4 式中 每转排量c m 3 ／ r ； 压差 b a r ； 图 6 测扭法 兰V o n Mis e s 应力云 图 从图5 可以看出， 在联轴器内方孔的4 个直角边与 上端面相交处的局部区域存在应力集中， 并有最大等 效应力 3 0 0 M P a 。联轴器材料选用 Q 3 4 5 ， 因此安全系 数为 1 ． 1 5 ， 同时考虑到实际试验工况的钻杆转速较低 本、 附加动载荷较小， 因此可以认为联轴器的设计是安 9 液 压 气 动 与 密 封 ／2 0 1 6．t F - 3 1 0 9期 d o i l O ．3 9 6 9 ．is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ．2 0 1 6 ．0 9 ．0 0 4 电液比例阀性能影响因素及补偿方法的研究 谢 建 ， 李泰嵩 火箭军工程大学二系， 陕西 西安 7 1 0 0 2 5 摘要 电液比例阀在工作过程中会受到自身死区以及外界工作温度双重影响， 造成控制的误差增大。该研究通过对电液 比例阀在工 作过程 中的死区问题及不同温度的条件下工作产生的流量、 压力超差问题进行 了分析和探究， 并根据不 同原因产生的误差提出了相 应的补偿方案 ， 对提高电液 比例阀的控制精度起到了推进作用。 关键词 电液比例阀； 死区； 温度； 补偿 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 9 0 0 1 0 0 3 S t u d y o n I n fl u e n c e F a c t o r s a n d Co mp e n s a t i o n M e t h o d o f E l e c t r o Hy d r a u l i c P r o p o r t i o n a 1 Va l v e P e r f o r ma n c e XI EJ i a n , L 1T a i - s o n g T h e S e c o n d De p a r t me n t ， R o c k e t F o r c e U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g ， Xi ’ a l l 7 1 0 0 2 5 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e e l e c t r o -- h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l v a l v e i n t h e wo r k i n g p r o c e s s wi l l b e a ffe c t e d b y e ffe c t s o f t h e d e a d z o n e a n d t h e wo r kin g t e m - pe r a t u r e o f t h e o u t s i d e wo r l d ． Th i s s t u d y a n a l y z e s an d e x p l o r e s the p r o b l e ms o f flo w and p r e s s u r e e rro r c a u s e d b y the d e a d z o n e o f e l e c t r o h y dra u l i c p r o p o r t i o n a l v a l v e i n the wo r k i n g p r o c e s s an d the c o n d i t i o n s o f d i ffe r e n t t e mp e r a t u r e ， an d p r o p o s e the c o r r e s p o n din g c o mp e n s a - t i o n s c h e me a c c o r din g t o the e r r o r c a u s e d b y d i ffe r e n t r e a s o n s ． I t p l a y s a p r o mo t i n g r o l e i n i mp r o v i n g t h e c o n t r o l p r e c i s i o n o f e l e c t r o h y dra u l i c p r o p o rti o n a l v a l v e ． Ke y wo r d s e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l v a l v e； d e a d z o n e ； t e mp e r a t u r e ； c o mp e n s a t i o n 0 引言 电液比例阀作为液压系统的重要元件之一， 在液 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 6 0 2 作者简介 谢建 t 9 6 7 一 ， 男 ， 重庆合川人 ， 教授 ， 博士 ， 主要从事大型武 器设备总体仿真与自动检测技术。 压系统中的使用较为频繁， 其工作中的控制精度也影 响着整个液压系统的控制精度【1 ]。因此， 研究如何提高 比例阀的控制精度是具有很大的实际意义的。 由于比例阀本身的结构特性及使用环境的多变 ， 造成不能够使控制量跟随控制信号进行线性输出。其 全的。 从图6 可以看出， 测扭法兰两端面的内侧面与外圆 柱面相交处的局部区域存在应力集中， 并有最大等效 应力 1 2 0 MP a ， 测扭法兰材料选用 Q 2 3 5 ， 因此安全系数 为 1 ．9 6 ， 测扭法兰的设计是安全的。并且从图6 中可以 看出， 法兰外圆柱面在中间一段区域内的应力值变化 平稳、 过渡均匀 ， 为粘贴于此处的应变片进行数据采集 创造了很好的测量条件。 3 结论 1 阐述了旋挖钻机液压加载试验台的机械传动、 液压加载和无线扭矩测量原理。 2 进行了试验台的机械传动系统和液压系统设 计以及相关部件的选型和强度计算 ， 设计计算和实际 调试、 运行情况表明所研制的试验台符合设计要求。 3 研制了旋挖钻机的液压加载试验台， 通过了委 托方的考核和验收， 并已投入使用， 目前试验台运行稳 】 O 定 、 正常。 参考文献 【 1 】 杜建刚． 旋挖钻机动力头最大输出扭矩测量方法的探讨[ J ] ． 农业装备与车辆工程， 2 0 0 6 ， 1 0 1 7 - 1 8 ． 【 2 】 黄中华， 等． 挖掘机混合动力系统试验台液压加载系统设计 [ J ] ． 机械设计与研究， 2 0 1 3 ， 2 9 3 8 5 - 8 7 ． 【 3 】 谢建， 等． 基于电液比例溢流阀的模拟加载系统研究[ J 】 ． 液压 气动与密封， 2 0 0 9 ， 1 3 4 - 3 6 ． [ 4 ] 张红涛， 等． 电液比例溢流阀在液压加载系统中的应用[ J ] ． 液 压气动与密封， 2 0 1 1 ， 9 2 5 - 2 7 ． 【 5 】 江征风， 等． 汽车变速总成疲劳寿命试验装置液压加载器设 计[ J ] ．机床与液压， 2 0 0 6 ， 3 1 4 5 - 1 4 6 ． [ 6 ] V i l l e N i s k a n e n J e r o A h o l a ． I mp l e me n t i n g C l a mp o n Wi r e l e s s T o r q u e Me a s u r e me n t S y s t e m f o r Ro t a t i n g S h a f t Ap p l i c a t i o n s [ R ] ． 2 0 1 1 1 4 t h E u r o p e a n C o n f e r e n c e o n P o w e r E l e c t r c o n i c s an d Ap p l i c a t i o n s ， 2 01 1 ． f 7 1 苏亚， 等． 基于数据无线传输技术的扭矩传感器系统[ J ] ． 仪表 技术与传感器，2 0 0 7 ， 5 5 7 - 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