斗轮堆取料机液压系统优化设计.pdf

斗轮堆取料机液压系统优化设计 王晓斌 江苏华电戚墅堰发电有限公司燃料部 常州 2 1 3 0 1 1 摘要针对斗轮堆取料机液压系统渗漏故障频发和更换液压元件难度较大的情况，结合增加执行机构需 求 ，对液压系统进行优化设计，彻底解决了液压系统渗漏故障。优化设计后的液压系统结构紧凑，外形美观， 维修方便 ，工作可靠。 关键词斗轮堆取料机 ；液压系统；螺纹连接；板式连接；液压集成块；优化 中图分类号 U 6 5 3 ． 9 2 8 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 4 0 4 0 0 4 60 6 Ab s t r a c t I n v i e w o f f r e q u e n t l e a k a g e f a u l t s o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m a n d l a r g e d i f f i c u l t y i n r e p l a c i n g t h e h y d r a u l i c e t e me n t ， c o n s i d e r i n g t h e d e ma n d o f a d d i n g t h e a c t u a t i n g me c h a n i s m ， o p t i ma l d e s i g n f o r t h e h y d r a u l i c s y s t e m i s p e rf o r me d t o t h o r o ug hl y s o l v e t h e l e a k a g e pr o b l e m． Th e o p t i mi z e d hy d r a u l i c s y s t e m i s o f c o mpa c t s t r uc t u r e，ni c e a p p e a r a n c e，e a s y ma i n t e n a n c e，a n d r e l i a b l e o p e r a t i o n ． Ke y wo r d s b u c k e t wh e e l s t a c k e r a n d r e c l a i me r ；h y d r a u l i c s y s t e m；b o l t e d c o n n e c t i o n；p l a t e c o n n e c t i o n；h y d r a u l i c ma n i f o l d b l o c k；o p t i mi z a t i o n 0引言 1 斗轮机原主液压系统 我公 司使用的两 台悬臂 式斗轮堆取 料机 以 下简称斗轮机 由哈尔滨重型机器厂生产 ，型号 D Q L 6 0 0 ／ 4 5 0 ． 2 5，堆料能力 6 0 0 t ／ h ，取料能力 4 5 0 t ／ h ，回转半径 2 5 i n 。液压系统是斗轮机 的主要组 成部分 ，有主液 压系统 和尾车液 压系 统 ，液压系统大 部分元件 采用螺纹 连 接 ，整个液压系统渗漏情况较为严重。 液压元件 更换难 度较大 ，为消 除液压 元件安装尺 寸误差 ，只能采用 割除油 管后再重新焊 接 的工艺 ，更换 后液压 元件和管道存 在装配应 力 ，耗 时且易 发生渗漏 。 更换液 压元 件，由螺纹 连接 改成 板式连 接 ，主液压 系统 和尾 车液压 系 统均增 加部分 液压元件 ，以满 足增加 功能 的需 要 。设 计 液压 系统 并设 计 、 制作液压集 成块 ，把绝 大部 分液压元 1 ． 1 原主液压系统原理图 如图 1 所 示 ，主液压系统 主要 由三个动力元 件 、两个执行元件和一个控制元件构成。 件安装在整体钻孔式液压集成块上，是降低液压 元件更换难度和解决液 压系统渗漏最行之有效 的 方法。优化设计后 的液 压系统结构 紧凑，外形美 观 ，维修方便 ，且不 易渗漏 ，有 效地 提高 了液 压 系统的工作可靠性 。 ．．． 46 ．． ． 图 1 原 主液 压系统原理图 1 ． 2 原主液压系统原理 1 ． 2 ． 1 补油部分原理 动力元件 l 齿轮泵从油箱吸入液压油，液 压油进入油 泵进 口，由油泵 出 口进 入滤油器 和单 向阀，然后进入 回转 和斗 轮旋 转闭式循环 液压系 起重运输机械 2 0 1 4 4 统中，以补充油泵和油马达的泄油损失 。 动力元件 1 齿轮泵主要起补油作用 ，故也 称作补油泵。补油压力整定值 1 ． 5 M P a ，通过调整 Y FL I O C溢流阀以得到合适的补油压力。 1 ． 2 ． 2 回转部分原理 补充压力油进入动力元件 2 倾斜盘式轴 向柱 塞泵进 口，与循环油一起 由油泵 出 口进入控制 元件 电液换 向阀 ，最后进入执行元件 1 回转 油马达 ，由回油 口流 出后进入柱塞泵进 口，以构 成 回转闭式液压循环系统。倾斜盘式轴 向柱 塞泵 实体剖视 图如图2所示 ，爆炸图如图 3所示。 图2 倾斜盘式轴向柱塞泵实体剖视图 图3 倾斜盘式轴向柱塞泵爆炸图 电液 换 向 阀 由导 阀 电磁 换 向阀 和 滑 阀 液动阀组成 ，属于三位 四通电液换向阀。如图 1 所示 ，当电液换向阀的电磁换 向阀的下部线圈得 电后 ，电磁换 向阀的阀芯 向上运动 ，电磁换 向阀 液压油流道变成平行状态 ，补充 压力油进入 电磁 换 向阀，由右 向左 流出后进 入液 动 阀下部 油室。 液动阀上部油室 的液压油进人 电磁换 向 阀，由左 向右流出后进入油箱 。因液动 阀上 、下油室存在 压力差 下高上低 ，液动 阀阀芯被迫 向上运动 ， 液动阀液压油流道变成平行状态 ，倾 斜盘式轴 向 柱塞泵 出口压力油进入液 动阀，由右 向左流 出后 起重运输机械 2 0 1 4 4 进入 回转油 马达上部 ，由回转油马达下 部流 出后 进入液动 阀，由左 向右流 出后进入倾斜 盘式轴 向 柱塞泵进 口，构成 回转 闭式 液压循环 系统，回转 油马达向一个方 向旋转。 当电液换 向阀的电磁换 向阀 的上部线 圈得 电 后 ，电磁换 向阀的阀芯 向下运 动 ，电磁换 向阀液 压油流道变成交叉状态 ，补充压力油进 入 电磁换 向阀，由右 向左流 出后进入 液动 阀上部 油室。液 动阀下部油室 的液压油 进入电磁换 向阀，由左 向 右流出后进入油箱。因液动阀上、下油室存在压 力差 上高下低 ，液动阀阀芯被迫向下运动，液 动阀液压油 流道 变成交 叉状态 ，倾斜 盘式轴 向柱 塞泵出口压力油进入液 动阀 ，由右 向左 流出后 进 入回转油 马达下部 ，由回转油马达上部 流出后进 入液动阀，由左 向右流 出后进入倾斜盘式 轴 向柱 塞泵进 口，构成 回转闭式液压 循环系统 ，回转油 马达向相反方向旋转 。 1 ． 2 ． 3 斗轮旋转部分原理 补充压力油进入动力元件 3 倾斜缸体式轴 向 柱塞泵 进 口，与循环油一 起 由油泵 出 口进入执 行元件 2 斗轮油马达 ，由回油 口流 出后进入柱 塞泵进口，以构成斗轮旋转闭式液压循环系统。 1 ． 3 其他液压元件的作用 整个主液压 系统 中还有溢流 阀、单 向阀、压 力表 、压力表开关和滤油器。 溢流阀主要起保持压力恒定和安全保护作用 ， 保持补油压力恒定，避免油泵和油马达内泄过大 后油泵 出现 吸空现象 。限制 回转和斗轮旋转 闭式 液压循环系统的最高压力值，起动保护作用。回 转部分压力整定值 8 MP a ，斗轮旋转部分压力整定 值 1 4 MP a 。 单 向阀主要是为 了防止补 油泵停运后补 充液 压油回流至油箱 ，导致补 油泵再 次启动后补油压 力升至设定值时间过长。 压力表和压力表开关属于配套使用液压元件 ， 压力表主要是为了观测液压系统压力值。 滤油器 主要 是为 了过 滤液 压系统 内的杂质 ， 保护液压元件的运动副。 2 优化设计后主液压系统 2 ． 1 优化设计后主液压系统原理图 如图 4所示 ，主液压系统主要 由 3个动力元 一 47 图 4 优 化设 计后主液压系统原理图 件 、3个执行元件和 2个控制元件构成 ，除增加部 分元件外 ，优化设计后液压 系统原理 与原液压 系 统的基本一致 。 2 ． 2新增液压 系统 2 ． 2 ． 1 新增液压系统原理 由图 4可 以看 出，优化后 主液压系统 与原 液 压系统相 比，多 了一个控制元件 三位 四通 电磁 换 向阀和一套执行元件 液压缸 。 此液压系统压 力油取 自补 油系统 ，由电磁换 向阀控制液压缸活 塞杆 的往 复运动。当电磁 换 向 阀的左侧线圈得 电后 ，电磁换 向阀的阀芯 向右运 动 ，电磁换 向 阀液压油流道 变成平行状态 ，补充 压力油进入 电磁换 向阀，由上 向下流 出后 进入液 压缸无活塞杆 腔，活塞杆腔 的液压油进入 电磁换 向阀，由下 向上 流 出后进 入油箱 。因液 压缸 上 、 下腔体存在压力差 下高上低 ，液压缸活塞带动 活塞杆向上运动。 当 电磁 换 向 阀 的右侧 线 圈得 电后 ，电磁 换 向阀的 阀芯 向左运 动 ，电磁 换 向 阀液 压油 流 道 变成 交 叉 状 态 ，补 充 压 力 油 进 入 电磁 换 向 阀 ， 由上 向下 流 出后 进入 液 压缸 活 塞杆 腔 ，无活 塞 杆 腔 的液 压油 进 入 电磁换 向 阀 ，由下 向上流 出 后进 入油 箱 。因液压 缸 上 、下 腔 体存 在 压力 差 上高 下 低 ，液 压 缸 活 塞 带 动 活 塞 杆 向 下 运 动。 2 ． 2 ． 2 新增液压系统的作用 斗轮机悬臂带式输送机尾部 煤斗原设计 是 固 定式的，当斗轮机工作状态 由堆料转换成取料后 ， 煤斗导料槽和挡煤皮 与物料 接触 ，导致煤 流被切 一 48 一 割 ，引发洒煤故障。 结合现场实际情况 ，把 固定 式煤斗 改成可翻转式煤斗 ，执行机构 两液压 缸提供 翻转动力。堆料状态下 ，煤斗 停留在 固定 式 时的位置 。取料 状态 下 ， 煤斗向上翻转 ，避免煤斗导料槽 和挡煤 皮与物 料 接 触。煤 斗 翻 转 机 构 如 图 5 所示。 2 ． 3 液压元件的重新选型 优化设计后主液压系统溢流阀和换 向阀都 已换型 ，匹配通 径和压 力等 级 ， 以上液压元件均换成板式连接的。 2 ． 4 液压集成块 的设计 根据优化 设计后 的液压 系统原 理 ， b 1 a 翻转前 b 翻转后 1 ．横梁2 ．斗轮机门柱3 ．液压缸 4 ． 液 压缸 底座5 ．煤斗 图 5 煤斗 翻转机构 图 合理布置除斗轮旋转部 分的溢 流 阀外重新选型 的 液压元件 ，以尽 可能 缩小液 压集 成块 外形 尺寸 ， 降低钻孑 L 难度 、减少钻孔 工作量 。采用 C A D辅 助 设计 ，确定液压集成块外形 尺寸和各钻孔定形 和 定位尺寸。各 相邻孔之 间最小 距离不小 于 3 m m， 以保证强度满足压力等级要求 。液压集成块选 用 Q 2 3 5 B材料 ，设计 、加工和板式元件装配后 如图 6 所示 。 ． 起重运输机械 2 0 1 4 4 1 ．i位 四通 电磁换 向阀2 ．液压集 成块 3 ．三位四通电液换向阀4、5 ．溢流阀 图6 主液压系统集成块和板式元件装配图 2 ． 5 各接头的设计J j u “ r- 各接头均设计成平 面密封结 构 ，采用 0型圈 密封 ，密封可靠 ，拆装方便 。 2 ． 6 液压集成块的加工工序 1 用火焰切割工艺下料 ，保证 毛坯有足够 的 加 工余 量 。 2 用刨床对毛坯进行粗加工 ，保证外形尺寸 满足图纸要求 ，不 留后加工余量。 3 划线 ，并用样冲冲出所有孔 中心。 4 用台式钻床和摇臂钻床进行钻孔作业 ，加 工出所有液压流道 、工艺 孔、油管接 头安装孔和 内螺纹基孔。 5 进行攻丝作业 ，加工 出所有板式液压元件 地脚螺栓孑 L 。 6 用压缩空气吹扫所有加工孔 ，并用清洗剂 清洗液压集成块 。 7 焊接所有油管接头和压力表接头。 8 用平面磨床加工液压集成块顶 面和底 面， 保证平面度误差和表面粗糙度满足图纸要求 。 9 进一步用压缩空气吹扫所有加工孔 ，并用 清洗剂清洗液压集成块。 1 0 对液压集成块做可靠保护后 ，安装所有 工艺管堵头 ，焊接固定 。 3 斗轮机原尾车液压系统 3 ． 1 原尾车液压系统原理图 如图 7所示 ，尾 车液压系统 主要 由一个动力 起重运输机械 2 0 1 4 4 元件 、一套执行元件和四套控制元件构成。 图7 原尾车液压系统原理图 3 ． 2 原尾车液压系统原理 动力元件 1 齿轮泵 从 箱 、滤油器吸人液 压油，液压油进入油 泵进 口，由油泵 出 口进入 电 磁换 向阀 ，然后 进 人单 向节 流 阀和 分 流集 流 阀 同步阀 ，最后进入液控单 向阀的液控 口或液压 缸。整个系统压力整定值 1 0 MP a 。 当电磁换 向阀的左边线 圈得 电后 ，电磁换 向 阀的阀芯向右运动 ，电磁换 向阀液 压油流道变成 平行状态 ，压力油进入 电磁换 向阀，由下 向上 流 出后进入单 向节流 阀 如 图 7所示 ，单 向节流 阀 的单向阀和可调节流阀的流道均畅通 ，压力油流 出单向节流阀后进人分流集流阀的集流口，由分 流集流阀的分 流 口流出后进入液控单 向 阀，最后 进入液压缸 ，液压缸柱塞 向上运动。液控单 向阀 的液控 口与油箱连通。 当电磁换向阀 的右边 线圈得 电后 ，电磁换 向 阀的阀芯 向左运动 ，电磁换 向阀液压 油流道变成 交叉状态 ，压 力油进入 电磁换 向 阀，由下 向上流 出后进入液控单 向阀的液控 口，压力油 推动液控 单 向阀的阀芯脱离 阀座 ，液控单 向阀反 向流道 畅 通，单作用柱塞液压缸的柱塞在重力作用下存在 一 4 9 向下运动趋势 。因液控单 向阀出 口液压 油可进入 分流集流 阀的分 流 口，由分流集流 阀的集流 口流 出后进入单 向节流 阀 图示位 置单 向节流 阀的单 向阀反向流道不通 ，可调节流阀的流道畅通 ，液 压油流出单 向节流阀后进入 电磁换 向阀，由上 向 下流出后进入油箱。也就 是说 ，液压缸 的液压油 能畅通无 阻地 流入油 箱 ，液 压缸 柱塞 向下 运动。 柱塞向下 运动 速 度 由单 向节 流 阀 的节 流 阀开度 决定。 3 ． 3 其他液压元件的作用 整个尾车液压 系统 中还有溢 流阀、单 向节 流 阀、液控单 向阀 、分流集流 阀 、压力表 、压力 表 开关和滤油器。 溢流阀主要起保 持压力恒定 、调整液控 单 向 阀开启压力和安全保护作用 ，保证液控单 向阀能 正常开启 ，避免油泵 电动机过载。 单向节流阀主要是为了控制液压缸柱塞下降 速度 ，柱塞 向上运动时 因做 功较大 ，单 向节流 阀 的单 向阀和节 流阀流道均畅通 ，避免柱 塞上升运 动过于缓慢 。柱塞 向下运动 时 因不做功 ，重力较 大，单向节流阀的单向阀反 向流道不通，只有单 向节流阀的节 流 阀流道畅通 ，避免柱塞 下降运动 超速 ，柱塞 向下运动速度 由单 向节 流阀的节流 阀 开度决定 。 液控单向阀主要是为 了实现单作 用柱塞液压 缸柱塞的升降运动。 分流集流 阀也称作 同步 阀，主要 是为 了保证 两液压缸柱塞的升降速度一致。 压力表和压力表开关属于配套使用液压元 件 ， 压力表主要是为了观测液压系统压力值。 滤 油器 主要是 为 了过 滤液压 系统 内的杂 质 ， 保护液压元件的运动副。 4 优化设计后尾车液压系统 4 ． 1 优化设计后尾车液压 系统原理 图 如图 8所示 ，尾车液压 系统主要 由一个 动力 元件 、两套执行元件 和五套 控制元件构 成。可 以 看出，优化设 计后尾车液压 系统原理 与原尾车液 压系统原理基本 一致 ，只是在齿 轮泵 出 口与 电磁 换向阀间串接 了一个 两位 四通 的 电磁换 向阀及增 加了一个溢流阀和两个液压缸。 一 5 0 一 图 8 优化设计后尾 车液压系统原理图 4 ． 2 新增液压系统 4 ． 2 ． 1 新增液压系统原理 由图 8可 以看 出，优化 设计后尾 车液压系统 多了一个控制元件 两位四通电磁换 向阀 、一套 执行元件 液压缸 和一个溢流 阀。新增 的液压 系统主要是为 了控制主 、尾车挂钩液压缸 。 主、尾车 正常连接时 ，两位 四通 电磁 换 向阀 线圈不得 电 ，挂钩液压缸 油室与油箱 连通 ，挂 钩 液压缸的活塞杆 在弹簧作用下缩至最低 位置 ，挂 钩两侧钩舌 均弹 出，主、尾车 挂钩可靠 接合 ，保 证主、尾车联动。 如图 8所 示 ，当两位 四通 电磁 换 向阀的线 圈 得电后 ，两位 四通 电磁换 向 阀的 阀芯 向左 运动 ， 两位 四通 电磁换 向阀液压 油流道 变成交叉 状态 ， 齿轮泵 出口压力油进入两位 四通 电磁换 向阀，由 下向上流 出后 进入 液压 缸，液 压缸 活塞 杆伸 出 ， 通过杠杆和链条牵 引挂钩一侧 钩舌 ，挂钩 钩舌 被 压下 ，挂 钩能可靠脱 开，主 、尾 车分离 ，为尾车 完成变位动作创造条件。 4 ． 2 ． 2 新增液压系统的作用 斗轮机原 主、尾车挂钩采用 电磁挂 钩，经常 出现不能可靠脱开 和正常连接过程 中出现脱开故 起重运输机械 2 0 1 4 4 障，造成不能正常变位 和引发主 、尾 车拖令 电缆 被拉断事故。 考虑 到火 车挂 钩技术 成 熟 、工 作 可靠 ，主、 尾车连接 由原来 的电磁挂钩改为火 车挂 钩。火车 挂钩的执行机构主要是一弹簧复位单作用液压缸 ， 工作压力值 5 M P a 。为满足执行机构动作要求 ，在 原尾车液压系统 中增加部分液压元件 ，构成另一 工作压力值 的液压系统 ，以满足斗轮机 主 、尾车 分离和连接需要。 4 ． 3 液压元件的重新选型 优化设计后尾 车液压系统 的溢 流阀、换 向阀 和单向节 流阀都 已换 型 ，匹配通 径 和压力 等级 ， 以上液压元件均换成板式连接的。 4 ． 4液压集成块的设计 与主液压 系统设 计思路一致 ，液压集成块选 用 Q 2 3 5 B材料 ，设计 、加工 和板式元件装配后如 图 9所 示 。 1 ．液压集成块2 ．三位四通电磁换 向阀 3 ．二位四通电磁换向阀4、5 ． 溢流阀 6 ．单向节流阀7 ．分流集流阀 图 9 尾车液压系统集成块和板式元件装配 图 4 ． 5各接头的设计加工 各接头均设 计成平面密封结构 ，采用 0型圈 密封 ，密封可靠 ，拆装方便。 4 ． 6 液压集成块的加工工序 液压集成块 的加工工序与 主液压系统集成块 的加工工序一致 。 5 优化设计后斗轮机液压系统特点 5 ． 1 结构紧凑 除保 留电动机 、油泵和滤油器 外 ，去 除了所 起重运输机械 2 0 1 4 4 有液压元件 ，在油箱顶部安装 可以拆卸 的整体 钻 孔式液压集成块 ，绝 大部分 液压 元件均安装在 液 压集成块上。由于 大部分 液压 流道均设置在液压 集成块 内部 ，减少了油管数量 ，布置更集 中。 5 ． 2外形美观 ． 油箱顶部 仅有 电动机 、油泵 、滤 油器和液压 集成块组件 ，控制单元 与执行机 构间 的油管布置 整齐，走 向合理。 5 ． 3 维修方便 整个液压系统动力元件 和控 制元件维修 的独 立性增强 ，维修 空间增大 ，板式 连接液压元件 维 修更为便捷。 5 ． 4工作可靠 不考虑液压元件本身的工作可靠性，原液压 系统螺纹连接元件渗漏故 障频 发，采用板式 连接 元件后 ，彻底解决了这一问题。 5 ． 5 油箱清洗方便 整体钻孔式 液压集成块 安装在 油箱顶部 ，采 用法兰连接 。由于外形尺寸较大 ， 液压集成块拆除 后 ，清洗工艺孔更大，油箱清洗更为方便。 6 结束 语 为满足新增 功能 的需求 ，完 善斗轮机液压 系 统 ，选择合适 的液压元件 ，设计 、加工 、制作 满 足使用要求 的整体钻孔 式液压集成块 ，是 斗轮机 液压系统优化设计的关键 。 斗轮机液压系统优化设计后达到 了预期效果 ， 加工制作后 投运十多年 以来 ，使 用效果 良好 ，性 能可靠 ，维修方便 ，彻底解 决 了液压 系统渗漏频 发的故 障。 参考文献 [ 1 ]崔国泰 ．机 械设计基础 [ M] ． 北京机 械工业 出版 社 ，1 9 9 4 ． [ 2 ]吴克晋 ．液压传动[ M] ． 北京中央广播电视大学出 版社 ，1 9 8 4 ． [ 3 ]机械设计手册编委会 ．机械设计手册 [ M] ． 北京机 械工业 出版社 ，2 0 0 9 ． 作者地址 常州市延陵东路 3 6 8号 邮 编 2 1 3 0 1 1 收稿 日期 2 0 1 30 7 2 5 51