斗轮堆取料机俯仰液压系统设计与优化.pdf

2 0 1 3年 8月 第 4 1 卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 3 V0 l - 41 No ． 1 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 6 ． 0 2 4 斗轮堆取料机俯仰液压系统设计与优化 肖艳军 ，孟照建 ，梁新宇 ，郭伟鑫 ，郭迪明 ，关玉明 1 ．河北工业大学机械 学院 ，天津 3 0 0 1 3 0 ； 2 ．天津重钢机械装备股份有限公司，天津3 0 0 4 5 9 摘要针对传统的斗轮堆取料机俯仰液压系统存在运行不可靠、稳定性差、使用寿命短等不足，对液压系统中的回路 进行优化设计，增强设备运行的平稳性， 延长使用寿命 ，减少维护量 ， 降低运行成本，提高斗轮堆取料的工作效率。 关键词堆取料机； 俯仰机构 ； 液压系统； 优化设计 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 3 1 6 0 7 8 3 Op t i mi z a t i o n De s i g n f o r P i t c h Hy d r a u l i c S y s t e m o f Bu c k e t W h e e l S t a c k e r - r e e l a i me r X I A O Y a n j u n ，M E N G Z h a o j i a n ，L I A N G X i n y u ，G U O We i x i n ， G U O D i m i n g ， G U A N Y u m i n g 1 ． He b e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，T i a n j i n 3 0 0 1 3 0，C h i n a ； 2 ． T i a n j i n He a v y S t e e l Me c h a n i c a l E q u i p me n t C o ． ， L t d ． ， T i a n j i n 3 0 0 4 5 9 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e f a u l t s e x i s t e d i n t r a d i t i o n a l p i t c h h y d r a u l i c s y s t e m o f b u c k e t w h e e l s t a c k e r r e c l a i me r ，s u c h a s t h e ma i n o p e r a t i o n wa s n o t r e l i a b l e ，p o o r s t ab i l i t y a n d s h o f ． t s e r v i c e l i f e，a n d S O o n， t h e c i r c u i t i n h y d r a u l i c s y s t e m wa s d e s i g n e d w i t h o p t i mi z a 。 t i o n ．T h e o p e r a t i o n s t a b i l i t y i n e q u i p me n t i s e n h a n c e d，t h e s e r v i c e l i f e i s e x t e n d e d ，t h e main t e n a n c e o f o p e r a t i o n i s r e d u c e d a n d t h e c o s t i s r e d u c e d ， w h i c h i m p r o v e s th e e ffic i e n c y o f w o r k f o r b u c k e t w h e e l s t a c k e r - r e c l a i m e r ． Ke y wo r d s S t a c k e r r e c l a i me r ；P i t c h i n s t i t u t i o n s ；Hy d r a u l i c s y s t e m；Op t i mu m d e s i g n 悬臂式斗轮堆取料机主要由行走机构、俯仰机构 变幅装置 、斗轮机构、上部 回转机构和平 台、底 架、斗臂架 和斗臂架带式输 送机 既受料、又卸 料 、门架、平衡梁架 和配重、司机室、液压系统、 电气设备等组成。俯仰机构有机械和液压变幅两种形 式，由于液压系统在悬臂俯仰运动过程中能对俯仰进 行灵活的控制和平稳的启停 ，而且具有结构小巧、配 置灵活、组装方便、可靠耐用等独到的特点，因此液 压系统在堆取料机和其他装卸设备中得到了更为广泛 的应用。俯仰机构的作用是支承取料斗轮、悬臂机构 及配重装置的重量 ， 并在俯仰液压缸的牵引下， 改变 取料斗轮的高度 ， 使斗轮机构可以在原、燃料场中的 不同高度的料堆上方便地进行堆料和取料作业， 俯仰 机构的工作安全可靠性非常重要 ， 一旦因俯仰机构失 效而引发悬臂架高空坠落 ， 不仅会造成斗轮堆取料机 整体永久破坏，还会严重危害到操作人员的人身安 全。传统的液压系统回路存在运行不可靠 、稳定性 差 、使用寿命短等不足 ，因此，有必要对液压系统回 路进行优化设计，以增强设备运行的平稳性 ，延长使 用寿命 ，减少维护量， 降低运行成本 ，提高斗轮堆取 料的工作效率。 1 液压系统类型选择 液压系统的类型即油路循环方式有开式和闭式两 种。开式回路 ，即执行元件的排油回油箱 ，油液经过 沉淀、冷却后再进入液压泵的进口。该系统采用开式 还是采用闭式 ，主要取决于它的调速方式和散热要 求。一般来说 ，凡备有较大空间可以存放油箱且不另 设置散热装置的系统、要求结构尽可能简单的系统 ， 或采用节流调速或容积一 节流调速的系统 ，都宜采用 开式 ；凡允许采用辅助泵进行 补油并 通过换 油来 达到 冷却的目的的系统、对工作稳定性和效率有较高要求 的系统 ，或采用容积调速的系统，都宜采用闭式，行 走装置或者航空航天等装置为了减轻体积和质量可选 用闭式回路。因此，液压系统选用开式回路。 2 液压回路优化设计 选择系统的液压回路是根据系统的设计要求和工 况 ，从众多的成熟方案中挑选出来的。挑选时既要保 证满足各项主机要求 ，也要考虑符合节省能源、减少 发热、减少冲击等原则。由设计要求可知，此设计中 是靠 2 个液压缸同步动作来实现悬臂的频繁间歇上下 运动，并要保证悬臂在某一位置能够保持不动，即不 能因悬臂重力使之下降。因此需考虑的基本回路有卸 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 2 4 基金项 目 河北省科学技术研究与发展计划资助项目 1 0 2 1 3 9 4 7 ；河北省科技支撑计划资助项目 1 2 2 2 7 1 0 9 D 作者简介肖艳军 1 9 7 6 一 ，男，博士研究生，讲师，研究方向为机电成套设备及其关键技术。通信作者关玉明， E ma i l g y umi n g 1 6 3 ．c o rn。 第 l 6期 肖 艳军 等斗轮堆取料机俯仰液压系统设计与优化 7 9 荷回路 、锁紧回路、平衡回路、同步回路等。 2 ． 1 卸荷回路 卸 荷 回路 的功用是在液压泵驱动 电动机不频 繁启 闭的情况下 ，液压泵在功率损耗接近零的情况下运 转，以减少功率损耗 ，降低系统发热 ，延长泵和电动 机的寿命。因为液压泵的输出功率为其流量和压力的 乘积 ，因而，两者任一近似为零，功率损耗即近似为 零 ，因此液压泵的卸荷有流量卸荷和压力卸荷两种， 前者主要是使用变量泵 ，使泵仅为补偿泄漏而以最小 流量运转 ，此方法比较简单 ，但泵仍处在高压状态下 运行 ，磨损比较严重。压力卸荷的方法是使泵在接近 零压下运转 ，使其输出流量在压力很低的情况下流回 油箱，传统系统采用电液换向阀作为主换向阀，但是 系统中的三位 阀是Y型 中位机能 ，油泵不能卸荷 ， 在系统非工作状态下 ，必须使电机停止 ，这会造成电 机频繁起动。基于对传统方式的优化，将此处的电液 换向阀采用 M型中位机能 ，当三位换 向阀处于 中位 时，油泵可以卸荷 ，系统在非工作状态时电机不必停 止 ，避 免 了 电 机 频 繁 起 动 。图 1所 示 为 采 用 M 型中位机能的电液换向阀 的卸荷回路。这种 回路切 换时压力冲击小，但回路 中必须设置单向阀，以使 系统能保持 0 ． 3 MP a 左右 的压 力，供 控 制 油路之 用 。 2 ． 2 锁 紧回路 保 压 回路 锁 紧回路 的功用 是在液 压执行元件不工作时切断其 进、出油液通道，确切地使 它保持在既定位置上。图2 所示为一种使用液控单向阀 的双向锁紧回路 ，它能在液 压缸不工作时使活塞迅速、 平稳、可靠且长时间地被锁 住 ，不为外力所移动。此回 路不仅 可以应 用于堆取料机 中 ，还可 以广 泛应用 于工程 机械、起重运输机械等有锁 紧要求的场合。 2 ． 3平衡 回路 图 1 卸荷回路 图2 使用液控单 向阀的双向 锁紧回路 平衡 回路是指在油路设计中设置的某种回路，用 来阻止因 自重等因素而下降。平衡 回路是具有立式 垂直地面液压缸 的机械设备必不可少的一种 回 路，它的功用在于防止垂直放置的液压缸和与之相连 的工作部件因自重而 自行下落。因为起重液压机械在 非起重状态时，无论是处于停止状态还是工作状态都 会因重力作用而具有向下运行的趋势 ，故必须阻止这 种有害现象 ，使之达到平衡。 图3所示为一种现在常使用单向顺序阀的平衡 回 路。由图可见 ，当换向阀2左位接人回路使活塞下行 时，回油路上存在着一定的背压；只要调节单向顺序 阀3 使液压缸内的背压能支撑得住活塞与之相连的工 作部件，活塞就可以平稳地下落。当换向阀处于中位 时 ，活塞就停止运动，不再继续下移。这种回路在活 塞向下快速运动时功率损失较大，锁住时活塞和与之 相连的工作部件会因单向顺序阀3和换向阀2的泄漏 而缓慢下落，因此它只适用于工作部件 自重不大、活 塞锁住时定位要求不高的场合。因此，若在单向顺序 阀和液压缸之间增加一液控单向阀，由于液控单向阀 密封性能好 ，就可以防止活塞因单向顺序阀泄漏而下 降。最终选用的平衡 回路如图4 所示。 图 3 单向顺序阀的平 衡回路 优化前 图4 单向顺序阀加液 控单向阀的平衡 回路 优化后 2 ． 4同步 回路 液压同步回路是指在各类机器 、设备、装置 中， 实现同步运行功能 ，是由液压元件、管路按一定规律 组合 ，并以液流介质传递 ，控制驱动两个或者两个以 上的执行器 液压缸或液压马达产生相同的线位 移或角位移和相同的位置的回路。液压同步回路是液 压系统 中回路 之一 ，一般 是 由控制 同步运 动 的液 压 件，经管道至执行器，执行器的回油口经管路至油箱 部分 ，即同步 回路组成部分 。这种 回路实质上也是流 量 调速控制 回路的一种，也是多缸控制 回路 的 一 种。 同步回路分为容积控制液压同步回路和流量控制 液压同步回路两种。其中容积控制液压同步回路利用 封闭容积变化通过管道等组件向尺寸精度、结构相同 的数个执行器 液压缸或者液压马达输入等体积 的液体使其产生同步运动。此方法效率高 ，精度高 ； 但结构复杂，价值昂贵，故不采用。另一种流量控制 液压同步回路是通过流量阀调节控制进入或排出液压 8 O 机床与液压 第 4 l 卷 执行器 液压缸或者液压马达中的流量，使液压 执行器中运动件运动速度相等 ，实现速度同步等。流 量控制同步系统最大的优点是结构简单、成本低；缺 图5 流量控制液压同步回路 俯仰油缸 点是精度不高。故采用此方法，实践证明可行。流量 控制液压同步回路如图5 所示。 流量控制液压同步系统常用的控制元件有节流 阀、调速阀、同步阀等。这些阀都是通过改变节流口 开度的大小 ，来调节流量的多少，改变同步执行器中 运动件的运动速度快慢以期达到执行器中运动件同步 运动的 目的。 3 集成液压 系统 集成液压系统是把各种液压回路综合在一起 ，进 行归纳整理，增添必要的元件或辅助油路 ，使之成为 完整的系统 ，并在最后检查一下这个系统能否完美 实现所要求的各项功能 ，是否需要再进行补充或者修 正，有无作用相同或者相近的元件或者油路可以合并 等。这样才能使设计出来的液压系统结构简单、紧 凑、工作安全可靠，动作平稳、效率高，使用和维护 方便。俯仰机构液压系统原理图如图6所示。 俯 仰油 缸 图6 俯仰机构液压系统原理图 下转第8 4页