节能环保型破碎机液压驱动系统设计.pdf

２０１５ 年 １１ 月 第 ４３ 卷 第 ２２ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｎｏｖ􀆱 ２０１５ Ｖｏｌ􀆱 ４３ Ｎｏ􀆱 ２２ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１５􀆱 ２２􀆱 ０３２ 收稿日期 ２０１５－０７－１６ 基金项目 广州市黄埔区科技计划项目 （埔科信通 ［２０１４］ ２ 号） 资助项目 （２０１４３７） 作者简介 吴海丹 （１９８２）， 女， 工学学士， 工程师， 研究方向为液压元件和液压系统的研发。 Ｅ－ｍａｉｌ ｄａｎｈａｉ⁃ｗｕ＠ １６３􀆱 ｃｏｍ。 节能环保型破碎机液压驱动系统设计 吴海丹， 姚薇， 辛杨桂， 成国真 （广州宝力特液压密封有限公司， 广东广州 ５１０７００） 摘要 破碎机全液压系统用于驱动回转式剪切破碎机。 应用电液伺服比例调速技术和液压节能技术， 研制用于回转式 剪切破碎机的液压驱动系统， 满足回转式剪切破碎机的工作要求。 关键词 节能； 环保； 破碎机； 液压闭式系统 中图分类号 ＴＨ１３７ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１５） ２２－０９６－３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓａｖｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｙｐｅ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｄｒｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｃｒｕｓｈｅｒ ＷＵ Ｈａｉｄａｎ， ＹＡＯ Ｗｅｉ， ＸＩＮ Ｙａｎｇｇｕｉ， ＣＨＥＮＧ Ｇｕｏｚｈｅｎ （Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｂｏｌｉｔｅ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｅａｌ Ｃｏ．， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１０７００， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｃｒｕｓｈｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ｔｈｅ ｒｏｔａｒｙ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｃｒｕｓｈｅｒ． Ｅｌｅｃｔｒｏ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈ⁃ ｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｒｏｔａｒｙ ｓｈｅａｒ ｃｒｕｓｈｅｒ， ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｏｔａｒｙ ｓｈｅａｒ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｗｏｒｋ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ； Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ； Ｃｒｕｓｈｅｒ； Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｌｏｓｅｄ ｓｙｓｔｅｍ 随着全社会对环保的日益重视以及地球上有限资 源的慢慢消耗殆尽， 人们开始对废弃资源的重复利用 进行了广泛的研究， 研制出了各种各样的处理废旧物 品的设备。 回转式剪切破碎机适于破碎废旧轮胎、 车 胎、 各类橡胶制品、 塑料管材、 橡胶管材、 生活垃 圾、 工业垃圾等各种废弃物， 在国内的生活垃圾焚烧 发电厂、 危险废物处理厂及环保废物利用等企业应用 广泛［１－３］。 在众多的破碎机械特别是进口设备中， 采用液压 传动和全液压驱动十分普遍， 如破碎废旧轮胎、 车 胎、 各类橡胶制品破碎机等。 与机械传动、 电气传动 相比， 液压传动具有以下优点 质量轻、 体积小、 运 动惯性小、 反应速度快， 可实现大范围的无级调速， 可自动实现过载保护和容易实现自动控制。 其中液压 闭式系统能耗低、 结构紧凑并容易实现无级变速， 在 破碎机系统中得到了广泛的应用。 文中通过分析回转 式剪切破碎机机制和特点， 运用电液伺服比例调速技 术和液压节能技术， 研制应用于回转式剪切破碎机的 液压驱动系统。 １ 回转式剪切破碎机简介 回转式剪切破碎机的工作原理如图 １ 所示， 带有 齿面的双轴 （刀轴） 转动时， 由于物料与轴辊之间 的挤压和劈裂作用， 物料被轴辊带到相对旋转的圆柱 形辊筒之间的缝隙中而被破碎， 破碎后的物料在重力 和转辊的作用下被排出。 这种结构的破碎机， 适用于 破碎大件的废弃物。 破碎过程是连续的， 有强制排料 的作用， 所以不易产生堵塞现象。 图 １ 破碎工作原理示意图 文中要配套的破碎机， 为了提高传动效率取消齿 轮变速箱， 采用液压马达与刀轴直连。 要求根据物料 特性可自动调整输出力矩与转速， 保证连续破碎量并 避免电机过载烧毁。 破碎机液压驱动要求（１） 应用液压马达驱动 双轴破碎机； （２） 正常工作时， 输出转速 ４０ ｒ／ ｍｉｎ， 输出扭矩 １０ ０００ Ｎｍ； （３） 当负载增大输出扭矩达 到 ２０ ０００ Ｎｍ 时， 系统自动反转后再正转； （４） 恒 功率控制， 可自动降低转速提高扭矩；（５） 安全可 靠、 低噪声。 ２ 破碎机液压驱动系统 液压系统分为开式液压系统和闭式液压系统， 开 式系统中马达或油缸的油回到油箱， 泵从油箱直接吸 油； 闭式系统中马达或油缸的油不回油箱而直接去泵 的进油口。 开式液压系统结构简单， 散热良好， 油液能在油 箱内澄清， 因而应用较普遍， 开式液压系统一般为阀 控缸系统， 形成节流调速回路。 闭式液压系统为了补 偿系统的泄漏损失， 常需附设一只小型辅助补偿液压 泵和油箱。 油箱体积很小， 结构紧凑； 空气进入油液 的机会少， 工作较平稳； 但结构复杂， 散热条件较 差， 要求有较高的过滤精度。 闭式系统一般为泵控马 达调速系统， 通过改变回路中变量泵和变量马达的排 量等方式调节执行元件的运动速度。 在实际应用中， 根据工艺要求选择调速回路， 开式系统成本低， 闭式 回路节能， 但是成本高［４－５］。 就破碎机液压驱动系统而言， 属于重载低速大功 率系统， 应选用闭式直驱液压系统。 文中设计的破碎 机驱动系统采用闭式液压系统， 由液压泵、 液压马 达、 冷却过滤、 泵正反向控制、 系统补油清洗等部分 组成， 如图 ２ 所示。 电动机驱动比例变量泵输出高压 油直接推动液压执行元件 （液压马达） 进行工作， 即泵控液压闭式系统。 由比例变量泵本身的变速、 变 向、 变转矩的功能取代流量控制阀、 方向控制阀和压 力控制阀的功能， 消除了液压回路中的节流损失， 系 统节能并大大简化了液压回路的结构。 图 ２ 破碎液压闭式系统 根据破碎机的工作要求， 系统流量由比例泵调 节， 系统压力由比例压力阀 １０ 自动调整。 下面分别 介绍各回路的作用及工作原理。 （１） 补油回路。 因主工作回路是闭式回路， 加 之系统功率大， 需要进行补油和散热， 所以设置了一 套补油回路对其进行补油和散热。 为增大散热效率， 补油回路采用了低压定量泵来带走闭式回路中的大量 热量， 同时也对其进行了补油。 补油泵为主泵的内置 泵， 通过两个单向阀分别对闭式回路的低压端进行补 油， 然后经主泵的高压端为液压马达提供动力油。 从 马达返回的携带热量的低压油又回到主泵， 一部分进 入主泵的高压端， 一部分经排放阀从主泵的 Ｔ１ 口流 出， 回油箱进行冷却。 （２） 主工作回路。 由主泵和液压马达组成， 主 泵为双向比例变量柱塞泵， 在主泵的主回路中有补油 单向阀、 载荷溢流阀及低压排放阀。 （３） 主泵的控制回路。 有主泵斜盘伺服油缸及 双向比例伺服控制阀， 伺服阀由泵内部控制回路调压 控制， 以便实现换向和无级调速。 主泵控制回路用于 控制其斜盘的正负角度， 以实现滚筒的正反转及转速 的无级调整。 内部控制油经泵内的通道到达比例伺服 阀的左右端， 使伺服油缸的左右腔进油和排油来实现 活塞杆的左右移动， 从而完成斜盘角度的控制。 （４） 马达回路。 液压马达为定量马达， 配置有 编码器， 检测马达的转速。 （５） 辅助回路。 为了确保系统能正常工作， 系 ７９第 ２２ 期吴海丹 等 节能环保型破碎机液压驱动系统设计 统配置了滤油器、 冷却器、 蓄能器等， 蓄能器的作用 是防止系统吸空和稳压。 （６） 检测回路。 系统安装有压力、 转速、 温度 等传感器， 方便对破碎机进行自动控制。 ３ 破碎机液压系统选型及计算 （１） 液压马达的选型及计算 液压马达是液压系统的一种执行元件， 它将液压 泵提供的液体压力能转变为其输出轴的机械能 （转 矩和转速）。 此项目的液压马达直接驱动破碎机的刀 轴， 故液压马达对破碎机的平稳工作起关键作用。 液压系统工作压力 ｐ 设定为 ２０ ＭＰａ。 而输出扭 矩 Ｔ 需要 １０ ０００ Ｎｍ 以上， 故需选用低速大扭矩液 压马达。 扭矩和压力之比为［４－５］ Ｔ ｐ ＝ １０ ０００ ２０ ＝５００ （Ｎｍ／ ＭＰａ） 选用 意 大 利 进 口 双 速 液 压 马 达， 型 号 为 ＭＳ５０ Ａ Ａ１１ Ｒ８３ ３Ａ５０ Ｑ。 技术参数见表 １。 表 １ 马达参数 型号ＭＳ５０ 排量／ （ｃｍ３ｒ －１ ）５ ５０４ 扭矩压力比／ （ＮｍＭＰａ －１ ）５５６．５ 最大功率／ ｋＷ１４０ 最高转速／ （ｒｍｉｎ －１ ）１１０ 最高压力／ ＭＰａ４５ 按表 １ 中参数可计算出 输出扭矩 １０ ０００ Ｎｍ 时， 压力为 １８ ＭＰａ； 输出扭矩 ２０ ０００ Ｎｍ 时， 压 力为 ３６ ＭＰａ。 系统要求最高速 ｎ 为 ４０ ｒ／ ｍｉｎ， 而马达排量 ｑ 为 ５ ５０４ ｃｍ３／ ｒ， 故系统需要的流量 Ｑ Ｑ＝ｑｎ＝ ５ ５０４ １ ０００４０＝２２０􀆱 １６ （Ｌ／ ｍｉｎ） （２） 液压泵的选型及计算 液压泵是为液压传动提供加压液体的一种液压元 件， 是液压系统的动力元件。 液压泵由电动机驱动， 从液压油箱中吸入油液， 形成压力油排出驱动液压马 达。 此项目中液压系统工作压力 ｐ 设定为 ２０ ＭＰａ， 流量 Ｑ＞２２０ Ｌ／ ｍｉｎ。 故选用排量为 １８０ ｃｍ３／ ｒ 的德国 进口比例变量柱塞泵， 型号为 Ａ４ＶＧ１８０ＥＰ２ＤＭ２／ ３２Ｒ⁃ＮＳＤ１０Ｆ００１Ｓ， 该泵的补油泵流量为 ５８ Ｌ／ ｍｉｎ。 泵最高压力为 ４５ ＭＰａ， 选用 ４ 极电机， 理论上泵最 大输出流量为 １８０１􀆱 ４５＝２６１ Ｌ／ ｍｉｎ， 可满足要求。 （３） 电动机的选型 系统压力为 ２０ ＭＰａ， 最大流量为 ２２０ Ｌ／ ｍｉｎ， 可 计算出电机功率 ７５ ｋＷ。 考虑到效率， 宜选用 ４ 极 ９０ ｋＷ 电机， 型号为 Ｙ２⁃２８０Ｍ⁃４⁃Ｂ３５。 当输出扭矩为 ２０ ０００ Ｎｍ， 输出转速自动降到 ２０ ｒ／ ｍｉｎ， 即恒功 率控制， 故所选电机可满足系统要求。 （４） 液压控制阀的选型计算 根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大流 量， 按产品样本或手册选取标准元件。 所选元件的额 定压力和流量尽可能与其计算所需值相近， 必要时， 通过元件的最大流量可大于它的额定流量， 但一般不 超过 ２０％， 以免压力损失过大， 引起油液发热、 噪 声和其他性能的恶化。 溢流阀按液压泵的最大流量选 取， 压力一般比回路压力大 ２０％左右； 此系统选用 ＤＮ２０ 的压力阀和 ＤＮ３０ 的单向阀。 （５） 冷却器的选型计算 此系统为闭式泵控直驱液压系统， 流量和功率可 根据工作状况控制， 故发热较少。 经计算并查阅相关 手册后， 选择水冷却器型号为 ＳＬ⁃４１８。 也可根据工 作环境选用风冷却器， 如 ＡＨ１４７０Ｔ⁃ＣＡ。 ４ 结束语 通过分析液压破碎机的机制， 将电液比例控制技 术和液压节能技术应用到液压破碎机上， 达到节能环 保的目的。 该液压破碎机采用液压马达直驱刀轴， 无 齿轮变速箱， 相对于其他同等功率下的驱动方案， 传 动效率高、 体积小。 电液比例变量液压闭式系统可根 据物料特性自动调整输出力矩与转速， 方便地实现无 级调速， 调速范围大， 且可在系统运行过程中自动调 速， 大大简化了液压回路结构。 故采用此方案的液压 破碎机将在大型破碎机 （如废旧轮胎、 车胎、 各类 橡胶制品、 工业垃圾破碎机） 得到广泛应用。 参考文献 ［１］ 李如林．我国废旧轮胎回收利用行业的现状及发展对策 ［Ｊ］．中国资源综合利用，２００３（３）３－６． ［２］ 高澜庆，王文霞，马飞．破碎机的发展现状与趋势［Ｊ］．冶 金设备，２００１（４）１３－１６． ［３］ 郎宝贤，郎世平．国内外破碎机的差距与发展趋势［Ｊ］． 矿山机械，２００４（９）７１－７５． ［４］ 王积伟，章宏甲．液压传动［Ｍ］．北京机械工业出版社， ２００７． ［５］ 黎启柏．液压元件设计手册［Ｍ］．北京机械工业出版 社，２０００． ８９机床与液压第 ４３ 卷