船用绞缆机液压系统设计 精品Word格式.docx
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3）液压系统主要元件计算，选型；
四．设计依据：
1）液压传动系统设计与使用[M].北京：
2）船舶辅机[M].大连：
3）液压与气压传动[M].北京：
4）中国船级社.钢质海船入级与建造规范轮机[S].
5）液压系统设计简明手册.
五．设计时间及进度安排：
2014.2.25~3.1开题，搜集资料
2014.3.4~3.18完成论文大纲
2014.3.19~5.20撰写毕业论文初稿
2014.5.20~5.30论文修改定稿，打印并准备答辩。
六．指导老师（签字）：
院系意见：
教学院长（主任）签字：
2013年03月01日
[摘要]本文首先介绍了液压系统的概念原理及其相对于电传动及其他形式的优势，并根据液压系统的概念原理及优势对船用绞缆机液压系统进行分析和设计。
本文还介绍了船用绞缆机液压系统的构造，工作过程及原理，并按动力源、执行机构和控制机构的顺序，详细介绍了绞缆机系统中遥控系统、柱塞泵、柱塞缸的具体结构、工作原理和工作过程。
然后根据对液压系统的认识和船舶的排水量的大小以及船舶的具体要求列出部分数据，对绞缆机液压系统进行初步的设计。
数据的计算包括对电动机、液压马达、泵、液压缸以及管路阀件等附件的工作压力和工作时所需要流量的计算，并根据计算数据查询设备生产厂家并确定系统各附件的具体型号，完成了液压系统的结构设计。
对液压系统的管路设计以及管路直径的选择根据流量的大小进行选择，并要根据船舶航区不同来确保设备的选用及管路的设计要符合相应船舶入及规范的规定。
关键词：
液压；
绞缆机；
设计；
原理
Abstract:
Thispapernotonlyintroducestheconceptofthehydraulicsystemanditsadvantagestoothers,butalsoanalysisanddesignMarinemooringwinchhydraulicsystembasedontheconceptofhydraulicsystemprincipleandadvantagesof.Thepaperintroducesthestructureandworkingprincipleofthemooringwinchsystemofships,anddetailedintroducesthepumpworkingprincipleandworkingprocessofthemooringwinchsystemastheorderofthepowersupply,theenforcementagenciesandthecontrollingmechanism.Andthenlistspartofdatabasedontheunderstandingofthehydraulicsystem,makesasimpledesignofthemooringwinchhydraulicsystem.Thecalculationofdataincludingworkingpressureandflowrateofmotor,hydraulicmotor,pumpandpipelinevalves,Andaccordingtothecalculateddatadeterminethetypeofsystemequipmentandvariousaccessories,andnowcompletedthestructuredesignofthehydraulicsystem.Accordingtotheshippingareatoensurethattheselectionofequipmentandpipingdesignshouldconformtothecorrespondingclassificationnorms.
Keywords:
Hydraulic;
MooringWinch;
Design;
Principle
目录
绪论1
1液压传动和液压绞缆机的概念与特点2
1.1液压传动的概念和特点2
1.1.1液压传动的概念2
1.1.2液压传动的特点2
1.2绞缆机的概念和特点3
1.2.1绞缆机的概念3
1.2.2船舶对绞缆机的特点3
3绞缆机4
3.1绞缆机的分类。
4
3.1.1阀控型与泵控型液压绞缆机的工作原理4
3.2液压绞缆机系统组成4
3.2.1液压系统的组成4
3.2.2液压马达的工作原理4
3.2.3绞缆机工作原理5
4液压系统图的初步确定和原理说明7
4.1根据已知条件拟定液压系统7
4.2绞缆机液压系统的工作原理8
5主要液压元件的参数计算与选择9
5.1主要设备参数的计算与选择9
5.1.1绞缆筒参数的选择9
5.1.2主辅泵的选择9
5.1.2电动机10
5.1.4马达的参数计算与选择11
5.1.5液压阀件11
5.2辅助元件的选择12
5.2.1油箱的选择12
5.2.2管路的计算与选择13
5.2.3关于液压油的冷却问题14
结论15
致谢16
参考文献17
附录18
绪论
液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式，是现代机械工程中一种应用十分普遍传动类型，其相较于其他种类的传动形式具有液压传动可以输出大的推力或大转矩，体积小便于安装放置，便于控制，传动稳定、冲击小等各种优点。
绞缆机作为大多数船舶的系泊控制设备，也主要是应用液压系统作为其传动机构。
为了更加深入的了解液压传动的工作过程和作用特点，以及绞缆机系统的结构、作用、原理，本文以绞缆机液压系统为例进行设计分析。
本文对绞缆机系统的组成结构，工作原理，功能要求进行了分析介绍，并且按照液压系统的组成部分，对绞缆机系统的液压马达、绞缆控制系统等的工作原理及工作过程和作用效果进行了具体分析。
本文介绍的系统是针对排量在2000t和3000t之间的钢制海船的需要进行设计，首先设定缆绳工作时所需要的拉力和绞缆筒的直径和系统工作压力进行计算。
通过对绞缆机液压系统中各部件的工作参数进行计算，根据具体数据参数对系统的动力原件和控制执行设备进行了分析和选型。
同时针对一些附件也进行了预选。
本文对绞缆机液压系统的设计计算严格根据我国船舶设计规范选取数据，计算结果算符合系统要求，可以作为以后绞缆机液压系统设计的参考材料。
1液压传动和液压绞缆机的概念与特点
1.1液压传动的概念和特点
1.1.1液压传动的概念
传动部分的功能是将动力源输出的机械能传递给工作执行机构液压马达，是非常重要的一个环节。
传动部分有机械传动、液压传动、电力传动等形式的传动方式。
其中，液压传动是以几乎不可压缩的液体为工作介质，利用该液体的压力能可实现多种运动形式的传递和力的传递的一种传动方式。
依靠液体的静压力传递动力。
完整的液压传动系统由动力元件（如电动机）、执行元件（如液压马达）、控制调节元件（如换向阀件）、辅助元件（如滤器和管路）、传动介质（如矿物油）。
1.1.2液压传动的特点
液压传动方式是一种灵活的传动方式，主要有以下一些优点
1、液压传动装置的体积小、重量轻、结构紧凑。
其中液压元件之间的连接方式有采用管道连接或采用集成式连接两种方式，其布局和安装有很大的灵活性，可以组成其它传动方式难以组成的复杂传动系统。
如相同功率下，液压传动装置的外形尺寸仅有电气传动装置的12%～13%，质量为电气传动的10%～12%。
因此，液压传动装置非常适合用于船上。
2、液压传动装置可以实现大范围内的无级调速，而且还可以在其工作的进行中进行调速。
具有多种型式的执行元件，可方便的实现直线、旋转和摆动等工况。
能省去中间调速装置直接和工作机构相连接，这样做就使传动机构得到简化。
3、液压传动装置反应速度快，运动惯性小。
液压油的不可压缩性使得液压系统传动动作敏捷、响应迅速、换向频率高和启动时间短，可以满足船舶机械设备工况变化范围的要求。
4、液压传动装置实现过载保护比较容易。
在液压系统中设置适当的卸荷溢流阀，即可防止系统超压过载。
此外，蓄能器还可用作应急源，在液压系统动力元件发生故障时，起安全保护作用。
5、液压元件和液压回路，甚至部分液压传动装置都已实现系列化、标准化和通用化，简化了液压传动装置的设计、制造、使用和维修并减少了维护成本。
并且液压元件便于实现自动化。
6、简化设备的结构，以及减少零件的数目，还便于设计、制造和安装维护等。
7、液压元件运转时可以利用工作介质进行自我润滑，从而能使工作安全可靠，有助于散热并能延长系统的寿命。
液压传动优点很多，但是也有它的缺点：
1、液压传动有较多的能量损失，如泄露损失、摩擦损失等。
因此，传动效率较低。
2、液压传动对油液的清洁度和温度比较敏感，清洁度不够就会导致液压元件的磨损，大大降低其使用寿命。
3、液压传动装置发生故障时不易追查原因，就会延长维修的时间，也可能导致故障不能及时排除。
虽然液压传动有以上缺点，但是液压传动的瑕疵遮盖不了优点，可以说是瑕不掩瑜。
因此其前景非常广阔。
正因为液压传动具有以上优势，所以现代大型船舶绞缆机控制系统多采用液压式传动。
我们就以液压绞缆机为例，进行设计分析。
1.2绞缆机的概念和特点
1.2.1绞缆机的概念
大多数船舶都装备有绞缆机，使船舶停靠码头、系带浮筒、靠离码头和进出船坞。
严格的说，绞缆机是指使绞缆筒动作来实现收放缆索的电动机及其所驱动的液压泵和辅助设备等动力机构，但是现实中，船上习惯把绞缆装置整体统称为绞缆机或绞缆车。
1.2.2船舶对绞缆机的特点
1、船舶对绞缆机系统的一般要求
①在风向垂直于船体中心线时应能保证船舶在受到6级风以下作用时仍能系住船舶。
②其拉力大小应该根据船舶的尺寸，按《海船规范》所推荐的数字选取。
③绞缆速度一般为15～30m/min，最大可达50m/min，达到额定拉力时速度取下限值。
2、绞缆机的作用：
①使船舶停靠码头、系带浮筒、靠离码头和进出船坞。
3绞缆机
1、按动力源可分为电动绞缆机和液压绞缆机两种，其中具有高安全性的电动液压绞缆机已经广泛运用在了油船、液化气体船及化学品船上。
2、按绞缆筒轴线的布置方式进行分类，主要有两种不同形式的绞缆机，分别是卧式绞缆机和立式绞缆。
液压绞缆机体积小，质量轻，有较大的扭矩，可以方便调速，并且主要动力源部分设置在甲板以下，故在大中型船舶上得到广泛应用。
另外绞缆机按控制方式分可分为阀控型和泵控型两种
3.1.1阀控型与泵控型液压绞缆机的工作原理
阀控型绞缆机的液压泵采用单向变量泵，绞缆机工作时液压泵单方向运转供油，由换向阀控制马达的进排油口，从而实现马达的转向变换，实现绞放缆的工况。
通过变速阀和控制系统中液压油的流量来控制马达的转速，进而控制收放缆的速度。
泵控型绞缆机采用双向变量液压泵进行供油，一般采用斜盘式或斜轴式轴向柱塞双向变量泵作为主泵。
工作时主泵按单一方向运转，靠改变泵的斜盘倾角或缸体摆角来控制液压油的吸排方向和排量，液压泵的吸排口改变，马达的进油口也就会随之改变，即马达的旋转方向改变。
这样就实现了收缆和放缆的转换。
由于泵控型回路泄露损失少，经济性好，控制精度高，所以一般绞缆机系统采用泵控型。
3.2液压绞缆机系统组成
3.2.1液压系统的组成
能源装置：
将电动机的机械能输入转换为液压泵的液压能输出的能量转换装置，通常指的是液压泵。
执行元件：
输入的是液压油的压力能后转换成回转式机械能的能量转换装置，通常指的是液压马达。
控制元件：
它是控制液压系统中液压油的流量、压力和流动方向的装置，包括换向阀、溢流阀、自动绞缆转换阀。
这些是保证系统正常工作重要的组成部分
辅助元件：
辅助元件是除以上三项以外的其它元件，包括油箱、滤器、无缝管道、压力表和密封元件等，这些元件使整个液压系统工作的可靠性、稳定性、持久性具有重要的作用。
3.2.2液压马达的工作原理
绞缆机系统的液压马达采用多作用内曲线马达，下图所示为多作用内曲线马达的简图。
图1多作用内曲线马达
1、定子2、转子3、柱塞组4、配流轴
定子1的内壁有六段均匀布置的并且形状完全相同的光滑曲面组成，另外形状相同的光滑曲面是两边对称布置的。
其中向外凹的一边也就是允许柱塞向外伸的一边称为进油工作段，与它对称的另一边称为排油工作段。
在旋转时，柱塞在每转中往复的次数就等于定子曲面数，称为液压马达的作用次数；
在转子的径向有均匀分布的柱塞缸孔，且柱塞孔的数量比定子内壁光滑曲面数量多一个，每个缸孔的底部都有一配流口，并与它的中心配流轴4相配合的配流孔相通。
配流轴4中间有进油和回油的孔道，它的配流孔的位置与导轨曲面的进油工作段和回油工作段的位置相对应，所以在配流轴圆周上有2个均布配流窗口。
柱塞组3，以很小的间隙置于转子2的柱塞缸孔中。
作用在柱塞上的液压力经滚轮传递到定子的曲面上。
来自液压泵的高压油先进入配流轴，经配流轴配流孔再进入处在工作段的各柱塞缸孔中，使相应的柱塞组的滚轮顶在定子曲面上，在接触处，定子曲面会对柱塞组产生一反作用力N，这反力N作用在定子曲面与滚轮接触处的公法面上，此法向反力N可分解为径向力和圆周力，径向力与柱塞底面的液压力以及柱塞组的离心力等相平衡，而所产生的驱动力矩则克服负载力矩使转子2旋转。
因此马达实现带动绞缆筒进行旋转的工况，达到收缆和放缆的目的。
3.2.3绞缆机工作原理
自动张力绞缆机全称为自动张力调整绞车。
目前，几乎所有大型船舶已装置了自动绞缆机。
自动绞缆机的动力源有电驱动方式的，也有液压驱动的。
其基本原理是在绞缆筒上施加一个可调的动力矩，以便与系船缆绳上的张力所引起的拉力矩保持平衡。
当船舶因吃水变化或潮汐、风力影响，导致系船缆绳张力有所增减，从而偏离规定值时，自动绞缆机能够相应地自动收放缆绳，使其张力稳定到规定值。
这样可以防止缆绳拉断，保证系泊安全，并减少值班人员的操作和劳动强度。
下图是液压自动张力绞缆机的工作原理简图。
图2绞缆机系统简图
1、液压油油箱2、液压泵3、电动机4、自动控制压力调节阀组5、液压马达6、绞缆筒
当缆绳松弛、张力减小时，自动控制压力调节阀组4动作使阀关闭，液压泵2排出高压油进入液压马达5，驱动转轴和卷筒顺时针方向旋转，将松弛的缆绳绞紧。
当张力达到原规定值时，4又自动开启，压力油大部分经压力调节阀流向油箱1，少量油液进入马达补充漏泄的液压油，使绞缆筒停止转动。
当系船缆张力大于液压马达内液压制动力矩时，系船缆会拉动马达反转将缆绳松出。
4液压系统图的初步确定和原理说明
4.1根据已知条件拟定液压系统
系统设计拉力T=40KN,调速范围15m╱min～30m╱min。
压力P=20MPa绞缆筒直径D=0.5m
根据以上条件，设计液压系统图如图：
图3绞缆机液压系统图（详细图见附录）
4.2绞缆机液压系统的工作原理
本系统是阀控开式液压系统。
油箱20通液压泵进口，通常截止阀19常开，可供补油或容纳油温升高时膨胀的油液。
并兼有散热的作用。
这种绞缆机的工作原理说明如下：
1、放缆
扳动换向操作阀4的操作杆，阀的阀芯油通路如附图中右位所示，那么主辅泵1、2共同工作，排油经Y出油口向油路B输油，当油压达到平衡阀7的开启压力时开启，A油路的回油通过阀7和5-2单向阀，由X油口回液压油箱20。
此时，油路C出油经单向阀5-5和平衡阀7回到D进行空循环，仅有油路B的进油产生扭矩，这是高速低压工作状态。
2、收缆
向收缆方向扳动操作阀4的操作杆，使阀芯移至油通路如系统图中左位所示，则泵1、2的排油口改通X出油口；
当出油压力超过马达负荷形成的油压时，会顶开单向阀5-1向油路A供油，回油就会经油路B经换向阀4的Y油口返回油箱20。
此时如果负荷不太大，则工作油压不太高，高压变速阀6位于图示关闭位置，液压马达的另一组工作油腔由油路D排油，经单向阀5-4回C，此油路中的油空循环，不会产生扭矩。
这时马达仅一路有效供油，排量为马达全排量qM的1/2，是高速收缆工况。
若马达负荷较大，工作油压达到高压变速阀6的调定值时，高压变速阀6移至开启位，供油通油路A的同时，又经阀6与油路C相通，其回油从油路D经缓冲阀9至阀4的油口Y回泵。
此时马达两路都有供油，排量qM，是低速收缆工况。
3、缆绳的自动张紧
系泊后，如果要转到缆绳自动张紧工况，可将阀4的操作纵杆在收缆的位置，而将绞缆工况，转换阀13的手柄由手动绞缆位置扳到自动张紧位置（油路通断情况由图中左位改为右位所示）。
这时液压泵供油经阀13通向油路R0，作用于卸荷控制阀16，使先导式溢流阀的主阀15全开，主泵卸荷，其排油压力不超过20MPa。
辅泵2的供油除由油路X通马达油口A外，同时经阀13通向油路Z，则无需开启变速阀即可经单向阀5-3、5-5向马达油口C供油，如果缆绳松弛即（低速收缆（约15m/min,最大张力约40kN）。
液压马达的安全阀11原先由先导阀10调节，这时则经阀13改由压力调节阀12调节；
当缆绳张力太大时，通A的油压升高至超过阀12的调定压力，则阀11开启使马达油口A、C与B、D相通，马达即在缆绳张力就增大。
缆绳自动张紧工况时，虽然仅有功率小得多的辅泵在有载工作，油箱不仅起到储存液压油的作用还起到散热的作用以保持最高油温不高于60℃;
万一油温超过70℃，应立即停用此装置，查明原因并予以消除。
若阀13的手柄转回手动位，则X通Z的油路被隔断，马达收缆的排量仍根据负荷大小自动转换；
卸荷控制阀16的控制油经油路R0被引至低压油路E1，于是阀16关闭，溢流阀的主阀15也关闭，主泵加载工作；
马达安全阀11仍由阀10调定。
5主要液压元件的参数计算与选择
5.1主要设备参数的计算与选择
主要根据绞缆筒的输出扭矩转速来得出液压马达的工作参数，再根据系统压力和马达功率来计算出液压泵的额定流量等参数。
根据以上得出的参数和拟定的设备工作形式来选定液压马达和液压泵的型号和厂家。
5.1.1绞缆筒参数的选择
1、绞缆筒
（1）绞缆筒额定工况时需要克服的扭矩：
（5.1）
=40×
0.25
=10kN•m
其中：
M筒-----扭矩，kN•m；
F----------系泊所需拉，kN；
D----------绞缆筒的直径，m；
（2）绞缆机在工作时的转速：
（5.2）
由此可以算出转速范围是n=9.55～19.12r/min
所以功率为：
（5.3）
得：
P筒=10～20KW
5.1.2主辅泵的选择
（1）由于马达与绞缆筒直接连接的所以绞缆筒功率和绞缆筒转矩均与液压马达的输出功率和输出转矩相等,选用最大功率来确定马达功率：
P泵=kP筒（5.4）
式中：
k-----------储备系数，k取1.2；
P筒---------绞缆筒的额定功率，KW；
P泵---------液压泵的输出压力,MPa；
得出P泵=24kW
（2）额定输出压力PN=20MPa：
液压泵的工作压力就是指泵的输出压力，在不考虑压力损失的情况下液压马达的额定工作压力等于液压泵输出压力的大小。
液压泵的额定压力是指泵在使用中所允许达到的最大工作压力。
液压泵的额定流量QN：
是指在不考虑泄漏的情况下，泵在单位时间所输出液压油的体积。
即
P泵=PNQ1（5.5）
P泵------------主泵的额定功率,kW；
Q1-------------主泵的流量，L／min；
PN-------------泵的输出压力，PN=20MPa；
由上式可以求出液压泵的流量Q1=72L／min
根据Q排和P泵预选泵的型号与参数如下表：
泵的类别型号排量ml/r额定压力MPa最高压力最高转速r/min生产厂家
径向变量柱塞泵JBSP-G80QF8025352100东莞金科
表1主泵参数表
2、辅泵选择：
在自动绞缆的时候使用辅泵，还起到补油的作用，闭路油路低压侧补油是保证系统良好冷却作用的关键，其补油量一般为主泵供油量的三分之一左右。
辅泵的流量为Q2，则
（5.6）
=1/3×
72
=24L／min
式中，Q1----------主泵额定工作流量。
根据Q辅和P辅辅泵的型号与参数如下表；
表2辅泵的型号与参数
类别型号排量ml/r额定压力MPa最高压力额定转速r/min生产厂家
径向变量柱塞泵JBSP-G32QF3225352500东莞金科
5.1.2电动机
液压泵由电机驱动，它的输入量是转矩和转速，输出量是泵的流量和压力。
本系统选用双出轴型电机驱动，驱动功率：
（5.7）
P---------电机功率，kW；
P泵--------液压系统的工作压力，MPa；
P泵--------主液压泵的最大流量，L/min；
P辅--------辅液压泵的工作压力，MPa；
得出P=18kW
根据泵的额定转速N=1450r/min和计算得出的驱动功率P选择电动机的规格。
如下表：
表3电动机的参数
型号功率KW电流A转速r/min效率%功率因数cosφ厂家
Y180M-418.535.91470910.86路桥方亿
5.1.4马达的参数计算与选择
马达的转速的确定：
已知系统所需的速度调节范围为15～30m/min,根据公式（5.2）得绞缆筒转速为n=9.55～19.12r/min
根据马达转速和马达输出转矩和压力可以选型如下表：
表4马达参数
型号排量l/r额定压力MPa最高压力转速范围r/min转矩n•m生产厂家
2QJM62-5.05.182031.51-16015333宁波泰勒姆斯
5.1.5液压阀件
液压阀件是控制或调解液压系统中流量、压力和方向的。
液压阀件性能的优劣，工作是否可靠对整个液压系统能否正常安全工作将产生直接的影响。
1、液压阀件的介绍
在液压回路中，用到的液压阀有单向阀、手动换向阀、溢流阀、节流阀等。
下面对各类液压阀件作简单介绍。
（1）普通单向阀（简称单向阀）亦称止回阀，其作用是油流只能从一个方向通
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