渣罐倾翻车液压系统设计Word格式文档下载.docx
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但目前为止，我国整体对倾翻车采用液压系统还没有统一，还有待发展，因为，目前生产出来的渣罐倾翻车的价格普遍较高，一套完整的液压倾翻式设备，价值在上百至上千万不等。
要在国内降低液压倾翻式渣罐倾翻车的生产成本，在设计方面来讲，主要还存在以下两个难点：
1.设计出的液压系统应用于恶劣工作环境（户外，工作环境多灰尘，多碱性蒸汽等）。
2.设计出的液压系统应按照流量和压力等多方要求选取适当阀块。
1.3倾翻车液压系统的设计要求
1、渣罐的倾翻：
渣罐与铁水的最大重量60吨，渣罐翻转时间约18.3秒，角速度0.1rad/s。
2、动作过程：
倾翻机构在0°
启动--匀速旋转到110°
停止（正转）--匀速旋转到30°
暂停（反转）--再次启动匀速旋转到0°
停止（反转）。
3、此套液压系统应用于户外，工作环境多灰尘，多碱性蒸汽；
液压系统应加以考虑事意外故解除的应急处理；
以上所有工序集中在一台液渣罐倾翻车的统中。
此系统采用一套车载液压站，由于倾翻系统有相对移动，需设一段液压油管随电缆拖链与车体一起移动供油。
1.4课题研究的意义及主要工作
如上文所述，倾翻车在钢铁等工业的大型设备里的应用，越来越被企业所重视。
渣罐倾翻车因为其的结构紧凑、损失功耗低、易于工作人员操作和工作危险系数低的优点，备受国内外各大钢铁生产厂家的青睐。
研究渣罐倾翻车液压系统的不同方案原理和不同规格液压系统液压元器件的设计是目前迫切需要解决的。
目前对于不同载荷的渣罐倾翻车液压系统设计，采取提出方案，再按照不同载荷液压元器件的流量、压力等参数来计算。
国内大多数生产商，在对渣罐倾翻车设计和计算负载分析时都有所保守，设计过程中，根据需要的最大载荷，从而推算出液压缸的推力，再分析倾翻车的液压系统在不同工作进程，得出液压缸的工作行程，为整个液压系统的原理和设计，再到倾翻车实际生产，提供了完整的理论依据。
本文主要是设计渣罐倾翻车的液压系统方案，并计算出系统内的功率、压力、流量等数值：
首先对渣罐倾翻车的液压系统做出不同方案，为液压系统设计提供理论依据，主要做出液压原理图和选择合适的液压元件，分析优缺点，找到合适方案；
再按照倾翻车的受力和不同工作进程的负载进行液压系统的分析，推算出油缸活塞所能承受的最大推力，选取合适压力流量的液压阀，设计出合理油路，并安装到整个渣罐倾翻车液压系统中。
第2章倾翻车的液压系统设计方案
2.1倾翻车液压系统的总体设计方案
依据上文所述倾翻车系统的设计要求，可以大概确定倾翻车的液压系统总体的设计方案。
2.1.1设计方案1
1液压缸2泵3油箱4电动机5溢流阀
6压力表7单向阀8电液换向阀9节流阀
图2-1设计方案1的液压原理图
设计方案1如图2-1所示，采用一个液压缸驱动，通过活塞杆的伸缩来驱动罐座的倾翻。
系统采用定量泵2供油，当电磁铁1DT得电，电磁换向阀9换向，压力油进入进油路节流阀，节流阀控制流量，液压油通过软管进入液压缸1的无杆腔，活塞杆伸出，驱动渣罐的倾翻；
当渣罐倾翻到位时，1DT失电，渣罐倾翻停止；
当2DT得电，电磁阀9换向，压力油进入液压缸1的有杆腔，缸的活塞杆回缩，渣罐下降。
本方案结构简单，将液压缸直接安装在倾翻车的渣罐底部，进行维护工作困难。
在出现系统断电的情况下，倾翻缸无法复位，危险系数增大。
2.1.2设计方案2
1、2液压缸3罐座
图2-2设计方案2的机构布置空间
设计方案2的设备结构如图2-2所示，图2-3为本方案的液压原理，采用两个液压缸驱动，分别联接在渣罐座中心线两侧，通过液压缸活塞杆同时升降，驱动渣罐座的倾翻。
系统采用变量泵4供油，当搬动换向阀，手动换向阀换向，压力油进入单向节流阀7，通过单向节流阀7节流调速后，打开液控单向阀，经单向平衡阀9流入液压缸10的无杆腔，通过活塞杆的伸长，驱动渣罐倾翻；
当渣罐倾翻完毕，换向阀6换向，液压缸10的有杆腔进压力油，无杆腔回油，渣罐回到初始位置。
单向平衡阀9确保渣罐匀速下降。
安全阀组7的设计是为了方便更换蓄能器8。
电磁换向阀1和截止阀11构成应急回路，可以在意外停电过程中，使渣罐回到安全位置。
1电磁换向阀2油箱3电动机4变量泵5单向阀6手动换向阀
7单向节流阀8安全阀9单向平衡阀10液压缸11截止阀
图2-3设计方案2液压原理图
2.1.3可行性论证
方案一结构简单，采用定量泵，但在整个液压系统的设计中，将液压缸直接安装在罐底，增大了维护难度，并且在出现紧急断电的情况下，倾翻缸无法及时复位，危险系数增大。
方案二采用了两个液压缸，通过推动罐座底部转动来倾翻罐座；
变量泵较定量泵相比，能改变输出功率大小，起到节能的作用；
单向平衡阀可以使渣罐匀速下降。
应急回路可以在意外停电过程中，使渣罐回到安全位置。
综上所述，考虑到在户外，工作环境多灰尘，多碱性蒸汽的工作环境下，液压系统的整体设计，考虑液压缸、集成块的选取，并将以上所有动作集成在一台液压系统中，方案二比较合适。
第3章负载分析
3.1系统受力分析
倾翻车将渣罐倾翻一定的角度过程中，油缸所受的力分为两部分：
1.渣罐在活塞杆上的负载。
2.活塞环与液压缸内壁、活塞杆之间摩擦阻力。
其机构如图3-1所示。
1倾翻车2液压缸3罐座
图3-1机构受理简图
依据上文所述倾翻车系统的设计要求，渣罐与铁水的最大重量60吨，通过计算，可以得出整个系统的工作载荷和惯性负载。
单缸分担整个系统重量的一半，为方便计算设m=30×
103kg。
工作载荷：
渣罐重力法线方向与液压缸推力方向相同，重力方向与液压缸推力方向相同时工作负载为负，作用力相反，工作负载为正。
（3-1）
惯性负载：
由于加速度产生的惯性力。
依据《机械设计手册》[5]，在本设计中，对倾翻车等大型液压设备取∆t=0.5s；
由公式V=ω∙R，由设计书要求ω=0.1rad/s，取R=0.4，则v=0.04m/s。
（3-2）
式中Δv—速度的变化量（m/s）；
Δt—初始工作启动和停止工作的时间（s）。
在渣罐倾翻车回落进程中，渣罐自身重力使液压缸活塞杆下落，液压油在回落进程中倾翻作用很小。
所以，用单向平衡阀来使液压缸回落时安全平稳回落。
因此，设定单向平衡阀在回落过程中，压力为11MPa。
依据《机械设计手册》【5】，这里估算无杆腔面积A1=40212.39mm2，因此当液压缸处于回落过程中，作用于液压缸的作用力为：
（3-3）
式中P—单向平衡阀初步设定压力（Pa）；
A1—液压缸无杆腔面积（m2）。
在液压缸推动渣罐上升进程中，液压缸作用于渣罐的推力达到峰值，计算得到渣罐上升进程作用于罐底两侧的最大推力，就能够计算出液压缸外径与内径的尺寸，就可以计算出液压缸的面积。
活塞与液压缸内壁间的摩擦力Fm与液压缸缸体的材质、活塞套与液压缸内壁的密封方式不一，很难精确计算出摩擦力Fm，依据《机械设计手册》[5]，在本设计中，设液压缸的工作效率ηm为0.90。
（3-4）
表3-1液压缸在各工作进程的受力分析（单位：
KN）
工作进程
受力分析
受力值F
推力F/ηm
上升
起动加速
329
366
工进
327
363
减速制动
325
361
下降
178.8
199
181.2
201
183.6
204
3.2绘制负载图和速度图
依据受力分析表3-1，可以绘制出液压系统在工作中的负载图。
依据《机械设计手册》[5]，在本设计中由公式V=ω∙R，设ω=0.1rad/s，R=0.4，v=0.04m/s渣罐上升和回落过程速度同等，得到系统的负载图和速度图。
图3-2负载图
图3-3速度图
3.3制定基本方案
3.3.1制定调速方案
由于倾翻车的工作环境，在倾翻装有铁水的罐座的时候，负载较大，须采用大流量的液压系统，要保证和除渣系统的良好对接，精确控制倾翻架的角度，运作缓慢，故采节流调速，回油节流。
3.3.2换向方式确定
渣罐在倾翻过程中，为达到液压油由液压泵供能，并顺利进入液压缸完成倾翻工作，在液压系统中采用二通插装阀。
二通插装阀中位机能选择，能够直接决定并提高整个液压系统的工作效率，若想使渣罐倾翻车在工作时能够方便达到任务要求的倾翻角度，并能够使液压系统卸除载荷，再设计渣罐倾翻车液压系统时，中位机能选用“O”型。
二通插装阀可以在液压系统中通过大流量液压油，减少压力油功能损失，因此适和安装在流量要求较大的重型液压机械系统中；
在二通插装阀中，其主阀芯的行程很短，工作指令迅速，反应能力强，对系统中其他零部件的冲击力度小；
液压油的附着能力低，不会阻塞液压阀控；
并且二通插装阀设计简便，更换便捷。
二通插装阀的优点在其投入生产的一刻就备受各个重型加工行业的青睐，所以本设计中，采用二通插装阀作为液压系统的方向控制阀。
3.3.3安全连锁措施
在渣罐的上升进程中，倾翻角度达到要求的110度后，二通插装阀在此时达到工作要求的中位机能的位置，整个液压系统开始卸除载荷。
在这个过程中，液压缸的负载值达到很大，若想让渣罐达到水平位置，平稳下落，我们在液压系统中，在单个液压缸的进油和回油两条油路安装液控单向阀，在二通插装阀和安全阀中间形成液压锁，液压缸活塞杆在工作中伸长和回缩，进油路的液压油打开液压系统中回油路的单向阀，压力油通过回油路进入油箱；
渣罐倾翻车达到110度倾翻角度后，二通插装阀在此时达到工作要求的中位机能的位置，整个液压系统开始卸除载荷。
此时单个液压缸的液压锁闭合，活塞杆达到最大行程后停止，保证渣罐安全平稳的停止，除渣机进行除渣工作。
钢铁厂的生产要求是安全第一，但在此渣罐倾翻车的液压系统里，不能单单靠液压锁来保证渣罐停止在任意位置，在渣罐倾翻完毕以后，回落进程中渣罐主要依靠重力的作用回复到初始位置，所以需要在回油路增加液控单向阀。
在液压系统中，液压锁能保证液压油无泄漏，保证渣罐可以再任意位置停下。
二通插装阀在液压系统中也可以保护液压锁。
为了以防液压系统在工作过程中，因突发事故导致液压泵供能不足，液压缸达不到足够大的推力将渣罐倾翻至指定位置角度，需要在泵站系统中加入蓄能器。
当变量泵在上升工作进程中供能不足，蓄能器就可以及时补充能量，保证渣罐倾翻至指定角度。
1电磁换向阀2二通插装阀3测压头4液压锁
5安全阀6单向平衡阀7液压缸8液控单向阀9节流阀10单向阀
图3-4液压系统原理图
3.3.4液压源的选择
在本套液压系统设计中变量泵的选用尤为关键，变量泵就定量泵来讲，功率在不同工作情况下的变化是尤为关键的，可以起到节能的作用；
同时，采用变量泵，在渣罐回落的过程中，降低功率输出，大幅提升渣罐倾翻车液压系统的生产效率。
在本设计中，若想使液压系统的供能达到要求，有必要将变量泵数量设为两个。
双泵双用。
1压力表2二通插装阀3变量泵
4空气过滤器5电动机6油箱7回油滤油器8蓄能器
图3-5液压源的原理图
第4章液压系统元件的选取
4.1初选系统工作压力
液压系统中的负载压力，要根据系统内不同工作情况下的受力和设备类型而定。
还要考虑液压阀、阀块的尺寸大小、经济条件及维修更换频率等情况的制约。
根据《机械设计手册》【5】可知，在本设计中，初步设定系统在上升过程中取压力P为17MPa。
4.2计算液压缸的主要结构尺寸
倾翻车在倾翻时，也就是液压缸产生推力和回落的过程，为了避免液压缸回落和上升时完成工序的时间比相差较大，液压缸在回落的过程中作分隔式连接；
考虑到铁水罐负载在倾翻架上，加大了质量，防止惯性带来的影响故分别在上升和下降的回油路上设计调速阀和背压阀。
而回落时的系统负载可依据《机械设计手册》[5]，按1.2MPa估算。
由于上升工作进程中，液压系统负载较高，回路中的系统压强差可暂不考虑。
各液压控制系统的支撑力见表4-2。
表4-2执行元件的支撑力
油路中的控制方式
液压元件压力系数/MPa
轻型工业中液压系统
0.1～0.4
在关闭过程中调节速度的系统
1.3～0.5
关闭过程中承受负负载的系统
0.4～1.4
有补油泵的闭式回路
0.8～1.5
关闭过程油路布置过于密集的回路
1.1～2.9
通过大通径阀块回油无阻塞的油路
暂不考虑
4.2.1确定液压缸尺寸
液压缸无杆腔面积，依据《机械设计手册》[5]，可以由以下公式得出。
（4-1）
由表3-1可得，在上升工作进程中所承受的最大负载压力为366N，在本次计算中可以忽略支撑力P2，在设计中可以选择较大活塞杆径的油缸增大系统压力。
通过公式可以计算出液压缸在系统中作用压力面积：
液压缸内径为：
（4-2）
决定液压缸型号的重要条件是缸径与杆径的比值，缸径大小相同但杆径不同的液压缸，在液压系统中上升过程产生的推力大小也不同。
参照GB/2486-300，通过计算得出的数值可以成为帮助选用液压缸的参考，依据《力士乐液压缸参数》样本，可得出：
D=180mmd=160mm
选取液压缸型号为：
YHG1-E180/160×
1500LJ-HL10
4.2.2活塞缸工作面积的确定
无杆腔有效面积：
活塞杆面积：
有杆腔有效面积：
4.3确定液压缸所需流量
（4-3）
通过计算可以知道液压缸在不同工作进程的液压系统参数值，结果如表4-3所示。
表4-3不同工作进程下YHG1型油缸的参数值
最大负载F/KN
油路最小压力
P2/MPa
油路最大压力P1/MPa
系统流量q/L∙min-1
系统功率P/KW
启动加速
1.2
17
80
37
11
25
7.5
20
18.5
4.4液压元件的选择
4.4.1液压泵的选择
①液压泵工作压力的确定
PP≥P1+∑∆P（4-4）
式中：
P1—在液压系统中，液压阀所承受的最大压力负载，即为上升工作进程中系统中的最大压力P1，P1=17MPa。
∑∆P—油泵工作时液压系统供能损失。
∑∆P的准确计算要待液压阀选定并绘制出详细系统原理时才能够进行，初算时可依据《机械设计手册》[5]选取：
管路简单、流速不大的取∑∆P=（0.2～0.5）MPa；
系统设计精确，降低系统速率的部分∑∆P取1.5MPa。
在倾翻车液压系统中，系统设计精确，液压元件数目多，所以在此选取∑∆P=1.5
可以得出：
PP≥17+1.5=18.5MPa
②液压泵工作压力的确定
本设计中计划采用两个油缸供能，通过公式求出液压泵最大供能。
qVP≥K（∑qVmax）（4-5）
K—系统泄漏系数，一般取K=1.1～1.3；
本设计在计算过程中K取1.2。
∑qVmax—两台工作油缸在倾翻过程中达到的最大通量。
液压系统通过减少流量来调整速度，所以必须计算溢流阀对管路中的能量损失，依据《机械设计手册》[5]，本设计中∑qVmax取0.5×
10-4m/s。
因为两台工作油缸在上升阶段，液压泵达到80L/min的排量输出，溢流阀的最小流量取0.5×
10-4m3/s，系统泄漏系数K取1.2，所以可得出：
③选择液压泵的规格
根据以上求得的PP和qVP值，按形式照系统中拟定的计算，依据《机械设计手册》[5]，在本设计中选择相应的。
为了补偿压泵供能不足，降低系统工作的危险系数，减少泵的维修成本。
一般在渣罐倾翻车中，系统在工作中损失压力，一般为液压泵输出压力的20%-30%。
倾翻车在推动罐座上升的过程中，系统达到压力峰值，可以通过设定液压系统在最大工作进程中的压力的75%，为变量泵额定工作压力，变量泵额定压力即可求出。
Q泵与工作进程有关，需满足Q泵>
Qmax。
此外，长期使变量泵处于高负载压力的作用下，容易增加变量泵的维修成本，过多支出预算。
根据《液压传动》[3]，在本设计中，泵的选型可定为斜轴式轴向柱塞泵，通过《华兴液压泵》样本，选择由广州华液压泵分公司生产的型号为A7V335变量泵，该泵流量为
，额定压力37MPa，额定压力为40MPa；
额定转速为1650r/min。
4.4.2电机的选择
倾翻车工作重复，液压系统参数时刻改变，相应的功率也在改变，为了使其正常运作，考虑大功率电动机。
从不同工作进程的受力分析可以得出，倾翻车的液压缸在推动渣罐达到指定角度的过程中负载达到最大。
由此确定电机的各项参数，并选择合适电动机。
由前面的计算已知，Pp=24.67MPa，qvp=199.2L/min，根据公式：
（4-6）
—液压泵的最大工作压力（Pa）；
—液压泵的流量（
）；
—液压泵的系统功率，依据《机械设计手册》[5]，在本设计中，选择系统功率为0.8。
表4-4液压泵的总效率
泵的选取
叶片泵
直轴柱塞泵
斜轴柱塞泵
径向柱塞泵
系统功率
0.6～0.7
0.65～0.80
0.60～0.75
0.80～0.85
根据公式4-6计算，可以计算出液压泵在整个系统中提供的最大功率。
根据此计算数据，依据查阅《实业电机有限公司》产品样本，在本设计中选取Q7-270-23交流电机，其额定功率为Pn=75KW，常规工作时转速可达到1500r/min，符合设计要求。
4.4.3液压阀的选择
二通插装阀在液压系统中安装便捷，电路控制原理简单，维修成本低、在工作中出现意外事故系数低，大流量，可靠性高，无泄漏。
正因为其拥有许多独特的优点，所以广泛地应用在冶金、锻压、铸造、塑料机械等各个领域。
由上文得出，泵为整个系统中提供的额定输出流量为199.2L/min，系统中最大压力为17MPa，取行程L=1.5m，系统倾翻过程t=18.3s，由计算可以得出：
式中q—每分钟内，系统通过的液压油。
qvmax—液压泵的输出流量。
t—系统倾翻时间。
由《重液二通插装阀样本》[6]，在本设计中，二通插装阀选择型号为TJK025-4/3WOABL2/C-40-0。
该插装阀作为换向阀使用，其额定通量可以达到250L/Min，最大压力为25MPa，采用“O”型中位控制机能，由重庆液压件厂生产。
依据上述计算和《机械设计手册》[5]，在本设计中已可以确定全部液压阀的选取，根据整个液压系统中的额定压力值，通过液压阀的实际，选择标准型号的阀件。
液压系统元件如表4-8所示。
表4-4系统中液压阀的选用
序号
名称
通过流量/L∙min-1
额定流量/L∙min-1
额
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