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液压绞车设计

摘要

本次毕业设计是通过分析液压绞车的工作原理、特点及环境，结合实践，并在进行仔细考查后，对液压绞车的整体结构进行了设计，对各组成的元件进行了选型、计算和校核。

液压绞车由进口液压马达、平衡阀、常闭多片式制动器、离合器、卷筒、支承轴和机架等部件组成，可根据需要要求，设计阀组直接集成于马达配油器上，如带平衡阀、高压梭阀、调速换向阀或其它性能的阀组。

液压绞车结构上具有紧凑、体积小、重量轻、外型美观等特点，而在性能上则具有安全性好、效率高、启动扭矩大、低速稳定性好、噪音低、操作可靠等优良特点，在提升和下放工作中运转相当平稳，带离合器的绞车可实现自由下放工况，广泛适用于铁道机车和汽车起重机、船舶、油田钻采、地质勘探、煤矿、港口等各种起重设备中。

关键词：

液压绞车；计算；校核；阀组

Abstract

Thegraduationprojectiscarriedoutbytheprincipleofahydraulicwinchworkenvironmentandthecharacteristicsoftheanalysis,combinedwithpracticalandconductingcarefulobservationoftheoverallstructureofthehydraulicwinchhasbeendesignedfortheconstituentelementswereselection,calculationandcheck.Hydraulicwinchfromimportedhydraulicmotor,balancevalve,normallyclosedmulti-discbrakes,clutch,reel,supportingshaftandrackandothercomponents,accordingtotheneedsofrequirements,designvalvewithintegrateddirectlyonthemotoroil,suchaswithbalancingvalve,highpressureshuttlevalve,governorvalvemanifoldorotherproperties.Withacompact,smallsize,lightweight,goodlooksandsoonhydraulicwinchstructure,butintermsofperformanceithasagoodsafety,highefficiency,highstartingtorque,low-speedstability,lownoise,reliableoperation,andotherfinefeatures,theliftingandloweringoftheworkisquitesmoothoperation,winchwithclutchfreefallconditionscanbeachieved,iswidelyusedinrailwaylocomotiveandtruckcranes,ships,oildrilling,geologicalexploration,coalmines,portsandotherliftingdevices.

窗体顶端

Keywords:

Hydraulicwinch;computing;check;Manifolds;

窗体底端

1.绪论

1.1.液压传动系统概论

1.1.1.传动类型及液压传动的定义

一部完备的机器都是由原动机、传动装置和工作机组成。

绞车，用卷筒缠绕钢丝绳或链条提升或牵引重物的轻小型起重设备，又称卷扬机。

绞车是可单独使用，也可作起重、筑路和矿井提升等机械中的组成部件，因操作简单、绕绳量大、移置方便而广泛应用。

主要运用于建筑、水利工程、林业、矿山、码头等的物料升降或平拖。

卷扬机的卷扬机构一般由驱动装置、钢丝绳卷绕系统、取物装置和安全保护装置等组成。

驱动装置包括电动机、联轴器、制动器、减速器、卷筒等部件。

钢丝绳卷绕系统包括钢丝绳、卷筒、定滑轮和动滑轮。

取物装置有吊钩、吊环、抓斗、电磁吸盘、吊具挂梁等多种形式。

安全保护装置有超负载限制器、起升高度限位器、下降深度限位器、超速保护开关等，根据实际需要配用。

1.1.2.液压系统的组成部分

液压传动与控制的机械设备或装置中，其液压系统大部分使用具有连续流动性的液压油等工作介质，通过液压泵将驱动泵的原动机的机械能转换成液体的压力能，经过流量、压力、方向等各种控制阀，送至执行机器（液压缸、液压马达或摆动液压马达）中，转换为机械能去驱动负载。

1.1.3.液压系统的类型

液压系统可以按多种方式进行分类，见表1-1

表1-1液压系统的分类

1.1.4.液压技术的特点

液压传动与其它传动控制方式相比较，液压技术的特点如下。

（1）优点

1）单位功率的重量轻。

2）布局灵活方便。

3）调速范围大。

4）工作平稳、快速性好。

5）易于操纵控制并实现过载保护。

6）易于自动化和机电一体化。

7）易于操纵控制并实现过载保护。

8）液压系统设计、制造和使用维护方便。

（2）缺点

1）不能保证定比传动。

2）传动效率低。

3）工作稳定性易受温度影响。

4）造价较高。

5）故障诊断困难。

2.卷扬机构的方案设计

卷扬机方案设计的主要依据：

机构的驱动方式；安装位置的限制条件和机型种类与参数匹配等。

2.1.常见卷扬机构结构方案及分析

2.1.1.非液压式卷扬机构方案比较

根据卷扬机构原动机和卷筒组安装相对位置不同，卷扬机构结构布置方案的基本型有并轴式和同轴式两种。

而这两种基本型中又有单卷筒和双卷筒之分。

下面介绍几种常见的卷扬机构结构方案。

图2-1并轴布置单卷筒卷扬机构

图2-1所示为并轴式单卷筒卷扬机构，他们的卷筒轴与原动机轴线并列平行布置，结构简单、紧凑。

为了提高取物装置在空载或轻载时的下降速度，有的卷扬机构设置了重力下降装置（图2-1b）。

在卷筒上装有带式制动器和内涨式摩擦离合器。

图2-1（a）、（b）所示方案，它们是把卷筒安装在减速器输出轴的延长部分上，从力学观点看，属于三支点的超静定轴，减小了轴承受的弯矩。

但是，这种结构对安装精度要求很高，而且使的卷筒组和减速器的装配很不方便，减速器也不能独立进行装配和试运转，更换轴承也较困难。

图2-2并轴布置双卷筒卷扬机构

双卷筒集中驱动，可减少一套液压马达及传动装置。

2.1.2.液压卷扬机构的分类

近年来普遍采用了行星齿轮传动的多速卷扬机构，利用控制多泵合流和液压马达的串并联或采用变量液压马达实现卷扬机构的多种工作速度，从而实现轻载高速、重载低速，提高工作效率，以满足各种使用要求。

由于选用的液压马达的形式不同，液压传动的起升机构可分为下列几种形式：

高速液压马达传动和低速大扭矩马达传动。

高速液压马达传动需要通过减速器带动起升卷筒。

虽然低速马达本身体积和重量较大，但不用减速器，使整个液压起升机构重量减轻，体积减小。

并使传动简单、零件少，起动性能和制动性能好，对液压油的污染敏感性小。

壳转的内曲线径向柱塞式低速大扭矩马达，可以装在卷筒内部，由马达壳体直接带动卷筒转动，结构简单紧凑，便于布置。

图2-3液压卷扬机构布置方案

（一）

2.1.3.液压式行星齿轮传动卷扬机构布置方案

液压多速卷扬机构有多种布置方案，如：

1、液压马达、制动器和行星减速器分别布置在卷筒的两侧，即对称布置（图2-3）。

2、液压马达和制动器分别布置在卷筒的两侧，行星减速器装在卷筒内部（图2-4）。

图2-4液压卷扬机构布置方案

（二）图2-5液压卷扬机构布置方案（三）

3、液压马达、制动器布置在卷筒同一侧，行星减速器装在卷筒内（图2-5）

4、液压马达、制动器和行星减速器均装入卷筒内部（图2-6）。

图2-6液压卷扬机构布置方案（四）

方案二和方案三属于同一类型，因为行星减速器装在卷筒内，所以体积小，结构较紧凑，但会使卷筒内的空间位置受到限制，提高了安装精度，零件加工工艺复杂，轴承的选择较困难，维修不方便。

它们的不同处是制动器的安装位置，方案二显得对称性好。

方案四显然比方案二和方案三的外形尺寸更小，结构更加紧凑。

但是它除了有二、三方案中的问题外，还存在制动器和液压马达的散热性极差，检修调试也很不方便。

图2-7液压卷扬机构布置方案（五）

2、三、四方案均属同轴式布置，液压马达和卷筒轴需要在同一中心线上，总成组装时要保证规定的同心度。

5．液压马达、制动器和行星减速器都布置在卷筒的同一侧（图2-7）。

这种布置形式，机构的轴向尺寸较大，不便于维修，同时也会给总体布置带来一定困难。

但它易于加工和装配，总成分组性较好。

2.2.本设计所采用的方案

本设计由于给出的马达的排量为520ml/r，工作压力为，因此选用低速大扭矩马达，采用低速方案，不选用减速器。

传动方案根据比较选用如（图2-8）所示，多片盘式制动器安装在马达上，联轴器内置于卷筒内。

此方案整体体积小，结构较紧凑。

图2-8本设计所采用的方案

2.3.卷扬机构方案设计注意事宜

卷扬机构的方案的设计除认真考虑以上问题外，还要酌情处理好以下事宜。

1、分配机构总传动比时，级差不宜过大，一般可采取从原动机至卷筒逐级降低传动比的分配方法。

2、卷筒直径尽量选取最小许用值，因为随着卷筒直径的增加，扭矩和传动比也随之增大，引起整个机构的尺寸膨胀。

但在起升高度大的情况下，为了不使卷筒长度过大，有时采用加大直径的办法来增加卷筒的容绳量。

3、对于具有多种替换工作装置的机械，卷筒的构造应能提供快速换装的措施，如制成剖分组合式卷筒等。

4、滑轮组的倍率对机构的影响较大。

因此，滑轮组的倍率不宜取得过大。

一般当起升载荷PQ≤50kN时，滑轮组的倍率宜取2，PQ≤250kN时，倍率取3~6，载荷量更大时，倍率可取8以上。

5、卷扬机构的制动器是确保工作安全可靠的关键部件。

支持制动器一般应装在扭矩最小的驱动轴上，这样可减少制动器的尺寸。

但是若采用制动力矩大、体积小结构简单的钳盘式制动器时，可将其装在卷筒的侧板上，以提高卷扬机构的可靠性。

对于起吊危险物品的卷扬机构应置两套制动装置。

3.卷扬机构组成及工作过程分析

3.1.卷扬机构的组成

根据选用的低速方案分析卷扬机由液压马达、长闭多片盘式制动器、离合器、卷筒、支承轴、平衡阀和机架等部件组成。

3.2.卷扬机构工作过程分析

3.2.1.卷扬机构的工作周期

卷扬机构是周期性作业。

一个工作周期为：

启动加速（0→a）、稳定运动（a→b）和制动减速（b→c）三个过程（图）。

载荷由静止状态被加速到稳定工作速度（稳定运动）时，所经历的时间称为启动时间，从a到b经历的时间称为工作时间，从b点的稳定运动减速到静止状态时所经历的时间成为制动时间。

起动和制动时间直接影响卷扬机的工作过程，设计时可通过计算选取较为适合的时间。

图3-1卷扬机构工作过程曲线

3.2.2.载荷升降过程的动力分析

卷扬机构带载作变速运动（起动或制动）时，作用在机构上的载荷除静力外，还有作加速运动（或减速运动）质量产生的动载荷。

1．起升起动过程当卷扬机构带载提升时，载荷从静止状态加速到稳定运动速度v的瞬时过程称为起升起动过程。

此时，悬挂载荷的钢丝绳拉力（图）为：

S=PQ＋Pg

式中PQ——起升载荷；

Pg——由加速运动质量产生的惯性力。

在起升起动时，惯性力方向与起升载荷方向相同，使钢丝绳拉力增加。

图3.2重物升降过程的动力分析

（a）起升起动；（b）起升制动；（c）下降起动；（d）下降制动

2、起升制动过程

卷扬机构由匀速运动制动减速到静止的过程称为起升制动过程。

此时，悬挂重物的钢丝绳拉力S=PQ-Pg（图3-2b）。

由于减速运动质量产生的惯性力Pg的方向与起升载荷PQ的方向相反，故使钢丝绳拉力减小。

3、下降启动过程

将载荷从静止状态加速下降到匀速的过程称为下降起动过程（图3-2c）。

此时，惯性为Pg的方向与载荷PQ的方向相反，使钢丝绳拉力减小，即

S=PQ－Pg

4、下降制动过程

卷扬机驱动悬吊载荷以匀速下降时，将制动器上闸，使载荷由匀速下降减速到静止状态的过程称为下降制动过程（图3-2d）。

此时因惯性力Pg的方向与起升载荷PQ的方向一致，故使钢丝绳拉力增加，即S=PQ＋Pg。

综上分析可得如下结论：

起升起动和下降制动是卷扬机构最不利的两个工作过程，起升起动时原动机要克服的阻力距是静阻力矩与最大惯性阻力距之和。

因此，原动机的起动力矩Mq必须满足：

Mq≥Mj＋Mgmax

下降制动是制动器最不利的工作过程，所以，卷扬机构支持制动器的制动力矩Mz应满足下面条件：

Mz≥Mj＋Mgmax

才能将运动的物品在规定的时间内平稳的停住。

式中Mj——卷扬机构驱动载荷匀速运动时的静阻力矩；

Mgmax——卷扬机构起、制动时的最大惯性阻力矩。

显然，上述两种工作过程是决定卷扬机原动机和制动器性能以及对机构的零部件进行强度计算的依据。

4.卷扬机卷筒的设计和钢丝绳的选用

4.1.卷扬机卷筒的设计

4.1.1.卷扬机卷筒组的分类和特点

卷筒是起升机构中卷绕钢丝绳的部件。

常用卷筒组类型有周边大齿轮式、齿轮连接盘式、短轴式和内装行星齿轮式。

周边大齿轮式卷筒组多用于传动速比大、转速低的场合，一般为开式传动，卷筒轴只承受弯矩。

齿轮连接盘式卷筒组为封闭式传动，分组性好，卷筒轴不承受扭矩，是目前桥式起重机卷筒组的典型结构。

缺点是检修时需沿轴向外移卷筒。

根据钢丝绳在卷筒上卷绕的层数分单层绕卷筒和多层绕卷筒。

由于本设计的卷绕层数为三层，因此采用多层卷筒。

根据钢丝绳卷入卷筒的情况分单联卷筒（一根钢丝绳分支绕入卷筒）和双卷筒（两根钢丝绳分支同时绕入卷筒）。

单联卷筒可以单层绕或多层绕，双联卷筒一般为单层绕。

起升高度大时，为了减小双联卷筒长度，有将两个多层绕卷筒同轴布置，或平行布置外加同步装置的实例。

多层卷筒可以减小卷筒长度，使机构紧凑，但钢丝绳磨损加快，工作级别M5以上的机构不宜使用。

4.1.2.卷筒设计计算

根据卷扬机工作状况和起升载荷确定卷扬机起升机构的工作级别，查表得汽车、轮胎、履带、铁路起重机，安装及装卸用吊钩式，利用等级T5，载荷情况L2，工作级别M5。

1．卷筒名义直径D

D＝（e－1）d

式中e——卷筒直径比，由表选取;

D——卷筒名义直径（卷筒槽底直径）（mm）;

D——钢丝绳直径（mm）;

e根据卷扬机工作级别M5选用e=25，根据已知得d=8mm,把数值代入式中得

D=（25-1）*8=192mm

根据所得的数据选卷筒名义直径D=200mm。

卷筒最小直径的计算：

Dmin=hd

式中Dmin——按钢丝绳中心计算的滑轮的最小直径mm:

D——钢丝绳直径mm;

H——系数值；

根据机构工作级别为F

Dmin=18×8=144

D＞Dmin

所以卷筒直径符合条件。

2．卷筒长度L确定

由于采用多层卷绕卷筒L，由下式

式中l——多层卷绕钢绳总长度（mm）数值为27m；

把数据代入式中得

取多层卷绕卷筒长度L=200mm。

3、绳槽的选择

单层卷绕卷筒表面通常切出导向螺旋槽，绳槽分为标准槽和深槽两种形式，一般情况都采用标准槽。

当钢丝绳有脱槽危险时（例如起升机构卷筒，钢丝绳向上引出的卷筒）以及高速机构中，采用深槽。

多层卷绕卷筒表面以往都推荐做成光面，以减小钢丝绳磨损。

但在使用中，带螺旋槽的卷筒多层卷绕时，由于绳槽保证第一层钢丝绳排列整齐，有利于以后各层钢丝绳的整齐卷绕。

光面卷筒极易使钢丝绳多层卷绕时杂乱无序，导致钢丝绳磨损远大于有绳槽的卷筒。

带绳槽单层绕双联卷筒，可以不设挡边，因为钢丝绳的两头固定在卷筒的两端。

多层绕卷筒两端应设挡边，以防止钢丝绳脱出筒外，档边高度应比最外层钢丝绳高出（1~d。

（1）绳槽半径R根据下式

R=~d

取R=

把数值代入得

R=×8=

绳槽节距P=d+（2～4）mm

取P=8+2=10mm

绳槽深度h=（～）d

取h==×8=

图4.1绳槽的放大示意图

（2）卷筒上有螺旋槽部分长L0

式中D0——D0=D+d，卷筒计算直径，由钢丝绳中心算起的卷筒直径（mm）；Z1——Z1≥，为固定钢丝绳的安全圈数。

取Z1=2；把数据代入式中得

由此可取0L=170mm。

（3）绳槽表面精度：

2级——Ra值。

4、卷筒壁厚

初步选定卷筒材料为铸铁卷筒，根据铸铁卷筒的计算式子：

δ=+（6~10）mm

把数值代入式中有

δ=+8=12mm

故选用δ=12mm

5、钢丝绳允许偏角

钢丝绳绕进或绕出卷筒时，钢丝绳偏离螺旋槽两侧的角度推荐不大于°

对于光面卷筒和多层绕卷筒，钢丝绳与垂直于卷筒轴的平面的偏角推荐不大于2°，以避免乱绳。

布置卷绕系统时，钢丝绳绕进或绕出滑轮槽的最大偏角推荐不大于5°，以避免槽口损坏和钢绳脱槽。

6、卷筒强度计算

卷筒在钢丝绳拉力作用下，产生压缩，弯曲和扭转剪应力，其中压缩应力最大。

当L≤3D时，弯曲和扭转的合成应力不超过压缩应力的10%~15%，只计算压应力即可。

当L≥3D时，要考虑弯曲应力。

对尺寸较大，壁厚较薄的卷筒还需对筒壁进行抗压稳定性验算。

由于所设计的卷筒直径D=200mm，L=200mm，L≤3D。

所以只计算压应力即可。

卷筒筒壁的最大压应力出现在筒壁的内表面压应力

按下式计算：

式中

——卷筒壁压应力（MPa）；

Smax——钢丝绳最大静拉力（N）；

A1——应力减小系数，在绳圈拉力作用下，筒壁产生径向弹性变形，使绳圈紧度降低，钢丝绳拉力减小，一般取A1=

A2——多层卷绕系数。

多层卷绕时，卷筒外层绳圈的箍紧力压缩下层钢丝绳，使各层绳圈的紧度降低，钢丝绳拉力减小，筒壁压应力不与卷绕层数成正比A2按表取值；

[

]——许用压应力，对铸铁[

]=δb／5，δb为铸铁抗压强度极限，对钢[

]=δg，δg为钢的屈服极限。

取A1=，A2按表取

A2=，根据已知卷筒底层拉力1100kgf，可算得

Smax=1100×=，把各数代入式中：

根据所计算的结果查得卷筒的材料为球墨铸铁QT800—2，其抗压强度极限[δb]≥800MP，δb／5≥160MP，

=＜δb／5，因此材料选用合格。

4.2钢丝绳的选择

在腐蚀性环境中应采用镀锌钢丝绳。

钢丝绳的性能和强度应满足机构安全和正常工作的要求。

钢丝绳的直径为已知d=8mm。

5.液压马达和平衡阀的选择

5.1.液压马达的选用与验算

5.1.1.液压马达的分类及特点

起重机的常用液压马达分为高速液压马达和低速液压马达。

内曲线径向柱塞或球塞马达和轴向球塞式马达是较常用的型式。

液压马达在使用中并不是泵的逆运转，它的效率较高，转速范围更大，可正、反向运转，能长期承受频繁冲击，有时还承受较大的径向负载。

因此，应根据液压马达的负载扭矩、速度、布置型式和工作条件等选择液压马达的结构型式、规格和连接型式等。

5.1.2.液压马达的选用

根据已知液压马达的工作压力为，总排量520ml/r，初选液压马达的型号为JMQ—23型低速大扭矩叶片马达，参数见（表5—1）。

表5-1YM630型叶片马达参数

型号

排量（ml/r）

压力

（Mp）

转速

（r/min）

效率

转矩（N/m）

JMQ-23

604

额定

最高

额定

最高

容积效率

总效率

1440

16

20

75

400

5.1.3.马达的验算

（1）满载起升时液压马达的输出功率Pw

式中

——起升载荷动载系数，因液压马达不具有电动机的过载能力而马达工作压力又受系统压力限制，一般取

=~；

Q——额定起升载荷（N）

V——物品起升速度（m/s）

η——机械总效率，初步计算时，取η=8~。

额定起升载荷Q根据下式计算

Q=Sm

式中S——钢丝绳自由端拉力（N）；

m——滑轮组倍率。

根据已知S=。

一般当起升载荷PQ≤50kN时，滑轮组倍率宜取2，PQ≤250kN时，倍率取3~6，载荷量更大时，倍率可取8以上。

因此，m=2

把数值代入到式子中得：

Q=×2=N

物品提升速度按下式计算

式中v0——钢丝绳线速度（m/min）

v0由已知得v0=60m/min，把数值代入得：

v=s

根据需要选取

=，机械总效率取η=，

卷筒机械效率ηm=，v=s，Q=，

把数据代入式中得：

（2）满载起升时液压马达输出扭矩

式中i——减速器传动比；

z——钢绳在卷筒上的卷绕层数。

其余符号同以前式子。

因为马达为大排量马达，故选用低速方案。

因此不采用减速器，所以i=1。

又由已知卷筒钢丝绳卷绕三层，故z=3。

把所有数值代入式子中得：

所选用的马达的额定转矩为Tm=1440N·m，因为T＞Tm，所以选用的马达转矩符合要求。

（3）计算液压马达的转速nm和输入油量Qm

根据

式中各符号同以前的式子。

把数值代入式中得：

计算马达的输入油量用下式

式中

——液压马达的排量（ml/r）；

——液压马达容积效率。

马达的排量根据已知得

=520ml/r，

根据下式计算：

式中

——液压马达总效率；

——液压马达机械效率。

根据表查得

取，

取。

把数代入式中得：

=

把所计算的数据代入式中得：

选用的液压马达转速范围为2~400r/min，由于计算得nm=r/min，所以马达的转速符合要求。

5.2.平衡阀的选用

5.2.1.平衡阀的功能简介

平衡阀是用于液压执行元件承受物体重力的液压系统。

在物体下降时，重力形成动力性负载，反驱动液压执行元件按重力方向或重力所形成的力矩方向运动，平衡阀在执行元件的排油腔产生足够的背压，形成制动力或制动力矩，使执行元件作匀