船舶液压起货机系统设计.docx
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船舶液压起货机系统设计
船舶液压起货机系统设计
DesignofHydraulicSystemforMarineCargoCrane
第一章绪论
一、课题研究的背景
本次毕业设计的题目是对一个船用起货机的液压系统进行设计，首先要了解的是船用起货机的另一个名称叫克令吊，外文名称是crane，是船上的一种大型的，在船面上工作的机器装置，是一台用来装卸船上运载重物的机器装置，在规定负载下能够完成起升，变幅，和回转三种工作要求。
一般由以下几个基本部分组成：
工作架构，金属构造，动力设备操控系统[]。
起货机按照动力源分为：
手动，电动，液压三大类，目前液压船舶起货机是在船舶上得到大量应用的一种装卸重物的机械设备。
在民用的方面，现在我国正处在一个快速发展航运业的时期，而发展航运业所必需的设备之一就是大型的克令吊，如果没有合适的设备，航运业的发展就会受阻。
克令吊在船上的作用有很多，首先，在船舶靠港时，特别是对于货运船，如果船舶想要实现装卸货物，必须通过克令吊才能实现，其次，如果在海面上船舶某设备发生故障，还可以用克令吊运送大型的备用件等。
它的工作效率、工作可靠性可以减少停靠在港口的时间，降低船舶工作周转的时间，同时也可以在一定程度上降低运输成本。
军用方面，现阶段，我国对于海洋的主权的拥有越来越重要，一个大国想要强大，海洋主权是必不可少的，所以，现阶段如果想要发展海洋军事力量，则性能优良船用起重机是必不可少的，它可以帮助吊送各类武器装备，在补充生活物资这一方面，克令吊也能起重要的作用。
因此，性能优秀的克令吊对于我国海洋力量的各方面都是有很大影响的，是极其重要的。
由于国家的发展需要大量的资源，所以我国的资源问题比较紧张，可用资源越来越少，必须增强海洋资源的开发，而船用起重机便是其中的重要设备之一。
如果连最近本的工程设备都没有，发展就无从谈起。
因此，综上所述，不管是在民用，军用还是在开采资源方面，早日制造出性能优良的船用起重机都是十分必须的。
这对于我国有关海洋的各方面发展都有着重要的意义。
二、国内外相关领域发展现状
由以上得知，克令吊是一种非常重要的工程机械，近几年来，我国在船用液压起重机的设计制造方面取得了比较突出的进步，生产制造的起重机性能卓越，为我国航运业的发展作出了很大的贡献。
在设计制造方面方面，很长一段时间内，船用起货机的制造一般采用由高数和经典力学作为根本的半经验半理论设计方式、直觉法以及类比法等传统的设计方式。
设计时间相对较长、设计的精确程度也不是很高。
由于科技的一步步发展，船用起货机的设计研究向着高效，高质，不停创新的新领域不断发展。
新技术的优化进步最主要在下列10个领域得到体现：
计算机辅助设计、有限元分析法、动态仿真设计、可靠性设计、优化设计、疲劳设计、反求工程设计、模块化设计、极限状态设计、参数化设计[]。
在这些领域，国内在某些方面的发展还在起始阶段，还有很大的前进空间。
三、本设计要求及本设计系统的各项工作数据
（一）设计需求
（1）设计过程中的各个机构的基本参数应该符合《起货机设计基本参数要求》的标准。
（2）在运行过程中各工作机构既能单独工作又能复合工作，并且应满足其最大功率要求。
（3）液压系统采用多泵多回路阀控型开式液压系统，主要包括起升回路、变幅回路及回转回路。
（4）所设计的船舶起货机液压系统应构成合理，技术性能先进，效率高。
并且要满足高可靠性的要求。
（5）撰写的起货机液压系统研究报告具有一定的理论性、独创性和使用性。
（二）系统结构图及工作参数
图1.1克令吊结构图
1－底座；2－回转转台；3－卷扬；4－主吊臂；5－变幅油缸
图1.2系统主要工作参数图
第二章液压起重机的系统设计
一、系统原理设计
（一）性能要求
该设计对对应的的起重机是采用液压系统的船用克令吊，主要是由船舶或者港口使用。
用来装卸货物或者吊运备件等。
因此对于该系统有着很多要求，首先为了减少占用空间，该设备首先应该具备结构紧凑的特点，其次由于该设备是用来吊装各种比较重的货物，所以该设备在工作时的安全性必须得到保障，防止意外事故的发生同时使用起来应该比较方便，操作难度不应该过大。
该液压系统主要组成回路有：
[]。
起升回路需要担保货物起升进程的安全性高，起升动作稳定，工作时具有合适的起升能力，需要降速时能迅速稳定的减速。
特别是在下放负载时，能够避免载荷自身重量引起的下落速度过快或者冲击，避免发生事故。
变幅回路则应确保变幅工作稳定，安全性高，具有合适的变幅范围以及变幅速率，而且可以防止变幅操作中臂架因为自身重量而引发的变幅速度过快现象。
而系统对回转回路的要求是设备回转时的各项工作参数都应符合标准，同时对于一些常见的意外事故具有一定的保护装置。
（二）系统特点
采用液压系统的船舶起重机的特点有很多。
例如有用功和质量的比值大，在相同的有用功输出的工况下，液压系统设备的占地面积，重量，构件紧密程度都优于其他类型的设备。
工作控制液压油具有一部分的吸收震动能力和部分的弹性，因此液压传动动作平稳且安全系数高。
可以在作业中便捷的完成大范围内的无级调速，对于过载现象的保护，实现起来也比较容易。
工作安全系数高，可靠性强。
因此在船用起货机中的应用日益广泛。
液压起货机的设备如果想要达到要求的工作目的，其工作过程必须要经过三个系统或设备，他们分别是动力系统，控制系统，执行设备，三者缺一不可。
其中动力系统如字面意思，就是给系统提供动力的设备，一般来说就是系统内部的液压泵；发出控制信号的系统设备一般来说是各类油管和各类阀件的连接元件；对于大多数设备来说液压马达和液压油缸都是用来执行控制系统信号的机构，即执行机构。
不同功能的液压回路的形成主要是由这三种机构按照不同的组合来实现的。
泵和马达组成的系统回路是克令吊液压系统必不可少的结构之一，按照其运作方式的区别，液压系统的主要工作回路分为两种，即开式和闭式。
采用开式回路的液压系统其特点是该回路有着从外部进行控制的液压油回路，即与外界控制信号传输机构相连，通过控制回路改变系统工作状态。
虽然开式系统对油的要求不高，但是为了使油液的清洁度达到规定的要求，油液在油箱中进行一些特殊的处理以达到其要求，处理内容包括沉淀，冷却等措施。
同时开式系统的系统复杂度比较低，日常的检查会比较容易，而且一旦系统出现问题，易修度也比较高。
但是相对于这些优点，开式系统的缺点也比较明显，最大的缺点就是系统的工作效率相比于闭式系统比较低。
闭式液压系统一般是使用系统内部的液压油的流量来进行系统的各项动作的调节。
也就是说液压油一般来说上只在闭合的回路内部循环，热量外散不良，除去这些缺点，闭式液压系统的优点是设备工作效率较高，系统部件体积小，布局合理，占用船舶空间较小。
闭式回路的液压系统按其动力源与执行设备的构造及装配方式的区别，一共有三种装配方式，即按照定量与变量的不同组合产生的不同方式。
由于液压元件的种类非常多，其中单马达就可分为高转速液压马达和低转速液压马达两大类。
低速液压马达的突出特点是产生的转矩大，转速较低的状态下工作时的稳定性好（通常能够之下平稳定工作，甚至可低于）因此能够直接与运动部件相接，无需额外的降速设备，缺点是马达占用空间较大，不便于在工作空间狭小的场合启用。
依据所设计船用起货机液压设备的主要工作参数、性能要求，初步定下的船用起货机系统的液压驱动设备回路原理如图2.1所示。
当因电路或者别的原因的损坏，使船舶起货机不能运作时，节流截至阀开启，用手动液压泵向回路补油，改变阀口开度大小能够改变液压马达的运转速度。
起升、变幅机构可在自身重力影响下回复原位，回转机构则是在外力矩的作用下回复原位。
（三）系统特点
1.经过仔细的选择及对比，最终该船用起重机使用开式液压系统，，使用开式的液压系统优点比较明显，即：
回路构造简洁，对液压油洁净度需求相对来说比较低，在系统的保养方面有很大的优势。
综上所述，开式系统是最合液压系统形式。
2.为让作业功效比之前的设备高，本次设计的克令吊使用的液压马达是一种排量会变化的液压马达，其额定工作排量有两种模式，一大一小，在不同的工作情况下切换不同的功工作模式，当限定负载大于起吊负载时，油泵在小排量工况下运转，工作速度快；相反的情况下，即当限定负载小于起吊负载时，液压油泵变换工作状态，在大排量工况下运转，以确保作业安全。
3.该系统再正常工作时，难免会出现一些泄露的情况，而为了抵消液压泵、液压马达和管道的泄露，以防由于进油量过小引起的吸空防止出现意外情况，回路增设了补油机构，使主要管路可以进行补油。
4.要想让系统正常工作，系统各部分的冷却是非常重要的，以便使泵、马达的外壳、齿轮箱的温度降低，使用空气冷却器和压力阀之间的重合点，往液压驱动的泵、液压执行机构的壳体以及其他需要降温的液压元件运送用于进行冷却的低压液压油；就能使转动零件之间相互作用的产热得到冷却，同时冲刷因为剧烈的相互作用而掉下来的硬质磨粒，使零件的工作时间得到提升。
5.系统在工作时，管路内的油压有可能因为某些原因产生波动，为了降低补油压力的不稳定性对主油路和变量泵控制结构产生的不良作用、增加回路压力的不变性，在泵出口处设置了储能器。
6.为断绝因为电气或别的损坏造成船用起货机停止作业的情况，各管路液压马达进排油口处连接了常开式电磁控制换向阀、溢流阀，以便在紧迫情况时能够让各元件回复原位。
二、液压系统包含的回路以及各回路的分析
（一）起升回路
1.工作需求
液压起货机正常工作下首先要完成的工作就是起重货物，而完成这一工作的就是起升回路，没有起升回路，一个克令吊连最基本的功能都没有，工作更无从谈起。
起升回路微动性必须良好，起、制动运行快速稳定，货物悬停在半空任何高度都能可靠抱闸，即当液压起重机停止工作时货物再次下降的问题，除了这种情况，还有起重机在吊重物下降或者空载下降时不受控制产生下滑的情况，这种情况也就是起重机容易发生的问题之一。
2.主要元件
主要原件如图2.2所示，不同液压系统的起升回路所包含的液压元件大体相同，其中包含的的元件都在图中给予标记并注释，看图便能大体了解起升回路的主要原件有哪些。
3.主要回路
一个完整的液压系统共包含三个主要回路，起升回路就是其中之一，而本次设计所设计的8T船用液压起重机的起升回路包含着若干不同功能的回路。
其一就是用来完成其主要功能的起升回路部分，另一部分回路是为了停止工作或防止意外事故出现而运作的制动回路。
图2.2是该设计所设计的液压起重机的该回路部分的原理图。
（二）回转回路
1.工作需求
回转回路要实现的功能是在克令吊吊起重物时，通过该回路使重物在水平的方向上实现运动，以使重物到达要求的位置。
因而按照液压设计规范，回转回路应该有较高的工作安全性和较强的自主工作能力；在液压系统行进作业的过程中必须做到工作过程中吊臂和重物在水平方向不能自由移动，必须固定不动或者在移动时不能突然停止移动，其次必须做到的是在进行水平移动时，可以完成细小的移动动作，即工作时的精度要高[]，为了使液压起重机能够稳定作业，以上要求都应达到。
2.主要元件
如图2.3，该回路所包含的液压元件都在图中给予标出。
由于回转机构的元件工作产生的力矩较小，因此在构造上与其他回路相比而言，其构造不如其他回路复杂。
3.主要回路
如图2.3所示回转回路的组成分为两个回路，一个是用于回转作业的主回路。
由于系统在工作时有些管路会发生泄露，所以另一个工作回路就是为了补充该部分液压油的回路。
（三）变幅回路
1.工作需求
变幅回路是使液压起货机能够正常工作而必不可少的回路，如果没有这个回来，液压系统是不完整的，正常情况下是无法进行完整的作业的。
布局合理的变幅回路是该系统共能够正常工作的重要要求之一。
通常情况下大多数液压起重机为了满足装卸重物的工作位置需要，能充分利用液压起货机的起吊能力（幅度降低可以提高起重重量），幅度需要经常变化。
变幅回路即是用来达到该要求的相应回路，它可以增大起货机的工作幅度，增加起货机的工作效率。
2.主要原件如图2.4所示，不同液压系统的起升回路所包含的液压元件大体相同，其中包含的主要的元件都在图中给予标记并注释，看图便能了解变幅回路的主要原件有哪些。
[]。
3.主要回路
系统回路如图2.4所示。
第三章液压元件的选择
一、液压系统的各回路工作参数以及各元件的工作参数
（一）主要组成机构的工作参数
系统各机构主要工作参数如下图
图3.1.1液压系统主要机构工作参数图
（二）各机构的详细作业参数
1.起升机构：
2.回转机构：
3.变幅机构：
（一）各回路原件的计算与选取
1．起升回路
1）计算起升回路马达的相关工作参数
（1）
式中：
F—该回路在额定工作状态下可产生的最大力；
式中：
，
（2）
式中：
，
（3）起升马达的排量
式中：
，
，ηqm=0.92
（4）选取起升回路的液压油马达
将以上计算所得的数据进行分析，根据《液压工程师技术手册》P177表3.2-13A6V型斜轴式轴向柱塞马达技术规格，经过对比工作参数，认为使用A6v型的液压油泵可以满足系统的工作需要，选取斜轴式轴向柱塞马达A6V55。
马达的性能参数为：
排量54.8cm3/r
最大功率110kw
最高转速3750r/min
最大输出扭矩278N·m
2）该回路油泵的相关工作参数
（1）
式中：
Vs—空载状态下的工作速度的最高值，
（2）额定工作状态下回路
Qpm>KQmax
式中：
K—系统泄漏系统，其值为1.1～1.3，现取K=1.3
Qmax—液压马达在额定工作状态下所需最大流量
Qmax=Nmax·q1
式中：
Nmax—液压马达在额定工作状态下的最高转速，Nmax=1670r/min
式中：
，；
（3）率
（5）
式中：
nqb—，
ηqbV—，
（6）
（7）
（8）选取液压泵
将以上计算所得的数据进行分析，根据《液压工程师技术手册》P162表3.1-67经过对比工作参数，认为使用A2F型的液压油泵可以满足系统的工作需要，选取型号为A2F32的液压起升泵作为该系统的元件。
其额定工作参数如下图所示：
图3.2.1.2.8A2F型斜轴式轴向柱塞泵工作参数表
2．回转回路
1）回转回路有关液压元件的工作参数
（1）
式中：
，；
，
，；
（2）
式中：
，
（3）选取该回路液压马达
将以上计算所得的数据进行分析，根据《液压技术手册》P71表3.2-4，经过对比工作参数，认为使用该型的液压马达可以满足系统的工作需要，液压油泵的具体名称是CMG4-32型马达。
其额定状态下的工作参数如下图：
图3.2.2.1.3CMG4-32型马达工作参数图
2）回转回路液压油泵的各项工作参数
（1）回转回路执行机构在额定工作状态下所能达到的最大速度
式中：
—，
（2）
式中：
，
（3）
（4）（假设系统密封良好无泄漏）
（5）
式中：
—，；
，
（6）
（7）
（8）选取该回路的液压油泵
将以上计算所得的数据进行分析，查《液压工程师技术手册》P162表3.1-67A2F型斜轴式柱塞泵技术规格，经过对比工作参数，认为使用A2F型的液压油泵可以满足系统的工作需要，液压油泵的具体名称是A2F28。
其额定状态下的工作参数如下图：
图3.2.2.2.8A2F28斜轴式轴向柱塞泵的工作参数
3．变幅回路
1）变幅回路液压元件的各项工作参数
（1）油缸无活塞杆一侧的工作面
式中：
Fb—-变幅油缸在额定状态下工作时轴向上的最大阻力为；
；
（2）油缸无活塞杆一侧的的油缸直径
将以上计算所得的数据进行分析，查《液压技术手册》第279页图3.3-110CD250/CG250液压工推力表，通过比较系工作参数，选取具有以下参数的液压油缸作为该起重机的变幅油缸。
2）变幅油路
（1）：
式中：
，；
，
（2）：
式中：
，
即
（3）：
式中：
（二）其他液压元件的选取
1．单向阀的选取
从该类阀件的控制方式来说，单向阀有两类，其一就是日常中常见的普通的单向阀，但是当单向阀的启闭由控制回路的液压油液控制时，这类单向阀叫做液控单向阀。
因为此起重系统设备中油流量较高所以采用密封性能优良的阀件。
将以上计算所得的数据进行分析，根据《液压工程师技术手册》P364图7-24，通过将该表上的各类阀件的工作参数与系统整机所需的工作参数比较，选择DF型直角式单向阀，该类阀件在额定工作状态下的主要工作参数如下图所示：
2．换向阀的选取
为了达到系统所需的各项工作参数以及完成规定的作业任务，该阀件是必不可少的，没有此元件系统工作时就无法改变工作方向。
将以上计算所得的数据进行分析，根据《液压工程师技术手册》P464图3.4-98DF型多路换向阀技术规格表，选取该系列的换向阀，这类换向阀的组成包括多路换向阀，安全阀还多其他各类不同的，有着不同功能的附加阀，其主要工作参数如下图所示：
3．安全阀的选取
直动式溢流阀相比于其他阀件具有构造相比于其它类型复杂度比较低、工作反应快速灵敏等突出特点，不足的是设定的压力与工作时的压力之差比其他的阀件都要大。
以为此液压设备液压油流量大于其他设备，油压也比较高，设备工作时一定要达到所规定的对于安全性的要求，因此选用先导式的溢流阀。
将以上计算所得的数据进行分析，查《液压工程师技术手册》P337DB/DBW型先导式溢流阀3X系列技术规格表选取该系列的溢流阀，这个类型的阀工作时最高压力为31.5，适合该系统。
.
4.平衡阀的选取
关于变幅油路上的平衡阀选定，将以上计算所得的数据进行分析，在参考系统各项工作参数的基础上，德国Mannesmann公司的产品符合系统地要求，也就是该公司名为MHRB22F的平衡阀，该类阀件在额定工作状态下的各项参数如下图所示：
5．调速阀的选取
调速阀顾名思义，其作用就是为了使使重物升高时的速度保持在规定范围内，需要在起升回路中安装调速阀。
调速阀属于流量阀中的一类。
将以上计算所得的数据进行分析，查《液压工程师技术手册》P381图3.4-512FRM型调速阀技术规格表，选取力士乐系列的阀件，该类阀件工作压力在额定条件下为21Mpa。
.
（三）其他部件的选取
1．起升回路管路的计算与选择
（1）起升回路泵工作管路的计算选取
式中：
，
根据《液压技术手册》P695表8-67，选定
（2）起升回路液压管路的计算选取
式中：
值
将以上计算所得的数据进行分析，查《液压技术手册》P695表8-67，选定
2.回转回路各管路的计算与选择
式中：
将以上计算所得的数据进行分析，查《液压技术手册》P695表8-67，选定
3.变幅回路各管路的计算与选择
变幅回路液压油缸无活塞杆侧的管路
式中：
，
将以上计算所得的数据进行分析，根据《液压技术手册》P695表8-67，选取
4．油箱的计算与选取
1）
2）系统储油设备的实际工作容量
根据《液压技术手册》取。
5、液压油净化装置的选取
1）工作油路
将以上计算所得的数据进行分析，根据《液压技术手册》P639图3.5-18XU线隙式过滤器技术规格表，若想让该系统能在规定参数下稳定运行，选取线隙式型过滤器，该类型的滤器是由沈阳过滤器厂生产的。
其工作时的主要参数如下图所示：
将以上计算所得的数据进行分析，查《液压工程师技术手册》P639图3.5-18XU线隙式过滤器技术规格表，若想让该系统能在规定参数下稳定运行，使用该系列的滤油器符合以上的要求，经过仔细比对，选取线隙式型过滤器作为该系统工作回路上的过滤器，其主要参数如下图所示：
2）控制油路
将以上计算所得的数据进行分析，查《液压工程师技术手册》P745表3.5-34ZU-A型油液过滤器技术规格，若想让该系统能在规定参数下稳定运行，使用该系列的滤油器符合以上的要求，经过仔细比对，选取型号为ZU-A63×80S的过滤器，其主要工作参数如下图所示：
（四）电动机的选择
1.起升回路：
将以上计算所得的数据进行分析，再比对《电动机选型手册》中的各种类型的电机，若想达到该系统的期望工作状态，经过比对得出选取Y系列型号的电动机能够使系统达到最好的工作状态，该型号电动机具体工作性能参数如下图所示：
2.回转回路：
kW
将以上计算所得的数据进行分析，再比对《电动机选型手册》中的各种类型的电机，若想达到该系统的期望工作状态，经过比对得出选取Y系列型号的电动机能够使系统达到最好的工作状态，该型号电动机具体工作性能参数如下图所示：
结论
经过两个月的努力，我的毕业设计终于完成了，可是一旦回忆起来制作毕业设计的这几个月，感想还是挺多的，期间遇到的困难挺多的，其中既有苦的地方也有很多开心的时候，困难重重同时又充满成就感，不过乐趣也就在这之中！
通过这次毕业设计，做之前感觉毕业设计就是把之前学的东西随便一总结，一设计就能完成的简单任务，但是当开始做之后，我才发现自己的想法是错误的。
结业设计是代表着我大学时代结束的作业，也是最有总结性的一篇作业。
它既帮我把之前所学的知识进行了一次全面深刻的总结，同时也为我之后踏入社会进行工作的实际知识运用能力打造了一个好的开始。
毕业设计是我对所学书本知识理论的检验与总结，可以使设计者养成自己分析解决问题的能力并且随着设计的深入，这种能力还会得到加强，是我在校地最后阶段向学校递交的一份能显示我所学知识的最终作业。
随着毕业的日子一天天的来临，这次毕业设计也慢慢的接近最终的样子。
在我一天天的努力下，一份完整毕业设计终于是摆在了我的面前。
做了毕业设计之后才发现自己原来对于毕业设计的看法是错误的，之前我一直以为毕业设计就是几年来所学习的理论知识的梳理总结，综合运用。
一开始面对毕业设计的题目，我是什么都不会，之前所学的知识根本不知道应该怎么应用，选取什么资料我都很迷茫，之前觉得自己上课的东西都会了，也懂了，但是一到实际运用该不会还是不会。
通过本次次毕业设计，我意识到求学是一个不停累积的进程，并且在累积的同时要学会应用，做到学以致用，在今后的工作、生活中都不能放弃学习，争取进一步增加自我知识储备和综合能力。
总之，不管怎么样，反正这次毕业设计我是感觉到了很大的压力，毕竟什么都不会，有种从零开始的感觉，不过万事开头难，一旦有了大体的思路。
之后的过程还是比较顺畅的。
最终完成毕业设计时，真是有一种如释重负，心里的石头落了地的感觉。
另外，还得出一个重要的结论：
理论知识必须与实践相联系才能起到作用，才是真正的学会了。
有些知识自己以为掌握了，但一旦到了实际应用时刻才明白完全不知道从哪下手，跟纸上谈兵没什么区别。
所以我认为学以致用才是学习的最高境界。
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