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邵發(fā)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書
專業(yè)班級(jí)
2003級(jí)機(jī)制本科專業(yè)
學(xué)生姓名
陳藝
學(xué) 號(hào)
0340717149
課題名稱
可急回抽油機(jī)速度分析及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)(論文)
起止時(shí)間
2007年 3月26日至200 7年6月8日
課題類型
工程設(shè)計(jì)
課題性質(zhì)
真實(shí)
一、課題研究的目的與主要內(nèi)容
研究目的:
設(shè)計(jì)多功能液壓抽油機(jī)的液壓系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)完成多功能作業(yè)。與山河智能機(jī)械股份有限公司校企合作。學(xué)生在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)做畢業(yè)設(shè)計(jì),全面提高綜合設(shè)計(jì)能力,工程實(shí)踐能力。
主要內(nèi)容:
1、對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。
2、設(shè)計(jì)抽油機(jī)工作裝置的液壓系統(tǒng)。
3、繪制抽油機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖。
二、基本要求
1、必須獨(dú)立完成畢業(yè)設(shè)計(jì)工作。
2、按制圖標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)多功能液壓抽油機(jī)液壓系統(tǒng)圖和有關(guān)零件的零件圖,圖紙比例1∶1,畢業(yè)設(shè)計(jì)圖紙總工作量不少于2張零號(hào)圖紙。
3、按學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)的書寫格式要求,撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書,畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書不少于20000字。
4、每個(gè)學(xué)生應(yīng)完成與畢業(yè)設(shè)計(jì)有關(guān)的3000-5000個(gè)文字的外文資料翻譯, 譯文要求準(zhǔn)確,文字流暢。
注:1、此表由指導(dǎo)教師填寫,經(jīng)各系、教研室主任審批生效;
2、此表1式3份,學(xué)生、指導(dǎo)教師、教研室各1份。
三、課題研究已具備的條件(包括實(shí)驗(yàn)室、主要儀器設(shè)備、參考資料)
1、邵陽(yáng)學(xué)院的實(shí)習(xí)工廠。
2、機(jī)械與能源工程系機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室,數(shù)控加工中心實(shí)驗(yàn)室,主要儀器設(shè)備有:線切割加工機(jī)床,電火花成形加工機(jī)床,數(shù)控加工中心,類型較多的機(jī)械設(shè)計(jì)零件等。
3、邵陽(yáng)學(xué)院圖書館。
3、主要參考資料:《機(jī)械工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》,期刊雜志《工程機(jī)械》。
4、山河智能有限公司抽油機(jī)裝配車間實(shí)習(xí)、技術(shù)部資料查閱。
四、設(shè)計(jì)(論文)進(jìn)度表
1、2007.3.26~2007.3.28 確定課題。
1、2007.3.29~2007.4.4 搜集資料,完成開題報(bào)告。
2、2007.4.5~2007.5.6 抽油機(jī)結(jié)構(gòu)的確定。
3、2007.4.26~2007.5.10 繪制多功能液壓抽油機(jī)液壓系統(tǒng)圖。
4、2007.5.11~2007.5.25 外文資料翻譯,撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書。
5、2007.5.26~2007.6.8 畢業(yè)設(shè)計(jì)文件打印、撰寫答辯提綱準(zhǔn)備答辯。
五、教研室審批意見
教研室主任(簽名) 年 月 日
六、院(系)審批意見
院(系)負(fù)責(zé)人(簽名) 單位(公章) 年 月 日
指導(dǎo)教師(簽名) 學(xué)生(簽名)
邵 發(fā) 學(xué) 院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
課 題 名 稱 可急回抽油機(jī)速度分析及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué) 生 姓 名 陳 藝
學(xué) 號(hào) 0340717149
系 、專 業(yè) 機(jī)械與能源工程系 機(jī)械制造設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化
指 導(dǎo) 教 師 陳 志 剛
職 稱 副 教 授
目 錄
1 前言………………………………………………………………………………………1
1.1 可急回抽油機(jī)簡(jiǎn)介……………………………………………………………………1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)…………………………………………………………2
1.3 本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容……………………………………………………………………5
第二章 系統(tǒng)組成及控制要求……………………………………………………………6
2.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介………………………………………………………………………………6
2.2系統(tǒng)組成………………………………………………………………………………6
2.3控制要求及技術(shù)指標(biāo)…………………………………………………………………6
2.4變頻器的技術(shù)參數(shù)……………………………………………………………………7
第三章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………………………………………………8
3.1確定控制方案…………………………………………………………………………8
3.2主電路設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………10
3.3PLC的接線圖………………………………………………………………………… 11
3.4控制電路圖……………………………………………………………………………11
3.5程序設(shè)計(jì)………………………………………………………………………………11
4 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………21
4.1 液壓系統(tǒng)方案及參數(shù)確定……………………………………………………………21
4.2 執(zhí)行元件液壓缸及系統(tǒng)壓力的初選…………………………………………………22
4.3 計(jì)算工作裝置鏟斗液壓缸的主要尺寸………………………………………………23
4.4 液壓系統(tǒng)原理圖的制定………………………………………………………………26
5 液壓元件的選擇與專用件的設(shè)計(jì)………………………………………………………31
5.1 液壓泵的選擇和泵的參數(shù)的計(jì)算……………………………………………………31
5.2 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇……………………………………………………………………33
5.3 液壓閥的選擇…………………………………………………………………………33
5.4 其他液壓元件的選擇…………………………………………………………………36
5.5 油箱容量的確定………………………………………………………………………36
6 壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算…………………………………………………………………………37
6.1 液壓系統(tǒng)壓力損失……………………………………………………………………37
6.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升計(jì)算……………………………………………………………37
小 結(jié)……………………………………………………………………………………38
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………39
致 謝……………………………………………………………………………………40
1 前言
可急回抽油機(jī)速度分析及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一種多功能機(jī)械,目前被廣泛應(yīng)用于水利工程,交通運(yùn)輸,電力工程和礦山采掘等機(jī)械施工中,它在減輕繁重的體力勞動(dòng),保證工程質(zhì)量。加快建設(shè)速度以及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率方面起著十分重要的作用。由于液壓抽油機(jī)具有多品種,多功能,高質(zhì)量及高效率等特點(diǎn),因此受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞??杉被爻橛蜋C(jī)速度分析及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的生產(chǎn)制造業(yè)也日益蓬勃發(fā)展。
可急回抽油機(jī)速度分析及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)緊密地聯(lián)系在一起,其發(fā)展主要以液壓技術(shù)的應(yīng)用為基礎(chǔ)。由于抽油機(jī)的工作條件惡劣,要求實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作很復(fù)雜,于是它對(duì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了很高的要求,其液壓系統(tǒng)也是工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中最為復(fù)雜的。因此,可急回抽油機(jī)速度分析及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為推動(dòng)抽油機(jī)發(fā)展中的重要一環(huán)[1]。
1.1 可急回抽油機(jī)簡(jiǎn)介
挖可急回抽油機(jī)速度分析及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展歷史久遠(yuǎn),可以追溯到1840年。當(dāng)時(shí)美國(guó)西部開發(fā),進(jìn)行鐵路建設(shè),產(chǎn)生了模仿人體構(gòu)造,有大臂、小臂和手腕,能行走和扭腰類似機(jī)械手的抽油機(jī),它采用蒸汽機(jī)作為動(dòng)力在軌道上行走。但是此后的很長(zhǎng)時(shí)間可急回抽油機(jī)速度分析及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒(méi)有得到很大的發(fā)展,應(yīng)用范圍也只局限于礦山作業(yè)中。
導(dǎo)致可急回抽油機(jī)速度分析及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展緩慢的主要原因是:其作業(yè)裝置動(dòng)作復(fù)雜,運(yùn)動(dòng)范圍大,需要采用多自由度機(jī)構(gòu),古老的機(jī)械傳動(dòng)對(duì)它不太適合。而且當(dāng)時(shí)的工程建設(shè)主要是國(guó)土開發(fā),大規(guī)模的筑路和整修場(chǎng)地等,大多是大面積的水平作業(yè),因此對(duì)抽油機(jī)的應(yīng)用相對(duì)較少,在一定程度上也限制了抽油機(jī)的發(fā)展。
由于液壓技術(shù)的應(yīng)用,二十世紀(jì)四十年代有了在拖拉機(jī)上配裝液壓反鏟的懸掛式抽油機(jī)。隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)迅速發(fā)展成為一種成熟的傳動(dòng)技術(shù),抽油機(jī)有了適合它的傳動(dòng)裝置,為抽油機(jī)的發(fā)展建立了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐,是抽油機(jī)技術(shù)上的一個(gè)飛躍 。同時(shí),工程建設(shè)和施工形式也發(fā)生了很大變化。在進(jìn)行大規(guī)模國(guó)土開發(fā)的同時(shí),也開始進(jìn)行城市型土木施工,這樣,具有較長(zhǎng)的臂和桿,能裝上各種各樣的工作裝置,能行走、回轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)多自由動(dòng)作,可以切削高的垂直壁面,挖掘深的基坑和溝槽的抽油機(jī)得到了廣泛應(yīng)用[2]。
1950年在意大利北部生產(chǎn)了第一臺(tái)液壓抽油機(jī)。第一臺(tái)液壓抽油機(jī)采用定量齒輪泵,中位開式多路閥,工作壓力為9Mpa,所有執(zhí)行元件互相并聯(lián)連結(jié)。由單泵向6個(gè)執(zhí)行元件供油。由于早期液壓抽油機(jī)主要采用了定量齒輪泵,不能按需改變供油流量,無(wú)法充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率,因此其能量損失很大,不能滿足抽油機(jī)復(fù)合動(dòng)作的復(fù)雜要求,且可操縱性差。另外,早期試制的液壓抽油機(jī)是采用飛機(jī)和機(jī)床的液壓技術(shù),缺少適用于抽油機(jī)各種工況的液壓元件,配套件也不齊全,制造質(zhì)量不夠穩(wěn)定。從二十世紀(jì)六十年代到八十年代中期,液壓抽油機(jī)進(jìn)入了推廣和蓬勃發(fā)展的階段,各國(guó)抽油機(jī)制造廠和品種增加很快,產(chǎn)量猛增。1968-1970年間,液壓抽油機(jī)產(chǎn)量己經(jīng)達(dá)到抽油機(jī)總產(chǎn)量的83%,其時(shí)對(duì)抽油機(jī)液壓系統(tǒng)的研究也已經(jīng)十分成熟,液壓抽油機(jī)已經(jīng)具有了同步控制系統(tǒng)和負(fù)載敏感系統(tǒng)L。
自第一臺(tái)手動(dòng)可急回抽油機(jī)速度分析及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)誕生以來(lái)的160多年當(dāng)中,抽油機(jī)一直在不斷地飛躍發(fā)展,其技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到相對(duì)成熟穩(wěn)定的階段。目前國(guó)際上迅速發(fā)展全液壓抽油機(jī),對(duì)其控制方式不斷改進(jìn)和革新,使抽油機(jī)由簡(jiǎn)單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無(wú)線電遙控、電子計(jì)算機(jī)綜合程序控制。在危險(xiǎn)地區(qū)或水下作業(yè)采用無(wú)線電操縱,利用電子計(jì)算機(jī)控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)作業(yè)操縱的完全自動(dòng)化。所有這一切,可急回抽油機(jī)速度分析及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)為其奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),創(chuàng)造了良好的前提[3]。
據(jù)有關(guān)專家估算,全世界各種施工作業(yè)場(chǎng)約有65%至70%的土石方工程都是由抽油機(jī)完成的。抽油機(jī)是一種萬(wàn)能型工程機(jī)械,目前已經(jīng)無(wú)可爭(zhēng)議地成為工程機(jī)械的第一主力機(jī)種,在世界工程機(jī)械市場(chǎng)上己占據(jù)首位,并且仍在發(fā)展擴(kuò)大。抽油機(jī)的發(fā)展主要以液壓技術(shù)的應(yīng)用為基礎(chǔ),其液壓系統(tǒng)已成為工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的主流形式。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和建筑施工現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要,液壓抽油機(jī)需要大幅度的技術(shù)進(jìn)步,技術(shù)創(chuàng)新是液壓抽油機(jī)行業(yè)所面臨的新挑戰(zhàn)。在技術(shù)方面,抽油機(jī)產(chǎn)品的核心技術(shù)就是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì),所以對(duì)其液壓系統(tǒng)的分析研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)
1.2.1 國(guó)外研究狀況及發(fā)展動(dòng)態(tài)
從20世紀(jì)60年代液壓傳動(dòng)技術(shù)開始應(yīng)用在抽油機(jī)上至今,可急回抽油機(jī)速度分析及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)己經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)成熟的階段。目前國(guó)際上先進(jìn)的抽油機(jī)產(chǎn)品的額定壓力大都在30MPa以上,并且隨著材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術(shù)方向發(fā)展的趨勢(shì);流量通常在每分鐘數(shù)百升;功率在數(shù)百千瓦以上。如德國(guó)Orensttein&
Koppe制造的目前世界上首臺(tái)最大的RH40。型全液壓抽油機(jī),鏟斗容量達(dá)42m3,液壓油源為18臺(tái)變量軸向柱塞泵,總流量高達(dá)10200L/min,原動(dòng)機(jī)為2臺(tái)QSK60柴油發(fā)動(dòng)機(jī),總功率高達(dá)2014kW,由于可急回抽油機(jī)速度分析及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)常在較惡劣環(huán)境下持續(xù)工作,其各個(gè)功能部件都會(huì)受到惡劣環(huán)境的影響.系統(tǒng)的可靠性日益受到重視。美、英、日等國(guó)家推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論,以替代傳統(tǒng)的無(wú)限壽命設(shè)計(jì)理論和方法,并將疲勞損傷累積理論斷裂力學(xué)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓抽油機(jī)強(qiáng)度研究方面,不斷提高設(shè)備的可靠性。美國(guó)提出了考核動(dòng)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法。日本制定了液壓抽油機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度評(píng)定程序,研制了可靠性信息處理系統(tǒng)使液壓抽油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到85%-95%,使用壽命超過(guò)1萬(wàn)小時(shí)。近幾年來(lái),隨著液壓抽油機(jī)產(chǎn)量的提高和使用范圍的擴(kuò)大,世界上著名的抽油機(jī)生產(chǎn)商紛紛采用各種高新技術(shù),來(lái)提高自己抽油機(jī)在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力,主要表現(xiàn)在五個(gè)方面: (1)液壓系統(tǒng)逐漸從開式系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變;(2)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)成為研究的重點(diǎn); (3)系統(tǒng)的高壓化和高可靠性發(fā)展趨勢(shì)日益凸顯; (4)系統(tǒng)的操縱特性上升到很重要的地位;(5)液壓系統(tǒng)與電子控制的結(jié)合成為潮流[4]。
(1) 開式向閉式液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變
采用三位六通閥,其特點(diǎn)是有兩條供油路,其中一條是直通供油路,另一條是并聯(lián)供油路。由于這種油路調(diào)速方式是進(jìn)油節(jié)流調(diào)速和旁路節(jié)流調(diào)速同時(shí)起作用,其調(diào)速特性受負(fù)載壓力和油泵流量的影響,因此這種系統(tǒng)的操縱性能、調(diào)速性能和微調(diào)性能差。另外,當(dāng)液壓作用元件一起復(fù)合動(dòng)作時(shí),相互干擾大,使得復(fù)合動(dòng)作操縱非常困難。由于抽油機(jī)作業(yè)工程中要求對(duì)液壓元件能很好地控制其運(yùn)動(dòng)速度和進(jìn)行微調(diào),而且在其工作的許多工況下要求多個(gè)執(zhí)行元件完成復(fù)合動(dòng)作,而長(zhǎng)期以來(lái)使用的開式液壓系統(tǒng)無(wú)法滿足抽油機(jī)的調(diào)速和復(fù)合動(dòng)作的要求。近年來(lái)在國(guó)外的抽油機(jī)液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)了閉式負(fù)載敏感系統(tǒng)(CLSS)。它可以采用一個(gè)油泵同時(shí)向所有液壓作用元件供油,每一個(gè)液壓作用元件的運(yùn)動(dòng)速度只與操縱閥的閥桿行程有關(guān),與負(fù)載壓力無(wú)關(guān),泵的流量按需提供,而且多個(gè)液壓作用元件同時(shí)動(dòng)作時(shí)相互之間干擾小,因此操縱性好是閉式液壓系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。這種系統(tǒng)非常符合抽油機(jī)操作的要求,它操縱簡(jiǎn)單,對(duì)司機(jī)的操縱技巧要求低,在國(guó)際上己經(jīng)獲得較廣泛的使用,是抽油機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。目前日本小松公司已經(jīng)把大量抽油機(jī)液壓系統(tǒng)從開式系統(tǒng)改為閉式系統(tǒng)了。
(2) 節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用
目前液壓可急回抽油機(jī)典型的節(jié)能技術(shù)基本上有兩種。即負(fù)載敏感技術(shù)和負(fù)流量控制技術(shù),目前液壓抽油機(jī)都選用其中一種控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能要求。負(fù)載敏感技術(shù)是一種利用泵的出口壓力與負(fù)載壓力差值的變化而使系統(tǒng)流量隨之相應(yīng)變化的技術(shù)。德國(guó)曼內(nèi)斯曼(Mannesmann)公司研制的一種負(fù)載傳感系統(tǒng),將其安裝在液壓系統(tǒng)中,可以控制一個(gè)或幾個(gè)液壓作用元件,而與對(duì)其施加的載荷無(wú)關(guān)。該系統(tǒng)不僅易于操縱,而且微動(dòng)控制特性很好。其最大的特點(diǎn)就是可以根據(jù)負(fù)載大小和調(diào)速要求對(duì)油泵進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)在按需供流的同時(shí),使調(diào)速節(jié)流損失△P控制在很小的固定值,從而達(dá)到節(jié)能的目的lzs.e57負(fù)流量控制技術(shù)是通過(guò)位于主控制閥后面的節(jié)流閥建立的壓力對(duì)主泵的排量進(jìn)行調(diào)節(jié)的技術(shù)。日前以韓國(guó)現(xiàn)代(HYUNDAI)、日本小松(KOMATSU)和日本日立(HITACHI)為代表的許多國(guó)外著名品牌的抽油機(jī)生產(chǎn)商都在自己的抽油機(jī)液壓系統(tǒng)中使用了負(fù)流量控制技術(shù)。這種控制技術(shù)具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、可靠性和維修性好等特點(diǎn),但在起始點(diǎn)為重負(fù)荷下作業(yè)時(shí),因流量與負(fù)載有關(guān),所以可控制性較差[5]。
(3) 提高負(fù)載能力和可靠性
為了提高可急回抽油機(jī)的負(fù)載能力,直接的方法是提高其液壓系統(tǒng)工作壓力、流量和功率。目前,國(guó)際上先進(jìn)的抽油機(jī)產(chǎn)品的額定壓力大都在30MPa以上,并且隨著材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術(shù)方向發(fā)展的趨勢(shì);流量通常在每分鐘數(shù)百升;功率在數(shù)百千瓦以上。如德國(guó)Orensttein&Koppe制造的型全液壓抽油機(jī),鏟斗容量達(dá)42立方米液壓油源為18臺(tái)變量軸向柱塞泵,總流量高達(dá)100200
L/min,原動(dòng)機(jī)為2臺(tái)QSK60柴油發(fā)動(dòng)機(jī),總功率高達(dá)2014kW,由于液壓抽油機(jī)經(jīng)常在較惡劣環(huán)境下持續(xù)工作,其各個(gè)功能部件都會(huì)受到惡劣環(huán)境的影響。系統(tǒng)的可靠性日益受到重視。美、英、日等國(guó)家推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論,以替代傳統(tǒng)的無(wú)限壽命設(shè)計(jì)理論和方法,并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學(xué)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓抽油機(jī)強(qiáng)度研究方面,不斷提高設(shè)備的可靠性。美國(guó)提出了考核動(dòng)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法。日本制定了液壓抽油機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度評(píng)定程序,研制了可靠性信息處理系統(tǒng),使液壓抽油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到85%-95%,使用壽命超過(guò)1萬(wàn)小時(shí)。
(4) 重視操縱特性
可急回抽油機(jī)的操縱特性越來(lái)越受到重視。日前國(guó)際上迅速發(fā)展全液壓抽油機(jī),不斷改進(jìn)和革新控制方式,使可急回抽油機(jī)由簡(jiǎn)單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操作和電氣控制,無(wú)線電遙控、電子計(jì)算機(jī)綜合程序控制。各種高新技術(shù)的應(yīng)用,使得抽油機(jī)液壓系統(tǒng)操縱特性大大提高。
(5) 電子一液壓集成控制成為當(dāng)前主要研究目標(biāo)
電子控制技術(shù)與液壓控制技術(shù)相結(jié)合的電子一液壓集成控制技術(shù)近年來(lái)獲得了巨大發(fā)展,特別是傳感器、計(jì)算機(jī)和檢測(cè)儀表的應(yīng)用,使液壓技術(shù)和電子控制有機(jī)結(jié)合,開發(fā)和研制出了許多新型電液自動(dòng)控制系統(tǒng),提高了抽油機(jī)的自動(dòng)化程度,推動(dòng)著抽油機(jī)的迅猛發(fā)展。目前國(guó)外先進(jìn)品牌的抽油機(jī)在電液聯(lián)合控制方面的研究己趨成熟。美國(guó)林肯一貝爾特公司新C系列LS-5800型液壓抽油機(jī)安裝了全自動(dòng)控制液壓系統(tǒng),可自動(dòng)調(diào)節(jié)流量,避免了驅(qū)動(dòng)功率的浪費(fèi)。日本住友公司生產(chǎn)的FJ系列五中新型號(hào)抽油機(jī)配有與液壓回路連接的計(jì)算機(jī)輔助的功率控制系統(tǒng),利用精控模式選擇系統(tǒng),減少燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)功率和液壓功率的消耗,并延長(zhǎng)了零部件的使用壽命。
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究情況及發(fā)展動(dòng)態(tài)
從國(guó)內(nèi)情況來(lái)看,我國(guó)可急回抽油機(jī)行業(yè)整體發(fā)展水平較國(guó)外緩慢,在可急回抽油機(jī)液壓系統(tǒng)方面的理論還比較薄弱。國(guó)內(nèi)大部分可急回抽油機(jī)企業(yè)在可急回抽油機(jī)液壓系統(tǒng)傳統(tǒng)技術(shù)方面的研究具有一定基礎(chǔ),但由于采用傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的抽油機(jī)產(chǎn)品在性能、質(zhì)量、作業(yè)效率、可靠性等方面均較差,因此采用傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的抽油機(jī)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上基本失去了競(jìng)爭(zhēng)力,取而代之的是采用各種高新技術(shù)的國(guó)外抽油機(jī)產(chǎn)品。先進(jìn)的抽油機(jī)液壓系統(tǒng)都被國(guó)際上一流的生產(chǎn)企業(yè)壟斷,國(guó)內(nèi)企業(yè)在該領(lǐng)域的研究幾乎是空白,這樣國(guó)內(nèi)的抽油機(jī)生產(chǎn)廠家就無(wú)法獨(dú)立制造出性能優(yōu)異的抽油機(jī),絕大部分的市場(chǎng)份額都被國(guó)外各種品牌的抽油機(jī)所占據(jù)。以20t級(jí)的中型液壓抽油機(jī)為例,國(guó)產(chǎn)20t級(jí)抽油機(jī)大多數(shù)是歐洲80年代初的技術(shù),同90年代初以來(lái)在國(guó)內(nèi)形成批量的日本小松、日立、神鋼以及韓國(guó)大宇、現(xiàn)代等機(jī)型相比,其主要差距柴油機(jī)功率偏低,液壓系統(tǒng)流量偏小,液壓系統(tǒng)特性差,導(dǎo)致平臺(tái)回轉(zhuǎn)速度低,行走速度低,各種性能參數(shù)均偏小,整機(jī)性能和作業(yè)效率較國(guó)外偏低[6]。
1.3 本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容
可急回抽油機(jī)系統(tǒng)方面的技術(shù)多種多樣,本文主要通過(guò)國(guó)外幾種知名品牌的抽油機(jī)液壓系統(tǒng)為參考對(duì)象,對(duì)其現(xiàn)有的關(guān)鍵技術(shù)和控制方式進(jìn)行比較和研究,為抽油機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考信息。
(1) 可急回抽油機(jī)液壓系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)的分析研究
大量搜集國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)液壓系統(tǒng)方面的相關(guān)技術(shù)資料,系統(tǒng)了解可急回抽油機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展歷史。分析總結(jié)抽油機(jī)液壓系統(tǒng)方面的研究現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)。
(2) 可急回抽油機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
對(duì)液壓抽油機(jī)一個(gè)工作循環(huán)中的四種工況一挖掘工況、滿斗舉升回轉(zhuǎn)工況、卸載工況和卸載返回工況進(jìn)行了詳細(xì)的分析,總結(jié)了每個(gè)工況下各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要復(fù)合動(dòng)作。根據(jù)液壓抽油機(jī)的主要工作特點(diǎn),系統(tǒng)地總結(jié)了抽油機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求:動(dòng)力性要求和操縱性要求。
(3) 可急回抽油機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
分析了傳統(tǒng)可急回抽油機(jī)液壓系統(tǒng)中的單泵定量系統(tǒng)、雙泵定量系統(tǒng)和雙變量泵液壓系統(tǒng),詳細(xì)分析了其主要優(yōu)點(diǎn)和存在的問(wèn)題。本文在分析研究了抽油機(jī)液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,根據(jù)抽油機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)了一套適合我國(guó)生產(chǎn)制造的單斗抽油機(jī)液壓系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)旨在采用通用的多路閥系統(tǒng),配以專用控制閥和簡(jiǎn)單的伺服控制系統(tǒng)[7]。
第二章 系統(tǒng)組成及控制要求
2.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介
為改善生產(chǎn)環(huán)境,某公司投資清潔水技改工程并建成一座日產(chǎn)水2.5萬(wàn)頓的供水系統(tǒng),分別建設(shè)了抽水泵系統(tǒng)、加壓泵系統(tǒng)和高位水池。根據(jù)公司用水需求特點(diǎn),從抽水泵系統(tǒng)過(guò)來(lái)的水一部分直接供給生產(chǎn)用水部門,一部分則需通過(guò)加壓泵輸送到高位水池,而供給生產(chǎn)用水部門的水壓與供給高位水池的水壓相差較大。同時(shí)高位水池距抽水泵房較遠(yuǎn)達(dá)十多公里,高位水池的液位高低和加壓泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及如何與抽水泵系統(tǒng)“聯(lián)動(dòng)”也是較難解決的。
鑒于以上特點(diǎn),從技術(shù)可靠和經(jīng)濟(jì)實(shí)用角度綜合考慮,我們?cè)O(shè)計(jì)了用PLC控制與變頻器控制相結(jié)合的自動(dòng)恒壓控制供水系統(tǒng),同時(shí)通過(guò)主水管線壓力傳遞較經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)了加壓泵系統(tǒng)與抽水泵系統(tǒng)“遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)”的控制目的
2.2系統(tǒng)組成
系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī),變頻器,PLC控制器,軟起動(dòng)器,電機(jī)保護(hù)器數(shù)據(jù)采集及其輔助設(shè)備組成。
2.3控制要求及技術(shù)指標(biāo)
1:供水壓力要求恒定,波動(dòng)一定要小,尤其在換泵時(shí)。
2:三臺(tái)泵根據(jù)壓力的設(shè)定,采用“先開先?!钡脑瓌t。
3:為了防止一臺(tái)泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,需設(shè)定運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)時(shí)間到時(shí),自動(dòng)切換到下一抬泵,以防止泵長(zhǎng)時(shí)間不用而銹死。
4:要有完善的保護(hù)和報(bào)警功能。
5:為了檢修和應(yīng)急要設(shè)有手動(dòng)功能。
6:需要有水池防抽空功能。
技術(shù)指標(biāo)
●供水揚(yáng)程: 4—120 m
●供水流量: 2—2000 m3/h
●水泵功率: 0.55—75 KW
●平均節(jié)電率: 30—60%
●壓力調(diào)節(jié)精度:0.01Mpa
●預(yù)定壓力設(shè)定數(shù):第1、2壓力。其中第2壓力設(shè)定值為消防用水壓力。
● 水泵數(shù)量及功率可根據(jù)用戶實(shí)際情況來(lái)選定。
2.4變頻器的技術(shù)參數(shù)
ABB ACS400是具有多種功能的變頻器,在本例中由于已選PID調(diào)節(jié)器,因此就不用變頻器的內(nèi)部PID調(diào)節(jié),而只用變頻器的工廠宏FACTORY(0)就可以了。壓力傳感器將壓力信號(hào)傳給PID調(diào)節(jié)器,PID調(diào)節(jié)器根據(jù)壓力設(shè)定,輸出4~20MA給變頻器以調(diào)節(jié)電機(jī)的速度,變頻器的運(yùn)行要根據(jù)可編程序控制器輸出Q1.0(DCOM1-DI2)是否閉合來(lái)確定,變頻器的停止要根據(jù) 編程序控制器輸出Q0.7(DCOM1-DI1)是否閉合來(lái)確定。將變頻器
內(nèi)部可編程繼電器RO1,RO2設(shè)定成頻率到達(dá)。相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下:
代碼 功能 設(shè)定值 代碼 功能 設(shè)定值
9902 APPLIC MACRO 0 2102 STOP FUNCTION 1
1001 EXICOMMANDS 3 3201 SUPERV1 PARAM 0103
1003 DIRECTION 1 3202 SUPERV1 LIMLO 15HZ
1102 EXT1/EXT2 6 3203 SUPERV1 LIMHI 50HZ
1103 EXT REF1 SEL 0 3204 SUPERV1V2PARAM0103
第三章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1確定控制方案
1) 工頻手動(dòng)方式
系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)工頻的操作方式,將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“工頻”檔位,操作人員可以根據(jù)需要自己決定起動(dòng)或停止任意一臺(tái)泵的運(yùn)行。由于在該操作方式下,PLC、PID、變頻器等均不參加控制,因此,從技術(shù)角度上來(lái)說(shuō),該方式無(wú)法保障出水管網(wǎng)壓力值的恒定,所以必須有人監(jiān)守。該方式主要供PLC、變頻器、PID儀表、壓力變送器等設(shè)備故障檢修時(shí)使用。
2) 變頻自動(dòng)方式
將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“變頻”檔位,按下變頻起動(dòng)按鈕,系統(tǒng)將自動(dòng)判斷并選擇起始變頻運(yùn)行泵入口,進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行。
3) 工作原理
(1) 當(dāng)某臺(tái)電機(jī)故障或需要檢修某臺(tái)電機(jī)水泵時(shí),控制系統(tǒng)將退減到3泵循環(huán)方式自動(dòng)工作;
(2) 當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí),控制系統(tǒng)將采用工頻驅(qū)動(dòng)方式控制泵的運(yùn)行與停止,來(lái)保證供水的壓力在一定的范圍內(nèi),但系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到壓力值的恒定,同時(shí)發(fā)出報(bào)警蜂鳴聲響,通知操作人員進(jìn)行處理;
(3) 當(dāng)無(wú)水接點(diǎn)信號(hào)來(lái)臨時(shí),PLC將關(guān)斷所有變頻和工頻輸出,直到無(wú)水接點(diǎn)信號(hào)消失,PLC將自動(dòng)恢復(fù)控制輸出;
(4) 當(dāng)消防信號(hào)到來(lái)時(shí),PLC控制將轉(zhuǎn)入子程序段執(zhí)行,關(guān)斷生活用水,打開消防供水閥,實(shí)現(xiàn)對(duì)消防管道補(bǔ)充供水目的,系統(tǒng)將根據(jù)在PLC程序中設(shè)置的消防供水壓力設(shè)定值自動(dòng)地完成恒定穩(wěn)壓消防供水。當(dāng)消防信號(hào)解除后,系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到變頻恒壓供水工作狀態(tài);
(5) 僅單臺(tái)泵變頻運(yùn)行,且處于最低輸出頻率狀態(tài)和較長(zhǎng)時(shí)間無(wú)壓力上下限出現(xiàn)時(shí)(可以認(rèn)為此時(shí)的系統(tǒng)供水需求量接近為零),控制系統(tǒng)將以變頻50Hz運(yùn)行30s或使管網(wǎng)壓力達(dá)到設(shè)定值的1.2倍左右后,立即停止運(yùn)行,進(jìn)入休眠狀態(tài),直到管網(wǎng)實(shí)際壓力為壓力設(shè)定值的80%左右,控制系統(tǒng)重新自動(dòng)恢復(fù)變頻運(yùn)行,即休眠喚醒。當(dāng)然,管網(wǎng)中若有氣壓罐,系統(tǒng)應(yīng)以氣壓罐的壓力控制器的上下限接點(diǎn)作為休眠與喚醒的條件進(jìn)行控制
3.1.1抽水泵系統(tǒng)
整個(gè)抽水泵系統(tǒng)有150KW深井泵電機(jī)四臺(tái),90KW深井泵電機(jī)兩臺(tái),采用變頻器循環(huán)工作方式,六臺(tái)電機(jī)均可設(shè)置在變頻方式下工作。采用一臺(tái)150KW和一臺(tái)90KW的軟起動(dòng)150KW和90KW的電機(jī)。當(dāng)變頻器工作50HZ,管網(wǎng)壓力仍然低于系統(tǒng)設(shè)定的下限時(shí),軟起動(dòng)器便自動(dòng)起動(dòng)一臺(tái)電機(jī)投入到工頻運(yùn)行,當(dāng)壓力達(dá)到高限時(shí),自動(dòng)停掉工頻運(yùn)行電機(jī)。系統(tǒng)為每臺(tái)電機(jī)配備電機(jī)保護(hù)器,是因?yàn)殡姍C(jī)功率較大,在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行;當(dāng)用水量大到變頻器全速運(yùn)行也在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行;當(dāng)用水量大到變頻器全速運(yùn)行也不能保證管網(wǎng)的壓和穩(wěn)定時(shí),控制器的壓力下限信號(hào)與變頻器的高速信號(hào)同時(shí)被 PLC檢測(cè)到,PLC自動(dòng)將原工作在變頻狀態(tài)下泵投入到工頻運(yùn)行,以保持壓力的連續(xù)性,同時(shí)將一臺(tái)備用的泵用變頻器起動(dòng)后投入運(yùn)行,以加大管網(wǎng)的供水量保證壓力穩(wěn)定。若兩臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)仍,則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行,而將另一臺(tái)備用泵投入變頻運(yùn)行。當(dāng)用水量減少時(shí),首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號(hào)有效,這時(shí)壓力上限信號(hào)如仍出現(xiàn),PLC首先將工頻運(yùn)行的泵停掉,以減少供水量。當(dāng)上述兩個(gè)信號(hào)仍存在時(shí),PLC再停掉一臺(tái)工頻運(yùn)行的電機(jī),直到最后一臺(tái)泵用主頻器恒壓供水。另外,控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)六臺(tái)泵為兩組,每臺(tái)泵的電機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間可顯示,24小時(shí)輪換一次,既保證供水系統(tǒng)有備用泵,又保證系統(tǒng)的泵有相同的運(yùn)行時(shí)間,確保了泵的可靠壽命。
3.1.2半自動(dòng)運(yùn)行
當(dāng)PLC系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),自動(dòng)控制系統(tǒng)失靈,這時(shí)候系統(tǒng)工作處于半自動(dòng)狀態(tài),即一臺(tái)泵具有變頻自動(dòng)恒壓控制功能,當(dāng)用水量不夠時(shí),可手動(dòng)投入另外一臺(tái)或幾臺(tái)工頻泵運(yùn)行。
3.1.3手動(dòng)
當(dāng)壓力傳感器故障或變頻器故障時(shí),為確保用水,六臺(tái)泵可分別以手動(dòng)工頻方式運(yùn)行。實(shí)施效果實(shí)際運(yùn)行證明本控制系統(tǒng)構(gòu)成了多臺(tái)深井泵的自動(dòng)控制的最經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu),在軟件設(shè)計(jì)中充分考虎變頻與工頻在切換時(shí)的瞬間壓力與電流沖擊,每臺(tái)泵均采用軟起動(dòng)是解決該問(wèn)題關(guān)鍵。變頻器工作的上下限頻率及數(shù)字PID控制的上下限控制點(diǎn)的設(shè)定對(duì)系統(tǒng)的誤差范圍也有不可忽視的作用。采用變頻恒壓供水,消除了主管網(wǎng)壓力波動(dòng),保證了供水質(zhì)量,而且節(jié)能效果明顯,并延長(zhǎng)了主管網(wǎng)及其閥門的使用壽命。另外:
◆采用變頻恒壓供水,消除了主管網(wǎng)壓力波動(dòng),保證了供水質(zhì)量,而且節(jié)能效果明顯,并延長(zhǎng)了主管網(wǎng)及其閥門的使用壽命。
◆用穩(wěn)壓減壓閥經(jīng)濟(jì)地解決了不同用水壓力的問(wèn)題。
◆拓寬運(yùn)用變頻恒壓控制原理,較好地解決了加壓泵房與抽水泵房的遠(yuǎn)程通訊總是并達(dá)到異地連鎖控制的目的。
◆在抽水泵房設(shè)置連續(xù)液位顯示,并將信號(hào)傳與PLC,防止泵缺水燒壞電機(jī),設(shè)定的取水位置,確保水的質(zhì)量。
過(guò)載、欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、相序不平衡、缺相、電機(jī)空轉(zhuǎn)等情況下為確保電機(jī)的良好使用條件,達(dá)到延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命的目的。
系統(tǒng)配備水位顯示儀表,可進(jìn)行高低位報(bào)警,同時(shí)通過(guò)PLC可確保取水在合理水位的水質(zhì)監(jiān)控,同時(shí)也保護(hù)電機(jī)制正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況。
系統(tǒng)配備流量計(jì),既能顯示一段時(shí)間的累積流量,又能顯示瞬時(shí)流量,可進(jìn)行出水量的統(tǒng)計(jì)和每臺(tái)泵的出水流量監(jiān)控。系統(tǒng)配備流量計(jì),既能顯示一段時(shí)間的累積流量,又能顯示瞬時(shí)流量,可進(jìn)行出水量的統(tǒng)計(jì)和每臺(tái)泵的出水流量監(jiān)控。
3.1.4加壓泵系統(tǒng)
由于抽水泵房距離高位水池較遠(yuǎn),直接供水到高位水池抽水泵的揚(yáng)程不足,為此在距離高位水池落差為36米處設(shè)計(jì)有一加壓泵房,配備立式離心泵兩臺(tái)(一用一備)電機(jī)功率為75KW,揚(yáng)程36米。該加壓泵的控制系統(tǒng)需考慮以下條件:
(1)若高位水池水位低和主管有水,則打開進(jìn)水電動(dòng)蝶閥和起動(dòng)加壓泵向高位水池供水;
(2)若高位水池水位滿且主管有水,則給出報(bào)警信號(hào)并關(guān)閉加壓泵和進(jìn)水電動(dòng)蝶閥;
(3)若主管無(wú)水表明用水量增大或抽水泵房停止供水,必須開啟出水電動(dòng)蝶閥由高位水池向主管補(bǔ)充不。像抽水泵一樣,我們?yōu)榧訅罕门鋫淞塑浧饎?dòng)器和電機(jī)保護(hù)器,確保加壓泵長(zhǎng)期可靠地運(yùn)轉(zhuǎn),同時(shí)配備了高位水池的水位傳感器和數(shù)顯儀和缺水傳感器。為保證整個(gè)主水管網(wǎng)的恒壓供不,當(dāng)高位水池滿且主水管有水時(shí),加壓泵停止,此時(shí)主管壓力將“憋壓”,最終導(dǎo)致主管壓力上升,并將此壓力傳遞到抽水泵房,抽水泵的控制系統(tǒng)檢測(cè)到此壓力進(jìn)行恒壓變頻控制,進(jìn)而達(dá)到整個(gè)主管網(wǎng)的恒壓供水,這是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
3.1.5系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能
◆自動(dòng)平穩(wěn)切換,恒壓控制主水管網(wǎng)壓力傳感器的壓力信號(hào)4~20mA送給數(shù)字PID控制器,控制器根據(jù)壓力設(shè)定值與實(shí)際檢測(cè)值進(jìn)行PID運(yùn)算,并給出信號(hào)直接控制變頻器的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。
◆電機(jī)既有電機(jī)保護(hù)器,又有軟起動(dòng)器,克服了起動(dòng)時(shí)的大電流沖擊,相對(duì)延長(zhǎng)了電機(jī)制使用壽命。
◆由于采用PLC控制的壓力自動(dòng)控制,可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人遠(yuǎn)程操作,系統(tǒng)的PLC預(yù)留有RS485接口,可與總調(diào)度室計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。
3.2主電路設(shè)計(jì)
主電路主要由M1、M2、M3三臺(tái)電機(jī)、交流接觸器KM1~KM6控制三臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行,KM1、KM2、KM3為電機(jī)M1、M2、M3過(guò)載保護(hù)用的熱繼電器,QF1,QF2,QF3,QF4,QF5分別為主電路、變頻器和三臺(tái)泵的工頻運(yùn)行空氣開關(guān)。KM1、KM3、KM5實(shí)現(xiàn)自動(dòng)功能,KM2、KM4、KM6實(shí)現(xiàn)手動(dòng)功能。
3.3PLC的接線圖
CPU224的傳感器電源24V(DC)可以輸出600MA電流,通過(guò)核算在本例中容易滿足要求,CPU224的輸出繼電器觸點(diǎn)容量為2A,電壓范圍為5~30V(DC)或5~250V(AC),如果用在較大容量的系統(tǒng)中,一定要注意PLC的輸出保護(hù)。I01~I06接控制電路圖中虛線筐內(nèi)相對(duì)應(yīng)的控制線,201接變頻器的DCOM1,202~203接變頻器的DI1~DI2,變頻器的RO1的常開點(diǎn)接到PLC的I0.0,R02的常開觸點(diǎn)接到PLC的I0.1。
3.4控制電路圖
本系統(tǒng)的電氣控制線路的電路圖中,SA為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān),KA為手動(dòng)/自動(dòng)中間繼電器,打開1位置為手動(dòng)狀態(tài),打開2位置為自動(dòng)狀態(tài),同時(shí)KA吸合。在手動(dòng)狀態(tài),可以按動(dòng)SB1~SB6控制三臺(tái)泵的起停。在自動(dòng)狀態(tài)時(shí),系統(tǒng)根據(jù)PLC的程序運(yùn)行,自動(dòng)控制泵的起停。HL1~HL8為各種運(yùn)行指示燈。中間繼電器KA的常開觸點(diǎn)接I03,控制自動(dòng)狀態(tài)時(shí)的起動(dòng)。中間繼電器的KA的三個(gè)常閉觸點(diǎn)接在三臺(tái)泵的手動(dòng)控制電路上,控制三臺(tái)泵的手動(dòng)運(yùn)行。在自動(dòng)狀態(tài)時(shí),三臺(tái)泵在PLC的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運(yùn)行。KH1,KH2,KH3為三臺(tái)泵的熱繼電器的常閉觸點(diǎn),可對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。
3.5程序設(shè)計(jì)
在主程序中,T56,T57為變頻器頻率上、下限到達(dá)濾波時(shí)間繼電器,,主要用于穩(wěn)定系統(tǒng),VB200為變頻泵的泵號(hào),VB201為工頻運(yùn)行泵的總臺(tái)數(shù),VD260為倒泵時(shí)間存儲(chǔ)器。
4 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
WY200液壓履帶式抽油機(jī)采用全功率變量系統(tǒng),先導(dǎo)液壓操縱,整體式多路閥等先進(jìn)結(jié)構(gòu)。該機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊,操作輕便,使用維護(hù)安全可靠,發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)作業(yè)需要可配備0.5-1.25立方米四種反鏟斗及斗容為1.0和1.25立米方的兩種正鏟斗。廣泛用于建筑施工、市政工程、水電、國(guó)防工程和一般礦山采掘,挖掘I-VI級(jí)土壤[23]。
4.1 液壓系統(tǒng)方案及參數(shù)確定
表4.1 WY200C液壓履帶式抽油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
項(xiàng)目名稱
單位?
數(shù) 值?
標(biāo)準(zhǔn)斗容量
m3
1
發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)
6135K-16
發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定輸出功率
kW/r/min
106/2100
最大挖掘半徑?
m
10.4
最大挖掘高度?
m3/h
7.78
最大挖掘深度?
m
6.46
最大卸載高度
m
5.7
回轉(zhuǎn)速度
r/min
0-13.2
行走速度
km/h
*0-5.5
爬坡能力
%
70
作業(yè)循環(huán)時(shí)間
S
18-22
主機(jī)長(zhǎng)/寬度
MPa
0.077
履帶平均接地比壓
MPa
0.048
發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù)
r/min
2100
整機(jī)質(zhì)量
t
20.8
理論生產(chǎn)率
m3/h
200
最大挖掘力
kN
142
系統(tǒng)工作壓力
MPa
36
履帶板寬度
m
0.6
主機(jī)運(yùn)輸尺寸(長(zhǎng)X寬X高)
mm
9850x3000x3100
執(zhí)行元件是液壓系統(tǒng)的輸出部分,必須滿足機(jī)器設(shè)備的運(yùn)動(dòng)功能、性能要求和結(jié)構(gòu)、安裝上的限制。根據(jù)所要求的負(fù)載運(yùn)動(dòng)形態(tài),選用不同的執(zhí)行元件配置,如下表4.2所示
表 4.2 執(zhí)行元件配置
運(yùn) 動(dòng) 方 式
執(zhí) 行 元 件
左行走
右行走
直性行走
左液壓馬達(dá)
右液壓馬達(dá)
左液壓馬達(dá)+右液壓馬達(dá)
工作裝置
外擺內(nèi)收
動(dòng)臂液壓缸
斗桿液壓缸
鏟斗液壓缸
回轉(zhuǎn)
擺動(dòng)液壓馬達(dá)
4.2 執(zhí)行元件液壓缸及系統(tǒng)壓力的初選
由于鏟斗的內(nèi)收是為了鏟料,而外擺是為了卸料,工作裝置采用了兩根動(dòng)臂液壓缸、一根斗桿、一根鏟斗油缸。要使機(jī)構(gòu)正常工作且具有平穩(wěn)性,兩動(dòng)臂液壓缸必須同步運(yùn)動(dòng),這就要求任何時(shí)刻進(jìn)出油路的壓力油,必須保持一定的壓力平衡。為此,采用平衡閥控制油路中液壓油的壓力值[24]。
根據(jù)抽油機(jī)主要用于建筑施工、礦山的特點(diǎn),本設(shè)計(jì)選擇雙作用單活塞桿式液壓缸。
(1) 液壓缸參數(shù)的選擇
每斗料的重量
M = 1.21.65 = 1980 (Kg) (4.1)
G = mg = 19809.8 = 19404 (KN) (4.2)
由卸料斗的尺寸圖按極限情況計(jì)算得
所挖斗料自重G與鏟斗液壓缸產(chǎn)生的推力F在卸料斗底板軸承鉸接處轉(zhuǎn)距平衡
即 F拉L1 = GL2 (4.3)F拉374.5 = 194041206
得 (KN)
工作壓力的選定關(guān)系到設(shè)計(jì)出和系統(tǒng)是否經(jīng)濟(jì)合理;工作壓力低,則要求執(zhí)行元件的容量大,即尺寸大、重量重,系統(tǒng)所需流量也大;壓力過(guò)高,則對(duì)元件的制造精度和系統(tǒng)的使用維護(hù)要求提高,并使容積效率降低。一般是根據(jù)機(jī)械的類型來(lái)選擇工作壓力。
執(zhí)行元件工作壓力可以根據(jù)總負(fù)載值或者主機(jī)設(shè)備類型選取,如表2.3與表2.4所示。
表4.3 負(fù)載和工作壓力之間的關(guān)系
負(fù)載F/KN
<10
10—20
70—140
140—250
>250
工作壓力
P/MPa
0.8-1.2
1.5-2.5
10—14
18—21
32
表4.4 各類機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力
設(shè)備類型
精加工機(jī)床
組合機(jī)床
拉 床
農(nóng)業(yè)機(jī)械、小型工程機(jī)械、工程機(jī)械輔助機(jī)構(gòu)
液壓機(jī)、重型機(jī)械、大中型抽油機(jī)、起重運(yùn)輸機(jī)械
工作壓力
P/Mpa
0.8-2
3-5
5-10
1-16
16-32
由負(fù)載值大小查上表,參考同類型抽油機(jī),取液壓缸工作壓力為25MPa安裝方式選擇缸頭耳環(huán)帶襯套,活塞桿端連接方式選擇桿端外螺紋桿頭耳環(huán)帶襯套。又因其伸縮速度緩慢但壓力大,故選擇帶緩沖,油口連接方式選擇外螺紋[25]。
4.3 計(jì)算工作裝置鏟斗液壓缸的主要尺寸
活塞桿直徑d與缸筒內(nèi)徑D的計(jì)算
受拉時(shí): d=(0.3-0.5)D
受壓時(shí): d=(0.5-0.55)D (p1<5mpa) d=(0.6-0.7)D(5mpa< p1<7mpa) d=0.7D(p1>7mpa)
(1) 液壓油缸的缸徑、桿徑和工作壓力確定
根據(jù)技術(shù)條件:確定液壓缸徑和桿徑及行程為:缸徑D=Φ125mm,桿徑d=0.7D=Φ85mm 由此計(jì)算出液壓系統(tǒng)工作壓力為:
P= (4.4)
=(2847×103)/(π×(1252-852))
=32MPa
式中F為鎖緊力,F(xiàn)=284KN
(2) 缸筒壁厚計(jì)算
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),在此液壓系統(tǒng)中,3.2≤D/δ<16,故缸筒壁厚應(yīng)用中等壁厚計(jì)算公式,此時(shí):
δ= +C (4.5)
ψ:強(qiáng)度系數(shù),對(duì)無(wú)縫鋼管, ψ=1C:用來(lái)圓整壁厚數(shù) Py:液壓缸內(nèi)最高工作壓力。Py=10Mpa D:缸筒內(nèi)徑
[σ]= [σs]/2.5=175/2.5=70MPa
δ=10×220/(2.3×60-3×10)+C=25mm
故油缸缸筒外圓取D1=125mm.
(3) 缸筒強(qiáng)度校核
根據(jù)SL41-93,缸體合成應(yīng)力按下式計(jì)算:
σzh1=≤[σ] (4.6)
式中:[σ]=60MPa
σz1:縱向應(yīng)力: σz1==22MPa (4.7)σh1:環(huán)向應(yīng)力: σh1==75 MPa (4.8)
P:工作壓力,P=32MPa
D:油缸缸徑,D=Φ125mm
d:油缸桿徑,d=Φ85mm
δ:缸筒壁厚,δ=13.5mm
終計(jì)算, σzh1==53.2 MPa <70 MPa
即: σzh1< [σ],符合要求.
(4) 活塞桿長(zhǎng)度和缸筒長(zhǎng)度計(jì)算
根據(jù)設(shè)計(jì)要求的行程,來(lái)設(shè)計(jì)活塞桿的長(zhǎng)度;本油缸的行程為1020mm,故油缸的活塞桿的長(zhǎng)度為1265mm,缸筒的長(zhǎng)度為1500mm。
(5) 活塞桿強(qiáng)度計(jì)算
活塞桿受拉力最危險(xiǎn)截面是兩端連接螺紋的退刀槽橫截面,(取截面直徑較少值)其應(yīng)力計(jì)算如下 :
σn=≤[σ] (4.9)
式中σ為拉應(yīng)力: σ= (4.10) τ為剪應(yīng)力: τ= (4.11)
上面兩公式中,K:螺紋擰緊系數(shù),此處取K=1.25
K1:螺紋內(nèi)摩擦系數(shù),一般取K1=0.12
d1:活塞桿危險(xiǎn)截面處直徑,d1=80mm
d0:螺紋外徑,d0=82mm
[σ]:70MPa
則:σ==38.4Mpa τ==25.9Mpa 得: σn=64.3MPa
所以: σn< [σ],符合工況要求[26]。
(6) 下蓋聯(lián)接螺釘強(qiáng)度校核計(jì)算
螺釘聯(lián)接采用高強(qiáng)度螺釘M20×80(GB/T70.1-2000)聯(lián)接,兩端數(shù)量均為24件,螺釘精度等級(jí)為10.9級(jí),其強(qiáng)度校核,按照公式(4.10)、(4.11)。
拉應(yīng)力: σ==184.8 MPa
剪應(yīng)力: τ==83.92 MPa
K:螺紋擰緊系數(shù),此處取K=1.25
K1: 螺紋摩擦系數(shù),一般取K1=0.12
d1:螺紋內(nèi)徑,d1=16.752mm d0:螺紋外徑,d0=20mm
Z:24
σs螺釘材料屈服強(qiáng)度,σs≥900Mpa(10.9級(jí))
[σ]= [σs]/2=450Mpa
得:σn=≈235.12MPa<[σ] 符合工況要求
(7) 活塞桿柔度校核計(jì)算
活塞桿細(xì)比計(jì)算如下: λ=≤[λ] (4.12)
此處:L為折算長(zhǎng)度,導(dǎo)向套中心至吊頭尺寸,約1500mm
活塞桿直徑d=85mm,
[λ]活塞桿許用細(xì)長(zhǎng)比,按規(guī)定拉力桿此處[λ]≤100。
計(jì)算得λ=4×1265/85=59.5<[λ],故滿足要求。
4.4 液壓系統(tǒng)原理圖的制定
4.4.1 制定基本方案
(1) 制定調(diào)速方案
液壓執(zhí)行元件確定之后,其運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度的控制是擬定液壓回路的核心問(wèn)題。方向控制用換向閥或邏輯控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于一般中小流量的液壓系統(tǒng),大多通過(guò)換向閥的有機(jī)組合實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作。對(duì)高壓大流量的液壓系統(tǒng),現(xiàn)多采用插裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。速度控制通過(guò)改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)整方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者的結(jié)合——容積節(jié)流調(diào)速。節(jié)流調(diào)速一般采用定量泵供油,用流量控制閥改變輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量來(lái)調(diào)節(jié)速度。此種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,由于這種系統(tǒng)必須用閃流閥,故效率低,發(fā)熱量大,多用于功率不大的場(chǎng)合。容積調(diào)速是靠改變液壓泵或液壓馬達(dá)的排量來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。其優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有溢流損失和節(jié)流損失,效率較高。但為了散熱和補(bǔ)充泄漏,需要有輔助泵。此種調(diào)速方式適用于功率大、運(yùn)動(dòng)速度高的液壓系統(tǒng)。容積節(jié)流調(diào)速一般是用變量泵供油,用流量控制閥調(diào)節(jié)輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量,并使其供油量與需油量相適應(yīng)。此種調(diào)速回路效率也較高,速度穩(wěn)定性較好,但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。節(jié)流調(diào)速又分別有進(jìn)油節(jié)流、回油節(jié)流和旁路節(jié)流三種形式。進(jìn)油節(jié)流起動(dòng)沖擊較小,回油節(jié)流常用于有負(fù)載荷的場(chǎng)合,旁路節(jié)流多用于高速。調(diào)速回路一經(jīng)確定,回路的循環(huán)形式也就隨之確定了。節(jié)流調(diào)速一般采用開式循環(huán)形式。在開式系統(tǒng)中,液壓泵從油箱吸油,壓力油流經(jīng)系統(tǒng)釋放能量后,再排回油箱。開式回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,散熱性好,但油箱體積大,容易混入空氣。容積調(diào)速大多采用閉式循環(huán)形式。閉式系統(tǒng)中,液壓泵的吸油口直接與執(zhí)行元件的排油口相通,形成一個(gè)封閉的循環(huán)回路。其結(jié)構(gòu)緊湊,但散熱條件差[27]。
經(jīng)過(guò)上述分析此方案選用?容積節(jié)流調(diào)速。
(2) 制定壓里控制方案
控制元件(即各種液壓閥)在液壓系統(tǒng)中控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向。根據(jù)控制功能的不同,液壓閥可分為村力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥又分為益流閥(安全閥)、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等;流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流集流閥等;方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方式不同,液壓閥可分為開關(guān)式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。
液壓抽油機(jī)控制系統(tǒng)是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件(液壓缸、液壓馬達(dá))等所構(gòu)成的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行控制的系統(tǒng)。按控制功能,可分為位置控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)和力(或壓力)控制系統(tǒng);按控制元件,可分為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、液壓泵控制系統(tǒng)、多路換向閥控制系統(tǒng)、執(zhí)行元件控制系統(tǒng)和整機(jī)控制系統(tǒng)。
液壓控制閥控制系統(tǒng):
①先導(dǎo)型控制系統(tǒng) 換向控制閥的控制形式有直動(dòng)型(用手柄直接操縱換向閥主閥芯,目前少用)和先導(dǎo)型兩種。后者是用先導(dǎo)閥控制先導(dǎo)油液,再用先導(dǎo)油液控制換向閥的主閥芯,它又分為機(jī)液先導(dǎo)型和電液先導(dǎo)型兩類。
②負(fù)荷傳感控制系統(tǒng) 它包括負(fù)荷傳感控制閥和負(fù)荷傳感控制泵(或定量泵)。閥控系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是節(jié)流式系統(tǒng)。在液壓抽油機(jī)上,目前常用的是一般的三位六通多路閥,其滑閥的微調(diào)性能和復(fù)合操作性能差。20世紀(jì)90年代以來(lái),在液壓抽油機(jī)上開始采用負(fù)荷傳感控制系統(tǒng),其控制閃不論是中位開式方式還是中位閉式方式,都附帶有壓力補(bǔ)償閥。采用電子控制壓力補(bǔ)償?shù)囊簤撼橛蜋C(jī)液壓系統(tǒng)與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)比較,負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是:節(jié)省能源消耗。普通三位六通換向閥無(wú)論采用定量泵還是變量泵,總要有一部分油液經(jīng)溢流閥溢掉,浪費(fèi)了能量。而使用負(fù)荷傳感變量系統(tǒng),泵的流量全部用于負(fù)載上,泵的壓力僅比負(fù)荷壓力大1-3Mpa;流量控制精度高,不受負(fù)荷壓力變化的影響;幾個(gè)執(zhí)行元件可以同步運(yùn)動(dòng)或以某種速比運(yùn)動(dòng),且互不干擾。普通三位六通閥系統(tǒng)用的是并聯(lián)油路,當(dāng)幾個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)動(dòng)作時(shí),泵輸出的油液首先流向壓力低的執(zhí)行元件,不能同步。
??? 上述的負(fù)荷傳感控制閥只解決了滑閥的微調(diào)性能和復(fù)合操作性能,而沒(méi)有解決節(jié)省能源問(wèn)題。定量泵和負(fù)荷傳感控制閥的系統(tǒng)也沒(méi)有節(jié)省能源消耗,因?yàn)楸盟敵龅牧髁砍^(guò)執(zhí)行元件(液壓缸和液壓馬達(dá))所需要的流量時(shí),多余的油液經(jīng)壓力補(bǔ)償閥流回油箱(為保持壓差恒定)變?yōu)闊崮?。只有完全?fù)荷傳感控制系統(tǒng)才能解決節(jié)省能源問(wèn)題。完全負(fù)荷傳感控制系統(tǒng) 完全負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)由負(fù)荷傳感控制閥和負(fù)荷傳感控制變量泵組成
帶次級(jí)壓力補(bǔ)償閥的負(fù)荷傳感系統(tǒng)德國(guó)力士樂(lè)公司等)在其生產(chǎn)的液壓抽油機(jī)上設(shè)置了負(fù)荷傳感分流器LUOV(Last Unabhangige Durchfluss Vereilung)系統(tǒng),其主要作用是:當(dāng)多個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)工作、所需的流量大于液壓泵的流量時(shí),產(chǎn)生供油不足的現(xiàn)象,這不能使正在工作臺(tái)的執(zhí)行元件與負(fù)載壓力無(wú)關(guān)的控制得到保證。LUDV系統(tǒng)能保證在供油不足時(shí)所有執(zhí)行元件的工作速度按正比例下降,以獲得與負(fù)載壓力無(wú)關(guān)的控制[28]。
制定壓力控制方案?:液壓執(zhí)行元件工作時(shí),要求系統(tǒng)保持一定的工作壓力或在一定壓力范圍內(nèi)工作,也有的需要多級(jí)或無(wú)級(jí)連續(xù)地調(diào)節(jié)壓力,一般在節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中,通常由定量泵供油,用溢流閥調(diào)節(jié)所需壓力,并保持恒定。在容積調(diào)速系統(tǒng)中,用變量泵供油,用安全閥起安全保護(hù)作用。在液壓系統(tǒng)中,需要流量不大的高壓油時(shí)可考慮用增壓回路得到高壓,而不用單設(shè)高壓泵。液壓執(zhí)行元件在工作循環(huán)中,某段時(shí)間不需要供油,而又不便停泵的情況下,需考慮選擇卸荷回路。?在系統(tǒng)的某個(gè)局部,工作壓力需低于主油源壓力時(shí),要考慮采用減壓回路來(lái)獲得所需的工作壓力。
基于以上控制系統(tǒng)方案分析本次設(shè)計(jì)選用負(fù)荷傳感控制系統(tǒng);采用的是雙泵雙回路恒功率控制液壓系統(tǒng),帶四種功率控制模式、中位負(fù)流量控制,兩液壓主泵按全功率變量。
(3) 指定順序動(dòng)作方案
主機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的順序動(dòng)作,根據(jù)設(shè)備類型不同,有的按固定程序運(yùn)行,有的則是隨機(jī)的或人為的。工程機(jī)械的操縱機(jī)構(gòu)多為手動(dòng),一般用手動(dòng)的多路換向閥控制。加工機(jī)械的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的順序動(dòng)作多采用行程控制,當(dāng)工作部件移動(dòng)到一定位置時(shí),通過(guò)電氣行程開關(guān)發(fā)出電信號(hào)給電磁鐵推動(dòng)電磁閥或直接壓下行程閥來(lái)控制接續(xù)的動(dòng)作。行程開關(guān)安裝比較方便,而用行程閥需連接相應(yīng)的油路,因此只適用于管路聯(lián)接比較方便的場(chǎng)合。另外還有時(shí)間控制、壓力控制等。例如液壓泵無(wú)載啟動(dòng),經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,當(dāng)泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)后,延時(shí)繼電器發(fā)出電信號(hào)使卸荷閥關(guān)閉,建立起正常的工作壓力。壓力控制多用在帶有液壓夾具的機(jī)床、擠壓機(jī)壓力機(jī)等場(chǎng)合。當(dāng)某一執(zhí)行元件完成預(yù)定動(dòng)作時(shí),回路中的壓力達(dá)到一定的數(shù)值,通過(guò)壓力繼電器發(fā)出電信號(hào)或打開順序閥使壓力油通過(guò),來(lái)啟動(dòng)下一個(gè)動(dòng)作。??
(4) 選擇液壓動(dòng)力源
液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來(lái)提供,液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油,在無(wú)其他輔助油源的情況下,液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量,多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱,溢流閥同時(shí)起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調(diào)速系統(tǒng)多數(shù)是用變量泵供油,用安全閥限定系統(tǒng)的最高壓力。為節(jié)省能源提高效率,液壓泵的供油量要盡量與系統(tǒng)所需流量相匹配。對(duì)在工作循環(huán)各階段中系統(tǒng)所需油量相差較大的情況,一般采用多泵供油或變量泵供油。對(duì)長(zhǎng)時(shí)間所需流量較小的情況,可增設(shè)蓄能器做輔助油源。?油液的凈化裝置是液壓源中不可缺少的。一般泵的入口要裝有粗過(guò)濾器,進(jìn)入系統(tǒng)的油液根據(jù)被保護(hù)元件的要求,通過(guò)相應(yīng)的精過(guò)濾器再次過(guò)濾。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱,可在回油路上設(shè)置磁性過(guò)濾器或其他型式的過(guò)濾器。根據(jù)液壓設(shè)備所處環(huán)境及對(duì)溫升的要求,還要考慮加熱、冷卻等措施[29]。
4.4.2 繪制液壓系統(tǒng)圖
整機(jī)的液壓系統(tǒng)圖由擬定好的控制回路及液壓源組合而成。各回路相互組合時(shí)要去掉重復(fù)多余的元件,力求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。注意各元件間的聯(lián)鎖關(guān)系,避免誤動(dòng)作發(fā)生。要盡量減少能量損失環(huán)節(jié)。提高系統(tǒng)的工作效率。為便于液壓系統(tǒng)的維護(hù)和監(jiān)測(cè),在系統(tǒng)中的主要路段要裝設(shè)必要的檢測(cè)元件(如壓力表、溫度計(jì)等)。大型設(shè)備的關(guān)鍵部位,要附設(shè)備用件,以便意外事件發(fā)生時(shí)能迅速更換,保證主要連續(xù)工作。各液壓元件盡量采用國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件,在圖中要按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的液壓元件職能符號(hào)的常態(tài)位置繪制。對(duì)于自行設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)元件可用結(jié)構(gòu)原理圖繪制。系統(tǒng)圖中應(yīng)注明各液壓執(zhí)行元件的名稱和動(dòng)作,注明各液壓元件的序號(hào)以及各電磁鐵的代號(hào),并附有電磁鐵、行程閥。如圖4.1所示[30]
圖4.1 液壓原理圖
5 液壓元件的選擇與專用件的設(shè)計(jì)
動(dòng)力元件的作用是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能,指液壓系統(tǒng)中的油泵,它向整個(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。液壓泵的結(jié)構(gòu)形式一般有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵,它們的性能比較如圖5.1所示
表5.1 各種液壓泵性能比較
項(xiàng)目
齒輪泵(外嚙合)
葉片泵
斜軸式柱塞泵
斜盤式柱塞泵
排量(cm3/r)
1-500
平衡式1-350
不平衡式10-230
100-1000
4-500
最高壓力(MPa)
1-25
平衡式3.5-40
不平衡式3.5-14
21-40
21-40
最高轉(zhuǎn)速(r/min)
900-4000
平衡式1200-3000
不平衡式1200-1800
750-3600
750-3600
最高效率(%)
70-85
平衡式70-90
不平衡式60-70
88-95
85-92
對(duì)污染敏感性
不易受污染影響,隨著齒輪的磨損,效率有所降低
對(duì)污染較敏感,葉片磨損時(shí),效率降低到很小
對(duì)污染最敏感,配流盤受損傷時(shí)效率降低
對(duì)污染的斜軸式高,配流盤滑靴磨損時(shí)效率降低
吸油性能
轉(zhuǎn)速為1800r/min時(shí),允許吸入真空度為-26664.4-54328.8Pa(-20-40cmHg)
轉(zhuǎn)速為1800r/min時(shí),允許吸入真空度為-13332.2~-26664.4Pa(-10-20cmHg)
轉(zhuǎn)速為1800r/min時(shí),允許吸入真空度為-3.9997-0Pa(-3-0cmHg)
同軸斜式柱塞泵
噪聲(dB)
額定轉(zhuǎn)速300r/min時(shí),噪聲83dB
額定轉(zhuǎn)速1450-2400r/min時(shí),噪聲76dB
額定轉(zhuǎn)速1450-2400r/min時(shí),噪聲87dB
額定轉(zhuǎn)速1450-2400r/min時(shí),噪聲77dB
對(duì)過(guò)濾精度要求
30-50μm
20-30μm
15-25μm
15-25μm
易出故障的部位
內(nèi)部摩擦副;支承軸套端面、齒輪及軸頸磨損,引起橡膠密封損壞、泵體內(nèi)孔及兩側(cè)板磨損
配油盤三角槽極易堵塞,污染物侵入摩擦副,發(fā)生異常磨損或卡殆,油液清潔和吸油通暢,易出現(xiàn)突發(fā)性故障
連桿組件磨損,連桿球頭從驅(qū)動(dòng)軸球窩中脫出,功率調(diào)節(jié)彈簧失效,兩對(duì)摩擦副磨損
所有變量泵的變量機(jī)構(gòu),三對(duì)摩擦副磨損
5.1 液壓泵的選擇和泵的參數(shù)的計(jì)算
5.1.1 液壓泵的工作壓力的確定
+ (5.1)
--是執(zhí)行元件的最高工作壓力,對(duì)于本系統(tǒng)的最高工作壓力是銷鎖油缸的入口壓力
--是從液壓泵出口液壓缸之間的管路損失。管路復(fù)雜,進(jìn)口有調(diào)速閥,則取=1Mpa。
5.1.2 確定液壓泵的流量
多液壓缸同時(shí)工作時(shí),而且系統(tǒng)使用蓄能器鋪助動(dòng)力源時(shí),則液壓泵輸出流量公式應(yīng)為
≥ (5.2)
其中 K-系統(tǒng)泄露系數(shù),取K=1.2
Tt-液壓系統(tǒng)工作周期
Vi-每個(gè)液壓缸的工作周期中的總耗油
z-液壓缸的個(gè)數(shù)
銷鎖油缸的最大流量 (5.3)
=60.101=60
加料門油缸的最大流量
=60.140.0031=26
根據(jù)以上可知: =60
大泵流量
=80%=48
小泵流量
=20%=12
大泵排量
=37
小泵排量
=8.1
=0.9L/s
按照泵的排量 和、的值來(lái)選擇液壓泵
5.1.3 選擇液壓泵的規(guī)格
根據(jù)以上求的泵的排量、和、的值,按系統(tǒng)中給定的液壓泵的形式,從《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四卷得雙聯(lián)柱塞泵:主泵: K3V112DT柱塞式串聯(lián)變量雙泵。最大排量112ml/r,該泵按總功率恒定進(jìn)行變量、總功率按4段進(jìn)行控制、高壓切斷、中位負(fù)流量控制額定壓力—35MPa,系統(tǒng)設(shè)定壓力小流量齒輪4Mpa,大流量油泵為—32Mpa。如圖5.1所示[31~32]
5.2 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇
液壓缸在整個(gè)循環(huán)運(yùn)動(dòng)中,系統(tǒng)的壓力和流量都是變化的。所需功率變化較大,為滿足整個(gè)工作循環(huán)的需要,需按大功率段來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。
從液壓原理圖可以看出,快速運(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的壓力和流量都較大,這時(shí),大小泵同時(shí)參加工作,小泵排油壓力和流量均較大。此時(shí),大小泵同時(shí)參與工作小泵排油除保證鎖緊力外,還通過(guò)順序閥將壓力油供給加料門油缸。
前面的計(jì)算已知,小泵供油壓力為=4 MPa,考慮大泵到銷鎖油缸路損失,大泵供油壓力應(yīng)為=4Mpa
取泵的總效率=0.8,泵的總驅(qū)動(dòng)功率為:
P= (5.4) =89KW
考慮安全系數(shù),故取90KW;查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表得:
發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型號(hào)— 6135K—16功率--106KW 轉(zhuǎn)速--2100r/min
5.3 液壓閥的選擇
選擇液壓閥主要根據(jù)閥的工作壓力和通過(guò)閥的流量。本系統(tǒng)工作壓力在9Mpa左右,所以液壓閥都選用中、高壓閥。液壓閥的作用是控制液壓系統(tǒng)的油流方向、壓力和流量,從而控制整個(gè)液壓系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作壓力,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作順序,工作部件的運(yùn)動(dòng)速度、方向,以及變換頻率,輸出力和力矩等。
主泵原理圖如圖5.1所示
在液壓系統(tǒng)中,液壓閥的選擇是非常重要的??梢允瓜到y(tǒng)的設(shè)計(jì)合理,性能優(yōu)良,安裝簡(jiǎn)便,維修容易,并保證系正常工作的重要條件。不但要按系統(tǒng)功需要選擇各種類型的液壓控制閥,還需要考慮額定壓力,通過(guò)流量,安裝形式,動(dòng)作方式,性能特點(diǎn)因素[33]。
5.3.1 根據(jù)液壓閥額定壓力來(lái)選擇
選擇的液壓閥應(yīng)使系統(tǒng)壓力適當(dāng)