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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)對它不太適合。而且當(dāng)時(shí)的工程建設(shè)主要是國土開發(fā)，大規(guī)模的筑路和整修場地等，大多是大面積的水平作業(yè)，因此對抽油機(jī)的應(yīng)用相對較少，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)了第一臺液壓抽油機(jī)。第一臺液壓抽油機(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)展到相對成熟穩(wěn)定的階段。目前國際上迅速發(fā)展全液壓抽油機(jī)，對其控制方式不斷改進(jìn)和革新，使抽油機(jī)由簡單的杠桿操縱發(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)是一種萬能型工程機(jī)械，目前已經(jīng)無可爭議地成為工程機(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 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)
1.2.1 國外研究狀況及發(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；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Orensttein&
Koppe制造的目前世界上首臺最大的RH40。型全液壓抽油機(jī)，鏟斗容量達(dá)42m3,液壓油源為18臺變量軸向柱塞泵，總流量高達(dá)10200L/min，原動(dòng)機(jī)為2臺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、日等國家推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設(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1萬小時(shí)。近幾年來，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)，來提高自己抽油機(jī)在國際上的競爭力，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，而長期以來使用的開式液壓系統(tǒng)無法滿足抽油機(jī)的調(diào)速和復(fù)合動(dòng)作的要求。近年來在國外的抽油機(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，它操縱簡單，對司機(jī)的操縱技巧要求低，在國際上己經(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。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，而與對其施加的載荷無關(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)是通過位于主控制閥后面的節(jié)流閥建立的壓力對主泵的排量進(jìn)行調(diào)節(jié)的技術(shù)。日前以韓國現(xiàn)代(HYUNDAI)、日本小松(KOMATSU)和日本日立(HITACHI)為代表的許多國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;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臺變量軸向柱塞泵，總流量高達(dá)100200
L/min，原動(dòng)機(jī)為2臺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、日等國家推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設(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1萬小時(shí)。
(4) 重視操縱特性
可急回抽油機(jī)的操縱特性越來越受到重視。日前國際上迅速發(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)近年來獲得了巨大發(fā)展，特別是傳感器、計(jì)算機(jī)和檢測儀表的應(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，并延長了零部件的使用壽命。
1.2.2 國內(nèi)研究情況及發(fā)展動(dòng)態(tài)
從國內(nèi)情況來看，我國可急回抽油機(jī)行業(yè)整體發(fā)展水平較國外緩慢，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)在國內(nèi)市場上基本失去了競爭力，取而代之的是采用各種高新技術(shù)的國外抽油機(jī)產(chǎn)品。先進(jìn)的抽油機(jī)液壓系統(tǒng)都被國際上一流的生產(chǎn)企業(yè)壟斷，國內(nèi)企業(yè)在該領(lǐng)域的研究幾乎是空白，這樣國內(nèi)的抽油機(jī)生產(chǎn)廠家就無法獨(dú)立制造出性能優(yōu)異的抽油機(jī)，絕大部分的市場份額都被國外各種品牌的抽油機(jī)所占據(jù)。以20t級的中型液壓抽油機(jī)為例，國產(chǎn)20t級抽油機(jī)大多數(shù)是歐洲80年代初的技術(shù)，同90年代初以來在國內(nèi)形成批量的日本小松、日立、神鋼以及韓國大宇、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)效率較國外偏低[6]。
1.3 本設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容
可急回抽油機(jī)系統(tǒng)方面的技術(shù)多種多樣，本文主要通過國外幾種知名品牌的抽油機(jī)液壓系統(tǒng)為參考對象，對其現(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)過來的水一部分直接供給生產(chǎn)用水部門，一部分則需通過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，我們設(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：為了防止一臺泵長時(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)角度上來說，該方式無法保障出水管網(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)某臺電機(jī)故障或需要檢修某臺電機(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，來保證供水的壓力在一定的范圍內(nèi)，但系統(tǒng)無法達(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)無水接點(diǎn)信號來臨時(shí)，PLC將關(guān)斷所有變頻和工頻輸出，直到無水接點(diǎn)信號消失，PLC將自動(dòng)恢復(fù)控制輸出;
(4) 當(dāng)消防信號到來時(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) 僅單臺泵變頻運(yùn)行，且處于最低輸出頻率狀態(tài)和較長時(shí)間無壓力上下限出現(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，90KW深井泵電機(jī)兩臺，采用變頻器循環(huán)工作方式，六臺電機(jī)均可設(shè)置在變頻方式下工作。采用一臺150KW和一臺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與變頻器的高速信號同時(shí)被 PLC檢測到，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有效，這時(shí)壓力上限信號如仍出現(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)信號仍存在時(shí)，PLC再停掉一臺工頻運(yùn)行的電機(jī)，直到最后一臺泵用主頻器恒壓供水。另外，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)六臺泵為兩組，每臺泵的電機(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)投入另外一臺或幾臺工頻泵運(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，每臺泵均采用軟起動(dòng)是解決該問題關(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。
過載、欠壓、過壓、過流、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（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)警信號并關(guān)閉加壓泵和進(jìn)水電動(dòng)蝶閥；
（3）若主管無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)際檢測值進(jìn)行PID運(yùn)算，并給出信號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，相對延長了電機(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、M3三臺電機(jī)、交流接觸器KM1~KM6控制三臺電機(jī)的運(yùn)行，KM1、KM2、KM3為電機(jī)M1、M2、M3過載保護(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)接在三臺泵的手動(dòng)控制電路上，控制三臺泵的手動(dòng)運(yùn)行。在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，三臺泵在PLC的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運(yùn)行。KH1，KH2，KH3為三臺泵的熱繼電器的常閉觸點(diǎn)，可對電機(jī)進(jìn)行過流保護(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，VB201為工頻運(yùn)行泵的總臺數(shù)，VD260為倒泵時(shí)間存儲器。
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、國防工程和一般礦山采掘，挖掘I-VI級土壤[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
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/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；壓力過高，則對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，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)，對無縫鋼管， ψ=1C：用來圓整壁厚數(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) 活塞桿長度和缸筒長度計(jì)算
根據(jù)設(shè)計(jì)要求的行程，來設(shè)計(jì)活塞桿的長度；本油缸的行程為1020mm，故油缸的活塞桿的長度為1265mm，缸筒的長度為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，螺釘精度等級為10.9級，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)
[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題。方向控制用換向閥或邏輯控制單元來實(shí)現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，大多通過換向閥的有機(jī)組合實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作。對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實(shí)現(xiàn)。速度控制通過改變液壓執(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)行元件的流量來調(diào)節(jié)速度。此種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡單，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合。容積調(diào)速是靠改變液壓泵或液壓馬達(dá)的排量來達(dá)到調(diào)速的目的。其優(yōu)點(diǎn)是沒有溢流損失和節(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，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，而沒有解決節(jié)省能源問題。定量泵和負(fù)荷傳感控制閥的系統(tǒng)也沒有節(jié)省能源消耗，因?yàn)楸盟敵龅牧髁砍^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)闊崮堋Ｖ挥型耆?fù)荷傳感控制系統(tǒng)才能解決節(jié)省能源問題。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
帶次級壓力補(bǔ)償閥的負(fù)荷傳感系統(tǒng)德國力士樂公司等）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的執(zhí)行元件與負(fù)載壓力無關(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，也有的需要多級或無級連續(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)，通過電氣行程開關(guān)發(fā)出電信號給電磁鐵推動(dòng)電磁閥或直接壓下行程閥來控制接續(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)接比較方便的場合。另外還有時(shí)間控制、壓力控制等。例如液壓泵無載啟動(dòng)，經(jīng)過一段時(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，通過壓力繼電器發(fā)出電信號或打開順序閥使壓力油通過，來啟動(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。對長時(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，通過相應(yīng)的精過濾器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱，可在回油路上設(shè)置磁性過濾器或其他型式的過濾器。根據(jù)液壓設(shè)備所處環(huán)境及對溫升的要求，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，在系統(tǒng)中的主要路段要裝設(shè)必要的檢測元件（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產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件，在圖中要按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的液壓元件職能符號的常態(tài)位置繪制。對于自行設(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以及各電磁鐵的代號，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
對污染較敏感，葉片磨損時(shí)，效率降低到很小
對污染最敏感，配流盤受損傷時(shí)效率降低
對污染的斜軸式高，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
對過濾精度要求
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，兩對摩擦副磨損
所有變量泵的變量機(jī)構(gòu)，三對摩擦副磨損
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》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》發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表得：
發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型號— 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)液壓閥額定壓力來選擇
選擇的液壓閥應(yīng)使系統(tǒng)壓力適當(dāng)