工程机械液压系统设计与计算12吨起重机.doc

毕业设计论文姓 名： 小五哥 学 号：01111111111 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 题 目： 工程机械液压系统设计与计算 指导教师： 笑萧香 教授 2011 年 11 月 11 日摘 要随着国家现代化建设的飞速发展，现代施工项目对汽车起重机的要求也越来越高，液压技术在汽车起重机上的应用也越来越广泛。汽车起重机液压系统一般由起升、变幅、伸缩、回转、控制五个回路组成。本文主要介绍了12吨汽车起重机：起升、变幅、伸缩、回转和支腿5大机构结构设计计算的基本方法。起升机构由液压马达通过减速装置驱动卷筒旋转，继而通过钢绳、吊钩起吊重物。变幅机构是由液压缸驱动工作臂升降，以达到改变幅度的目的。伸缩机构由液压缸或由液压缸和机械组合使多节工作臂相对伸缩，以改变工作臂的长度和工作范围。回转机构是由液压马达通过减速装置，使小齿轮和大齿轮圈啮合传动，以使上车相对下车回转。回转机构的作用是提高工作效率和整机的机动性。支腿是用液压缸将起重机顶起，以便使起重机安全、稳定工作。在起重机机构确定的条件下，才能明确起重机液压系统方案和总体设计方案。明确主机对液压系统的性能要求，确定起升、变幅、伸缩、回转、支腿液压回路方案，这些基本回路是决定主机动作与性能的基础。关键词： 起重机；机构设计；液压系统Title A Design of Hydraulically Driving System for 12 Tons Truck Crane AbstractAlong with the rapid development of the countrys modernization construction project, the modern truck crane for higher requirements, hydraulic technology application in truck crane is more and more widely. Truck crane hydraulic system generally includes, the raise, the amplitude, the expansion and contraction, the rotation and a control this 5 return circuit.This paper mainly introduces the 12 tons cranes, the raise, the amplitude, the expansion and contraction, the rotation and a leg the organization composition this 5 organization structure design and calculation of the basic methods. Raise the organization revolves by the oil motor through the decelerating device actuation a reel, subsequently through the steel cable, hangs cancels the hoisting up heavy item. The amplitude organization is actuates the work arm by the night of pressure cylinder to rise and fall, achieves the change scope the goal. The expansion and contraction organization causes the multi-session work arm relative expansion and contraction by the hydraulic cylinder or by the hydraulic cylinder and the machinery combination, changes the work arm the length and the work range. The rotation organization is by the oil motor through the decelerating device, causes pinion and the bull wheel circle meshes the transmission, enable to board relatively alights the rotation. A leg is the hydraulic cylinder jacks the hoist crane, in order to causes the hoist crane to be safe, the steady work. In under the hoist crane organization determination condition can be clear about the hoist crane hydraulic system plan and the system design plan. Is clear about the main engine to the hydraulic system performance requirement, The determination raise, the amplitude, the expansion and contraction, the rotation, the leg hydraulic pressure return route plan, these basic return routes are decide the main engine movement and the performance foundation. Keywords： Crane ；Design for Construction； Hydraulic System目 录摘要IAbstractII第1章 绪论- 1 -1.1 液压传动系统的组成- 1 -1.2 液压技术的发展趋势- 1 -1.3 液压技术在工程机械中的应用- 2 -1.4 课题的研究方向和意义- 3 -第2章 起升机构- 5 -2.1 起升机构的组成和形式- 5 -2.1.1起升机构在工程机械中的地位和作用- 5 -2.2 载荷的计算及液压元件的计算与选择- 6 -2.2.1吊重Q及吊具自重G1- 6 -2.2.2起升马达的计算和选择- 8 -2.3 控制油路工作压力的确定- 9 -2.4 离合器液压缸的计算- 10 -2.5 制动器液压缸的设计- 10 -2.5.1制动器的作用与参数确定- 10 -2.5.2制动器液压缸设计计算- 11 -第3章 回转机构- 11 -3.1 概 述- 11 -3.1.1回转机构在工程机械中的应用- 11 -3.1.2 回转机构的类型- 11 -3.2 回转机构液压回路设计计算- 12 -3.2.1 回转机构参数的确定- 12 -3.2.2载荷组合- 14 -3.2.3液压马达、液压缸和液压泵的主要参数确定- 15 -第4章 变幅机构- 17 -4.1 变幅机构的形式- 17 -4.1.1 非工作性变幅机构和工作性变幅机构- 17 -4.1.2 变幅机构的类型- 18 -4.1.3变幅机构的参数确定- 18 -4.2 变幅机构液压回路设计计算- 18 -4.2.1.载荷计算- 18 -4.3 液压缸的参数确定- 22 -4.4 平衡阀的设计- 22 -4.4.1平衡阀的设计- 22 -4.4.2 起升机构平衡阀设计- 25 -4.4.3 对平衡阀的要求- 25 -第5章 伸缩机构- 27 -5.1 臂架伸缩方式- 27 -5.1.1伸缩方式对起重性能的影响- 28 -5.1.2臂架伸缩机构的驱动- 28 -5.1.3伸缩机构液压回路设计中几个共性问题- 29 -5.2 伸缩机构的参数确定- 29 -5.2.1 负载计算- 29 -5.2.2伸缩液压缸的参数确定及选取- 32 -5.2.3 液压缸的流量- 32 -第6章 支腿机构- 33 -6.1 支腿的形式- 33 -6.1.1主机对支腿液压回路的要求- 34 -6.2 支腿液压回路设计计算- 34 -6.2.1支腿反力的确定- 34 -6.2.2 支腿支承点位置的确定- 34 -6.2.3关于支腿反力的计算- 35 -6.2.4 支腿液压回路工作压力的确定- 38 -6.2.5支腿液压回路流量的确定- 38 -6.2.6支腿液压缸工作载荷和最大闭锁力的确定- 38 -6.3 垂直支腿液压缸基本参数的计算- 39 -6.3.1垂直支腿液压缸内径的计算- 39 -6.3.2液压缸的排量- 39 -6.3.3 验算支腿收放时间- 40 -6.4 液压锁设计- 41 -第7章 液压泵- 43 -7.1 液压泵的选择- 43 -第8章 拟定液压系统图- 44 -8.1 拟定系统原理图的方法- 44 -8.1.1 选择系统的类型- 44 -8.1.2 选择液压基本回路- 44 -8.1.3 液压系统的合成- 45 -8.1.4液压系统的选择- 45 -8.2 拟定系统图时,要注意的几个问题:- 46 -结论- 48 -致谢- 49 -参考文献- 50 -附录- 52 -第1章 绪 论液压传动是以有压液体为能源介质实现各种机械的传动的技术。液压传动是以液压油或其他合成液体作为工作介质，并采用各种元件组成所需要的控制回路，再由若干回路有机组合成能完成各种控制功能的传动系统进行能量的转换和传递。相对于机械传动来说，液压传动是一门新兴的技术。由于液压传动具有许多突出的优点，近些年来被广泛应用在机械制造、电子、工程机械、交通运输、军事器械、冶金、石油化工、航空、轻工、农机等各个方面，也被应用在宇宙航行、海洋开发、核能建设等新的技术领域中。1.1 液压传动系统的组成液压传动的应用领域很广，具体的液压结构也比较复杂。但液压传动是以液体的压力能传递动力的。任何液压传动系统都是通过处于密闭容积内的受压液体的流动传递机械能的。一个液压传动系统通常由以下几个部分组成：1）能源装置它是把机械能转换成压力能的装置，一般最常用的是液压泵。2）执行装置 它是把油液的压力能转换成机械能的装置。如液压缸和液压马达等。3）控制调节装置 它们是控制液压系统中油液的压力、流量和油流方向的装置，如溢流阀、节流阀、换向阀等液压元件1。这些元件是保证系统正常工作必不可少的组成部分。4）辅助装置 它们是除上述三项以外的其他装置，如油箱、过滤器、油管等。它们对保证液压系统可靠、稳定、持久的工作，有重大作用。5）传动介质 传动介质是指传递能量的流体，即液压油。1.2 液压技术的发展趋势相对于机械传动来说，液压传动是一门新兴技术。如果从17世纪中叶帕斯卡提出静压传递原理、18世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，液压传动已由三百年的历史。然而，液压传动的真正推广使用却只是近四五十年的事。19世纪是液压传动技术走向工业应用的世纪。18世纪以前奠定的流体力学、热力学、摩擦学、机构学及控制理论等科学基础及机器制造工艺基础，为20世纪流体传动与控制技术的发展提供了科学与技术条件。由于没有成熟的液压元件，一些通用的机床设备及机械直到20世纪30年代才开始采用液压传动技术，而且很不普遍。第二次世界大战期间，大规模的武器生产促进了机械制造工业标准化、模块化概念与技术的形成和发展，车辆、舰船、航空、兵器等采用了反应快、动作准、功率大的液压传动装置，推动了液压元件功率密度和控制性能的提高，推动了液压技术的发展。战后，液压技术迅速转向民用，在机床、工程机械、汽车等行业中逐步推广。20世纪60年代以后，随着原子能、空间技术、计算机技术等的发展，液压技术已渗透到国民经济的各个领域，得到了长足发展。我国的液压工业起步较晚，开始于20世纪50年代，从仿制苏联产品起步，附属于机床制造业、农机机械制造业、工程机械制造业等主机行业，当时没有专业生产厂2。自1964年从国外引进液压元件制造技术，同时自行设计液压产品以来，我国的液压元件生产已从低压到高压形成系列，并在各种机械设备上得到了广泛应用。液压技术广泛采用了高技术成果，如自动控制技术、计算机技术、微电子技术、摩擦磨损技术、可靠性技术及新工艺和新材料，使传统技术有了新的发展，也使液压系统和元件的质量、水平有一定的提高。液压传动技术是机械设备中发展速度最快的技术之一。特别是近年来液压与微电子、计算机技术相结合，使液压技术进入了一个新的发展阶段，使未来的液压技术变得更为机械电子一体化、模块化、智能化和网络化3。随着材料科学的的发展，新材料、新工艺引入液压技术，将使液压传动与控制元件加工精度及表面质量达到新的量级，从而使元器件效率、寿命得以数量级的提高。1.3 液压技术在工程机械中的应用液压技术在起重机械中的应用越来越广泛，所谓起重机械就是用来对物料进行运输装卸和安装作业的机械。起重机械包括各种简单的起重设备和各类起重机。它广泛使用在起重、运输、装卸和安装等作业中，以减轻体力劳动，提高劳动生产率。液压元件由于其结构紧凑、操作方便、能够进行无级调速等优势在起重机械中的各种机构中的得到广泛应用。起重机械是一种循环的间歇动作的短程搬运物料的机械。工作循环一般包括上料运送卸料及回到原位的过程，即取物装置从取物地点有起升机构把物料提起，有运行回转或变幅机构把物料移位，然后物料在指定地点下放，接着进行相反的动作，是取物装置回到原位，以便进行下一次的工作循环。它可以完成靠人力无法完成得物料搬运工作，减轻人们的体力劳动，提高劳动生产率，在工厂矿山车站港口及建筑工地仓库水电站等多个领域和部门中得到了广泛的应用由于液压与液力传动体积小重量轻结构紧凑能无级调速操纵简便运转平稳工作可靠等优点。目前国内外液压起重机在品种和产量方面都有较大的发展，特别是大吨位级液压起重机发展非常迅速。我国的主要起重机械厂，近年来的产品多是液压起重机。100吨以上的大型臂式汽车起重机也开始采用液压传动。国外已经有400吨级的液压汽车起重机。中小吨位级的起重机已经普遍采用液压传动4。随着液压技术和液压元件的发展，液压起重机将会得到进一步的发展。下图1-1为汽车起重机结构示意图：图1-1汽车起重机结构示意图1.4 课题的研究方向和意义本次课题所研究的是液压系统在起重机各个机构中的应用。包括在起升机构、变幅机构、伸缩机构、回转机构、支腿机构等方面的应用。重点在于载荷的计算、液压元件的选择、液压回路的设计、校核计算、系统原理图的绘制等。通过本次起重机液压系统的设计，了解液压技术的基本情况，掌握液压传动技术的基本知识，了解液压系统的设计过程，能够读懂并绘制液压系统原理图，为今后工作打下了良好的基础，同时也对大学所学课程有了系统的认识，综合运用所学过的知识解决问题，巩固了所学的知识，也锻炼了动手操作设计的能力，对我们以后的学习和发展都起到了很大的作用。第2章 起升机构2.1 起升机构的组成和形式 任何起重机械都必须有使物品获得升降运动的起升机构。因此起升机构是起重机械中最主要和最基本的机构，是起重机不可缺少的组成部分。它的工作好坏对整台起重机的性能有着最直接的影响。起升机构主要由以下部分组成：驱动装置、传动装置、卷筒、滑轮组、取物装置和制动装置。此外，根据需要还装设各种辅助装置，如：终点开关（大多用于限制起升高度，也有用于限制下放行程的开关）、载重量限制器和称量装置等。液压传动的起升机构，有高速液压马达传动和低速大扭矩液压马达传动和液压缸驱动三种形式。高速液压马达传动需通过减速器带动起升卷筒，具有重量轻、体积小、容积效率高、可与驱动油泵互换以及可采用批量生产的标准减速器等特点，故广泛用于中、小型起重机的起升机构中。低速大扭矩液压马达传动可直接带动起升卷筒，传动简单，零件少，起、制动性能好，对油的失纯敏感性小。但容积效率低，易影响机构转速，体积与重量较大。高速液压马达驱动的方式由于其工作可靠，成本低，寿命长，效率高的优点在液压起重机中应用最广。而低速大扭矩液压马达驱动转速低，输出扭矩大，适用于大起重量的起升机构。2.1.1起升机构在工程机械中的地位和作用工程起重机械，为了完成垂直运输任务，必须设置起升机构。它是工程起重机械的主要机构，在工程起重机械中具有重要的地位。起升机构性能的优劣，直接影响工程起重机械的工作性能。起升机构的作用是实现重物的升降运动，控制重物的升降速度，并可使重物停止在空中某一位置，以便进行装卸和安装作业。对于中小型起重机，只设置主起升机构，不需要设置副起升机构，一般都采用单卷筒起升机构。这是最基本的型式，结构简单，其液压回路也比较简单，液压马达与制动器协同工作由液压系统本身保证，不需要控制油路。2.2 载荷的计算及液压元件的计算与选择2.2.1吊重Q及吊具自重G1 （2-1）Q最大额定起重量; Q=12t G1吊具自重.查起重机设计手册表8-5, G1=2.5%Q. 5Q起 =12（12.5%)1039.8=120540N吊重及吊具作直线运动,其惯性力为 （2-2）V起升速度. V=13.4 mmint 起动时间. t=V/a 根据表6-9选取a=0.2 m/s2 t=1s根据起重机设计手册选用钢丝绳,作用于钢丝绳上最大静压力 （2-3）滑轮组倍率；根据工程起重机6表7-2选=6； Q起最大额定起重量与吊具自重之和； 滑轮组总效率由工程起重机表5-4选=0.95；Q起 =12（1+2.5%）103=12300kg 根据起重机设计手册表12-2,n绳选5.5, S绳 21585.5=11869kg所以，钢丝绳选用绳芯，直径为24.5mm.卷筒直径选用350mm.起升机构： M = M静+M惯 （2-4）由钢绳中心至卷筒轴心的距离，即卷筒的计算半径。 =12.25+175=0.187m起重机滑轮组倍率。 = 6滑滑轮组系统传动效率。滑 = 0.98将换算到油马达轴上，可以得到： (2-5）直线惯性力在卷筒轴上引起的力矩 (2-6)将转化到油马达轴上，得到： (2-7) 各部旋转质量在油马达轴上产生的惯性力矩： (2-8)转动件与油马达轴之间的传动比；转动件与油马达之间的传动效率；油马达轴上的总阻力矩：如果仅以动力系数计入全部惯性力的作用，则油马达启动时的总负载力矩计算公式就变成下列简单形式： (2-9)在起重机各机构中，起升功率最大。起升时液压马达输出功率应该满足起升功率。 (2-10)式中 2 起升载荷动载系数 2 = 1.2 机械总效率 取 = 0.8 根据液压马达输出功率和卷筒转速从减速器承载能力6表中查找合适的传动比,取,效率。2.2.2起升马达的计算和选择1起升马达的排量 (2-11) 式中 Mmax 起升马达所受的最大扭矩，Mmax = 338N.m； P 马达进出口压力差；P= P1 - P2, P1为马达进口压力，即液压系统工作压力，P1=25MPa；P2液压马达的背压， P2=1MPa，则P=25-1=24MPa；m 马达的机械效率，m = 0.922起升马达的转速 (2-12) 式中 i 起升机构的总传动比，i = 20； 其余符号的意义同前。3.液压马达的流量 (2-13)式中 起升马达最高转速，； 起升马达的排量，；则 4.起升液压马达的选择轮式和叶片式输出扭矩较小，且不适宜低速传动，因此，一般情况下均采用柱塞式液压马达。柱塞式液压马达可分为径向柱塞式和轴向柱塞式两种。轴向柱塞式液压马达除具有转速范围宽、扭矩打的优点外，还具有结构紧凑、径向尺寸小、转动惯量小等优点，故选之7。根据对国产轴向柱塞式液压马达产品的性能比较，起升马达应选用上海液压泵厂引进西德海卓玛蒂公司技术生产的A2F6.1系列斜轴式定量马达，型号为A2F56W6.1，输入排量为56.1cm3/r，最高转速为2390r/min，最大输入流量131L/min，最大功率78KW，最大输出扭矩312N.m。2.3控制油路工作压力的确定 控制油路一般设置蓄能器，起贮存液压能作用，并作为控制油路的压力源，控制离合器液压缸，以及在重力下降时控制制动器液压缸，并起保护作用。因此，控制油路的工作压力不能大于蓄能器的最低工作压力。并根据制动器液压缸的载荷情况考虑。 如果液压缸的工作载荷较大，工作压力较高时，则制动器的液压缸和离合器的液压缸机构尺寸可以小些。如果液压缸工作载荷较小，工作压力可以取低些。但为了安全可靠，控制压力不能取得太低，避免回油背时将制动器打开的危险。一般控制路的工作压力取35MPa。因此可取PK=5MPa。2.4离合器液压缸的计算控制油路工作压力确定后，根据离合器传递扭矩的要求，由离合器设计给出离合器液压缸活塞杆的推力。1. 离合器液压缸内径 （2-14）式中 F液压缸活塞杆的推力Pk控制油路工作压力 2. 离合器液压缸活塞工作行程由离合器结构设计确定0.20m.3. 离合器液压缸的工作容积 （2-15）式中 D 离合器液压缸内径；S 离合器液压缸行程活塞行程； 2.5制动器液压缸的设计2.5.1制动器的作用与参数确定为保证起重机工作的安全和可靠，在起升机构中必须装设制动器，而在其他机构中视工作要求也要装设制动器。如起升机构中的制动器使重物的升降运动停止并使重物保持在空中，或者用制动器来调节重物的下降速度。而在回路和行走机构中则可用制动器以保证在一定行程内停住机构8。归纳起来，制动器的主要作用有：（1）支持制动，当重物的起升和下降动作完毕后，使重物保持不动；（2）停止制动，消耗运动部分的动能，使其减速直至停止；（3）下降制动，消耗下降重物的位能以调节重物下降速度。1.工作压力的确定 起重机进行动力升降，制动器松闸时，制动器液压缸由起升马达主油路控制。当重力下降时，由控制油路控制。因为主油路压力较高，控制油路压力较低。所以，应按控制油路工作压力设计制动器液压缸。 当吊重进行动力下降时，起升马达进油路的压力油使平衡阀开锁和制动器。因此确定设计制动器油缸的工作压力应和平衡阀的开锁压力一致。确定制动器液压缸工作压力的原则：（1） 当制动器液压缸完全由起升马达主油路控制时，应根据起升油路平衡阀的开锁压力确定。（2） 当制动器液压缸在吊重动力升降时，由起升马达主油路控制，重力下降时，由控制油路控制。按下列两种方法确定：（a） 如控制油路工作压力低于平衡阀，则按控制油路工作压力确定。（b） 如果控制油路工作压力高于平衡阀，则按平衡阀开锁压力确定。2. 松闸力Fk由制动器设计给出。3. 制动器液压缸活塞行程S，由制动器设计给出。2.5.2制动器液压缸设计计算1.制动器液压缸的内径 （2-16）式中 Fk 最大松闸力，由制动器设计给出300KN；P 制动器液压缸工作压力初步定为15MPa；2.制动器液压缸推杆直径 （2-17）式中 Fk 最大松闸力 Fk = 300 KN； 材料的许用应力 = 50000 KN;3.制动器液压缸壁厚 （2-18）式中 p 制动器液压缸工作压力25 MPa;D1 制动器液压缸内径0.160 m第3章 回转机构3.1概 述3.1.1回转机构在工程机械中的应用工程机械中为了提高工作效率和整机的机动性，一般都有回转机构，例如起重机，回转机构更是不可缺少，而且要求可逆回转。在工程机械中很多回转机构是用液压驱动的，还有的是液压和机械组合来完成。工程机械回转机构，不仅惯性负载大，而且回转机构的运动占整机循环时间的比重也很大。在液压系统中，由于回转机构频繁起动和制动，引起的发热量更是不能低估，有的甚至可达整机发热量的40%。所以，合理设计回转机构的液压回路，对提高机械的生产率，改善整机性能，减少发热具有十分重要的意义。3.1.2 回转机构的类型液压驱动的回转机构可分为全回转和半回转俩大类。其中，全回转式的回转机构可进行多圈回转运动，绝大多数采用液压马达驱动，可使用高速液压马达。由于其转速高，输出扭矩较小，要配以减速装置降低转速，提高扭矩才能应用。而半回转式回转机构可进行少于360的两个方向回转运动9。这种回转机构多用于中小型工程机械上，它简单又可靠，但缺点是不能进行全周回转。全回转的回转机构由三部分组成：（1）回转机构的原动机，它是整机的传动分流装置中的一个传动元件，在机械传动中是某根轴，在电力传动中是电动机，在液压传动中是液压马达。它的动力是由起重机的总动力源内燃机供给，并经机械传动、或电能、或液压能变换而来的。（2）回转机构的机械传动装置，一半是起减速作用。（3）回转小齿轮，回转机构通过它和回转支承装置上的大齿圈啮合，以实现回转平台的回转运动。 在机械传动的回转机构传动装置中需要有正、反回转的换向装置，传动方式比较复杂。在液压传动中，马达本身可以正、反转动，故不需要机械的换向装置，同时可以根据液压元件进行调速。3.2 回转机构液压回路设计计算3.2.1 回转机构参数的确定1.载荷（1）支承装置的旋转静摩擦阻力矩，对于滚动轴承式支承旋转装置： (3-1)式中 滚动摩擦系数，可取=0.01；D 滚道中心直径，根据液压工程手册10选取1220mm；所有滚珠上的总压力；当eD/4时， (3-3)转盘上的垂直载荷之总和；作用线与旋转轴线的水平距离，据起重机设计手册选 =1.4m；滚珠与滚道的接触角45；因为e D/4， （2）起动时，由于吊重、上车各部自重的水平惯性力及传动装置质量引起的惯性力矩。为了计算方便，吊重及上车各部分自重均粗略地认为是作用在各自重心上的集中荷重，为提高精确度，尽量把上车各部分得细一些，吊臂按各段分别计算，而不要用一个臂架总重来计算。这样，吊重及上车各部分且相关性力对旋转中心形成的起动惯性力矩为： (3-4) 式中 Gi 吊重及上车各部自重；包括：q 吊具重2940N；Gb 吊臂自重25000N；Gk 部分自重，取67650N；Ri 吊重及上车各部自重离旋转中心的水平距离1.0m； 转台的转数3.0； 起动时间，无风时可以取35 s；此处取5 s；传动装置的惯性力矩：（3）风阻力对旋转中心形成的最大阻力矩M风： (3-5)式中 q 计算风压；F转、F物 转动部分与物品的迎风面积；转、物 转动部分与物品上的风力合力作用点离转盘中心轴的距离。（4）偏斜阻力矩最大值Ms (3-6)式中 Q，q 吊重和吊具重； R 工作幅度3.0m； W 转动部分总重； a 转动部分重心到旋转中心的距离0.165m； 偏斜角；现代起重机能够做到偏斜角极小，故Ms 可以不予考虑。风阻力矩Mw一般略取。所以总力矩 当最小幅度吊重最大时，总力矩最大。则 则 3.2.2载荷组合（1）按满负载时起动状态的最大阻力矩计算油马达和液压系统。一般情况下由于现代起重机能够做到偏斜极小，所以M斜可以不予考虑，某些起重机，例安装用的汽车起重机，一般是在无风或风很小的情况下工作，也可不考虑风的作用。（2）油马达负载计算在一般情况下，油马达的计算负载由满负荷时的旋转摩擦阻力矩、起动时的最大惯性阻力矩和风阻力矩组成，如果倾斜力矩不可忽略，也要计算在内。折算到油马达轴上的计算负载力矩为： (3-7) 式中 Mmax回转机构受到的最大力矩； i 回转机构总传动比； 回转机构总传动效率，选0.8； 表 3-1最大幅度（米）5.07.510.01520253.0起动时间tmin（秒）1.01.52.546810起动时间tmax（秒）4.06.08.010152530（3）验算起动时间t选定油马达之后,要验算在各种幅度下的起动时间,使其基本上能满足上表的规定,即负载最大时,能满足生产效率的要求,负载最小时不致起动过猛,起动时间: (3-8) 3.2.3液压马达、液压缸和液压泵的主要参数确定（1）使用全回转式的回转机构液压马达排量，由下式可得： (3-9)式中 Mmax回转机构受的最大力矩， Mmax =96N.m； m 液压马达机械效率，m =0.92；i 传动效率，i =0.80； P 液压马达进出口压力差；P= P1 - P2, P1为液压缸进口压力，近似等于系统工作压力，P1=25MPa；P2为油缸的回油压力， 取P2=1MPa，则P=25-1=24MPa；（2）马达入口所需实际流量Q，由下式可得： (3-10)（3）液压马达参数确定根据以前求得的液压马达排量qm转速n和马达入口压力p1，则可选择相应的液压马达。但需满足下列条件： (3-11)式中 所选择液压马达的排量所选择液压马达的额定工作压力所选择液压马达的额定转速 (3-12)式中 i 回转机构传动比，i = 200； n0 回转工作速度，n0 = 3.0 r/min；则 根据对国产轴向柱塞式液压马达产品的性能比较，选取四液压件厂的ZM系列轴向柱塞定量马达，型号为ZM9.5 。（4）液压马达的流量 (3-13) 式中 n 液压马达的转速， n = 600r/min； Q液压马达的排量，Q = 9.510-6 m3/r；则第4章 变幅机构4.1变幅机构的形式 从起重机旋转轴线到吊钩中心的水平距离称为起重机的幅度。为了扩大起重机的作业范围，就要用变幅机构来改变起重机的幅度。当变幅机构和旋转机构协同工作，起重机的作业范围是一个环形空间。绝大部分工作起重机为了满足重物装、卸工作位置的要求，充分利用其起吊能力（幅度减少能提高起重量），需要经常改变幅度11。变幅机构则是实现改变幅度的工作机构，用来扩大起重机的工作范围，提高起重机的生产率。4.1.1 非工作性变幅机构和工作性变幅机构 工程起重机变幅机构按其工作性质可分为非工作性变幅机构和工作性变幅机构两种。非工作性变幅机构指只是在空载条件下变幅的机构。它在空载时改变幅度，以调整取物装置的位置，而在重物装、卸移动过程中，幅度不再改变，因此变幅过程属于非工作性的。这种变幅机构次数一般较少，而且采用较低的变幅速度，以减少变幅机构的驱动功率。其优点是构造简单、自重轻。工作性变幅机构是能在带载的条件下变幅的机构。为了提高起重机的生产率和更好地满足装卸工作的需要，常常要求在吊装重物时改变起重机的幅度。这种类型的变幅机构变幅次数频繁，一般采用较高的变幅速度以提高生产率。工作性变幅机构驱动功率较大，而且要求安装限速和防止超载的安全装置，与非工作性变幅机构相比，构造较复杂，自重也较大，但工作机动性却大为改善。变幅机构按照形式可分为运行小车式和臂架式（伸缩臂架式和摆动臂架式）。运动小车式变幅是指小车沿着臂架方向运行以改变起重机幅度，臂架式变幅是指臂架绕支点摆动一定角度或借助臂架伸缩以改变起重机的幅度。伸缩式臂架机构的主要目的不是用来变幅，而是用于流动式起重机（如汽车起重机、轮胎起重机等）12。在机械运行（移动）时，收缩臂架以获得较小的外形尺寸作业时，伸出臂架取得较大的起升高度。它一般不单独作为变幅机构使用。臂架式变幅的优点是起升高度较大，拆卸运输方便，在建筑群中施工不容易产生死角；其缺点是：幅度的利用率低，变幅速度不均匀；易引起物品摆动，没有装设补偿装置时，重物不能做水平移动，安装就位不太方便，变幅功率也大。4.1.2 变幅机构的类型起重机中，为适应工作的需要，要求工作装置的位置能够任意改变，所以都设有变幅机构。其主要作用就是大大增大主机的工作范围和灵活性。变幅机构主要可分为机械和液压两种形式。其中液压传动的变幅机构应用最为广泛，它是使用液压缸或液压马达来驱动臂的变幅。具有工作平稳、结构轻便、造型优美和易于布置等优点。4.1.3变幅机构的参数确定变幅机构的主要参数是变幅速度和变幅力（或力矩）。变幅缸的伸缩速度可用几何方法，由要求变幅速度求得。变幅缸的推力可用静力学方法，由要求的变幅力（或扭矩）求得。确定液压系统的压力后，由以上两参数则可确定变幅缸的有关的参数。进一步则可确定泵的有关参数。对起重机型的变幅机构，变幅速度一般为0.6 o/s。过快的变幅速度会使臂端速度过大，对工作不利。对生产率有要求的主机，例如挖掘机，其变幅速度可按生产率要求确定。但一般情况下，变幅机构都是和其他机构共泵工作。因而，系统液压泵参数（压力，流量）确定后，变幅速度也随之确定13。变幅机构液压回路设计中应注意的问题：1在变幅机构下降回路中，一般都要设有限速措施，防止重力超速运行。锁紧定位要求较高的变幅机构，要选用密封性能好的锥阀式限速阀。限速阀和变幅缸之间不能用软管联接，以保证管路破裂时，变幅机构不突然落臂。2有的变幅机构中。为保证工作臂下放到支架上，不致因缸有杆腔拉力过大，使臂拉弯。4.2变幅机构液压回路设计计算4.2.1.载荷计算(1) 由吊重及吊具重并考虑其制动时的惯性作用引起的垂直载荷W1=144648N (4-1)(2) 臂架自重并考虑冲击载荷引起的惯性力W2 (4-2)(3) 上车旋转时引起的水平径向惯性力:吊重及吊具重产生的水平惯性力: (4-3)式中 转台转数; 由旋转中心算起的幅度;y吊钩中心离臂架上端的距离.臂架的径向水平惯性力: (4-4)式中 臂架自重; 臂架长度; 臂架倾角; 臂架下端离旋转轴线的水平距离;其余各个符号意义同前.总惯性力的合力作用点的位置可用如下方法求得:臂架下端单位长度上的惯性力为: (4-5)上端惯性力为: (4-6)上下端之间,该惯性力按直线关系变化,整个梯形面积即为总惯性力,梯形重心在臂架轴线上的垂直投影便是合力的作用点(如图4-1所示)。图4-1合力作用点位置（4）风载荷臂架的风载 (4-7)式中 体形系数，对箱型臂，取1.3； 计算风压，工作风压取149； 垂直于风向的迎风面积，取；吊物的风载 (4-8)式中 货物的迎风面积，取； 其余符号意义同前。（5）油缸负载受力分析如图4-2所示 图4-2 油缸负载受力分析(4-9)按工作状态的最大载荷，即上述所有载荷同时作用，计算变幅油缸的强度喝稳定性。当臂架工作长度最短，幅度最小，吊重最大时，油缸的负载最大。此时，。则： =3930.7N =38.7 N =133.4 N=860.3 N=348.66 N N4.3 液压缸的参数确定1.变幅油缸内径的确定 (4-10)式中 油缸的最大负载， ； 油缸机械效率， ； 油缸进出口压力差,，液压缸进口压力，近似等于系统工作压力，即，为油缸的回油压力，取。则。圆整取标准直径2油缸的最大流量 (4-11) 式中 油缸活塞杆伸出最大速度，； 油缸直径，；则 11824.4平衡阀的设计平衡阀的作用是，在缸活塞杆带重力负载G不断下降时，当主阀芯开口不够大时，泵压力因油的不可压缩性而迅速升高，压缩弹簧使开口增大。当开口太大，驱使活塞超速下降时，泵压力迅速下降，使开口变小，以维持式匀速下降条件14。4.4.1平衡阀的设计1.稳态分析导控活塞的轴向推力为： （4-12）式中 A口回油压力Pa,令=0；导控活塞受压面积,因孔c作用；导控活塞小端直径m；下降时泵的压力，即缸有杆腔入口压力Pa。 N主阀芯1所受到的液动力为：（令回油压力=0）= N （4-13）式中 流量系数，C = 0.65-0.75；缸无杆腔压力 Pa；节流口过流面积 m；主阀芯位移 m；主阀芯节流口面积梯度， w = f / x；节流口射流角 (度)。为平衡液动力的影响，主阀芯1设置差动面积Sc，其产生的轴向推力为：= N （4-14）式中 Sc主阀芯上的差动面积 m2,Sc=/4；D主阀芯大端直径 m；d主阀芯小端直径 m。弹簧力FT为： N （4-15）式中 弹簧刚度 N/m； 弹簧预压缩量 m； 主阀芯位移 m。摩擦阻力（包括密封圈阻力）； 难以用公式确定，可参考同类产品或由实验确定。稳态匀速下降时，主阀芯1受力平衡为： （4-16） （4-17）为分析方便略去,上式简化为： （4-18）稳态匀速下降时，液压缸力平衡方程为： （4-19）通过主阀芯节流口流量Q为：= （4-20） （4-21）将上式合并，解得负载压力为： （4-22）式中: 由上式可知，当负载下降速度不变，即通过节流口流量为常数时，平衡阀的导控压力（下降时泵压力）随负载压力增加而减小。当弹簧预紧力一定时，对应不同流量（各种不同下降速度）可作出相应流量下的一族曲线平衡阀的静态特性曲线。以（最大负载压力）,（最小负载压力）和（最大流量），（最小流量）为参数的特性曲线决定平衡阀的工作区域。理想的情况流量和导控压力为一族水平线，其工作区域为一矩形面积。实际上很难做到这一点，而是一组斜线。但要求曲线斜率越小越好，工作区域越大越好。平衡阀工作区域的大小主要取决最大流量 和最小流量的比值大小。减小曲线斜率主要途径是减小弹簧刚度和主阀芯位移。当流量大负载小时，平衡阀开度最大，导控压力也处于最大值；当流量小负载大时，开度最小，导控压力也处于最小值。若略去液动力，可按下式确定： （4-23）最大导控压力,按下式确定： （4-24）式中 节流口不堵塞时，阀位移 m； 主阀芯最大位移 m。4.4.2 起升机构平衡阀设计起升机构平衡阀设计与前述基本相同。但是因为工况不同应该注意如下两点：(1)因起升机构当使用液压马达，故=1；(2)起升机构当使用制动器，空载上升和重载下降时油路压力得保证先打开制动器，后开启平衡阀，否则会造成制动器不停地开闭，使机构振动。制动器开启压力应满足下式：式中： 平衡阀中单向阀3开启压力 ，一般取=0.04；起升机构空载起升时所需压力 ；4.4.3 对平衡阀的要求1密封性能要好。使用平衡阀的机构，例如变幅机构不自然沉降，能时间长短，主要取决平衡阀内漏。要保证高压下无内漏，应采用锥面密封，而不能采用圆柱面密封。2保证通过最小流量时，节流口有良好的通流性能。机构的微调性能部分取决于通过平衡阀不堵塞时的最小流量。节流口流过较小流量时，开口面积较小，易堵塞，造成微调性能差。锥阀式结构通过最小流量能力差。综合式和分离式较好，可在圆柱面开矩形或三角沟槽，则可保证小开口面积时，水力半径较大，不易堵塞，提高机构微调性能。3保证稳定性的措施1）导控活塞上设置阻尼孔2）设置快速动作小孔3）减小面积梯度4）提高导控压力5）提高弹簧刚度6）适当加大导控活塞与效受压面积4平衡阀的评价：一般，可从如下三方面评价平衡阀优劣1）动态稳定性：指执行元件负重下降时，运动速度波动的大小。一般可以pw的波动来反映速度波动。2）支承性能：指在最高压力pwmax下，使阀口关闭，每分钟从阀的出油口漏出流量值。它反映阀的锁紧能力。3）经济性：主要指导控压力pd的大小。pd是保证阀口打开和维持，调整合适开口的15。从功率意义上，是一种浪费。因而pd越小，阀的经济性越好。第5章 伸缩机构起重机的伸缩机构