汽车起重机液压系统的设计

目录前言 .11 绪论 .21.1 汽车起重机概述 .21.2 国外汽车起重机发展概况及发展趋势 .21.2.1 国外汽车起重机发展概况 .21.2.2 国外汽车起重机发展趋势 .41.3 国内汽车起重机的发展概况和发展趋势 .51.3.1 国内汽车起重机的发展概况 .51.3.2 国内汽车起重机发展趋势 .61.4 汽车起重机上液压系统的特点 .71.5 汽车起重机液压系统的运用现状和发展趋势 .81.6 课题意义和主要研究任务 .92 QY25K 汽车起重机工况分析 102.1 QY25K 汽车起重机简介 .102.2 QY25K 汽车起重机液压系统组成及特点 112.2.1 下车液压系统 112.2.2 上车液压系统 112.3 QY25K 汽车起重机的各组合、分配及控制 122.4 QY25K 汽车起重机的整机技术参数 .132.5 QY25K 汽车起重机的工作等级 152.6 典型工况分析及对系统要求 .162.6.1 伸缩机构的作业情况 162.6.2 副臂的作业情况 .162.6.3 三个以上机构的组合作业情况 .162.6.4 典型工况的确定 .162.6.5 系统要求 .172.7 QY25K 汽车起重机主机的工况分析 .182.7.1 运动分析 .182.7.2 动力分析 .192.7.3 液压马达的负载 .203 QY25K 汽车起重机液压系统设计 223.1 QY25K 汽车起重机液压系统额定压力的确定 223.2 QY25K 汽车起重机液压系统的基本回路设计 223.2.1 起升机构回路的设计 .223.2.2 变幅、伸缩机构回路的设计 .233.2.3 回转机构回路的设计 .243.2.4 支腿机构回路的设计 .253.3 液压系统的控制分析 .273.3.1 负荷传感 .273.3.2 恒功率控制 .283.3 QY25K 汽车起重机液压系统原理图 294 QY25K 汽车起重机液压系统参数的计算 304.1 变幅机构 .304.1.1 变幅液压缸的受力分析 .304.1.2 变幅机构铰点三角形 .314.1.3 变幅液压缸的推力计算 .334.1.4 变幅液压缸性能参数的确定 .344.2 支腿机构 384.2.1 按三点支撑的压力计算 .384.2.2 支腿液压缸作用力的确定 404.2.3 液压缸尺寸的确定 .404.2.4 液压缸伸缩速度及流量的计算 .435 液压系统元件选型 .455.1 液压马达和液压泵的选择计算 .455.1.1 主、副卷扬马达和泵的选择 .455.1.2 回转回路、支腿回路马达和回转泵的选择 .465.1.3 伸缩变幅回路泵的选择 .485.2 液压阀的选择 .495.3 液压辅助元件选择 515.3.1 油路的选择 515.3.2 油箱选择 .535.3.3 滤油器的选择 .555.3.4 液压传动的工作介质（液压油）的选择 .555.4 QY25K 汽车起重机主要元件明细表 556 系统各回路性能计算 .566.1 系统各回路功率计算 566.1.1 管路系统容积效率及压力效率计算 .566.1.2 压力损失 .566.1.3 管路系统总效率 .576.2 系统各回路性能的验算 576.2.1 起升回路 .576.2.2 回转回路 586.2.3 伸缩回路 596.2.4 变幅回路 597 QY25K 汽车起重机的技术和经济性分析 618 结 论 .62致 谢 .63参考文献 .64附录 A .65附录 B .711前言工程起重机是各种工程建筑广泛应用的重要起重设备,是用来对物料进行起重、运输、装卸或安装等作业的机械设备，在工业和民用建筑中作为主要施工机械而得到广泛运用。它对减轻劳动强度、节省人力，降低建设成本，提高施工质量，加快建设速度，实现工程施工机械化起着十分重要的作用。相对于其他起重机，汽车起重机不仅具有移动方便，操作灵活，易于实现不同位置的吊装等优点，而且对其进行驱动和控制的液压系统易于实现改进设计。随着液压传动技术的不断发展，汽车起重机已经成为各起重机生产厂家主要发展对象。随着中国社会的发展，社会生活中对起重机的需求越来越大，所以起重机的研发越来越紧迫，由于汽车式起重机转场灵活，从而方便快捷，所以进几年我国的汽车式起重机发展很快。但是，与国外汽车式起重机相比，国外汽车式起重机技术得到了飞速发展，为了降低整机成本，提高性能，整机质量越来越小，在起重性能相同的情况下，自重约比十年前降低了20左右，由于车辆自重的减小，使车辆采用尽可能少的轴数（尤其是大吨位起重机），这样，大大简化了车辆的结构，成本降低，同时提高了起重机的作业能力及使用经济性，所以，同等吨位的销售价较前十年有大幅下降，对中国国内市场造成了很大冲击，因此，对我国的汽车式起重机的生产者来说是一个严峻的考验。加大对汽车式起重机液压系统的设计的研究，努力创新和借鉴外国经验是当务之急。21 绪论1.1 汽车起重机概述在底盘上装设起重设备完成吊装任务的汽车称为汽车起重机。我国新一代汽车起重机产品，起重作业的操作方式，大面积应用先导比例控制，具有良好的微调性能和精控性能，操作力小，不易疲劳。通过先导比例手柄实现比例输送多种负荷的无级调速，有效防止起重作业时的二次下滑现象，极大的提高了起重作业的安全性、可靠性和作业效率。部分大型汽车式起重机还在伸缩臂上使用了单缸插销的伸缩技术，通过液压销作用，以单个液压油缸可完成多节伸臂的运动，并达到各种工况的程度控制和自动伸缩，改变了以往能不油缸加内部绳排的作业方式，使起重机相对更轻，拓展了起重机向更高工作高度发展的空间。根据吊臂结构可分为定长臂、接长臂和伸缩臂三种，前两种多采用桁架结构臂，后一种采用箱形结构臂。根据动力传动，又可分为机械传动、液压传动和电力传动三种。因其机动灵活性好，能够迅速转移场地，广泛用于土木工程。现在普遍使用的汽车起重机多为液压伸缩臂汽车起重机，液压伸缩臂一般有 24 节，最下(最外)一节为基本臂，吊臂内装有液压伸缩机构控制其伸缩。图 1-1 所示为安装在专用汽车底盘上的伸缩臂式液压汽车起重机。图 1-2 为 QY25K 型汽车起重机。图 1-1 专用汽车底盘的汽车起重机 图 1-2 QY25K 型汽车起重机Figure 1-1 Special truck crane chassis Figure 1-2 QY25KTruck crane1.2 国外汽车起重机发展概况及发展趋势 1.2.1 国外汽车起重机发展概况目前世界上约有百余家企业生产汽车起重机，但著名的也就右十余家，如美国的格鲁夫、德国的利勃海尔、徳马克、日本加藤、多田野等。生产的汽车起重机品种有数百3种，90 年代以来，生产，销售各种吨位的起重机万余台。汽车起重机的市场主要集中在东亚、北美和欧洲。东亚约占销售量的 40%，北美和欧洲各约占 20%。国外汽车起重机发展的主要特点可以归纳为：多品种生产，标准化程度高和一机多用。就分布于三大市场的产品而言，以德国为主的欧洲市场，其产品主要特点为：(1)全地面起重机占主导地位，约占市场份额的 80%。(2)大吨位产品为主，利勃海尔公司占销售额的 70%80%式 100 吨以上的产品。(3)技术先进，及时采用世界最新的技术成果。(4)专用配套件多，这以为欧洲发展汽车起重机的得天独厚的条件。以日本为主的东亚市场和以美国为主的北美市场，其产品主要特点有：(1)越野汽车起重机占主导地位，约占 70%80%，其次为轮式起重机，全地面起重机所占比例较小。(2)多系列生产，中大吨位居多。(3)注重适应性和经济性。在保证产品性能和功能提下，大量采用通用配套件，而不强调追赶新技术，故产品可靠性较好。目前，世界汽车起重机的生产，从技术上讲，德国利勃海尔公司略占优势，但从企业规模上讲，美国格鲁公司居世界首位。而生产量则是日本的多田野和藤加最多。市场总的趋势式供大于求，面对激烈竞争，国外各大公司除了纷纷增加投资、扩大生产、提高自身的竞争能力外，还通过联合或兼并来提高在国际市场的份额。如 1984 年，美国格鲁夫公司收购了英国老牌企业科尔斯公司。1987 年，德国克虏伯公司收购了格的瓦尔德公司，称为当时德国最大的起重机公司，但该公司 1995 年又被美国格鲁夫公司收购。1990 年，日本多田野兼并了德国法恩公司等。在起重机行业内，国外的大型汽车起重机的发展比我国迅速，在技术和运用上已相当成熟，目前国际市场对汽车起重机的需求在不断增加，从而使国外各大汽车式起重机制企业在生产中更多的应用优化设计，机械自动化和自动化设备，这对起重机行业的发展造成了很大的影响。目前国外的起重机企业主要是生产大吨位的起重机，而且有完善的设计体系，和一批先进的研发人员，不断的进行创新和完善。国外的制造企业现在已经达到规模化的生产，技术含量比较高，而且液压技术和电子技术在汽车起重机的设计中也已广泛的应用，很多企业的品牌在用户的心中已经打上了坚实的烙印，这也使的国外起重机的继续发展占有了更大的优势。41.2.2 国外汽车起重机发展趋势 1)设计、制造的计算机化、自动化近年来，随着电子计算机的广泛应用，许多国外起重机制造商从应用起重机辅助设计系统（CAD） ，提高到应用计算机进行起重机的模块设计。起重机采用模块单元化设计，不仅是一种设计方法的改革，而且将影响整个起重机行业的技术、生产和管理水平，老产品的更新换代，新产品的研制速度都将大大加快。对起重机的改进，只需更改几个模块；设计新的起重机只需新的不同模块进行组合，提高了通用化程度，可使单件小批量的产品，改成相对批量的模块生产，能使较少的模块形式，组合成不同规格的起重机，满足市场的需求，增强了竞争力。2)起重机控制元件的革新与应用起重机的距离检测防撞装置，采用无线电信号型的防撞装置，防撞系统由三相系统组成，用来监控起重机前端行使距离，一般首先发出信号警示，接着将大车车速减小到50%，最后切断电机电源，将大车制动。3)新材料、新工艺的应用。由于钢铁工业新技术的应用，刚才质量得以提高，在设计起重机主梁强度时，可使用较高的许用应力，而不需要较高的安全系数，以便减少起重机材料用量，从而降低设备的重量和价格，起重机配套的零部件的制造也得益于新材料的不断产生，使得起重机向更轻，更好的方向发展。1.3 国内汽车起重机的发展概况和发展趋势1.3.1 国内汽车起重机的发展概况我国在 1957 年生产第一台 5T 机械式汽车起重机到现在已有 50 多年历史，它的生产大致经历了以下几个阶段：19571966 年以生产 5T 机械式汽车起重机为主；19671976年以生产 12T 以下小型液压汽车起重机为主；1977 1996，1650T 中大吨位液压汽车起重机产品发展较快。自 1979 年开始，我国采用进口汽车底盘和关键液压件，自行设计生产出了 6T、20T液压汽车起重机之后，国内一些起重机生产厂家采用技贸结合方式，分别引进日本多田5野，加藤，美国格鲁夫和德国利勃海尔,克虏伯的起重机产品技术，以结合生产的方式相继制造出 25T、35T、45T、50T、80T 、125T 汽车起重机和 25T 越野轮胎起重机以及32T、50T、70T 全路面起重机。这些企业经过多年来对引进技术的消化、吸收、移植，使国产轮胎式起重机一些新产品的性能水平达到了国际 80 年代初的水平，产品产量也逐年有所提高。许多专家认为，高速发展的市场，是中国汽车起重机产业各个厂商有利的技术创新基础和环境。近几年来，中国汽车起重机产业的主力厂商在加速追赶国外先进水平的进程中，一直坚持自主的技术创新道路，基本上没有整体引进外国技术的做法，也使得中国汽车起重机产业在达到和接近国际先进水平的同时，在产品技术上拥有明显的中国特质。受公路车辆行驶的限制，国外工程起重机在 70 吨级以上，基本发展了全路面底盘技术，采用独立的油气缸悬挂方式，而中国起重机产业则继续在汽车板簧式技术上发展到目前的 130 吨级产品。这其中，形成了独用的多桥板簧平衡悬挂技术，解决了多桥车辆在设计中的桥荷平衡，以及行驶过程中单桥过载等问题，并且实现了多桥（四桥以上）车辆的多桥转向系统，满足了国家对公路车辆的最小转弯半径的要求，使得汽车式大吨位起重机行驶基本达到与全路面起重机的独立悬挂相当的行驶能力。另外，国内像徐州重工等重量级厂家，经过几年的自主摸索与创新，成熟掌握了全路面起重机的全部技术，制造出了 200 吨级及以上的超大型产品，虽然与国外最大 800吨的产品还有一定差距，但是已经不存在不可跨越的障碍，中国汽车起重机行业达到国际最先进水平已经是一个时间和进度问题。中国汽车起重机底盘到目前已经应用了 CAN 总线控制系统，达到点对点、一点对多点（成组）及全局广播集中方式传送和接受数据，达到了防抱死防滑转、电喷发动机控制、自动变速，扭矩实时控制、经济运行速度等的自动计算控制，提高了操纵的自动性、系统的可靠性、人机界面的可视性，达到了真正意义上的信息集成和智能化。上车起重机部分已经大量应用 PLC 可编程集成控制技术，带有总线接口的液压阀块、马达、油泵等控制和执行元件已较为成熟，液压和电气已实现了真正紧密的接合。可通过软件实现控制性能的调整，大幅度减化控制系统、减少液压元件、提高系统的可靠性，具备了实现故障自动珍断、远程控制的能力。 61.3.2 国内汽车起重机发展趋势近年来随着建筑工程规模不断扩大，起重安装工程量越来越大，尤其是现代化大型石油、化工、冶炼、电站以及高层建筑的安装作业逐年增多。因此，对汽车起重机，特别是大功率的起重机的需要量日益增加。随着现代科学技术的发展，各种新技术、新材料、新结构、新工艺在汽车起重机上得到广泛的应用。所有这些因素都有力地促进了汽车起重机的发展。根据国内外现有汽车起重机产品和技术资料的分析，近年来汽车起重机的发展趋势主要体现在以下几个方面。1)提高起重机的起重量由于现代工程项目想大型化发展，所需构件和配套设备的重量在不断增加，对超大型起重设备的需求也越来越多。在汽车起重机向大型化发展过程中，德国始终处于遥遥领先的地位。现在，最大吨位的汽车起重机为德国利勃海尔公司生产的 LTM11000D 型。最大额定起重量为 1000T 。2)微型起重机大量涌现汽车起重机的微型化是适应现代建设工作的需要而出现的一种新的发展趋势。走在前面的是日本的神户制钢公司，它于 10 多年前开发的 RK70（7T）型是世界第一台装有下俯式臂架的“迷你”越野轮胎式起重机。目前，下俯式臂架已成为“迷你”起重机的重要标志。3)混合型起重机在发展混合型起重机是为了特定用途而开发出来的。如利勃海尔公司生产的 LTL1160 型越野轮胎起重机就是为了维修庞大的斗轮挖掘机而专门研制的。德马格双桥 AC25（25T）全路面起重机，结构非常紧凑，车身长 9m，非常适应城市狭窄地段工作所以又被称为城市型起重机。4)采用新技术、新材料、新结构、新工艺为了减轻起重机的自重，提高起重性能，保证起重机高效可靠地工作，各国非常重视采用新技术、新材料、新结构和新工艺。5)广泛采用液压技术由于液压传动具有体积小，重量轻，结构紧凑，能无极调速，容易布置，操纵轻便，运转平稳和工作安全等优点，因此，近年来国内外各种类型的起重机广泛采用液压传动。76)一机多能，扩大工作范围为了充分发挥起重机的作用，扩大其使用范围，有的国家在设计起重机时重视了产品的多用性。例如在工作装置设计方面，除了使用吊钩外，还设计了配备有电磁吸盘、抓斗、拉铲和木料抓取器等取物装置。有的还设计成用于建筑基础工程中，如装设钻孔装置和掀动打桩拔桩装置等一机多用的产品。1.4 汽车起重机上液压系统的特点汽车起重机由于它是利用汽车底盘，所以具有汽车的行驶通过性能，机动灵活，行驶速度高，可快速转移，转移到作业场后能迅速投入工作，因此特别适用于流动性大，不固定的作业场所。由于汽车底盘通常是由专业厂生产的，因而在现成的汽车底盘上改装成起重机比较容易和经济。汽车起重机由于具有上述这些特点，因此随着汽车工业的迅速发展，近年来各国汽车起重机的品种和产量都有很大发展。但汽车起重机也有其弱点，主要是起重机总体布置受汽车底盘的限制，一般车身都较长，转弯半径大，并且只能在起重机左右两侧和后方作业。1)在起重机的结构和技术性能上的优点：来自汽车发动机的动力经油泵转换到工作机构，其间可以获得很大的传动比，省去了机械传动所需的复杂而笨重的传动装置。不但使结构紧凑，而且使整机重量大大的减轻，增加了整机的起重性能。同时还很方便的把旋转运动变为平移运动，易于实现起重机的变幅和自动伸缩。各机构使用管路联结，能够得到紧凑合理的速度，改善了发动机的技术特性。便于实现自动操作，改善了司机的劳动强度和条件。由于元件操纵可以微动，所以作业比较平稳，从而改善了起重机的安装精度，提高了作业质量。采用液压传动，在主要机构中没有剧烈的干摩擦副，减少了润滑部位，从而减少了维修和技术准备时间。2)在经济上的优点液压传动的起重机，结构上容易实现标准化，通用化和系列化，便于大批量生产时采用先进的工艺方法和设备。此种起重机作业效率高，辅助时间短，因而提高了起重机总使用期间的利用率，对加速实现四个现代化大有好处。3）液压传动的主要缺点液压传动的主要缺点是漏油问题难以避免。为了防止漏油问题，元件的制造精度要求比较高。油液粘度和温度的变化会影响机构的工作性能。液压元件的制造和系统的调8试需要较高的技术水平。从液压传动的优缺点来看，优点大于缺点，根据国际上起重机的发展来看，不论大小吨位都采用液压传动系统。纵观众多用户的反馈意见，液压式汽车起重机深受他们的欢迎和好评。所以 QY25K 型汽车起重机决定采用液压传动的形式。1.5 汽车起重机液压系统的运用现状和发展趋势最早的汽车起重机液压系统常用单泵供油，后来为了满足起升、变幅、后来为满足起升、变幅、伸缩、回转机构的独立工作、联合动作以及快速提升的要求，出现了双泵统选用多联齿轮泵。但齿轮泵存在压力受到限制和不能变量的缺陷，因而不能在闭式回路、功率匹配回路等系统中应用，故高压柱塞泵是发展的必然。1)起升液压系统: 目前最常用的起升液压系统为定量泵、定量或变量马达开式液压系统，然而，现代施工要求。起升系统节能、高效、可靠以及微动性、平稳性更好。为了适应这些新的要求，以前的定量泵将逐步被先进可靠的具有负载反馈和压力切断的恒功率变量泵所取代，定量马达或液控变量马达也将被电控变量马达所取代。这种系统将能有效地达到轻载高速、重载低速和节能等效果。2)变幅液压系统: 变幅液压系统更趋节能高效，目前最先进的为变幅下降时充分利用吊臂和重物的重力势能，实现重力下放，下放的速度由先导手柄来无级控制，变幅平稳没有冲击。3)伸缩液压系统: 对于具有 5 节以下伸缩臂的伸缩液压系统，国内一般采用同步或顺序加同步的伸缩方式，当采用 2 级液压缸时，上下 2 液压缸实现内部沟通，一般采用插装式平衡阀; 对于具 5 节以上伸缩臂的液压系统，采用单缸插销伸缩机构，这种伸缩机构自重轻，能大幅提高起重机的起重性能，能有效地控制整机的重量，通过采用多油口和多平衡阀的油路来提高伸缩的效率。4)回转液压系统: 起重机的回转所需功率最少，因而回转系统的要求是: 回转平稳，起重作业无侧载; 回转系统的发展趋势为通过小马达、大传动比来实现操作平稳，通过设立回转缓冲阀和自由滑转机能来实现吊重的自动对中功能，从而有效防止侧载的产生。5)操纵、控制系统: 机械式操纵是汽车起重机简单、广泛使用的一种操纵方式，而最有发展前途的还是电比例操纵系统，借助于计算机技术和可编程技术，汽车起重机将向智能化发展。91.6 课题意义和主要研究任务QY25K 汽车起重机属于中型起重机，是工程建设中较常用的一款汽车起重机。生产厂家把生产的起重机所能够吊的吨位作为生产能力的主要标志，而忽视中小型起重机的技术发展，从某种方面来说是不完美的。为了使设计出来的起重机具有高的性能，设计时不仅要采用一些国内外的先进技术，也要有自己的创新技术。这样，才能使自己设计出来的产品具有一定的先进性，很高的性价比，才能在市场中具有很强的竞争能力。因此，设计这样一款汽车起重机不仅很有必要而且是可行的。本课题主要针对汽车起重机的功能、组成和工作特点，结合国内外汽车起重机的运用现状和发展趋势，设计一款能够适应国内外工程建设的中型汽车起重机液压系统。设计时，首先明确设计任务和设计要求，仔细研究设计方案，理清设计思路，使设计过程清晰化，在此基础上，进行以下研究工作：1、分析已有的汽车起重机，结合设备特点，明确液压系统的设计要求，并进行工况分析；2、确定汽车起重机液压系统的主要参数；3、对各工作机构液压回路进行设计，拟定液压系统原理图；4、根据整机工作参数和各机构主要参数对液压系统进行设计与计算，并且对主要液压元件进行选型；5、对各回路及整个系统进行性能计算，其中包括各回路功率计算、各回路性能验算以及系统的发热验算等。6、对液压油缸进行设计与图纸绘制。2 QY25K汽车起重机工况分析2.1 QY25K 汽车起重机简介采用全头大视野豪华型驾驶室、新型太空型操纵室，整机造型美观采用5节八边形双10缸，加绳排伸缩主臂和1节桁架式副臂，提高了整机的作业范围，配置了大功率环保型发动机。提高底盘的动力和通过性能可供先导操纵和非先导操纵两种配置，使用户具有更大的选择空间。经国家工程机械质量监督检验中心型式试验和国家汽车质量监督检验中心的强制性目检，整机各项指标完全达到了相关标准的要求，安全环保项目符合国家强制性标准规定，经用户使用动力强劲起吊性能优良。如图2-1所示汽车起重机主要由2回转机构、3支腿机构，4变幅机构、5伸缩机构和7起升机构组成。图2-1 汽车起重机外形简图Figure 2-1 truck crane dimension sketchQY25K 型汽车起重机是一种中小型起重机，这种起重机的作业操作，主要通过手动操纵来实现多缸各自动作。起重作业时一般为单个动作，少数情况下有两个缸的复合动作，为简化结构，系统采用一个液压泵给各执行元件串联供油方式。在轻载情况下，各串联的执行元件可任意组合，使几个执行元件同时动作，如伸缩和回转，或伸缩和变幅同时进行等。汽车起重机液压系统中液压泵的动力，都是由汽车发动机通过装在底盘变速箱上的取力箱提供。液压泵为斜轴式柱塞泵，由于发动机的转速可以通过油门人为调节控制，其输出的流量可以在一定的范围内通过控制汽车油门开度的大小来人为控制，从而实现无级调速；液压泵通过中心回转接头、开关和过滤器从油箱吸油；输出的压力油经回转接头多路换向阀手动阀组的操作，将压力油串联地输送到各执行元件，当起重机不工作时，液压系统处于卸荷状态。112.2 QY25K 汽车起重机液压系统组成及特点2.2.1 下车液压系统下车油路采用手动多路换向阀控制水平支腿和垂直支腿的运动方向，车架两侧均可操作，用户可根据实际情况进行选择。支腿回路采用 H 式支腿，此支腿外伸距离大，每一支腿有两个液压缸，一个水平的，一个垂直的，支腿外伸后成 H 形。四个水平支腿或垂直支腿既可以单独伸缩也可以同时伸缩。新型下车多路换向阀由于增加了限压阀，可有效防止水平液压缸活塞杆弯曲。四个垂直支腿缸上装有双向液压锁，用于防止在起重作业时垂直支腿缸活塞杆回缩或在行车时活塞杆自动伸出。2.2.2 上车液压系统上车液压系统主要由液控先导操纵的多路换向阀控制系统，主操纵阀为负荷传感式比例多路换向阀，各联换向阀均设有抗冲击阀和防气蚀阀。先导阀采用进口比例式液压阀，先导阀手柄移动的角度与输出压力成正比，主操纵阀的阀芯位移与先导阀输出压力也成正比，所以整机具有良好的微动性。同时负荷传感阀使执行元件的运动速度与负载无关，降低了操作者的操作难度，减轻了操作者的劳动强度。起升油路分主卷扬油路和副卷扬油路，液压泵采用具有压力切断功能的双向电液比例排量调节泵，此泵能实现排量与输入电压信号成正比的控制功能，用手动比例电压控制阀来进行调节，它与变量马达构成了两个独立的容积调速回路。卷扬机构采用变量马达使整机具有轻载高速、重载低速的特点。副卷扬油路可通过合流阀向主卷扬油路自动合流。主副卷扬回路中设有压力记忆阀，防止二次起升下坠，缓冲补油和自动冷热油交换等装置。QY25K 型起重机属于中型起重机，回转比较频繁，所以回转油路由双向电液比例排量调节泵和定量马达组成，除采用缓冲补油和冷热油自动交换措施外，还采用了防止“打停现象” （在回转过程中出现打停后再回转现象）和防止臂杆因外力（风力等）引起的自由摆动的特殊阀。伸缩回路有四级液压缸，使用电液阀控制使液压缸实现顺序伸缩和各节臂单独伸缩。回路中，电磁阀仅通过推动液动阀所需的流量，流量较小，而流动阀才是通过工作机构所需的大流量。这样电磁阀可靠性大大提高。液动阀可通过很大流量，从而提高伸缩速度。大中型起重机的变幅机构，为了减小变幅缸的缸径，通常采用双缸并联回路，即两12个等直径的变幅缸分别置于臂的两侧跟臂一起刚性连接。本机采用液控单向阀来锁紧臂自动下滑，才用了一平衡阀来防止在变幅下降时产生超速现象。伸缩、变幅回路在工作时只能一个单独工作，用电液比例换向阀来控制它们的伸缩速度。本机采用了一个二位六通转阀来切换伸缩、变幅油路，这样不但可以实现一个操作手柄单独操作伸缩、变幅工作，而且用一个二位六通转阀替换了一个电液比例换向阀和一个电路切换开关降低了生产成本。根据汽车起重机的工况，支腿回路、伸缩回路和变幅回路只能一个单独工作，所以采用同一个液压泵供油。主、副卷扬回路，回转回路都用了电液比例排量调节泵，它们都带有副泵，此副泵负责给自己所在闭式回路补油和提供控制油。25 吨液压汽车起重机还另外联接和驱动各机构的还有液压传动系统。这此机构应能完成重物的提升和下降,改变作业的高度和方位及作业半径等其本作业运动外,即其必须完成的动作外,在液压系统设计中还必须保证:(1) 在提升和下放改变方位负载时,应防止由于负载和落臂自重而导致失速降落;(2) 各方位都应有良好的微动性能,防止重物就位时发生冲击碰撞;(3) 支腿在起重和汽车起重机行进中,不得因重物负载而自行伸缩。2.3 QY25K 汽车起重机的各组合、分配及控制1. 各机构组合情况回转机构伸缩机构支腿机构起升机构变幅机构图 2-2 各机构动作组合情况Figure 2-2 institutions action combination支腿机构在起升过程中不能动作，但是支腿回路不工作时其他的回路均不能工作，起升与变幅，伸缩、回转回路要有组合动作功能，回转、伸缩、变幅回路之间不需要组合动作。各机构组合情况如图 2-2 所示。2. 动力分配情况 根据设计要求、工作情况、起重量等，本机的动力分配如图 2-3 所示：13伸缩机构泵 1起升机构泵 2合流分动箱支腿机构回转机构变幅机构图 2-3 上车动力分配情况Figure 2-3 on power distribution3、各机构组合控制情况对于支腿回路伸缩速度控制、伸缩回路、变幅回路、回转回路、主副卷扬回路都采用了电液比例控制方式，用手动比例电压控制阀手柄做操纵工具，其搭配情况如图 2-4所示。伸缸落臂缩缸升臂伸缩 （ 变幅 ）主卷扬 （ 起升 ）主卷扬下降伸缩 （ 变幅 ）副卷扬 （ 起升 ）回转 （ 右移 ）回转 （ 左移 ）副卷扬 （ 下降 ）图 2-4 手动控制阀手柄的工作位置搭配情况Figure 2-4 manual control valve handle position match situation2.4 QY25K 汽车起重机的整机技术参数表 2-1 为汽车起重机行驶状态主要技术参数 12，表 2-2 为汽车起重机起重作业状态主要参数。表 2-1 起重机行驶状态主要技术参数Fig.2-1 Crane running status, main technical parameters类别 项 目 单 位 参 数整 机 全 长 mm 12550整 机 全 宽 mm 2500整 机 全 高 mm 3380第一轴距 mm 4425尺寸参数轴 距第二轴距 mm 1350行驶状态总质量 kg 29400前 轴 kg 6200重量参数 轴 荷后 轴 kg 2320014发动机额定功率 kw/rpm 206/2200发动机额定扭矩 N.m/rpm 1112/1400最高行驶速度 km/h 75最小转弯直径 m 22最小离地间隙 mm 260接近角 16离去角 13制动距离（车速为 30km/h） m 10最大爬坡度 % 30行驶参数百公里油耗 l 37表 2-2 起重作业状态主要技术参数Fig.2-2 Lifting operation status of main technology parameters类别 项 目 单 位 参 数最 大 额 定 总 起 重 量 t 25最 小 额 定 工 作 幅 度 m 3转 台 尾 部 回 转 半 径 m 3.065最大起重力矩 基 本 臂 kNm 1000纵 向 m 5.14支腿距离横 向 m 6.0基 本 臂 m 10.7最 长 主 臂 m 33.15起升高度最 长 主 臂+副 臂 m 41.2基 本 臂 m 10.6最 长 主 臂 m 33主要性能参数起重臂长度最 长 主 臂+副 臂 m 41.15起 臂 s 75起重臂变幅时间落 臂 s 45全 伸 s 100起重臂伸缩时间全 缩 s 60最 大 回 转 速 度 r/min 2.5满载 m/min 75主起升机构 空载 m/min 120满载 m/min 75工作速度参数 起 升速 度 副起升机构 空载 m/min 120152.5 QY25K 汽车起重机的工作等级起重机在有效工作期间有一定总工作循环数，起重机作业的工作循环是从准备其吊物品开始到下一次其吊物品为止的过程。工作循环次数表征起重机的利用程度，是起重机分级的基本参数之一。确定适当的使用寿命时要考虑经济，技术和环境等因素，同时还要考虑设备老化的影响。工作循环次数除了可根据经验确定，还可根据下式进行计算：（次） （2-1）5360B3601()30Q= 3.7410YHT年 （ 天 ） 8（ 小 时 ）（ 秒 ）式中 : Y起重机的使用寿命以年计算，与起重机的类型、用途、环境、技术、经济因素有关。 由于本设计为 25 吨，参见起重机设计手册 11不同类型起重机使用寿命表，如表 2-3 所示，可知 Y=13 年。B起重机一年中的工作天数，取 B=300 天。H起重机每天工作小时数，取 H=8 小时。T起重机一个工作循环的时间，设定为 T=300 秒。根据以上计算所得出的数据， (次)5Q=3.7410参见起重机设计手册 7起重机利用等级表，如表 2-3 所示，可以选择起重机的利用等级为 ，起重机的 使用情况为，经常中等的使用。5U表 2-3 起重机利用等级Fig.2-3 Crane by grade 利用等级总的工作循环次数/N起重机使用情况利用等级总的工作循环次数/N起重机使用情况0U1.6 4105U5 10经常中等的使 用13.2 61 不经常繁忙使 用26.3 4不经常使用 72 53U1.25 5108U4 0繁忙的使用42.5 经常清闲的使 用 94 51162.6 典型工况分析及对系统要求2.6.1 伸缩机构的作业情况汽车起重机工作中主要用到的机构是主、副卷扬机构，回转机构；在重物下降定位时常常用到变幅机构。带载伸缩是比较危险的，在实际作业中很少使用，空载吊臂伸缩循环仅占试验基本工况作业循环次数的 5，故伸缩及带载伸缩不是典型工况。2.6.2 副臂的作业情况大多数汽车起重机都带有副臂，它的作用是增加起重机的最大起升高度。很多大型汽车起重机主臂前都有一个突出滑轮，在副卷扬工作时，顺着滑轮升降副吊钩，用于幅臂单独起吊较小起重量，很少使用。而用副臂幅卷扬与主卷扬进行共同吊重的情况更为少见。本机属于中型起重机，一般不提倡采用副臂工作，不过它可以增加最大起升高度，用于特殊场合。2.6.3 三个以上机构的组合作业情况有些大型汽车起重机要求有三、四个动作同时组合功能，是靠手柄的 45联动功能实现的，即一个手柄同时控制两个机构的运动，这种操作方式对司机的操作水平要求很高，且有危险，实际作业中很少使用。本机为中型起重机实现功能没有大型的多，操作也没大型的那么复杂，采用电液比例伺服系统来控制，操作灵活稳定，因此，对操作人员要求不是很高。2.6.4 典型工况的确定根据各机构的实际作业情况，起重机试验规范，以及很多操作者的实际经验，可确定表 2-4 的五种工况，作为大中型汽车起重机的典型工况。设计液压系统时要求各系统的动作能够满足这些工况要求。表 2-4 汽车起重机典型工况表Fig.2-4 Typical working condition table truck crane序号 工 况 一次循环内容 特 点1基本臂；额定起重量的 80；相应的工作幅度。主卷扬起升回转下降（中间制动一次）起重吨位大，动作单一，很少与回转等机构组合动作2基本臂；额定起重量的 80；主卷扬起升回转下降停顿起升回转下降主卷扬组合动作主要用于平吊安装或17相应的工作幅度。 （中间制动一次） 空中翻转3中长臂；中长臂最大额定起重量的1/2；相应的工作幅度。（主卷扬起升回转）变幅下降（起升回转）下降（中间制动一次）起重机在额定起重量的（5060）的作业工况最多4中长臂；中长臂最大额定起重量的 1/2；相应的工作幅度。主卷扬起升回转变幅下降停顿起升回转下降（中间制动一次）中长臂中等起重量工况出现机率大，此时平吊安装或空中翻转作业也常用5最长臂；最长臂最大额定起重量的 1/2；相应的工作幅度。主卷扬起升回转变幅下降(中间制动一次）利用它臂长特点起吊小起重量高空作业2.6.5 系统要求根据汽车起重机的典型工作状况对系统的要求主要反映在对以下几个液压回路的要求上。1)起升回路(1) 主、副卷扬既能单动，又能同时动作，要求自动分流合流并将保证低压合流高压自动分流。(2) 副卷扬只要求单泵供油。(3) 要求卷扬机构微动性好，起、制动平稳，重物停在空中任意位置能可靠制动，即二次下滑问题，以及二次下降时的重物或空钩下滑问题，即二次下降问题。2)回转回路(1)具有独立工作能力。(2)回转制动应兼有常闭制动和常开制动（可以自由滑转对中） ，两种情况。3)变幅回路(1)带平衡阀并设有二次液控单向阀锁住保护装置。(2)要求起落臂平稳，微动性好，变幅在任意允许幅值位置能可靠锁死。(3)要求在有载荷情况下能微动。(4)平衡阀应备有下腔压力传感器接口，作为力矩限制器检测星号源。4)伸缩回路本机伸缩机构采用四节臂（含有三个液压缸） ，由于本机为中型起重机为了使本机运用广泛，采用电液阀控制液压缸实现各节臂顺序伸缩。各节臂具有任意伸缩的选择性，18但不能实现同部伸缩。5)控制回路(1)为了使操纵方便总体要求操纵手柄限制为两个。(2)操纵元件必须具有 45方向操纵两个机构联动能力。6)支腿回路(1)要求垂直支腿不泄漏，具有很强的自锁能力（不软腿） 。(2)要求各支腿可以进行单独调整。(3)要求水平支腿伸出距离足够大，能够满足最大吊重而不至于整机倾翻。(4)要求垂直支腿能够承载最大起重时的压力。(5)起重机行走时不产生掉腿现象。2.7 QY25K 汽车起重机主机的工况分析主机的用途、工艺过程、总体布局以及对液压传动装置的位置和空间尺寸的要求；主机对液压系统的性能要求，如自动化程度、调速范围、运动平稳性、换向定位精度以及对系统的效率、温升等的要求；液压系统的工作环境，如温度、湿度、振动冲击以及是否有腐蚀性和易燃物质存在等情况。在上述工作的基础上，应对主机进行工况分析，工况分析包括运动分析和动力分析，对复杂的系统还需编制负载和动作循环图，由此了解液压缸或液压马达的负载和速度随时间变化的规律，以下对工况分析的内容作具体介绍。2.7.1 运动分析主机的执行元件按工艺要求的运动情况，可以用位移循环图(Lt) ，速度循环图(vt)，或速度与位移循环图表示，由此对运动规律进行分析。1)位移循环图 st图 2-5 为液压机的液压缸位移循环图，纵坐标 s 表示活塞位移，横坐标 t 表示从活塞启动到返回原位的时间，曲线斜率表示活塞移动速度。该图清楚的表明了汽车起重机的主液压缸的工作循环分别由快速下行、减速下行、压制、保压、泄压慢回和快速回程六个阶段组成。19ot1t2t3t4t5t6ts123 456图 2-5 位移循环图Figure 2-5 displacement cycle diagram2)速度循环图 vt(或 vs) 工程中液压缸的运动特点可归纳为三种类型。图 2-6 为三种类型液压缸的 vt 图，第一种如图 2-6 中实线所示，液压缸开始作匀加速运动，然后匀速运动， voetdbea图 2-6 速度循环图Figure 2-6 speed loop diagrams最后匀减速运动到终点；第二种，液压缸在总行程的前一半作匀加速运动，在另一半作匀减速运动，且加速度与减速度的数值相等；第三种，液压缸在总行程的一大半以上以较小的加速度作匀加速运动，然后匀减速至行程终点。vt 图的三条速度曲线，不仅清楚地表明了三种类型液压缸的运动规律，也间接地表明了三种工况的动力特性。2.7.2 动力分析动力分析，是研究机器在工作过程中，其执行机构的受力情况，对液压系统而言，就是研究液压缸或液压马达的负载情况。1)液压缸的负载及负载循环图20ot1t2t3t4tFeFf dFf sFaF图 2-7 负载循环图Figure 2-7 load cycle diagram2)液压缸的负载力计算工作机构作直线往复运动时，液压缸必须克服的负载由六部分组成(2-2) bmgifc FF式中：F c为切削阻力；F f为摩擦阻力；F i为惯性阻力；F g为重力；F m为密封阻力；Fb为排油阻力。3)液压缸运动循环各阶段的总负载力液压缸运动循环各阶段的总负载力计算，一般包括启动加速、快进、工进、快退、减速制动等几个阶段，每个阶段的总负载力是有区别的。 (1)启动加速阶段：这时液压缸或活塞处于由静止到启动并加速到一定速度，其总负载力包括导轨的摩擦力、密封装置的摩擦力(按缸的机械效率 计算)、重力和惯性9.0m力等项，即：(2-3)bmgif FF(2)快速阶段： (2-f4)(3)工进阶段： (2-5bmgfcFF)(4)减速： (2-6)bmgif对简单液压系统，上述计算过程可简化。例如采用单定量泵供油，只需计算工进阶段的总负载力，若简单系统采用限压式变量泵或双联泵供油，则只需计算快速阶段和工进阶段的总负载力。212.7.3 液压马达的负载工作机构作旋转运动时，液压马达必须克服的外负载为：(2-7)ifeM1)工作负载力矩 Me。工作负载力矩可能是定值，也可能随时间变化，应根据机器工作条件进行具体分析。2)摩擦力矩 Mf。为旋转部件轴颈处的摩擦力矩，其计算公式为：(2-8)(MNGFRf式中：G 为旋转部件的重量(N)；f 为摩擦因数，启动时为静摩擦因数，启动后为动摩擦因数；R 为轴颈半径(m)。3)惯性力矩 Mi。为旋转部件加速或减速时产生的惯性力矩，其计算公式为： (2-9) )(MNtJi式中： 为角加速度(r/s 2)； 为角速度的变化(r/s)；t 为加速或减速时间(s)；J为旋转部件的转动惯量( )。 为回转部件的飞轮效应( )。mKg2GD2MN223 QY25K汽车起重机液压系统设计3.1 QY25K 汽车起重机液压系统额定压力的确定系统工作压力应按整机性能要求，考虑经济性和液压技术现有水平确定。在给定外负载下。系统的工作压力越高，各液压元件及管路系统的尺寸就越小。重量越轻.结构越紧凑。但由此导致对密封、制造加工精度和元件材质的要越严，维护和修理也越困难。况且系统工作压力高到一定程度后，随着高压力对壁厚和密封要求的提高，系统的尺寸和重量反而会增加。由起重机设计手册可知现有轮式起重机采用的工作压力为: 1)中压 :10MPa25MPa，用于中小型轮式起重机；2)高压 :25MPa32MPa,用于大中型轮式起重机；3)超高压 :32MPa 以上，用于特大型或有特殊要求的轮式起重机。QY25K 汽车起重机属于中小型汽车起重机。结合实际情况，本文在进行系统设计计算时，初选系统压力为 20MPa。3.2 QY25K 汽车起重机液压系统的基本回路设计3.2.1 起升机构回路的设计起升机构是起重机械的主要机构，用以实现重物的升降运动。起升机构通常由原动机、减速器、卷筒、制动器、离合器、钢丝绳滑轮组和吊钩等组成。起升机构简图如图 3.1所示。 液 压 马 达 减 速 器 卷 筒制 动 器离 合 器 吊 钩钢 丝 绳 滑 轮 组图 3-1 起升机构简图Figure 3-1 lifting mechanism diagram起升液压油路回路起到使重物升降的作用。起升液压油路回路主要由液压泵、换向23阀、平衡阀、液压离合器、液压制动器和液压马达组成。起升液压回路设计原理图如图3-2 所示。图 3-2 起升机构液压回路图Figure 3-2 lifting mechanism hydraulic circuit diagram起升回路是起重机液压系统的主要回路，对于大、中型汽车起重机一般都设置主、副卷扬起升系统。它们的工作方式有单独吊重、合流吊重以及共同吊重三种方式，其中对于吊大吨位且要求速度不太高时用主卷扬吊的方式，对于起吊小吨位且要求速度不太高时用副卷扬吊单独吊重的方式；对于吊大吨位且要求速度比较高时用主卷扬泵合流吊重的方式；对于吊比较长的物体时用共同吊重的方式。3.2.2 变幅、伸缩机构回路的设计1)变幅机构回路的设计变幅回路主要由液压泵、换向阀、平衡阀和变幅液压缸组成。最常见的液压变幅机构是用双作用液压缸作液动机，也有采用液压马达和柱塞缸。因此本设计采用双作用液缸作液动机。液压油路设计原理图如图3-3所示。变幅机构在工作装置作业时，其液压缸处于闭锁状态，受负载较大，要求不能无控制自动回缩。变幅缸的内漏和外漏会使工作幅度变大而造成重大事故。另外，变幅机构落臂时，因载荷的重力作用，会产生重力超速现象，需要限速措施。因此，在此机构中必须设置限速装置。国内外太都采用使用平衡阀(限速阀)的限速回路。平衡阀不仅能防止超速下行，也能保证整个下降过程为匀速过程。24PO1 123图3-3 变幅机构回路Figure 3-3 luffing mechanism circuit2)伸缩机构回路的设计吊臂伸缩机构是一种多级式伸缩起重臂伸出与缩回的机构。采用液压驱动时，执行元件选用液压油缸，利用缸体和活塞杆的相对运动推动下级吊臂的伸缩。通常，n 节吊臂则相应要有（n-1）个液压缸一活塞组。在设计相邻的三节臂伸缩机构时，为了减轻重量，还可以利用吊臂之间伸缩的比例关系，采用钢丝绳滑轮组(或链条链轮）实现第三节臂的伸缩以代替一只液压缸，这就形成了液压机械驱动形式。液压机械驱动还有另一种形式，即采用液压马达减速后驱动螺杆旋转，利用螺杆和螺母间的相互运动推动下级吊臂移动 , 这种方法自重较轻，可以提高大幅度时的起重量，另外还大大减少了漏油部位，维修也比较方便。借助液压作为动力伸缩吊臂的最大优点在于可以实现无级伸缩以及不同程度上实现带载伸缩，这就扩大了起重机在复杂使用条件下的使用功能，伸缩机构简图如图 3-4 所示。图 3-4 伸缩机构液压油路回路图Figure 3-4 stretching hydraulic circuit circuit diagram3.2.3 回转机构回路的设计工程起重机能将起重物送到指定工作范围内的任意空间位置，除了依靠起升机构实25现重物的垂直位移外，回转运动是实现水平位移的方法之一，尽管此种运动形式的水平移动范围有限，但所需功率小，要求也比较简单，故在大多数工程起重机中被采用，而且一般还都设计成全回转式的，即可在左右方向任意进行回转。全回转的回转机构由三部分组成:(1)回转机构的原动机，是整机的传动分流装置中的一个传动元件，它可以是电机、液压马达，或者是某根轴。一般来说，原动机的选择是由起重机的总动力源所决定的。 (2)回转机构的机械传动装置，一般起减速作用。(3)回转机构小齿轮通过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。液压油路设计原理图如图 3-5 所示。图 3-5 回转机构液压回路图Figure 3-5 slewing mechanism hydraulic circuit diagram回转回路起到使吊臂回转，实现重物水平移动的作用。它主要由液压泵、换向阀、平衡阀、液压离合器和液压马达组成，由于回转力比较小所以其结构没有起升回路复杂。回转机构使重物水平移动的范围有限，但所需功率小，所以一般汽车起重机都设计成全回转式的，即可在左右方向任意进行回转。转台的回转由一个大转矩液压马达驱动，它能双向驱动转台回转。通过齿轮、蜗杆机构减速，转台的回转速度为 1r/min3 r/min。由于速度较低，惯性较小，一般不设缓冲装置，液压马达的回转由三位六通手动换向阀控制，当三位六通手动换向阀工作在左位或右位时，分别驱动液压马达正向或反向回转。3.2.4 支腿机构回路的设计汽车起重机的支腿必需做成可伸缩的。在老式的起重机上支腿的伸缩都是人力的，极为不便。在现代的液压起重机中，支腿的伸缩也是液压传动的。26本车采用 H 式支腿结构比较合理。H 式支腿，此支腿外伸距离大，每一支腿有两个液压缸，一水平的(或略带倾斜的)，一垂直的支承液压缸，支腿外伸后呈 H 形。为保证足够的外伸距离，左右支腿相互叉开。H 式支腿对地面适应性好，易于调平，广泛采用在中、大型起重机上。对于支腿跨距的确定,所示，汽车起重机支腿是前后设置的，并向两侧方向伸出，形成矩形稳定面。因此，支腿横向跨距选取要适当，原则上是起重机在吊臂强度允许的起重量时，其稳定度达到规定的要求即可。支腿全部外伸时可将起重机作业区域分四块:即右侧方作业区、前方作业区、左侧方作业区和后方作业区。支腿跨距的确定，完全从稳定角度出发。支腿横向外伸跨距的最小值是要保证起重机在正侧方吊重的稳定，也即是在起吊临界起重量时，全部重量的合力将落在支腿中心线上。也就是要使支腿中心连线内、外的力矩处于平衡状态。图 3-6 汽车起重机支腿液压回路原理图Figure 3-6 truck crane outrigger hydraulic circuit principle diagram1)图 3-6 为中小吨位汽车起重机支腿液压回路原理图，它共有八个液压缸，即四个水平缸和四个垂直缸，这八个液压缸属于起重机下车液压系统的一部分支腿液压回路除了八个液压缸外，主要还包括：一个三联齿轮泵，下车多路阀，吸油滤油器，回油滤油器，两条主油路，供油路 K3，回油路 K2，压力表，每个液压缸都有一个双向液压锁。2)下车液压支腿共有五个工作状态：(1)无工作(2) 水平同步伸 (3)水平同步缩(4)垂直同步伸(5) 垂直同步缩3)五个不同的工作状态的过程分析：第一种：无动作，液压油经过吸油滤清器过滤被 32 号泵吸入下车主油路，油压超过规定的压力值时（液压表控制）一部分经溢流阀流回主回油路经回油滤油器回油箱，另