臂式斗轮堆取料机俯仰液压系统功能分析.pdf

臂式斗轮堆取料机俯仰液压系统功能分析 李毅民王英洁 大连华锐重工集团股份有限公 司 大连1 1 6 0 1 3 摘要臂式斗轮堆取料机俯仰装置通常采用液压缸驱动悬臂的俯仰运动，使得悬臂 、悬臂带式输送机、 配重平衡系统及斗轮在俯仰运动过程中能平稳升降。臂式斗轮堆取料机俯仰液压系统通常有多种设计 ，本文对 常见的一些液压系统的设计原理进行了简要的分析，以便于臂式斗轮堆取料机俯仰驱动液压系统的设计、维护 与使用工作。 关键词 堆取料机 ；俯 仰机构 ；液压缸 ；液压 系统原理 中图分类号U 6 5 3 ． 9 2 8 ． 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 2 1 0 0 o 3 9 0 6 Ab s t r a c t T h e l u ff i n g d e v i c e o f b o o m b u c k e t wh e e l s t a c k e r ／ r e c l a i me r i s u u all y d ri v e n b y h y d r a uli c c y l i n d e r f o r l u ff - i n g mo v e me n t ， S O t h a t t h e b o o m ， b e l t c on v e y o r，c o u nt e r we i g ht b a l a nc e s y s t e m a n d t h e b uc k e t wh e e l a t e a b l e t o b e s t a bl y u p a n d d o w n d u rin g t h e l u ff i n g mo v e me n t ． S u c h l u ffi n g h y d r a u l i c s y s t e m i s o f t e n d e s i g n e d i n s e v e r a l t y p e s ，and s o me c o m- mo B d e s i gn p r i n c i p l e s o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m a r e b ri e fl y an a l y z e d i n t h e p a p e r ， wh i c h i s h e l p f u l t o t h e d e s i gn ， ma i n t e na nc e a nd us e o f t h e l u f fing h y d r a u l i c s y s t e m for b o o m bu c k e twhe e l s t a c ke r ／r e c l a i me r ． Ke y wo r d s s t a c k e r ／ r e c l a i me r ；l u f fi n g me c h a n i s m； h y d r a u l i c c y l i n d e r ； p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c s y s t e m 臂式斗轮堆 取料机的俯仰 驱动装 置通 常采用 液压缸驱动 ，常见机构形式如图 1 。俯仰驱动液压 缸推拉堆取料机上部 的配重平衡三角架 ，从 而改 变悬臂梁的俯仰角度。 臂式堆取料机的俯 仰系统 的不平衡载荷 由安 装在 回转塔架与配重平衡三角架之间的液压缸承 受 ，并通过液压缸伸缩变化调整悬臂的俯仰角度 ， 从而改变悬臂和斗轮相对于料堆 的高度 。这种俯 仰机构 的驱动形式是一种 比较典 型的四连杆传动 机构 。 5 结论 1 借助于有限元分析软件 A n s y s ，通过建立 塔机的有 限元模型 ，编制程序，分析 了塔机 结构 在 2个工况下 的结构强度、整机 的稳定性 和静刚 度。利用有限元 分析软件可 以为塔机设计 阶段提 供一定的数据依据 ，分析出塔机 的危 险部位 ，在 设计阶段就能避免 因设计不合理原 因而发生的危 险事故。 2 有限元分析方法是结构分析 的快速有效 的 方法 ，特别是对 于杆件 比较多的桁架结构 ，可 以 得到每个单元杆件 的应力、应变 ，使 工程 复杂 问 题变得易于计算分析。 3 存在的不足是没有分析塔机的各种工况 ， 还需要进一步研究 ；模型简化过 于简单 ，忽略 了 部分载荷对塔机 的静态特性 的影 响；有 待进一步 分析塔机的动态特性 。 起重运输机械 2 o 1 2 1 O 参考文献 [ 1 ]王仿，高顶 ．塔式起重机整体结构的有限元分析[ J ] ． 煤矿机械，2 0 0 9 2 ． [ 2 ]王正勇，程文明 ．塔式起重机结构有限元分析技术研 究[ J ] ．工程机械，2 0 0 9 8 ． [ 3 ]郑夕健，谢正义 ． 有限元单元在塔机分析中的应用 [ J ] ．建筑机械化，2 0 0 7 2 ． [ 4 ]徐格宁 ．机械装备金属结构设计[ M] ．北京机械工 业 出版社 ，2 0 0 9 ． ． [ 5 ]范俊祥，陆念力．塔式起重机[ M] ．北京 中国建筑 工业 出版社 ，2 0 0 4 ． [ 6 ]曾攀，雷丽萍 ．结构的建模与分析[ M] ．北京机械 工业 出版社 。 2 0 1 0 ． 作 者 张孟辉 地 址河南省洛阳市涧西区重庆路矿山机械工程设计 研究院 邮 编 0 3 0 0 2 4 收稿 日期2 0 1 1 1 0 0 9 3 9 ， ／ 口 1 ／ a 2 图 1 液压缸驱动俯仰 的斗轮堆取料机 图 3 俯仰过程 中受拉压液压缸 的载荷 的变化 1 臂式斗轮堆取料机俯仰液压缸的载荷 臂式斗轮堆取料机俯仰液压缸 的载荷主要包 括 自重载荷、物料载荷和 冲击 载荷 。在实际 的装 卸机械设计过程中，各种载荷的计算要遵照相关 的设计规范进行。 液压缸载 荷 的变 化 特性 是臂 式 斗 轮堆 取 料 机俯仰液 压 系统设 计 的关 键 数据 。一般 液压 缸 载荷需要 考虑 两 点 ，一 是臂 式 斗轮 堆取 料机 在 俯仰 角度 范 围内液压 缸 承受 载荷 数值 的变化 参 数 ；二是臂 式斗 轮堆 取 料机 在俯 仰 角度 变化 范 围内液压缸 承受 力 的方 向的变化 。臂式 斗 轮堆 取 料机俯 仰机 构 的设 计 是从 钢 丝绳 卷扬 驱 动 的 俯 仰方式 延续 过来 ，所 以 ，在设 计 中液 压缸 的 载荷要 求 必 须 只 能 承受 压 力 ，而不 承受 拉 力 。 在臂式斗轮堆 取料 机俯 仰 角度 范 围 内液压 缸 载 荷 的大小与方 向的变化直接会影响到液压驱动系 统的设计思想 。 图 2与图 3表示两种臂式斗轮堆 取料机 的俯仰 角度与液压缸载荷 的关系 曲线 。纵 坐标 F表示液压缸活塞 的轴 向力 ，k N；横坐标 表示悬臂 的俯 仰角度 ， 。 ； 。 、 分别为下俯角度 与上仰角度 。对于既受拉又受压 的液压缸 ，表 明 液压缸在不同行程位置时出现有杆腔或无杆腔液 压油受压。在俯仰角度范 围内液压缸 的拉压力会 发生变化。即液压缸 由受压力变成不受力 ，再变 成受拉 力。 ， J I 1 t 72 一 ／ _ ．， 图2 俯仰过程中全受压液压缸载荷的变化 对于同一设备 ，如果 设计成拉压液压 缸则液 - - 40 -- 压缸承受 载荷 的绝对值 相对较小 ，而且整机 的 自 重会在一定程度上降低 ，如图 3 。若仅受压力时液 压缸承受载荷的绝对值会较大 ，设备 自重也偏大 ， 如图 2 。 对于 图 2的 系统 ，油 泵 运行 时俯 仰 系统 液 压缸外伸 向上 运 行 时做 正 功 ，系 统 的作 用力 方 向与运 动 方 向相 同。而 液 压缸 在缩进 方 向运 动 时 ，系统下俯 ，系统 的作用力方 向与运动方 向相 反 ，系统做 负 功 。液 压 缸 活塞 杆 的力 阻碍 俯 仰 运动 。 在图 3的俯仰过程 中，液压缸 的载荷在整个 俯仰角度范 围 内由负到正变化 ，因此 ，力 的方 向 在改变，液压系统做功的形式也在 改变 ，即在整 个俯仰角度 范围内既做正功 ，也做 负功。液压缸 活塞的运动有 时是推动俯仰 系统 的运 动 ，有 时是 阻碍俯仰系统的运动。 2 臂 式斗轮堆 取料机俯仰 机构 液压 系统 原理 2 ． 1 俯仰液压驱动 系统设计的基本要求 臂式斗轮堆取料机俯 仰机构 由液压 缸驱动臂 架升降过程应无 冲击、运 行平稳。当系统出现异 常失压时 如系统管路破裂 ，液压缸仍可停 留在 原位置 。即系统 具有 防 止输 油 软 管破 裂 的安 全 装置。 系统要适应机构所 确定 的载荷条件 ，升降 中 无异常振动与噪声。液压 缸有杆 与无杆腔应分别 设有压力表测试点 ，便于测试压力。 臂式斗轮堆取料机工作 时液压缸可 以在任 意 位置锁定悬臂 ，不会出现悬臂下滑的现象 。 臂式斗轮堆取料机俯仰液 压驱动系统应设有 油压 、油温检测和油压过压 溢流保护。滤 油装置 应设有滤油器堵塞检测 系统 。低温环境使用 的液 压系统油箱应设有电加热系统 。 起重运输机械 2 0 1 2 1 O 2 ． 2 几种典型臂式斗轮堆取料机俯仰驱动液压 系 统原 理 图 4～7为本文描述的几个臂式堆取料机俯仰 装置液压 系统 的原理 图。为便于叙述 ，将 所有原 理图中的元件或零件名称统一编号 ，见表 1 。 表 1 液压元件的代号与名称对照 代号 名称 代号 名称 l 油泵 6 单 向节 流阀 l A 手动油泵 3 B 手动三位四通换向阀 2 先导型电磁溢流阀 7 液控平衡阀 3 三位 四通换 向阀 8 双溢流制动 阀 减速阀 4 液压缸 9 软管破断保护阀 5 液控单 向阀 1 0 截止 阀 5 A 单 向阀 1 1 压力表测试点 在下述 4个臂式斗轮堆取料机俯仰 驱动液压 原理图 中三位 四通换 向 阀以下 的部分 基本 相 同。 即由电动机、液压 油泵 、先 导式 电磁溢 流阀、滤 油器以及三位 四通换 向阀等组成。电动机 提供动 力，液压油泵吸油及压油，先导式 电磁溢 流 阀则 是在非工作状态卸载泄油 ，滤油器是将 液压油过 滤，三位四通换 向阀的作用则是改变液压 油在管 路中的走 向，从 而实现液压缸活塞杆 的上 升、停 止或下降。 早期堆取料机悬臂俯仰液压系统 的设 计是基 于俯仰机构采 用钢丝绳卷扬 驱动的设计 思想进行 的。钢丝绳卷扬 系统 的钢丝绳不可压缩性 确定 了 液压缸在整个俯仰角度范 围内不承受拉力 ，仅承 受压力 。在俯仰角度范 围内液压缸活塞杆 的承载 情况类似于图 2的 曲线。比较简单 的俯仰 机构液 压系统见图4，设有两个液压缸 、一个电机 、一个 油泵 、一个先导式 电磁溢 流阀、一个三位 四通 电 磁换向 阀、一个 单 向节 流 阀和一个 液控 单 向阀， 另外还有滤油器 、压力表开关等附件。其原 理是 当液压缸活塞杆上升时 ，三位 四通换 向阀移 向右 侧 ，先导式电磁溢流阀 2关 闭建 立压力 ，油 流经 三位四通 阀进入单向节流阀6 一液控单 向阀 液压 缸无杆腔 ，将活塞杆顶起。有杆腔液压油经 三位 四通换向阀进 入滤油器后进 入油箱。当液压缸 活 塞杆下降时，三位 四通换 向阀 3移 向左侧 ，先 导 起重运输机械 2 0 1 2 1 0 式电磁溢流 阀 2关闭建立压力 ，油流经 三位 四通 阀 3进入液压缸有杆腔和液控单向阀 5控制油 口， 液控单向阀 5打开，液压缸无杆腔液压油进入液 控单 向阀一单 向节流 阀 三位 四通换 向阀 滤油 器一油箱 。 在液压缸活塞下 降的过程 中，由于活塞 杆承 受着势能载荷 ，活塞下降具有一定 的加速度会 导 致有杆腔吸真空 ，液控单 向阀因控制油 的压力过 小而关闭 ，活塞杆下 降停止 。停止一会后 由于液 压缸有杆 腔的压力再次建立起来 ，液控单 向阀控 制油压力也建立起来 ，液控 单 向阀再次打开 ，活 塞继续下降。如此反复形成 了间歇 的振动。为避 免出现这样 的现象 ，在活塞下降 的回油 回路 上设 置了单向节 流阀调整流量，下降时形成一定 的背 压使得活塞下 降的速度得以限制 ，并保持 液压 缸 有杆腔和液控 单 向阀的控油 口有足够 的压力 ，使 得下降时液控单 向阀始 终打开。避免 了进入液压 缸有杆腔的液压油的压力降低，使得液控单向阀 为控制油压降低而关 闭。 图 4 液压缸只受压力载荷的俯仰液压系统 图 4系统中的液控单向阀 5还具有活塞位置保 持功能 ，由于系统仅受压力 ，当非工作 状态 油 泵停止或三位 四通阀位 于中位 出现 系统液压软 管破裂时 ，液压锁可 以将活塞锁定在所处的位置。 双液压锁保持活塞杆锁定 的俯仰 液压系统如 图 5 ，系统中液压 回路并接。每个液压缸设有双向 一 41 互锁液压锁 5和两个单 向节流阀 6构成液压 回路。 通过调整单向节流阀，可 以改变和控制 回油流速 ， 改变两个方 向的液压油的背压，从而实现控制油 压的稳定 ，使液压缸运行平稳。 本系统中的液压 缸供 油软管破裂活塞杆位置 保护是采用双液控单 向阀形成的双液压锁实现 的， 当非工作状态 油泵停止或三位四通阀位于中位 软管破裂时会起到保护作用。 图5 液压锁保持活塞杆锁定的俯仰液压系统 平衡 阀保持液压缸活塞杆位置 锁定的俯仰液 压系统如图 6 。三位 四通换向阀 3的液压油的出口 直接连接两个互为锁定的液控单向阀 5 ，两个液控 单 向阀再 连接两个液压 缸 4并接 的回路。每个液 压缸 4的回路由两个单向节流阀 6和两个平衡 阀 7 组成。系统 中平衡 阀起到类似于液控单 向阀的作 用 。4个单 向节 流 阀 6用 于调整 系统 升降时 的背 压，其作用与 图 5的系统 相同。平衡 阀对软管破 裂时在油泵非工作状态或三位四通阀位于中位会 起到活塞杆定位保护作用。两个互为锁定 的液控 单 向阀会 避免因三位 四通换 向阀内泄造成 的液压 缸 下滑 。 图 7是一个 比较 复杂的臂式斗轮堆取料机俯 仰液压系统。由三位 四通换 向阀出来 的两条管线 首先经过两个单向节流阀6，这两个单 向节流阀的 作用主要是节流与调速 以便形成背压。经过两个 一 4 2 一 ③ 图6 平衡阀保持液压缸活塞杆位置锁定的俯仰液压系统 单 向节流阀后再连接两个液控单向阀 5 其控制油 路直接取 自油泵 经过两位两通 阀 3 A后过来 。两 个液控单 向阀同时开 闭，不互锁 。由两个液控单 向阀出来的两条管线再进人液压缸 回路。两个 液 控单 向阀的作用是 系统停止工作时关闭油路不 出 现内泄漏 ，从而避免液压缸下滑。 图7 具有破断阀保护功能的液压俯仰系统 目前斗轮堆取 料机液压缸驱动俯仰装置 的液 压系统多采用比例 阀来控制液压缸 的速度与换 向。 起重运输机械 2 0 1 2 1 0 在图7的液压系统 中就采用了比例换向阀 3来控制 液压缸的方 向与速度。比例 阀调速 的原 理在于通 过先导 阀控制主 阀流量。通 常 比例 阀的先导 阀阀 芯为滑阀，并 带有位置 反馈线圈 ，一般 用 电流毫 安信号 4～ 2 0 m A ，转换为相应 的先导阀阀芯驱 动距离 ，当滑阀 阀芯处于不 同位置 时，其与油管 之间的间隙不 同，流量 发生变化 ，比例阀也就产 生了不 同的流量而产生不同的速度。比例 阀的开度 与比例放大器的输入电流或者输人 电压成 比例关 系。比例阀放大板的输入 电流大小 和方 向、液压 缸的速度与时间的关系曲线见图 8 。 O 7 7 0m／min f 4mA 4 - 6 s 图 8 比例 阀放大板 的输入电流大小和方向 、 液压缸的速度与时间的关系 曲线 图 7中的件 9是防破断阀，是一种液压缸活塞 运动保护元件 ，该元件应用在 软管 与液压缸接 口 之间。其原理是 当软管破裂 时出现液压 缸 内与管 路外的压力差 ，这个压力差使得 防破 断阀迅速关 闭。防破断 阀 内部 有一个 阀芯 ，阀芯 上有 芯体、 弹簧、阀板及芯柱 ，见 图9 。正常工作时阀板受到 弹簧的支撑处于打开状态 ，油流可 以从 上到下或 从下到上流动。当软管 突然破裂时 ，防破 断阀下 端 出现失压 ，因阀板上下 出现较大 的压差使 得 阀 板弹簧被压缩 ，阀板下 移关 闭 阀门。最终 将液压 缸连接接 口锁闭 ，避免 因软管破裂 出现液压缸 的 a b a 打开状态 b 关闭状态 图9 软管破断保护阀原理 起重运输机械 2 0 1 2 1 0 活塞缩进或伸 出。防破断保护 阀符号有两种形式 ， 见图 1 0 。 1 丰 一≥ 1 1 1 图 1 0 防破断保护阀常用的两种符号 防破断阀在实际应用 中会出现阀关闭的故障， 其原因大多为选用不当。这时需要更换 防破 断阀 后方可继续使用。 在图 7中与两个 液压缸外接 口相连处并接 一 个双溢流制动阀 件 8 ，业 内称之为减速阀。双 溢流制动阀其实是由两个平衡 阀和两个单 向阀组 成的，局部原理见 图 1 1 。 降 图 1 1 双溢流制动阀 减速阀的作用 双溢 流制动阀本 身具有溢 流阀和单 向阀的功 能。但是 ，组装成一体后在系统 中的作用又称减 速阀。双溢流制动 阀的作用体现在制 动上 ，尤其 在液压缸承受 大 的惯性 载荷 或势能 载荷情况 下 ， 液压缸活塞的停止与制动将会发生极大 的冲击载 荷 。图 1 1中 ，当液压缸 活塞杆 承载 迅速下 降 时 突然停止 ，两个液控单 向阀 5同时关 闭 ，在液压 缸无杆腔 中的液压油受到 巨大 冲击 。冲击压力会 施加到双溢流制动阀上 ，使得双 向制动 阀上 的油 流按照虚线箭头方 向流动。无杆腔 泄 出的液压油 一 部分泄到油箱 ，因为有杆腔形成 部分真空而此 时右侧单 向阀打开 ，另一部分泄 出的液压油进入 液压缸有杆腔对有杆腔进行补油 。双溢流制动 阀 的溢流制动压力一般 比系统压力 高 2 3 MP a 。液 压缸在伸出停止制动时的双溢流制动阀的工作 原理与活塞下 降 时 的相 同。双溢 流制 动 阀的作 一 4 3 一 升 J J A m ． ， 用 主要 表 现在 制 动 时减少 冲击 、适 当泄 油 与 自动反 向补油 。双溢 流制 动 阀 的溢 流制 动压力 设定 不易过高或过低 ，过 高将失去 其泄油 作用 ， 过低 时则会 出现液压缸 活塞推拉力 不足 的现象 。 双溢流制动 阀大多数 应用 在 惯性 载荷 比较大 的 场合 以减 少 冲击 ，重 点 应用 在大 型 与特 大型设 备上。 在图 7的液压系统中增加 了手动三位 四通换 向阀和手 动油 泵子 系统 。这 个子 系统 由手动 泵 1 A连接到手动 三位 四通 阀 3 B，然后 由三位 四通 阀连接到两个 互锁的液控单 向阀 5，最 后并接到 主系统 中去。使用时不需要通 电，操作手动三位 四通阀与手动油泵即可使俯仰机构上下运动。这 个系统在安装与维修 中起到非常重要 的作 用。安 装时可事先通过手 动 系统将 液压缸加 入液 压油 ， 限定活塞杆 的位 置便 于液 压缸 的安 装位 置固定。 在调试 阶段可以通过手动泵 和手 动阀来检测液压 缸有杆腔与无杆腔 的压力 ，并 调整俯仰机 构配重 质 量 。 3 俯仰液压系统的其他说明 臂式斗轮堆取料机 的俯仰液压 系统 的设 计思 想与用户要求及 成本 等多种 因素有关 。对 于要求 严格的臂式堆取料机设备其液压配置会提高一些 ， 系统也会更复杂一些 。 1 关于双液压缸的同步 问题 。同步是双液压 缸驱动普遍存在 的问题。在臂式斗轮堆取料机 的 俯仰液压 系统 中双液压缸 同步 问题通 常不 考虑 ， 原 因是被驱 动的液压缸底座处 与活塞杆连接 的两 点的 刚度 足够强 ，可 以 由设 备 自身 的 刚性 实现 同步。 2 关于液压缸 的背压。背压是指活塞非驱动 侧 的油压力。例如 ，液压缸 活塞杆上升运动 时液 压缸有杆腔的压 力或者是液压缸下 降运动 时液压 缸无杆腔的压力。背压是通过调整节流 阀控制流 量后产生 的，动态或者刚停车时可 以测量到背压 的数值 。停机一段时间后会降到 0 。许多系统中背 压会影响到液控单 向阀的控制油路的压力。而这 些液控单向阀的主 回路则是液压缸液压油 回油箱 的主回路。背压 的变化会波及液控单 向阀的开 闭 状态。主回路背压 降低 时液控单 向阀关闭 ，主回 路背压上升时液控单 向阀又被 打开。背压 的变化 4 4 及不稳定会 使俯仰运动过程 出现振 动。因此 ，需 要慎重考虑和调整背压。另外 ，在活塞杆承受拉 压的俯仰 系统 中 ，背压也可平稳地过渡活塞杆拉 压力 的方 向转 变而不 出现 冲击。液压系统 的背压 不可调整得 过大。过大的背压增大 了液压 系统 的 压力 ，并使液压 系统 的能耗加 大 ，液压油也容 易 出现较高的温升。 3 关于三位四通换向阀。臂式斗轮堆取料机 俯仰液压系统中三位 四通换 向阀可采用电磁换 向 阀、电液换 向阀或者是 比例换 向阀 ，但 大型和特 大型设备建议采用比例换向阀。 4 臂式斗轮堆取料机俯仰液压 系统中，除在 必要的位置设有压力表接头测压点外 ，还应 在液 压缸有杆腔和无杆腔设 有压力表接头测压 点，以 便于现场对液压缸 的压力进行测量与维护时检测 。 液压缸的压力测量用压力表 的精度不宜太低 ，最 好选用不低于 1 ． 0的。建议压力表的量程应选择在 系统压力的 1 ． 61 ． 8倍范 围内。实际压力表 的量 程 由俯仰液压系统压力决定 。 5 液压缸有杆腔与元杆腔 的压力值在停机后 发生变化属于正常现象。停机几小 时后 液压缸 的 有杆腔或无杆腔的背压压力会变为 0 。活塞杆的拉 压力载荷可直接用刚停机时的测量数据进行计算 。 6 双溢流制动阀的应用需要认真设定溢流压 力 ，以便满足实际需要。 7 关于过载。臂式斗轮堆取料机的俯仰液压 系统过载 主要来 自液压 系统 内部 的过 载。俯仰液 压系统在悬臂下俯 时外载荷过载主要是斗 轮或悬 臂触地或触及料堆 时继续下俯 时的过载。在悬臂 上仰运动 时外 载荷基本上不会过 载。液压缸活塞 杆的行程在 到达全部缩进或全部伸 出极限时 ，液 压系统就会发 生过载 。液 压系统过载时可 由溢流 阀卸荷。 参 考文献 [ 1 ]李毅民，王英洁，石长忠 ．堆取料机的调速研究[ J ] 起重运输机械 ，2 0 1 1 4 1 61 9 ． 作 者 李毅 民 地 址大连市西岗区八一路 1 6 9号 邮 编 1 1 6 0 1 3 收稿 日期 2 0 1 2 0 1 1 8 起重运输机械 2 0 1 2 1 O