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邵發(fā)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 專業(yè)班級 2003級機(jī)制本科專業(yè) 學(xué)生姓名 陳藝 學(xué) 號 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 設(shè)計(論文) 起止時間 2007年 3月26日至200 7年6月8日 課題類型 工程設(shè)計 課題性質(zhì) 真實 一、課題研究的目的與主要內(nèi)容 研究目的： 設(shè)計多功能液壓抽油機(jī)的液壓系統(tǒng)，驅(qū)動抽油機(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)場做畢業(yè)設(shè)計，全面提高綜合設(shè)計能力，工程實踐能力。 主要內(nèi)容： 1、對抽油機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。 2、設(shè)計抽油機(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、必須獨立完成畢業(yè)設(shè)計工作。 2、按制圖標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計多功能液壓抽油機(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)計圖紙總工作量不少于2張零號圖紙。 3、按學(xué)院畢業(yè)設(shè)計的書寫格式要求，撰寫設(shè)計說明書，畢業(yè)設(shè)計說明書不少于20000字。 4、每個學(xué)生應(yīng)完成與畢業(yè)設(shè)計有關(guān)的3000-5000個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（包括實驗室、主要儀器設(shè)備、參考資料） 1、邵陽學(xué)院的實習(xí)工廠。 2、機(jī)械與能源工程系機(jī)械設(shè)計實驗室，數(shù)控加工中心實驗室，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)計零件等。 3、邵陽學(xué)院圖書館。 3、主要參考資料：《機(jī)械工程設(shè)計手冊》，期刊雜志《工程機(jī)械》。 4、山河智能有限公司抽油機(jī)裝配車間實習(xí)、技術(shù)部資料查閱。 四、設(shè)計（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)計說明書。 5、2007.5.26~2007.6.8 畢業(yè)設(shè)計文件打印、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(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 學(xué) 生 姓 名 陳 藝 學(xué) 號 0340717149 系 、專 業(yè) 機(jī)械與能源工程系 機(jī)械制造設(shè)計及其自動化 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)簡介……………………………………………………………………1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)…………………………………………………………2 1.3 本設(shè)計的研究內(nèi)容……………………………………………………………………5 第二章 系統(tǒng)組成及控制要求……………………………………………………………6 2.1系統(tǒng)簡介………………………………………………………………………………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……………………………………………………………………8 3.1確定控制方案…………………………………………………………………………8 3.2主電路設(shè)計……………………………………………………………………………10 3.3PLC的接線圖………………………………………………………………………… 11 3.4控制電路圖……………………………………………………………………………11 3.5程序設(shè)計………………………………………………………………………………11 4 液壓系統(tǒng)的設(shè)計…………………………………………………………………………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………………………………………………………31 5.1 液壓泵的選擇和泵的參數(shù)的計算……………………………………………………31 5.2 柴油發(fā)動機(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，保證工程質(zhì)量。加快建設(shè)速度以及提高勞動生產(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，因此受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞。可急回抽油機(jī)速度分析及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的生產(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，要求實現(xiàn)的動作很復(fù)雜，于是它對液壓系統(tǒng)的設(shè)計提出了很高的要求，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)計已經(jīng)成為推動抽油機(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)計的發(fā)展歷史久遠(yuǎn)，可以追溯到1840年。當(dāng)時美國西部開發(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)作為動力在軌道上行走。但是此后的很長時間可急回抽油機(jī)速度分析及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計沒有得到很大的發(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)計發(fā)展緩慢的主要原因是:其作業(yè)裝置動作復(fù)雜，運動范圍大，需要采用多自由度機(jī)構(gòu)，古老的機(jī)械傳動對它不太適合。而且當(dāng)時的工程建設(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)。隨著液壓傳動技術(shù)迅速發(fā)展成為一種成熟的傳動技術(shù)，抽油機(jī)有了適合它的傳動裝置，為抽油機(jī)的發(fā)展建立了強有力的技術(shù)支撐，是抽油機(jī)技術(shù)上的一個飛躍 。同時，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，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)，實現(xiàn)多自由動作，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。 自第一臺手動可急回抽油機(jī)速度分析及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計誕生以來的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、電子計算機(jī)綜合程序控制。在危險地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計算機(jī)控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合，實現(xiàn)了抽油機(jī)作業(yè)操縱的完全自動化。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)計為其奠定了堅實的基礎(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，所以對其液壓系統(tǒng)的分析研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。 1.2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 1.2.1　國外研究狀況及發(fā)展動態(tài) 從20世紀(jì)60年代液壓傳動技術(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，原動機(jī)為2臺QSK60柴油發(fā)動機(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)計經(jīng)常在較惡劣環(huán)境下持續(xù)工作，其各個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)計理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設(shè)計理論和方法，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、電子計算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗技術(shù)、疲勞強度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓抽油機(jī)強度研究方面，不斷提高設(shè)備的可靠性。美國提出了考核動強度的動態(tài)設(shè)計分析方法。日本制定了液壓抽油機(jī)構(gòu)件的強度評定程序，研制了可靠性信息處理系統(tǒng)使液壓抽油機(jī)的運轉(zhuǎn)率達(dá)到85%-95%，使用壽命超過1萬小時。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; (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)合動作時，相互干擾大，使得復(fù)合動作操縱非常困難。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動速度和進(jìn)行微調(diào)，而且在其工作的許多工況下要求多個執(zhí)行元件完成復(fù)合動作，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)。它可以采用一個油泵同時向所有液壓作用元件供油，每一個液壓作用元件的運動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，而且多個液壓作用元件同時動作時相互之間干擾小，因此操縱性好是閉式液壓系統(tǒng)的主要特點。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，可以控制一個或幾個液壓作用元件，而與對其施加的載荷無關(guān)。該系統(tǒng)不僅易于操縱，而且微動控制特性很好。其最大的特點就是可以根據(jù)負(fù)載大小和調(diào)速要求對油泵進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)在按需供流的同時，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，但在起始點為重負(fù)荷下作業(yè)時，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，原動機(jī)為2臺QSK60柴油發(fā)動機(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)計理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設(shè)計理論和方法，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、電子計算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗技術(shù)、疲勞強度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓抽油機(jī)強度研究方面，不斷提高設(shè)備的可靠性。美國提出了考核動強度的動態(tài)設(shè)計分析方法。日本制定了液壓抽油機(jī)構(gòu)件的強度評定程序，研制了可靠性信息處理系統(tǒng)，使液壓抽油機(jī)的運轉(zhuǎn)率達(dá)到85%-95%，使用壽命超過1萬小時。 (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控制系統(tǒng)，提高了抽油機(jī)的自動化程度，推動著抽油機(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)安裝了全自動控制液壓系統(tǒng)，可自動調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動功率的浪費。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)展動態(tài)。 (2) 可急回抽油機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計要求 對液壓抽油機(jī)一個工作循環(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)了每個工況下各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要復(fù)合動作。根據(jù)液壓抽油機(jī)的主要工作特點，系統(tǒng)地總結(jié)了抽油機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計要求:動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 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)計要求，設(shè)計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，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)計以及如何與抽水泵系統(tǒng)“聯(lián)動”也是較難解決的。 鑒于以上特點，從技術(shù)可靠和經(jīng)濟(jì)實用角度綜合考慮，我們設(shè)計了用PLC控制與變頻器控制相結(jié)合的自動恒壓控制供水系統(tǒng)，同時通過主水管線壓力傳遞較經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)了加壓泵系統(tǒng)與抽水泵系統(tǒng)“遠(yuǎn)程聯(lián)動”的控制目的 2.2系統(tǒng)組成 系統(tǒng)主要由電動機(jī)，變頻器，PLC控制器，軟起動器，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，波動一定要小，尤其在換泵時。 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間運行，需設(shè)定運行時間。當(dāng)時間到時，自動切換到下一抬泵，以防止泵長時間不用而銹死。 4：要有完善的保護(hù)和報警功能。 5：為了檢修和應(yīng)急要設(shè)有手動功能。 6：需要有水池防抽空功能。 技術(shù)指標(biāo) ●供水揚程： 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 3.1確定控制方案 1） 工頻手動方式 系統(tǒng)設(shè)計了手動工頻的操作方式，將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“工頻”檔位，操作人員可以根據(jù)需要自己決定起動或停止任意一臺泵的運行。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)備故障檢修時使用。 2） 變頻自動方式 將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“變頻”檔位，按下變頻起動按鈕，系統(tǒng)將自動判斷并選擇起始變頻運行泵入口，進(jìn)入自動運行。 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，控制系統(tǒng)將退減到3泵循環(huán)方式自動工作; (2) 當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，控制系統(tǒng)將采用工頻驅(qū)動方式控制泵的運行與停止，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，同時發(fā)出報警蜂鳴聲響，通知操作人員進(jìn)行處理; (3) 當(dāng)無水接點信號來臨時，PLC將關(guān)斷所有變頻和工頻輸出，直到無水接點信號消失，PLC將自動恢復(fù)控制輸出; (4) 當(dāng)消防信號到來時，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，實現(xiàn)對消防管道補充供水目的，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)自動恢復(fù)到變頻恒壓供水工作狀態(tài); (5) 僅單臺泵變頻運行，且處于最低輸出頻率狀態(tài)和較長時間無壓力上下限出現(xiàn)時(可以認(rèn)為此時的系統(tǒng)供水需求量接近為零)，控制系統(tǒng)將以變頻50Hz運行30s或使管網(wǎng)壓力達(dá)到設(shè)定值的1.2倍左右后，立即停止運行，進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到管網(wǎng)實際壓力為壓力設(shè)定值的80%左右，控制系統(tǒng)重新自動恢復(fù)變頻運行，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，軟起動器便自動起動一臺電機(jī)投入到工頻運行，當(dāng)壓力達(dá)到高限時，自動停掉工頻運行電機(jī)。系統(tǒng)為每臺電機(jī)配備電機(jī)保護(hù)器，是因為電機(jī)功率較大，在變頻器的控制下穩(wěn)定運行；當(dāng)用水量大到變頻器全速運行也在變頻器的控制下穩(wěn)定運行；當(dāng)用水量大到變頻器全速運行也不能保證管網(wǎng)的壓和穩(wěn)定時，控制器的壓力下限信號與變頻器的高速信號同時被 PLC檢測到，PLC自動將原工作在變頻狀態(tài)下泵投入到工頻運行，以保持壓力的連續(xù)性，同時將一臺備用的泵用變頻器起動后投入運行，以加大管網(wǎng)的供水量保證壓力穩(wěn)定。若兩臺泵運轉(zhuǎn)仍，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運行，而將另一臺備用泵投入變頻運行。當(dāng)用水量減少時，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號有效，這時壓力上限信號如仍出現(xiàn)，PLC首先將工頻運行的泵停掉，以減少供水量。當(dāng)上述兩個信號仍存在時，PLC再停掉一臺工頻運行的電機(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)計六臺泵為兩組，每臺泵的電機(jī)累計運行時間可顯示，24小時輪換一次，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)的泵有相同的運行時間，確保了泵的可靠壽命。 3.1.2半自動運行 當(dāng)PLC系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，自動控制系統(tǒng)失靈，這時候系統(tǒng)工作處于半自動狀態(tài)，即一臺泵具有變頻自動恒壓控制功能，當(dāng)用水量不夠時，可手動投入另外一臺或幾臺工頻泵運行。 3.1.3手動 當(dāng)壓力傳感器故障或變頻器故障時，為確保用水，六臺泵可分別以手動工頻方式運行。實施效果實際運行證明本控制系統(tǒng)構(gòu)成了多臺深井泵的自動控制的最經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，在軟件設(shè)計中充分考虎變頻與工頻在切換時的瞬間壓力與電流沖擊，每臺泵均采用軟起動是解決該問題關(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，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，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)行高低位報警，同時通過PLC可確保取水在合理水位的水質(zhì)監(jiān)控，同時也保護(hù)電機(jī)制正常運轉(zhuǎn)工況。 系統(tǒng)配備流量計，既能顯示一段時間的累積流量，又能顯示瞬時流量，可進(jìn)行出水量的統(tǒng)計和每臺泵的出水流量監(jiān)控。系統(tǒng)配備流量計，既能顯示一段時間的累積流量，又能顯示瞬時流量，可進(jìn)行出水量的統(tǒng)計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程不足，為此在距離高位水池落差為36米處設(shè)計有一加壓泵房，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)水電動蝶閥和起動加壓泵向高位水池供水； （2）若高位水池水位滿且主管有水，則給出報警信號并關(guān)閉加壓泵和進(jìn)水電動蝶閥； （3）若主管無水表明用水量增大或抽水泵房停止供水，必須開啟出水電動蝶閥由高位水池向主管補充不。像抽水泵一樣，我們?yōu)榧訅罕门鋫淞塑浧饎悠骱碗姍C(jī)保護(hù)器，確保加壓泵長期可靠地運轉(zhuǎn)，同時配備了高位水池的水位傳感器和數(shù)顯儀和缺水傳感器。為保證整個主水管網(wǎng)的恒壓供不，當(dāng)高位水池滿且主水管有水時，加壓泵停止，此時主管壓力將“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)到整個主管網(wǎng)的恒壓供水，這是整個控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。 3.1.5系統(tǒng)實現(xiàn)功能 ◆自動平穩(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)定值與實際檢測值進(jìn)行PID運算，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，又有軟起動器，克服了起動時的大電流沖擊，相對延長了電機(jī)制使用壽命。 ◆由于采用PLC控制的壓力自動控制，可以實現(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)度室計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。 3.2主電路設(shè)計 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行空氣開關(guān)。KM1、KM3、KM5實現(xiàn)自動功能，KM2、KM4、KM6實現(xiàn)手動功能。 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的常開點接到PLC的I0.0，R02的常開觸點接到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/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，KA為手動/自動中間繼電器，打開1位置為手動狀態(tài)，打開2位置為自動狀態(tài)，同時KA吸合。在手動狀態(tài)，可以按動SB1~SB6控制三臺泵的起停。在自動狀態(tài)時，系統(tǒng)根據(jù)PLC的程序運行，自動控制泵的起停。HL1~HL8為各種運行指示燈。中間繼電器KA的常開觸點接I03，控制自動狀態(tài)時的起動。中間繼電器的KA的三個常閉觸點接在三臺泵的手動控制電路上，控制三臺泵的手動運行。在自動狀態(tài)時，三臺泵在PLC的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運行。KH1，KH2，KH3為三臺泵的熱繼電器的常閉觸點，可對電機(jī)進(jìn)行過流保護(hù)。 3.5程序設(shè)計 在主程序中，T56，T57為變頻器頻率上、下限到達(dá)濾波時間繼電器，，主要用于穩(wěn)定系統(tǒng)，VB200為變頻泵的泵號，VB201為工頻運行泵的總臺數(shù)，VD260為倒泵時間存儲器。 4 液壓系統(tǒng)的設(shè)計 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)動機(jī)功率利用率高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。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) 項目名稱 單位? 數(shù) 值? 標(biāo)準(zhǔn)斗容量 m3 1 發(fā)動機(jī)型號 　 6135K-16 發(fā)動機(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)備的運動功能、性能要求和結(jié)構(gòu)、安裝上的限制。根據(jù)所要求的負(fù)載運動形態(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 動 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 動臂液壓缸 斗桿液壓缸 鏟斗液壓缸 回轉(zhuǎn) 擺動液壓馬達(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，兩動臂液壓缸必須同步運動，這就要求任何時刻進(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，本設(shè)計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的計算 受拉時： d=(0.3-0.5)D 受壓時： 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) 缸筒壁厚計算 根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊，在此液壓系統(tǒng)中，3.2≤D/δ＜16，故缸筒壁厚應(yīng)用中等壁厚計算公式，此時： δ= +C （4.5） ψ：強度系數(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) 缸筒強度校核 根據(jù)SL41-93，缸體合成應(yīng)力按下式計算： 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算 根據(jù)設(shè)計要求的行程，來設(shè)計活塞桿的長度；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) 活塞桿強度計算 活塞桿受拉力最危險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)接螺釘強度校核計算 螺釘聯(lián)接采用高強度螺釘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) 活塞桿柔度校核計算 活塞桿細(xì)比計算如下： 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，其運動方向和運動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)組合實現(xiàn)所要求的動作。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)點是沒有溢流損失和節(jié)流損失，效率較高。但為了散熱和補充泄漏，需要有輔助泵。此種調(diào)速方式適用于功率大、運動速度高的液壓系統(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，都附帶有壓力補償閥。采用電子控制壓力補償?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；幾個執(zhí)行元件可以同步運動或以某種速比運動，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)幾個執(zhí)行元件同時動作時，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，因為泵所輸出的流量超過執(zhí)行元件（液壓缸和液壓馬達(dá)）所需要的流量時，多余的油液經(jīng)壓力補償閥流回油箱（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)多個執(zhí)行元件同時工作、所需的流量大于液壓泵的流量時，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，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)的某個局部，工作壓力需低于主油源壓力時，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) 指定順序動作方案 主機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的順序動作，根據(jù)設(shè)備類型不同，有的按固定程序運行，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，一般用手動的多路換向閥控制。加工機(jī)械的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的順序動作多采用行程控制，當(dāng)工作部件移動到一定位置時，通過電氣行程開關(guān)發(fā)出電信號給電磁鐵推動電磁閥或直接壓下行程閥來控制接續(xù)的動作。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。另外還有時間控制、壓力控制等。例如液壓泵無載啟動，經(jīng)過一段時間，當(dāng)泵正常運轉(zhuǎn)后，延時繼電器發(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)定動作時，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，來啟動下一個動作。?? (4) 選擇液壓動力源 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 動力元件的作用是將原動機(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，它向整個液壓系統(tǒng)提供動力。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，效率降低到很小 對污染最敏感，配流盤受損傷時效率降低 對污染的斜軸式高，配流盤滑靴磨損時效率降低 吸油性能 轉(zhuǎn)速為1800r/min時，允許吸入真空度為-26664.4-54328.8Pa(-20-40cmHg) 轉(zhuǎn)速為1800r/min時，允許吸入真空度為-13332.2~-26664.4Pa(-10-20cmHg) 轉(zhuǎn)速為1800r/min時，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，噪聲83dB 額定轉(zhuǎn)速1450-2400r/min時，噪聲76dB 額定轉(zhuǎn)速1450-2400r/min時，噪聲87dB 額定轉(zhuǎn)速1450-2400r/min時，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 多液壓缸同時工作時，而且系統(tǒng)使用蓄能器鋪助動力源時，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-每個液壓缸的工作周期中的總耗油 z-液壓缸的個數(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)動機(jī)的選擇 液壓缸在整個循環(huán)運動中，系統(tǒng)的壓力和流量都是變化的。所需功率變化較大，為滿足整個工作循環(huán)的需要，需按大功率段來確定發(fā)動機(jī)的功率。 從液壓原理圖可以看出，快速運動時系統(tǒng)的壓力和流量都較大，這時，大小泵同時參加工作，小泵排油壓力和流量均較大。此時，大小泵同時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)動功率為： P= (5.4) =89KW 考慮安全系數(shù),故取90KW;查《機(jī)械設(shè)計手冊》發(fā)動機(jī)參數(shù)表得： 發(fā)動機(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，從而控制整個液壓系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作壓力，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作順序，工作部件的運動速度、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，動作方式，性能特點因素[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)