100t平板车悬挂液压系统设计

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1、 燕山大学 课 程 设 计 说 明 书 （机电一体化课程设计） 项目名称： 100t 平板车悬挂液压系统设计 姓 名： 闫桂山、张 帅、宋旭通、孙永海 指导教师： 郭 锐 职 称： 讲 师 2012-12-17 2 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 燕山大学课程设计（论文）任务书 院（系）：机械工程学院

2、 基层教学单位： 机电控制系 项目名称 100t 平板车悬挂液压系统设计 指导教师姓名 郭锐 参加学生数(人) 4 项目考察知识点 (1) 培养学生液压元件及系统的设计能力。 (2) 培养学生对液压系统的分析优化能力。 (3) 培养学生使用二维、三维CAD软件以及液压专业仿真软件的能力。 (4) 培养学生在实际操作、分析和解决问题的能力。 (5) 提高学生设计能力及实践能力。 项目需前期知识储备 掌握液压传动系统、液压伺服与比例控制系统、气压传动及控制三门课程，精通二维CAD绘图、三维Solidworks设计、掌握PLC电气控制基础。 项目设计参

3、数 系统最大工作压力：315bar 系统最大流量：40L/min 项目实施内容要求 1、原理、选型及计算说明书1份；说明书还包括电气系统设计、试验搭建等所有工作； 2、系统原理图； 3、泵站三维图； 4、用气动力士乐试验台，做一个框架车悬挂系统模拟实验台以及电气系统设计(包括电气梯形图等)。 项目试验内容要求 完成框架车悬挂液压系统设计，搭建试验台进行动作试验，在试验中记录相关数据，总结出心得感受，并得出实验测试报告1份。 项目结题须提交材料 (1)计算选型说明书1份 (2)系统原理图1张(A1) (3)泵站三维图1张(A0) (4)实验测试分析报告1份 小组成员

4、分工 闫桂山：液压系统设计及相关计算 宋旭通：元件的选型及试验台的搭建 孙永海：PLC控制回路设计并进行模拟实验 张 帅：泵站设计及说明书的撰写 第 74 页 共 74 页 小组分工及贡献 姓 名 课题组分工 闫桂山 宋旭通 张帅 孙永海 摘 要 悬挂液压系统是工程机械运输车诸多液压系统之一，在运输车工作过程，悬挂液压系统起到了提高运输车可靠性与稳定性的功能，能够很好地平稳机

5、身，在凹凸不平的路况，也起到减震作用。应用了悬挂系统的运输车在我国有着广阔的应用前景。但是一直以来，由于分流集流阀的运用，运输车的同步效率程度低、稳定性差等问题一直是制约该类系统的不足，研发拥有更好性能的液压系统对于提高运输车性能有很好的价值与意义。 本设计采用负载敏感技术,并引入双管路防爆阀和压力补偿方法，有效地解决了平板车悬挂升降控制的稳定性、精确性及同步性，同时整个系统的可靠性也大大提高。 关键词：悬挂液压系统、负载敏感技术、双管路防爆阀、可靠性、压力补偿 目录 小组分工及贡献 3 摘 要 4 第1章 绪论 8 1.

6、1 课题背景 8 1.2国内外研究现状 10 1.2.1 工程车国外发展现状 10 1.2.2 工程车国内发展现状 11 第2章 平板车悬挂机构简介 13 2.1 整车结构 13 2.2悬挂结构设计 13 2.3 悬挂机构分析 14 第3章 平板车悬挂机构可靠性分析 16 3.1 可靠性的定义 16 3.2 可靠性工程及任务 16 3.2.1可靠性工程 16 3.2.2可靠性工程的任务 17 3.3平板车悬挂机构可靠性分析 17 3.3.1悬挂机构可靠性概况 17 3.3.2 悬挂钢架受力分析 19 3.3.3 solidworks有限元分析 19 第4章

7、液压系统原理设计 23 4.1 100T平板车悬挂液压系统设计要点 23 4.1.1 负载敏感系统 23 4.1.2 双管路防爆阀应用 27 4.1.3 压力补偿阀的应用 29 4.2 100T平板车悬挂液压系统设计要求 31 4.3 液压系统的组成及工作原理 31 4.3.1 系统组成 31 4.3.2 工作原理 34 第5章 液压系统的设计计算及元件选择 36 5.1 确定液压系统主要参数 36 5.1.1 设计任务 36 5.1.2 执行元件的确定 36 5.1.3 确定系统主要参数 37 5.2 泵及发动机的选择 38 5.2.1 概况 38 5.2.2

8、 液压泵的选择 39 5.2.3 发动机的选择 41 5.3 阀类元件的选择 41 5.3.1 阀类元件的选择依据 41 5.3.2控制元件元件的选取 42 5.4 其他辅助元件的选择 43 5.4.1 过滤器的选择 43 5.4.2冷却器的选择 45 5.4.3液位液温计的选择 45 5.4.4空气滤清器的选择 46 5.4.5压力表仪器的选择 46 第6章 液压泵站的设计 47 6.1 概述 47 6.2 泵站设计要点 47 6.3 泵站设计 49 6.4 本章小结 49 第7章 油箱设计 51 7.1 概述 51 7.2 油箱的分类 51 7.3 油

9、箱的设计要点 51 7.4 油箱的设计计算 53 7.4.1 油箱外形尺寸确定 53 7.4.2 油箱的三维建模 54 7.5 本章小结 54 第8章 负载敏感泵仿真分析 56 8.1 负载敏感泵数学建模 56 8.1.1静态特征方程 56 8.1.2动态数学模型 57 8.2负载敏感泵matlab仿真分析 61 8.2.1负载敏感泵的仿真建模 61 8.2.2 负载敏感泵仿真分析 62 第9章 PLC控制回路模拟实验 64 9.1 实验原理 64 9.2 实验记录及分析 65 第10章 液压系统安装、调试及维护 66 10.1 液压元件的安装 66 10

10、.2 液压系统调试 67 10.2.1调试前检查 67 10.2.2系统的调试 67 10.3 系统维护 68 心得 70 参考文献 72 第1章 绪论 1.1 课题背景 随着我国交通、能源等基础设施建设进程的快速发展，加上建筑业和工业，特别是重工业和其周边产业的飞速发展，传统的运输车辆已经无法满足现今工业生产的运输要求，近年来大中型工程机械需求量和保有量连续快速增长。在众多的工程机械中，特别是进口设备中，采用液压传动和全液压驱动十分普遍，如隧道掘进机、盾构、大吨的运梁车、吊车、升降台车，以及摊铺机、挖掘机、推土机等。 工程运输车(工业用重型车辆)在工程机械领域中是一

11、重要分支，它适应了现代化物流配送需要而蓬勃发展。工程运输车在20 世纪50 年代诞生于欧洲，经过半个多世纪的发展，形成了各具特色、成龙配套的工业用重型车辆系列，最大载重已达10000 吨以上。在国外已经广泛应用于交通建设、钢厂、船厂、机场以及物流等行业。近年来，有些国内企业(如郑州大方公司、北戴河通连路桥与特种车辆公司)在国外成熟产品的基础上，根据国内市场需求，也开始涉足到工业用重型车辆的行业中来，但现在总体来说还处于起步阶段。 工程运输车辆之所以在现代物流市场，特别是项目物流中能够站稳脚跟除了市场需求强劲以外，另外一个重要因素就是现代公路网的发展。公路的建设以及建设的质量都比以前有了显著的

12、提高，某些货物的运输渐渐由铁道运输转变为公路运输。相比铁道运输，公路网更能实现“门到门”的现代货物运输需求。重型液压工程运输车在物流配送方面的作用是无可替代的，它广泛应用于大件超重型货物和工程设备结构等的陆上运输。重型工程运输车辆是对大型零部件以及产品进行运输和转场的常用运输工具，是企业生产自动化的重要组成部分。 如图 1-1 所示是重型工业用工程车辆典型的四个应用示例。 图 1-1 重型工程车辆典型应用 总之，工程运输车在国民经济中的应用领域是非常广泛与重要的。从工程机械分类的角度可用图1-2 说明，重型液压工程运输车辆在工程机械领域中的位置情况。 图 1-2 工程运输车辆在

13、工程机械领域的位置 1.2国内外研究现状 1.2.1 工程车国外发展现状 液压工程运输车通常称作工业用重型车，它的最大特点是液压驱动和升降，这项专利半个世纪前诞生于德国SCHEUERLE 重型车辆有限公司。 在欧洲，有数家企业从事工业用重型车辆的研制开发，可以列举的公司包括SCHEUERLE( 德国) 、NICOLAS( 法国) 、KAMAG(德国) 以及GOLDHOFER(德国)等，这些企业根据最终用户的要求进行设计制造，为用户制造出技术先进、性能可靠的现代化工业用重型车辆。 半个世纪以来，这些公司不断致力于开发新产品，越来越多的现代技术应用于工业用重型车辆。其产品的基本特点可以从

14、结构方面、液压系统方面、电气控制方面等方面的特点加以概括。 在结构设计方面一般具有下列特点： (1) 国外采用的底盘钢架结构由高强度钢焊接而成，在外力扭矩作用下，有最佳的抗弯曲特性。 (2) 转向系统可分为独立转向和拉杆转向。独立转向系统可使车辆按任意转弯半径转向，最小转弯半径为零，在对角线模式下可实现零到九十度任意方向斜行，由于其转向灵活，在工业用重型车辆中广泛应用。 (3) 制动系统分为停车制动和驻车制动。停车制动时，压缩空气或液压油通过控制阀到制动缸作用到刹车片。驻车制动一般由马达减速器内置刹车装置实现。 (4) 系统模块化设计能根据现场实际要求，可以将重型车辆分割成不同的模块

15、，便于重型车辆的生产、运输和安装。 在液压系统设计方面，工业用重型车辆的控制系统一般均为液压控制系统，包括液压驱动系统、液压悬挂系统以及液压转向系统。其基本特点可概括说明如下： (1) 液压驱动系统为静液压系统，液压泵的输出通过闭式液压回路与变量马达相连，根据发动机的转速自动调节液压泵的排量，对发动机和传动系统进行过载保护。 (2) 液压悬挂系统能够根据路面的情况自动调整悬挂液压缸的伸缩量，保证每个轮胎所承受的载荷相同。液压悬挂系统也是车身的提升系统，可以均匀抬高车身的高度，当某一轮胎需要更换时，可关闭这个轮胎的悬挂系统而使其它悬挂升起，要更换的轮胎被方便拆下而不需要其它设备。 (3)

16、 液压管道防爆。液压悬挂系统中联接悬挂液压缸的橡胶软管上安装防爆阀，当橡胶软管爆裂时，防爆阀能够立刻关闭管路，使轮胎载荷补偿特性不受损害。 (4) 液压防滑。液压防滑装置安装在液压驱动系统上，液压马达的最大允许转速被限制，当液压泵输出流量最大时，防滑装置起到差速锁的作用，该装置对前进及后退都有效。 1.2.2 工程车国内发展现状 国内大型工程机械制造企业也早已意识到该产品市场的巨大蕴涵量，目前正在广泛引进国外先进产品的同时，积极掌握国外先进技术，研制发开符合中国国情的工业用重型车辆。 目前在国内，只有少数企业涉足到工业用重型车辆的研制开发领域，如武汉天捷专用汽车有限公司研制开发了10

17、0 吨液压半挂运输车，上海电力环保设备总厂为秦沈客运专线研制开发了450 吨运梁车，但它们只能根据客户需要开发单独的产品，并不能系列的生产工业用重型车辆，主要原因是工业用重型车辆技术含量比较高，因此，国内工业用重型车辆市场基本被极少数国外大企业占领，并且，国外企业正在积极进入国内市场，如德国SCHEUERLE 公司正拟在青岛建厂进行生产100 吨级平板车及物流装卸设备，德国GOLDHOLFER 公司拟在上海建厂。通过吸引外国具有较强技术实力与研发能力的公司到我国建厂，逐渐吸收和消化外资企业的先进技术与科学的管理经验，这也是我国工业用重型车辆的一条行之有效的发展之路。 在工程运输车这一领域，河

18、南郑州大方桥梁机械股份有限公司为国内用户研制了各级吨位的工程运输车，其销售业绩达到30 余台次。在我国北方地区以北戴河通连特种车辆公司最为出众，通连凭借以往工程机械设计领域的优势(如架桥机械等)，参考国外先进经验，与燕山大学等科研优势单位合作，自主研发了TLC 系列工程运输车，已经成功投放市场，目前的产能迅速达到每月一台次(100 吨级)，在总结经验的基础上与九百吨级架桥机联合作业的TLC900(载重900 吨)也正在研发之中，通连特种车辆公司的产品还包括30 米高空作业车等，为我过节省了大量外汇和投资成本，填补了我国工程机械领域多项空白，极大提高了我国尤其是北方地区的工程机械技术水平。 随

19、着中国国民经济的迅速发展，工业用重型车辆将越来越广泛被应用，工业用重型车辆在交通建设、钢厂、船厂、机场以及物流等行业的市场正在逐渐被开发出来。 第2章 平板车悬挂机构简介 2.1 整车结构 平板车为“机一电一液”一体化产品。全车采用液压驱动、液压悬挂、独立转向和车架液压调平等技术。整车由车架、双驾驶室(两端)、动力部分、行走驱动部件、独立转向部件、液压悬挂以及液压系统、电气控制系统等部分组成，如图2-l所示。整车为4轴线，每轴线2个悬挂，每个悬挂四个轮胎。设有前后两个驾驶室，

20、动力舱中间布置，动力源为一台水冷柴油发动机。 图2-1重型平板运输车整车结构简图 2.2悬挂结构设计 平板车多个轮系通过液压悬挂支撑安装在车架下，支撑整个车体，承担载荷并传递运动。多点液压悬挂按照区域分组联通，形成3点或4点稳定支撑。 平板车的整车的升降、调平，由液压悬挂来实现，如图2-2所示，为悬挂三维立体模型。其油缸为单作用柱塞缸，油缸通过关节轴承耳环与悬挂架及平衡臂连接。在液压力的作用下柱塞缸往外伸，悬挂架与平衡臂之间夹角不断变大，平板车可由最低伸至最高。在平板车及平板车自重作用下柱塞往回收，平板车可降至最低，同时通过悬挂油缸的伸缩动作，平板车还可以适应凹凸不平的路面。平板车

21、液压悬挂的采甩，除了提供整车升降和调平的功能外，更重要的 是液压油缸的伸缩补偿功能保证了运行过程中轮组均匀承载，避免打滑，以适应路面不平的情况，维持运行的安全可靠。平台车升降设计原则是除了满足各部件的结构强度外，能得到规定的平板车高度的升降范围。 图2-2 重型平板运输车悬挂结构设计 理想的悬挂应满足：①液压缸定量进排油，平板车匀速升降；②液压缸油压一定时，车轮受力相对恒定，不随悬挂高度而改变。 2.3 悬挂机构分析 液压悬挂有多种形式，本文以铰接单作用平衡臂式悬挂油缸作为研究对象，其结构可以简化为平面滑块摇杆机构，如图2-3所示。AB为悬挂架，与回转支承相连，转向机构带动回转支

22、承旋转，而悬挂架由回转支承带动转动，相对车架没有升降运动，在悬挂机构中相当于机架；AC为悬挂液压缸，其伸缩长度决定平板车升降高度；BCD为平衡臂，通过B、C、D三点分别与悬挂架、悬挂液压缸及车桥轮轴连接。 A点与B点之间的距离为a，B点与C点之间距离为b，L为悬挂处于中位时液压缸的初始长度，为起始转向角度，为转动角度。设当悬挂转角为时，液压缸的行程为，则有 图2-3悬挂机构简图 转向执行机构的力平衡方程为 其中，F为液压缸的输出力，N；为悬挂缸转动力臂，m；为轮胎受力中心D点的转动力矩。G为轮轴中心受力，N。 根据三角形面积公式： 可得： 即 第

23、3章 平板车悬挂机构可靠性分析 3.1 可靠性的定义 人们对于可靠性的一般理解，就是认为可靠性表示元件、组件、零件、部 件、总成、机器、设备、或整个系统等产品，在正常使用条件下是否长期可靠，性能能否长期稳定的特性。 可靠性是以发生故障的难易程度作为考虑问题的出发点，定量地用可靠度来衡量。可靠度是用概率表示的产品的可靠性程度的，可定义为产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。但在除了有概率统计等量的概念外，尚还包括有预期使用条件，工作的满意程度，正常工作期的长短等内容。 3.

24、2 可靠性工程及任务 3.2.1可靠性工程 可靠性工程的历史始于第二次世界大战，是对产品（零、部件，元、器件，总成，设备或系统）的失效及其发生的概率进行统计、分析，对产品进行可靠性设计、可靠性预测、可靠性试验、可靠性评估、可靠性检验、可靠性控制、可靠性维修及失效分析的一门涉及面很广、具有相当深度的学科，与各边缘学科有着密切的联系的工程学科。它是立足于系统工程方法，运用概率论与数理统计等数学工具（属可靠性数学），对产品的可靠性问题进行定量分析；采用失效分析方法（可靠性物理）和逻辑推理对产品故障进行研究，找出薄弱环节，确定提高产品可靠性的途径，并综合地权衡经济、功能等方面地得失，将产品可靠性提

25、高到满意的程度的一门学科。 3.2.2可靠性工程的任务 可靠性工程的任务是研究系统或设备在设计、生产和使用的各个阶段，定性与定量的分析、控制、评估和改善系统或设备的可靠性，并在设计中达到可靠性与经济性综合平衡。它是近二十年来随着科学技术发展的需要而兴起的一门综合性应用学科。众所周知，系统的可靠性是指系统投入使用后，维持无故障工作的能力。因此，可靠性工程的任务就是保证系统在设计、制造、试验和运行的整个过程达到用户所要求的可靠性。 一般说来，零件、设备、装置、系统等可靠性问题是在开始使用时就同时出现的，就产品而言，最基本的要求是不易损坏，即不易失效。然而，在某些情况下，失效是不可避

26、免的现象，往往难以预测。可靠性技术就是预防可预测故障的发生，减少不可预测故障的发生率，从而尽可能地减少故障所造成的损失。 3.3平板车悬挂机构可靠性分析 3.3.1悬挂机构可靠性概况 平板车液压悬挂部件组是工程车使用性能得以实现的重要部件。实际安装好以后的工程车悬挂部件组如图3-1 所示，它包括悬挂钢架、平衡臂、悬挂油缸、车桥以及安装好的马达、减速器和尚未安装的左右轮胎。如果和人体相比，其在整车中的作用可以比作人的两条腿部。 工程车悬挂钢架是工程车液压悬挂部件组中的重要零件。其零件图如图3-2 所示，其顶部通过推力轴承连接车架平台，上部圆孔是悬挂液压缸的耳环安装孔，下部圆孔通过销轴

27、连接平衡臂及车桥与轮胎。在整车运行之中，它负责均衡分配所有轮胎之间的载荷，使得承载均匀、运行平稳，还负责整车的升降、转向工作。 图3-1 液压悬挂部件照片 图3-2 液压悬挂刚架零件图 3.3.2 悬挂钢架受力分析 首先，对液压悬架进行受力分析，满载时，液压油缸受力最大。以悬臂为研究对象，画出其受力图如图3-3所示。 图3-3 液压悬架悬臂受力图 图3-3中．G一液压悬架满载负荷；F液压油缸作用力；N铰链约束反力。悬臂是在3个共点力的作用下处于平衡，已知液压悬架满载负荷G的大小和方向以及液压油缸作用力的方 向，由正弦定理： 可以求出各力的大小。 3.3.3 so

28、lidworks有限元分析 将悬臂的三维实体模型进行solidworks有限元分析，定义材料的弹性模量E=210000 MPa，泊松比=0.3，屈服极限盯=345MPa，密度p=，采用solid45单元对模型进行网格划分，如图3-4所示。solid45单元用于三维实体结构模型。单元由8个节点结合而成。每个节点有x、y、z方向的3个自由度。该单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变的特征。因为每个节点有3个自由度，所以每个6面体单元有24个自由度。 3-4 悬架结构立体图与网络剖分图 利用solidworks simulation求解器进行静力学分析，其变形和应力分布云图如图

29、3-5所示。由图可以看出，对于悬臂的最大变形为0.04mm，最大应力出现在悬臂与油缸的连接孔处，约为104MPa。整个悬架受力比较均匀、状态良好。 3-5（a） 悬挂刚架应力云图 3-5（b） 悬挂钢架受力位移云图 3-5（c） 悬挂刚架应变云图 本文通过solidworks软件分别建立了液压悬架的悬挂刚架的实体模型、有限元分析模型，并利用Simulation有限元插件进行了强度和变形分析。根据分析结果，进一步验证了悬挂刚架受力的可靠性。 第4章 液压系统原理设计 重型平板车的载重都在100t以上，是运输大型零部件以及产品和转场的常用工具，是企业生产自动化的重要组成

30、部分，在国外已经广泛应用于交通建设、钢厂、船厂、机场以及物流等行业&重型平板车的作业对象复杂，负载变化比较大，这给重型平板车的微动调节带来了不利影响，同时，执行机构的复合操作也出现了相互影响，其液压控制系统性能的优劣直接影响到整车的性能. 4.1 100T平板车悬挂液压系统设计要点 4.1.1 负载敏感系统 负载敏感系统是一个具有压差反馈，在流量指令下实现泵对负载压力随动控制的闭环系统。负载敏感系统是一种容积调速和节流调速相结合的调速系统，该系统保证液压泵的压力和流量与系统所需的自动匹配，具有节能作用。变量泵通过检测和维持泵出口压力和负载压力之差，使泵的流量仅决定于系统回路中换向阀开口

31、的大小，与负载压力无关。 负载敏感变量泵节能原理： 负载敏感变量泵能使泵的输出压力和流量自动适应负载需求，大幅度提高液压系统效率。其工作原理图如图4-1所示。 图4-1 变量泵负载敏感控制原理图 阀2的流量方程 式中Q——负载流量 K——流量系数 A——节流阀开口面积 m——与节流口形式有关的指数 负载敏感控制阀4的阀芯在调节过程中发生的位移很小，弹簧的弹性系数也不大，因此可以认为阀芯弹簧的设定压力Fs为定值，则阀芯在静止时的受力平衡程为，即 式中——阀芯弹簧设定压力 ——压力油作用在阀芯上的有效面积 结合原理图4-1可以看出: 1)当阀芯弹簧压力设定后，

32、阀芯在平衡位置时恒定。当需要改变负载速度时，只需改变节流阀2的节流口面积。例如，要提高负载速度，阀2开口面积A增加，由于此时Q还未发生变化，△p将减小，则 此时阀5的阀芯将左移，B、0口接通，压力油进入变量油缸6的右腔，推动油缸活塞左移，使变量泵l的排量增加，流过阀2的负载流量Q增加，△P增加，直至重新达到平衡条件，负载速度得到提高，完成了一轮调速过程，实现了按需供油； 2)当负载压力PL变化时，例如PL减小，则△p增大，由于阀2开口面积不变，通过阀2的流量增加。由于 此时阀4的阀芯将右移，A、0口接通，变量油缸6的右腔与油箱接通，油缸活塞在弹簧推动下右移，使变量泵1的排量减小，

33、阀2流量减小，△p减小，P6降低，直至重新达到平衡条件，△p恢复到平衡状态时的设定值。这样在节流阀开度即截流面积固定的情况下，流过阀口的流量也保持恒定，从而使得执行元件的动作速度保持恒定，同时实现了按需供压。从而可以改善系统的调速特性并节约能源。 负载敏感型变量泵不存在溢流损失。虽然系统节流损失依然存在，但由于节流阀两端压差恒定且较小(由阀芯弹簧设定，约IMPa～2MPa)，因此系统的节流损失很小，其功率损耗为 系统效率为： 由于泵的出口压力P。由负载决定，所以负载压力越高，泵的出口压力越高，其回路的效率也就越高，液压回路的节能效果越好。另外，负载敏感控制泵工作时的压力只需比

34、负载压力略高，而不必像恒压泵那样必须工作在一个较高的设定压力，这有利于延长泵的寿命。 负载敏感变量泵与压力补偿阀配合使用，可以实现单泵驱动多个执行机构的独立调速，各执行元件不受外部负载变动和其他执行元件的干扰。由于负载敏感调速系统不仅能实现按需供油，同时也能按需供压，是能量损失很小的调速方案，所以负载敏感型变量泵系统非常适用于负载压力较高、调速范围较大的单泵、单负载系统或负载差异较大的单泵多负载系统。 负荷敏感控制(LS)具有下列优点： (1)液压元件的寿命增长，尤其是油泵的负荷比无LS的系统小。 (2)流量调节更快、更准确，与外负载无关。 (3)节能，系统根据工作需要提供压力和流量

35、，无流量损失。 (4)产生的热量少，只需要较小的冷却器或可不用冷却器。 (5)可使用比其他系统更少的油泵。 (6)噪声低。 由于负载敏感变量泵的流量能够根据工况和负载的变化自动调节，具有效率高、脉动小、噪声低等优点，非常适合工程机械负载变化剧烈、工况变换频繁的特点，所以在工程机械上应用非常广泛，图4-2为采用负载敏感变量泵的平板车悬挂液压系统原理图。 4-2 负载敏感变量泵的平板车悬挂液压系统原理图 4.1.2 双管路防爆阀应用 1. 传统管路防爆阀原理 为了解决问题，工程中的通用做法是安装传统的管路防爆阀，用它来防止由于管路破裂而引起的执行机构下降失控，其工作原理及结构如

36、图4-3所示。防爆阀的B 口连接执行机构悬挂缸，F 口连接易爆危险管路。液压油从F 到B 可以正常通过，从B 到F 由于节流的作用会产生一个压差。在管路工作正常的情况下，从B 到F 产生的压差不会超过弹簧力，阀芯维持一定的开口度，液压油可以正常流通。如果危险管路出现问题，从B 到F 的流量会大大的增加，当压差超过弹簧力时，阀芯会立刻关闭，负载能够停留在管路破裂瞬间的位置上，直到F 端恢复正常压力后，防爆阀方能开启。 4-3传统防爆阀图形符号和结构原理 如果平板车在架梁工况发生液压悬挂系统软管破裂，将直接影响平板车的纵向稳定性，且平板车将混凝土箱梁从预制梁场运输到

37、架梁工地的最远距离可达20 km，如果平板车在运输混凝土箱梁的过程中悬挂液压软管出现爆管，防爆阀将封闭悬挂缸，此时平板车的悬挂将失去功能，平板车不能继续行驶，必须进行维修后才能继续行驶。如果平板车悬挂软管爆管的地点远离预制梁场，对平板车进行维修将非常困难。由于以上原因，传统的管路防爆阀不易用于这一场合，需要进行重新设计。 2.双管路防爆阀原理 基于系统的可靠性原理，采用并联冗余设计可以大幅度提高系统的工作可靠性，因此为防止平板车车在运输过程中由于悬挂液压软管爆管而不能正常工作情况的发生，对悬挂液压软管采取冗余设计，用两条液压软管将单个悬挂缸与悬挂主管路连接起来，悬挂液压软管的两端均安装防爆

38、阀，工作原理如图4-4所示。同一条悬挂液压软管上的防爆阀反向安装，一个用来封闭悬挂主系统一侧，一个用来封闭悬挂缸。 4-4双管路防爆阀原理 为了使悬挂软管和防爆阀安装方便并工作可靠，在双管路防爆阀原理的基础上研究并开发了双管路防爆阀结构，如图4-4所示。基于系统可靠性设计中的冗余原理，在一个主阀体中安装两个防爆阀芯，在侧阀体上连接外部管路。 4-5双管路防爆阀结构 1. 侧阀体;2.O 形圈;3.主阀体;4.组合垫;4.螺堵;6.防爆阀芯 4.1.3 压力补偿阀的应用 本设计采用负载传感阀进出口压力补偿相结合方案，原理

39、图如图4-6所示 图4-6 压力补偿原理图 1.溢流阀 2.减压阀 3.比例电磁铁 4.梭阀 5.进口压力补偿阀 6.主阀 7.出口压力补偿阀 当平板车偏载时，进口压力补偿阀5能够保证比例阀的进口压差恒定，能使悬挂升降控制与负载大小无关，而只和控制阀的阀芯开口大小成正比。平板车悬挂缸为柱塞缸，整车下降时依靠自重实现柱塞缸的回缩，而常用的负荷传感阀只在进口装有压力补偿阀，使悬挂缸的油液流回油箱时没有流量调节，尤其是在平板车偏载造成载荷不均的情况下使平板车整车下降平稳性以及同步性很差，因此在比例多路阀的出口安装压力补偿阀7，也能够对悬挂缸回流油液进行流量调节，悬挂控制电液比例多路阀组

40、如图4-6 所示。 该阀组共有4 块基本阀块组成，所有的基本阀压力补偿阀阀确保各个阀的输出流量不受负载的影响梭阀的作用是取最高的负载压力为负载反馈压力LS； 采用进出口压力补偿设计后，比例多路阀进出口压力能够保持恒定，使比例多路阀的输出流量不受负载影响，提高了悬挂系统的平稳性，有利于控制控制油缸的同步性能。 4.2 100T平板车悬挂液压系统设计要求 平板车多在野外工作，温差变化大，工作条件比较恶劣，粉尘多及负载繁重，而且主机经常处于起制动状态，外负载和冲击很大。同时，希望平板车的生产率尽可能大。因而液压系统应满足以下几方面要求。 (1)首先要保证液压系统有足够可靠性。要选择可

41、靠、耐冲击、抗污染能力强的液压元件。要尽量减少系统发热，主机连续工作油温一般不能超过80oC。因平板车油箱不能太大，所以都要设置油冷却器。 (3)各装置的液压缸要有良好的过载保护措施。工作装置液压缸回路为防止重力超速，需有限速措施，例如液压缸可用单向节流阀。 (4)为保证液压油的清洁度，必须设置可靠，高效能滤油装置，这是确保液压元件正常、可靠工作必不可少的措施。 (5)良好的工作性能：保证工作装置工作平稳，操作灵活、轻便及具有较高的生产率等； (6)工作可靠，寿命长：保证液压元件和辅助装置在高温和高寒条件工作可靠性和较长的使用寿命，并且具有适应外载荷急剧变化的能力。 4.3 液压系统

42、的组成及工作原理 4.3.1 系统组成 图4-7 平板车悬挂系统原理图 平板车悬挂液压系统的组成如图4-7所示：该系统有12个工作缸，均为活塞缸。主系统由柴油机带动负载敏感变量泵。详细如下： （1）主油箱：有效容积为400L，油箱在系统中的功能主要是储存油液，还起着散热、分离油液中的气泡、沉淀杂质等作用。油箱附件主要包含液位液温计、空气滤清器、回油过滤器、冷却器等。 （2）冷却器：降低从系统工作中出来即将回入油箱的油液的温度，以免降低泵的容积效率或使油液很快的变质。该系统为行走机械系统，液压站随平板车一起运动，故选择风冷式冷却器。 （3）加热器：加热油箱中油液的温度，以降低油

43、液黏度，降低泵的吸油压力。 （4）空气滤清器：将空气过滤和加油过滤混合为一体，简化油箱结构，既有利于油箱中油液的净化，又维持了油箱内压力与大气压的平衡。 （5）液位液温计：用以监视观察油箱中油液的位置，并记录油箱内油液的温度。 （6）液压泵：液压泵为能量转换装置，向系统提供具有一定压力和流量的液体，把机械能转换成液体的液压能，是液压系统的动力源。 （7）柴油机：将化学能转换成机械能，用以驱动泵。 （8）吸油过滤器：在泵前设置吸油过滤器，防止大颗粒杂质吸入泵内，保护液压泵。 （9）回油过滤器：用于液压泵回油精过滤，清除液压系统中由于元件产生的金属颗粒及密封件的橡胶杂质等污染物，使流回

44、油箱的油液保持清洁。 （10）负荷传感多路阀：用于控制液压执行元件的运动方向和不受负载干扰的无级调速。用此控制形式，几个执行元件可以互不干扰地以不同的压力和速度同时运动，只要其流量的总和不超过油泵的流量。 （11）梭阀：又可称压力选择阀，用来获取多个压力不同压力油路的最高压力。 （12）液压锁：使液压缸活塞在任一位置停止，并可防止其停止后窜。 （13）单向调速阀：调节某一方向油路的油液流速，用于平板车柱塞缸油路，限制超越负载的运动的速度。 （14）截止阀：用于液压系统压力等各种管路上，控制油路的通断。 （15）压力表：测量系统压力，带有压力表开关，以防止冲击引起的表针损坏，需要查看

45、压力时打开压力表开关。 （16）软管：运载液压油，输送流体，实现整个液压系统中油液的循环，并便于安装拆卸。 （17）管接头：是管道与管道，管道与其他元件的可拆卸连续件，如泵，控制阀等的连接。 4.3.2 工作原理 平板车液压悬挂系统采用负载敏感系统，负载敏感是指系统能自动将所需压力和流量信号到，传到敏感控制阀和泵变量控制机构的敏感腔，使其压力参量发生变化，从而调整供油单元的运行状态，使其几乎仅向系统提供负载所需的液压功率，最大限度的减少能量损失，包括负载敏感和压力补偿两个方面。 根据负载敏感系统所采用的液压源的类型，可以将负载敏感系统分为开中心和闭中心两种。开中心系统采用输出恒定流

46、量的油源供油，譬如工作时转速恒定的定量泵，以定差溢流阀作为负载敏感控制元件；而闭中心系统通常采用输出流量随负载需要而变化的油源供油，譬如通过改变排量实现输出压力适应负载需求的变量泵，以油泵直接作为负载敏感控制元件。 本次设计中的液压系统为闭中心系统，液压源的形式为轴向柱塞式斜盘式变量泵供油，系统的负载压力-流量自适应。 系统的控制原理： (1) 利用梭阀网络，将系统最高负载压力引导至泵的负载敏感控制阀的敏感腔，通过自动调节泵的排量，使泵的出口压力与系统的最高负载压力保持一定的差值Pd，其大小由压差弹簧决定。 (2) 换向阀位于中位时，供油油路被切断，压力迅速升高，而此时系统的最高负载压

47、力为零。当泵的出口压力达到并超过压差弹簧调定压力Pd时，补偿阀阀芯向左运动，压力油流向斜盘控制油缸，使泵的排量减小，直到泵的出口压力稳定在Pd值。此时，泵的输出流量很小，仅满足系统内部泄漏的需要，而补偿阀阀芯处于中位位置，此称为低压等待状态。 (3) 当执行机构的换向阀开启时，负载敏感控制阀的敏感腔与供油油路相通，由于此时管路的流量仍为零，敏感腔压力与泵的出口压力相等，负载敏感阀阀芯在压差弹簧作用下偏离中位位置向上运动，使得斜盘控制油缸的大腔与油箱连通，控制活塞在回复弹簧力作用下使泵的排量逐渐增大，油泵开始向执行机构供油。 (4) 当执行机构开始运动时，随着流量的增大，节流阀阀口两端产生较

48、大的压力降，于是在负载敏感阀的敏感腔与泵的出口之间形成一定的压力差。当压力差偏小时，阀芯位于中位偏下位置，斜盘控制油缸在弹簧力作用下使泵的排量不断增大，出口压力逐渐提高；当压力差偏大时，补偿阀阀芯位于中位偏上位置，斜盘控制油缸在压力油压力作用下使泵的排量不断减小，出口压力逐渐降低；只有当压力差等于压差弹簧设定值Pd时，阀芯位于中位位置，泵的排量保持不变。 (5) 由于节流阀两端压差稳定，因此流经节流阀的流量与其阀口开度成正比，而且不受负载变化的影响。即泵的输出压力和流量与负载相适应。 (6) 在多个执行机构同时动作时，为避免各执行机构之间的压力扰动，闭中心系统也需要在各联上配置定差减压阀，

49、以保持每一联上的节流阀进出口压差恒定。 (7) 当执行机构运动到极限位置时，管路流量降为零，此时敏感腔压力与泵的出口压力相等，补偿阀阀芯在压差弹簧推动下向右运动，致使泵的排量增大，压力进一步升高。当泵的出口压力达到泵内系统限压阀设定值Pmx时，系统限压阀开启，压力油进入控制油缸左腔并推动活塞向右运动。此时，泵的排量迅速下降，其出口压力等于泵内限压阀设定的最高压力。因此，泵处于高压等待状态，虽然压力高，但流量很小，因而能量损失较小。 第5章 液压系统的设计计算及元件选择 5.1 确定液压系统主要参数 5.1.1 设计任务 （1）设计任务：100t 平板车悬挂液压系统设计 （2）机器

50、用途：通用型，适用于广泛应用于机场、港口、火车站、工厂和大型仓库。大大的提高了货物中转平移的效率。减少叉车和人力的消耗成本。 （3）主要技术参数： 系统最大工作压力：315bar 系统最大流量：40L/min 5.1.2 执行元件的确定 1. 确定执行机构的型式 液压执行元件的型式要根据机构输出动作、经济学分析以及整机布置的要求等确定。一般，连续回转的机构用液压马达，直线动作机构用液压缸。本设计中液压系统各机构均用柱塞液压缸。 2. 执行机构的负载及速度分析 所选缸为柱塞缸，负载的压力为 液压缸柱塞

51、处于受压状态，从液压泵到柱塞缸入口之间存在管路损失和多种阀的压力损失，所以取进油腔压力为22MPa，即p1=22MPa，所选柱塞缸的内径为 整理后取d=0.1m，柱塞径与缸外径之比为5:7，则有缸外径为D=0.14m。 5.1.3 确定系统主要参数 确定系统主要参数的目的是为了拟订系统原理图，选择或设计液压元件提供依据。这些参数主要是系统工作压力、液压执行元件的工作压力和流量、液压缸有效面积等。确定主要参数的依据是液压执行元件的负载和速度；可供元件的种类、质量和价格。 1. 确定系统工作压力 平板车工作负载大，为使机器紧凑、轻便，一般都用高压或中压

52、系统。根据国内可供元件的条件，确定系统工作压力为31.5MPa。 2. 确定系统液压缸参数 1) 壁厚计算 根据公式 式中 ψ——强度系数，对于无缝钢管，ψ=1； Py——试验压力（MPa），工作压力p≥16MPa时，Py=1.25P； [σ]——材料许用压力161.75MPa。 计算得壁厚： 修正后取δ=0.015m。 2) 缸底盖厚度 根据公式

53、 式中 D’——缸筒内径 D’=110mm； P——油缸压力 P=22MPa； [σ]——材料许用压力为161.75MPa， 根据法兰连接安装尺寸，去缸底厚度为80mm。 柱塞的行程的计算 由公式： 式中 n——末端条件系数，取n=2； nk——安全系数≥6，取=7。 所以L=294.67mm，取整L=300m

54、m。 结果汇总如表5-1 表5-1 执行元件柱塞缸的计算结果 执行元件 负载kN 速度m/s 内径mm 外径mm 工作压力MPa 柱塞缸 108.3 0.125 100 140 22 5.2 泵及发动机的选择 5.2.1 概况 液压泵根据工作腔的容积变化而实现吸油和排油，也称容积泵。液压泵每转一周排出的液体体积称为排量，理论上泵的排量只取决于其工作机构的几何尺寸。对于定排量泵，其排量恒定；对于变排量泵，其排量和变量机构的位置有关。如果不考虑泄露及液体的可压缩性，定排量液压泵的流量只取决于泵的转速，与工作压力无关。液压泵的实际工作压力取决于工作负载。而其额定工

55、作压力与泵的结构型式无关，取决于泵的零件强度和在高压下的泄漏。液压泵有许多种类，根据构件不同，液压泵分为齿轮式、螺杆式、叶片式、柱塞式。 液压系统中驱动液压泵的原动机有电动机和发动机。发动机指汽油机柴油机等，一般用于行走机械，而且不是由液压系统设计者选定的。固定设备系统中驱动液压泵的电动机需要设计者选定。本系统为行走机械发动机选用柴油机，具体型号不许选定。根据使用的环境，决定开式、封闭扇冷式、防雨保护式、防爆式等形式及立式、卧式结构。 5.2.2 液压泵的选择 （1）确定液压泵的最大工作压力

56、 式中 —执行元件最大工作压力； —液压泵出口到执行元件入口之间的压力损失。的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：管路简单、流速不大的，取=（0.2-0.5）MPa；管路复杂、进口有调速阀的，取=（0.5-1.5）MPa。这里取0.4MPa。 由式5-1得， 在选择液压泵的额定压力时应该比系统最高压力大25%～60%，高压系统压力储备宜取小值。 （2）确定液压泵流量 式中 k—系统泄露系数，一般取1.11.5，大流量取小值，反之取大； —同时动作液

57、压缸最大总流量，这里为工进流量48L/min。 （3）选择规格 液压泵选择力士乐轴向柱塞式斜盘变量泵，效率高，性能好。 性能参数： 型号： A4VSG40DR/G-RPPB10 排量/cm3/s: 40 最大转速/r/min： 3700 额定转速/r/min： 1500 额定压力/MPa： 35 最大流量/L/min： 60 峰值压力/MPa： 40 最大功率/KW: 35 安装形式： 法兰 容积效率/%: ≥94.6 重量/Kg: 47 5.2.3 发动机的选择 确定驱动液压泵的功率 式中—液压泵的总效率，本系统采用的效

58、率最高的柱塞泵，取0.8。 按平均功率选出泵的总驱动功率，柴油机允许的短时间超载量一般为25%。选择潍柴柴油机型号： 性能参数： 型号: WD615 64G 进气方式： 增压 额定功率/KW: 162 转速/rmin-1: 2200 最大扭矩/Nm： 850 耗油量g/KWh： 210 净重/kg: 560 5.3 阀类元件的选择 5.3.1 阀类元件的选择依据 选择控制阀的依据是系统的最高压力和通过阀的实际流量以及阀的操纵、安装方式等。需要注意的问题是： （1）各种阀类元件的规格型号，按液压系统原理图和系统工况提供的情况从产品样本中选取，各种阀

59、的额定压力和流量。一般应与其工作压力和最大通过流量相接近，必要时，可允许其最大通过流量超过额定流量的20%。 （2）确定通过阀的实际流量时，要注意通过管路流量与油路中串并联的关系。 （5）选择压力控制阀的时候，由于其调定压力范围有限，故最好不要选用比最高使用压力还高的阀。否则，当阀在低压工作时，会出现工作的不稳定。 （4）具体选择时，应注意溢流阀按液压泵的最大流量选取；流量阀还需要考虑最小稳定流量，以满足低速稳定性要求。 （5）应尽量选用标准件，除在不得已时，才可自行设计专门的控制阀等。 根据以上所述的依据和注意事项即可选择阀类元件。 5.3.2控制元件元件的选取 1.负载传感多

60、路阀 选择力士乐M4 12 2X J 250 X型，该阀通径为12mm,公称压力为35MPa，最大流量为50L/min进油联是闭芯式，阀芯机能为E,不带压力补偿器，带负载保持功能，不带二次阀，操纵形式为电液操纵。 2.液控单向阀 用在平板车悬挂柱塞缸回路上，可在两个方向防止柱塞在外力作用下移动，起到保护作用。 选用力士乐的Z2S6A2-60，最大压力为31.5MPa，最大流量为60L/min. 开启压力0.3MPa 3. 截止阀 泵吸油口：根据泵出口流量，综合考虑过滤器的出口大小，选择中苏丹阳带开闭发讯器的蝶阀DN65，通径65mm。 油箱上：选择沈阳蝶阀厂手动蝶阀，型号D71

61、X-16，通径80mm。 回油过滤器前：选择沈阳蝶阀厂手动蝶阀，型号D71X-16，通径80mm。 4. 先导式溢流阀 先导式溢流阀按液压泵的最大流量选取，选用力士乐有定型产品的阀件，确定先导式溢流阀的规格。 技术参数： 型号：ZDB6VP1-40 最高工作压力/MPa: 31.5 调压范围/MPa: 21～31.5 最大流量/L/min: 60 重量/Kg: 1.2 通径/mm: 6 5. 防爆阀 为防止悬挂液压软管出现破裂，对液压软管破裂增加安全措施，可选用力士乐有定型产品的防爆阀阀件，确定先导式溢流阀的规格。 技术参数： 型号：MH

62、RB16FGA30 通径/mm： 16 最高工作压力/MPa： 35 最大流量/L/min:: 200 重量/Kg： 0.8 6. 节流阀 选用力士乐节流阀，需要考虑最小稳定流量应满足执行机构最低稳定速度的要求，来选择节流阀和调速阀。 技术参数： 型号：Z2FS22—30 通径/mm： 25 最大流量/L/min: 360 最高工作压力/MPa： 35 重量/Kg： 0.8 5.4 其他辅助元件的选择 5.4.1 过滤器的选择 过滤器的功能是清除液压系统工作介质中的固体污染物，使工作介质保持情节，延长元器件的使用寿命，保证液压元件工作性能可靠

63、。液压系统故障的75%左右是由介质污染。在系统中安装滤油器，是保证液压系统正常工作的必要手段。 过滤器按过滤原理区分主要有：表面型过滤器、深度型过滤器和磁性过滤器。除按过滤原理进行分类外，过滤器还经常按过滤精度、滤芯结构与材料、安装位置等进行分类。 过滤器的主要性能参数有：过滤精度、压差特性和纳垢容量等。 1. 过滤器选择原则 在选用过滤器时，应注意以下几点： （1）有足够的过滤精度，过滤精度是指通过滤芯的最大坚硬颗粒的大小，以其直径d达到公称尺寸表示。其颗粒越小，精度越高。不同的液压系统有不同的过滤精度要求。 （2）有足够的通油能力，通油过滤能力是指在一定过滤精度和压降下允许通过

64、滤油器的最大流量，不同类型的滤油器可通过的流量值有一定的限制，在选择过滤器时按照系统的最大流量的2～5倍来选取。 （5）滤芯便于清洗或更换。 （4）滤芯及外壳应有足够的强度，不至因为油压而破坏。 （5）有良好的抗腐蚀性，不会对油液造成化学的或机械的污染。 （6）在规定的工作温度下，能保持性能稳定，有足够的耐久性。 （7）结构尽量简单紧凑。 （8）价格低廉。 2. 过滤器的选择 （1）吸油过滤器 选择温州远东液压有限公司生产的箱上YXL-40080F型吸油过滤器，该阀通径为40mm，公称流量为160 L/min，过滤精度为100，允许最大压力损失为0.03MPa，连接方式为螺纹

65、连接，安装在油箱侧边，吸油筒体浸入油箱内液面以下，过滤器虑头露在油箱外。 （2） 回油过滤器 选择温州远东液压有限公司生产的箱上YXH-10040FC型回油过滤器，该阀通径为40mm，公称流量为160 L/min ，过滤精度为30，允许最大压力损失为0.35MPa，公称压力为1.6MPa，连接方式为螺纹连接，安装在油箱上部，吸油筒体浸入油箱内液面以下，过滤器虑头露在油箱外。 5.4.2冷却器的选择 液压系统工作时，因液压泵、液压缸的容积损失和机械损失，或控制元件及管路的压力损失和液体摩擦损失等消耗的能量，几乎全部转化为热量。这些热量除一部分散发到周围空间，大部分使油液及元件的温度升高。

66、如果油液温度过高，将严重影响液压系统的正常工作。一般规定液压用油的正常温度范围为15～66℃。 当油箱的自然散热不能保证油液的正常温度时，就必须采取强制冷却的办法，通过冷却器来控制油箱的温度，使之适合系统工作的要求。 选择冷却器时应首先要求冷却器安全可靠、有足够的散热面积、压力损失小、散热效率高、体积小、重量轻等。然后根据使用场合，作业环境情况选择冷却器类型如使用现场有无冷却水源，液压站是否随行走机械一起行动，当存在以上情况时，应优先选择风冷式 而后是机械制冷式。 本系统选用南京翰坤机电科技公司生产的ACE4型空气冷却器。此冷却器由铝材制成，最大工作压力1.4MPa，体积小重量轻，安装容易，维修简单。 5.4.3液位液温计的选择 液位液温计是用来观察油液在油箱中高度的元件，以及油液温度，应设在注油口附近，以便注油时可以监视液面。一般液位液温计下刻线至少要比吸油过滤器或吸油管口上缘高出75mm，以免泵吸入空气，液位液温计上刻线对应着油箱的油液容量。液位计与油箱连接处要密封。 本系统采用的是黎明的YWZ-150T型液位计，它带有温度计。 5.4.4空气滤清器的选择 空