畢業(yè)設計（論文）-汽車起重機液壓系統(tǒng)設計

學號:密級:本科畢業(yè)論文（設計）院（系）名稱:機電工程學院專業(yè)名稱：機械設計制造及其自動化學生姓名：指導教師：20XX年X月XX日DesignofHydraulicSystemforTruckCraneCandidate：Supervisor：May.10th,20XX

鄭重聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。論文作者簽名：日期：年月日前言1.1汽車起重機簡介汽車起重機可以簡單地理解為起重裝置與特制拖車的組合，該機通過組合，促使整機性能更加優(yōu)化，操作靈活、作業(yè)快捷、穩(wěn)定性及安全性更高，因此成為常用起重機械之一。1.2液壓系統(tǒng)在汽車起重機上的應用及特點汽車起重機作為土木工程的重要機械之一，主要由起升裝置、變幅裝置、回轉裝置、起重臂和汽車底盤組成。21世紀，各項技術高速發(fā)展，液壓技術也不斷發(fā)展與優(yōu)化，智能電子工業(yè)，高強度材料和汽車工業(yè)的迅速發(fā)展以及土木工程的快速發(fā)展，進一步促進了汽車起重機的發(fā)展。自重大、操作性差、移動性差和工作準備時間長的老式機械傳動式汽車起重機已經(jīng)被市場淘汰。目前市場上的液壓式汽車起重機具有如下優(yōu)勢：1.行動自由靈活，在它的起重范圍內及物理尺寸容許條件下，能夠在整個施工區(qū)內承擔絕大部分的起重任務。2.它除了起重功能之外，可以與其它裝置進行搭配使用來實現(xiàn)其它的功能，如：在液壓式汽車起重機的伸縮臂上配裝各種鏟子、鉆頭、抓斗、挖溝器等裝置進行其它工作。3.該起重機無需架空軌道等固定結構，因此具有很多優(yōu)勢，如：操作平穩(wěn)、轉移快速、方便靈活、安全系數(shù)高、起重速度快等優(yōu)點，因此，可用于基建起重施工、能最大程度的降低生產(chǎn)成本或維修費用。4.該起重機本身具有獨立的動力裝置，無需裝設接觸導電裝置。5.該起重機可把起重物放置在地面上、地面下或者更高的地方?；谏鲜鰞?yōu)勢，在運輸、基建、礦山、筑路工程及重物裝卸中，液壓式汽車起重機成為了首選的起重設備。液壓汽車起重機的起升回轉、變幅、起重臂伸縮及支腿伸縮等一系列動作，既可單獨動作，也可組合動作，這些動作需用液壓泵、定量或變量馬達相互配合來實現(xiàn)。汽車起重機采用液壓傳動，在主要機構中由于液壓油的存在，沒有劇烈的干摩擦副，從而減少了維修和施工準備時間。液壓汽車起重機的產(chǎn)品特點：1.起重機的操縱室具有現(xiàn)代設計風格，舒適性強；2.油耗小，功率大，噪音低；3.起重機的整體布局為全覆蓋式臺板，在車上就可完成很多事項：如：工作與檢修。4.起重機的支腿系統(tǒng)采用雙面操縱，操作穩(wěn)定性高，方便實用；起重機屬于中型起重機械，傳統(tǒng)起重機移動緩慢，體型笨重，而汽車起重機經(jīng)過不斷的革新，使其結構和液壓系統(tǒng)結構更加緊湊，因此，整機重量輕，起重性能提高。同時很巧妙的把旋轉運動轉變?yōu)槠揭七\動，巧妙的液壓系統(tǒng)設計易于實現(xiàn)起重機的變幅和伸縮。由于各機構通過操作可以稍微調動，故作業(yè)更平穩(wěn)，安全、快速。1.3汽車起重機液壓系統(tǒng)的發(fā)展情況隨著李克強總理提出的全面創(chuàng)新，以及國家為了振興傳統(tǒng)制造業(yè)出臺的“工藝4.0”以及“中國智造”等一系列政策，促進了中國汽車起重機產(chǎn)業(yè)的新一輪改革，近幾年中國汽車式起重機產(chǎn)業(yè)的設計水平和制造水平得到了顯著提高，促使中國汽車起重機在國際市場上獲得了一席之地，也得到了國際市場的高度肯定，這些都為中國液壓式汽車起重機行業(yè)的技術創(chuàng)新和高速發(fā)展打下了良好的基礎。目前，國內像徐州重工等重量級的汽車起重機制造廠家，經(jīng)過數(shù)十年的自主研發(fā)與創(chuàng)新，已經(jīng)成熟掌握了全路面液壓式汽車起重機的核心技術，成功地制造出了200噸級（包括200噸級）以上的超大型液壓式汽車起重機，可以與國外先進的液壓式汽車起重機相媲美，中國的液壓式汽車起重機行業(yè)已經(jīng)接近國際最先進水平。

2液壓系統(tǒng)性能分析與原理設計2.1液壓系統(tǒng)關鍵回路的分析液壓式汽車起重機（見圖2-1）液壓系統(tǒng)一般由改變吊臂角度的機構、轉動的裝置、拉升和下降的裝置、吊臂改變長度的裝置、支腿全伸及單伸的裝置等組成。圖2-1汽車起重機各動作示意2.1.1起升回路重物的升降依靠起升回路（見圖2-2）。起升回路的液壓系統(tǒng)能夠快速的實現(xiàn)合分流方式轉換，通過液壓泵提供動力，調節(jié)三位四通換向閥來帶動雙向定量馬達，進而帶動圈揚機的正反轉動，實現(xiàn)起吊重物的升降，并通過制動液壓缸（彈簧復位缸）來制動雙向定量馬達，實現(xiàn)起吊重物的極速制動。保證了作業(yè)的安全性。1-三位四通換向閥；2-雙向定量馬達；3-彈簧復位缸圖2-2起升回路2.1.2回轉回路汽車起重機的有限臂長，使吊起重物水平移動的范圍受吊臂的限制，根據(jù)查閱相關資料及計算分析可知，因回轉機構工作所需功率小，故絕大多數(shù)汽車起重機采用全回轉式的設計。汽車起重機的回轉回路是在液壓泵提供的動力下，通過調節(jié)三位四通換向閥來控制雙向定量馬達的正反轉動，進而帶動吊臂工作轉臺轉動。1-三位四通換向閥；2-雙向定量馬達圖2-3回轉回路2.1.3臂桿變幅回路絕大部分液壓式汽車起重機為了更大程度的滿足重物裝、卸工作位置的要求，采用臂桿與臂桿的幅度變換設計來實現(xiàn)。變幅回路（見圖2-4）是在液壓泵提供的動力下，通過調節(jié)三位四通換向閥來控制雙作用單活塞桿液壓缸的液壓油，進而實現(xiàn)吊臂幅度的變化；回路圖中單向閥的作用是防止無桿腔中的液壓油倒流，吊臂幅度不會因為故障而減小，保障了作業(yè)的安全性。1-三位四通換向閥；2-節(jié)流閥；3-單向閥；4-雙作用單活塞桿液壓缸圖2-4臂桿變幅回路2.1.4臂桿伸縮回路汽車起重機的伸縮回路是臂架伸縮機構的核心部分，伸縮回路的成熟應用，使臂桿無需接臂和拆臂，縮短了作業(yè)時間，提高了起重效率。在不作業(yè)狀態(tài)時，吊臂全部縮回，整機物理尺寸最小，提高了汽車起重機的機動性和通過性。臂架設計為液壓式伸縮機構，進一步的拓展了各類型起重機在實際施工環(huán)境下的使用性能。本設計優(yōu)化了伸縮回路（如圖2-5），其原理類似于變幅回路，在此不再贅述。圖2-5伸縮回路目前，絕大部分汽車起重機的吊臂采用3節(jié)（受結構的限制等因素），吊臂伸縮的基本形式大致分為二類：1.順序伸縮。2.同步伸縮。（a）順序伸縮（b）同步伸縮圖2-6吊臂伸縮方式如圖2-6所示。顯而易見，獨立伸縮機構按不同的操作配合，也能實現(xiàn)順序或同步伸縮的動作。綜合考慮各種作業(yè)因素，本文設計的吊臂伸縮選擇使用最為普遍的順序伸縮方式。為了使汽車起重機各節(jié)伸縮臂伸展后的載荷（標準載荷，非最大載荷）與該汽車起重機的起重量特性相適應，起重機作業(yè)時，吊臂的伸縮順序為二節(jié)臂（2）→三節(jié)臂（3）的順序伸出[1為基本臂]，而縮回則按相反的順序，即三節(jié)臂→二節(jié)臂的順序縮回。2.1.5支腿回路汽車起重機設置支腿有二個主要作用：1.對起重機起固定作用，防止作業(yè)時，發(fā)生移動。2.支撐地面，分擔重物載荷，提高起重機的起重能力。起重機屬于中型設備，在施工中，決不能出現(xiàn)事故，因而，需要充分考慮起重機的安全性及穩(wěn)定性，故支腿要求堅固可靠、液壓系統(tǒng)安全自鎖（防止油管破裂，造成液壓是機構作用，造成安全事故）、操作靈活、伸縮方便。在行駛或閑置時收回，作業(yè)時外伸撐地。支腿回路如下（圖2-7）所示，液壓系統(tǒng)中兩個單向閥互通，起鎖存作用，液壓分析同上原理。1-單向閥；2-雙作用單活塞桿液壓缸；3-三位四通換向閥圖2-8支腿液壓回路2.2汽車起重機液壓系統(tǒng)類型的擬定2.2.1各機構組合情況各機構組合情況如圖（見圖2-8）所示。為了確保汽車起重機施工過程中的安全，液壓支腿在起重機作業(yè)時，要求鎖死。由圖可知，回轉、變幅、伸縮機構是并列執(zhí)行的，均可獨立動作，之間也無相互干涉。最后一步（起身機構）在前述的機構執(zhí)行之后動作。圖2-8各機構動作組合情況2.2.2液壓系統(tǒng)的工作原理分析通過大學期間所學的液壓方面知識，設計了如下（見圖2-13）液壓系統(tǒng)的工作原理，優(yōu)化的液壓系統(tǒng)支腿分兩步（1）全伸；（2）單伸。單伸是為了進一步支撐地面，使整機作業(yè)時，不發(fā)生移動。圖2-14汽車起重機液壓系統(tǒng)圖

3液壓系統(tǒng)計算3.1汽車起重機各機構主要參數(shù)的初定3.1.1起升機構起升機構中，主卷揚相關參數(shù)設計如下表（見表3-1）。表3-1主卷揚相關參數(shù)初定值起升機構中，副卷揚相關參數(shù)設計如下表（見表3-2）。表3-2副卷揚相關參數(shù)初定值3.1.2回轉機構回轉速度1.5r/min回轉阻力矩104K.Nm減速器速比1423.083.1.3變幅機構最大行程2842mm變幅油缸最大軸向阻力1320KN變幅時間60Sec3.1.4伸縮機構吊臂伸縮機構中，各級液壓缸的相關參數(shù)設計如下表（見表3-3）。表3-3起升機構中各級液壓缸的相關參數(shù)初定3.1.5支腿機構垂直支腿：吊重時支腿油缸最大反力700KN.m行程335mm速比2.783.2液壓系統(tǒng)主要工作參數(shù)的初定汽車起重機中，起升機構的主卷揚機的主要工作參數(shù)初定(見表3-4)。表3-4起升機構中，主卷揚機的工作參數(shù)初定設定汽車起重機中，起升機構的副卷揚機的主要工作參數(shù)初定(見表3-5)：汽車起重機中，回轉機構的主要工作參數(shù)初定(見表3-6)。表3-5起升機構中，副卷揚機的工作參數(shù)初定設定表3-6回轉機構的主要工作參數(shù)初定設定汽車起重機中，變幅、伸縮和支腿機構的主要工作參數(shù)初定(見表3-7)。表3-7變幅、伸縮和支腿機構的主要工作參數(shù)初定設定

4汽車起重機液壓系統(tǒng)相關元件的計算4.1副卷揚回路4.1.1副卷揚馬達的相關計算1.副起升卷筒扭矩（4-1）（4-1）式中:—副卷揚MAX拉力（28KN）；—卷筒直徑?！摻z繩直徑，dj2＝17mm—卷筒機械效率,查相關數(shù)據(jù)表得：2.起升機構的副卷揚機構的馬達扭矩計算（4-2）（4-2）符號說明:—副卷揚傳動比(51.4)；—馬達輸出端機械效率0.93；4.1.2副卷揚馬達排量的相關計算（4-3）（4-3）符號說明:—馬達最大工作壓差?！R達機械效率(下文出現(xiàn)此符號都取值0.95)；4.1.3起升機構副卷揚泵的相關計算1.副起升卷筒的轉速（4-4）（4-4）符號說明:—副卷揚單繩MAX速度=50m/min。2.副卷揚馬達轉速3.副卷揚馬達輸入流量（4-5） （4-5）符號說明:—馬達容積效率（取值0.89）。4.副卷揚泵輸出流量管路液壓油泄露忽略不計 5.副卷揚泵的排量（4-6） （4-6）符號說明:—泵工作轉速（每分取值2300轉） —油泵容積效率（取值0.95）。4.2主卷揚回路4.2.1.主卷揚馬達的相關計算1.分析得主卷揚卷筒力矩計算公式如下：（4-7）（4-7）符號說明：—主卷揚單繩最大拉力（設定最大值為36KN）；—卷繞鋼絲繩j層時的卷筒直徑。卷繞鋼絲繩4層時，主卷揚的卷筒直徑為：符號說明：——鋼絲繩直徑（設定直徑為21毫米）；—卷筒機械效率,查相關起重機的卷筒機械效率參數(shù)表，分析后取值0.99。2.主卷揚機馬達扭矩（4-8）（4-8）符號說明：—主卷揚減速器速比（綜合分析后，設定為36.5）； —馬達輸出機械效率（查相關起重機的主卷揚馬達的機械效率參數(shù)表，分析后取值0.93）。3.主卷揚機馬達排量（4-9）（4-9）符號說明：—馬達進出口MAX壓力差：——主卷揚馬達機械效率（查相關起重機的主卷揚馬達的機械效率參數(shù)表，分析后取值0.95）。4.2.2主卷揚泵的相關計算1.主卷揚卷筒的轉速（4-10）（4-10）符號說明：—主卷揚MAX速度，（考慮安全因素之后，設定取值最大=110m/min）2.主卷揚馬達轉速3.主卷揚馬達流量（4-11）（4-11）符號說明：—主卷揚馬達容積效率，查馬達容積參數(shù)表得；4.主卷揚泵輸出流量液壓油泄露暫不考慮，則總流量計算式：符號說明：（4-12）—副卷揚泵流量，（4-12） 5.主卷揚泵排量（4-13）（4-13）符號說明：—主卷揚泵工作轉速（綜合考慮起重機的安全及穩(wěn)定性因素，取值2760rpm）；—主卷揚泵容積效率，查表后，得；4.3回轉回路4.3.1回轉馬達的相關計算1.回轉馬達阻力矩（4-14）（4-14）符號解釋：—回轉總阻力矩，設定為104KN.m；i—回轉減速器速比，綜合考慮計算得i=1423.08；η—回轉機械傳動效率，查馬達參數(shù)表，取值η=0.90。2.回轉馬達的排量（4-15）（4-15）符號解釋：—馬達工作壓差；4.3.2回轉油泵的相關計算1.馬達最大轉速符號說明：—回轉速度，=0～1.5r/min,取回轉速度MAX值1.5r/min。2.回轉馬達流量（4-16）（4-16）符號解釋：—回轉馬達容積效率，查馬達相關參數(shù)表，綜合后取值為0.95。3.回轉油泵的輸出流量忽略液壓油泄露量，則輸出流量為4.回轉油泵排量（4-17）（4-17）符號說明：—回轉油泵工作轉速，綜合穩(wěn)定性等因素后，取值2760轉/分；—回轉油泵容積效率，查油泵相關參數(shù)后，取值=0.95。4.4支腿回路4.4.1垂直支腿油缸的計算1.無桿腔油壓作用面積符號說明：F1—支腿油缸MAX軸向阻力，F(xiàn)1=700KN；P—支腿油缸MAX工作壓力，P=28Mpa；2.無桿腔缸徑（4-18）（4-18）4.4.2油箱計算1.液壓系統(tǒng)差流量（4-19）（4-19）2.油箱有效容積

5變幅液壓缸設計5.1變幅油路相關計算1.變幅油缸平均伸縮速度符號含義：S—變幅油缸工作時MAX行程，為了作業(yè)安全性，取值略低于最大值，取值為S=2842mm；—升臂變幅時間（初步設定為60sec）2.變幅油缸平均輸入流量（5-1）（5-1）符號含義：—油缸容積效率，當容積效率取值為ηV=1時，則雙缸流量為：(3)油泵輸出流量（5-2）（5-2）符號含義：—管路容積效率，查油泵相關參數(shù)表后，取值：=0.95。5.2伸縮油缸的選擇1.無桿腔油壓作用面積符號含義：FⅠ—第Ⅰ級油缸的MAX軸向反力；FⅡ—第Ⅱ級油缸的MAX軸向反力；FⅢ—第Ⅲ級油缸的MAX軸向反力；P—各級液壓缸的工作壓力，假設各級P相等。取值為：P=28Mpa，KN，KN，KN。2.無桿腔缸徑（5-3）（5-3）5.3伸縮油路1.伸縮缸平均伸出速度符合解釋：—Ⅰ缸工作行程；S1=S2=S3=8000mm；—Ⅱ缸工作行程；—Ⅲ缸工作行程；—吊臂油缸全程伸出時間。設定各缸的工作行程相等，設為；假定吊臂伸展達到最大行程的時間為。2.各級伸縮缸平均輸入流量Ⅰ缸輸入流量：Ⅱ缸輸入流量：Ⅲ缸輸入流量：符號說明：—油缸容積效率，查表取值。平均輸入流量：（3）液壓泵輸出流量（5-4）（5-4）（4）變幅伸縮油泵輸出流量為：（5）液壓泵的排量（5-5）（5-5）符號說明：—油泵工作轉速，設定為r/min；—油泵容積效率，查表得 5.4變幅液壓缸的受力分析圖5-1變幅液壓缸的作業(yè)示意圖如圖5.1所示，為汽車起重機作業(yè)時吊臂變幅的幾種代表性狀態(tài)。下文的主要工作是對變幅液機構進行建模，進而簡化為幾何圖形進行相關受力分析。圖5-2變幅液壓缸的幾何示意圖起重機變幅機構經(jīng)過相關建模之后，得出上圖（如圖5.2）所示的幾何示意圖。可將三鉸點建模之后，簡化為三角形ΔABC。將油缸簡化為線段AB，起重機的變幅裝置在轉臺和由各級液壓缸組成的吊臂上的鉸點，抽象建模為點A，點B，液壓式起重機的回轉中心線為。當汽車起重機作業(yè)時，吊臂幅度（R）吊起重物（Q）時，對鉸點C列平衡方程式得：（5-6）（5-6）符號含義說明：—變幅油缸推力；Q—作業(yè)負載的重量；h—油缸推力對C點的力臂；e—起升繩到鉸點C的距離（作業(yè)過程中變化）?！醣鄣难鼋?；S—起升繩的拉力；—吊臂的長度；—吊臂的重心距點C的距離；—吊臂的重量；（5-7）因，式(5-1)進一步簡化得：（5-7）分析式（5-2）可知，當汽車起重機的起吊重物Q確定后，是α和h的函數(shù)，與h成反比。由函數(shù)關系知，和h是三角形決定的，也就是說，取決于三角形ABC的形狀。5.5變幅液壓缸的機械設計圖5-3額定功率下液壓缸的各參數(shù)圖液壓缸受到的推力：（5-8）（5-8）符號含義說明：—變幅軸線與水平線的夾角；—工作臂長；—吊臂自重；—吊臂重心到C點的距離；—液壓缸與AC的夾角；R—起重機工作幅度；a—C點與回轉中心的距離。C與回轉中心的距離a∈[3,6]米，滿足這個距離的=67°；汽車起重機在額定功率下，起重量為N。設定汽車起重機的最大起重量為10000kg。根據(jù)中國國內制造業(yè)——起重機生產(chǎn)相關標準，吊臂的質量取值最大起重量的0.15—0.20，出于作業(yè)安全性考慮，取參數(shù)0.15。因為采用的是三節(jié)伸縮臂，故；工作繩拉力N；吊臂基本臂長m；距離AC=947mm；夾角=62°；=1800mm；=2800mm。由（5-3）得：（5-9）（5-9）5.6變幅液壓缸主要幾何參數(shù)的計算1.液壓缸壓力設定，考慮到液壓缸中的其它力的干擾，因而取。2.液壓缸內徑Db工作腔為無桿腔，計算公式如下：（5-10）（5-10）3.活塞桿直徑d由于=22＞7，所以d=0.7D=0.7160mm=112mm。參考GB2348-80的液壓活塞桿系列，選取d=140mm。4.活塞桿理論推力計算下圖為液壓缸簡化后的，活塞桿受力圖（見圖5-4）。a.活塞桿伸出時b.活塞桿回縮時拉力符號釋義：——無桿腔的受力面積；——有桿腔的受力面積?！簤焊椎墓ぷ鲏毫Γǎ?。圖5-4活塞桿受力分析圖5.活塞桿行程S液壓缸全伸時S最大：=2800mm液壓缸全縮時S最?。?1800mm得到行程S：S=—=1000mm查相關參數(shù)系列表，選取行程S=1000mm。6.缸筒壁厚b的計算查表可知，液壓缸，缸體選用45號鋼。故，。7.缸底厚度hb假定為平行缸底，計算公式（5-11）（5-11）符號解釋：hb—缸底厚度（m）；—液壓缸內徑（m）；—試驗壓力（）；—缸底材料的許用應力（）。材料選用45鋼，查材料的強度相關參數(shù)表，可知該鋼≥600MPa，≥355MPa，伸長率≥16％。則。缸的工作壓力，取。設計變幅液壓缸如下圖所示：1-缸體端部耳環(huán)；2-缸底；3-螺母；4-墊圈；5-排氣閥；6-Y型密封圈；7-活塞；8-活塞桿；9-缸體；10-接頭；11、12-O型密封圈；13、16-六角螺釘；14-缸蓋；15-防塵圈；16-活塞桿端部耳環(huán)圖5-5變幅液壓缸裝配圖

6結論通過接近半年的畢業(yè)設計——《汽車起重機液壓系統(tǒng)設計》，我學到了很多書寫論文的方法與技巧，感覺畢業(yè)設計其實是對我們大學所學知識的綜合運用，也是一次檢閱，通過這次設計，我鞏固了大學期間學習的知識，也懂得了把各種知識總結在一起，靈活運用。雖然設計中出現(xiàn)了很多自己從沒想過的問題，但是通過查閱相關資料，以及在老師和同學的幫助下，解決了大部分的問題。本次畢業(yè)設計運用最多的就是液壓知識，要對一種重型機械的液壓系統(tǒng)進行創(chuàng)新設計，對于初次寫論文的我來說，挑戰(zhàn)性很大。最終通過各方面努力，克服了一些困難。這次畢業(yè)設計讓我對汽車起重機有了全新的認識與理解，明白了一個個機器背后的復雜性，從一個個想法的碰撞，到一個完整的產(chǎn)品設計書，以及設計后的選材及加工工藝等等，都是要在設計之初就要考慮到的問題。這次畢業(yè)設計，從毫無思路，到完成設計，其中有很多艱險，但最終完成設計的那一刻，莫名的有一種自豪感。感謝所有在論文設計中，幫過我的人。

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