液壓挖泥船的液壓工作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、寧波大學(xué)海洋工程基礎(chǔ)小論文寧波大學(xué)答題紙（20162017學(xué)年第 一 學(xué)期）課號(hào)： 1633008 課程名稱： 海洋工程基礎(chǔ) 改卷教師： 朱克強(qiáng) 學(xué)號(hào)： 1611084946 姓 名： 陸佳偉 得 分： 絞吸式液壓挖泥船的液壓工作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)The design of hydraulic system of hydraulic cutter suction dredger.摘要液壓挖泥船廣泛應(yīng)用于港口基建工程、水利疏浚等施工領(lǐng)域。一般可以分為開底自載耙吸式挖泥船，側(cè)拋式挖泥船和絞吸式挖泥船。在這里我們主要講解挖泥船的液壓工作系統(tǒng)所以以常見的絞吸式挖泥船為例。絞刀機(jī)構(gòu)作為絞吸式挖泥船的最主要工作機(jī)

2、構(gòu)，其傳動(dòng)與控制主要借助液壓技術(shù)，因此液壓系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響到絞吸式挖泥船的工作性能。本課題是用來設(shè)計(jì)適應(yīng)于絞吸式挖泥船絞刀機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)，以便于提高其工作效率。本論文主要研究的幾個(gè)方面：（1） 絞刀機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)方案選擇和其工作原理。（2） 絞刀液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：絞吸式液壓挖泥船，液壓系統(tǒng)方案，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。IIAbstractHydraulic dredger is widely used in engineering, water conservancy dredging port infrastructure construction fields.General can be

3、divided into self-contained open bottom suction dredger, side polished dredger and cutter suction dredger.The hydraulic system here we mainly explain the dredger so common dredger as an example.As the main body of work mechanism of reamer cutter suction dredger, its transmission and control by means

4、 of hydraulic technology, the hydraulic system performance directly affects the work performance of cutter suction dredger.This topic is to design the hydraulic system for cutter suction dredger mechanism, in order to improve the work efficiency.Several aspects of the main research of this paper:(1)

5、 selection of hydraulic system mechanism and its working principle.(2) the design of the hydraulic system.Keywords: hydraulic dredger, hydraulic system, hydraulic system design.IV第1章 ：緒論1.1選題的目的和意義我國(guó)擁有遼闊的海域和眾多的江河湖泊，航道疏浚、環(huán)保疏浚和水利疏浚有著很大的市場(chǎng)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)，航運(yùn)業(yè)高速發(fā)展帶動(dòng)了港口基建與航道疏浚等工程的迅速發(fā)展，使得國(guó)內(nèi)疏浚機(jī)械設(shè)備的需求也趨于旺盛，挖泥

6、船為主要的疏浚設(shè)備具有廣闊的市場(chǎng)。挖泥船具有多種類型，其中絞吸式挖泥船是一種裝備了絞刀頭切削裝置的挖泥船，可以用來挖掘幾乎所有類型的土壤；工作時(shí)能一次性連續(xù)完成挖泥、運(yùn)泥、卸泥等工作過程，是一種效率高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、成本較低的挖泥船，也是目前應(yīng)用最廣泛的一種挖泥船舶。絞吸式挖泥船的疏浚裝置是由液壓系統(tǒng)來提供動(dòng)力的。相比于傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)和電氣傳動(dòng)相比，液壓系統(tǒng)具有其兩項(xiàng)所不具有的優(yōu)點(diǎn)液壓傳動(dòng)具有：?jiǎn)挝还β实闹亓枯p、慣性小、反應(yīng)快、易于快速實(shí)現(xiàn)啟制動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)具有一定彈性吸震能力，能使液壓傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，這些優(yōu)點(diǎn)正好符合絞吸式挖泥船工作機(jī)構(gòu)的工作要求，從目前主流設(shè)計(jì)來看，液壓傳動(dòng)是挖泥

7、船疏浚設(shè)備主要采用的傳動(dòng)方式。在實(shí)際的工作情況中，疏浚裝置長(zhǎng)時(shí)間在水下工作會(huì)遇上各種各樣的突發(fā)情況，所以這使得我們對(duì)其的動(dòng)力系統(tǒng)要求十分的嚴(yán)格，因?yàn)橐簤合到y(tǒng)裝置會(huì)對(duì)疏浚裝置的工作效率，經(jīng)濟(jì)性以及使用壽命有極大的影響。1.2國(guó)內(nèi)外挖泥船液壓系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀。從 20 世紀(jì) 50 年代液壓傳動(dòng)技術(shù)開始應(yīng)用在挖泥船上至今，絞吸式挖泥船液壓系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)較為成熟的階段。尤其是近幾年隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)技術(shù)被不斷的應(yīng)用到絞吸式挖泥船液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，以提高挖泥船疏浚設(shè)備的穩(wěn)定性及工作效率，主要體現(xiàn)在：（1） 液壓系統(tǒng)從開式系統(tǒng)逐漸向閉式系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變；（2） 節(jié)能技術(shù)的重視； （3）液壓

8、系統(tǒng)與電子控制技術(shù)的結(jié)合；1、 液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變20 世紀(jì) 90 年代前，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要以開式系統(tǒng)為主。此系統(tǒng)油路中，一方面，油液在流經(jīng)油箱時(shí)會(huì)與空氣接觸，空氣易進(jìn)入液壓系統(tǒng)，產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象；另一方面，當(dāng)液壓系統(tǒng)中存在液壓元件需正、反向運(yùn)行時(shí)，在操縱換向閥實(shí)現(xiàn)液壓油流向的改變時(shí)，液壓系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生液壓換向沖擊。在閉式系統(tǒng)中，回路中的液壓油避免了與空氣的直接接觸，且液壓執(zhí)行元件的換向可通過控制變量泵斜盤傾角方向來實(shí)現(xiàn)，液壓換向沖擊小，系統(tǒng)平穩(wěn)。所以閉式系統(tǒng)已逐漸成為絞吸式挖泥船絞刀旋轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。 2001 年，挪威 TTS 集團(tuán)為 3800 m3/h 型“海貍”號(hào)絞吸式挖泥船配套的疏浚機(jī)械液

9、壓系統(tǒng)，除絞刀旋轉(zhuǎn)液壓回路外，定位樁液壓回路也采用了閉式系統(tǒng)，減小了疏浚設(shè)備工作因換向產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力沖擊。近年來，國(guó)外許多為挖泥船配套疏浚設(shè)備的著名甲板機(jī)械生產(chǎn)廠家如芬蘭麥基嘉集團(tuán)、挪威 TTS 集團(tuán)、日本三菱重工集團(tuán)、IHI 公司等，都已把大量的疏浚機(jī)械液壓系統(tǒng)從開式系統(tǒng)改為閉式系統(tǒng)。2、節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用隨著挖泥船挖泥功率的不斷提升，其液壓控制系統(tǒng)也越來越趨向于高壓大功率，因此節(jié)能技術(shù)在船舶機(jī)械等大型工程機(jī)械上的應(yīng)用顯得尤為重要。目前，應(yīng)用最廣泛的節(jié)能技術(shù)是通過系統(tǒng)反饋而實(shí)施的泵排量控制和泵轉(zhuǎn)速控制。泵排量控制實(shí)質(zhì)是通過系統(tǒng)反饋?zhàn)饔?，依靠變量泵排量的改變來?shí)現(xiàn)各種適應(yīng)控制，包括流量控制、壓力控

10、制、恒功率控制以及它們之間的復(fù)合控制?，F(xiàn)有船舶液壓系統(tǒng)中，為了提高船用機(jī)械液壓系統(tǒng)的效率，通常都采用了恒功率控制或負(fù)載敏感控制。在變量泵的生產(chǎn)研發(fā)方面，德國(guó)力士樂(Rexroth)公司開發(fā)的 A4VG 系列斜盤式柱塞泵、德國(guó)林德公司(Linde)公司生產(chǎn)的 02 系列斜盤式軸向變量柱塞、日本川崎(Kawasaki)公司研發(fā)的 K3V 系列變量泵,日本油研公司的 A3H 系列高壓變量柱塞泵、意大利阿托斯(ATOS)公司生產(chǎn)的 PVPC 型高壓低噪音的軸向柱塞變量泵等，都可以實(shí)現(xiàn)包括恒功率控制在內(nèi)的多種變量控制方式，占據(jù)著全球大部分變量泵市場(chǎng)。 3、電子液壓集成控制隨著電子與液壓技術(shù)的發(fā)展，由電子

11、控制技術(shù)與液壓傳動(dòng)技術(shù)相結(jié)合的電子液壓集成控制技術(shù)，在最近幾年獲得了巨大發(fā)展，特別是感應(yīng)器、檢測(cè)儀表和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，使電子控制和液壓傳動(dòng)有機(jī)結(jié)合，開發(fā)出許多新型的電液自動(dòng)控制系統(tǒng)。2003 年，由 IHC公司研制出的“J.F.J. DENUL”號(hào)自航絞吸式挖泥船，將計(jì)算機(jī)輔助功率控制系統(tǒng)安裝連接到液壓回路中，可通過傳感器將外部工況變化反饋信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)中心，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減小了驅(qū)動(dòng)功率和液壓功率的浪費(fèi)。 13第2章 ：液壓系統(tǒng)的方案選擇2.1液壓挖泥船系統(tǒng)的組成與性能要求 我們可以得知在絞刀的主要作業(yè)功能完成絞刀在水底的旋轉(zhuǎn)切割與絞刀橋架在豎直面的起落，其作業(yè)動(dòng)作的完成和動(dòng)力的傳

12、遞是通過液壓傳動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。圖2-1顯示的液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中動(dòng)力元件為液壓泵組，將柴油原動(dòng)機(jī)所輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體壓力能；執(zhí)行元件為絞刀馬達(dá)和絞車馬達(dá)，將液壓能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)形式的機(jī)械能，用以驅(qū)動(dòng)絞車和絞刀的旋轉(zhuǎn)。控制元件為控制閥組，包括壓力、方向、流量控制閥，對(duì)系統(tǒng)中油液壓力、流量、方向進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。絞刀馬達(dá) 控制閥組液壓泵組柴油原動(dòng)機(jī)絞車馬達(dá) 圖2-1絞刀機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 絞刀機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)主要分為 2 部分，即：絞刀旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和絞刀橋架升降系統(tǒng)，兩液壓子系統(tǒng)的功能如下： （1）絞刀旋轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)。用于絞刀的旋轉(zhuǎn)切割，由絞刀馬達(dá)驅(qū)動(dòng)絞刀旋轉(zhuǎn)完成。 （2）絞刀橋架升降液壓系統(tǒng)。用于絞刀

13、橋架的起落，通過對(duì)絞車馬達(dá)和制動(dòng)油缸的控制，來實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)器的制動(dòng)。絞車馬達(dá)選用雙向定量馬達(dá)，馬達(dá)的正反向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絞車卷筒的正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)絞車卷筒起升和下放絞刀橋架；制動(dòng)油缸選用單作用液壓缸，絞車工作時(shí)，壓力油驅(qū)動(dòng)制動(dòng)油缸活塞單向運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器松閘。2.2絞刀機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.2.1 開閉式液壓系統(tǒng)的擬定 按照工作介質(zhì)循環(huán)方式的不同，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)可分為開式系統(tǒng)與閉式系統(tǒng)。開式系統(tǒng)中，油液經(jīng)控制閥流入到執(zhí)行元件，從執(zhí) 行元件流出后再經(jīng)控制閥返回到油箱，工作油液在油箱中冷卻、分離空氣及沉淀雜質(zhì)后再進(jìn)入工作循環(huán)，其典型的回路原理如圖 2-2 所示。開式系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)響應(yīng)快

14、、構(gòu)成靈活、回路中的液壓油箱能起到良好的散熱效果，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于油液返回箱后，空氣易混入到系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不平穩(wěn)。 閉式系統(tǒng)中，泵輸出油液流入到執(zhí)行元件后又直接返回到泵的進(jìn)油口，由于油液在循環(huán)中存在泄露損失，需要添加一套補(bǔ)油系統(tǒng)，其典型的回路原理如圖 2-3 所示。閉式系統(tǒng)中油液是在閉式回路內(nèi)循環(huán)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。通常選用雙向變量泵，通過調(diào)節(jié)液壓泵的變量機(jī)構(gòu)來控制液壓執(zhí)行元件的速度和方向，避免了換向閥的控制方式造成的換向沖擊和節(jié)流損失，故換向瞬間沖擊較小，傳動(dòng)平穩(wěn)；且執(zhí)行元件的回油直接進(jìn)入泵的吸油口，具有背壓的回油能降低對(duì)泵的自吸性能要求。閉式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本高，適用于功率較大的液壓系

15、統(tǒng)。 圖2-2開式系統(tǒng) 圖2-3閉式系統(tǒng) 絞刀機(jī)構(gòu)中，絞刀是最重要的執(zhí)行元件，工作作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)功率較大，對(duì)液壓系統(tǒng)的功率效率要求較高；當(dāng)絞刀在切削作業(yè)時(shí)，絞刀會(huì)承受外部切削阻力載荷以及沖擊載荷的作用，故對(duì)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高；且在絞刀工作進(jìn)程中，時(shí)常存在絞刀正、反向切削，希望液壓系統(tǒng)的換向沖擊較低。綜上所述，所擬定的絞刀旋轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)。對(duì)絞刀橋架升降系統(tǒng)而言，絞刀橋架所受外載、功率較大，需用大功率泵向系統(tǒng)供油，而制動(dòng)系統(tǒng)要求制動(dòng)準(zhǔn)確、靈敏，不需要很大功率便能完成，開式系統(tǒng)恰好能采用并聯(lián)的方式，使兩機(jī)構(gòu)獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)互不干涉；且絞車在下放和提升絞刀橋架過程中，速度較平穩(wěn)，外載變化不

16、大，整個(gè)工作過程中系統(tǒng)壓力波動(dòng)較小，再結(jié)合設(shè)備維修費(fèi)用與經(jīng)濟(jì)成本的考慮，初步擬定絞刀橋架升降液壓系統(tǒng)為開式系統(tǒng)。2.3本章小結(jié)本章主要完成了絞刀機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)。首先在分析絞刀機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成和工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合絞刀機(jī)構(gòu)的工況分析，提出了絞刀機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求；并針對(duì)設(shè)計(jì)要求對(duì)液壓系統(tǒng)傳動(dòng)方案進(jìn)行了選擇。第3章 絞刀機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文第 2 章提出了絞刀機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并確定了絞刀機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的傳動(dòng)方案。本章將在此基礎(chǔ)上，合理設(shè)計(jì)絞刀機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖。3.1擬定絞刀液壓系統(tǒng)原理圖1.1、1.2變量泵；2.1、2.2單向閥；3.1、3.2、3.3溢流閥；4沖洗閥；5.1、5

17、.2球閥； 6絞刀馬達(dá)；7備用馬達(dá)；8風(fēng)冷卻器；9過濾器；10補(bǔ)油泵；11背壓閥圖3-1絞刀旋轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理圖根據(jù)上章分析，其液壓系統(tǒng)原理圖如圖 3-1所示。馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向直接由變量泵的變量機(jī)構(gòu)(斜盤)控制，雙向變量泵 1.1、1.2 和雙向定量馬達(dá) 6 由兩個(gè)低、高壓油管相連，當(dāng)絞刀正常工作時(shí)，油液從變量泵 1 的出油口流出，經(jīng)高壓油管直接輸入到雙向定量馬達(dá) 6 中，帶動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)工作后，又通過低壓油管直接返回到變量泵 1 的吸油口，完成油液在系統(tǒng)中的循環(huán)。由于油液在循環(huán)過程中會(huì)產(chǎn)生泄露損失，故需添加補(bǔ)油泵 10 經(jīng)過單向閥 2.1、2.2 向低壓管路系統(tǒng)補(bǔ)油，以補(bǔ)償泵 1.1、1.

18、2 和馬達(dá) 6 在工作運(yùn)行時(shí)造成的系統(tǒng)泄露，補(bǔ)油壓力由溢流閥 3.3 控制。當(dāng)絞刀在旋轉(zhuǎn)切削過程中出現(xiàn)卡鉆等突發(fā)情況時(shí)，溢流閥 3.1、3.2 對(duì)絞刀馬達(dá) 6 可起到過壓保護(hù)作用；當(dāng)需使絞刀暫且停止切削時(shí)，可操縱變量泵的變量機(jī)構(gòu)，使斜盤先回到零位（即斜盤傾角為零），此時(shí)系統(tǒng)會(huì)停止供油，但馬達(dá)會(huì)由于慣性的作用繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，回油端因此會(huì)產(chǎn)生很高的壓力沖擊，溢流閥 3.1、3.2 即可開啟溢流，起安全保護(hù)作用。由于閉式回路油液溫升較高，故設(shè)置沖洗閥 4，其在回路兩側(cè)壓差的作用下開啟，使主回路中低壓側(cè)的熱油經(jīng)沖洗閥 4、背壓閥 11、風(fēng)冷卻器 8 流回油箱，風(fēng)冷卻器起加快冷卻作用。雙向定量馬達(dá) 7 為備用

19、馬達(dá)，當(dāng)絞刀在挖掘工作中發(fā)生故障時(shí)，為不影響工作進(jìn)度，可開啟球閥 5.1、5.2 使備用馬達(dá) 7 頂替工作。3.2絞刀橋架升降液壓回路設(shè)計(jì)1變量泵；2.1、2.2、2.3單向閥；3.1、3.2溢流閥；4.1、4.2過濾器；5三位四通手動(dòng)換向閥；6平衡閥 7雙向定量馬達(dá)；8制動(dòng)缸；9球閥；10電磁換向閥；11補(bǔ)油泵；12油箱圖 3-2 絞刀橋架升降液壓系統(tǒng)原理圖 根據(jù)上章對(duì)絞刀橋架升降液壓系統(tǒng)方案的分析，其液壓系統(tǒng)選用變量泵定量馬達(dá)式容積調(diào)速開式回路。絞刀橋架升降液壓系統(tǒng)原理圖如圖 3-2 所示 。 在下放絞刀橋架之前，絞車未啟動(dòng)時(shí)，制動(dòng)缸 8 的有桿腔經(jīng)二位三通電磁換向閥 10的左位與油箱 1

20、2 相通，制動(dòng)器在制動(dòng)缸內(nèi)彈簧的作用力下抱閘，使雙向定量馬達(dá) 7 制動(dòng)。此時(shí)變量泵 1 的斜盤處于零位。下放絞刀橋架時(shí)，A 邊始終為高壓，B 邊為低壓。這時(shí)，變量泵 1 的斜盤傾向一方，與變量泵 1 聯(lián)動(dòng)的電磁換向閥 10 得電，由左位換為右位，補(bǔ)油泵 11 輸出的低壓冷油經(jīng)電磁換向閥 10 的右位、球閥 9 進(jìn)入制動(dòng)缸 8 的有桿腔，使制動(dòng)器松閘。待制動(dòng)器松閘后便可操作手動(dòng)換向閥 5，使閥芯位置由中位換為左位，于是液壓泵排出的液壓油經(jīng)單向閥 2.1、三位四通閥 5 的左位從 B 端流入到雙向定量馬達(dá) 7，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)正向旋轉(zhuǎn)。由于絞刀橋架下降過程中液壓馬達(dá)會(huì)受到負(fù)載作用，故在低壓端 A 邊設(shè)置平衡閥 6 用以平衡負(fù)負(fù)載