液壓挖泥船的液壓工作系統(tǒng)的設計

1、寧波大學海洋工程基礎小論文寧波大學答題紙（20162017學年第 一 學期）課號： 1633008 課程名稱： 海洋工程基礎 改卷教師： 朱克強 學號： 1611084946 姓 名： 陸佳偉 得 分： 絞吸式液壓挖泥船的液壓工作系統(tǒng)的設計The design of hydraulic system of hydraulic cutter suction dredger.摘要液壓挖泥船廣泛應用于港口基建工程、水利疏浚等施工領域。一般可以分為開底自載耙吸式挖泥船，側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。絞刀機構作為絞吸式挖泥船的最主要工作機

2、構，其傳動與控制主要借助液壓技術，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。本課題是用來設計適應于絞吸式挖泥船絞刀機構的液壓系統(tǒng)，以便于提高其工作效率。本論文主要研究的幾個方面：（1） 絞刀機構液壓系統(tǒng)方案選擇和其工作原理。（2） 絞刀液壓系統(tǒng)設計。關鍵詞：絞吸式液壓挖泥船，液壓系統(tǒng)方案，液壓系統(tǒng)設計。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。隨著我國經濟的持續(xù)穩(wěn)定增長，航運業(yè)高速發(fā)展帶動了港口基建與航道疏浚等工程的迅速發(fā)展，使得國內疏浚機械設備的需求也趨于旺盛，挖泥

6、船為主要的疏浚設備具有廣闊的市場。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；工作時能一次性連續(xù)完成挖泥、運泥、卸泥等工作過程，是一種效率高、機動性強、成本較低的挖泥船，也是目前應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)來提供動力的。相比于傳統(tǒng)的機械傳動和電氣傳動相比，液壓系統(tǒng)具有其兩項所不具有的優(yōu)點液壓傳動具有：單位功率的重量輕、慣性小、反應快、易于快速實現(xiàn)啟制動等優(yōu)點。液壓系統(tǒng)工作介質具有一定彈性吸震能力，能使液壓傳動運轉平穩(wěn)可靠，這些優(yōu)點正好符合絞吸式挖泥船工作機構的工作要求，從目前主流設計來看，液壓傳動是挖泥

7、船疏浚設備主要采用的傳動方式。在實際的工作情況中，疏浚裝置長時間在水下工作會遇上各種各樣的突發(fā)情況，所以這使得我們對其的動力系統(tǒng)要求十分的嚴格，因為液壓系統(tǒng)裝置會對疏浚裝置的工作效率，經濟性以及使用壽命有極大的影響。1.2國內外挖泥船液壓系統(tǒng)技術的發(fā)展與現(xiàn)狀。從 20 世紀 50 年代液壓傳動技術開始應用在挖泥船上至今，絞吸式挖泥船液壓系統(tǒng)已經發(fā)展到一個較為成熟的階段。尤其是近幾年隨著液壓傳動技術的發(fā)展，各種先進技術被不斷的應用到絞吸式挖泥船液壓系統(tǒng)的設計上，以提高挖泥船疏浚設備的穩(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)的轉變；（2） 節(jié)能技術的重視； （3）液壓

8、系統(tǒng)與電子控制技術的結合；1、 液壓系統(tǒng)的轉變20 世紀 90 年代前，液壓傳動系統(tǒng)主要以開式系統(tǒng)為主。此系統(tǒng)油路中，一方面，油液在流經油箱時會與空氣接觸，空氣易進入液壓系統(tǒng)，產生氣蝕現(xiàn)象；另一方面，當液壓系統(tǒng)中存在液壓元件需正、反向運行時，在操縱換向閥實現(xiàn)液壓油流向的改變時，液壓系統(tǒng)會產生液壓換向沖擊。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液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。 2001 年，挪威 TTS 集團為 3800 m3/h 型“海貍”號絞吸式挖泥船配套的疏浚機械液

9、壓系統(tǒng)，除絞刀旋轉液壓回路外，定位樁液壓回路也采用了閉式系統(tǒng)，減小了疏浚設備工作因換向產生的系統(tǒng)壓力沖擊。近年來，國外許多為挖泥船配套疏浚設備的著名甲板機械生產廠家如芬蘭麥基嘉集團、挪威 TTS 集團、日本三菱重工集團、IHI 公司等，都已把大量的疏浚機械液壓系統(tǒng)從開式系統(tǒng)改為閉式系統(tǒng)。2、節(jié)能技術的應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)能技術在船舶機械等大型工程機械上的應用顯得尤為重要。目前，應用最廣泛的節(jié)能技術是通過系統(tǒng)反饋而實施的泵排量控制和泵轉速控制。泵排量控制實質是通過系統(tǒng)反饋作用，依靠變量泵排量的改變來實現(xiàn)各種適應控制，包括流量控制、壓力控

10、制、恒功率控制以及它們之間的復合控制?，F(xiàn)有船舶液壓系統(tǒng)中，為了提高船用機械液壓系統(tǒng)的效率，通常都采用了恒功率控制或負載敏感控制。在變量泵的生產研發(fā)方面，德國力士樂(Rexroth)公司開發(fā)的 A4VG 系列斜盤式柱塞泵、德國林德公司(Linde)公司生產的 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)公司生產的 PVPC 型高壓低噪音的軸向柱塞變量泵等，都可以實現(xiàn)包括恒功率控制在內的多種變量控制方式，占據著全球大部分變量泵市場。 3、電子液壓集成控制隨著電子與液壓技術的發(fā)展，由電子

11、控制技術與液壓傳動技術相結合的電子液壓集成控制技術，在最近幾年獲得了巨大發(fā)展，特別是感應器、檢測儀表和計算機的廣泛應用，使電子控制和液壓傳動有機結合，開發(fā)出許多新型的電液自動控制系統(tǒng)。2003 年，由 IHC公司研制出的“J.F.J. DENUL”號自航絞吸式挖泥船，將計算機輔助功率控制系統(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傳輸給計算機中心，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減小了驅動功率和液壓功率的浪費。 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切割與絞刀橋架在豎直面的起落，其作業(yè)動作的完成和動力的傳

12、遞是通過液壓傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)的。圖2-1顯示的液壓系統(tǒng)的結構示意圖，其中動力元件為液壓泵組，將柴油原動機所輸出的機械能轉換成液體壓力能；執(zhí)行元件為絞刀馬達和絞車馬達，將液壓能轉換成旋轉形式的機械能，用以驅動絞車和絞刀的旋轉?？刂圃榭刂崎y組，包括壓力、方向、流量控制閥，對系統(tǒng)中油液壓力、流量、方向進行控制和調節(jié)。絞刀馬達 控制閥組液壓泵組柴油原動機絞車馬達 圖2-1絞刀機構液壓系統(tǒng)結構圖 絞刀機構液壓系統(tǒng)主要分為 2 部分，即：絞刀旋轉系統(tǒng)和絞刀橋架升降系統(tǒng)，兩液壓子系統(tǒng)的功能如下： （1）絞刀旋轉液壓系統(tǒng)。用于絞刀的旋轉切割，由絞刀馬達驅動絞刀旋轉完成。 （2）絞刀橋架升降液壓系統(tǒng)。用于絞刀

13、橋架的起落，通過對絞車馬達和制動油缸的控制，來實現(xiàn)對絞車的驅動和制動器的制動。絞車馬達選用雙向定量馬達，馬達的正反向旋轉帶動絞車卷筒的正反向轉動，從而實現(xiàn)絞車卷筒起升和下放絞刀橋架；制動油缸選用單作用液壓缸，絞車工作時，壓力油驅動制動油缸活塞單向運動，以實現(xiàn)制動器松閘。2.2絞刀機構液壓系統(tǒng)方案設計2.2.1 開閉式液壓系統(tǒng)的擬定 按照工作介質循環(huán)方式的不同，液壓傳動系統(tǒng)可分為開式系統(tǒng)與閉式系統(tǒng)。開式系統(tǒng)中，油液經控制閥流入到執(zhí)行元件，從執(zhí) 行元件流出后再經控制閥返回到油箱，工作油液在油箱中冷卻、分離空氣及沉淀雜質后再進入工作循環(huán)，其典型的回路原理如圖 2-2 所示。開式系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)響應快

14、、構成靈活、回路中的液壓油箱能起到良好的散熱效果，結構簡單，但由于油液返回箱后，空氣易混入到系統(tǒng)，導致系統(tǒng)運行不平穩(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油口，由于油液在循環(huán)中存在泄露損失，需要添加一套補油系統(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循環(huán)，系統(tǒng)結構緊湊。通常選用雙向變量泵，通過調節(jié)液壓泵的變量機構來控制液壓執(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，傳動平穩(wěn)；且執(zhí)行元件的回油直接進入泵的吸油口，具有背壓的回油能降低對泵的自吸性能要求。閉式系統(tǒng)的結構較復雜，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) 絞刀機構中，絞刀是最重要的執(zhí)行元件，工作作業(yè)時間長，系統(tǒng)功率較大，對液壓系統(tǒng)的功率效率要求較高；當絞刀在切削作業(yè)時，絞刀會承受外部切削阻力載荷以及沖擊載荷的作用，故對液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高；且在絞刀工作進程中，時常存在絞刀正、反向切削，希望液壓系統(tǒng)的換向沖擊較低。綜上所述，所擬定的絞刀旋轉液壓系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)。對絞刀橋架升降系統(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，而制動系統(tǒng)要求制動準確、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，使兩機構獨立執(zhí)行任務互不干涉；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，整個工作過程中系統(tǒng)壓力波動較小，再結合設備維修費用與經濟成本的考慮，初步擬定絞刀橋架升降液壓系統(tǒng)為開式系統(tǒng)。2.3本章小結本章主要完成了絞刀機構液壓系統(tǒng)方案的設計。首先在分析絞刀機構結構組成和工作原理的基礎上，結合絞刀機構的工況分析，提出了絞刀機構液壓系統(tǒng)的設計要求；并針對設計要求對液壓系統(tǒng)傳動方案進行了選擇。第3章 絞刀機構液壓系統(tǒng)設計本文第 2 章提出了絞刀機構液壓系統(tǒng)的設計要求，并確定了絞刀機構液壓系統(tǒng)的傳動方案。本章將在此基礎上，合理設計絞刀機構液壓系統(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；7備用馬達；8風冷卻器；9過濾器；10補油泵；11背壓閥圖3-1絞刀旋轉液壓系統(tǒng)原理圖根據上章分析，其液壓系統(tǒng)原理圖如圖 3-1所示。馬達的旋轉速度和轉動方向直接由變量泵的變量機構(斜盤)控制，雙向變量泵 1.1、1.2 和雙向定量馬達 6 由兩個低、高壓油管相連，當絞刀正常工作時，油液從變量泵 1 的出油口流出，經高壓油管直接輸入到雙向定量馬達 6 中，帶動馬達旋轉工作后，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)過程中會產生泄露損失，故需添加補油泵 10 經過單向閥 2.1、2.2 向低壓管路系統(tǒng)補油，以補償泵 1.1、1.

18、2 和馬達 6 在工作運行時造成的系統(tǒng)泄露，補油壓力由溢流閥 3.3 控制。當絞刀在旋轉切削過程中出現(xiàn)卡鉆等突發(fā)情況時，溢流閥 3.1、3.2 對絞刀馬達 6 可起到過壓保護作用；當需使絞刀暫且停止切削時，可操縱變量泵的變量機構，使斜盤先回到零位（即斜盤傾角為零），此時系統(tǒng)會停止供油，但馬達會由于慣性的作用繼續(xù)轉動，回油端因此會產生很高的壓力沖擊，溢流閥 3.1、3.2 即可開啟溢流，起安全保護作用。由于閉式回路油液溫升較高，故設置沖洗閥 4，其在回路兩側壓差的作用下開啟，使主回路中低壓側的熱油經沖洗閥 4、背壓閥 11、風冷卻器 8 流回油箱，風冷卻器起加快冷卻作用。雙向定量馬達 7 為備用

19、馬達，當絞刀在挖掘工作中發(fā)生故障時，為不影響工作進度，可開啟球閥 5.1、5.2 使備用馬達 7 頂替工作。3.2絞刀橋架升降液壓回路設計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；5三位四通手動換向閥；6平衡閥 7雙向定量馬達；8制動缸；9球閥；10電磁換向閥；11補油泵；12油箱圖 3-2 絞刀橋架升降液壓系統(tǒng)原理圖 根據上章對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式容積調速開式回路。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，絞車未啟動時，制動缸 8 的有桿腔經二位三通電磁換向閥 10的左位與油箱 1

20、2 相通，制動器在制動缸內彈簧的作用力下抱閘，使雙向定量馬達 7 制動。此時變量泵 1 的斜盤處于零位。下放絞刀橋架時，A 邊始終為高壓，B 邊為低壓。這時，變量泵 1 的斜盤傾向一方，與變量泵 1 聯(lián)動的電磁換向閥 10 得電，由左位換為右位，補油泵 11 輸出的低壓冷油經電磁換向閥 10 的右位、球閥 9 進入制動缸 8 的有桿腔，使制動器松閘。待制動器松閘后便可操作手動換向閥 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 7，驅動馬達正向旋轉。由于絞刀橋架下降過程中液壓馬達會受到負載作用，故在低壓端 A 邊設置平衡閥 6 用以平衡負負載