毕业设计（论文）开题报告-QLY2轮胎起重机动力系统开发设计.pdf

u 城南学院 毕业设计毕业设计( (论文论文) )开题报告开题报告 题目题目：QLY2QLY2轮胎起重机设计开发轮胎起重机设计开发 ( (动力系统设计开发动力系统设计开发) ) 课课 题题 类类 别：别： 设计设计 论文论文 学学 生生 姓姓 名：名：颜颜 佐佐 江江 学学号：号：200679250323200679250323 班班级：级：工程机械工程机械 专业（全称） ：专业（全称） ：机械设计与制造及其自动化机械设计与制造及其自动化 指指 导导 教教 师：师：游小平游小平 20102010 年年 3 3 月月 一、本课题设计（研究）的目的：一、本课题设计（研究）的目的：一、本课题设计（研究）的目的： 一、本课题设计（研究）的目的： 本次毕业设计是我们对以前基础课程的一次回顾与再学习，能够极大的提高我们实 际动手能力，培养团队意识，以及锻炼自己理论知识在实际过程中的应用。本次的题目 是起重机的动力系统，所以通过这个题目我很清晰的明确了我本次设计的目的，首先要 弄清起重机的大体概况，然后最为重要的是要弄清起重机的动力系统并且要做出相应的 设计。 二、设计（研究）现状和发展趋势（文献综述） ：二、设计（研究）现状和发展趋势（文献综述） ：二、设计（研究）现状和发展趋势（文献综述） ： 二、设计（研究）现状和发展趋势（文献综述） ： QLY2 轮胎式起重机是把起重机构安装在加重型轮胎和轮轴组成的特制底盘上的 一种全回转式起重机，其上部构造与履带式起重机基本相同，其中 QY2 轮胎式起重 机的动力系统的核心是发动机，有人把引擎称为发动机，其实，发动机是一整套动力 输出设备，包括变速齿轮、引擎和传动轴等等，可见引擎是只是整个发动机的一个部分， 但是却是整个发动机的核心部分，因此把引擎称为发动机也不为过。而 QY2 轮胎式起重 机的发动机采用的是柴油发动机，柴油发动机的优点是功率大、经济性能好。柴油发 动机的工作过程与汽油发动机有许多相同的地方，每个工作循环也经历进气、压缩、做 功、排气四个行程。但由于柴油机用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸发，而其 自燃温度却较汽油低，因此可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同1。 1 1、国内、外现状、国内、外现状 如今, 起重机新产品的开发已是世界著名生产企业的家常便饭 , 在每次举办的国际 工程机械博览会上著名的生产企业都会展示出令人耳目一新的先进产品。厂商为了迅速 制造出品种多样化的产品走的都是专业化、 标准化和系列化的道路 , 根据市场调查和积 累的各种规律拟定出起重机结构、机构、部件等多层次标准化、模块化单元 , 这是一种 设计方法的改革 , 极大地推动了整个起重机行业技术、 生产、 管理水平和产品更新换代 、 新产品研制速度的提高。 我国轮式起重机发展起步于 1954 年, 当时由原一机部三局设计 处对进口的苏联 5tk 51 型机械式汽车起重机进行了测绘, 并引进了苏联 3 tk32 型汽车 起重机全套图纸和技术资料, 由大连起重机厂试生产。 到1956 年, 北京起重机器厂的前 身北京市机械厂开始试制 k32、k51 两种型号的汽车起重机, 1957 年该厂试制成功采用 国产解放底盘的 32k 型汽车起重机, 成为当时我国第一个定点生产轮式起重机的厂家 。 之后, 我国轮式起重机的生产大致经历了以下几个阶段: 1957 1966 年, 以生产 5 机 械式汽车起重机为主; 1967 1976 年, 以生产 12 t 以下小型液压汽车起重机为主; 1977 1996 年, 16 50t 的中大吨位液压汽车起重机产品产量上升较快。工业轮胎起 重机, 由于近年工程机械行业引进了国外先进技术, 其传动系统尚有货源保证, 开发难 度也相对小一些。 据预测到 2000 年, 仅港口用轮胎起重机的需求量就达 800 台左右, 所 以这一新品种可能会成为轮式起重机行业的一个新的经济增长点。目前已有几个厂家率 先开发出 25t 级轮胎起重机。同时，国外一些著名的起重机生产企业 , 如利勃海尔 、 德马格、格鲁夫、多田野、加藤等近年来都不断地推出新一代的轮式起重机产品 , 力图 占领我国市场的更大份额。随着大型建筑、石油、化工、冶金、水电站等大型工程的不 断涌现 , 从 70 年代开始国外就开发出越野轮胎起重机 RT 和全地面起重机 AT , 而 且在近 20 年中得到了快速发展这对几十年来基本上以汽车起重机 TC 单一产品为主的 我国工程起重机行业而言 , 无疑是巨大的挑战。 在液压系统我国现采用电比例侍服控制 技术的泵控变量系统 , 带分功率调节和极限负载调节 , 与电比例操作系统紧密结合 , 大大提高起重机的控制性能 , 微动性能好、动作平稳、安全可靠。在上车独立的动力系 统我国的现状是发动机功率输出是通过计算机集成控制系统和 CAN - BUS 数据总线系 统 , 根据吊臂载荷变化自动优化功率输出 , 使发动机功率损耗降到最低 , 节省能源 2。 t2 2、国内设计研究发展趋势、国内设计研究发展趋势 起重机多采用柴油机液压系统多执行器驱动方案，耗油高,排放差，其节能问题已受到 业界的广泛关注。由于发动机在低速和低转矩区工作效率比较低，在接近额定功率区时 则效率一般较高，而工作机械负载变化比较频繁，波动较大，柴油机大多数时间工作在 非高效区内，燃料的利用率低下，排放质量较差。因此，改善柴油机的工作状况是提高 整体系统效率和改善排放质量的一个关键问题。近年来，一种能够满足上述需要的新型 动力系统受到了高度重视，并逐渐成为了新的研究方向。轮胎式起重机是一种间歇运动 机械，它具有短暂，重复及周期性循环的工作特点，有起升，变幅，回转和行走等四大 机构，在起吊，加速，吊重行驶时所需功率达，而在重物下降，减速时电动机可以利用 有效的储能器回收利用反馈电能，从而减小原动机的负担。因此，可以改进电力拖动系 统的配置，配置功率娇小的原动机，达到节能和环保的饿目的。随着变频调速和储能器 的不断发展，混合动力在起重机中的应用也得到了更多的技术支持。另外，液压传动是 目前轮起重机普遍采用的传动方式，其发展历经了早期简单的定量阀控系统、恒功率变 量系统，到后来的按需求变量控制系统、负载传感系统，直到现在的微电子智能功率控 制系统。目前，世界上 50t 以下汽车起重机液压控制技术大体分两派，亚洲以日本为代 表，一般设计成开式系统，采用定量泵、定量马达或定量泵、变量马达，以三联或四联 齿轮泵作为动力源，而控制起重机各项起重作业动作的换向阀则为手动机械操纵，我国 各起重机生产厂也多是采用这种系统。欧洲则以德国为代表，一般采用先导控制的开式 变量泵加定量马达和变量马达的系统，动力源为变量柱塞泵串联先导齿轮泵， 用组合电 磁换向阀控制起重机支腿伸缩，起重作业则由电、液比例复合传感多路阀控制。随着国 内各工程项目的不断开展，轮式起重机在国内有着较大的发展空间和市场潜力，尤其是 大型起重机。20 世纪的大吨位起重机领域基本被国外企业垄断，目前，国内轮式起重机 的开发能力主要还处于中小吨位级别。我们必须通过对多桥底盘技术、多节伸缩臂技术 的研究，通过采用国际化配套体系，不断开发设计出具有自主知识产权的大型起重机， 尽快提升产品质量，提高产品的竞争力，与国际名牌产品竞争市场。近些年已不断有国 内企业进入该领域，并已取得实质性的进展3。 3 3、国外设计研究发展趋势、国外设计研究发展趋势 在近 20 多年中, 世界轮式起重机行业发生了很大变化。一些早先很有名气的公司倒 闭或被兼并, 一些公司将生产转向国外, 在国外设厂或收购原先的竞争对手, 以扩大市 场份额, 从而加剧了对世界轮式起重机市场的分割和垄断。就产品种类而言, 最大的变 化就是越野轮胎起重机 和全地面起重机的迅速发展。 这对我国基本上以汽车起重机单一 产品为主的工程起重机行业而言, 其影响当然是很大的。轮式起重机最初是以诞生于 1869 年的蒸气轨道式起重机发展而来的, 经历了轨道式实心轮胎式充气轮胎 式的变化过程。充气轮胎式起重机是本世纪 30 年代随着汽车工业的发展而出现的由于 轮式起重机具有机动灵活、操纵方便、效率高等特点, 在二战后修复战争创伤和经济建 设中得到了广泛应用。早期的轮式起重机大多采用机械传动的桁架式吊臂。随着 60 年 代中期液压技术的发展, 液压伸缩臂轮式起重机得到迅速开发。到 80 年代末, 中小吨 位的轮式起重机已几乎全采用液压伸缩式吊臂, 仅有一部分大吨位汽车起重机仍采用桁 架式吊臂。 60 年代末期, 特别是从 70 年代开始, 随着大型建筑、石油化工、冶炼设备 、 水电站等大型工程的发展, 对轮式起重机的起重吨位、工作效率和安全性提出了更高要 求。由于当时设计方法与设计技术的成熟, 液压技术、电子技术、汽车工业的发展以及 新型 高强度钢材的不断出现, 使轮式起重机有可能向大型化发展, 并且在普通轮胎式起 重机的基础上开发出越野轮胎起重机, 随后又开发出全地面起重机。 美国 Synopsys 公司 开发的一个图形化输入，集成分析环境混合信号仿真软件，可以进行分系统级的仿真， 还可以一直深入到元器件级进行仿真，而它所具有的混合技术能力，使之所仿真的领域 非常广泛。利用此类软件可以比较真实地仿真柴油机的动力系统中柴油机的运行情况。 法国出生的德裔工程师狄塞尔，在 1897 年研制成功可供实用的四冲程柴油机。由 于它明显地提高了热效率而引起人们的重视。起初，柴油机用空气喷射燃料，附属 装置庞大笨重，只用于固定作业。二十世纪初，开始用于船舶，1905 年制成第一 台船用二冲程柴油机。1922 年，德国的博施发明机械喷射装置，逐渐替代了空气 喷射。二十世纪 20 年代后期出现了高速柴油机，并开始用于汽车。到了 50 年代， 一些结构性能更加完善的新型系列化、通用化的柴油机发展起来，从此柴油机进入 了专业化大量生产阶段。特别是在采用了废气涡轮增压技术以后，柴油机已成为现 代动力机械中最重要的部分 3。 4 4、动力系统的内、外现状、动力系统的内、外现状 动力系统的总成结构 动力系统的传递路线为：发动机变速箱取力器液压泵其他机构。 动力系统总成机构主要是发动机和一些液压元件的配合，发动机是它的核心部分， 起重机其主要的动力是柴油发动机，它带动了起升、变幅、回转、行走机构以及其他附 加系统的工作。其中牵引功率占总功率的四分之三，剩余的为工作机构提供动力。起重 机在作业时，发动机、起升机构、变幅机构、回转机构、行走机构、辅助机构既相互联 系又相互制约。起重机的整机性能不仅取决于各总成本身的性能，而且也与各总成间的 工作是否协调有着密切的关系，因此，在起重机的总体参数之间存在着相互匹配是否合 理的问题。 （1）平均阻力矩与发动机调速特性的合理匹配工程机械牵引性能参数的匹配理论表 明，发动机只有在稳定负荷下工作，才能输出额定功率，平均阻力矩的工作点配置才能 等于其额定扭矩，而阻力矩发生波动时，发动机的最大输出功率总是小于它的额定功率， 要获得最大的平均输出功率，只有适当配置阻力矩在发动机调速特性上的位置。显然， 应该将平均阻力矩的工作点配置在发动机调速曲线的额定工况附近，并保证起重机作业 循环中可能出现的最大阻力矩不超过发动机的额定扭矩，这样使发动机在作业循环的全 部时间内处在调速区段上工作，即获得了发动机较大的平均输出功率，又保证了发动机 的转速在整个作业循环中不致发生大的波动，获得较高的工作效率。 （2）发动机最大输出功率与滑转曲线的合理匹配工程机械牵引性能参数的匹配理论 指出，行走机构的牵引效率随着牵引力的增大而增大，在某一牵引力下，牵引效率可出 现最大值。当牵引力超过这一值而继续增大时，牵引效率随牵引力的增大而减小。对于 连续作业的机械来说，最大牵引效率工况和最大生产率工况是一致的，对于接近连续作 业的机械来说，两者有一定的偏离。因而为了使起重机获得最大的工作效率，并尽量发 挥发动机的功率，应将工作循环中的平均工作阻力配置在最大生产率工况附近。由此可 以得出牵引性能参数合理匹配的原则：在保证行驶速度稳定的前提下，充分利用发动机 的功率，发挥起重机的最大生产率。 3.2 动力系统的工作原理 动力系统多采用内燃机提供动力， 内燃机按照所使用燃料的不同可以分为汽油机和柴 油机。使用汽油为燃料的内燃机称为汽油机；使用柴油机为燃料的内燃机称为柴油机。 汽油机与柴油机比较各有特点，汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本 低；柴油机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能都比汽油机好，在工程机械中得 到广泛的应用。起重机主要采用柴油机，水冷型8。 体现发动机品质高低主要是看动力性和经济性， 也就是说发动机要具有较好的功率、 良好的加速性和较低的燃料消耗量。影响发动机功率和燃料消耗量的因素很多，其中最 大的因素有排量、压缩比、配气结构。发动机的速度特性曲线(如图 4.1)表示有效功率 N （千瓦） 、扭矩 M（牛顿米） 、比燃料消耗量 g（克/千瓦小时）随发动机转速 n 而连续变 化的表现。发动机的速度特性是在制动试验台架上测出的。保持发动机在一定节气门开 度情况下，稳定转速，测取在这一工况下的功率、比耗油等，然后调整被测机载荷（扭 距变化） ，使发动机转速改变，再测得另一转速下的功率、比耗油。按照一定转速间隔依 次进行上述步骤。就能测出在不同转速下的数值，将这些数值点连点地组成连续曲线， 就产生了功率曲线、扭矩曲线和比燃料消耗量曲线，它们与相应的转速区域对应。 图 4-9 发动机的速度特性曲线 柴油发动机的工作过程是：每个工作循环经历进气、压缩、作功、排气四个行程。 但由于柴油机用的燃料是柴油，其黏度比汽油大，不易蒸发，而其自燃温度却较汽油低， 因此可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。 柴油机在进气行程中吸入的是纯空气，在压缩行程接近终了时，柴油经喷嘴泵将油 压提高到 10MPa 以上，通过喷油器喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合， 形成可燃混合气。由于柴油机压缩比高（一般为 16-22） ，所以压缩终了时气缸内空气压 力可达到3.5-4.5MPa， 同时温度高达750-1000K（而汽油机在此时的混合气压力仅为0.6- 1.2MPa，温度达 600-700K） ，大大超过柴油的自然温度。因此柴油在喷入气缸后，在很 短时间内与空气混合后便立即自行发火燃烧。气缸内的气压急速上升到 6-9MPa，温度也 升到 2000-2500K。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而做功，废气同样 经排气管排入大气中。 普通柴油机的是由发动机凸轮轴驱动，借助于高压油泵将柴油输送到各缸燃油室。 这种供油方式要随发动机转速的变化而变化，做不到各种转速下的最佳供油量。而现在 已经愈来愈普遍采用的电控柴油机的共轨喷射式系统可以较好解决了这个问题。 共轨喷射式供油系统由高压油泵、喷油器、电控单元（ECU）和一些管道压力传感器 组成，系统中的每一个喷油器通过各自的高压油管与公共供油管相连，公共供油管对喷 油器起到液力蓄压作用。工作时，高压油泵以高压将燃油输送到公共供油管，高压油泵、 压力传感器和 ECU 组成闭环工作，对公共供油管内的油压实现精确控制，彻底改变了供 油压力随发动机转速变化的现象，其主要特点有以下几个方面： （1）喷油正时与燃油计量完全分开，喷油压力和喷油过程由 ECU 适时控制。 （2）可依据发动机工作状况去调整各缸喷油压力，喷油始点、持续时间，从而追求 喷油的最佳控制点。 （3）能实现很高的喷油压力，并能实现柴油的预喷射。 相比起汽油机，柴油机具有燃油消耗率低（平均比汽油机低 30） ，而且柴油价格 较低，所以燃油经济性较好；同时柴油机的转速一般比汽油机来得低，扭矩要比汽油机 大，但其质量大，工作时噪音大，制造和维护费用高，同时排放也比汽油机差。但随着 现代技术的发展，柴油机的这些缺点正逐渐的被克服，现阶段的大部分工程机械都使用 柴油机9。 3.3 动力系统的总体设计 动力系统的总体设计分为：发动机的选型，取力器的设计计算，液压泵的选型。工程 机械动力系统包括发动机及其被驱动的液压系统，它具有功率大，压力高，调速范围宽 的特点，并要求迅速，准确和安全地进行控制。 工程机械动力系统主要有柴油发动机，变量泵等机构组成。动力系统的主要参数有 发动机扭矩，转速，功率和变量泵扭矩，转速及流量，压力等。因此，动力系统的总体 设计大致是：发动机的选型，额定功率，扭矩，转速；变量泵的选型，扭矩，转速及流 量，压力等。对发动机的选择要求其功率满足额定功率的要求，扭矩和转速满足设计的 基本数值，变量泵的扭矩，转速，流量，压力等满足设计要求。根据发动的特性，尽量 减少它的功率损失，做到节能控制，减少能量的不必要的流失。变量泵的选择，要求所 选择的泵微大于额定的扭矩，转速，流量，压力。不过，不能过大，以减少损失 ，微大 一点的目的，是考虑到传动过程中的能量损失4。 5 5、部件的内、外设计研究发展趋势、部件的内、外设计研究发展趋势 由于动力系统中柴油机具备高扭矩、高寿命、低油耗、低排放等特点，柴油机成为解 决汽车及工程机械能源问题最现实和最可靠的手段。因此柴油机的使用范围越来越广， 数量越来越多。同时对柴油机的动力性能、经济性能、控制废气排放和噪声污染的要求 也越来越高。依靠传统的机械控制喷油系统已无法满足上述要求，也难以实现喷油量、 喷油压力和喷射正时完全按最佳工况运转的要求。近年来，随着计算机技术、传感器技 术及信息技术的迅速发展，使电子产品的可靠性、成本、体积等各方面都能满足柴油机 进行电子控制的要求，并且电子控制燃油喷射很容易实现。 实际上，柴油机排气中 CO 和 HC 比汽油机少得多，NOX 排放量与汽油机相近，只是排气 微粒较多，这与柴油机燃烧机理有关。柴油机是一种非均质燃烧，可燃混合气形成时间 很短，而且可燃混合气形成与燃烧过程交错在一起。通过分析柴油机喷油规律得到：喷 入燃料的雾化质量、汽缸内气体的流动以及燃烧室形状等均直接影响燃烧过程的进展以 及有害排放物的生成。提高喷油压力和柴油雾化效果、使用预喷射、分段喷射等可以有 效的改善排放。 经过多年的研究和新技术应用，柴油机的现状已与以往大不相同。现代先进的柴油机一 般采用电控喷射、高压共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得 重大突破，达到了汽油机的水平。随着国际上日益严格的排放控制标准(如欧洲、标 准)的颁布与实施，无论是汽油机还是柴油机都面临着严峻的挑战，解决的办法之一是采 用电子控制燃油喷射的技术。 现在， 柴油机电子控制技术在发达国家的应用率已达到 60% 以上4。 6 6、结论结论 轮式起重机是工程机械产品中重要组成部分，它由于机动性好而被广泛应用于矿山、 建筑、港口、油田等领域。轮式起重机主要有三种基本套型：汽车起重机、轮胎起重机、 全路面起重机。 动力系统中柴油发动机的优点是功率大、经济性能好。柴油发动机的工作过程与汽油 发动机有许多相同的地方，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个行程。但 由于柴油机用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸发，而其自燃温度却较汽油低， 因此可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。不同之处主要是，柴油发动机功率 很大，所以，起重机动力系统柴油发动机广泛的应用于大型柴油汽车上。在 QLY2 起重机 的动力系统中发动机的选择毫无疑问是选择柴油机。所以在柴油机的选择和设计上面将 是本次设计的重中之重。 三、设计（研究）的重点与难点，拟采用的途径（研究手段） ：三、设计（研究）的重点与难点，拟采用的途径（研究手段） ：三、设计（研究）的重点与难点，拟采用的途径（研究手段） ： 三、设计（研究）的重点与难点，拟采用的途径（研究手段） ： 1 1、本次设计的重点、本次设计的重点 （1）起重机中动力系统的地位与作用 （2）动力系统中发动机的选择和各元件之间的相关关系 （3）掌握动力系统发动机方面的设计 2 2、本次设计的难点、本次设计的难点 （1）对起重机的现状具体情况不太熟悉 （2）对起重机各性能参数不太熟悉 （3）对发动机的参数和型号不熟悉 （4）整合各