液压挖泥船的液压工作系统的设计

1、宁波大学海洋工程基础小论文宁波大学答题纸（20162017学年第 一 学期）课号： 1633008 课程名称： 海洋工程基础 改卷教师： 朱克强 学号： 1611084946 姓 名： 陆佳伟 得 分： 绞吸式液压挖泥船的液压工作系统的设计The design of hydraulic system of hydraulic cutter suction dredger.摘要液压挖泥船广泛应用于港口基建工程、水利疏浚等施工领域。一般可以分为开底自载耙吸式挖泥船，侧抛式挖泥船和绞吸式挖泥船。在这里我们主要讲解挖泥船的液压工作系统所以以常见的绞吸式挖泥船为例。绞刀机构作为绞吸式挖泥船的最主要工作机

2、构，其传动与控制主要借助液压技术，因此液压系统性能的优劣直接影响到绞吸式挖泥船的工作性能。本课题是用来设计适应于绞吸式挖泥船绞刀机构的液压系统，以便于提高其工作效率。本论文主要研究的几个方面：（1） 绞刀机构液压系统方案选择和其工作原理。（2） 绞刀液压系统设计。关键词：绞吸式液压挖泥船，液压系统方案，液压系统设计。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 ：绪论1.1选题的目的和意义我国拥有辽阔的海域和众多的江河湖泊，航道疏浚、环保疏浚和水利疏浚有着很大的市场。随着我国经济的持续稳定增长，航运业高速发展带动了港口基建与航道疏浚等工程的迅速发展，使得国内疏浚机械设备的需求也趋于旺盛，挖泥

6、船为主要的疏浚设备具有广阔的市场。挖泥船具有多种类型，其中绞吸式挖泥船是一种装备了绞刀头切削装置的挖泥船，可以用来挖掘几乎所有类型的土壤；工作时能一次性连续完成挖泥、运泥、卸泥等工作过程，是一种效率高、机动性强、成本较低的挖泥船，也是目前应用最广泛的一种挖泥船舶。绞吸式挖泥船的疏浚装置是由液压系统来提供动力的。相比于传统的机械传动和电气传动相比，液压系统具有其两项所不具有的优点液压传动具有：单位功率的重量轻、惯性小、反应快、易于快速实现启制动等优点。液压系统工作介质具有一定弹性吸震能力，能使液压传动运转平稳可靠，这些优点正好符合绞吸式挖泥船工作机构的工作要求，从目前主流设计来看，液压传动是挖泥

7、船疏浚设备主要采用的传动方式。在实际的工作情况中，疏浚装置长时间在水下工作会遇上各种各样的突发情况，所以这使得我们对其的动力系统要求十分的严格，因为液压系统装置会对疏浚装置的工作效率，经济性以及使用寿命有极大的影响。1.2国内外挖泥船液压系统技术的发展与现状。从 20 世纪 50 年代液压传动技术开始应用在挖泥船上至今，绞吸式挖泥船液压系统已经发展到一个较为成熟的阶段。尤其是近几年随着液压传动技术的发展，各种先进技术被不断的应用到绞吸式挖泥船液压系统的设计上，以提高挖泥船疏浚设备的稳定性及工作效率，主要体现在：（1） 液压系统从开式系统逐渐向闭式系统的转变；（2） 节能技术的重视； （3）液压

8、系统与电子控制技术的结合；1、 液压系统的转变20 世纪 90 年代前，液压传动系统主要以开式系统为主。此系统油路中，一方面，油液在流经油箱时会与空气接触，空气易进入液压系统，产生气蚀现象；另一方面，当液压系统中存在液压元件需正、反向运行时，在操纵换向阀实现液压油流向的改变时，液压系统会产生液压换向冲击。在闭式系统中，回路中的液压油避免了与空气的直接接触，且液压执行元件的换向可通过控制变量泵斜盘倾角方向来实现，液压换向冲击小，系统平稳。所以闭式系统已逐渐成为绞吸式挖泥船绞刀旋转液压系统的发展趋势。 2001 年，挪威 TTS 集团为 3800 m3/h 型“海狸”号绞吸式挖泥船配套的疏浚机械液

9、压系统，除绞刀旋转液压回路外，定位桩液压回路也采用了闭式系统，减小了疏浚设备工作因换向产生的系统压力冲击。近年来，国外许多为挖泥船配套疏浚设备的著名甲板机械生产厂家如芬兰麦基嘉集团、挪威 TTS 集团、日本三菱重工集团、IHI 公司等，都已把大量的疏浚机械液压系统从开式系统改为闭式系统。2、节能技术的应用随着挖泥船挖泥功率的不断提升，其液压控制系统也越来越趋向于高压大功率，因此节能技术在船舶机械等大型工程机械上的应用显得尤为重要。目前，应用最广泛的节能技术是通过系统反馈而实施的泵排量控制和泵转速控制。泵排量控制实质是通过系统反馈作用，依靠变量泵排量的改变来实现各种适应控制，包括流量控制、压力控

10、制、恒功率控制以及它们之间的复合控制。现有船舶液压系统中，为了提高船用机械液压系统的效率，通常都采用了恒功率控制或负载敏感控制。在变量泵的生产研发方面，德国力士乐(Rexroth)公司开发的 A4VG 系列斜盘式柱塞泵、德国林德公司(Linde)公司生产的 02 系列斜盘式轴向变量柱塞、日本川崎(Kawasaki)公司研发的 K3V 系列变量泵,日本油研公司的 A3H 系列高压变量柱塞泵、意大利阿托斯(ATOS)公司生产的 PVPC 型高压低噪音的轴向柱塞变量泵等，都可以实现包括恒功率控制在内的多种变量控制方式，占据着全球大部分变量泵市场。 3、电子液压集成控制随着电子与液压技术的发展，由电子

11、控制技术与液压传动技术相结合的电子液压集成控制技术，在最近几年获得了巨大发展，特别是感应器、检测仪表和计算机的广泛应用，使电子控制和液压传动有机结合，开发出许多新型的电液自动控制系统。2003 年，由 IHC公司研制出的“J.F.J. DENUL”号自航绞吸式挖泥船，将计算机辅助功率控制系统安装连接到液压回路中，可通过传感器将外部工况变化反馈信号传输给计算机中心，利用精控模式选择系统，减小了驱动功率和液压功率的浪费。 13第2章 ：液压系统的方案选择2.1液压挖泥船系统的组成与性能要求 我们可以得知在绞刀的主要作业功能完成绞刀在水底的旋转切割与绞刀桥架在竖直面的起落，其作业动作的完成和动力的传

12、递是通过液压传动系统来实现的。图2-1显示的液压系统的结构示意图，其中动力元件为液压泵组，将柴油原动机所输出的机械能转换成液体压力能；执行元件为绞刀马达和绞车马达，将液压能转换成旋转形式的机械能，用以驱动绞车和绞刀的旋转。控制元件为控制阀组，包括压力、方向、流量控制阀，对系统中油液压力、流量、方向进行控制和调节。绞刀马达 控制阀组液压泵组柴油原动机绞车马达 图2-1绞刀机构液压系统结构图 绞刀机构液压系统主要分为 2 部分，即：绞刀旋转系统和绞刀桥架升降系统，两液压子系统的功能如下： （1）绞刀旋转液压系统。用于绞刀的旋转切割，由绞刀马达驱动绞刀旋转完成。 （2）绞刀桥架升降液压系统。用于绞刀

13、桥架的起落，通过对绞车马达和制动油缸的控制，来实现对绞车的驱动和制动器的制动。绞车马达选用双向定量马达，马达的正反向旋转带动绞车卷筒的正反向转动，从而实现绞车卷筒起升和下放绞刀桥架；制动油缸选用单作用液压缸，绞车工作时，压力油驱动制动油缸活塞单向运动，以实现制动器松闸。2.2绞刀机构液压系统方案设计2.2.1 开闭式液压系统的拟定 按照工作介质循环方式的不同，液压传动系统可分为开式系统与闭式系统。开式系统中，油液经控制阀流入到执行元件，从执 行元件流出后再经控制阀返回到油箱，工作油液在油箱中冷却、分离空气及沉淀杂质后再进入工作循环，其典型的回路原理如图 2-2 所示。开式系统的特点是系统响应快

14、、构成灵活、回路中的液压油箱能起到良好的散热效果，结构简单，但由于油液返回箱后，空气易混入到系统，导致系统运行不平稳。 闭式系统中，泵输出油液流入到执行元件后又直接返回到泵的进油口，由于油液在循环中存在泄露损失，需要添加一套补油系统，其典型的回路原理如图 2-3 所示。闭式系统中油液是在闭式回路内循环，系统结构紧凑。通常选用双向变量泵，通过调节液压泵的变量机构来控制液压执行元件的速度和方向，避免了换向阀的控制方式造成的换向冲击和节流损失，故换向瞬间冲击较小，传动平稳；且执行元件的回油直接进入泵的吸油口，具有背压的回油能降低对泵的自吸性能要求。闭式系统的结构较复杂，成本高，适用于功率较大的液压系

15、统。 图2-2开式系统 图2-3闭式系统 绞刀机构中，绞刀是最重要的执行元件，工作作业时间长，系统功率较大，对液压系统的功率效率要求较高；当绞刀在切削作业时，绞刀会承受外部切削阻力载荷以及冲击载荷的作用，故对液压系统的稳定性要求较高；且在绞刀工作进程中，时常存在绞刀正、反向切削，希望液压系统的换向冲击较低。综上所述，所拟定的绞刀旋转液压系统为闭式系统。对绞刀桥架升降系统而言，绞刀桥架所受外载、功率较大，需用大功率泵向系统供油，而制动系统要求制动准确、灵敏，不需要很大功率便能完成，开式系统恰好能采用并联的方式，使两机构独立执行任务互不干涉；且绞车在下放和提升绞刀桥架过程中，速度较平稳，外载变化不

16、大，整个工作过程中系统压力波动较小，再结合设备维修费用与经济成本的考虑，初步拟定绞刀桥架升降液压系统为开式系统。2.3本章小结本章主要完成了绞刀机构液压系统方案的设计。首先在分析绞刀机构结构组成和工作原理的基础上，结合绞刀机构的工况分析，提出了绞刀机构液压系统的设计要求；并针对设计要求对液压系统传动方案进行了选择。第3章 绞刀机构液压系统设计本文第 2 章提出了绞刀机构液压系统的设计要求，并确定了绞刀机构液压系统的传动方案。本章将在此基础上，合理设计绞刀机构液压系统原理图。3.1拟定绞刀液压系统原理图1.1、1.2变量泵；2.1、2.2单向阀；3.1、3.2、3.3溢流阀；4冲洗阀；5.1、5

17、.2球阀； 6绞刀马达；7备用马达；8风冷却器；9过滤器；10补油泵；11背压阀图3-1绞刀旋转液压系统原理图根据上章分析，其液压系统原理图如图 3-1所示。马达的旋转速度和转动方向直接由变量泵的变量机构(斜盘)控制，双向变量泵 1.1、1.2 和双向定量马达 6 由两个低、高压油管相连，当绞刀正常工作时，油液从变量泵 1 的出油口流出，经高压油管直接输入到双向定量马达 6 中，带动马达旋转工作后，又通过低压油管直接返回到变量泵 1 的吸油口，完成油液在系统中的循环。由于油液在循环过程中会产生泄露损失，故需添加补油泵 10 经过单向阀 2.1、2.2 向低压管路系统补油，以补偿泵 1.1、1.

18、2 和马达 6 在工作运行时造成的系统泄露，补油压力由溢流阀 3.3 控制。当绞刀在旋转切削过程中出现卡钻等突发情况时，溢流阀 3.1、3.2 对绞刀马达 6 可起到过压保护作用；当需使绞刀暂且停止切削时，可操纵变量泵的变量机构，使斜盘先回到零位（即斜盘倾角为零），此时系统会停止供油，但马达会由于惯性的作用继续转动，回油端因此会产生很高的压力冲击，溢流阀 3.1、3.2 即可开启溢流，起安全保护作用。由于闭式回路油液温升较高，故设置冲洗阀 4，其在回路两侧压差的作用下开启，使主回路中低压侧的热油经冲洗阀 4、背压阀 11、风冷却器 8 流回油箱，风冷却器起加快冷却作用。双向定量马达 7 为备用

19、马达，当绞刀在挖掘工作中发生故障时，为不影响工作进度，可开启球阀 5.1、5.2 使备用马达 7 顶替工作。3.2绞刀桥架升降液压回路设计1变量泵；2.1、2.2、2.3单向阀；3.1、3.2溢流阀；4.1、4.2过滤器；5三位四通手动换向阀；6平衡阀 7双向定量马达；8制动缸；9球阀；10电磁换向阀；11补油泵；12油箱图 3-2 绞刀桥架升降液压系统原理图 根据上章对绞刀桥架升降液压系统方案的分析，其液压系统选用变量泵定量马达式容积调速开式回路。绞刀桥架升降液压系统原理图如图 3-2 所示 。 在下放绞刀桥架之前，绞车未启动时，制动缸 8 的有杆腔经二位三通电磁换向阀 10的左位与油箱 1

20、2 相通，制动器在制动缸内弹簧的作用力下抱闸，使双向定量马达 7 制动。此时变量泵 1 的斜盘处于零位。下放绞刀桥架时，A 边始终为高压，B 边为低压。这时，变量泵 1 的斜盘倾向一方，与变量泵 1 联动的电磁换向阀 10 得电，由左位换为右位，补油泵 11 输出的低压冷油经电磁换向阀 10 的右位、球阀 9 进入制动缸 8 的有杆腔，使制动器松闸。待制动器松闸后便可操作手动换向阀 5，使阀芯位置由中位换为左位，于是液压泵排出的液压油经单向阀 2.1、三位四通阀 5 的左位从 B 端流入到双向定量马达 7，驱动马达正向旋转。由于绞刀桥架下降过程中液压马达会受到负载作用，故在低压端 A 边设置平衡阀 6 用以平衡负负载