毕业设计（论文）-汽车起重机液压系统设计

学号:密级:本科毕业论文（设计）院（系）名称:机电工程学院专业名称：机械设计制造及其自动化学生姓名：指导教师：20XX年X月XX日DesignofHydraulicSystemforTruckCraneCandidate：Supervisor：May.10th,20XX

郑重声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。论文作者签名：日期：年月日前言1.1汽车起重机简介汽车起重机可以简单地理解为起重装置与特制拖车的组合，该机通过组合，促使整机性能更加优化，操作灵活、作业快捷、稳定性及安全性更高，因此成为常用起重机械之一。1.2液压系统在汽车起重机上的应用及特点汽车起重机作为土木工程的重要机械之一，主要由起升装置、变幅装置、回转装置、起重臂和汽车底盘组成。21世纪，各项技术高速发展，液压技术也不断发展与优化，智能电子工业，高强度材料和汽车工业的迅速发展以及土木工程的快速发展，进一步促进了汽车起重机的发展。自重大、操作性差、移动性差和工作准备时间长的老式机械传动式汽车起重机已经被市场淘汰。目前市场上的液压式汽车起重机具有如下优势：1.行动自由灵活，在它的起重范围内及物理尺寸容许条件下，能够在整个施工区内承担绝大部分的起重任务。2.它除了起重功能之外，可以与其它装置进行搭配使用来实现其它的功能，如：在液压式汽车起重机的伸缩臂上配装各种铲子、钻头、抓斗、挖沟器等装置进行其它工作。3.该起重机无需架空轨道等固定结构，因此具有很多优势，如：操作平稳、转移快速、方便灵活、安全系数高、起重速度快等优点，因此，可用于基建起重施工、能最大程度的降低生产成本或维修费用。4.该起重机本身具有独立的动力装置，无需装设接触导电装置。5.该起重机可把起重物放置在地面上、地面下或者更高的地方。基于上述优势，在运输、基建、矿山、筑路工程及重物装卸中，液压式汽车起重机成为了首选的起重设备。液压汽车起重机的起升回转、变幅、起重臂伸缩及支腿伸缩等一系列动作，既可单独动作，也可组合动作，这些动作需用液压泵、定量或变量马达相互配合来实现。汽车起重机采用液压传动，在主要机构中由于液压油的存在，没有剧烈的干摩擦副，从而减少了维修和施工准备时间。液压汽车起重机的产品特点：1.起重机的操纵室具有现代设计风格，舒适性强；2.油耗小，功率大，噪音低；3.起重机的整体布局为全覆盖式台板，在车上就可完成很多事项：如：工作与检修。4.起重机的支腿系统采用双面操纵，操作稳定性高，方便实用；起重机属于中型起重机械，传统起重机移动缓慢，体型笨重，而汽车起重机经过不断的革新，使其结构和液压系统结构更加紧凑，因此，整机重量轻，起重性能提高。同时很巧妙的把旋转运动转变为平移运动，巧妙的液压系统设计易于实现起重机的变幅和伸缩。由于各机构通过操作可以稍微调动，故作业更平稳，安全、快速。1.3汽车起重机液压系统的发展情况随着李克强总理提出的全面创新，以及国家为了振兴传统制造业出台的“工艺4.0”以及“中国智造”等一系列政策，促进了中国汽车起重机产业的新一轮改革，近几年中国汽车式起重机产业的设计水平和制造水平得到了显著提高，促使中国汽车起重机在国际市场上获得了一席之地，也得到了国际市场的高度肯定，这些都为中国液压式汽车起重机行业的技术创新和高速发展打下了良好的基础。目前，国内像徐州重工等重量级的汽车起重机制造厂家，经过数十年的自主研发与创新，已经成熟掌握了全路面液压式汽车起重机的核心技术，成功地制造出了200吨级（包括200吨级）以上的超大型液压式汽车起重机，可以与国外先进的液压式汽车起重机相媲美，中国的液压式汽车起重机行业已经接近国际最先进水平。

2液压系统性能分析与原理设计2.1液压系统关键回路的分析液压式汽车起重机（见图2-1）液压系统一般由改变吊臂角度的机构、转动的装置、拉升和下降的装置、吊臂改变长度的装置、支腿全伸及单伸的装置等组成。图2-1汽车起重机各动作示意2.1.1起升回路重物的升降依靠起升回路（见图2-2）。起升回路的液压系统能够快速的实现合分流方式转换，通过液压泵提供动力，调节三位四通换向阀来带动双向定量马达，进而带动圈扬机的正反转动，实现起吊重物的升降，并通过制动液压缸（弹簧复位缸）来制动双向定量马达，实现起吊重物的极速制动。保证了作业的安全性。1-三位四通换向阀；2-双向定量马达；3-弹簧复位缸图2-2起升回路2.1.2回转回路汽车起重机的有限臂长，使吊起重物水平移动的范围受吊臂的限制，根据查阅相关资料及计算分析可知，因回转机构工作所需功率小，故绝大多数汽车起重机采用全回转式的设计。汽车起重机的回转回路是在液压泵提供的动力下，通过调节三位四通换向阀来控制双向定量马达的正反转动，进而带动吊臂工作转台转动。1-三位四通换向阀；2-双向定量马达图2-3回转回路2.1.3臂杆变幅回路绝大部分液压式汽车起重机为了更大程度的满足重物装、卸工作位置的要求，采用臂杆与臂杆的幅度变换设计来实现。变幅回路（见图2-4）是在液压泵提供的动力下，通过调节三位四通换向阀来控制双作用单活塞杆液压缸的液压油，进而实现吊臂幅度的变化；回路图中单向阀的作用是防止无杆腔中的液压油倒流，吊臂幅度不会因为故障而减小，保障了作业的安全性。1-三位四通换向阀；2-节流阀；3-单向阀；4-双作用单活塞杆液压缸图2-4臂杆变幅回路2.1.4臂杆伸缩回路汽车起重机的伸缩回路是臂架伸缩机构的核心部分，伸缩回路的成熟应用，使臂杆无需接臂和拆臂，缩短了作业时间，提高了起重效率。在不作业状态时，吊臂全部缩回，整机物理尺寸最小，提高了汽车起重机的机动性和通过性。臂架设计为液压式伸缩机构，进一步的拓展了各类型起重机在实际施工环境下的使用性能。本设计优化了伸缩回路（如图2-5），其原理类似于变幅回路，在此不再赘述。图2-5伸缩回路目前，绝大部分汽车起重机的吊臂采用3节（受结构的限制等因素），吊臂伸缩的基本形式大致分为二类：1.顺序伸缩。2.同步伸缩。（a）顺序伸缩（b）同步伸缩图2-6吊臂伸缩方式如图2-6所示。显而易见，独立伸缩机构按不同的操作配合，也能实现顺序或同步伸缩的动作。综合考虑各种作业因素，本文设计的吊臂伸缩选择使用最为普遍的顺序伸缩方式。为了使汽车起重机各节伸缩臂伸展后的载荷（标准载荷，非最大载荷）与该汽车起重机的起重量特性相适应，起重机作业时，吊臂的伸缩顺序为二节臂（2）→三节臂（3）的顺序伸出[1为基本臂]，而缩回则按相反的顺序，即三节臂→二节臂的顺序缩回。2.1.5支腿回路汽车起重机设置支腿有二个主要作用：1.对起重机起固定作用，防止作业时，发生移动。2.支撑地面，分担重物载荷，提高起重机的起重能力。起重机属于中型设备，在施工中，决不能出现事故，因而，需要充分考虑起重机的安全性及稳定性，故支腿要求坚固可靠、液压系统安全自锁（防止油管破裂，造成液压是机构作用，造成安全事故）、操作灵活、伸缩方便。在行驶或闲置时收回，作业时外伸撑地。支腿回路如下（图2-7）所示，液压系统中两个单向阀互通，起锁存作用，液压分析同上原理。1-单向阀；2-双作用单活塞杆液压缸；3-三位四通换向阀图2-8支腿液压回路2.2汽车起重机液压系统类型的拟定2.2.1各机构组合情况各机构组合情况如图（见图2-8）所示。为了确保汽车起重机施工过程中的安全，液压支腿在起重机作业时，要求锁死。由图可知，回转、变幅、伸缩机构是并列执行的，均可独立动作，之间也无相互干涉。最后一步（起身机构）在前述的机构执行之后动作。图2-8各机构动作组合情况2.2.2液压系统的工作原理分析通过大学期间所学的液压方面知识，设计了如下（见图2-13）液压系统的工作原理，优化的液压系统支腿分两步（1）全伸；（2）单伸。单伸是为了进一步支撑地面，使整机作业时，不发生移动。图2-14汽车起重机液压系统图

3液压系统计算3.1汽车起重机各机构主要参数的初定3.1.1起升机构起升机构中，主卷扬相关参数设计如下表（见表3-1）。表3-1主卷扬相关参数初定值起升机构中，副卷扬相关参数设计如下表（见表3-2）。表3-2副卷扬相关参数初定值3.1.2回转机构回转速度1.5r/min回转阻力矩104K.Nm减速器速比1423.083.1.3变幅机构最大行程2842mm变幅油缸最大轴向阻力1320KN变幅时间60Sec3.1.4伸缩机构吊臂伸缩机构中，各级液压缸的相关参数设计如下表（见表3-3）。表3-3起升机构中各级液压缸的相关参数初定3.1.5支腿机构垂直支腿：吊重时支腿油缸最大反力700KN.m行程335mm速比2.783.2液压系统主要工作参数的初定汽车起重机中，起升机构的主卷扬机的主要工作参数初定(见表3-4)。表3-4起升机构中，主卷扬机的工作参数初定设定汽车起重机中，起升机构的副卷扬机的主要工作参数初定(见表3-5)：汽车起重机中，回转机构的主要工作参数初定(见表3-6)。表3-5起升机构中，副卷扬机的工作参数初定设定表3-6回转机构的主要工作参数初定设定汽车起重机中，变幅、伸缩和支腿机构的主要工作参数初定(见表3-7)。表3-7变幅、伸缩和支腿机构的主要工作参数初定设定

4汽车起重机液压系统相关元件的计算4.1副卷扬回路4.1.1副卷扬马达的相关计算1.副起升卷筒扭矩（4-1）（4-1）式中:—副卷扬MAX拉力（28KN）；—卷筒直径。—钢丝绳直径，dj2＝17mm—卷筒机械效率,查相关数据表得：2.起升机构的副卷扬机构的马达扭矩计算（4-2）（4-2）符号说明:—副卷扬传动比(51.4)；—马达输出端机械效率0.93；4.1.2副卷扬马达排量的相关计算（4-3）（4-3）符号说明:—马达最大工作压差。—马达机械效率(下文出现此符号都取值0.95)；4.1.3起升机构副卷扬泵的相关计算1.副起升卷筒的转速（4-4）（4-4）符号说明:—副卷扬单绳MAX速度=50m/min。2.副卷扬马达转速3.副卷扬马达输入流量（4-5） （4-5）符号说明:—马达容积效率（取值0.89）。4.副卷扬泵输出流量管路液压油泄露忽略不计 5.副卷扬泵的排量（4-6） （4-6）符号说明:—泵工作转速（每分取值2300转） —油泵容积效率（取值0.95）。4.2主卷扬回路4.2.1.主卷扬马达的相关计算1.分析得主卷扬卷筒力矩计算公式如下：（4-7）（4-7）符号说明：—主卷扬单绳最大拉力（设定最大值为36KN）；—卷绕钢丝绳j层时的卷筒直径。卷绕钢丝绳4层时，主卷扬的卷筒直径为：符号说明：——钢丝绳直径（设定直径为21毫米）；—卷筒机械效率,查相关起重机的卷筒机械效率参数表，分析后取值0.99。2.主卷扬机马达扭矩（4-8）（4-8）符号说明：—主卷扬减速器速比（综合分析后，设定为36.5）； —马达输出机械效率（查相关起重机的主卷扬马达的机械效率参数表，分析后取值0.93）。3.主卷扬机马达排量（4-9）（4-9）符号说明：—马达进出口MAX压力差：——主卷扬马达机械效率（查相关起重机的主卷扬马达的机械效率参数表，分析后取值0.95）。4.2.2主卷扬泵的相关计算1.主卷扬卷筒的转速（4-10）（4-10）符号说明：—主卷扬MAX速度，（考虑安全因素之后，设定取值最大=110m/min）2.主卷扬马达转速3.主卷扬马达流量（4-11）（4-11）符号说明：—主卷扬马达容积效率，查马达容积参数表得；4.主卷扬泵输出流量液压油泄露暂不考虑，则总流量计算式：符号说明：（4-12）—副卷扬泵流量，（4-12） 5.主卷扬泵排量（4-13）（4-13）符号说明：—主卷扬泵工作转速（综合考虑起重机的安全及稳定性因素，取值2760rpm）；—主卷扬泵容积效率，查表后，得；4.3回转回路4.3.1回转马达的相关计算1.回转马达阻力矩（4-14）（4-14）符号解释：—回转总阻力矩，设定为104KN.m；i—回转减速器速比，综合考虑计算得i=1423.08；η—回转机械传动效率，查马达参数表，取值η=0.90。2.回转马达的排量（4-15）（4-15）符号解释：—马达工作压差；4.3.2回转油泵的相关计算1.马达最大转速符号说明：—回转速度，=0～1.5r/min,取回转速度MAX值1.5r/min。2.回转马达流量（4-16）（4-16）符号解释：—回转马达容积效率，查马达相关参数表，综合后取值为0.95。3.回转油泵的输出流量忽略液压油泄露量，则输出流量为4.回转油泵排量（4-17）（4-17）符号说明：—回转油泵工作转速，综合稳定性等因素后，取值2760转/分；—回转油泵容积效率，查油泵相关参数后，取值=0.95。4.4支腿回路4.4.1垂直支腿油缸的计算1.无杆腔油压作用面积符号说明：F1—支腿油缸MAX轴向阻力，F1=700KN；P—支腿油缸MAX工作压力，P=28Mpa；2.无杆腔缸径（4-18）（4-18）4.4.2油箱计算1.液压系统差流量（4-19）（4-19）2.油箱有效容积

5变幅液压缸设计5.1变幅油路相关计算1.变幅油缸平均伸缩速度符号含义：S—变幅油缸工作时MAX行程，为了作业安全性，取值略低于最大值，取值为S=2842mm；—升臂变幅时间（初步设定为60sec）2.变幅油缸平均输入流量（5-1）（5-1）符号含义：—油缸容积效率，当容积效率取值为ηV=1时，则双缸流量为：(3)油泵输出流量（5-2）（5-2）符号含义：—管路容积效率，查油泵相关参数表后，取值：=0.95。5.2伸缩油缸的选择1.无杆腔油压作用面积符号含义：FⅠ—第Ⅰ级油缸的MAX轴向反力；FⅡ—第Ⅱ级油缸的MAX轴向反力；FⅢ—第Ⅲ级油缸的MAX轴向反力；P—各级液压缸的工作压力，假设各级P相等。取值为：P=28Mpa，KN，KN，KN。2.无杆腔缸径（5-3）（5-3）5.3伸缩油路1.伸缩缸平均伸出速度符合解释：—Ⅰ缸工作行程；S1=S2=S3=8000mm；—Ⅱ缸工作行程；—Ⅲ缸工作行程；—吊臂油缸全程伸出时间。设定各缸的工作行程相等，设为；假定吊臂伸展达到最大行程的时间为。2.各级伸缩缸平均输入流量Ⅰ缸输入流量：Ⅱ缸输入流量：Ⅲ缸输入流量：符号说明：—油缸容积效率，查表取值。平均输入流量：（3）液压泵输出流量（5-4）（5-4）（4）变幅伸缩油泵输出流量为：（5）液压泵的排量（5-5）（5-5）符号说明：—油泵工作转速，设定为r/min；—油泵容积效率，查表得 5.4变幅液压缸的受力分析图5-1变幅液压缸的作业示意图如图5.1所示，为汽车起重机作业时吊臂变幅的几种代表性状态。下文的主要工作是对变幅液机构进行建模，进而简化为几何图形进行相关受力分析。图5-2变幅液压缸的几何示意图起重机变幅机构经过相关建模之后，得出上图（如图5.2）所示的几何示意图。可将三铰点建模之后，简化为三角形ΔABC。将油缸简化为线段AB，起重机的变幅装置在转台和由各级液压缸组成的吊臂上的铰点，抽象建模为点A，点B，液压式起重机的回转中心线为。当汽车起重机作业时，吊臂幅度（R）吊起重物（Q）时，对铰点C列平衡方程式得：（5-6）（5-6）符号含义说明：—变幅油缸推力；Q—作业负载的重量；h—油缸推力对C点的力臂；e—起升绳到铰点C的距离（作业过程中变化）。—吊臂的仰角；S—起升绳的拉力；—吊臂的长度；—吊臂的重心距点C的距离；—吊臂的重量；（5-7）因，式(5-1)进一步简化得：（5-7）分析式（5-2）可知，当汽车起重机的起吊重物Q确定后，是α和h的函数，与h成反比。由函数关系知，和h是三角形决定的，也就是说，取决于三角形ABC的形状。5.5变幅液压缸的机械设计图5-3额定功率下液压缸的各参数图液压缸受到的推力：（5-8）（5-8）符号含义说明：—变幅轴线与水平线的夹角；—工作臂长；—吊臂自重；—吊臂重心到C点的距离；—液压缸与AC的夹角；R—起重机工作幅度；a—C点与回转中心的距离。C与回转中心的距离a∈[3,6]米，满足这个距离的=67°；汽车起重机在额定功率下，起重量为N。设定汽车起重机的最大起重量为10000kg。根据中国国内制造业——起重机生产相关标准，吊臂的质量取值最大起重量的0.15—0.20，出于作业安全性考虑，取参数0.15。因为采用的是三节伸缩臂，故；工作绳拉力N；吊臂基本臂长m；距离AC=947mm；夹角=62°；=1800mm；=2800mm。由（5-3）得：（5-9）（5-9）5.6变幅液压缸主要几何参数的计算1.液压缸压力设定，考虑到液压缸中的其它力的干扰，因而取。2.液压缸内径Db工作腔为无杆腔，计算公式如下：（5-10）（5-10）3.活塞杆直径d由于=22＞7，所以d=0.7D=0.7160mm=112mm。参考GB2348-80的液压活塞杆系列，选取d=140mm。4.活塞杆理论推力计算下图为液压缸简化后的，活塞杆受力图（见图5-4）。a.活塞杆伸出时b.活塞杆回缩时拉力符号释义：——无杆腔的受力面积；——有杆腔的受力面积。——液压缸的工作压力（）。图5-4活塞杆受力分析图5.活塞杆行程S液压缸全伸时S最大：=2800mm液压缸全缩时S最小：=1800mm得到行程S：S=—=1000mm查相关参数系列表，选取行程S=1000mm。6.缸筒壁厚b的计算查表可知，液压缸，缸体选用45号钢。故，。7.缸底厚度hb假定为平行缸底，计算公式（5-11）（5-11）符号解释：hb—缸底厚度（m）；—液压缸内径（m）；—试验压力（）；—缸底材料的许用应力（）。材料选用45钢，查材料的强度相关参数表，可知该钢≥600MPa，≥355MPa，伸长率≥16％。则。缸的工作压力，取。设计变幅液压缸如下图所示：1-缸体端部耳环；2-缸底；3-螺母；4-垫圈；5-排气阀；6-Y型密封圈；7-活塞；8-活塞杆；9-缸体；10-接头；11、12-O型密封圈；13、16-六角螺钉；14-缸盖；15-防尘圈；16-活塞杆端部耳环图5-5变幅液压缸装配图

6结论通过接近半年的毕业设计——《汽车起重机液压系统设计》，我学到了很多书写论文的方法与技巧，感觉毕业设计其实是对我们大学所学知识的综合运用，也是一次检阅，通过这次设计，我巩固了大学期间学习的知识，也懂得了把各种知识总结在一起，灵活运用。虽然设计中出现了很多自己从没想过的问题，但是通过查阅相关资料，以及在老师和同学的帮助下，解决了大部分的问题。本次毕业设计运用最多的就是液压知识，要对一种重型机械的液压系统进行创新设计，对于初次写论文的我来说，挑战性很大。最终通过各方面努力，克服了一些困难。这次毕业设计让我对汽车起重机有了全新的认识与理解，明白了一个个机器背后的复杂性，从一个个想法的碰撞，到一个完整的产品设计书，以及设计后的选材及加工工艺等等，都是要在设计之初就要考虑到的问题。这次毕业设计，从毫无思路，到完成设计，其中有很多艰险，但最终完成设计的那一刻，莫名的有一种自豪感。感谢所有在论文设计中，帮过我的人。

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