精品轮式起重汽车的液压系统设计本科毕业论文.docx
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精品轮式起重汽车的液压系统设计本科毕业论文
摘要
起重机液压系统主要用来控制起升机构、变幅机构、回转机构等。
本设计对轮胎起重机的组成及主要参数的确定，驱动装置、底盘与动力装置的选择，总体选形及稳定性做了一定的介绍与总结。
根据液压系统的技术指标及一些相关参数对该系统进行了整体方案设计，对其功能和工作原理进行分析并且绘制液压系统原理图，初步确定了系统各回路的基本结构及主要元件。
按照液压性能参数进行元件的选择计算，对变幅、伸缩、支腿油缸的结构进行设计并对相关部分进行验算和校核，最后通过对系统性能的验算和发热校核，满足了该起重机所要达到的要求。
关键字:
起重机液压缸液压泵
Abstract
Hydraulicsystemismainlyusedtocontrolhoistingmechanism,luffing,slewinginstitutionsetc.Wedidacertainintroductionandconclusiononthecompositionofcrane,choiceofdrive,chassisandpowerunit,stabilityoftheoverallandselectionofshape.
Accordingtothetechnicalindicatorsandsomerelevantparametersofthesystemwedesigntheoverallprogram.Weanalyzeitsfunctionandworkingprincipleanddrawtheschematicofhydraulicsystem,andidentifiedbasicstructureandmajorcomponentsofthesystem.Wedesignandcheckedonthestructureofluffing,stretching,outriggercylinderaccordingtohydraulicperformanceparameters,.Finally,Checkingonperformanceofsystemandpyrexia，meettherequirementsofcrane.
KeyWord:
CraneHydrauliccylinderHydraulicPump
第1章绪论
1.1起重机简介
起重机属于起重机械的一种，是一种作循环、间歇运动的机械。
一个工作循环包括：
取物装置从取物地把物品提起，然后水平移动到指定地点降下物品，接着进行反向运动，使取物装置返回原位，以便进行下一次循环。
根据水平运动形式的不同分为桥架类型起重机和臂架式起重机两大类别，此外还有桥架与臂架类型综合的起重机，例如，在装卸桥上装有可旋转臂架的起重机，在冶金桥式起重机上装有可旋转小车等。
1.1.1桥架类型起重机
以桥型结构作为主要承载构件，取物装置悬挂在可以延主梁运行的起重小车上的起重机，多用于车间、仓库、露天堆场等处的物品装卸。
根据结构形式不同分为桥式起重机和门式起重机等。
1）桥式起重机由桥架、起重小车和电气部分等主要部件构成，使用广泛的有单主梁或双主桥梁式起重机，它的主梁和两个端梁组成桥架，整个起重机直接运行在建筑物高架结构的轨道上。
2）门式起重机又被称为带腿的桥式起重机，其主梁通过支撑在地面轨道上的两个刚性支腿，形成一个可横跨铁路轨道或货场的门架，外伸到之腿外侧的主梁悬臂部分可扩大作业面积。
有时门式起重机制造成单支腿的半门式起重机。
1.1.2臂架类型起重机
其结构都有一个悬伸、可旋转的臂架作为主要受力构件，除了起升机构外，通常还有旋转机构和变幅机构，通过起升机构、变幅机构、旋转机构和运行机构等四大机构的的组合运动，可以实现在圆形或长圆形空间的装卸作业，可装设在车辆或其他运输工具上，构成了常见的各种运行臂架式起重机。
例如，门座式起重机、塔式起重机、铁路起重机、流动式起重机。
1）门座式起重机它是回转臂架安装在门形座架上的起重机，沿地面轨道运行的门座架下可通过铁路车辆或其他车辆，多用于港口装卸作业，或造船厂进行船体与设备装配
2）塔式起重机塔式起重机的结构特点是有一直立的塔身，起重臂结构在垂直塔身的上部，故塔式起重机起升高度和工作幅度都很大。
塔式起重机在房屋建筑，电站建设以及料厂、混凝土预制构件厂等场所得到广泛的应用[17]。
塔式起重机由于塔身是直立的，起重臂与塔身组成“”型，其有用幅度比轮胎式或履带式起重机大得多，故可使起重机靠近所施工的建筑物。
一般情况下，塔式起重机的有用幅度接近全幅度的80%。
同样情况下，若选用履带式或轮胎式起重机，其有用幅度则不超过50%，并随着建筑物的增高而急剧减少。
特别是在高层建筑中，塔式起重机与履带式起重机或轮胎式起重机相比，其优越性更为明显。
所以广泛应用于塔式起重机来建筑多层和高层建筑。
塔式起重机的动力装置是用外接电源的电动机，而一般施工现场都有动力电源，可很方便的接通电源，不需要造价昂贵的内燃机动力装置。
但是塔式起重机普遍是在专用的宽轨道上行走的，故需专门平整场地，铺设轨道，增加铺轨费用。
近年来为适应高层建筑或超高层建筑施工的需要，一种能自行升高的自升塔式起重机的研制和应用日益增多。
这种自升塔式起重机无需铺设轨道，它可安装在施工的建筑物内部（一般是安装在电梯井或楼梯间结构上）或附着于建筑物上。
在其底架上安装行走台车后，也可作为在轨道上行走的自升塔式起重机。
七十年代生产的塔式起重机一般多是这种三用或四用自升塔式起重机（将固定式、轨道式、爬升式和附着式）[13]。
1.2流动式起重机
1.2.1汽车起重机
1）将起重机安装在通用或专用汽车底盘上低盘性能等同于同样整车总重的载重汽车，符合公路车辆的技术要求，因而可在各类公路上通行无阻。
此种起重机一般备有上、下车两个操纵室，作业时必需伸出支腿保持稳定。
起重量的范围很大，可从8吨～1000吨，底盘的车轴数，可从2～10根。
是产量最大，使用最广泛的起重机类型。
2）越野轮胎起重机越野轮胎起重机是70年代发展起来的一种起重机，其吊重功能与轮胎起重机相似，也可进行不用支腿吊重及吊重行驶。
所不同的是底盘的结构形式及由独特的底盘结构所带来的行驶性能的提高。
这种起重机的发动机均装在底盘上，底盘有两根车轴及四个大直径的越野花纹轮胎。
四个车轮均为驱动轮及转向轮，当在泥泞不平的工地上转移工位时，四个车轮都传递动力，即四轮驱动，以提高通过泥泞地面及不平路面的能力。
当在平坦路面以较快速度行驶时，只用前轴或后轴的两个车轮驱动，以减少能耗。
在起重机的随机文件中，用4×4表示四轮驱动，4×2表示4个车轴中有两个车轮是驱动轮。
该车型适合狭小的场地作业。
可实现连续无极变速，在路面阻力突变的情况下发动机也不会熄火，因而极大的方便了司机的操作。
可以所越野轮胎起重机是一种性能扩展了的、强力而灵活的轮胎起重机[12]。
1.2.2履带式起重机
把起重机作业部分装设在履带底盘上，行走依靠履带装置的起重机称为履带式起重机。
它具有全回转转台，起升高度大，牵引系数高，爬坡度大，行驶速度低，行驶过程中可能对路面造成损坏，一般不宜在公路上行驶。
履带式起重机与轮胎式起重机相比，因履带与地面接触面积大，故对地面平均比压小，可在松软、泥泞地面上作业[17]。
1.2.3全地面起重机
全地面起重机是一种兼有汽车起重机和越野起重机特点的高性能产品。
它既能像汽车起重机一样快速转移、长距离行驶，又可满足在狭小和崎岖不平或泥泞场地上作业的要求，即行驶速度快，多桥驱动，全轮转向，三种转向方式，离地间隙大，爬坡能力高，可不用支腿吊重等功能，是一种极有发展前途的产品。
但价格较高，对使用和维护水平要求较高。
1.2.4特种起重机
为完成某种特定任务而研制的专用起重机。
例如：
为机械化部队实施战术技术保障用的、装在越野汽车或装甲车上的起重轮救车；为处理交通事故用的公路清障车等，均属此类[8]。
1.2.5轮胎起重机
轮胎起重机可分为通用轮胎起重机和越野轮胎起重机。
1）轮胎起重机又称通用轮胎起重机，广泛用于仓库、码头、货场等作业场所。
它是利用轮胎式底盘行走的动臂旋转起重机。
由上车和下车两部分组成。
上车为起重作业部分，设有动臂、起升机构、变幅机构、平衡重和转台等；下车为支承和行走部分。
上、下车之间用回转支承连接。
吊重时一般需放下支腿，增大支承面，并将机身调平，以保证起重机的稳定。
2）轮胎式起重机总体布置不受汽车底盘的限制，采用行驶操纵和起重作业操作合一的驾驶室，可在室中控制上下车的动作，具有轮距较宽、稳定性好、轴距小、车身短小、转弯半径小等优点，可适用于狭窄的作业场所[17]。
本设计共分为4章：
第1章是绪论主要对起重机的分类及其各种不同类型的起重机的特点做了简单阐述；
第2章概述了轮胎起重机组成，并从起重机的的主要参数、驱动装置、底盘、动力装置、总体、稳定性方面进行了设计；
第3章对起重机的动臂进行了设计与计算，此章也为本设计的重点部分；
第4章为结论部分，主要对本设计的优缺点及需要改进方面进行了简单总结。
第2章轮胎式起重机的总体设计
2.1起重机的组成
轮胎式起重机由以下几部分组成：
（1）取物装置：
轮胎式起重机取物装置主要是吊钩。
（2）吊臂：
用来支承起升钢丝绳、滑轮组的钢结构。
（3）上车回转部分：
它是在起重作业时，可以回转的部分，它包括装在回转平上除了吊臂、配重、吊钩等外的全部机构和装置。
（1）下车行走部分：
它是起重机的底盘，是上车回转部分的基础。
（2）回转支承部分：
它是安装在下车底盘上用来支承上车回转部分
（3）支腿：
轮胎式起重机为了提高它的起重能力，在车架上装有支腿
（4）配重：
在起重机平台尾部常挂有一定重量的铁块，以保证起重机的稳定。
2.2轮胎式起重机的主要参数
起重机械的基本参数是用来说明起重机的规格和性能的一些数据，也是提供设计计算和选择使用起重机械的主要依据。
2.2.1起重量Q
轮胎式起重机起重量一般不包括吊钩的重量q。
可以把包括吊钩重量在内的起重量成为总起重量（Q+q）。
轮胎式起重机起重量是随吊臂伸缩、俯仰而变化，因此起重量是由吊臂强度和整机稳定所决定。
起重机的额定起重量总比临界起重量小。
所谓临界起重量，是指当起重机吊起重物后处在稳定和倾翻的临界状态时的重量。
根据使用需要，利于生产制造，故选择为8吨。
2.2.2工作幅度R和有效幅度A
工作幅度R指起重机回转中心轴线至吊钩中心的距离。
它与吊臂长度L和仰角Q有关，Q可以从～，工作角度在～之间。
当轮胎起重机的幅度变小时。
起重机可以增大，但当幅度小于支腿跨距的一半时，吊重无法进行。
所以在系列标准上规定有效幅度上A的极限值［A］。
有效幅度A满足下列公式
（2.1）
查表2-1A=1.45米
但有效幅度不宜规定过大，因为有效幅度大，意味着最大起重量时的工作幅度也大，吊臂受的力也大。
这样一来吊臂自重就要增大，使大幅度时的起重量急剧下降，恶化了起重性能。
表2-1起重机性能
起重机Q（吨）
3
5
8
12
16
25
40
65
100
有效幅度【A】米
1.25
1.35
1.45
1.50
1.50
1.25
1．00
0.85
0.70
支腿横向跨距2a（米）
3.1
3.3
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.6
工作幅度R（米）
2.8
3.0
3.5
3.5
3.75
3.75
3.75
3.85
4.0
起重力矩M（吨.米）
8.4
15
25.6
42
60
94
150
250
400
系列规定的起重力矩（吨.米）
8
15
25
40
60
95
150
250
400
工作幅度R=LCOS查表2-1
R=3.2米
2.2.3起重力矩M
作为轮胎式起重机基本参数的起重力矩是指最大额定起重量和相应的工作幅度的乘积，起重机工作时，不但要求有起重量，还要求有一定的幅度。
只比较起重量，不比较其相应的幅度是无法评定两台起重机的起重能力的大小。
起重力矩作为比较起重机起重能力的指标比较起重量更合适，更确切。
本次设计的起重机确定：
Q=8吨R=3米则m=8（吨米）
2.2.4起升高度H
升高度H与吊臂长度L和仰角Q有关：
（2.2）
它在装卸工作中并不重要，但在建筑安装工程上则是一重要参数。
起重机在使用中不但要满足起重量要求，还要满足工作幅度和起升高度的要求。
本次设计的起升高度为H=13.6m
2.2.5自重G
轮胎式起重机的自重是指工作状态时的机械总重。
它并不一定等于行驶时的重量。
在后设计各部分重量时，可以参照同样类型起重机实物重量，制造后的起重机重量不得大于系列标准规定重量。
超出时应设法改进，把自重降到最低值。
根据以上要求，本机总重为9550公斤，根据[1]得8吨轮胎式起重机自重15吨，所以合适。
2.2.6工作速度V
根据目前轮胎式起重机的统计资料，中小型起重机的吊钩速度一般在8-20m/min左右。
在大型起重机中，起升速度不是主要的，为降低功率，减少冲击，起升速度取得较低，在5-8m/min左右。
起升速度也有以绕入卷筒的单根钢丝绳速度表示的。
虽然，单绳速度和吊钩速度是差一滑轮组的倍率。
实际上轮胎式起重机吊钩速度不是恒定的，钢丝绳在卷筒上绕的层次不同，单绳速度也在变化。
作为铭牌的参数的起升速度，是指卷筒在驱动机最大工作速度下的第一层钢丝绳的单绳速度，或与此相对应的吊钩速度。
变幅速度是指吊臂在头部沿水平方向移动的速度。
变幅速度对生产效率影响不大，而对起重机的平稳性和安全性影响较大，故不能取大，幅度时间（从最大臂到最小臂）一般在30-60秒左右。
本机起臂时间为25s，落臂时间16s。
在伸缩式吊臂的起重机上，吊臂伸缩速度也是需要注明的，一般外伸速度为收缩速度的1/2倍，该机伸缩速度选为伸缩（全程）34s，缩臂（全程）18.5s
液压支腿收放速度一般用时间来表示，一般在10-50s之间，本机速度为：
水平支腿伸出时间13.7s；
水平支腿缩回时间11.8s；
垂直支腿放下时间22s；
垂直支腿收起时间21.5s；
轮胎式汽车起重机行驶速度是主要参数之一，本机的行驶速度最高可达75公里/小时。
2.2.7通过性参数
通过性参数指轮胎式起重机正常行驶时能够通过各种道路的能力，不同车辆有不同的要求：
轮胎式起重机的通过性几何参数基本上接近一般公路车辆。
汽车起重机的要求和所采用的汽车底盘一致，经过改装后，最大出入不超过15%，接近角、离去角和最小离地间隙要大些。
纵向通过半径要小些，由于轮胎式起重机车架下载有支腿，故离地面间隙可能变小。
汽车起重机最大爬坡在左右。
轮胎式起重机转弯半径在米左右。
2.2.8几何尺寸参数
轮胎式起重机的各部尺寸按需要和可能来确定，力求紧凑。
轮胎式起重机在公路行驶状态的外形尺寸应考虑到道路、洞桥和铁路运输条件，按国家规定：
总长限制在12米以内，总宽在2.6米以内，总高不超过4米。
在特殊情况下，大吨位的起重机宽度可超过3米。
2.3起重机驱动装置的选择
起重机的性能和结构特点在很大程度上取决于驱动装置（动力装置和传动装置的总称）。
而驱动装置本身的重量和成本，对起重机的技术经济指标也起着显著的影响，因此设计起重机时，合理选择驱动装置和确定驱动形式是很重要的。
工程起重机对驱动装置的要求，主要应从起重机本身的工作特点来考虑，主要的有以下几点。
⑴适应外载荷多变的要求；
⑵适应迅速改变运动方向的要求；
⑶适应工作速度频繁变换的要求；
⑷适应冲击振动的要求。
此外，对于需要经常转移作业场地的工程起重机，要求有独立的动力能源装置。
为了避免噪声的危害，要求低噪声的驱动装置。
应于指出，要满足上述工作特点所指出的各项要求，仅仅依靠动力装置本身还不能完全达到。
而必须有合理的传动装置与之相配合，以达到起重机所要求的传动特点。
2.3.1内燃机—机械驱动
⑴概述
在轮胎式起重机和履带式起重机中，内燃机-机械驱动得到广泛的应用，它通过机械传动装置将内燃机发出的动力传递到那个工作机构上去（简称内燃机驱动）。
这种驱动装置有一个独立的能源，具有较大的机动性，可满足工程起重机流动性的要求。
由于不受外能源的牵制，所以起重机一到达作业场地后就可随时投入到工作。
此外，内燃机结构紧凑。
一般来说，外形尺寸和重量较小。
但内燃机-机械驱动与电力-机械驱动比较，前者存在不少缺点：
①承受载荷能力差，在超负荷运转时容易熄火，因此不得不选用大一些功率的内燃机，以较大的功率储备来适应超载的需要；
②内燃机不能带载启动，因此在内燃机-机械传动系统中，必须设置离合器结构，在启动时脱开离合器；
③内燃机不能运转，为了保证机构的正向和逆向转动，在机械传动的起重机必须设置逆转机构；
④内燃机在严寒地区运转，要采取措施，改善启动性能。
此外，内燃机噪声、振动及污染的问题也有待进一步解决。
在工程起重机中使用的内燃机目前常用的有两种类型，即柴油机和汽油机。
柴油机比汽油机更具有使用经济性和工作可靠的优点，所以柴油机得到广泛的应用。
从降低重量和减少外形尺寸考虑工程起重机用的柴油机应该是运输型的，最好选用工程起重机械用的中转速的柴油机以适应工程起重机特点，保证工作可靠性和简化中间传动装置的构造。
⑵内燃机驱动功率的确定
起重机的内燃机驱动功率可按下述两种方法确定：
①根据现有的同类型和吨位级相近的起重机参数来确定所需的功率，然后再核算起重机的各项技术参数是否满足设计要求；②根据起重机设计参数，计算最大阻力距，然后确定所需的内燃机功率。
2.3.2电力—机械驱动
⑴概述
外接电源使电动机传动，再经机械传动装置将动力传递到个工作结构的一种驱动方式简称电力驱动。
外接电源的电力——机械驱动的方式，在踏式起重机中得到广泛的应用。
在少数轮胎起重机中也有采用这种驱动方式。
电力——机械驱动比内燃——机械驱动有以下优点：
①电动机能承受短时间的较大过载，而且可以带载随时驱动；
②电动机容易逆转，而且可在较大范围内实现无级调速；
③各机构可由独立的电动机分别驱动，使机械传动装置和操纵机构大为简化；
④操纵方便灵活，维修也比较方便；
⑤外接电源的驱动，没有内燃机那样废气污染而且噪声低。
但这种驱动方式必须依靠外接电源，而且对电动机特性提出了特殊要求，一般最好选择过载能力强，调速范围大的直流电动机。
但因往往缺乏直流外接电源，并且直流电动机价格昂贵，所以不便采用普遍采用。
只有在内燃机——发电机——电动机这种内燃机——电力驱动系统中直流电动机才获得采用。
⑵电力——机械驱动容量的确定
正确选用电动机的容量是很重要的。
如果电动机容量不足，会使电动机过热，以致很快损坏，同时也会影响起重机的生产率。
因为这时起动力矩不足，起动过缓，不能达到所需要的速度。
如果电动机容量过大，不仅仅是浪费，而且使机构庞大，自重增加，起动过猛，传动机构载荷增大。
因此，确定电动机容量的原则是：
①在规定的工作条件下，电动机的温升不超过容许值，即不过热。
②保证所需要的起动能力。
2.3.3复合驱动
工程起重机通常采用的复合驱动主要有：
内燃机——电力驱动；内燃机——液压驱动。
⑴内燃机——电力驱动
内燃机——电力驱动与外接电源的电力驱动的主要区别是动力源不同。
前者是独立的动力源——内燃机；后者是外接电网电源。
内燃机——电力驱动通常是由柴油机驱动发电机发电，把内燃机的机械能转化为电能传送到工作机构的电动机上，在变为机械能带动工作机构转动。
直流电和交流电都有采用。
但更多的是采用直流发电机和直流电动机。
因此，直流电动机可以在较大范围内无级调速，过载能力强。
这种驱动形式是以直流电动机的良好工作特点克服内燃机工作缺点，是一种十分适合工程特点的驱动形式。
但这种驱动形式电器设备多，它与外接电源的电力驱动比较，由于多了一台内燃机和一台发电机，因而重量大，价格昂贵，使起重机造价显著增大。
⑵内燃机——液压驱动
在现代工程起重机中内燃机——液压驱动得到越来越广泛的应用，其主要原因，一是由于机械能转化为液压能后，实现液压传动与许多优越性；二是由于液压技术本身发展很快，使起重机液压传动技术日趋完善。
这种驱动形式不仅广泛应用于汽车起重机和轮胎起重机，近年来也应用于履带起重机代替以往的内燃机——机械驱动形式。
由于履带式起重机的动力装置装设在上车回转平台上，因此在以往的内燃机——机械驱动系统中，履带行走机构所需的动力，需要从上车通过逆转机构等复杂的动力传送机构传到下车。
而应用液压传动，只要通过高压油管和中心回转接头，就可把上车的动力容易而又方便地传到下车。
内燃机——液压驱动的主要特点是：
①减少了齿轮、轴等机械传动件，而代之以重量轻、体积小的液压元件和油管，使起重机的重量大为减轻，结构紧凑，外形尺寸小；
②可以在很大范围实现无级调速，而且容易变换运动方向；
③传动平稳，因为作为传动介质的液压油具有弹性，通过液压阀平稳而渐进地操作可获得平稳的柔和的工作特性；
④易于防止过载；
⑤操作简单、省力；
这种驱动形式的主要缺点是：
①传动效率低，因为能量经过了两次转移；
②液压元件加工精度要求高，因而加工成本大；
③对密封要求也高，如果制造安装工艺不完善，常有运转失灵及漏油现象产生。
随着液压技术的发展和工艺水平的提高，这些缺点已逐步得到解决。
液压系统沉重。
综上所述，结合小型起重机的特点，这次设计选用内燃机——液压驱动。
2.4轮胎式起重机底盘的选型
轮胎式起重机底盘的类型很多，可按不同角度来进行分类。
从总的性能上看，可分为：
通用汽车底盘、专用汽车底盘和专用的轮胎底盘三种见表2-2。
所谓通用的汽车底盘，是指除车架更换外（若有必要时），余皆采用原汽车底盘。
小型的起重机可在原汽车地盘上附加副车架以支撑上车结构，因为原汽车车架的强度和刚度都满足不了起重机在起重时的要求。
虽然采用附加副车架的工艺比较简单，但整个起重机的重心较高，重量较大。
专用的汽车底盘是按起重机的要求设计的，轴距较大，车架刚性好。
专用汽车底盘的驾驶室布置有三种，一是与通用汽车一样的正置平头式驾驶室，二是测量的偏头式驾驶室，三是前悬下沉式驾驶室。
侧置偏头式驾驶室底盘的汽车起重机可使起重吊臂在行驶状态时放在驾驶室旁侧，使整车重心大大下降，但驾驶室视野不良，坐人不多。
前悬下沉式驾驶室视野良好，吊臂位置也不高，故起重机重心低，因此在大型起重机中常采用前悬下沉式的驾驶室。
专用轮胎底盘是专门为轮胎起重机设计的，为提高轮胎起重机的机动性，将底盘设计成短轴距，全轮驱动，甚至全轮转向的越野型轮胎底盘。
由于轮胎起重机只有一个驾驶室，并且往往设在上车，所以下车底盘行走机构的操作通常求助于液压传动，轮胎起重机需吊重行驶，要求起动平稳，调速自如。
因此，越野型轮胎底盘常采用液力变距器和动力换挡变速箱等转动装置，以及液压转向装置。
在选用汽车底盘时，考虑到轮胎式起重机始终满载行驶，要比汽车载荷条件恶劣，但起重机的行驶里程比汽车的要少一半左右，故完全可以选用同等级的汽车底盘的总成。
表2-2起重机性能
项目
汽车起重机其重量（吨）
轮胎起重机
5-15
16-40
41-64
65-100
8-40
轴荷不大于（吨
8
10
12
12
12
12-17
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