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第1章 概述1.1 关于汽车起重机工程起重机是各种工程建设广泛运用的重要起重设备，是用来对物料进行起重、运输、装卸或安装等作业的机械设备，在工业和民用建筑中作为主要施工机械而得到广泛运用。它对减轻劳动强度、节省人力，降低建设成本，提高施工质量，加快建设速度，实现工程施工机械化起着十分重要的作用。目前我国是世界上使用工程起重机最大的国家之一。近年来，随着工程建设规模的扩大，起重安装工程量越来越大，吊装能力、作业半径和机动性能的更高要求促使起重机发展迅速，具有先进水平的塔式起重机和汽车起重机已成为机械化施工的主力。相对于其他起重机，汽车起重机不仅具有移动方便，操作灵活，易于实现不同位置的吊装等优点，而且对其进行驱动和控制的液压系统易于实现改进设计。随着液压传动技术的不断发展，汽车起重机已经成为各起重机生产厂家主要发展对象。1.2 液压传动应用于汽车起重机上的优缺点1.2.1优点1. 在起重机的结构和技术性能上的优点：来自汽车发动机的动力经油泵转换到工作机构，其间可以获得很大的传动比，省去了机械传动所需的复杂而笨重的传动装置。不但使结构紧凑，而且使整机重量大大的减轻，增加了整机的起重性能。同时还很方便的把旋转运动变为平移运动，易于实现起重机的变幅和自动伸缩。各机构使用管路联结，能够得到紧凑合理的速度，改善了发动机的技术特性。便于实现自动操作，改善了司机的劳动强度和条件。由于元件操纵可以微动，所以作业比较平稳，从而改善了起重机的安装精度，提高了作业质量。采用液压传动，在主要机构中没有剧烈的干摩擦副，减少了润滑部位，从而减少了维修和技术准备时间。2．在经济上的优点...... 目录：摘要 IABSTRACT II第1章 概述 １1.1 关于汽车起重机 １1.2 液压传动应用于汽车起重机上的优缺点 １1.2.1优点 １1.2.2 缺点 ２1.3 液压系统的类型 ２1.4 汽车起重机液压系统功能、组成和工作特点 ２1.5 汽车起重机液压系统的运用现状和发展趋势 ４1.6 本课题来源、任务要求和整机性能参数 ５1.7 本课题主要研究工作 ７第2章 液压系统元件选择 ８2.1 典型工况分析及对系统要求 ８2.1.1伸缩机构的作业情况 ８2.1.2副臂的作业情况 ８2.1.3三个以上机构的组合作业情况 ８2.1.4典型工况的确定 ８2.1.5 系统要求 ９2.2 液压系统类型选择 １０2.2.1 本机液压系统分析 １０2.2.2 各机构动力组合、分配及控制 １１2.3 各种执行元件的选择 １２第3章 各液压回路组成原理和性能分析 １４3.1主副卷扬回路 １４3.1.1性能要求 １４3.1.2主要元件 １５3.1.3主要回路 １５3.1.4功能实现和工作原理 １５3.2回转回路 １７3.2.1 性能要求 １８3.2.2主要元件 １８3.2.3主要回路 １８3.2.4功能实现和工作原理 １８3.3 伸缩回路 １９3.3.1性能要求 １９3.3.2主要元件 １９3.3.3主要回路 ２０3.3.4功能实现和工作原理 ２０3.4变幅回路 ２１3.4.1性能要求 ２１3.4.2主要元件 ２１3.4.3主要回路 ２２3.4.4功能实现和工作原理 ２２3.5支腿回路 ２３3.5.1性能要求 ２３3.5.2主要元件 ２３3.5.3主要回路 ２３3.5.4功能实现和工作原理 ２４第4章 液压系统设计计算 ２５4.1 液压系统工作参数和各机构主要参数 ２５4.1.1 工作机构主要参数 ２５4.1.2 液压系统参数 ２６4.2 液压元件选择计算 ２７4.2.1 液压马达和液压泵的选择计算 ２７4.2.2 液压阀的选择 ３７4.2.3 液压辅助元件选择 ４０第5章 系统各回路性能计算 ４４5.1 系统各回路功率计算 ４４5.1.1 各回路功率选取 ４４5.1.2 管路系统容积效率及压力效率计算 ４４5.2 系统各回路性能的验算 ４５5.2.1 起升回路 ４５5.2.2 回转回路 ５０5.2.3 伸缩回路 ５１5.2.4 变幅回路 ５３5.2.5 支腿回路 ５４5.3液压系统的发热验算 ５５5.3.1 工作循环周期T ５５5.3.2 油泵损失所产生的热能H ５６5.3.4 马达产生的热量 ５７5.3.5 油箱散热量 ５８第6章 起重机液压系统电液比例控制专题研究 ５９6.1 电液比例控制原理和特点 ５９6.2 起重机部件电液比例控制 ６０6.3 电液比例对各回路的控制 ６３6.4 电液比例对起重机液压系统的影响及发展趋势 ６６第7章 总结 ６８7.1 设计总结 ６８7.2 工作展望 ６８致谢 ６９参考文献 ７０附录1 QY40液压汽车起重机液压系统原理图 ７１附录2 QY40液压汽车起重机液压系统电磁铁动作顺序表 ７２附录3 QY40液压汽车起重机液压系统元件明细表 ７３任务书 ７４文献综述 ７６开题报告 ８７翻译 ９０ 参考资料：[1] 编写组编•起重机设计手册•［S］•机械工业出版社•1980[2] 刘新德主编•袖珍液压设计手册•［S］•机械工业出版社•2004[3] 上海煤矿机械研究所编•液压传动设计手册•［S］•上海人民出版社•1976[4] 德国曼勒斯曼公司编写•曼勒斯曼公司液压元件手册•［S］[5] 朱才新主编•液压传动与控制•［M］•重庆大学出版社•1998[6] 许福玲 陈尧明编•液压与气压传动•［M］•机械工业出版社•2001[7] 周士昌主编•液压系统设计图册•［M］•机械工业出版社•2003[8] 扬国平 刘忠编•现代工程机械液压与液力实用技术•［M］•人民交通出版社[9] 赵显新编•工程机械液压传动装置原理与检修•［M］•辽宁科学技术出版社[10] 雷天觉主编•液压工程手册•［S］•机械工业出版社•1990 简单介绍：QY40型汽车起重机液压系统的设计是该型起重机设计过程中最关键的一步。本文根据液压系统的技术指标对该系统进行整体方案设计，对其功能和工作原理进行分析，初步确定了系统各回路的基本结构及主要元件，按照所给机构性能参数和液压性能参数进行元件的选择计算，通过对系统性能的验算和发热校核，以满足该起重机所要达到的要求。本文还针对当前汽车起重机所采用的一项先进技术——电液比例控制技术，从原理、控制部件、回路控制、控制措施以及对汽车起重机的影响等进行专题研究。由此对电液比例控制技术在汽车起重机中的运用给以充分的肯定，对汽车起重机的发展前景有了很大的希望。

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一 绪论1.1 液压传动与控制概述液压传动与控制是以液体（油、高水基液压油、合成液体）作为介质来实现各种机械量的输出（力、位移或速度等）的。它与单纯的机械传动、电气传动和气压传动相比，具有传递功率大，结构小、响应快等特点，因而被广泛的应用于各种机械设备及精密的自动控制系统。液压传动技术是一门新的学科技术，它的发展历史虽然较短，但是发展的速度却非常之快。自从1795年制成了第一台压力机起，液压技术进入了工程领域；1906年开始应用于国防战备武器。第二次世界大战期间，由于军事工业迫切需要反应快、精度高的自动控制系统，因而出现了液压伺服控制系统。从60年代起，由于原子能、空间技术、大型船舰及电子技术的发展，不断地对液压技术提出新的要求，从民用到国防，由一般的传动到精确度很高的控制系统，这种技术得到更加广泛的发展和应用。在国防工业中：海、陆、空各种战备武器均采用液压传动与控制。如飞机、坦克、舰艇、雷达、火炮、导弹及火箭等。在民用工业中：有机床工业、冶金工业、工程机械、农业方面，汽车工业、轻纺工业、船舶工业。另外，近几年又出现了太阳跟踪系统、海浪模拟装置、飞机驾驶模拟、船舶驾驶模拟器、地震再现、火箭助飞发射装置、宇航环境模拟、高层建筑防震系统及紧急刹车装置等，均采用了液压技术。总之，一切工程领域，凡是有机械设备的场合，均可采用液压技术。它的发展如此之快，应用如此之广，其原因就是液压技术有着优异的特点，归纳起来液压动力传动方式具有显著的优点：其单位重量的输出功率和单位尺寸输出功率大；液压传动装置体积小、结构紧凑、布局灵活，易实现无级调速，调速范围宽，便于与电气控制相配合实现自动化；易实现过载保护与保压，安全可靠；元件易于实现系列化、标准化、通用化；液压易与微机控制等新技术相结合，构成“机-电-液-光”一体化便于实现数字化。1.2 液压机的发展及工艺特点液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一，自19世纪问世以来发展很快，液压机在工作中的广泛适应性，使其在国民经济各部门获得了广泛的应用。由于液压机的液压系统和整机结构方面，已经比较成熟，目前国内外液压机的发展不仅体现在控制系统方面，也主要表现在高速化、高效化、低能耗；机电液一体化，以充分合理利用机械和电子的先进技术促进整个液压系统的完善；自动化、智能化，实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预处理功能；液压元件集成化、标准化，以有效防止泄露和污染等四个方面。作为液压机两大组成部分的主机和液压系统，由于技术发展趋于成熟，国内外机型无较大差距，主要差别在于加工工艺和安装方面。良好的工艺使机器在过滤、冷却及防止冲击和振动方面，有较明显改善。在油路结构设计方面，国内外液压机都趋向于集成化、封闭式设计，插装阀、叠加阀和复合化元件及系统在液压系统中得到较广泛的应用。特别是集成块可以进行专业化的生产，其质量好、性能可靠而且设计的周期也比较短。近年来在集成块基础上发展起来的新型液压元件组成的回路也有其独特的优点，它不需要另外的连接件其结构更为紧凑，体积也相对更小，重量也更轻无需管件连接，从而消除了因油管、接头引起的泄漏、振动和噪声。逻辑插装阀具有体积小、重量轻、密封性能好、功率损失小、动作速度快、易于集成的特点，从70年代初期开始出现，至今已得到了很快的发展。我国从1970年开始对这种阀进行研究和生产，并已将其广泛的应用于冶金、锻压等设备上，显示了很大的优越性。液压机工艺用途广泛，适用于弯曲、翻边、拉伸、成型和冷挤压等冲压工艺，压力机是一种用静压来加工产品。适用于金属粉末制品的压制成型工艺和非金属材料，如塑料、玻璃钢、绝缘材料和磨料制品的压制成型工艺，也可适用于校正和压装等工艺。由于需要进行多种工艺，液压机具有如下的特点：（1） 工作台较大，滑块行程较长，以满足多种工艺的要求；（2） 有顶出装置，以便于顶出工件；（3） 液压机具有点动、手动和半自动等工作方式，操作方便；（4） 液压机具有保压、延时和自动回程的功能，并能进行定压成型和定程成型的操作，特别适合于金属粉末和非金属粉末的压制；（5） 液压机的工作压力、压制速度和行程范围可随意调节，灵活性大。二 150t液压机液压系统工况分析本机器(见图1.1)适用于可塑性材料的压制工艺。如冲压、弯曲、翻边、薄板拉伸等。也可以从事校正、压装、砂轮成型、冷挤金属零件成型、塑料制品及粉末制品的压制成型。本机器具有独立的动力机构和电气系统。采用按钮集中控制，可实现调整、手动及半自动三种操作方式。本机器的工作压力、压制速度、空载快速下行和减速的行程范围均可根据工艺需要进行调整，并能完成一般压制工艺。此工艺又分定压、定程两种工艺动作供选择。定压成型之工艺动作在压制后具有保压、延时、自动回程、延时自动退回等动作。 本机器主机呈长方形，外形新颖美观，动力系统采用液压系统，结构简单、紧凑、动作灵敏可靠。该机并设有脚踏开关，可实现半自动工艺动作的循环。2.2 工况分析本次设计在毕业实习调查的基础上，用类比的方法初步确定了立式安装的主液压缸活塞杆带动滑块及动横梁在立柱上滑动下行时，运动部件的质量为500Kg。1．工作负载 工件的压制抗力即为工作负载：2. 摩擦负载 静摩擦阻力：动摩擦阻力：3. 惯性负载自重：4. 液压缸在各工作阶段的负载值：其中： ——液压缸的机械效率，一般取 =0.9-0.97。工况 负载组成 推力 F/2.3负载图和速度图的绘制：负载图按上面的数值绘制，速度图按给定条件绘制，如图：三 液压机液压系统原理图设计3．1 自动补油的保压回路设计考虑到设计要求，保压时间要达到5s，压力稳定性好。若采用液压单向阀回路保压时间长，压力稳定性高，设计中利用换向阀中位机能保压，设计了自动补油回路，且保压时间由电气元件时间继电器控制，在0-20min内可调整。此回路完全适合于保压性能较高的高压系统，如液压机等。自动补油的保压回路系统图的工作原理：按下起动按纽，电磁铁1YA通电，换向阀6接入回路时，液压缸上腔成为压力腔，在压力到达预定上限值时压力继电器11发出信号，使换向阀切换成中位；这时液压泵卸荷，液压缸由换向阀M型中位机能保压。当液压缸上腔压力下降到预定下限值时，压力继电器又发出信号，使换向阀右位接人回路，这时液压泵给液压缸上腔补油，使其压力回升。回程时电磁阀2YA通电，换向阀左位接人回路，活塞快速向上退回。3．2 释压回路设计：释压回路的功用在于使高压大容量液压缸中储存的能量缓缓的释放，以免她突然释放时产生很大的液压冲击。一般液压缸直径大于25mm、压力高于7Mpa时，其油腔在排油前就先须释压。根据设计很实际的生产需要，选择用节流阀的释压回路。其工作原理：按下起动按钮，换向阀6的右位接通，液压泵输出的油经过换向阀6的右位流到液压缸的上腔。同时液压油的压力影响压力继电器。当压力达到一定压力时，压力继电器发出信号，使换向阀5回到中位，电磁换向阀10接通。液压缸上腔的高压油在换向阀5处于中位（液压泵卸荷）时通过节流阀9、换向阀10回到油箱，释压快慢由节流阀调节。当此腔压力降至压力继电器的调定压力时，换向阀6切换至左位，液控单向阀7打开，使液压缸上腔的油通过该阀排到液压缸顶部的副油箱13中去。使用这种释压回路无法在释压前保压，释压前有保压要求时的换向阀也可用M型，并且配有其它的元件。机器在工作的时候，如果出现机器被以外的杂物或工件卡死，这是泵工作的时候，输出的压力油随着工作的时间而增大，而无法使液压油到达液压缸中，为了保护液压泵及液压元件的安全，在泵出油处加一个直动式溢流阀1，起安全阀的作用，当泵的压力达到溢流阀的导通压力时，溢流阀打开，液压油流回油箱。起到保护作用。在液压系统中，一般都用溢流阀接在液压泵附近，同时也可以增加液压系统的稳定性。使零件的加工精度增高。3．3液压机液压系统原理图拟定上液压缸工作循环（1） 快速下行。按下起动按钮，电磁铁1YA通电，这时的油路为：液压缸上腔的供油的油路变量泵1—换向阀6右位—节流阀8—压力继电器11—液压缸15液压缸下腔的回油路液压缸下腔15—液控单向阀7—换向阀6右位—电磁阀5—背压阀4—油箱油路分析：变量泵1的液压油经过换向阀6的右位，液压油分两条油路：一条油路通过节流阀7流经继电器11，另一条路直接流向液压缸的上腔和压力表。使液压缸的上腔加压。液压缸15下腔通过液控单向阀7经过换向阀6的右位流经背压阀，再流到油箱。因为这是背压阀产生的背压使接副油箱旁边的液控单向阀7打开，使副油箱13的液压油经过副油箱旁边的液控单向阀14给液压缸15上腔补油。使液压缸快速下行，另外背压阀接在系统回油路上，造成一定的回油阻力，以改善执行元件的运动平稳性。（2） 保压时的油路情况：油路分析：当上腔快速下降到一定的时候，压力继电器11发出信号，使换向阀6的电磁铁1YA断电，换向阀回到中位，利用变量泵的柱塞孔从吸油状态过渡到排油状态，其容积的变化是由大变小，而在由增大到缩小的变化过程中，必有容积变化率为零的一瞬间，这就是柱塞孔运动到自身的中心线与死点所在的面重合的这一瞬间，这时柱塞孔的进出油口在配油盘上所在的位置，称为死点位置。柱塞在这个位置时，既不吸油，也不排油，而是由吸转为排的过渡状态。液压系统保压。而液压泵1在中位时，直接通过背压阀直接回到油箱。（3） 回程时的油路情况：液压缸下腔的供油的油路：变量泵1——换向阀6左位——液控单向阀7——液压油箱15的下腔液压缸上腔的回油油路：液压腔的上腔——液控单向阀14——副油箱13液压腔的上腔—节流阀8——换向阀6左位——电磁阀5——背压阀4——油箱油路分析： 当保压到一定时候，时间继电器发出信号，使换向阀6的电磁铁2YA通电，换向阀接到左位，变量泵1的液压油通过换向阀旁边的液控单向阀流到液压缸的下腔，而同时液压缸上腔的液压油通过节流阀9（电磁铁6YA接通），上腔油通过换向阀10接到油箱，实现释压，另外一部分油通过主油路的节流阀流到换向阀6，再通过电磁阀19，背压阀11流回油箱。实现释压。下液压缸的工作循环：向上顶出时，电磁铁4YA通电，5YA失电。进油路：液压泵——换向阀19左位——单向节流阀18——下液压缸下腔回油路：下液压缸上腔——换向阀19左位——油箱当活塞碰到上缸盖时，便停留在这个位置上。向下退回是在4YA失电，3YA通电时产生的，进油路：液压泵——换向阀19右位——单向节流阀17——下液压缸上腔回油路：下液压缸下腔——换向阀19右位——油箱原位停止是在电磁铁3YA，4YA都断电，换向阀19处于中位时得到的。四 液压系统的计算和元件选型4．1 确定液压缸主要参数：按液压机床类型初选液压缸的工作压力为25Mpa,根据快进和快退速度要求，采用单杆活塞液压缸。快进时采用差动连接，并通过充液补油法来实现，这种情况下液压缸无杆腔工作面积 应为有杆腔工作面积 的6倍，即活塞杆直径 与缸筒直径 满足 的关系。快进时，液压缸回油路上必须具有背压 ,防止上压板由于自重而自动下滑，根据《液压系统设计简明手册》表2-2中，可取 =1Mpa，快进时，液压缸是做差动连接，但由于油管中有压降 存在，有杆腔的压力必须大于无杆腔，估计时可取 ,快退时，回油腔是有背压的，这时 亦按2Mpa来估算。1) 计算液压缸的面积可根据下列图形来计算—— 液压缸工作腔的压力 Pa—— 液压缸回油腔的压力 Pa故：当按GB2348-80将这些直径圆整成进标准值时得： ,由此求得液压缸面积的实际有效面积为：2) 液压缸实际所需流量计算① 工作快速空程时所需流量液压缸的容积效率，取② 工作缸压制时所需流量③ 工作缸回程时所需流量4．2液压元件的选择4．2.1确定液压泵规格和驱动电机功率由前面工况分析，由最大压制力和液压主机类型，初定上液压泵的工作压力取为 ，考虑到进出油路上阀和管道的压力损失为 （含回油路上的压力损失折算到进油腔），则液压泵的最高工作压力为上述计算所得的 是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力，另外考虑到一定压力贮备量，并确保泵的寿命，其正常工作压力为泵的额定压力的80%左右因此选泵的额定压力 应满足：液压泵的最大流量应为：式中 液压泵的最大流量同时动作的各执行所需流量之和的最大值，如果这时的溢流阀正进行工作，尚须加溢流阀的最小溢流量 。系统泄漏系数，一般取 ，现取 。1．选择液压泵的规格由于液压系统的工作压力高，负载压力大，功率大。大流量。所以选轴向柱塞变量泵。柱塞变量泵适用于负载大、功率大的机械设备（如龙门刨床、拉床、液压机），柱塞式变量泵有以下的特点：1） 工作压力高。因为柱塞与缸孔加工容易，尺寸精度及表面质量可以达到很高的要求，油液泄漏小，容积效率高，能达到的工作压力，一般是（ ） ，最高可以达到 。2） 流量范围较大。因为只要适当加大柱塞直径或增加柱塞数目，流量变增大。3） 改变柱塞的行程就能改变流量，容易制成各种变量型。4） 柱塞油泵主要零件均受压，使材料强度得到充分利用，寿命长，单位功率重量小。但柱塞式变量泵的结构复杂。材料及加工精度要求高，加工量大，价格昂贵。根据以上算得的 和 在查阅相关手册《机械设计手册》成大先P20-195得：现选用 ，排量63ml/r，额定压力32Mpa，额定转速1500r/min，驱动功率59.2KN，容积效率 ，重量71kg，容积效率达92%。2．与液压泵匹配的电动机的选定由前面得知，本液压系统最大功率出现在工作缸压制阶段，这时液压泵的供油压力值为26Mpa，流量为已选定泵的流量值。 液压泵的总效率。柱塞泵为 ，取 0.82。选用1000r/min的电动机，则驱动电机功率为选择电动机 ，其额定功率为18.5KW。4.2.2阀类元件及辅助元件的选择1. 对液压阀的基本要求：(1). 动作灵敏，使用可靠，工作时冲击和振动小。油液流过时压力损失小。(2). 密封性能好。结构紧凑，安装、调整、使用、维护方便，通用性大2. 根据液压系统的工作压力和通过各个阀类元件及辅助元件型号和规格主要依据是根据该阀在系统工作的最大工作压力和通过该阀的实际流量，其他还需考虑阀的动作方式，安装固定方式，压力损失数值，工作性能参数和工作寿命等条件来选择标准阀类的规格：序号 元件名称 估计通过流量型号 规格1 斜盘式柱塞泵156.8 63SCY14－1B 32Mpa，驱动功率59.2KN2 WU网式滤油器 160 WU-160*180 40通径，压力损失 0.01MPa3 直动式溢流阀 120 DBT1/315G24 10通径，32Mpa，板式联接4 背压阀 80 YF3-10B 10通径，21Mpa，板式联接5 二位二通手动电磁阀 80 22EF3-E10B6 三位四通电磁阀 100 34DO-B10H-T 10通径，压力31.5MPa7 液控单向阀80 YAF3-E610B 32通径，32MPa8 节流阀80 QFF3-E10B 10通径，16MPa9 节流阀80 QFF3-E10B 10通径，16MPa10 二位二通电磁阀30 22EF3B-E10B 6通径，压力20 MPa11 压力继电器－ DP1-63B 8通径，10.5-35 MPa12 压力表开关－ KFL8－30E 32Mpa，6测点13 油箱14 液控单向阀 YAF3-E610B 32通径，32MPa15 上液压缸16 下液压缸17 单向节流阀48 ALF3－E10B 10通径，16MPa18 单向单向阀48 ALF3－E10B 10通径，16MPa19 三位四通电磁换向阀 25 34DO-B10H-T20 减压阀 40 JF3-10B4.2.3 管道尺寸的确定油管系统中使用的油管种类很多，有钢管、铜管、尼龙管、塑料管、橡胶管等，必须按照安装位置、工作环境和工作压力来正确选用。本设计中油管采用钢管，因为本设计中所须的压力是高压，P=31.25MPa ， 钢管能承受高压，价格低廉，耐油，抗腐蚀，刚性好，但装配是不能任意弯曲，常在装拆方便处用作压力管道一中、高压用无缝管，低压用焊接管。本设计在弯曲的地方可以用管接头来实现弯曲。尼龙管用在低压系统；塑料管一般用在回油管用。胶管用做联接两个相对运动部件之间的管道。胶管分高、低压两种。高压胶管是钢丝编织体为骨架或钢丝缠绕体为骨架的胶管，可用于压力较高的油路中。低压胶管是麻丝或棉丝编织体为骨架的胶管，多用于压力较低的油路中。由于胶管制造比较困难，成本很高，因此非必要时一般不用。1. 管接头的选用：管接头是油管与油管、油管与液压件之间的可拆式联接件，它必须具有装拆方便、连接牢固、密封可靠、外形尺寸小、通流能力大、压降小、工艺性好等各种条件。管接头的种类很多，液压系统中油管与管接头的常见联接方式有：焊接式管接头、卡套式管接头、扩口式管接头、扣压式管接头、固定铰接管接头。管路旋入端用的连接螺纹采用国际标准米制锥螺纹（ZM）和普通细牙螺纹（M）。锥螺纹依靠自身的锥体旋紧和采用聚四氟乙烯等进行密封，广泛用于中、低压液压系统；细牙螺纹密封性好，常用于高压系统，但要求采用组合垫圈或O形圈进行端面密封，有时也采用紫铜垫圈。液压系统中的泄漏问题大部分都出现在它管系中的接头上，为此对管材的选用，接头形式的确定（包括接头设计、垫圈、密封、箍套、防漏涂料的选用等），管系的设计（包括弯管设计、管道支承点和支承形式的选取等）以及管道的安装（包括正确的运输、储存、清洗、组装等）都要考虑清楚，以免影响整个液压系统的使用质量。国外对管子的材质、接头形式和连接方法上的研究工作从不间断，最近出现一种用特殊的镍钛合金制造的管接头，它能使低温下受力后发生的变形在升温时消除——即把管接头放入液氮中用芯棒扩大其内径，然后取出来迅速套装在管端上，便可使它在常温下得到牢固、紧密的结合。这种“热缩”式的连接已经在航空和其它一些加工行业中得到了应用，它能保证在40~55Mpa的工作压力下不出现泄漏。本设计根据需要，选择卡套式管接头。要求采用冷拔无缝钢管。2. 管道内径计算：（1）式中 Q——通过管道内的流量v——管内允许流速 ，见表：允许流速推荐值油液流经的管道 推荐流速 m/s液压泵吸油管液压系统压油管道 3~6，压力高，管道短粘度小取大值液压系统回油管道 1.5~2.6(1). 液压泵压油管道的内径：取v=4m/s根据《机械设计手册》成大先P20-641查得：取d=20mm,钢管的外径 D=28mm;管接头联接螺纹M27×2。(2). 液压泵回油管道的内径：取v=2.4m/s根据《机械设计手册》成大先P20-641查得：取d=25mm,钢管的外径 D=34mm;管接头联接螺纹M33×2。3. 管道壁厚 的计算式中： p——管道内最高工作压力 Pad——管道内径 m——管道材料的许用应力 Pa，——管道材料的抗拉强度 Pan——安全系数，对钢管来说， 时，取n=8； 时，取n=6； 时，取n=4。根据上述的参数可以得到：我们选钢管的材料为45#钢，由此可得材料的抗拉强度 =600MPa;(1). 液压泵压油管道的壁厚(2). 液压泵回油管道的壁厚所以所选管道适用。4. 液压系统的验算上面已经计算出该液压系统中进，回油管的内径分别为32mm,42mm。但是由于系统的具体管路布置和长度尚未确定，所以压力损失无法验算。4.2.4系统温升的验算在整个工作循环中，工进阶段所占的时间最长，且发热量最大。为了简化计算，主要考虑工进时的发热量。一般情况下，工进时做功的功率损失大引起发热量较大，所以只考虑工进时的发热量，然后取其值进行分析。当V=10mm/s时，即v=600mm/min即此时泵的效率为0.9，泵的出口压力为26MP，则有即此时的功率损失为：假定系统的散热状况一般，取 ，油箱的散热面积A为系统的温升为根据《机械设计手册》成大先P20-767：油箱中温度一般推荐30-50所以验算表明系统的温升在许可范围内。五 液压缸的结构设计5.1 液压缸主要尺寸的确定1) 液压缸壁厚和外经的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律应壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径D与其壁厚 的比值 的圆筒称为薄壁圆筒。工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算设 计 计 算 过 程式中 ——液压缸壁厚(m)；D——液压缸内径(m)；——试验压力，一般取最大工作压力的(1.25~1.5)倍 ；——缸筒材料的许用应力。无缝钢管： 。= =22.9则 在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够，如在切削过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死或漏油。因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。液压缸壁厚算出后，即可求出缸体的外经 为2) 液压缸工作行程的确定液压缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参阅<<液压系统设计简明手册>>P12表2-6中的系列尺寸来选取标准值。液压缸工作行程选缸盖厚度的确定一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求可用下面两式进行近似计算。无孔时有孔时式中 t——缸盖有效厚度(m)；——缸盖止口内径(m)；——缸盖孔的直径(m)。液压缸：无孔时取 t=65mm有孔时取 t’=50mm3)最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离H称为最小导向长度（如下图2所示）。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度（间隙引起的挠度）增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求：设 计 计 算 过 程式中 L——液压缸的最大行程；D——液压缸的内径。活塞的宽度B一般取B=(0.6~10)D；缸盖滑动支承面的长度 ，根据液压缸内径D而定；当D<80mm时，取 ；当D>80mm时，取 。为保证最小导向长度H，若过分增大 和B都是不适宜的，必要时可在缸盖与活塞之间增加一隔套K来增加H的值。隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定，即滑台液压缸：最小导向长度：取 H=200mm活塞宽度：B=0.6D=192mm缸盖滑动支承面长度：隔套长度： 所以无隔套。液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20~30倍。液压缸：缸体内部长度当液压缸支承长度LB (10-15)d时，需考虑活塞杆弯度稳定性并进行计算。本设计不需进行稳定性验算。5.2 液压缸的结构设计液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括：缸体与缸盖的连接结构、活塞与活塞杆的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置、排气装置及液压缸的安装连接结构等。由于工作条件不同，结构形式也各不相同。设计时根据具体情况进行选择。设 计 计 算 过 程1) 缸体与缸盖的连接形式缸体与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。本次设计中采用外半环连接，如下图1所示：图1 缸体与缸盖外半环连接方式优点：(1) 结构较简单(2) 加工装配方便缺点：(1) 外型尺寸大(2) 缸筒开槽，削弱了强度，需增加缸筒壁厚2)活塞杆与活塞的连接结构参阅<<液压系统设计简明手册>>P15表2-8，采用组合式结构中的螺纹连接。如下图2所示：图2 活塞杆与活塞螺纹连接方式特点：结构简单，在振动的工作条件下容易松动，必须用锁紧装置。应用较多，如组合机床与工程机械上的液压缸。

钻井机械中液压油的污染与控制论文

论文摘要：液压油的质量和清洁度是保证液压系统正常工作的首要条件,液压系统污染是液压故障的一个主要原因,为了保证钻井机械液压系统能够安全、可靠的运行,对液压系统中液压油污染的危害及原因进行分析,对液压油污染程度的检测及液压油污染的控制提出了方法和措施,以达到工作过程中的污染控制,主要包括：控制油温、定期过滤等措施

论文关键词：液压油,污染,控制

在现代的传动方式中，液压传动可以很好的实现远距离控制和自动控制，并且以其传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小等特点得到了较为广泛的应用。但是钻井设备由于多处于室外，工作中受外界环境的影响很大，在实际的使用过程中，很容易出现液压油的污染情况，严重影响了动力的传递，因此对液压油污染的控制就显得尤为重要。

一、液压油概述

液压油用于液压传动系统中作中间介质,起传递和转换能量的作用,同时还起着液压系统内各部间件的润滑、防腐蚀、冷却、冲洗等作用。其主要性能有:

1.合适的粘度，良好的粘温特性粘度是选择液压油时首先考虑的因素，在相同的工作压力下，粘度过高，液压部件运动阻力增加，升温加快液压泵的自吸能力下降，管道压力降和功率损失增大；若粘度过低，会增加液压泵的容积损失，元件内泄漏增大，并使滑动部件油膜变薄，支承能力下降。

2.良好的润滑性(抗磨性)液压系统有大量的运动部件需要润滑以防止相对运动表面的磨损，特别是压力较高的系统，对液压油的抗磨性要求要高得多。

3.良好的抗氧化性液压油在使用过程中也会发生氧化，液压油氧化后产生的酸性物质会增加对金属的腐蚀性，产生的油泥沉淀物会堵塞过滤器和细小缝隙，使液压系统工作不正常，因此要求具有良好的抗氧化性。

4.良好的抗剪切安定性由于液压油经过泵、阀节流口和缝隙时，要经受剧烈的剪切作用，导致油中的一些大分子聚合物如增粘剂的分子断裂，变成小分子，使粘度降低，当粘度降低到一定的程度油就不能用了，所以要求具有良好的抗剪切性能。

5.良好的防锈和防腐蚀性液压油在使用过程中不可避免地要接触水分和空气以及氧化后产生的酸性物质都会对金属生锈和腐蚀，影响液压系统的正常工作。

6.良好的抗乳化性和水解安定性液压油在工作过程中从不同途径混入的水分和冷凝水在受到液压泵和其他元件。

7.良好的抗泡沫性和空气释放性在液压油箱里，由于混入油中的气泡随油循环，不仅会使系统的压力降低，润滑条件变坏，还会产生异常的噪音、振动，此外气泡还增加了油与空气接触的面积，加速了油的氧化，因此要求液压油具有良好的抗泡沫性和空气释放性。

8.对密封材料的适应性由于液压油与密封材料的适应性不好，会使密封材料膨胀、软化或变硬失去密封性能，所以要求液压油与密封材料能相互适应。

二、液压油的污染与危害

液压油的污染，按照污染物的不同，可分为杂质(灰尘、金属颗粒、棉纱、氧化物等)、水分、空气、微生物及化学物污染。在钻采机械液压系统中，主要是杂质(大部份是金属颗粒)、水分和空气污染。

l、油液中混入水分

(1)油液中水分进入的途径

1)油箱盖因冷热交替而使空气中的水分凝结成水珠落人油中。

2)冷却器或热交换器密封损坏或冷却管破裂使水漏人油中。

3)通过液压缸活塞杆密封不严密处进入系统的潮湿空气凝聚成水珠。

4)用油时带人的水分以及油液暴露于潮湿环境中与水发生亲合作用而吸收的水。

(2)油液中混入水分后的危害

1)油液中混入一定量的水分后，会使液压油乳化呈白浊状态。如果液压油本身的抗乳化能力较差，静止一段时间后，水分也不能与油分离，使油总处于白浊状态。这种白浊的乳化油进入液压系统内部，不仅使液压元件内部生锈，同时降低其润滑性能，使零件的磨损加剧，系统的效率降低。

2)液压系统内的铁系金属生锈后，剥落的铁锈在液压系统管道和液压元件内流动，蔓延扩散下去，将导致整个系统内部生锈，产生更多的剥落铁锈和氧化物。

3)水还会与油中的某些添加剂作用产生沉淀和胶质等污染物，加速油的恶化。

4)水与油中的硫和氯作用产生硫酸和盐酸，使元件的磨蚀磨损加剧，也加速油液的氧化变质，甚至产生很多油泥。

5)这些水污染物和氧化生成物，随即成为进一步氧化的催化剂，最终导致液压元件堵塞或卡死，引起液压系统动作失灵、配油管堵塞、冷却器效率降低以及滤油器堵塞等一系列故障。

6)另外，在低温时，水凝结成微小冰粒，也容易堵塞控制元件的间隙和死口。

2、油中侵入空气

油液中的空气主要来源于松动的管接头，不紧密的元件接合面，暴露在油面上的油管以及密封失效处，油液暴露在大气中也会溶人空气。此外，当油箱内的油量较少时，加速了液压油的循环，使气泡排除困难，同时油泵吸油管“吃油”深度不够也使空气容易进入。

混入液压系统的空气，通常以直径为0．05～0．50mm的气泡状态悬浮于液压油中，对液压系统内液压油的体积弹性模量和液压油的粘度产生严重影响，随着液压系统的压力升高，部分混入空气溶人液压油中，其余仍以气相存在。当混入的空气量增大时，液压油的体积弹性系数急剧下降，液压油中的压力波传播速度减慢，油液的动力粘度呈线性增高。悬浮在油液中的空气与液压油结合成混合液，这种油液的'稳定性决定于气泡的尺寸大小，对液压系统等产生重大的影响，可能出现振动、噪声、压力波动、液压元件不稳定、运动部件产生爬行、换向冲击，定位不准或动作错乱等故障，同时还使功耗上升，油液氧化加速以及油的润滑性能降低。油液中的固态污染物主要以颗粒状存在。这些杂质有的是元件加工和装配过程中残留的，有的是液压元件在工作过程中产生的，有的源于外界杂质的侵入，其危害是：

(1)油中的各种颗粒杂质会对泵和马达造成危害。当杂质颗粒进入到齿轮泵或齿轮马达的齿轮端面和两端盖侧板、齿顶和壳体之间，或当杂质颗粒进入到叶片泵或叶片马达的叶片与叶片槽，转子端面和配油盘、定子与转子(叶片顶部)之间，或当杂质颗粒进入到柱塞泵或柱塞马达的柱塞与柱塞缸体孔，转子与配油盘、滑靴与倾斜盘、变量机构的滑动副之间时，均有可能造成卡死故障。即使不造成卡死故障，也会使磨损加剧。杂质颗粒还有可能堵塞泵前的进油滤油器，使泵产生气蚀或造成多种并发故障。

(2)油中各种颗粒杂质会对液压缸造成危害。颗粒杂质会使活塞与缸体、活塞杆与缸盖孔及密封元件产生拉伤和磨损，使泄油量增大，容积效率和有效推力(拉力)降低，如果颗粒杂质卡住活塞或活塞杆，将导致油缸不动作。

(3)油中的污染颗粒会对各种阀类元件造成危害。污染颗粒可能引起滑阀卡死或节流堵塞，造成阀动作失灵，即使不产生卡死或堵塞故障，污染颗粒也将使阀类元件运动副过早磨损，配合间隙加大，性能恶化。

(4)污染物繁殖细菌，加剧油液老化，使油液发黑发臭，更进一步产生污染。如此恶性循环，有可能产生以下后果：

1)污染物堵塞滤油器，导致油泵吸空，产生振动和噪声。

2)污染物使油缸或马达的摩擦力增大，产生爬行。

3)污物会完全使伺服阀等抗污染能力差的元件根本失效，至少是工作不稳定和滞后量增加，污物阻塞压力表前同定小孔，压力得不到正确传递和反映。

4)污染物堵塞压力表通道，使压力得不到正确传递和反应。

三、控制液压油污染的主要措施

为确保液压系统工作正常、可靠、减少故障和延长寿命，必须采取有效措施控制液压油的污染。

1、控制油温

油温过高往往会给液压系统带来以下不利影响：

（1）油液黏度下降，使活动部位的油膜破坏、磨擦阻力增大，引起系统发热、执行元件（例如液压缸）爬行。油液黏度下降可导致泄漏增加，系统工作效率显著降低。

（2）油液黏度下降后，经过节流器时其特性会发生变化，使活塞运动速度不稳定。

（3）油温过高引起机件热膨胀，使运动副之间的间隙发生变化，造成动作不灵或卡死，使其工作性能和精度下降。

（4）当油温超过55摄氏度时，油液氧化加剧，使用寿命缩短，据资料介绍，当油温超过55摄氏度后温度每升高9摄氏度，油的使用寿命缩短一半，因此，对不同用途和不同工作条件的机器。应有不同的允许工作油温。工程机械液压系统允许的正常工作油温为35-55摄氏度，最高为70摄氏度。

2、控制过滤精度

为了控制油液的污染度，要根据系统和元件的不同要求，分别在吸油口、压力管路、伺服调速阀的进油口等处，按照要求的过滤精度设置滤油器，以控制油液中的颗粒污染物，使液压系统性能可靠、工作稳定。滤油器过滤精度一般按系统中对过滤精度敏感性最大的元件来选择。

3、强化现场维护管理

强化现场维护管理是防止外界污染物侵入系统和滤除系统中污染物的有效措施。

（1）检查油液的清洁度

设备管理部门在检查设备的清洁度时，应同时检查系统油液、油箱和滤油器的清洁度，并建立液压设备清洁度上、中、下三级评分制度。对关键设备的液压系统都要抽查。

（2）建立液压系统一级保养制度

设备管理部门在制定设备一级保养内容时，要增加对液压装置方面的具体保养内容。

（3）定期对油液取样化验

应定期、定量提取油样，检查单位体积油样中杂质颗粒的大小和数量或称重量，并作定性定量分析，以便确定油液是否需要更换。

A、取油样时间：对已规定了换油周期的液压设备，可在换油前一周对正在使用的油液进行取样化验；对新换的油液，经过1000h连续工作后，应对其取样化验；企业中的大型精密液压设备使用的油液，在使用600h后，应取样化验。

B、取油样时，首先要把装油容器清洗干净，不许使用脏的容器，以确保数据准确，具体取油样的方法如下：

当液压系统不工作时（即在静止状态下），可分别在油箱的上部、中部和下部各取相同数量的油样，搅拌后进行化验；液压系统正在工作时，可在系统的总回油管口取油样；化验所需要的油样数量，一般为300-500mL/次；按油料化验规程进行化验，将化验结果填入油料化验单，并存入设备档案。

4、定期清洗

控制油液污染的另一个有效方法是，定期清除滤网、滤芯、油箱、油管及元件内部的污垢。在拆装元件、油管时也要注意清洁，对所有油口都要加堵头或塑料布密封，防止脏物侵入系统。

5、定期过滤油液、控制其使用期限

油液的使用寿命或更换周期取决于很多因素，其中包括设备的环境条件与维修保养、液压系统油液的过滤精度和允许污染等级等因素。由于油液使用时间过长，油、水、灰尘、金属磨损物等会使油液变成含有多种污染物的混合液，若不及时更换，将会影响系统正常工作，并导致事故。是否换油取决于油液被污染的程度，目前有3种确定换油期的方法：

（1）目测换油法。它是凭维修人员的经验，根据目测到的一些油液常规状态变化（如油液变黑、发臭、变成乳白色等），决定是否换油。

（2）定期换油法。根据设备所在场地的环境条件、工作条件和所用油品的换油周期，到期就进行更换。这种方法对液压设备较多的企业很适用。

（3）取样化验法。定期对油液进行取样化验，测定必要的项目（如黏度、酸值、水分、颗粒大小和含量以及腐蚀等）和指标，按油质的实际测量值与规定的油液劣化标准进行对比，确定油液该不该换。取样时间：对一般工程机械的液压系统应在换油周期前一周进行，关键设备的液压系统应每隔500小时进行一次取样化验，化验结果应填入设备技术档案。取样化验法适用于关键设备和大型液压设备。

换油时，要注意清洁，防止赃物侵入液压系统，不可混用和换错，主要有下列要求：

（1）更换的新油或补加的新油必须是本系统所规定使用的油，经过化验确认其油质已达到规定的性能指标，才能加入。

（2）为保持新油的清洁，换油时要将油箱内部及主要管道内旧油放尽，并把油箱、过滤网、软管清洗干净。加油时油液必须经过过滤，对已疲劳损坏的滤网应更换。

（3）加入的油量要达到油箱的油标位置，加油方法是：先加油至油箱最高油标线，开动油泵电动机，把油供至系统各管道，再加油至油箱油标线，再开动电动机，这样多次进行，直至油液保持在油标线内为止。

所以在日常的使用和设备保养过程中，要十分注意观察油的质量，避免油污染对设备造成的损害。

参考文献

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