斗輪堆取料機俯仰液壓系統(tǒng)的合理設(shè)計及運用摘要：本文介紹了斗輪堆取料機一般采用液壓系統(tǒng)俯仰機構(gòu)實現(xiàn)機器在不同高度上的堆料和取料作業(yè)和如何合理設(shè)計俯仰液壓系統(tǒng)原理圖及外購件的選型。關(guān)鍵詞：斗輪堆取料機，俯仰機構(gòu)，俯仰液壓系統(tǒng)1刖言俯仰機構(gòu)是斗輪堆取料機實現(xiàn)堆取功能的關(guān)鍵部分。我廠設(shè)計的俯仰機構(gòu)基本采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動，因為采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動能保證機器的出力要求和整機的穩(wěn)定性要求外，又能減輕整機重量和體積和保證各機構(gòu)驅(qū)動性能好，不易產(chǎn)生激勵沖擊，使機器實現(xiàn)軟特性保證，而不易損壞機械設(shè)備，并且維修量小，工作可靠，壽命長。而采用鋼絲繩卷揚機械驅(qū)動變幅，由于變幅頻率比較高，容易鋼絲繩跳槽，磨損，亂繩，而且穩(wěn)定性差，造成機器不能正常使用。液壓俯仰機構(gòu)工作過程即上部鋼結(jié)構(gòu)一端通過俯仰主鉸點與回轉(zhuǎn)平臺連接，另一端與液壓缸鉸接。液壓缸承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的重量，與配重一起實現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)的平衡穩(wěn)定，液壓缸、回轉(zhuǎn)平臺、上部鋼結(jié)構(gòu)組成了活動連桿機構(gòu)，通過液壓缸伸縮運動改變懸臂與水平面的夾角。2概述斗輪堆取料機是電廠、礦山及港口常用的大型運輸設(shè)備，其自身質(zhì)量大、體積大，輸出力也較大。由于斗臂較長，負(fù)載力較大，因而在取料過程中會產(chǎn)生較大的慣性力，對安全性、平穩(wěn)性和可靠性要求很高，因而對液壓俯仰機構(gòu)的要求也很高，如果俯仰機構(gòu)的液壓油路結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，往往會使斗臂產(chǎn)生較大的振動，影響正常工作，甚至發(fā)生事故。本文對斗輪堆取料機俯仰液壓系統(tǒng)進行了合理的分析及正確運用。3斗輪堆取料機俯仰液壓系統(tǒng)的設(shè)計3.1俯仰液壓系統(tǒng)的工作原理在受壓的角度范圍內(nèi)液壓系統(tǒng)做正功。當(dāng)俯仰角度達(dá)到油缸受拉的俯仰角度時液壓系統(tǒng)做負(fù)功，也就是說由外力拉動油缸運動；在相反俯仰角度從最高的俯仰角度運動到最低角度時通常油缸的受力狀態(tài)是從受拉到受壓。為實現(xiàn)油缸的伸縮需要設(shè)計方向控制回路。根據(jù)系統(tǒng)的這種載荷的變化，液壓系統(tǒng)需要相應(yīng)的滿足這種載荷變化的要求。一般油缸單純受壓的俯仰液壓系統(tǒng)相對簡單。對使用即受拉也受壓油缸的液壓系統(tǒng)一般要在油缸的非載荷側(cè)施加背壓，以解決在液壓系統(tǒng)工作期間油缸從受壓到受拉，或者是從受拉到受壓的變化過程中系統(tǒng)的速度控制和震動等問題。所謂施加背壓是指如果油缸是在受壓狀態(tài)，則有桿腔要有一定的壓力，反之，無桿腔也要具有一定的壓力。這樣可以保證系統(tǒng)在隨著俯仰角度變化，油缸的受力狀態(tài)發(fā)生變化時液壓系統(tǒng)始終具有一定的工作壓力，保證系統(tǒng)運動的平穩(wěn)性。為實現(xiàn)液壓缸上升和下降速度合理控制需要設(shè)計流量控制回路。在系統(tǒng)中因為外載荷的變化會導(dǎo)致全系統(tǒng)油壓的失壓，所以，對需要外來控制油的控制各種閥件應(yīng)使用獨立的供油系統(tǒng)，而不能使用主系統(tǒng)的供油進行控制。為實現(xiàn)獨立的供油系統(tǒng)需要單獨設(shè)計壓力控制回路。俯仰液壓系統(tǒng)工作油壓力較高，通過液壓來實現(xiàn)同步效果不一定理想。另一方面在斗輪堆取料機的設(shè)計中，雙油缸是通過機械的剛度來實現(xiàn)同步。目刖，斗輪堆取料機的雙油缸俯仰液壓系統(tǒng)基本上不設(shè)液壓同步系統(tǒng)。綜上所述，由于堆取料機設(shè)備自身質(zhì)量大、體積大，對安全性、平穩(wěn)性和可靠性要求很高，因而對液壓俯仰機構(gòu)的要求也很高，現(xiàn)俯仰液壓系統(tǒng)存在的難題是：（1） 保壓性能要求非常高堆取料機非作業(yè)期間，泵站停止供油，上部結(jié)構(gòu)重量仍然靠液壓缸提供支撐力，通常要求每5h的變化不超過2mm。系統(tǒng)管路在過活動鉸點處一般采用高壓軟管，因材料老化、外物損傷等原因，軟管容易發(fā)生爆裂。若軟管爆裂，油液急速外泄，液壓缸在上部結(jié)構(gòu)重量作用下迅速回收，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)墜落，造成整機傾覆，所以系統(tǒng)必須設(shè)置可靠的保壓回路，即使軟管爆裂等意外發(fā)生，也能使俯仰系統(tǒng)保持穩(wěn)定。（2） 懸臂俯仰換向時快速、平穩(wěn)系統(tǒng)上升、下降換向時速度要快，以保證堆場的堆取效率，但液壓缸運動速度過快，超過液壓泵供油所能達(dá)到的速度，工作腔中出現(xiàn)真空，會出現(xiàn)自重超速下降的危險工況。速度快的同時不能有嚴(yán)重沖擊，以免造成過大的瞬時傾覆力矩，危害整機穩(wěn)定性。（3） 系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置過載保護裝置工作期間如果外力偏大，負(fù)載壓力超過預(yù)定壓力，系統(tǒng)應(yīng)能夠卸荷，避免液壓元件受損，保證系統(tǒng)作業(yè)可靠。3.2俯仰液壓系統(tǒng)的液壓原理圖分析本人主持設(shè)計的產(chǎn)品（內(nèi)蒙準(zhǔn)格爾電廠DQ1000/1000-30斗輪堆取料機）的俯仰液壓系統(tǒng)液壓原理圖與我公司常規(guī)設(shè)計的斗輪堆取料機俯仰液壓系統(tǒng)在這里介紹下液壓原理圖及與傳統(tǒng)設(shè)計之間的改進之處。電機啟動，手動變量泵工作，壓力油經(jīng)電液換向閥，可以實現(xiàn)壓力油進入活塞腔或活塞桿腔，實現(xiàn)油缸的下降和上升。三位四通電液換向閥是為了油缸改變工作方向（即油缸往返動作而用）。其中電磁換向閥是給液動換向閥芯產(chǎn)生移動換向的動力，該動力油源是來自電液換向閥進油路中負(fù)載單向閥所產(chǎn)生的動力液壓油，電液換向閥自身的內(nèi)漏油要直接返回到油箱中。油缸是選用差動雙作用式油缸，活塞桿收回速度是活塞伸出速度的*=D2/（D2-d2）=1.46倍，為了保證懸臂下降時，整機穩(wěn)定無太大的沖擊和抖動，需要調(diào)節(jié)單向調(diào)速閥進油開口量，使油泵排出的油量有一部分壓力油液通過溢流閥回油箱，需要的壓力油液進入油缸活塞桿腔，使懸臂在要求的工作速度平穩(wěn)地下降，減小機器的抖動性。而為了保證懸臂上升時速度達(dá)到要求速度，在回油回路里調(diào)節(jié)單向調(diào)速閥進油開口量。溢流閥是安裝在油泵的出油壓力管路中，是對油泵等各其它液壓元件和管路進行安全保護，該閥調(diào)節(jié)壓力要能保證液壓系統(tǒng)最大工作壓力要求，又能使各液壓元件不受超載負(fù)荷而損壞。一旦液壓系統(tǒng)工作壓力超過溢流閥調(diào)節(jié)壓力值，油泵就通過溢流閥溢流回油箱，而不到執(zhí)行元件中去進行安全保護。但要注意調(diào)節(jié)壓力不能調(diào)得太高，只要調(diào)到工作壓力1.25倍就行了。調(diào)節(jié)太高會造成無謂的能量損失，造成液壓系統(tǒng)發(fā)熱很快，加速液壓元件損壞。機器上部懸臂部分，不論處于何種工作位置都受有不同的力矩作用，要使其位置不變，就需要管路中各液壓元件（包括油泵、閥件油缸等等）都要有較好的密封保壓作用。也就是說，液壓系統(tǒng)中換向閥到中位，油缸一段回路始終都有壓力油的作用，而油缸和平衡閥因泄漏而產(chǎn)生下沉量很小，保證使用要求。這時要檢修油箱上的液壓閥件就要事先關(guān)閉兩只球閥就能使上部懸臂部分位置不動，又可以使所檢修的液壓元件在無壓力油情況下檢修維護。機器上部懸臂部分一般都是頭部比較重的，為減輕油缸受力，在懸臂后部加有適當(dāng)配重可以使油缸上下兩腔工作壓力基本接近一致。但是上部懸臂變幅部分由下降到最低位置或上升到最高位置，機器上懸臂部分重心位置是不斷變化的，在下降最低位置時，其重心位置偏前為最大，產(chǎn)生正力矩，到上升最高位置時，重心位置偏后為最大，產(chǎn)生倒翻力矩。油缸由于承受上述工作載荷性質(zhì)，為了防止上部懸臂部分在下降或上升的變幅過程中不產(chǎn)生失速（變幅過程中的失速易使油泵供油不足產(chǎn)生吸空，使液壓系統(tǒng)失壓），使其保證在穩(wěn)定無沖擊情況下平穩(wěn)地下降或上升，又能使上部懸臂部分長時間的鎖定在所要求的工作位置上，則在油缸進出油管路中均加有平衡閥來實現(xiàn)上述要求。當(dāng)油缸某一腔在承受負(fù)載重力作用下，又進入工作壓力油進行工作時，平衡閥能自動而又及時地在油缸工作腔建立的工作壓力，保證不會使油缸在無阻尼情況下失速，在劇烈抖動或沖擊中進行變幅工作。為了隨時檢測主油路的工作壓力和加油路工作阻力有多少，管路中各設(shè)有一只壓力表，只要打開壓力表開關(guān)，便可以讀出工作壓力值，調(diào)節(jié)壓力開關(guān)開口量大小，可以使壓力表指針帶有阻尼而平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，指示數(shù)值，保護壓力表不損壞。在油泵的吸油管路中，增設(shè)吸油濾油器，保護油箱里臟物不進入油泵中。在油泵出油管路中增設(shè)壓力濾油器，保護油泵打出的油液中的臟物不進入到閥件和油缸中去。在總回油路中增設(shè)磁性濾油器，保證液壓管路中的鐵粉和臟物不回到油箱里，保證油箱油液清潔度，從而大大提高泵閥，活塞，油缸，密封件的壽命。油箱上設(shè)有加熱器，為的是機器用在北方，冬天氣溫在零下10~20°C，造成油箱中油液粘度很大，油液流動性很差，油泵啟動不起來，油泵因吸空而損壞。為此要加溫油液達(dá)到零上5~15C，油泵才能啟動，使液壓系統(tǒng)進入正常工作。要經(jīng)常檢查油箱上最高與最低液位指示器，保證油箱有充足油液。檢查油箱上溫度計，最高油溫不得超過65~80C。往油箱里灌油時要經(jīng)過空氣濾清器，防止臟物進入油箱中。為清洗油箱放油需要，增設(shè)截止閥。為檢修油泵吸油路，防止油箱油液外流，增設(shè)截止閥。因為三位四通電液換向閥需要外來液動壓力油，使其液動換向閥的閥芯移動而換向。這個動力源要與油泵主油路分開，不受油泵主油路的壓力變化而變化。在變幅過程中主油路就是發(fā)生了失速現(xiàn)象，液動換向閥受控的液動壓力油工作壓力不受其影響，保證液動閥芯處于換向位置，不會造成液動換向閥芯時開時關(guān)而造成的上部懸臂變幅部分頻繁劇烈抖動或沖擊。在老產(chǎn)品中所選用的是國產(chǎn)三位四通電液換向閥，沒有這個負(fù)載單向閥。為了實現(xiàn)換向，在液壓系統(tǒng)總回路中加一個溢流閥造成回油背壓，依靠這個背壓推動液動換向閥芯換向。但是這個液力動力油源是與油泵主油路相通的，要受到主油路的壓力變化而變化，使得俯仰油缸在變幅中很容易產(chǎn)生抖動或沖擊。另外，由于液動換向閥芯的自身結(jié)構(gòu)造成，在其換向過程中有那么一瞬間電液換向閥的四個工作油口同時相通，使油泵打出的壓力油突然與回油箱油路相通而失壓。如果不及時換向，就要使上部懸臂變幅部分產(chǎn)生劇烈抖動或沖擊。為了使平衡閥能夠及時產(chǎn)生該閥的開啟壓力（），而又不會輕易失去這個控制壓力，要求液壓系統(tǒng)在油缸進出各自回路中都要設(shè)置單向調(diào)速閥來形成這種阻力。當(dāng)阻壓力達(dá)到平衡閥的開啟壓力，液壓系統(tǒng)才能形成工作回路，油缸實現(xiàn)變幅。以前液壓系統(tǒng)僅在某一回路設(shè)置單向調(diào)速閥這是不夠的。隨著油缸承受的正負(fù)力矩的加大，變幅產(chǎn)生的抖動或沖擊就更加劇烈。3.3俯仰液壓系統(tǒng)中的計算以準(zhǔn)格爾項目為例子，按斗輪堆取料機的使用特點，它主要與斗輪機臂架的高度，長度，以及達(dá)到堆取物料的高度等參數(shù)有關(guān)。我們分析下它的計算：俯仰油缸受力作用圖和油泵工作流量計算：（懸臂水平狀態(tài)時俯仰油缸受力作用圖）已知斗輪中心D在上升時，繞的切線速度為=3.39（經(jīng)驗值，協(xié)議要求）。那么有：A點繞的切線速度：（1）俯仰油缸活塞向上移動工作速度：（2）俯仰油缸活塞腔進油工作流量與油泵的工作流量：初步確定油缸活塞直徑：D=250mm，活塞桿直徑：d=140mm（經(jīng)驗值，一般均取此型號油缸）活塞腔作用面積：（3）兩只油缸的總流量2:（4）油泵的工作流量：（5）（其中為泄漏等的容積效率取0.85）俯仰油缸活塞收回工作速度：（6）重載狀態(tài)指：機器在取料工作中，此時要考慮物料重量及挖掘力。俯仰油缸變位時的工作壓力計算：根據(jù)斗輪堆取料機整機受力分析得知，當(dāng)懸臂架和斗輪處于料堆最低位置即下俯12.15度時，此時懸臂和斗輪有負(fù)載而要上升（即俯仰油缸活塞腔進入高壓油而使油缸活塞桿伸出）時，是油缸活塞腔受力為最大的工作位置。反之，當(dāng)懸臂架和斗輪無負(fù)載而上升到料堆最高位置即上仰11.16度時，是油缸活塞桿腔受力為最大的工作位置。根據(jù)俯仰油缸空載和負(fù)載時受力變位圖即圖5和表1數(shù)據(jù)，我們可以根據(jù)油缸所產(chǎn)生的力矩必須克服由于機器重心偏心所產(chǎn)生的力矩，得出力矩平衡：當(dāng)懸臂架斗輪處于料堆最高位置即上仰11.16度時，作用面為活塞桿腔，此時活塞桿腔受拉力，（7）（負(fù)值表示為油缸受拉力）活塞桿腔作用面積：（8）單只油缸活塞桿腔所受的壓力：（9）當(dāng)懸臂架斗輪處于料堆最低位置即下俯12.15度時，作用面為活塞腔，活塞腔受壓力，（正值表示為油缸受壓力）（10） 單只油缸活塞腔所受的壓力：（11）油泵的工作壓力：因為＞，所以俯仰液壓系統(tǒng)工作壓力值以為依據(jù)。（12）俯仰液壓系統(tǒng)計算：油泵工作所需功率：（13）所以取電動機功率P=15KW安全溢流閥工作壓力：（14）（其中K為安全系數(shù)取1.25）所以取安全溢流閥P=15MPa4結(jié)束語斗輪堆取料機中俯仰機構(gòu)設(shè)計的好壞與優(yōu)劣，對斗輪堆取料機的使用是否方便、可靠，將發(fā)揮很重要的影響。經(jīng)過改進的準(zhǔn)格爾電廠的斗輪堆取料機俯仰液壓系統(tǒng)，俯仰油缸在變幅過程中平衡閥的控制壓力能夠及時形成，主油路的工作壓力不易失控。變幅所產(chǎn)生地抖動或沖擊都很小，機器始終處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，沒有出現(xiàn)常見的機器抖動問題和速度過快過慢的問題，得到了用戶的肯定和認(rèn)可。參考文獻(xiàn)：張利平。液壓閥原理、使用與維護。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005關(guān)肇勛、黃奕振。實用液壓回路。上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1982邵明亮、于國飛、耿華等。斗輪堆取料機。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007JB/T