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邵發(fā)學院畢業(yè)設計（論文）任務書
專業(yè)班級
2003級機制本科專業(yè)
學生姓名
陳藝
學 號
0340717149
課題名稱
可急回抽油機速度分析及機械系統(tǒng)設計
設計(論文)
起止時間
2007年 3月26日至200 7年6月8日
課題類型
工程設計
課題性質
真實
一、課題研究的目的與主要內容
研究目的：
設計多功能液壓抽油機的液壓系統(tǒng)，驅動抽油機完成多功能作業(yè)。與山河智能機械股份有限公司校企合作。學生在生產(chǎn)現(xiàn)場做畢業(yè)設計，全面提高綜合設計能力，工程實踐能力。
主要內容：
1、對抽油機進行結構分析。
2、設計抽油機工作裝置的液壓系統(tǒng)。
3、繪制抽油機的液壓系統(tǒng)原理圖。
二、基本要求
1、必須獨立完成畢業(yè)設計工作。
2、按制圖標準設計多功能液壓抽油機液壓系統(tǒng)圖和有關零件的零件圖，圖紙比例1∶1，畢業(yè)設計圖紙總工作量不少于2張零號圖紙。
3、按學院畢業(yè)設計的書寫格式要求，撰寫設計說明書，畢業(yè)設計說明書不少于20000字。
4、每個學生應完成與畢業(yè)設計有關的3000-5000個文字的外文資料翻譯, 譯文要求準確,文字流暢。
注：1、此表由指導教師填寫，經(jīng)各系、教研室主任審批生效；
2、此表1式3份，學生、指導教師、教研室各1份。
三、課題研究已具備的條件（包括實驗室、主要儀器設備、參考資料）
1、邵陽學院的實習工廠。
2、機械與能源工程系機械設計實驗室，數(shù)控加工中心實驗室，主要儀器設備有：線切割加工機床，電火花成形加工機床，數(shù)控加工中心，類型較多的機械設計零件等。
3、邵陽學院圖書館。
3、主要參考資料：《機械工程設計手冊》，期刊雜志《工程機械》。
4、山河智能有限公司抽油機裝配車間實習、技術部資料查閱。
四、設計（論文）進度表
1、2007.3.26~2007.3.28 確定課題。
1、2007.3.29~2007.4.4 搜集資料，完成開題報告。
2、2007.4.5~2007.5.6 抽油機結構的確定。
3、2007.4.26~2007.5.10 繪制多功能液壓抽油機液壓系統(tǒng)圖。
4、2007.5.11~2007.5.25 外文資料翻譯，撰寫設計說明書。
5、2007.5.26~2007.6.8 畢業(yè)設計文件打印、撰寫答辯提綱準備答辯。
五、教研室審批意見
教研室主任（簽名） 年 月 日
六、院（系）審批意見
院（系）負責人（簽名） 單位（公章） 年 月 日
指導教師（簽名） 學生（簽名）
邵 發(fā) 學 院
畢業(yè)設計(論文)
課 題 名 稱 可急回抽油機速度分析及機械系統(tǒng)設計
學 生 姓 名 陳 藝
學 號 0340717149
系 、專 業(yè) 機械與能源工程系 機械制造設計及其自動化
指 導 教 師 陳 志 剛
職 稱 副 教 授
目 錄
1 前言………………………………………………………………………………………1
1.1 可急回抽油機簡介……………………………………………………………………1
1.2 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)…………………………………………………………2
1.3 本設計的研究內容……………………………………………………………………5
第二章 系統(tǒng)組成及控制要求……………………………………………………………6
2.1系統(tǒng)簡介………………………………………………………………………………6
2.2系統(tǒng)組成………………………………………………………………………………6
2.3控制要求及技術指標…………………………………………………………………6
2.4變頻器的技術參數(shù)……………………………………………………………………7
第三章 控制系統(tǒng)設計……………………………………………………………………8
3.1確定控制方案…………………………………………………………………………8
3.2主電路設計……………………………………………………………………………10
3.3PLC的接線圖………………………………………………………………………… 11
3.4控制電路圖……………………………………………………………………………11
3.5程序設計………………………………………………………………………………11
4 液壓系統(tǒng)的設計…………………………………………………………………………21
4.1 液壓系統(tǒng)方案及參數(shù)確定……………………………………………………………21
4.2 執(zhí)行元件液壓缸及系統(tǒng)壓力的初選…………………………………………………22
4.3 計算工作裝置鏟斗液壓缸的主要尺寸………………………………………………23
4.4 液壓系統(tǒng)原理圖的制定………………………………………………………………26
5 液壓元件的選擇與專用件的設計………………………………………………………31
5.1 液壓泵的選擇和泵的參數(shù)的計算……………………………………………………31
5.2 柴油發(fā)動機的選擇……………………………………………………………………33
5.3 液壓閥的選擇…………………………………………………………………………33
5.4 其他液壓元件的選擇…………………………………………………………………36
5.5 油箱容量的確定………………………………………………………………………36
6 壓系統(tǒng)性能驗算…………………………………………………………………………37
6.1 液壓系統(tǒng)壓力損失……………………………………………………………………37
6.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升計算……………………………………………………………37
小 結……………………………………………………………………………………38
參考文獻……………………………………………………………………………………39
致 謝……………………………………………………………………………………40
１ 前言
可急回抽油機速度分析及機械系統(tǒng)設計是一種多功能機械，目前被廣泛應用于水利工程，交通運輸，電力工程和礦山采掘等機械施工中，它在減輕繁重的體力勞動，保證工程質量。加快建設速度以及提高勞動生產(chǎn)率方面起著十分重要的作用。由于液壓抽油機具有多品種，多功能，高質量及高效率等特點，因此受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞?？杉被爻橛蜋C速度分析及機械系統(tǒng)設計的生產(chǎn)制造業(yè)也日益蓬勃發(fā)展。
可急回抽油機速度分析及機械系統(tǒng)設計緊密地聯(lián)系在一起，其發(fā)展主要以液壓技術的應用為基礎。由于抽油機的工作條件惡劣，要求實現(xiàn)的動作很復雜，于是它對液壓系統(tǒng)的設計提出了很高的要求，其液壓系統(tǒng)也是工程機械液壓系統(tǒng)中最為復雜的。因此，可急回抽油機速度分析及機械系統(tǒng)設計已經(jīng)成為推動抽油機發(fā)展中的重要一環(huán)[1]。
1.1 可急回抽油機簡介
挖可急回抽油機速度分析及機械系統(tǒng)設計的發(fā)展歷史久遠，可以追溯到1840年。當時美國西部開發(fā)，進行鐵路建設，產(chǎn)生了模仿人體構造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰類似機械手的抽油機，它采用蒸汽機作為動力在軌道上行走。但是此后的很長時間可急回抽油機速度分析及機械系統(tǒng)設計沒有得到很大的發(fā)展，應用范圍也只局限于礦山作業(yè)中。
導致可急回抽油機速度分析及機械系統(tǒng)設計發(fā)展緩慢的主要原因是:其作業(yè)裝置動作復雜，運動范圍大，需要采用多自由度機構，古老的機械傳動對它不太適合。而且當時的工程建設主要是國土開發(fā)，大規(guī)模的筑路和整修場地等，大多是大面積的水平作業(yè)，因此對抽油機的應用相對較少，在一定程度上也限制了抽油機的發(fā)展。
由于液壓技術的應用，二十世紀四十年代有了在拖拉機上配裝液壓反鏟的懸掛式抽油機。隨著液壓傳動技術迅速發(fā)展成為一種成熟的傳動技術，抽油機有了適合它的傳動裝置，為抽油機的發(fā)展建立了強有力的技術支撐，是抽油機技術上的一個飛躍 。同時，工程建設和施工形式也發(fā)生了很大變化。在進行大規(guī)模國土開發(fā)的同時，也開始進行城市型土木施工，這樣，具有較長的臂和桿，能裝上各種各樣的工作裝置，能行走、回轉，實現(xiàn)多自由動作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和溝槽的抽油機得到了廣泛應用[2]。
1950年在意大利北部生產(chǎn)了第一臺液壓抽油機。第一臺液壓抽油機采用定量齒輪泵，中位開式多路閥，工作壓力為9Mpa，所有執(zhí)行元件互相并聯(lián)連結。由單泵向6個執(zhí)行元件供油。由于早期液壓抽油機主要采用了定量齒輪泵，不能按需改變供油流量，無法充分利用發(fā)動機的功率，因此其能量損失很大，不能滿足抽油機復合動作的復雜要求，且可操縱性差。另外，早期試制的液壓抽油機是采用飛機和機床的液壓技術，缺少適用于抽油機各種工況的液壓元件，配套件也不齊全，制造質量不夠穩(wěn)定。從二十世紀六十年代到八十年代中期，液壓抽油機進入了推廣和蓬勃發(fā)展的階段，各國抽油機制造廠和品種增加很快，產(chǎn)量猛增。1968-1970年間，液壓抽油機產(chǎn)量己經(jīng)達到抽油機總產(chǎn)量的83%，其時對抽油機液壓系統(tǒng)的研究也已經(jīng)十分成熟，液壓抽油機已經(jīng)具有了同步控制系統(tǒng)和負載敏感系統(tǒng)L。
自第一臺手動可急回抽油機速度分析及機械系統(tǒng)設計誕生以來的160多年當中，抽油機一直在不斷地飛躍發(fā)展，其技術已經(jīng)發(fā)展到相對成熟穩(wěn)定的階段。目前國際上迅速發(fā)展全液壓抽油機，對其控制方式不斷改進和革新，使抽油機由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、電子計算機綜合程序控制。在危險地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計算機控制接收器和激光導向相結合，實現(xiàn)了抽油機作業(yè)操縱的完全自動化。所有這一切，可急回抽油機速度分析及機械系統(tǒng)設計為其奠定了堅實的基礎，創(chuàng)造了良好的前提[3]。
據(jù)有關專家估算，全世界各種施工作業(yè)場約有65%至70%的土石方工程都是由抽油機完成的。抽油機是一種萬能型工程機械，目前已經(jīng)無可爭議地成為工程機械的第一主力機種，在世界工程機械市場上己占據(jù)首位，并且仍在發(fā)展擴大。抽油機的發(fā)展主要以液壓技術的應用為基礎，其液壓系統(tǒng)已成為工程機械液壓系統(tǒng)的主流形式。隨著科學技術的發(fā)展和建筑施工現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，液壓抽油機需要大幅度的技術進步，技術創(chuàng)新是液壓抽油機行業(yè)所面臨的新挑戰(zhàn)。在技術方面，抽油機產(chǎn)品的核心技術就是液壓系統(tǒng)設計，所以對其液壓系統(tǒng)的分析研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。
1.2 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)
1.2.1 國外研究狀況及發(fā)展動態(tài)
從20世紀60年代液壓傳動技術開始應用在抽油機上至今，可急回抽油機速度分析及機械系統(tǒng)設計己經(jīng)發(fā)展到了相當成熟的階段。目前國際上先進的抽油機產(chǎn)品的額定壓力大都在30MPa以上，并且隨著材料科學技術的進步，有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術方向發(fā)展的趨勢；流量通常在每分鐘數(shù)百升；功率在數(shù)百千瓦以上。如德國Orensttein&
Koppe制造的目前世界上首臺最大的RH40。型全液壓抽油機，鏟斗容量達42m3,液壓油源為18臺變量軸向柱塞泵，總流量高達10200L/min，原動機為2臺QSK60柴油發(fā)動機，總功率高達2014kW,由于可急回抽油機速度分析及機械系統(tǒng)設計經(jīng)常在較惡劣環(huán)境下持續(xù)工作，其各個功能部件都會受到惡劣環(huán)境的影響.系統(tǒng)的可靠性日益受到重視。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設計理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設計理論和方法，并將疲勞損傷累積理論斷裂力學、有限元法、優(yōu)化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術、疲勞強度分析方法等先進技術應用于液壓抽油機強度研究方面，不斷提高設備的可靠性。美國提出了考核動強度的動態(tài)設計分析方法。日本制定了液壓抽油機構件的強度評定程序，研制了可靠性信息處理系統(tǒng)使液壓抽油機的運轉率達到85%-95%，使用壽命超過1萬小時。近幾年來，隨著液壓抽油機產(chǎn)量的提高和使用范圍的擴大，世界上著名的抽油機生產(chǎn)商紛紛采用各種高新技術，來提高自己抽油機在國際上的競爭力，主要表現(xiàn)在五個方面: (1)液壓系統(tǒng)逐漸從開式系統(tǒng)的轉變;(2)系統(tǒng)的節(jié)能技術成為研究的重點; (3)系統(tǒng)的高壓化和高可靠性發(fā)展趨勢日益凸顯; (4)系統(tǒng)的操縱特性上升到很重要的地位;(5)液壓系統(tǒng)與電子控制的結合成為潮流[4]。
(1) 開式向閉式液壓系統(tǒng)的轉變
采用三位六通閥，其特點是有兩條供油路，其中一條是直通供油路，另一條是并聯(lián)供油路。由于這種油路調速方式是進油節(jié)流調速和旁路節(jié)流調速同時起作用，其調速特性受負載壓力和油泵流量的影響，因此這種系統(tǒng)的操縱性能、調速性能和微調性能差。另外，當液壓作用元件一起復合動作時，相互干擾大，使得復合動作操縱非常困難。由于抽油機作業(yè)工程中要求對液壓元件能很好地控制其運動速度和進行微調，而且在其工作的許多工況下要求多個執(zhí)行元件完成復合動作，而長期以來使用的開式液壓系統(tǒng)無法滿足抽油機的調速和復合動作的要求。近年來在國外的抽油機液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)了閉式負載敏感系統(tǒng)(CLSS)。它可以采用一個油泵同時向所有液壓作用元件供油，每一個液壓作用元件的運動速度只與操縱閥的閥桿行程有關，與負載壓力無關，泵的流量按需提供，而且多個液壓作用元件同時動作時相互之間干擾小，因此操縱性好是閉式液壓系統(tǒng)的主要特點。這種系統(tǒng)非常符合抽油機操作的要求，它操縱簡單，對司機的操縱技巧要求低，在國際上己經(jīng)獲得較廣泛的使用，是抽油機液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。目前日本小松公司已經(jīng)把大量抽油機液壓系統(tǒng)從開式系統(tǒng)改為閉式系統(tǒng)了。
(2) 節(jié)能技術的應用
目前液壓可急回抽油機典型的節(jié)能技術基本上有兩種。即負載敏感技術和負流量控制技術，目前液壓抽油機都選用其中一種控制技術來實現(xiàn)節(jié)能要求。負載敏感技術是一種利用泵的出口壓力與負載壓力差值的變化而使系統(tǒng)流量隨之相應變化的技術。德國曼內斯曼(Mannesmann)公司研制的一種負載傳感系統(tǒng)，將其安裝在液壓系統(tǒng)中，可以控制一個或幾個液壓作用元件，而與對其施加的載荷無關。該系統(tǒng)不僅易于操縱，而且微動控制特性很好。其最大的特點就是可以根據(jù)負載大小和調速要求對油泵進行控制，從而實現(xiàn)在按需供流的同時，使調速節(jié)流損失△P控制在很小的固定值，從而達到節(jié)能的目的lzs.e57負流量控制技術是通過位于主控制閥后面的節(jié)流閥建立的壓力對主泵的排量進行調節(jié)的技術。日前以韓國現(xiàn)代(HYUNDAI)、日本小松(KOMATSU)和日本日立(HITACHI)為代表的許多國外著名品牌的抽油機生產(chǎn)商都在自己的抽油機液壓系統(tǒng)中使用了負流量控制技術。這種控制技術具有穩(wěn)定性好、響應快、可靠性和維修性好等特點，但在起始點為重負荷下作業(yè)時，因流量與負載有關，所以可控制性較差[5]。
(3) 提高負載能力和可靠性
為了提高可急回抽油機的負載能力，直接的方法是提高其液壓系統(tǒng)工作壓力、流量和功率。目前，國際上先進的抽油機產(chǎn)品的額定壓力大都在30MPa以上，并且隨著材料科學技術的進步，有朝著更高的壓力甚至采用超高壓液壓技術方向發(fā)展的趨勢;流量通常在每分鐘數(shù)百升;功率在數(shù)百千瓦以上。如德國Orensttein&Koppe制造的型全液壓抽油機，鏟斗容量達42立方米液壓油源為18臺變量軸向柱塞泵，總流量高達100200
L/min，原動機為2臺QSK60柴油發(fā)動機，總功率高達2014kW,由于液壓抽油機經(jīng)常在較惡劣環(huán)境下持續(xù)工作，其各個功能部件都會受到惡劣環(huán)境的影響。系統(tǒng)的可靠性日益受到重視。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設計理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設計理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學、有限元法、優(yōu)化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術、疲勞強度分析方法等先進技術應用于液壓抽油機強度研究方面，不斷提高設備的可靠性。美國提出了考核動強度的動態(tài)設計分析方法。日本制定了液壓抽油機構件的強度評定程序，研制了可靠性信息處理系統(tǒng)，使液壓抽油機的運轉率達到85%-95%，使用壽命超過1萬小時。
(4) 重視操縱特性
可急回抽油機的操縱特性越來越受到重視。日前國際上迅速發(fā)展全液壓抽油機，不斷改進和革新控制方式，使可急回抽油機由簡單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操作和電氣控制，無線電遙控、電子計算機綜合程序控制。各種高新技術的應用，使得抽油機液壓系統(tǒng)操縱特性大大提高。
(5) 電子一液壓集成控制成為當前主要研究目標
電子控制技術與液壓控制技術相結合的電子一液壓集成控制技術近年來獲得了巨大發(fā)展，特別是傳感器、計算機和檢測儀表的應用，使液壓技術和電子控制有機結合，開發(fā)和研制出了許多新型電液自動控制系統(tǒng)，提高了抽油機的自動化程度，推動著抽油機的迅猛發(fā)展。目前國外先進品牌的抽油機在電液聯(lián)合控制方面的研究己趨成熟。美國林肯一貝爾特公司新C系列LS-5800型液壓抽油機安裝了全自動控制液壓系統(tǒng)，可自動調節(jié)流量，避免了驅動功率的浪費。日本住友公司生產(chǎn)的FJ系列五中新型號抽油機配有與液壓回路連接的計算機輔助的功率控制系統(tǒng)，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減少燃油、發(fā)動機功率和液壓功率的消耗，并延長了零部件的使用壽命。
1.2.2 國內研究情況及發(fā)展動態(tài)
從國內情況來看，我國可急回抽油機行業(yè)整體發(fā)展水平較國外緩慢，在可急回抽油機液壓系統(tǒng)方面的理論還比較薄弱。國內大部分可急回抽油機企業(yè)在可急回抽油機液壓系統(tǒng)傳統(tǒng)技術方面的研究具有一定基礎，但由于采用傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的抽油機產(chǎn)品在性能、質量、作業(yè)效率、可靠性等方面均較差，因此采用傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的抽油機在國內市場上基本失去了競爭力，取而代之的是采用各種高新技術的國外抽油機產(chǎn)品。先進的抽油機液壓系統(tǒng)都被國際上一流的生產(chǎn)企業(yè)壟斷，國內企業(yè)在該領域的研究幾乎是空白，這樣國內的抽油機生產(chǎn)廠家就無法獨立制造出性能優(yōu)異的抽油機，絕大部分的市場份額都被國外各種品牌的抽油機所占據(jù)。以20t級的中型液壓抽油機為例，國產(chǎn)20t級抽油機大多數(shù)是歐洲80年代初的技術，同90年代初以來在國內形成批量的日本小松、日立、神鋼以及韓國大宇、現(xiàn)代等機型相比，其主要差距柴油機功率偏低，液壓系統(tǒng)流量偏小，液壓系統(tǒng)特性差，導致平臺回轉速度低，行走速度低，各種性能參數(shù)均偏小，整機性能和作業(yè)效率較國外偏低[6]。
1.3 本設計的研究內容
可急回抽油機系統(tǒng)方面的技術多種多樣，本文主要通過國外幾種知名品牌的抽油機液壓系統(tǒng)為參考對象，對其現(xiàn)有的關鍵技術和控制方式進行比較和研究，為抽油機的液壓系統(tǒng)設計提供一定的參考信息。
(1) 可急回抽油機液壓系統(tǒng)技術發(fā)展動態(tài)的分析研究
大量搜集國內外抽油機液壓系統(tǒng)方面的相關技術資料，系統(tǒng)了解可急回抽油機液壓系統(tǒng)的發(fā)展歷史。分析總結抽油機液壓系統(tǒng)方面的研究現(xiàn)狀和技術發(fā)展動態(tài)。
(2) 可急回抽油機液壓系統(tǒng)設計要求
對液壓抽油機一個工作循環(huán)中的四種工況一挖掘工況、滿斗舉升回轉工況、卸載工況和卸載返回工況進行了詳細的分析，總結了每個工況下各執(zhí)行機構的主要復合動作。根據(jù)液壓抽油機的主要工作特點，系統(tǒng)地總結了抽油機液壓系統(tǒng)設計要求:動力性要求和操縱性要求。
(3) 可急回抽油機液壓系統(tǒng)的設計
分析了傳統(tǒng)可急回抽油機液壓系統(tǒng)中的單泵定量系統(tǒng)、雙泵定量系統(tǒng)和雙變量泵液壓系統(tǒng)，詳細分析了其主要優(yōu)點和存在的問題。本文在分析研究了抽油機液壓系統(tǒng)的基礎上，根據(jù)抽油機液壓系統(tǒng)的設計要求，設計了一套適合我國生產(chǎn)制造的單斗抽油機液壓系統(tǒng)。本設計旨在采用通用的多路閥系統(tǒng)，配以專用控制閥和簡單的伺服控制系統(tǒng)[7]。
第二章 系統(tǒng)組成及控制要求
2.1系統(tǒng)簡介
為改善生產(chǎn)環(huán)境，某公司投資清潔水技改工程并建成一座日產(chǎn)水2.5萬頓的供水系統(tǒng)，分別建設了抽水泵系統(tǒng)、加壓泵系統(tǒng)和高位水池。根據(jù)公司用水需求特點，從抽水泵系統(tǒng)過來的水一部分直接供給生產(chǎn)用水部門，一部分則需通過加壓泵輸送到高位水池，而供給生產(chǎn)用水部門的水壓與供給高位水池的水壓相差較大。同時高位水池距抽水泵房較遠達十多公里，高位水池的液位高低和加壓泵系統(tǒng)的設計以及如何與抽水泵系統(tǒng)“聯(lián)動”也是較難解決的。
鑒于以上特點，從技術可靠和經(jīng)濟實用角度綜合考慮，我們設計了用PLC控制與變頻器控制相結合的自動恒壓控制供水系統(tǒng)，同時通過主水管線壓力傳遞較經(jīng)濟地實現(xiàn)了加壓泵系統(tǒng)與抽水泵系統(tǒng)“遠程聯(lián)動”的控制目的
2.2系統(tǒng)組成
系統(tǒng)主要由電動機，變頻器，PLC控制器，軟起動器，電機保護器數(shù)據(jù)采集及其輔助設備組成。
2.3控制要求及技術指標
1：供水壓力要求恒定，波動一定要小，尤其在換泵時。
2：三臺泵根據(jù)壓力的設定，采用“先開先?！钡脑瓌t。
3：為了防止一臺泵長時間運行，需設定運行時間。當時間到時，自動切換到下一抬泵，以防止泵長時間不用而銹死。
4：要有完善的保護和報警功能。
5：為了檢修和應急要設有手動功能。
6：需要有水池防抽空功能。
技術指標
●供水揚程： 4—120 m
●供水流量： 2—2000 m3/h
●水泵功率： 0.55—75 KW
●平均節(jié)電率： 30—60%
●壓力調節(jié)精度：0.01Mpa
●預定壓力設定數(shù)：第1、2壓力。其中第2壓力設定值為消防用水壓力。
● 水泵數(shù)量及功率可根據(jù)用戶實際情況來選定。
2.4變頻器的技術參數(shù)
ABB ACS400是具有多種功能的變頻器，在本例中由于已選PID調節(jié)器，因此就不用變頻器的內部PID調節(jié)，而只用變頻器的工廠宏FACTORY（0）就可以了。壓力傳感器將壓力信號傳給PID調節(jié)器，PID調節(jié)器根據(jù)壓力設定，輸出4~20MA給變頻器以調節(jié)電機的速度，變頻器的運行要根據(jù)可編程序控制器輸出Q1.0（DCOM1-DI2）是否閉合來確定，變頻器的停止要根據(jù) 編程序控制器輸出Q0.7（DCOM1-DI1）是否閉合來確定。將變頻器
內部可編程繼電器RO1，RO2設定成頻率到達。相關參數(shù)設定如下：
代碼 功能 設定值 代碼 功能 設定值
9902 APPLIC MACRO 0 2102 STOP FUNCTION 1
1001 EXICOMMANDS 3 3201 SUPERV1 PARAM 0103
1003 DIRECTION 1 3202 SUPERV1 LIMLO 15HZ
1102 EXT1/EXT2 6 3203 SUPERV1 LIMHI 50HZ
1103 EXT REF1 SEL 0 3204 SUPERV1V2PARAM0103
第三章 控制系統(tǒng)設計
3.1確定控制方案
1） 工頻手動方式
系統(tǒng)設計了手動工頻的操作方式，將轉換開關打到“工頻”檔位，操作人員可以根據(jù)需要自己決定起動或停止任意一臺泵的運行。由于在該操作方式下，PLC、PID、變頻器等均不參加控制，因此，從技術角度上來說，該方式無法保障出水管網(wǎng)壓力值的恒定，所以必須有人監(jiān)守。該方式主要供PLC、變頻器、PID儀表、壓力變送器等設備故障檢修時使用。
2） 變頻自動方式
將轉換開關打到“變頻”檔位，按下變頻起動按鈕，系統(tǒng)將自動判斷并選擇起始變頻運行泵入口，進入自動運行。
3） 工作原理
(1) 當某臺電機故障或需要檢修某臺電機水泵時，控制系統(tǒng)將退減到3泵循環(huán)方式自動工作;
(2) 當變頻器出現(xiàn)故障時，控制系統(tǒng)將采用工頻驅動方式控制泵的運行與停止，來保證供水的壓力在一定的范圍內，但系統(tǒng)無法達到壓力值的恒定，同時發(fā)出報警蜂鳴聲響，通知操作人員進行處理;
(3) 當無水接點信號來臨時，PLC將關斷所有變頻和工頻輸出，直到無水接點信號消失，PLC將自動恢復控制輸出;
(4) 當消防信號到來時，PLC控制將轉入子程序段執(zhí)行，關斷生活用水，打開消防供水閥，實現(xiàn)對消防管道補充供水目的，系統(tǒng)將根據(jù)在PLC程序中設置的消防供水壓力設定值自動地完成恒定穩(wěn)壓消防供水。當消防信號解除后，系統(tǒng)自動恢復到變頻恒壓供水工作狀態(tài);
(5) 僅單臺泵變頻運行，且處于最低輸出頻率狀態(tài)和較長時間無壓力上下限出現(xiàn)時(可以認為此時的系統(tǒng)供水需求量接近為零)，控制系統(tǒng)將以變頻50Hz運行30s或使管網(wǎng)壓力達到設定值的1.2倍左右后，立即停止運行，進入休眠狀態(tài)，直到管網(wǎng)實際壓力為壓力設定值的80%左右，控制系統(tǒng)重新自動恢復變頻運行，即休眠喚醒。當然，管網(wǎng)中若有氣壓罐，系統(tǒng)應以氣壓罐的壓力控制器的上下限接點作為休眠與喚醒的條件進行控制
3.1.1抽水泵系統(tǒng)
整個抽水泵系統(tǒng)有150KW深井泵電機四臺，90KW深井泵電機兩臺，采用變頻器循環(huán)工作方式，六臺電機均可設置在變頻方式下工作。采用一臺150KW和一臺90KW的軟起動150KW和90KW的電機。當變頻器工作50HZ，管網(wǎng)壓力仍然低于系統(tǒng)設定的下限時，軟起動器便自動起動一臺電機投入到工頻運行，當壓力達到高限時，自動停掉工頻運行電機。系統(tǒng)為每臺電機配備電機保護器，是因為電機功率較大，在變頻器的控制下穩(wěn)定運行；當用水量大到變頻器全速運行也在變頻器的控制下穩(wěn)定運行；當用水量大到變頻器全速運行也不能保證管網(wǎng)的壓和穩(wěn)定時，控制器的壓力下限信號與變頻器的高速信號同時被 PLC檢測到，PLC自動將原工作在變頻狀態(tài)下泵投入到工頻運行，以保持壓力的連續(xù)性，同時將一臺備用的泵用變頻器起動后投入運行，以加大管網(wǎng)的供水量保證壓力穩(wěn)定。若兩臺泵運轉仍，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運行，而將另一臺備用泵投入變頻運行。當用水量減少時，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號有效，這時壓力上限信號如仍出現(xiàn)，PLC首先將工頻運行的泵停掉，以減少供水量。當上述兩個信號仍存在時，PLC再停掉一臺工頻運行的電機，直到最后一臺泵用主頻器恒壓供水。另外，控制系統(tǒng)設計六臺泵為兩組，每臺泵的電機累計運行時間可顯示，24小時輪換一次，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)的泵有相同的運行時間，確保了泵的可靠壽命。
3.1.2半自動運行
當PLC系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，自動控制系統(tǒng)失靈，這時候系統(tǒng)工作處于半自動狀態(tài)，即一臺泵具有變頻自動恒壓控制功能，當用水量不夠時，可手動投入另外一臺或幾臺工頻泵運行。
3.1.3手動
當壓力傳感器故障或變頻器故障時，為確保用水，六臺泵可分別以手動工頻方式運行。實施效果實際運行證明本控制系統(tǒng)構成了多臺深井泵的自動控制的最經(jīng)濟結構，在軟件設計中充分考虎變頻與工頻在切換時的瞬間壓力與電流沖擊，每臺泵均采用軟起動是解決該問題關鍵。變頻器工作的上下限頻率及數(shù)字PID控制的上下限控制點的設定對系統(tǒng)的誤差范圍也有不可忽視的作用。采用變頻恒壓供水，消除了主管網(wǎng)壓力波動，保證了供水質量，而且節(jié)能效果明顯，并延長了主管網(wǎng)及其閥門的使用壽命。另外：
◆采用變頻恒壓供水，消除了主管網(wǎng)壓力波動，保證了供水質量，而且節(jié)能效果明顯，并延長了主管網(wǎng)及其閥門的使用壽命。
◆用穩(wěn)壓減壓閥經(jīng)濟地解決了不同用水壓力的問題。
◆拓寬運用變頻恒壓控制原理，較好地解決了加壓泵房與抽水泵房的遠程通訊總是并達到異地連鎖控制的目的。
◆在抽水泵房設置連續(xù)液位顯示，并將信號傳與PLC，防止泵缺水燒壞電機，設定的取水位置，確保水的質量。
過載、欠壓、過壓、過流、相序不平衡、缺相、電機空轉等情況下為確保電機的良好使用條件，達到延長電機的使用壽命的目的。
系統(tǒng)配備水位顯示儀表，可進行高低位報警，同時通過PLC可確保取水在合理水位的水質監(jiān)控，同時也保護電機制正常運轉工況。
系統(tǒng)配備流量計，既能顯示一段時間的累積流量，又能顯示瞬時流量，可進行出水量的統(tǒng)計和每臺泵的出水流量監(jiān)控。系統(tǒng)配備流量計，既能顯示一段時間的累積流量，又能顯示瞬時流量，可進行出水量的統(tǒng)計和每臺泵的出水流量監(jiān)控。
3.1.4加壓泵系統(tǒng)
由于抽水泵房距離高位水池較遠，直接供水到高位水池抽水泵的揚程不足，為此在距離高位水池落差為36米處設計有一加壓泵房，配備立式離心泵兩臺（一用一備）電機功率為75KW，揚程36米。該加壓泵的控制系統(tǒng)需考慮以下條件：
（1）若高位水池水位低和主管有水，則打開進水電動蝶閥和起動加壓泵向高位水池供水；
（2）若高位水池水位滿且主管有水，則給出報警信號并關閉加壓泵和進水電動蝶閥；
（3）若主管無水表明用水量增大或抽水泵房停止供水，必須開啟出水電動蝶閥由高位水池向主管補充不。像抽水泵一樣，我們?yōu)榧訅罕门鋫淞塑浧饎悠骱碗姍C保護器，確保加壓泵長期可靠地運轉，同時配備了高位水池的水位傳感器和數(shù)顯儀和缺水傳感器。為保證整個主水管網(wǎng)的恒壓供不，當高位水池滿且主水管有水時，加壓泵停止，此時主管壓力將“憋壓”，最終導致主管壓力上升，并將此壓力傳遞到抽水泵房，抽水泵的控制系統(tǒng)檢測到此壓力進行恒壓變頻控制，進而達到整個主管網(wǎng)的恒壓供水，這是整個控制系統(tǒng)設計的關鍵。
3.1.5系統(tǒng)實現(xiàn)功能
◆自動平穩(wěn)切換，恒壓控制主水管網(wǎng)壓力傳感器的壓力信號4~20mA送給數(shù)字PID控制器，控制器根據(jù)壓力設定值與實際檢測值進行PID運算，并給出信號直接控制變頻器的轉速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。
◆電機既有電機保護器，又有軟起動器，克服了起動時的大電流沖擊，相對延長了電機制使用壽命。
◆由于采用PLC控制的壓力自動控制，可以實現(xiàn)無人遠程操作，系統(tǒng)的PLC預留有RS485接口，可與總調度室計算機網(wǎng)絡。
3.2主電路設計
主電路主要由M1、M2、M3三臺電機、交流接觸器KM1~KM6控制三臺電機的運行，KM1、KM2、KM3為電機M1、M2、M3過載保護用的熱繼電器，QF1，QF2，QF3，QF4，QF5分別為主電路、變頻器和三臺泵的工頻運行空氣開關。KM1、KM3、KM5實現(xiàn)自動功能，KM2、KM4、KM6實現(xiàn)手動功能。
3.3PLC的接線圖
CPU224的傳感器電源24V（DC）可以輸出600MA電流，通過核算在本例中容易滿足要求，CPU224的輸出繼電器觸點容量為2A，電壓范圍為5~30V（DC）或5~250V（AC），如果用在較大容量的系統(tǒng)中，一定要注意PLC的輸出保護。I01~I06接控制電路圖中虛線筐內相對應的控制線，201接變頻器的DCOM1，202~203接變頻器的DI1~DI2，變頻器的RO1的常開點接到PLC的I0.0，R02的常開觸點接到PLC的I0.1。
3.4控制電路圖
本系統(tǒng)的電氣控制線路的電路圖中，SA為手動/自動轉換開關，KA為手動/自動中間繼電器，打開1位置為手動狀態(tài)，打開2位置為自動狀態(tài)，同時KA吸合。在手動狀態(tài)，可以按動SB1~SB6控制三臺泵的起停。在自動狀態(tài)時，系統(tǒng)根據(jù)PLC的程序運行，自動控制泵的起停。HL1~HL8為各種運行指示燈。中間繼電器KA的常開觸點接I03，控制自動狀態(tài)時的起動。中間繼電器的KA的三個常閉觸點接在三臺泵的手動控制電路上，控制三臺泵的手動運行。在自動狀態(tài)時，三臺泵在PLC的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運行。KH1，KH2，KH3為三臺泵的熱繼電器的常閉觸點，可對電機進行過流保護。
3.5程序設計
在主程序中，T56，T57為變頻器頻率上、下限到達濾波時間繼電器，，主要用于穩(wěn)定系統(tǒng)，VB200為變頻泵的泵號，VB201為工頻運行泵的總臺數(shù)，VD260為倒泵時間存儲器。
4 液壓系統(tǒng)的設計
WY200液壓履帶式抽油機采用全功率變量系統(tǒng)，先導液壓操縱，整體式多路閥等先進結構。該機具有結構緊湊，操作輕便，使用維護安全可靠，發(fā)動機功率利用率高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。根據(jù)作業(yè)需要可配備0.5-1.25立方米四種反鏟斗及斗容為1.0和1.25立米方的兩種正鏟斗。廣泛用于建筑施工、市政工程、水電、國防工程和一般礦山采掘，挖掘I-VI級土壤[23]。
4.1 液壓系統(tǒng)方案及參數(shù)確定
表4.1 WY200C液壓履帶式抽油機主要技術參數(shù)
項目名稱
單位?
數(shù) 值?
標準斗容量
m3
1
發(fā)動機型號
6135K-16
發(fā)動機標定輸出功率
kW/r/min
106/2100
最大挖掘半徑?
m
10.4
最大挖掘高度?
m3/h
7.78
最大挖掘深度?
m
6.46
最大卸載高度
m
5.7
回轉速度
r/min
0-13.2
行走速度
km/h
*0-5.5
爬坡能力
%
70
作業(yè)循環(huán)時間
S
18-22
主機長/寬度
MPa
0.077
履帶平均接地比壓
MPa
0.048
發(fā)動機額定轉數(shù)
r/min
2100
整機質量
t
20.8
理論生產(chǎn)率
m3/h
200
最大挖掘力
kN
142
系統(tǒng)工作壓力
MPa
36
履帶板寬度
m
0.6
主機運輸尺寸(長X寬X高)
mm
9850x3000x3100
執(zhí)行元件是液壓系統(tǒng)的輸出部分，必須滿足機器設備的運動功能、性能要求和結構、安裝上的限制。根據(jù)所要求的負載運動形態(tài)，選用不同的執(zhí)行元件配置，如下表4.2所示
表 4.2 執(zhí)行元件配置
運 動 方 式
執(zhí) 行 元 件
左行走
右行走
直性行走
左液壓馬達
右液壓馬達
左液壓馬達+右液壓馬達
工作裝置
外擺內收
動臂液壓缸
斗桿液壓缸
鏟斗液壓缸
回轉
擺動液壓馬達
4.2 執(zhí)行元件液壓缸及系統(tǒng)壓力的初選
由于鏟斗的內收是為了鏟料，而外擺是為了卸料，工作裝置采用了兩根動臂液壓缸、一根斗桿、一根鏟斗油缸。要使機構正常工作且具有平穩(wěn)性，兩動臂液壓缸必須同步運動，這就要求任何時刻進出油路的壓力油，必須保持一定的壓力平衡。為此，采用平衡閥控制油路中液壓油的壓力值[24]。
根據(jù)抽油機主要用于建筑施工、礦山的特點，本設計選擇雙作用單活塞桿式液壓缸。
(1) 液壓缸參數(shù)的選擇
每斗料的重量
M = 1.21.65 = 1980 (Kg) （4.1）
G = mg = 19809.8 = 19404 (KN) （4.2）
由卸料斗的尺寸圖按極限情況計算得
所挖斗料自重G與鏟斗液壓缸產(chǎn)生的推力F在卸料斗底板軸承鉸接處轉距平衡
即 F拉L1 = GL2 （4.3）F拉374.5 = 194041206
得 (KN)
工作壓力的選定關系到設計出和系統(tǒng)是否經(jīng)濟合理；工作壓力低，則要求執(zhí)行元件的容量大，即尺寸大、重量重，系統(tǒng)所需流量也大；壓力過高，則對元件的制造精度和系統(tǒng)的使用維護要求提高，并使容積效率降低。一般是根據(jù)機械的類型來選擇工作壓力。
執(zhí)行元件工作壓力可以根據(jù)總負載值或者主機設備類型選取，如表2.3與表2.4所示。
表4.3 負載和工作壓力之間的關系
負載F/KN
＜10
10—20
70—140
140—250
＞250
工作壓力
P/MPa
0.8-1.2
1.5-2.5
10—14
18—21
32
表4.4 各類機械常用的系統(tǒng)工作壓力
設備類型
精加工機床
組合機床
拉 床
農(nóng)業(yè)機械、小型工程機械、工程機械輔助機構
液壓機、重型機械、大中型抽油機、起重運輸機械
工作壓力
P/Mpa
0.8-2
3-5
5-10
1-16
16-32
由負載值大小查上表，參考同類型抽油機，取液壓缸工作壓力為25MPa安裝方式選擇缸頭耳環(huán)帶襯套，活塞桿端連接方式選擇桿端外螺紋桿頭耳環(huán)帶襯套。又因其伸縮速度緩慢但壓力大，故選擇帶緩沖，油口連接方式選擇外螺紋[25]。
4.3 計算工作裝置鏟斗液壓缸的主要尺寸
活塞桿直徑d與缸筒內徑D的計算
受拉時： d=(0.3-0.5)D
受壓時： d=(0.5-0.55)D (p1<5mpa) d=(0.6-0.7)D(5mpa< p1<7mpa) d=0.7D(p1>7mpa)
(1) 液壓油缸的缸徑、桿徑和工作壓力確定
根據(jù)技術條件：確定液壓缸徑和桿徑及行程為：缸徑D=Φ125mm，桿徑d=0.7D=Φ85mm 由此計算出液壓系統(tǒng)工作壓力為：
P= （4.4）
=（2847×103）/（π×（1252-852））
=32MPa
式中F為鎖緊力，F(xiàn)=284KN
(2) 缸筒壁厚計算
根據(jù)機械設計手冊，在此液壓系統(tǒng)中，3.2≤D/δ＜16，故缸筒壁厚應用中等壁厚計算公式，此時：
δ= +C （4.5）
ψ：強度系數(shù)，對無縫鋼管， ψ=1C：用來圓整壁厚數(shù) Py:液壓缸內最高工作壓力。Py=10Mpa D：缸筒內徑
[σ]= [σs]/2.5=175/2.5=70MPa
δ=10×220/(2.3×60-3×10)+C=25mm
故油缸缸筒外圓取D1=125mm.
(3) 缸筒強度校核
根據(jù)SL41-93，缸體合成應力按下式計算：
σzh1=≤[σ] （4.6）
式中：[σ]=60MPa
σz1：縱向應力： σz1==22MPa (4.7)σh1：環(huán)向應力： σh1==75 MPa (4.8)
P：工作壓力，P=32MPa
D：油缸缸徑，D=Φ125mm
d：油缸桿徑，d=Φ85mm
δ：缸筒壁厚，δ=13.5mm
終計算， σzh1==53.2 MPa <70 MPa
即: σzh1< [σ],符合要求.
(4) 活塞桿長度和缸筒長度計算
根據(jù)設計要求的行程，來設計活塞桿的長度；本油缸的行程為1020mm，故油缸的活塞桿的長度為1265mm，缸筒的長度為1500mm。
(5) 活塞桿強度計算
活塞桿受拉力最危險截面是兩端連接螺紋的退刀槽橫截面，（取截面直徑較少值）其應力計算如下 ：
σn=≤[σ] （4.9）
式中σ為拉應力： σ= (4.10) τ為剪應力： τ= (4.11)
上面兩公式中，K：螺紋擰緊系數(shù)，此處取K=1.25
K1:螺紋內摩擦系數(shù),一般取K1=0.12
d1：活塞桿危險截面處直徑，d1=80mm
d0：螺紋外徑，d0=82mm
[σ]：70MPa
則：σ==38.4Mpa τ==25.9Mpa 得: σn=64.3MPa
所以: σn< [σ],符合工況要求[26]。
(6) 下蓋聯(lián)接螺釘強度校核計算
螺釘聯(lián)接采用高強度螺釘M20×80(GB/T70.1-2000)聯(lián)接,兩端數(shù)量均為24件，螺釘精度等級為10.9級，其強度校核，按照公式（4.10）、（4.11）。
拉應力： σ==184.8 MPa
剪應力： τ==83.92 MPa
K：螺紋擰緊系數(shù)，此處取K=1.25
K1: 螺紋摩擦系數(shù),一般取K1=0.12
d1：螺紋內徑，d1=16.752mm d0：螺紋外徑，d0=20mm
Z：24
σs螺釘材料屈服強度，σs≥900Mpa(10.9級)
[σ]= [σs]/2=450Mpa
得：σn=≈235.12MPa<[σ] 符合工況要求
(7) 活塞桿柔度校核計算
活塞桿細比計算如下： λ=≤[λ] （4.12）
此處：L為折算長度，導向套中心至吊頭尺寸，約1500mm
活塞桿直徑d=85mm,
[λ]活塞桿許用細長比，按規(guī)定拉力桿此處[λ]≤100。
計算得λ=4×1265/85=59.5＜[λ]，故滿足要求。
4.4 液壓系統(tǒng)原理圖的制定
4.4.1 制定基本方案
(1) 制定調速方案
液壓執(zhí)行元件確定之后，其運動方向和運動速度的控制是擬定液壓回路的核心問題。方向控制用換向閥或邏輯控制單元來實現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，大多通過換向閥的有機組合實現(xiàn)所要求的動作。對高壓大流量的液壓系統(tǒng)，現(xiàn)多采用插裝閥與先導控制閥的邏輯組合來實現(xiàn)。速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實現(xiàn)。相應的調整方式有節(jié)流調速、容積調速以及二者的結合——容積節(jié)流調速。節(jié)流調速一般采用定量泵供油，用流量控制閥改變輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量來調節(jié)速度。此種調速方式結構簡單，由于這種系統(tǒng)必須用閃流閥，故效率低，發(fā)熱量大，多用于功率不大的場合。容積調速是靠改變液壓泵或液壓馬達的排量來達到調速的目的。其優(yōu)點是沒有溢流損失和節(jié)流損失，效率較高。但為了散熱和補充泄漏，需要有輔助泵。此種調速方式適用于功率大、運動速度高的液壓系統(tǒng)。容積節(jié)流調速一般是用變量泵供油，用流量控制閥調節(jié)輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量，并使其供油量與需油量相適應。此種調速回路效率也較高，速度穩(wěn)定性較好，但其結構比較復雜。節(jié)流調速又分別有進油節(jié)流、回油節(jié)流和旁路節(jié)流三種形式。進油節(jié)流起動沖擊較小，回油節(jié)流常用于有負載荷的場合，旁路節(jié)流多用于高速。調速回路一經(jīng)確定，回路的循環(huán)形式也就隨之確定了。節(jié)流調速一般采用開式循環(huán)形式。在開式系統(tǒng)中，液壓泵從油箱吸油，壓力油流經(jīng)系統(tǒng)釋放能量后，再排回油箱。開式回路結構簡單，散熱性好，但油箱體積大，容易混入空氣。容積調速大多采用閉式循環(huán)形式。閉式系統(tǒng)中，液壓泵的吸油口直接與執(zhí)行元件的排油口相通，形成一個封閉的循環(huán)回路。其結構緊湊，但散熱條件差[27]。
經(jīng)過上述分析此方案選用?容積節(jié)流調速。
(2) 制定壓里控制方案
控制元件(即各種液壓閥)在液壓系統(tǒng)中控制和調節(jié)液體的壓力、流量和方向。根據(jù)控制功能的不同，液壓閥可分為村力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥又分為益流閥(安全閥)、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方式不同，液壓閥可分為開關式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。
液壓抽油機控制系統(tǒng)是對發(fā)動機、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達）等所構成的動力系統(tǒng)進行控制的系統(tǒng)。按控制功能，可分為位置控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)和力（或壓力）控制系統(tǒng)；按控制元件，可分為發(fā)動機控制系統(tǒng)、液壓泵控制系統(tǒng)、多路換向閥控制系統(tǒng)、執(zhí)行元件控制系統(tǒng)和整機控制系統(tǒng)。
液壓控制閥控制系統(tǒng)：
①先導型控制系統(tǒng) 換向控制閥的控制形式有直動型（用手柄直接操縱換向閥主閥芯，目前少用）和先導型兩種。后者是用先導閥控制先導油液，再用先導油液控制換向閥的主閥芯，它又分為機液先導型和電液先導型兩類。
②負荷傳感控制系統(tǒng) 它包括負荷傳感控制閥和負荷傳感控制泵（或定量泵）。閥控系統(tǒng)實質上是節(jié)流式系統(tǒng)。在液壓抽油機上，目前常用的是一般的三位六通多路閥，其滑閥的微調性能和復合操作性能差。20世紀90年代以來，在液壓抽油機上開始采用負荷傳感控制系統(tǒng)，其控制閃不論是中位開式方式還是中位閉式方式，都附帶有壓力補償閥。采用電子控制壓力補償?shù)囊簤撼橛蜋C液壓系統(tǒng)與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)比較，負荷傳感控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：節(jié)省能源消耗。普通三位六通換向閥無論采用定量泵還是變量泵，總要有一部分油液經(jīng)溢流閥溢掉，浪費了能量。而使用負荷傳感變量系統(tǒng)，泵的流量全部用于負載上，泵的壓力僅比負荷壓力大1-3Mpa；流量控制精度高，不受負荷壓力變化的影響；幾個執(zhí)行元件可以同步運動或以某種速比運動，且互不干擾。普通三位六通閥系統(tǒng)用的是并聯(lián)油路，當幾個執(zhí)行元件同時動作時，泵輸出的油液首先流向壓力低的執(zhí)行元件，不能同步。
??? 上述的負荷傳感控制閥只解決了滑閥的微調性能和復合操作性能，而沒有解決節(jié)省能源問題。定量泵和負荷傳感控制閥的系統(tǒng)也沒有節(jié)省能源消耗，因為泵所輸出的流量超過執(zhí)行元件（液壓缸和液壓馬達）所需要的流量時，多余的油液經(jīng)壓力補償閥流回油箱（為保持壓差恒定）變?yōu)闊崮?。只有完全負荷傳感控制系統(tǒng)才能解決節(jié)省能源問題。完全負荷傳感控制系統(tǒng) 完全負荷傳感控制系統(tǒng)由負荷傳感控制閥和負荷傳感控制變量泵組成
帶次級壓力補償閥的負荷傳感系統(tǒng)德國力士樂公司等）在其生產(chǎn)的液壓抽油機上設置了負荷傳感分流器LUOV（Last Unabhangige Durchfluss Vereilung)系統(tǒng)，其主要作用是：當多個執(zhí)行元件同時工作、所需的流量大于液壓泵的流量時，產(chǎn)生供油不足的現(xiàn)象，這不能使正在工作臺的執(zhí)行元件與負載壓力無關的控制得到保證。LUDV系統(tǒng)能保證在供油不足時所有執(zhí)行元件的工作速度按正比例下降，以獲得與負載壓力無關的控制[28]。
制定壓力控制方案?：液壓執(zhí)行元件工作時，要求系統(tǒng)保持一定的工作壓力或在一定壓力范圍內工作，也有的需要多級或無級連續(xù)地調節(jié)壓力，一般在節(jié)流調速系統(tǒng)中，通常由定量泵供油，用溢流閥調節(jié)所需壓力，并保持恒定。在容積調速系統(tǒng)中，用變量泵供油，用安全閥起安全保護作用。在液壓系統(tǒng)中，需要流量不大的高壓油時可考慮用增壓回路得到高壓，而不用單設高壓泵。液壓執(zhí)行元件在工作循環(huán)中，某段時間不需要供油，而又不便停泵的情況下，需考慮選擇卸荷回路。?在系統(tǒng)的某個局部，工作壓力需低于主油源壓力時，要考慮采用減壓回路來獲得所需的工作壓力。
基于以上控制系統(tǒng)方案分析本次設計選用負荷傳感控制系統(tǒng)；采用的是雙泵雙回路恒功率控制液壓系統(tǒng)，帶四種功率控制模式、中位負流量控制，兩液壓主泵按全功率變量。
(3) 指定順序動作方案
主機各執(zhí)行機構的順序動作，根據(jù)設備類型不同，有的按固定程序運行，有的則是隨機的或人為的。工程機械的操縱機構多為手動，一般用手動的多路換向閥控制。加工機械的各執(zhí)行機構的順序動作多采用行程控制，當工作部件移動到一定位置時，通過電氣行程開關發(fā)出電信號給電磁鐵推動電磁閥或直接壓下行程閥來控制接續(xù)的動作。行程開關安裝比較方便，而用行程閥需連接相應的油路，因此只適用于管路聯(lián)接比較方便的場合。另外還有時間控制、壓力控制等。例如液壓泵無載啟動，經(jīng)過一段時間，當泵正常運轉后，延時繼電器發(fā)出電信號使卸荷閥關閉，建立起正常的工作壓力。壓力控制多用在帶有液壓夾具的機床、擠壓機壓力機等場合。當某一執(zhí)行元件完成預定動作時，回路中的壓力達到一定的數(shù)值，通過壓力繼電器發(fā)出電信號或打開順序閥使壓力油通過，來啟動下一個動作。??
(4) 選擇液壓動力源
液壓系統(tǒng)的工作介質完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調速系統(tǒng)多數(shù)是用變量泵供油，用安全閥限定系統(tǒng)的最高壓力。為節(jié)省能源提高效率，液壓泵的供油量要盡量與系統(tǒng)所需流量相匹配。對在工作循環(huán)各階段中系統(tǒng)所需油量相差較大的情況，一般采用多泵供油或變量泵供油。對長時間所需流量較小的情況，可增設蓄能器做輔助油源。?油液的凈化裝置是液壓源中不可缺少的。一般泵的入口要裝有粗過濾器，進入系統(tǒng)的油液根據(jù)被保護元件的要求，通過相應的精過濾器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質流回油箱，可在回油路上設置磁性過濾器或其他型式的過濾器。根據(jù)液壓設備所處環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施[29]。
4.4.2 繪制液壓系統(tǒng)圖
整機的液壓系統(tǒng)圖由擬定好的控制回路及液壓源組合而成。各回路相互組合時要去掉重復多余的元件，力求系統(tǒng)結構簡單。注意各元件間的聯(lián)鎖關系，避免誤動作發(fā)生。要盡量減少能量損失環(huán)節(jié)。提高系統(tǒng)的工作效率。為便于液壓系統(tǒng)的維護和監(jiān)測，在系統(tǒng)中的主要路段要裝設必要的檢測元件（如壓力表、溫度計等）。大型設備的關鍵部位，要附設備用件，以便意外事件發(fā)生時能迅速更換，保證主要連續(xù)工作。各液壓元件盡量采用國產(chǎn)標準件，在圖中要按國家標準規(guī)定的液壓元件職能符號的常態(tài)位置繪制。對于自行設計的非標準元件可用結構原理圖繪制。系統(tǒng)圖中應注明各液壓執(zhí)行元件的名稱和動作，注明各液壓元件的序號以及各電磁鐵的代號，并附有電磁鐵、行程閥。如圖４.１所示[30]
圖4.1 液壓原理圖
５ 液壓元件的選擇與專用件的設計
動力元件的作用是將原動機的機械能轉換成液體的壓力能，指液壓系統(tǒng)中的油泵，它向整個液壓系統(tǒng)提供動力。液壓泵的結構形式一般有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵，它們的性能比較如圖5.1所示
表5.1 各種液壓泵性能比較
項目
齒輪泵(外嚙合)
葉片泵
斜軸式柱塞泵
斜盤式柱塞泵
排量(cm3/r)
1-500
平衡式1-350
不平衡式10-230
100-1000
4-500
最高壓力(MPa)
1-25
平衡式3.5-40
不平衡式3.5-14
21-40
21-40
最高轉速(r/min)
900-4000
平衡式1200-3000
不平衡式1200-1800
750-3600
750-3600
最高效率(%)
70-85
平衡式70-90
不平衡式60-70
88-95
85-92
對污染敏感性
不易受污染影響，隨著齒輪的磨損，效率有所降低
對污染較敏感，葉片磨損時，效率降低到很小
對污染最敏感，配流盤受損傷時效率降低
對污染的斜軸式高，配流盤滑靴磨損時效率降低
吸油性能
轉速為1800r/min時，允許吸入真空度為-26664.4-54328.8Pa(-20-40cmHg)
轉速為1800r/min時，允許吸入真空度為-13332.2~-26664.4Pa(-10-20cmHg)
轉速為1800r/min時，允許吸入真空度為-3.9997-0Pa(-3-0cmHg)
同軸斜式柱塞泵
噪聲(dB)
額定轉速300r/min時，噪聲83dB
額定轉速1450-2400r/min時，噪聲76dB
額定轉速1450-2400r/min時，噪聲87dB
額定轉速1450-2400r/min時，噪聲77dB
對過濾精度要求
30-50μm
20-30μm
15-25μm
15-25μm
易出故障的部位
內部摩擦副；支承軸套端面、齒輪及軸頸磨損，引起橡膠密封損壞、泵體內孔及兩側板磨損
配油盤三角槽極易堵塞，污染物侵入摩擦副，發(fā)生異常磨損或卡殆，油液清潔和吸油通暢，易出現(xiàn)突發(fā)性故障
連桿組件磨損，連桿球頭從驅動軸球窩中脫出，功率調節(jié)彈簧失效，兩對摩擦副磨損
所有變量泵的變量機構，三對摩擦副磨損
5.1 液壓泵的選擇和泵的參數(shù)的計算
5.1.1 液壓泵的工作壓力的確定
+ (5.1)
--是執(zhí)行元件的最高工作壓力,對于本系統(tǒng)的最高工作壓力是銷鎖油缸的入口壓力
--是從液壓泵出口液壓缸之間的管路損失。管路復雜，進口有調速閥，則取=1Mpa。
5.1.2 確定液壓泵的流量
多液壓缸同時工作時，而且系統(tǒng)使用蓄能器鋪助動力源時，則液壓泵輸出流量公式應為
≥ (5.2)
其中 K-系統(tǒng)泄露系數(shù)，取K=1.2
Tt-液壓系統(tǒng)工作周期
Vi-每個液壓缸的工作周期中的總耗油
z-液壓缸的個數(shù)
銷鎖油缸的最大流量 (5.3)
=60.101=60
加料門油缸的最大流量
=60.140.0031=26
根據(jù)以上可知: =60
大泵流量
=80%=48
小泵流量
=20%=12
大泵排量
=37
小泵排量
=8.1
=0.9L/s
按照泵的排量 和、的值來選擇液壓泵
5.1.3 選擇液壓泵的規(guī)格
根據(jù)以上求的泵的排量、和、的值，按系統(tǒng)中給定的液壓泵的形式，從《機械設計手冊》第四卷得雙聯(lián)柱塞泵：主泵: K3V112DT柱塞式串聯(lián)變量雙泵。最大排量112ml/r,該泵按總功率恒定進行變量、總功率按4段進行控制、高壓切斷、中位負流量控制額定壓力—35MPa，系統(tǒng)設定壓力小流量齒輪4Mpa，大流量油泵為—32Mpa。如圖5.1所示[31～32]
5.2 柴油發(fā)動機的選擇
液壓缸在整個循環(huán)運動中，系統(tǒng)的壓力和流量都是變化的。所需功率變化較大，為滿足整個工作循環(huán)的需要，需按大功率段來確定發(fā)動機的功率。
從液壓原理圖可以看出，快速運動時系統(tǒng)的壓力和流量都較大，這時，大小泵同時參加工作，小泵排油壓力和流量均較大。此時，大小泵同時參與工作小泵排油除保證鎖緊力外，還通過順序閥將壓力油供給加料門油缸。
前面的計算已知，小泵供油壓力為=4 MPa,考慮大泵到銷鎖油缸路損失，大泵供油壓力應為=4Mpa
取泵的總效率=0.8，泵的總驅動功率為：
P= (5.4) =89KW
考慮安全系數(shù),故取90KW;查《機械設計手冊》發(fā)動機參數(shù)表得：
發(fā)動機機型號— 6135K—16功率--106KW 轉速--2100r/min
5.3 液壓閥的選擇
選擇液壓閥主要根據(jù)閥的工作壓力和通過閥的流量。本系統(tǒng)工作壓力在9Mpa左右，所以液壓閥都選用中、高壓閥。液壓閥的作用是控制液壓系統(tǒng)的油流方向、壓力和流量，從而控制整個液壓系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作壓力，執(zhí)行機構的動作順序，工作部件的運動速度、方向，以及變換頻率，輸出力和力矩等。
主泵原理圖如圖5.1所示
在液壓系統(tǒng)中，液壓閥的選擇是非常重要的?？梢允瓜到y(tǒng)的設計合理，性能優(yōu)良，安裝簡便，維修容易，并保證系正常工作的重要條件。不但要按系統(tǒng)功需要選擇各種類型的液壓控制閥，還需要考慮額定壓力，通過流量，安裝形式，動作方式，性能特點因素[33]。
5.3.1 根據(jù)液壓閥額定壓力來選擇
選擇的液壓閥應使系統(tǒng)壓力適當