斗轮堆取料机液压系统功能及精细设计思想
屹立散料机械在线 李毅民 张毅
2023-5-7
摘要：经过几十年的液压传动的技术进步，液压系统在堆取料机机构中已经得到广泛使用。液压系统设计与元件选择的合理性、经济性对于堆取料机的制造商和用户十分重要。对于目前国内外堆取料机产品设计中常存在的液压系统相关事项，本文从技术角度出发介绍液压系统设计中需要注意的技术与成本问题，以便提高产品的质量和功能，降低制造成本，满足用户的需求。
关键词：斗轮，堆取料机，液压，马达，油缸
1、概述
斗轮堆取料机的部分机构采用液压驱动方式驱动已经是一个普遍现象。其中包括主机构和辅助机构都有液压驱动在使用。液压传动的特点是具有维修量小，磨损小，寿命长，机构紧凑等优点。堆取料机液压传动既有直线运动也有圆周转动。
2、堆取料机的液压系统应用的主要机构
堆取料机使用液压传动的机构主要有：俯仰驱动装置，回转驱动装置，司机室调平，活动导料槽，斗轮活动筛，单尾车升降机构，双尾车的后尾车升降机构，斗轮驱动等机构。
3、堆取料机主机构液压驱动的载荷特性等
堆取料机主机构是指俯仰机构、回转机构、斗轮机构的液压传动。其他辅助机构的载荷在此不做讨论。
堆取料机的回转与斗轮机构属于转动驱动，采用液压马达驱动。所不同的是存在选用高速和低速液压马达两种形式。高速马达还要配有减速机，而低速马达则不需要配减速机。回转驱动采用低速液压马达驱动时其制动器的选型会比较困难。原因是大制动扭矩制动器不易选择合适的安装形式与尺寸。
斗轮机构的载荷包括挖掘阻力、提升功率、摩擦阻力三项载荷。回转机构的载荷则包括风载荷、摩擦载荷、斜坡阻力和斗轮挖掘侧向阻力。对于斗轮机构和回转机构的载荷在此不做过多的分析与描述。
堆取料机的俯仰机构的载荷是通过油缸传递的，载荷通常为拉压载荷。堆取料机的俯仰机构油缸载荷也有设计成纯拉力或纯压力载荷。
在实际俯仰机构工作时，根据设计需要，俯仰油缸则可能做正功，也可能做负功。
油缸的载荷特性与堆取料机的机型机构形式、机构几何尺寸等诸多因素有关。原则上应以可靠、低成本为原则进行设计。作为机械设计者应给出较为详细的堆取料机俯仰角度和油缸的载荷变化关系曲线，便于液压设计者对液压传动系统进行设计。并且，油缸的设计应以受力最小为原则。堆取料机的机型的设计将会直接影响到油缸的受力大小。关于机型机构所涉及的技术内容较为复杂，在此不做详细描述。
4、俯仰驱动液压传动系统的成本控制
影响液压系统成本的主要因素有：油缸受力的大小，液压油压力大小，液压油流量的大小，油泵电机功率的大小等。其基于正常成本控制的主要设计原则有：
1）关于载荷计算与液压系统的计算问题
堆取料机的俯仰机构的液压油缸的载荷计算要按照有关的标准规范进行，要认真核算载荷及载荷组合。不应随意给出余量造成计算值过大的载荷。
设计计算从整机的机型选定开始。首先堆取料机的俯仰系统要满足整机的稳定性要求，其次是设计要使得油缸受力最小为目的。这些重要计算的内容和步骤不能被省略和忽视。
现场施工时要严格按照设计计算的要求添加配重。配重的多少即不允许不足，也不允许过大。
液压系统的设计要按照机械设计给出的载荷条件进行液压系统的设计。液压系统的设计的活塞速度、流量及功率不应给出不合理的余量。液压传动系统应给出设计计算说明书用以表达完整的设计思想。
2）关于液压系统油压力
液压传动系统的液压油压力通常选择为：工作压力 16-22MPa.试验压力 25-31.5MPa。工作压力原则上即不能过高，但也不应过低。
3）关于液压系统的流量
系统的液压油流量是液压系统的重要指标，并且对整个系统的成本起着绝对的作用。原则上不允许存在富余量。油泵的选择是根据油缸直径和活塞速度决定的。即油缸数量、活塞面积、活塞速度的乘积即为需要的流量。
4）关于油缸的选择
油缸受拉/压力的大小：根据堆取料机机械俯仰机构设计计算出的拉/压力的大小值。
直径：由活塞速度、液压油流量、液压油压力等计算和确定合理的油缸直径。
油缸压杆稳定性计算：根据油缸直径及拉压力载荷计算油缸的压杆稳定性。
建议一般在油缸活塞行程的两端点设计成具有终点行程区间缓冲功能的油缸，避免行程终点冲击。
建议油缸行程的选择与确定通常不留有余量。
5）俯仰机构液压系统成本控制的要点
a、正确与合理的计算和选择液压系统的油泵流量，流量的设计通常不必留有余量。流量的大小对液压系统整体成本的影响巨大。
b、正确与合理的计算和选择油缸活塞直径和活塞杆直径，油缸整体具有合理的强度与稳定性。
c、正确和合理的计算和选择油泵电机功率，根据机构和液压原理计算合理选择电机功率。
d、液压系统的功能与参数以及液压元件的品牌要求等要满足合约，但不超出或超过合约要求。
e、液压系统的安全要求满足一般安全规范的要求和合约规定的要求。
f、俯仰机构的机械设计和液压系统的设计要出具证明数据选择理由的计算依据的计算。
g、现场安装时俯仰机构配重的安装重量要正确合理，既要满足俯仰机构的要求，也要符合液压系统对载荷的要求。
h、选择过大的电机功率、过大的油泵流量、过大的油缸直径会增加用户的投入成本和日后使用成本。同时也会加大俯仰系统的过载时的载荷，使用中对机构、结构的强度及局部稳定性不利。
i、液压系统的电机功率的大小也和堆取料机的机型选择有关。机型的不合理也是造成俯仰液压系统电机功率过大的重要原因之一。
6）关于双油缸设计的理念
要充分考虑合约中对于俯仰机构中双油缸的一个油缸能支承/一个油缸能驱动/以及未提出要求的三种情况。实际设计中三种情况的机构、液压系统的设计方法是存在着区别的。
7）关于功能上的一般说明
做负功时可采用平衡阀和液控单向阀加节流阀的方式控制速度。
为防止油缸软管破断可采用防破断阀或液控单向阀解决。
系统手动操作单向阀控制时应设节流阀可减小做负功时的噪音与振动。
油泵若有冗余设计是要在一般操作时断开冗余部分的油泵的流量并停止该电机和油泵的转动。
对于上下两个方向的两个单向阀的控制油路应分别控制而不应同时打开或同时关闭。
8）关于活塞速度
设计时油缸的活塞运行速度参数不应留有余量。计算时需要多大值就取多大值。原因是留有余量后会造成不必要的浪费，同时，速度的余量也就成了功率的余量。原则上，斗轮中心处的俯仰线速度控制在4-6米/分，俯仰速度能够满足堆取料的工作效率即可。
5、关于斗轮低速液压马达驱动存在的某些问题的说明
斗轮低速大扭矩马达驱动实际上是属于高成本的驱动方式。由于低速大扭矩马达制造厂家数量少，价格形成垄断，必然会因为价格问题对选型造成影响。
为达成成交的目的，供应商会建议制造商和用户选择小一个规格的马达，这样前期采购投入价格便宜。虽然也能用，但寿命较短。虽然前期投入较少，但会导致后期维护和使用成本巨大。最终用户在今后的使用中将承担永久高昂的维护及更换的费用。
6、小结
堆取料机各个机构液压系统设计制造首先要满足合约要求；其次是要满足功能要求；最后是要有合理的制造成本。液压系统的设计与制造应使得设备能够以赢利为目的。
液压系统的设计原则上需要根据机械设计给定的载荷进行设计，并要合理的控制成本和满足功能要求。液压系统的载荷与系统应详细的进行计算和验证所选参数。
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