杭愛群

(江蘇省船舶設(shè)計研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

60 m打樁船樁架變幅系統(tǒng)設(shè)計與計算

杭愛群

(江蘇省船舶設(shè)計研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

針對絞車驅(qū)動變幅機構(gòu)打樁船定位精確度不高、效率低下等特點，設(shè)計了一種液壓油缸驅(qū)動變幅機構(gòu)，詳細介紹了機構(gòu)原理、液壓系統(tǒng)工作原理，并對液壓系統(tǒng)的液壓泵、液壓油缸及驅(qū)動電機、油管進行了計算，對液壓元件進行了選擇確定。經(jīng)試驗，液壓系統(tǒng)能夠滿足使用要求，對于打樁船的設(shè)計和改造有一定借鑒意義。

樁架；變幅；機械結(jié)構(gòu)；液壓系統(tǒng)

0 引言

打樁船是在船舶主甲板的頂部或前部設(shè)有打樁樁架設(shè)備，用于水上打樁的工程船舶。為滿足打不同角度樁的要求，樁架要進行變幅傾倒作業(yè)。原有打樁船上的樁架是由絞車經(jīng)鋼絲繩滑輪組牽引作業(yè)的，其變幅角度不容易精確控制，且效率低，工人勞動強度大，因此，由液壓系統(tǒng)控制取代傳統(tǒng)機械作業(yè)成為打樁船變幅技術(shù)發(fā)展的新的趨勢。

液壓傳動系統(tǒng)具有能夠?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速，調(diào)速方便，而且調(diào)速范圍大；工作平穩(wěn)，能快速啟動，制動和頻繁換向；調(diào)節(jié)控制簡單，操作非常方便，容易實現(xiàn)自動化，易于實現(xiàn)過載保護，使用壽命長；液壓元件已經(jīng)實現(xiàn)了系列化、標準化、通用化，所以安裝、調(diào)試、使用、維修都比較方便等優(yōu)點。本文研究設(shè)計了一種利用液壓油缸推動變幅的方式代替絞車變幅方式作業(yè)，可以減輕工人的勞動強度，提高效率。

1 樁架變幅機構(gòu)總體設(shè)計方案

該變幅機構(gòu)是由機械機構(gòu)和液壓系統(tǒng)組成的，機械機構(gòu)實現(xiàn)傾倒變幅功能，液壓系統(tǒng)為傾倒變幅提供動力，兩者共同完成傾倒變幅作業(yè)。

2 樁架變幅機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)

樁架變幅機構(gòu)簡圖如圖1所示，該液壓變幅機構(gòu)主要有主船體、樁架結(jié)構(gòu)、液壓油缸等組成。工作過程：待打的樁吊在樁架上，根據(jù)工況要求的角度，液壓油缸伸出或縮回進行調(diào)節(jié)角度。

3 樁架變幅機構(gòu)液壓系統(tǒng)工作原理

樁架變幅機構(gòu)的液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。當手動換向閥7處于左側(cè)位置時，主油缸伸出；當手動換向閥7處于右側(cè)位置時，主油缸縮回；當手動換向閥7處于中間位置時，主油缸保持不動，同時液壓泵溢流閥調(diào)節(jié)為卸荷，這樣液壓泵在低壓下運行。為保證系統(tǒng)工作可靠，設(shè)2臺液壓泵互為備用。油缸設(shè)平衡閥以保證其運行平穩(wěn)。

4 液壓元件的設(shè)計計算

對液壓系統(tǒng)的液壓油缸、液壓泵、驅(qū)動電機、油管直徑等進行計算，并選擇確定。

4.1 初選液壓油缸的設(shè)計壓力

按負載大小初選設(shè)計壓力。根據(jù)機構(gòu)計算，要求最大推力為5 500 kN，最大拉力為4 000 kN，因而選擇液壓油缸的工作壓力為20 MPa。

4.2 活塞直徑的計算

該液壓油缸按照推力要求計算缸筒的內(nèi)徑，計算公式見式(1)。

要求活塞無桿腔的推力為F1時，其直徑為：

(1)

式中：D為液壓缸內(nèi)徑，m;F1為無桿腔的推力，F(xiàn)1=5 500 kN;ηCM為機械效率，ηCM=0.9;P為系統(tǒng)工作壓力，P=20 MPa。

代入式(1)后，得D=0.624 m。

根據(jù)上述計算結(jié)果，查液壓缸缸筒內(nèi)徑尺寸系列表，選擇630 mm。

4.3 活塞桿直徑的計算

活塞桿直徑按照拉力要求計算活塞桿，計算公式見式(2)。

(2)

式中：d1為活塞桿直徑，m;F2為有桿腔的拉力，F(xiàn)2=4 000 kN。

代入后，得d1=0.337 m

根據(jù)上述計算結(jié)果，查液壓缸活塞桿直徑尺寸系列表，選擇365 mm。

1.主船體 2.樁架結(jié)構(gòu) 3.液壓油缸

1.過濾器 2.液壓泵 3.電機 4.單向閥 5.溢流閥 6.壓力表 7.手動換向閥 8.平衡閥 9.截止閥 10.主油缸 11.油箱

4.4 液壓油缸壁厚的確定

液壓缸壁厚一般按照薄壁筒計算，計算公式見式(3)。

(3)

式中：δ為筒體壁厚，mm；Pmax為液壓缸的最高工作壓力，Pmax=20MPa；[σ]為鋼材的許用強度，[σ]=130MPa。

代入后，得δ=48.46mm?？紤]到液壓缸的加工要求，確定液壓缸壁厚為70mm。

4.5 液壓油缸的流量

(4)

式中：Q為液壓缸流量，mL/s；A為活塞有效工作面積，A=311 566.5 mm2；V為液壓缸最大運動速度，V=0.004 m/s；ηCV為液壓缸容積效率，ηCV=1.0。

代入后，得Q=1 246.266 mL/s。

4.6 液壓泵的額定流量

qp≥kQ

(5)

式中：qp為液壓泵的額定流量，mL/s；K為系數(shù)，K= 1.1。

代入后，得qp≥1 370.893 mL/s。

4.7 液壓泵的最高工作壓力

泵的工作壓力可以根據(jù)液壓油缸的工作壓力來確定，即：

PP≥Pmax+∑Δp

(6)

式中：PP為液壓泵的最高工作壓力，MPa；ΣΔp為系統(tǒng)總的壓力損失，ΣΔp=1.5 MPa。

代入后，得PP≥21.5 MPa。

根據(jù)上述計算結(jié)果，查軸向柱塞泵技術(shù)規(guī)格表，選用63SCY14-1B型柱塞泵，其規(guī)格見表1。

4.8 驅(qū)動液壓泵的功率

P=PPqq/ηp

(7)

式中：P為驅(qū)動液壓泵的功率，kW；ηP為液壓泵效率，ηP=0.95。

代入后，得P=31.025 kW。

4.9 電機的功率

電機的額定功率從《電工手冊》、《機械設(shè)計手冊》中查得，加上功率損耗，選擇37 kW。電機型號為Y225S-4，其規(guī)格見表2。

4.10 油管直徑的計算

(8)

式中：d2為油管直徑，mm；q為液壓缸的實際流量，q=1 246.266 mL/s；v為油管中允許流速，v=3 m/s。

代入后，得d2=23.004 mm。

油管直徑取25 mm。

選擇Φ34 mm×5 mm無縫鋼管作為液壓管。

5 結(jié)語

60 m打樁船樁架變幅機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，安全可靠，工作效率高，可以實現(xiàn)樁架精確變幅要求。此樁架采用手動換向閥控制液壓缸的運動，應(yīng)用液壓技術(shù)，可以頻繁換向、制動等作業(yè)，容易實現(xiàn)過載保護。

液壓控制樁架變幅機構(gòu)已經(jīng)制造完成。經(jīng)試驗，液壓系統(tǒng)達到變幅的要求，能夠滿足使用要求，受到廣大水工作業(yè)人員的好評。

表1 63SCY14-1B型柱塞泵技術(shù)規(guī)格

表2 Y225S-4電機的技術(shù)規(guī)格

[1] 張利平,鄧鐘明. 液壓氣動系統(tǒng)設(shè)計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[2] 王守城，段俊勇. 液壓元件及選用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[3] 李良洪. 電工手冊[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4] 成大先. 機械設(shè)計手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

2013-10-15

杭愛群(1977-)，男，助理工程師，主要從事船舶輪機動力機械設(shè)計工作。

U674.32

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