碼頭行人踏板液壓系統(tǒng)設(shè)計

胡曉東，陳妙芳，賈銘新，魯陽

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江紹興 312000;2.浙江大學(xué)，浙江杭州 310013)

碼頭行人踏板液壓系統(tǒng)設(shè)計

胡曉東1，陳妙芳1，賈銘新1，魯陽2

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江紹興 312000;2.浙江大學(xué)，浙江杭州 310013)

介紹了碼頭行人踏板液壓系統(tǒng)的主要功能和設(shè)計原理。在分析行人踏板運動過程中液壓缸承受著變化的正、負負載工況的基礎(chǔ)上，提出了該液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，并從設(shè)計要求和技術(shù)參數(shù)著手，詳細闡述了液壓系統(tǒng)參數(shù)的確定、液壓元件的計算和選擇、安全保護措施，并對液壓系統(tǒng)進行了調(diào)試與試車。經(jīng)實踐測試:該液壓驅(qū)動系統(tǒng)速度、背壓穩(wěn)定，運行平穩(wěn)，各項性能滿足行人踏板設(shè)計要求。

行人踏板;液壓系統(tǒng);控制系統(tǒng)

碼頭行人踏板主要供客輪?？拷?、湖、海等碼頭時旅客上、下船用的，其示意圖如1所示。當(dāng)客輪3駛?cè)胪？看a頭以后，液壓缸1驅(qū)動行人踏板2放下以便于旅客通行;當(dāng)客輪駛離碼頭時，液壓缸驅(qū)動行人踏板抬起、收回。在踏板放下、抬起的過程中，液壓系統(tǒng)隨著踏板角度的變化而承受截然不同、且變化較大的正、負負載。因此，在該工況下如何保證液壓系統(tǒng)速度的穩(wěn)定性，穩(wěn)定的背壓是行人踏板設(shè)計的關(guān)鍵。在國內(nèi)外許多碼頭主要還是采用電機驅(qū)動方式帶動鏈條或索鏈實現(xiàn)踏板的升、降功能，也有船舶采用液壓驅(qū)動方式實現(xiàn)吊橋的升、降，但也配備了索鏈輔助加固裝置，系統(tǒng)復(fù)雜且穩(wěn)定性、可靠性不高［1］。文中根據(jù)行人踏板設(shè)計參數(shù)及液壓系統(tǒng)隨踏板角度的變化其負載發(fā)生變化的正、負負載特性，提出了液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計方案，保證了踏板在變化的正、負負載工況下被穩(wěn)定地鎖定在空間任意位置而不下滑。經(jīng)實踐測試:液壓驅(qū)動系統(tǒng)速度、背壓穩(wěn)定，運行平穩(wěn)，各項性能滿足行人踏板設(shè)計要求。

圖1 行人踏板示意圖

1 行人踏板液壓系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 主要執(zhí)行裝置工作要求

行人踏板:擺動角度范圍80°。

液壓系統(tǒng):最大負載20 000 N，往返速度在0.35～1.2 m/min范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)，液壓缸有效行程500 mm。

1.2 踏板抬起、放下液壓系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)液壓系統(tǒng)運行工況，所設(shè)計的液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。踏板放下和抬起分別是通過油缸11的無桿腔和有桿腔進油實現(xiàn)的。為滿足踏板擺動角度80°的設(shè)計要求，在踏板的兩極限位置處增設(shè)了兩個限位開關(guān)ST1、ST2，當(dāng)1YA通電時，電磁閥3左位導(dǎo)通液壓油進入液壓缸無桿腔，推動活塞向右運動，放下踏板 (此時為負負載，且由小向大變化)。當(dāng)放到踏板與水平呈5°夾角時，限位開關(guān)ST1使1YA斷電，電磁閥復(fù)位，踏板停止運動。踏板抬起的過程與放下類似，所不同的是負載為正，且從大向小變化。為克服變化的正、負負載而引起踏板運動的不穩(wěn)定性，系統(tǒng)中采用了單向調(diào)速閥5、6，7、8的出口節(jié)流調(diào)速，保證了液壓缸往復(fù)運動的平穩(wěn)性。同時，為保證踏板運動過程中能長時間穩(wěn)定地鎖定在空間任一位置，而不下滑，設(shè)定了液壓鎖定油路，在液壓缸右側(cè)油路上，設(shè)置了一個液控單向閥4并配以“O”型換向閥。

圖2 液壓系統(tǒng)

液壓缸做往復(fù)運動時，分別承受著截然不同的正、負負載，導(dǎo)致液壓缸左右兩腔的工作壓力也高低不等，因此要求液壓泵必須能提供一高一低二級壓力，故系統(tǒng)中設(shè)計了雙級調(diào)壓回路［2］。在正負載，液壓缸11有桿腔進油時，為高壓，壓力由第一個溢流閥Y1調(diào)整為pY1;在負負載，液壓缸無桿腔進油時，為低壓，壓力由第二個溢流閥Y2調(diào)整為pY2。在無桿腔進油 (1YA帶電)時，雖然兩個溢流閥同在一個進油路上，但溢流閥Y1、Y2為并聯(lián)，pY1＞pY2，故低壓溢流閥Y2起作用，Y1不工作。兩個溢流閥互不干擾，保證了雙級調(diào)壓的可靠性。

1.3 液壓系統(tǒng)的控制電路設(shè)計

液壓系統(tǒng)操作方式分為自動式和手動式，系統(tǒng)控制電路如圖3所示，控制元件動作順序如表1所列。當(dāng)按下起動按鈕SB1時，電磁閥1YA得電，踏板自動放下;當(dāng)按下起動按鈕SB2時，電磁閥2YA得電，踏板自動抬起。踏板在地面和豎立位置時，分別壓合限位開關(guān)ST1、ST2，使得踏板在地面或豎立位置停止運行。手動方式由旋鈕開關(guān)SA來控制，通過與點A搭合時，點動按鈕SB1，可使踏板點動下放。

圖3 液壓系統(tǒng)控制電路

表1 控制元件動作順序表元件

2 液壓元件的計算與選擇

2.1 液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸的確定

在行人踏板的往復(fù)運動過程中，踏板抬起時液壓缸承受最大正負載:FL=20 000 N。根據(jù)液壓機械設(shè)計手冊［3］初選液壓缸工作壓力為3 MPa，背壓為0.6 MPa，活塞桿直徑d=0.5D(其中D為無桿腔直徑)。

踏板抬起過程中，液壓缸運動的受力平衡方程式為

按液壓設(shè)計手冊［4］取D=125 mm，d=63 mm，則液壓缸無桿腔有效工作面積A1=122.7 cm2，有桿腔有效工作面積A2=91.5 cm2。

液壓缸有效工作面積A(A1和A1)需滿足流量控制閥最小穩(wěn)定流量QVmin的要求，即滿足條件:

2.2 液壓缸工作壓力、流量的確定

2.2.1 液壓缸正負載工況

(1)工作壓力

根據(jù)選定的液壓缸活塞和活塞桿直徑，重新計算的液壓缸工作壓力為

(2)流量

系統(tǒng)設(shè)計往返速度為0.35～1.2 m/min，則液壓缸流量為

2.2.2 液壓缸負負載工況

(1)工作壓力

在液壓缸負負載工況時，負載與液壓缸驅(qū)動力方向一致，為保證踏板穩(wěn)定運行，需建立背壓回路。

與負負載平衡的最大背壓為

按液壓設(shè)計手冊，取回油壓力損失為0.2 MPa，則液壓缸工作壓力為p'1=2.186+0.2=2.386 MPa。

(2)流量

2.3 液壓元件的選擇

(1)泵的選擇

根據(jù)液壓缸往復(fù)運動所需最大流量Qmax，并考慮管路的泄漏及溢流閥的最小穩(wěn)定流量 (3 L/min)等［5］，確定液壓泵的流量Qp，即

泵即系統(tǒng)的最高工作壓力pp由最大工作壓力p1、三位四通電磁換向閥3的壓力損失Δp3(取Δp3=0.4 MPa)、液控單向閥4的壓力損失Δp4、單向閥5的壓力損失Δp5(取Δp4=Δp5=0.2 MPa)決定，即

泵的額定壓力。在選擇液壓泵的規(guī)格、型號時，還要考慮到液壓泵的壓力儲備 (即泵的額定壓力比系統(tǒng)最高工作壓力高出25%～60%)等［6］，即

根據(jù)以上計算，選擇雙作用式葉片泵YB1-25，額定壓力為6.3 MPa，流量為21.6 L/min。

(2)確定驅(qū)動電機的功率

取泵的總效率ηp=0.8，則

選用Y112M-6電動機，額定功率為2.2 kW。

(3)液壓閥的選擇

依據(jù)泵的額定壓力和液壓閥的最大實際流量，按液壓機械設(shè)計手冊，選擇液壓閥，其型號、規(guī)格如下:溢流閥YF3-10B，額定壓力為6.3 MPa，額定流量為6.3 L/min;三位四通電磁換向閥34DF30-E10B，額定壓力為16 MPa，額定流量為60 L/min;液控單向閥YAF3-Ea10B，額定壓力為16 MPa，額定流量為80 L/min;普通單向閥 AF3-Ea10B，額定壓力為16 MPa，額定流量為80 L/min;調(diào)速閥QF3-F10B，額定壓力為16 MPa，額定流量為50 L/min。

(4)管道尺寸的確定

液壓系統(tǒng)管道分為壓油管道、吸油管道和回油管道。3種管道皆按其最大流量及允許流速要求加以計算，并按標準取值。

其中，壓油管道盡量按液壓件接口尺寸確定，以使管路連接方便。根據(jù)標準［4］取壓油管道 d壓=10 mm，吸油管道d吸=20 mm，回油管道d回=15 mm，3種管道皆為無縫鋼管。

(5)油箱容積的確定

該系統(tǒng)屬于中壓系統(tǒng)，按經(jīng)驗公式［7］計算V= (3～7)Qp=6×21.15=126.9 L，確定油箱實際容量為V=130 L。

(6)其他液壓輔件的選擇

根據(jù)系統(tǒng)的最大工作壓力和流量，選取濾油器XU-40×80J;選用六測點壓力表開關(guān)KF3-E6B。

3 液壓系統(tǒng)的安全措施

因行人踏板較重，在其運行過程中安全是至關(guān)重要的。液壓系統(tǒng)中采用了液控單向閥和“O”型中位機能的三位電磁換向閥的鎖定回路。當(dāng)系統(tǒng)斷電時，電磁閥復(fù)位至中位，液控單向閥也反向關(guān)閉。這樣就確保了踏板在放下和抬起過程中不至因失電而下滑并被穩(wěn)定鎖定在空間任意位置。

4 液壓系統(tǒng)的調(diào)試與試車

4.1 準備工作

液壓系統(tǒng)調(diào)試初始狀態(tài)為踏板水平位置，如圖1所示。為使保證踏板運動的平穩(wěn)性，在運動前必須向液壓缸油腔充滿油液，建立背壓。具體操作:完全放松或放松溢流閥Y2的調(diào)壓彈簧 (如圖2所示)，同時關(guān)死溢流閥Y1→使1YA接通帶電、換向閥3左位導(dǎo)通→開啟液壓泵→逐漸調(diào)節(jié) (旋緊)Y2的調(diào)壓彈簧，調(diào)定壓力逐漸增加 (通過壓力表開關(guān)上的壓力表觀察壓力)，之后再調(diào)節(jié)彈簧使Y2的調(diào)定壓力逐漸減少，如果壓力表顯示的壓力隨Y2的調(diào)節(jié)而做相應(yīng)的大小變化時，說明液壓缸無桿腔油液已經(jīng)充滿，即充油結(jié)束→關(guān)死Y2，使1YA斷電 (切斷換向閥)→關(guān)閉液壓泵。

4.2 抬起踏板

踏板抬起的過程，是液壓缸有桿腔進油的過程。具體操作:(1)調(diào)定泵的供油壓力pp。放松溢流閥Y1的調(diào)壓彈簧→開啟泵 (泵的全部流量經(jīng)Y1流回油箱、即泵卸荷)→調(diào)節(jié)Y1的調(diào)壓彈簧使Y1的調(diào)定壓力即泵的供油壓力逐漸增加，直到pY1=3.83 MPa左右為止 (由壓力表觀察得知)，即pY1=pp=3.83 MPa，調(diào)定結(jié)束。(2)抬起踏板。關(guān)小調(diào)速閥7的閥口→使2YA帶電，換向閥右位導(dǎo)通，油液進入液壓缸有桿腔，踏板開始抬起→調(diào)節(jié)調(diào)速閥7，使起開口由小到大逐漸變化，踏板即液壓缸的移動速度隨之由小到大地變化，直到滿意 (符合設(shè)計要求)為止。當(dāng)踏板抬到固定的豎立位置 (由定位擋塊限定的位置)時，觸動限位開關(guān)ST2，使2YA和泵同時斷電，踏板被鎖定在豎立的固定位置上，踏板抬起結(jié)束。

4.3 放下踏板

踏板放下的過程，是液壓缸無桿腔進油的過程。具體操作:關(guān)小調(diào)速閥6→放松溢流閥Y2的調(diào)壓彈簧→使換向閥1YA帶電，換向閥左位導(dǎo)通→啟動液壓泵，泵經(jīng)溢流閥Y2卸荷→調(diào)溢流閥Y2，使其調(diào)定壓力pY2逐漸增加 (由壓力表測得)，單向閥8的出口壓力也隨著等值增加，在閥8的出口壓力，亦即液壓缸無桿腔的進油壓力小于液控單向閥4的反向開啟壓力(反向油壓)時，液控單向閥關(guān)閉，液壓缸有桿腔回油被截住，液壓缸不動，踏板不動。當(dāng)溢流閥Y2的調(diào)定壓力pY2增加到使閥8的出口壓力大于液控單向閥4的反向油壓時，液控單向閥4反向開啟，這時液壓缸回油路導(dǎo)通，液壓缸活塞桿右移，踏板放下→調(diào)節(jié)調(diào)速閥6，使其開口由小向大變化，改變液壓缸，即踏板下放速度，直到滿意為止。當(dāng)踏板下放到地面固定位置(由定位擋塊限定的位置)時，觸動限位開關(guān)ST1，使1YA斷電，泵亦斷電停轉(zhuǎn)，踏板放下結(jié)束。

5 結(jié)論

(1)踏板抬起或放下時，由于液壓缸承受變化的正、負負載，導(dǎo)致踏板運動速度不平穩(wěn)，抖動厲害，系統(tǒng)通過采用單向調(diào)速閥、出口節(jié)流調(diào)速及雙級調(diào)壓回路等措施，克服了液壓缸往復(fù)運動時的不平穩(wěn)和抖動現(xiàn)象。

(2)踏板停留在空間任意位置時，由于踏板自重，踏板會下滑，系統(tǒng)采用了液控單向閥和“O”型換向閥的液壓鎖定油路，避免了踏板的下滑。

文中在上述設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，對液壓元件進行了計算和選擇，并對液壓系統(tǒng)進行了調(diào)試和試車，通過實驗驗證:該液壓驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)了踏板的平穩(wěn)運行，各項性能指標符合設(shè)計要求。

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【2】劉茜.舞臺演出車疊加閥式液壓系統(tǒng)設(shè)計［J］.機床與液壓，2010，40(22):78－80.

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【4】范存德.液壓技術(shù)手冊［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

【5】陳俊，劉劍雄，陳雪菊.鋼卷翻轉(zhuǎn)輸送機的液壓系統(tǒng)設(shè)計［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，2(1):36－37.

【6】黃文景，黃宜堅.砂漿車液壓系統(tǒng)設(shè)計［J］.機械科學(xué)與技術(shù)，2011，30(1):129－132.

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Design of Hydraulic System for Dock Pedestrian Pedal

HU Xiaodong1，CHEN Miaofang1，JIA Mingxin1，LU Yang2
(1.Zhejiang Industry Polytechnic College，Shaoxing Zhejiang 312000，China; 2.Zhejiang University，Hangzhou Zhejiang 310013，China)

The hydraulic system's key features and design principles of dock pedestrian pedal were introduced，and plans for hydraulic system and control system were presented based on analysis of the hydraulic cylinders'positive and negative load conditions during exercise.The hydraulic system's parameters determining，selection and calculation of hydraulic components，security measures were explained from the design requirements and technical parameters.Debugging and testing were done.Production practice proves that the speed，back pressure and operation are stable in hydraulic drive system，and its performance meets the design requirements.

Pedestrian pedal;Hydraulic system;Control system

TH137

B

1001－3881(2014)8－090－4

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.030

2013－02－16

胡曉東 (1978—)，本科學(xué)歷，講師，高級技師，主要研究方向為機械設(shè)計與制造。E－mail:zj_hxd@163.com。