60 m打桩船桩架变幅系统设计与计算

杭爱群

(江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003)

60 m打桩船桩架变幅系统设计与计算

杭爱群

(江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003)

针对绞车驱动变幅机构打桩船定位精确度不高、效率低下等特点，设计了一种液压油缸驱动变幅机构，详细介绍了机构原理、液压系统工作原理，并对液压系统的液压泵、液压油缸及驱动电机、油管进行了计算，对液压元件进行了选择确定。经试验，液压系统能够满足使用要求，对于打桩船的设计和改造有一定借鉴意义。

桩架；变幅；机械结构；液压系统

0 引言

打桩船是在船舶主甲板的顶部或前部设有打桩桩架设备，用于水上打桩的工程船舶。为满足打不同角度桩的要求，桩架要进行变幅倾倒作业。原有打桩船上的桩架是由绞车经钢丝绳滑轮组牵引作业的，其变幅角度不容易精确控制，且效率低，工人劳动强度大，因此，由液压系统控制取代传统机械作业成为打桩船变幅技术发展的新的趋势。

液压传动系统具有能够实现无极调速，调速方便，而且调速范围大；工作平稳，能快速启动，制动和频繁换向；调节控制简单，操作非常方便，容易实现自动化，易于实现过载保护，使用寿命长；液压元件已经实现了系列化、标准化、通用化，所以安装、调试、使用、维修都比较方便等优点。本文研究设计了一种利用液压油缸推动变幅的方式代替绞车变幅方式作业，可以减轻工人的劳动强度，提高效率。

1 桩架变幅机构总体设计方案

该变幅机构是由机械机构和液压系统组成的，机械机构实现倾倒变幅功能，液压系统为倾倒变幅提供动力，两者共同完成倾倒变幅作业。

2 桩架变幅机构的机械结构

桩架变幅机构简图如图1所示，该液压变幅机构主要有主船体、桩架结构、液压油缸等组成。工作过程：待打的桩吊在桩架上，根据工况要求的角度，液压油缸伸出或缩回进行调节角度。

3 桩架变幅机构液压系统工作原理

桩架变幅机构的液压系统原理图如图2所示。当手动换向阀7处于左侧位置时，主油缸伸出；当手动换向阀7处于右侧位置时，主油缸缩回；当手动换向阀7处于中间位置时，主油缸保持不动，同时液压泵溢流阀调节为卸荷，这样液压泵在低压下运行。为保证系统工作可靠，设2台液压泵互为备用。油缸设平衡阀以保证其运行平稳。

4 液压元件的设计计算

对液压系统的液压油缸、液压泵、驱动电机、油管直径等进行计算，并选择确定。

4.1 初选液压油缸的设计压力

按负载大小初选设计压力。根据机构计算，要求最大推力为5 500 kN，最大拉力为4 000 kN，因而选择液压油缸的工作压力为20 MPa。

4.2 活塞直径的计算

该液压油缸按照推力要求计算缸筒的内径，计算公式见式(1)。

要求活塞无杆腔的推力为F1时，其直径为：

(1)

式中：D为液压缸内径，m;F1为无杆腔的推力，F1=5 500 kN;ηCM为机械效率，ηCM=0.9;P为系统工作压力，P=20 MPa。

代入式(1)后，得D=0.624 m。

根据上述计算结果，查液压缸缸筒内径尺寸系列表，选择630 mm。

4.3 活塞杆直径的计算

活塞杆直径按照拉力要求计算活塞杆，计算公式见式(2)。

(2)

式中：d1为活塞杆直径，m;F2为有杆腔的拉力，F2=4 000 kN。

代入后，得d1=0.337 m

根据上述计算结果，查液压缸活塞杆直径尺寸系列表，选择365 mm。

1.主船体 2.桩架结构 3.液压油缸

1.过滤器 2.液压泵 3.电机 4.单向阀 5.溢流阀 6.压力表 7.手动换向阀 8.平衡阀 9.截止阀 10.主油缸 11.油箱

4.4 液压油缸壁厚的确定

液压缸壁厚一般按照薄壁筒计算，计算公式见式(3)。

(3)

式中：δ为筒体壁厚，mm；Pmax为液压缸的最高工作压力，Pmax=20MPa；[σ]为钢材的许用强度，[σ]=130MPa。

代入后，得δ=48.46mm。考虑到液压缸的加工要求，确定液压缸壁厚为70mm。

4.5 液压油缸的流量

(4)

式中：Q为液压缸流量，mL/s；A为活塞有效工作面积，A=311 566.5 mm2；V为液压缸最大运动速度，V=0.004 m/s；ηCV为液压缸容积效率，ηCV=1.0。

代入后，得Q=1 246.266 mL/s。

4.6 液压泵的额定流量

qp≥kQ

(5)

式中：qp为液压泵的额定流量，mL/s；K为系数，K= 1.1。

代入后，得qp≥1 370.893 mL/s。

4.7 液压泵的最高工作压力

泵的工作压力可以根据液压油缸的工作压力来确定，即：

PP≥Pmax+∑Δp

(6)

式中：PP为液压泵的最高工作压力，MPa；ΣΔp为系统总的压力损失，ΣΔp=1.5 MPa。

代入后，得PP≥21.5 MPa。

根据上述计算结果，查轴向柱塞泵技术规格表，选用63SCY14-1B型柱塞泵，其规格见表1。

4.8 驱动液压泵的功率

P=PPqq/ηp

(7)

式中：P为驱动液压泵的功率，kW；ηP为液压泵效率，ηP=0.95。

代入后，得P=31.025 kW。

4.9 电机的功率

电机的额定功率从《电工手册》、《机械设计手册》中查得，加上功率损耗，选择37 kW。电机型号为Y225S-4，其规格见表2。

4.10 油管直径的计算

(8)

式中：d2为油管直径，mm；q为液压缸的实际流量，q=1 246.266 mL/s；v为油管中允许流速，v=3 m/s。

代入后，得d2=23.004 mm。

油管直径取25 mm。

选择Φ34 mm×5 mm无缝钢管作为液压管。

5 结语

60 m打桩船桩架变幅机构结构简单，操作方便，安全可靠，工作效率高，可以实现桩架精确变幅要求。此桩架采用手动换向阀控制液压缸的运动，应用液压技术，可以频繁换向、制动等作业，容易实现过载保护。

液压控制桩架变幅机构已经制造完成。经试验，液压系统达到变幅的要求，能够满足使用要求，受到广大水工作业人员的好评。

表1 63SCY14-1B型柱塞泵技术规格

表2 Y225S-4电机的技术规格

[1] 张利平,邓钟明. 液压气动系统设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，1997.

[2] 王守城，段俊勇. 液压元件及选用[M]. 北京：化学工业出版社，2007.

[3] 李良洪. 电工手册[M]. 北京：电子工业出版社，2005.

[4] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，2004.

2013-10-15

杭爱群(1977-)，男，助理工程师，主要从事船舶轮机动力机械设计工作。

U674.32

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