60 m打樁船樁架變幅系統設計與計算

杭愛群

(江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003)

60 m打樁船樁架變幅系統設計與計算

杭愛群

(江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003)

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

樁架；變幅；機械結構；液壓系統

0 引言

打樁船是在船舶主甲板的頂部或前部設有打樁樁架設備，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。原有打樁船上的樁架是由絞車經鋼絲繩滑輪組牽引作業的，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，由液壓系統控制取代傳統機械作業成為打樁船變幅技術發展的新的趨勢。

液壓傳動系統具有能夠實現無極調速，調速方便，而且調速范圍大；工作平穩，能快速啟動，制動和頻繁換向；調節控制簡單，操作非常方便，容易實現自動化，易于實現過載保護，使用壽命長；液壓元件已經實現了系列化、標準化、通用化，所以安裝、調試、使用、維修都比較方便等優點。本文研究設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，可以減輕工人的勞動強度，提高效率。

1 樁架變幅機構總體設計方案

該變幅機構是由機械機構和液壓系統組成的，機械機構實現傾倒變幅功能，液壓系統為傾倒變幅提供動力，兩者共同完成傾倒變幅作業。

2 樁架變幅機構的機械結構

樁架變幅機構簡圖如圖1所示，該液壓變幅機構主要有主船體、樁架結構、液壓油缸等組成。工作過程：待打的樁吊在樁架上，根據工況要求的角度，液壓油缸伸出或縮回進行調節角度。

3 樁架變幅機構液壓系統工作原理

樁架變幅機構的液壓系統原理圖如圖2所示。當手動換向閥7處于左側位置時，主油缸伸出；當手動換向閥7處于右側位置時，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節為卸荷，這樣液壓泵在低壓下運行。為保證系統工作可靠，設2臺液壓泵互為備用。油缸設平衡閥以保證其運行平穩。

4 液壓元件的設計計算

對液壓系統的液壓油缸、液壓泵、驅動電機、油管直徑等進行計算，并選擇確定。

4.1 初選液壓油缸的設計壓力

按負載大小初選設計壓力。根據機構計算，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為液壓缸內徑，m;F1為無桿腔的推力，F1=5 500 kN;ηCM為機械效率，ηCM=0.9;P為系統工作壓力，P=20 MPa。

代入式(1)后，得D=0.624 m。

根據上述計算結果，查液壓缸缸筒內徑尺寸系列表，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，F2=4 000 kN。

代入后，得d1=0.337 m

根據上述計算結果，查液壓缸活塞桿直徑尺寸系列表，選擇365 mm。

1.主船體 2.樁架結構 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。考慮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，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為系統總的壓力損失，ΣΔp=1.5 MPa。

代入后，得PP≥21.5 MPa。

根據上述計算結果，查軸向柱塞泵技術規格表，選用63SCY14-1B型柱塞泵，其規格見表1。

4.8 驅動液壓泵的功率

P=PPqq/ηp

(7)

式中：P為驅動液壓泵的功率，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 結語

60 m打樁船樁架變幅機構結構簡單，操作方便，安全可靠，工作效率高，可以實現樁架精確變幅要求。此樁架采用手動換向閥控制液壓缸的運動，應用液壓技術，可以頻繁換向、制動等作業，容易實現過載保護。

液壓控制樁架變幅機構已經制造完成。經試驗，液壓系統達到變幅的要求，能夠滿足使用要求，受到廣大水工作業人員的好評。

表1 63SCY14-1B型柱塞泵技術規格

表2 Y225S-4電機的技術規格

[1] 張利平,鄧鐘明. 液壓氣動系統設計手冊[M]. 北京：機械工業出版社，1997.

[2] 王守城，段俊勇. 液壓元件及選用[M]. 北京：化學工業出版社，2007.

[3] 李良洪. 電工手冊[M]. 北京：電子工業出版社，2005.

[4] 成大先. 機械設計手冊[M]. 北京：化學工業出版社，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計工作。

U674.32

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