基于PROE的盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)總成設(shè)計(jì)

雷鳳祥

（伊頓流體動(dòng)力（上海）有限公司，上海 200131）

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基于PROE的盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)總成設(shè)計(jì)

雷鳳祥

（伊頓流體動(dòng)力（上海）有限公司，上海 200131）

摘 要：作為制造型業(yè)企業(yè)，為提高競(jìng)爭(zhēng)力，必須要求一個(gè)產(chǎn)品由最初的概念構(gòu)想到制造完成，再到銷(xiāo)售，所需的時(shí)間要盡量短，產(chǎn)品質(zhì)量要好，制造成本要低，且滿足用戶(hù)個(gè)性化的需求。本產(chǎn)品是基于PRO/E參數(shù)化實(shí)體模型進(jìn)行的裝配總成設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)備實(shí)際工況，模擬進(jìn)行整個(gè)液壓系統(tǒng)與盾構(gòu)機(jī)主機(jī)設(shè)備的裝配，從而使總成設(shè)計(jì)能夠在各個(gè)階段保持整體性和一致性。同時(shí)，為系統(tǒng)內(nèi)部的裝配布置提供了更大的靈活性和合理性。與傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)模式相比，該設(shè)計(jì)有效避免了圖紙與實(shí)際安裝不符造成的變動(dòng)，節(jié)省了制造工期和因修改而新增的材料，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益，并得到了用戶(hù)的充分肯定，贏得了后續(xù)的產(chǎn)品銷(xiāo)售合同。

關(guān)鍵詞：PROE 仿真裝配 總成設(shè)計(jì) 工程圖紙

1 綜合說(shuō)明

盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)包括液壓泵站、油箱、閥塊、檢測(cè)元件、蓄能器以及各系統(tǒng)工作所必需的相關(guān)元件。液壓泵站包括五套油泵電機(jī)組（共用一個(gè)油箱），即推進(jìn)液壓系統(tǒng)油泵電機(jī)組，管片拼裝機(jī)液壓系統(tǒng)油泵電機(jī)組，螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)油泵電機(jī)組，螺旋輸送機(jī)閘門(mén)液壓系統(tǒng)油泵電機(jī)組，油箱自循環(huán)液壓系統(tǒng)油泵電機(jī)組和17套獨(dú)立閥組。

1.1 推進(jìn)系統(tǒng)油泵電機(jī)組泵（見(jiàn)表1）

該泵為三聯(lián)泵：推進(jìn)模式比例變量泵工作，其他兩臺(tái)定量泵卸荷；管片拼裝模式，三聯(lián)泵同時(shí)工作。

表1 推進(jìn)系統(tǒng)油泵電機(jī)組泵的技術(shù)參數(shù)

配套電機(jī)為1LE0001-2CB23-4JA4-Z（SIEMENS）。

對(duì)應(yīng)DK2500、DK2100、DK2200、DK2300、DK2400為單獨(dú)的閥組；DK2000閥組安裝在泵站上。

1.2 管片拼裝機(jī)液壓系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用恒壓比例變量泵（見(jiàn)表2）。

表2 恒壓比例變量泵的技術(shù)參數(shù)

配套電機(jī)為1LE0001-2BB23-4JA4-Z（SIEMENS）。

對(duì)應(yīng)閥組：DK5100、DK5320、DK5310、DK5330為單獨(dú)的閥組；DK5201安裝在馬達(dá)上；DK5000安裝在泵站上。

1.3 螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)

螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)采用閉式系統(tǒng)比例變量泵，自帶補(bǔ)油泵和控制泵（見(jiàn)表3）。

表3 閉式系統(tǒng)比例變量泵的技術(shù)參數(shù)

配套電機(jī)為1LE0001-3AB73-4JB4-Z（SIEMENS）

泵出口配有M16X2的測(cè)試接頭、0-400bar壓力傳感器、0-400bar壓力表、蓄能器和DK4100閥組等。1.4 螺旋輸送機(jī)閘門(mén)液壓系統(tǒng)（見(jiàn)表4）

根據(jù)兩種不同運(yùn)轉(zhuǎn)模式的參數(shù)如下：

快速時(shí)：定量68.5L/min，壓力100bar，兩個(gè)泵同時(shí)工作；

低速時(shí)：定量18.5L/min，壓力250bar，僅一個(gè)泵工作。

表4 雙聯(lián)葉片泵的技術(shù)參數(shù)

配套電機(jī)為1LE0001-1DB43-4JA4-Z（SIEMENS）。

對(duì)應(yīng)閥組：DK2700、DK4530、DK4640、DK4600&DK4610為單獨(dú)的閥塊；DK4500安裝在泵站上，DK4540直接安裝在蓄能器上。

1.5 油箱自循環(huán)液壓系統(tǒng)（見(jiàn)表5）

表5 螺桿泵的技術(shù)參數(shù)

配套電機(jī)為1LE0001-1DB23-4JA4-Z（SIEMENS）。

2 實(shí)施主要過(guò)程

盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)涉及到大量的計(jì)算公式。許多的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以及制圖技術(shù)，還要用到許多非數(shù)值的經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)。開(kāi)始的概念和初步設(shè)計(jì)要明確該系統(tǒng)的實(shí)際使用工況，并憑借知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行初步的判斷。而整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程經(jīng)歷了設(shè)計(jì)—評(píng)價(jià)—再設(shè)計(jì)，直到產(chǎn)生最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果的反復(fù)過(guò)程。這就驅(qū)使著需要將系統(tǒng)布置與PROE的實(shí)體模型相互結(jié)合，進(jìn)而產(chǎn)生加工制造圖紙，再通過(guò)實(shí)體裝配，形成最終液壓系統(tǒng)產(chǎn)品并交付使用。

結(jié)合PROE三維軟件特點(diǎn)和系統(tǒng)的實(shí)際情況，將整個(gè)液壓系統(tǒng)拆分為油箱總成、泵電機(jī)組總成（共5組）、循環(huán)冷卻總成、控制閥組和電氣系統(tǒng)總成五個(gè)主要模塊。以下將通過(guò)油箱總成——結(jié)構(gòu)件裝配布置和閥組——油路流向兩個(gè)典型的模塊設(shè)計(jì)，逐一展現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的裝配布置。

設(shè)計(jì)之初，用戶(hù)提出液壓油箱最小凈容量為5000L，且整體布局要求長(zhǎng)不大于7000mm，寬不大于1080mm，高不大于2535mm。長(zhǎng)度方向±3%傾角，寬度方向±1%傾角。結(jié)合系統(tǒng)要涵蓋五組泵電機(jī)組，最終確定將油箱設(shè)計(jì)為上置式，泵和電機(jī)安裝在油箱底部，循環(huán)冷卻系統(tǒng)和電氣端子箱分別布置于油箱側(cè)面，以有效節(jié)省空間。

根據(jù)系統(tǒng)原理，油箱具體包含：DN125 PN16標(biāo)識(shí)TO0107的進(jìn)口法蘭；DN65 PN16標(biāo)識(shí)TO0108的進(jìn)口法蘭；DN100 PN16標(biāo)識(shí)TO0106的進(jìn)口法蘭；DN100 PN16標(biāo)識(shí)TO0120的進(jìn)口法蘭；DN15 PN16標(biāo)識(shí)TO0101的進(jìn)口法蘭；DN80 PN16標(biāo)識(shí)TO0109的進(jìn)口法蘭+堵頭（備用）；DN80 PN16標(biāo)識(shí)TO0110的進(jìn)口法蘭+堵頭（備用）；DN100 PN16標(biāo)識(shí)TO0111的回油法蘭；DN50 PN16標(biāo)識(shí)TO0112的泄漏油法蘭；DN50 PN16標(biāo)識(shí)TO0121的泄漏油法蘭各一個(gè)。同時(shí)，含一個(gè)1/4取樣口帶有1/4法蘭和堵頭標(biāo)識(shí)DP0101；一個(gè)帶有堵頭的G3/4接口；油箱底部裝有排油口，標(biāo)識(shí)TO0118；油箱末端有兩個(gè)可視油位計(jì)LI0101、LI0102，顯示總?cè)莘e的20%～90%，500L為一刻度；一個(gè)帶有套管的0～60℃，可視溫度表TI0101；一個(gè)帶有套管的4～20mA的模擬溫度傳感器TF0101；在油箱上方有3個(gè)油液壓控制繼電器，分別在油箱總?cè)莘e的40%、50%和90%處安裝；兩個(gè)外側(cè)人孔，分別位于吸油側(cè)和回油側(cè)。油箱頂部安裝三個(gè)過(guò)濾精度為3μm，最大流量1200L/min的空氣濾清器。

此外，油箱設(shè)計(jì)過(guò)程中需要兼顧到：防止吸油口和回油口吸空現(xiàn)象；吸油和回油區(qū)設(shè)置隔板及通氣孔；考慮油箱及整個(gè)系統(tǒng)的吊裝及定位；方便更換內(nèi)置的電氣元件和液壓元件；油箱的整體涂裝。力求整個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、安裝、調(diào)試、維護(hù)方便。

液壓系統(tǒng)中，控制閥組總成設(shè)計(jì)能有效簡(jiǎn)化系統(tǒng)元件間的相互關(guān)聯(lián)，降低制造成本，提高精度和可靠性。然而，本液壓系統(tǒng)復(fù)雜程度較高，增加了液壓閥組設(shè)計(jì)的難度。設(shè)計(jì)中要綜合考慮，簡(jiǎn)化制造工藝的同時(shí)，兼顧使用維護(hù)的通用性和便捷性。

以推進(jìn)系統(tǒng)泵源閥組為例。設(shè)計(jì)之初，結(jié)合泵源閥組原理，可以確定比例變量泵和兩臺(tái)定量雙聯(lián)泵壓力油路可以集成，兩組溢流閥的溢流口回油管路可以集成，同時(shí)溢流閥通過(guò)電磁閥的控制油口可以集成。設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用PROE中MCD兼容的液壓元件安裝腔孔，隨時(shí)調(diào)整元件的安裝位置，使得油路盡量簡(jiǎn)捷，最大限度地減少深孔、長(zhǎng)斜孔和工藝孔。閥塊中孔徑要和流量相匹配，特別注意貫通孔必須保證有足夠的通流面積，注意進(jìn)出油口的方向和位置，應(yīng)與系統(tǒng)的總體布置及管道連接形式相匹配，便于安裝操作?？紤]到溢流閥壓力設(shè)定時(shí)操作和觀察的方便性，將溢流閥等可調(diào)元件設(shè)置在調(diào)節(jié)手柄便于操作的閥塊頂面位置。需要經(jīng)常檢修的電磁閥則布置在閥塊外側(cè)，以便拆裝。閥體尺寸應(yīng)考慮三個(gè)側(cè)面所安裝的元件類(lèi)型及外形尺寸，在保證塊體內(nèi)油道孔間的最小允許壁厚的原則下，力求結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。閥塊油路按原理連通后，閥組上每個(gè)安裝面尺寸應(yīng)自成一體，提高閥塊的加工效率和整體美觀度，并保證所裝的元件、管件、密封件安裝后互不干涉。

閥塊內(nèi)部通過(guò)油道孔將各控制元件聯(lián)系構(gòu)成單元回路及控制系統(tǒng)。油路孔道應(yīng)盡量縮短油道長(zhǎng)度，減少拐彎，合理確定油道孔的通流截面積。在布置閥塊孔道時(shí)，首先根據(jù)系統(tǒng)的總體布置確定各油口的方位?；ヂ?lián)的元件應(yīng)盡量置于互相垂直的相鄰面上，以簡(jiǎn)化孔道布置。然后，先走通主油路，再完成小通徑的油路和控制油路。

在PROE/MCD運(yùn)行環(huán)境中，通過(guò)二維數(shù)據(jù)的交互式輸入，進(jìn)行三維數(shù)據(jù)處理，最后完成三維造型的設(shè)計(jì)。在液壓系統(tǒng)中，各液壓元件通過(guò)內(nèi)部孔道連接，所有孔道在閥塊內(nèi)部縱橫交錯(cuò)，高度集成。處理這些空間位置，可用計(jì)算機(jī)代替手工操作，無(wú)疑將極大地縮短設(shè)計(jì)周期。設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮以下兩個(gè)問(wèn)題：（1）計(jì)算機(jī)圖形方面，主要工作是三維造型的設(shè)計(jì)，閥組圖形功能主要包括截面圖、三維和二維圖形之間的轉(zhuǎn)換，顯示相關(guān)油路連接及不相關(guān)油路間干涉；（2）設(shè)計(jì)方法方面，每一個(gè)液壓元件的幾何參數(shù)能夠在數(shù)據(jù)庫(kù)中方便加載，液壓閥組能夠自動(dòng)模擬生成。干涉、安裝和加工制造等信息可在設(shè)計(jì)過(guò)程中逐一顯現(xiàn)。在這個(gè)過(guò)程中，不斷地交互式查找、糾正和循環(huán)，在多次調(diào)整和反饋后，得到液壓閥塊的三維數(shù)據(jù)，通過(guò)PROE導(dǎo)出功能生成閥塊加工平面圖。經(jīng)過(guò)圖紙校核后，直接用于生產(chǎn)加工，較大地提高了生產(chǎn)效率。

3 新工藝與傳統(tǒng)工藝優(yōu)缺點(diǎn)比較

CAD二維設(shè)計(jì)是較智能的圖形設(shè)計(jì)工具，但不能幫助設(shè)計(jì)者定義設(shè)計(jì)關(guān)系和約束，更不能儲(chǔ)存和保持設(shè)計(jì)關(guān)系。在全過(guò)程設(shè)計(jì)中，它有較大的局限性，不能有效表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，缺乏完善的分析系統(tǒng)和檢索機(jī)制。

PROE三維設(shè)計(jì)使系統(tǒng)產(chǎn)品具有可視化好、形象直觀，提高設(shè)計(jì)效率，支持并行工程設(shè)計(jì)。液壓系統(tǒng)組成元件通過(guò)三維實(shí)體造型在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中應(yīng)用，并在三維設(shè)計(jì)環(huán)境中進(jìn)行液壓元件模型的模擬裝配，以獲得整機(jī)或部件的三維實(shí)體，建立完整的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，從而在此基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量特性分析、零部件間的干涉檢查、創(chuàng)建工程圖，有效地縮短設(shè)計(jì)周期，保證系統(tǒng)間各零部件合理裝配，使裝配過(guò)程快速、高效，為加工制造贏得時(shí)間。三維設(shè)計(jì)支持多專(zhuān)業(yè)同時(shí)設(shè)計(jì)施工，通過(guò)與主機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的有效裝配，最大限度避免設(shè)計(jì)與實(shí)際安裝不符情況，減少設(shè)計(jì)修改，降低使用投入，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造成本，有效保證質(zhì)量和進(jìn)度。通過(guò)本文的分析可知，盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)為了適應(yīng)用戶(hù)個(gè)性化需求，將三維軟件特點(diǎn)成功應(yīng)用于系統(tǒng)的全過(guò)程設(shè)計(jì)，取得了良好的設(shè)計(jì)和應(yīng)用效果。

Hydraulic System Of Shield Machine Assembly Design Using Proe/Mcd

LEI Fengxiang
(Eaton Fluid Power (Shanghai）Co., Ltd., Shanghai 200131)

Abstract:As the m anufacturing company, improving competitiveness re quest a product from concept to completion to sales should be as short as possible, als o better product quality and lower manufacturing costs. The s ame time, the product must sui table for the individual needs of use rs. This hydraulic system as sembly des igning is bas ed on the param etric entity model Asse mbly usi ng PRO/E. According to actual conditions, simulation of as sembly the entir e hydraulic s ystem and the shield machine . Becaus e of this, ensure integrity and coherence in the various stages of assembly design. The same time, it provides greater flexibility and rationality for assembly layout within the system . Compared with traditional methods of product design and production patterns, it avoids drawing changing，witch does not match the actual ins tallation and s aves the manufacture duration and additional material. Ba sed on these, we achieved greater econom ic benefits and fully trus t from the us er, als o we won the subsequent sales contracts.

Key words:PROE/MCD, Simulation Assembly, Integrated design, Manufacturing Drawing