深海采矿悬挂机构的液压系统设计.pdf

液 压 气动 与 密 封 ／ 2 0 1 0年 第 1 O期 深海采矿悬挂机构的液压系统设计 周水根 肖体兵 吴百海 广东工业大学机电工程学院 ， 广东广州5 1 0 0 9 0 摘要 本设计是用 于解决深海采矿水下设备下放和回收的 ， 所设计的液压缸采用复合缸的形式 ， 既提供 了下放和 回收所需的力， 又实 现 了在下放 和回收过程中在重力方 向上的运动补偿 关键词 深海采矿； 复合缸； 下放和回收； 补偿 中图分类号 T H1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 1 0 0 0 1 8 0 3 The Hy d r a l i c S y s t e m De s i g n o f S u s p e a s i o n M e c h a n i s m i n D e e p s e a M i n i n g Z HOU S h u i - g e n XI A0 T i b i n g W U Ba／ h a ／ G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， G u a n g z h o u 5 1 0 0 9 0 C h i n a Ab s t r a c t T h e d e s i g n i s u s e d f o r r e s o l v i n g t h e d e c e n t r a l i z a t i o n a n d r e c y c l i n g o f u n d e r wa t e r e q u i p me n t i n d e e p- s e a mi n i n g ． T h e c y l i n d e r i n t h i s d e s i g n a d o p t s c o mp o s i t e c y l i n d e r w h i c h c a n n o t o f f e r t h e f o r c e o f t h e d e c e n t r a l i z a t i o n a n d r e c y c l i n g b u t a l s o r e a l i z e t h e h e a v e c o mp e n s a t i o n i n t h e p r o c e s s o f d e c e n t r ali z a t i o n a n d r e c y c l i n g ． Ke y W o r d s d e e p - s e a mi n i n g ； c 0 mp 0 s i t e c y l i n d e r ； d e c e n t r ali z a t i o n a n d r e c y c l i n g ； c o mp e n s a t i o n U 日 IJ吾 随着陆地资源逐渐枯竭 ，开发 国际海底矿产资源 是大势所趋。为了维护我国开发 国际海底资源的应有 权益 ， 必须大力发展深海技术 。然而要使采矿作业能顺 利进行 ， 扬矿管等水下设备的安全下放和回收是前提 。 而要实现下放和 回收的工作 就需要 由悬挂机 构来 完 成 。由于受海浪的影响 ， 悬挂机构在 回收或下放 的过程 中采矿船会带着扬矿管一起随着海浪在重力方向上深 沉 ， 扬矿管的升沉易导致疲劳损坏 。因此 ， 为保证 回收 和下放水下设备正常进行 ，在 回收和下放过程中还需 进行重力方 向的升沉补偿 ，使扬矿管基本上保持匀加 速上升或下降。 1 悬挂机构 的回收原理 1 ． 1 悬挂机 构 的液压原 理 图 回收和下放是两个相似 的过程 ，在此 以回收为例 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 1 5 作者简介 周水根 1 9 8 1 一 ， 男， 江西吉安人 ， 研究生学历 ， 研究方 向 机电液 智能控 制。 说明其工作和原理。考虑到系统的负载很高 ， 采用两个 相 同的悬挂机构并联而成 。本文就以单个悬挂机构的 液压系统为研究对象。它主要 由复合缸 由主动缸和被 动缸组成 ， 主动缸套在被动缸中 、 气液蓄能器、 电液 比 例方向阀、 溢流阀等组成 ， 其液压原理图如图 1 所示。 图 1 悬挂机构 的液压原理图 其 中被动缸尺寸 比较大主要用来提供上升所需的 力 ，主动缸尺寸比较小主要用来克服进行补偿时的负 载惯性 、 摩察力等。被动缸下油腔处安装了一个液控单 合式机械手 ， 机械手动作 由气压驱动 ， 搬运动作 由电动 机驱动 ， 结构简单 、 刚性好 、 体积小 、 寿命 长和维修方 便。用可编程控制器设计 的机械手 电气控制系统 ， 线路 简单 ， 系统的可靠性高 ， 功能强 ， 可 以实现储气罐搬运 的 自动化。 参 考 文 献 【 1 】 宋娟． 上 下料 机械手 P L C控 制系统 设计 【 J 】 ． 装备 制造 技术， 1 8 2 0 0 8 1 0 ． 『 2 】 黄伟 ， 胡青 龙． 机械 手 P L C控 制系统 的设计 [ J 】 ． 机电工 程技 术 ， 2 0 0 8 1 1 ． 【 3 ] 方传 青 ， 尹丽娟． 仿真设计 A D A MS 在农业 机械手设 计 中的 应用f J l1． 农 业装备 与车辆工程 ， 2 0 0 8 2 ． 『 4 ] 席思 文， 李伟光 ， 罗玮韬 ， 朱火美． 一种搬运 机械手的运动学 仿真研究【 J J ． 机 电工程技术 ， 2 0 0 9 2 ． 为 ， 其主要与采矿船的类型、 结构、 尺寸以及波浪的周 期和波长有关 ， 海浪周期为 。 则采矿船的加速度方程； 。孥 s in f 1 1。 1 考 虑 6级海况情况下仍能正常 回收水下设备 ， 取 ／ z 0 ． 4 ， 巨浪波高 x 4 ． 9 m， 周期 8 s ， 则采矿船的最大加 速度 a m 0 ． 6 m ／ s 2 o 要使扬矿管相对于采矿船以不变的加 速度 此加速度是根据回收 5 0 0 0 m扬矿管所需时间 ， 不 包括拆卸时间而得出。 当然可以变 ， 视回收时间而定， 只 是 所需 提升 力不 同而 已 向上运 动 ， 在此 取 a 0 ． 0 5 m ／ s ， 则被动缸所要提供的最大的力 G 为 当采矿船 向上运 动时 。如图 2所示 ， 被动缸的功能模型可知 向阀 ， 其作用是在拆卸扬矿管时以防漏油起锁紧作用 。 电磁换向阀和顺序阀的作用为 扬矿管在下放过程中 电磁换向阀工作在左位 、顺序阀工作在小于设定压力 下时，系统利用扬矿管在下放过程 中自身重力 向蓄能 器 中存储能量 ， 而在 回收时 ， 电磁换向阀工作在右位 ， 从而达到节能的目的。传感器 1 用于测量采矿船的升 沉加速度 ， 传感器 2用于测量扬矿管的升沉加速度 。 1 - 2悬挂机 构 的液压 工作原 理 以悬挂机构回收过程为例 ，来介绍其液压工作原 理。本文拟采用匀加速再匀减速来 回收扬矿管， 用下卡 箍卡住扬矿管凸缘 ， 电液比例阀 l 得电工作在左位 ， 电 磁换向阀工作在右位 ，蓄能器和泵 1一起 向被动缸有 杆腔供油 ，从而使收缩活塞杆带动扬矿管由初始速度 为零开始以加速度为 0向上运动 ，此时被动缸提供使 扬矿管产生加速度为 口的向上的力。而在回收过程中 采矿船 由于受 波浪的影响在重力方 向随波浪一起运 动。当采矿船下沉时 ， 如果主动缸不工作 ， 只有被动缸 在工作 ， 系统处 于被动缸工作状态 ， 在复合缸 的密封摩 擦力的作用下 ，因缸筒竖直安装在悬挂机构上 因此缸 筒就会和船一起以一个 向下的加速度下沉 ，从而使得 被动缸的活塞相对于被动缸筒在重力方向的位移增量 变大， 使得有杆腔一侧 的体积增大 ， 压力减 少 ， 扬矿管 受力突变。进而对扬矿管产生冲击， 使其发生疲劳损 坏。反之亦然 ， 当采矿船上升时， 扬矿管受力也会发生 突变 。如果 主 动缸也 处 于工 作状 态 ， 当采 矿船 下沉 时 ． 电液 比例阀 2工作在左位往主动缸 的下油腔供油 ， 此 时主动缸活塞输出一个向上的拉力；当采矿船上升时 ． 电液 比例 阀 2工作在右位往主动缸 的上油腔供油 ， 此 时主动缸活塞输出一个向下 的推力 。如果使主动缸输 出的作用力在数值上等于缸的摩擦力和被动缸工作压 力变化所导致 的被动缸提供向上力的变化 ，从而实现 回收过程的升沉补偿 ，则可以使水下系统不受采矿船 深沉运 动 的影 响而 基本 上 处 于匀 加速 上 升 。用传 感 器 对扬矿管位移进行监测至行程终止 ，电液比例阀 1工 作 在 中位 。 拆卸 扬矿 管接 头 。 按 上述 方法继 续 回收水 下 设备直到最后。 2 液压系统的参数设计 2 ． 1 悬挂 系统 的性能 指标 根据对扬矿系统的重量的估算【 ” ， 扬矿系统的质量 M I 1 0 0 t ，扬矿系统受到的浮力 5 ． 4 8 8 x 1 0 N 等于 5 6 0 t 。 根据我国矿区公布的海况 ， 参考海洋半潜式钻井 平台的升沉运动规律 ，采矿船 的升沉运动近似于简谐 运动【2 J， 已知海浪波高为 ， 采矿船升沉位移与波高之比 图 2被 动 缸 功 能模 型 G 一 G M a a m 2 代入相关数据可得 G t 6 ． 4 x 1 0 N 主动缸提供的力包括克服负载的惯性力 ．摩擦力 和被动缸输出力 的变化 ，由于供油油源的压力 P 。 能够根据被动缸输出力 变化而变化，所 以可以不考 虑 的变化。则主动缸提供 的最大驱动力为 』 I ～ 3 其 中 可通过公式【 3 1 F f f A p , r r D b o k n d b k d x l 0 得 到 。 式 中 ．卜 密封 圈摩擦系数 ， 一般取 0 ． 0 5 0 ． 2 ； △ p 密封圈两侧压力差 ， 单位为 MP a ； k D , 后 厂活塞及活塞杆密封圈摩擦修 正系数 ， 一 般 取 0 ． 1 5 ～ 0 ． 2 5 ； b D , 6 厂活塞及活塞杆密封圈宽度 ， 单位为 I n 。 可得 4 x 1 0 。 N。将 ‰ 0 ． 0 5 m ／ s ， 代人式 3 可 得 5 ． 6 x 1 0 N。 2 ． 2 ． 1 主动缸的设计计算 设液压缸的理论作用力 ，， 按下式确定[ 4 1 4 回 ∞ 式中 一活塞杆上的实际作用力 ； 负载率f 实际功率与额定功率 的比值叫负 载率 ， 一般取 0 ． 5 ～ 0 ． 7 ； 液 压 气动 与 密 封 ／ 2 0 1 0年 第 l 0期 叼 。液压缸的总效率。 ．， 7 l叩m 叩 d 式中 叼 f _ _ 一 机械效率通常取 0 ． 9 ； ’ 7 容积效率 ， 通常取 0 ． 9 8 ； 7 厂 _ 作用力效率， 接 回油箱时取 1 。 在此液压缸 的总效率取 0 ． 8 5 。则主动缸 的理论回 收力为 1 ． 1 1 0 N 7 ／0 6 x 0 8 5 ‘ ． ． ． ⋯ ‘ ‘ 在有活塞杆侧 ＼ ／ 芸 式中d l 活塞杆直径 ， 一般取 d l 1 ～ 1 D。 ； P 供油压力取为 2 0 MP a ； 卜液压缸的理论推力。 则 由上 式可得 胙 僳 一 o ． m 主动缸的缸径取整 D。 9 0 m m， d 3 0 m m。 2 ． 2 ． 2被动缸的设计计算 根据加载力 的要求设计被动缸 中活塞的最小截面 积 。 由被动缸模型块可得 1 r 1 A 1 1 “ 2 - D 2 ≥ 等 式中A 。 一 活塞最小截面积 1 G 广 _ 一 单个液压系统设计最大 回收力； p 液压系统工作压力在此取为 2 0 MP a 。 考虑到被动缸有两个活塞杆取 d D ；将数据 代人上式得 1y／ 一 o ．4 6 7 m 被 动缸 的缸径 取整 D ， 4 8 0 m m， d ， 6 0 mm。 2 _ 2 ． 3主动型系统中最大流量与比例 阀的选择 液压缸的流量计算公式如下 Q I J 一A 2 式 中 Q 。 一主动缸的最大流量 ； 主动缸 的最 大速度 最大 补偿速度为 0 ． 7 7 n l ， s 。 将数据代入上式可得 Q Ⅸ 0 ． 7 7 2 9 3 ． 7 L ／ mi n 选用压力为 2 0 MP a ，流量为 3 0 0 L ／ mi n的电液比例 方向阀。 2 ． 2 ． 4 电动机及液压泵的设计计算 液压泵的类型可以根据实际工况和液压泵的最大工 作压力选取， 然后根据液压泵的最大流量确定其型号。 主 动系统只要能满足系统压力 2 0 M P a ， ‘ 流量 3 0 0 L ／ mi n即 可。根据电动机功率和液压泵排量计算公式圈； w ⋯ “r ／ 1 l 7 ． 6 k w OUU． g 盟 2 0 5 m L ／rm 1 4 6 0 n 一 一 凡 由上 可知 我 们 可 以选 择为 2 0 5 m L ／ r的液压 泵 ， 1 2 0 k W 的电动机。 限于篇幅的关系被动回收系统的最大流量 、比例 阀的选取 、 电动机的功率 、 液压泵的排量等也可以以计 算主动系统方法算出。其数据如表 1 所示 。 表 1 工作 参数 参数值 比例阀最 大流量 比例阀工作压力 电动机 功率 液 压泵 的排量 2 7 4 5 L ／ - i ll 2 O - PB 8 2 3 5 娜 1 ． 9 L ／ r 3 结束语 本文所设计 的悬挂机构 的液压系统 ，具有 回路简 单 、 驱动力大 、 功耗低 、 易于实现计算机 自动控制等特 点。并且实现了在下放和回收过程 中的由采矿船引起 的运动补偿 。 参 考 文 献 【 1 】 肖体兵． 深海采矿装置智能升沉补偿 系统 的研究【 D 】 ． 广州 广 东工业大学 ． 2 0 0 4 ． 【 2 】 方华灿． 海洋石油钻采设 备理论基础【 ． 北京 石油工业 出版 社 ． 1 9 8 4 ． f 3 】 范存德． 液压技术手册 M 】 ． 沈 阳 辽 宁科学技术出版社 ， 2 0 0 0 ． 【 4 ] 成大先． 机械设计 手册 单行本 液压传动【 M 】 ． 北京 化 学工 业 出 版社 ． 2 0 0 4 ． [ 5 】 雷 天觉． 液压工程手册【 M 】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 0 ． 【 6 】 成大 先． 机械 设计 手册第 5卷 【 M】 ． 北 京 化 学工 业出版 社 ， 2 O0 8