能量回收绞车试验台液压系统研究-.pdf

作者简介 陆敏恂 ,男,教授,博士生导师 2xj 能 量 回 收 绞 车 试 验 台 液 压 系 统 研 究 陆敏恂1,于学文1,谌志新2,李梦如1 1.同济大学 机械工程学院,上海 201804;2. 中国水产科学研究院 渔业机械仪器研究所,上海 200092 摘要渔轮用液压绞车的卷筒钢丝绳长2000m,生产出来之后需要进行长时间的寿命试验.常规的试验方法通 过节流为测试绞车加载,发热多,能耗大.以能量回收方法将绞车试验台的传统节流式系统改造设计成新的液压 系统,实现能量的回收再利用,减少节流发热,提高整个系统能量的利用率. 关键词绞车试验台;节流;能量回收;液压系统 中图分类号TH137.5 文献标识码A 文章编号1672-55812008 02-0175-05 Studyonh ydraulics ystemforenergy2recyclingwinchtest2bed LU Min2xun 1, YU Xue2wen 1 , CHEN Zhi2xin 2 , LI Men g2ru 1 1.SchoolofMechanicalEn gineering,Ton gjiUniversit y,Shan ghai201804,China;2.FisheryMachiner yandInstrument ResearchInstitute,ChineseAcademyofFisher ySciences,Shan ghai200092,China Abstract Alife 2cycletestin gisdemandingforafishing2vessel2relatedh ydraulicwinchwith20002meter2long reelwirero pe.Hence,theconventionaltesting,inwhichthethrottlingisa ppliedforwinchloading, willresultinextraheat2emissionandenergy2consumption.Inthispaper,thetraditionalthrottlings ystemofa winchtest 2bedisu pgradedintoanewhydraulics ystemthrou ghener gy2recycling.Therefore,thisapproachcan facilitatethebespokes ystemintheenergyreuse,heatreductionandefficiencyim provement. Keywords winchtest2bed;throttling;ener gyrec ycling;h ydraulics ystem 渔轮液压绞车是在海上打鱼作业时收网用的,生产出来之后需要进行长时间的寿命试验,性能指标达 到要求才能投入使用.绞车试验台就是专门对液压绞车进行性能测试的试验装置.它通过将2000m的钢 丝绳在主卷筒和辅助卷筒之间来回地长时间卷取,并在卷取过程中按测试要求控制钢丝绳的拉力和速度, 模拟海上生产作业的受力情况,对不同厂家不同型号液压绞车的质量及寿命进行检测. 在传统绞车试验台的液压系统中,加载泵出口的高压油全部通过节流阀流回油箱,以节流产生的压力 来调节为绞车提供的负载,这样就导致高压油的能量全部变成热量,散发出去白白浪费.而进行寿命试验, 又需要试验台长时间的运转,这样就势必造成巨大的能量浪费.非但如此,节流损失产生的热量会使系统 的液压油温度过高,会严重影响系统的正常运转、 降低液压元件的使用寿命,并增加试验设备的维修成本, 甚至造成严重后果[1]. 本文主要研究内容是对传统的节流式液压绞车试验台进行改造,设计一个新的液压系统,实现能量的 回收再利用.设计要求以主卷筒卷取钢丝绳长1/3处为标定点,标定点的拉力和绳速要等于绞车的设计额 定值;标定点的扭矩为标定扭矩,测试过程中绞车马达受到的扭矩应该恒等于标定扭矩. 1 液压系统方案设计研究 设计的思路是在加载泵出油口设置常开式溢流阀,保持小流量的溢流,用于调节加载泵出口压力,进 第6卷第2期 2008年6月 中 国 工 程 机 械 学 报 CHINESEJOURNALOFCONSTRUCTIONMACHINERY Vol.6No.2 Jun.2008 1949-.E maillumin unmail.ton 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 而控制系统负载的大小.加载泵出油口的高压油没有通过节流阀流回油箱,而是汇合到绞车马达的进油路 中继续工作,在系统正常运转时,高压油在液压系统中循环使用,辅助补油泵只需提供较少量的液压油,实 现了能量的回收.设计的液压系统如图1所示[2]. 图1 液压系统图 Fig.1 Diagramofh ydraulicsystem 1,5.辅助泵;2,4.安全阀;3.背压阀;6,14,17,20.电液换向阀;7,13,19.单向阀;8.加载泵;9.转速传感器; 10.增速箱;11.扭矩仪;12.绞车卷扬机构;15,16,18,21.电液比例溢流阀;22.电液比例调速阀; F1,F2,F3为3个流量计;P1,P2,P3,P4,P5为5个压力变送仪. 绞车试验台用于检测不同厂家不同型号液压绞车的质量与寿命,每一台绞车都有自己的额定负载和 额定工作压力,所以对试验台的要求也大有不同.面对不同型号的绞车,本系统只需更换合适的补油泵1, 5和加载泵8即可,选取的依据是对正向卷取回收工况分析所得的相关参数. 对于同一台绞车,有正向卷取和反向卷取2大工况.其中正向卷取还包括不同等级的加载工况,比如 加载10,20的轻载工况和加载50,75,100,125的重载工况.本系统可以通过切换油路来适应 相应的工况.比如正向卷取能量回收工况,换向阀6,14处于左位,17处于右位,20处于下位,液压系统工 作时,泵1提供高压油通过阀14和阀13进入绞车,驱动绞车马达带动主卷筒转动,再通过钢丝绳和滑轮 带动辅卷筒,辅卷筒驱动加载泵8,加载泵8输出的流量进过单向阀19,电液换向阀20和调速阀22,与辅 助泵1输出的流量汇合,输入到卷扬马达中,实现能量回收.溢流阀18保持小流量的溢流,用以调节加载 泵8的出口压力,即调节负载的大小;而绳速可以通过调节泵1的流量进行调节. 在进行10和20加载试验时,由于受加载泵排量的限制,不能使用功率回收系统.这时,电液换向 阀6,14,17均处于左位,阀20处于上位,辅助泵5为加载泵8提供低压补油,泵8的出油通过溢流阀18 流回油箱,进行节流加载,负载大小由阀18的溢流压力调定.辅助泵1作为卷扬马达唯一的供油源,调节 其输出流量即可调节马达转速. 反向卷取时同样受加载泵排量的限制,也要采用节流加载.此时,换向阀6和14处于右位,17处于左位, 处于上位,将绞车马达和加载泵分在个独立的油路系统 加载泵作驱动马达使用,由辅助泵5供油驱 动;绞车马达处于加载泵工况,由辅助泵为其补充低压油,马达出油经溢流阀回油箱,形成负载,为钢丝 绳提供拉力以保证将钢丝绳卷紧 负载的大小由溢流阀的溢流压力调定,绳速由辅助泵5的流量调节 671 中 国 工 程 机 械 学 报第6卷 202.8 121 .21. 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 数学建模参数计算 整个液压绞车由液压马达、 减速器、 支撑轴、 机架、 卷筒以及带单向平衡阀的配流器组成.正向卷取能量 回收工况如图2所示,绞车马达产生的扭矩通过减速器,减速增扭,传递到主卷筒上,进行工作.在卷扬马达 带动下,主卷筒转动卷取钢丝绳,带动辅卷筒转动.辅卷筒转动,通过增速箱,增速降扭,带动加载泵转动. 图2 正向卷取示意图 Fig.2 Sketchof positivecoilin g 图2 中η m1,ηm2,ηm3分别是减速箱、 钢丝绳滑轮滚动轴承和增速箱的传动效率;ηmm,ηpm分别是绞 车马达和加载泵的机械效率;ηmV,ηpV分别是绞车马达和加载泵的容积效率,它们的取值与马达、 泵的型 号以及工作压力等因素有关,以上各效率可以通过查取机械设计手册和元件样本来确定数值[3];绞车马 达入口和出口压力分别是pm和pmo,则进出口油压差为Δpmpm-pmo;qm和nm分别是马达的排量和 转速;相应地,加载泵入口和出口压力分别是ppo和pp,则进出口油压差为Δpppp-ppo,qp和np分别是 加载泵的排量和转速;i1和i2分别是减速箱和增速箱的传动比;nE1,nE2分别是主卷筒和辅卷筒的转速; Qc1,Qc5分别为泵1和泵5的流量;D1和D2分别为主、 辅卷筒直径,它们随着卷取钢丝绳的层数而改变; D则是主卷筒卷取1/3钢丝绳时的直径;此时钢丝绳上的拉力为F;绳速为vF;ME0是绳长1/3处的标定 扭矩,ME0FD/2.这些参数由设计要求给定或根据设计要求算出来. 由于不同型号绞车的参数不同,所需要的加载泵也不相同.为了便于计算,将绞车马达和减速箱视为 一个整体,作为当量的马达;将增速箱和加载泵视为一体,为当量加载泵.正向卷取能量回收工况的简化图 如图3所示. 图3 正向卷取简化图 Fig.3 Simplifieddia gramof positivecoilin g 图3中qEm和ηEm分别是当量马达的当量排量和当量机械效率,qEmqmi1,ηEmηmmηm1;相应地, q和η 分别是当量加载泵的当量排量和当量机械效率,qq,ηη η3,M是当量马达的输 出扭矩,即主卷筒上的扭矩;M是当量的加载泵的加载扭矩,即辅卷筒上的扭矩 根据建立的数学模型,通过选取、 计算,可以得到系统的主要参数,进而选取元件 771 第2期陆敏恂,等能量回收绞车试验台液压系统研究 EpEpEppi2EppmmEm Ep. . 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 设定主卷筒卷取1/3钢丝绳处的扭矩为标定扭矩ME0,根据当量马达产生的当量扭矩与标定扭矩相 等,可以得到当量排量与标定扭矩的关系,进而确定当量排量的值 qEm 2πMEm ΔpmηEm 2πME0 ΔpmηEm 2π ΔpmηEm F D 2 πFD ΔpmηEm 根据驱动与负载平衡,即当量马达产生的扭矩与当量加载泵产生的扭矩相等,可以得到加载泵排量与 当量排量的关系 1 2π ΔpmqEmηEmηm2ηm2 D2 D1 1 2π ΔppqEp ηEp 从而算出加载泵当量排量 qEpqEm D2 D1 Δpm Δppη m2ηm2ηEmηEp 在选定合适的传动比后,可由qEpqpi2算出加载泵的排量范围,进而选择加载泵. 根据钢丝绳速度等于卷筒直径与转速的乘积,可以算出卷筒转速,进而算出加载泵转速 npnE2i2nE1 D1 D2 i2 vF πD1 D1 D2 i2 vF πD2 i2 然后计算补油泵1和5的流量,忽略小量的溢流与泄露,泵1的流量为绞车马达进口流量Qm减去加 载泵输出的流量QpnpqpηpV,泵5的流量约等于加载泵的入口流量 Qc1Qm-QpnE1qEm 1 ηmV -K1Δ pm Δppη pV ,Qc5K1Δ pm Δpp nE1qEm 式中K1ηm2ηm2ηEpηEm 根据额定压力、 转速要求和算出的排量范围,就可以选择加载泵8.根据算出的流量范围和额定压力, 可以选定合适的补油泵1和5.系统中其他各个元件则按照所有可能工况的最高压力和最大流量进行选 择. 3 液压系统性能分析 3.1 设计实现的难点与解决方法 本系统设计的实现有一个难点,就是系统所需要的加载泵的排量变化范围比较大,而实际选取变量泵 的排量范围都没有那么大.解决方法有2个,其一是使用双泵方案,将2个排量范围不同的加载泵并联,配 合使用,但这种方案控制起来非常麻烦.其二是使用单泵方案,但是因为受排量限制,会导致运行中某些阶 段的性能受到一些影响.笔者采用单泵方案. 从计算公式可以看出,加载泵排量qp与D2/ D1之值成正比.刚开始时,2000m的钢丝绳全部卷在辅 卷筒上,D2/ D1之值最大,随着钢丝绳逐渐卷取到主卷筒上,其值逐渐减小,卷取完毕时达到最小,这个值 的变化范围也就是加载泵排量所需要的变化范围.以额定压力为15MPa,额定负载为40kN的正向卷取 工况为例,加载100额定负载时所需要加载泵的排量范围是40.8～253.7mlr -1 ,而实际所能选取的 160泵的排量范围是46～160mlr -1 ,无法完全满足设计需要.采取的措施是在开始卷取时,将超过160 mlr -1 的部分限制为160mlr -1 ,这样导致提供负载比理想情况小,绞车马达的扭矩比标定扭矩略低;卷 取临近结束时,所需的排量降低到46mlr -1 以下,就将其限制为46ml r -1 ,这样导致被限制部分的钢丝 绳无法卷取.在50到125额定负载的工况中,低端排量的限制只是在某些绞车测试中存在,而且不能 卷取的钢丝绳也比较短. 而在加载10和20额定负载时所需要加载泵的排量范围是16.9～105.3mlr -1 和25.1～156.0 , 6泵的排量范围只能覆盖刚开始的高端部分,在很大范围内要进行低端排量限制,导致 左右的钢丝绳不能卷取,这时候就改用节流加载的方法 同样,反向卷取的工况中,也因受加载泵排量的限 制而采用节流加载 因为这些工况中负载较小,所以能耗也不大 871 中 国 工 程 机 械 学 报第6卷 ml r -1 1 01000m . .. 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 此外,为了节约资金,所有工况都用同一种型号的标准增速箱,而且其最高转速不超过1500r min -1 .由计算公式可以看出,加载泵转速与辅助卷筒的直径成反比.随着辅助卷筒直径减小,加载泵的转 速会逐渐增加并超过1500rmin -1 ,为了适应增速箱,在正向卷取的最后一段,对加载泵的转速进行限 制,导致绳速比理想状况略低. 综上所述,由于受加载泵排量的限制,本设计采取相应策略,在正向轻载和反向卷取中采取节流加载 的形式.虽然设置油路相对复杂,某些阶段的性能与理想状况略有差异,但整体而言,该液压系统用1个增 速箱测试各种绞车,降低了成本,并在最主要的工况中实现能量回收,比传统方案大有改进. 3.2 主要工况的回收效率 正向卷取时,加载额定负载的50,75,100和125等工况是最主要也是最重要的工况,本系统 也正是在这些工况下实现能量的回收再利用.笔者设计好整个系统后,进行了大量的数据计算,经计算验 证,本系统的节能效果非常明显. 下面以额定压力为15MPa,额定负载为50kN的正向卷取能量回收工况为例,将能量回收系统消耗 的功与不回收系统传统的节流式系统的消耗进行比较.由于主、 辅卷筒上的钢丝绳卷到不同的层数,对 应的钢丝绳拉力、 绳速、 辅助泵的出口油压和流量都会不同,因此计算做功时,可以分别计算每一层的功, 然后累加起来.假设主卷筒卷取第i层钢丝绳,用时为ti,辅助泵1和5的流量分别是Qc1i和Qc5i;它们的 出口油压分别是p1i和p5i;绳速和拉力分别是vFi和Fi.则能量回收系统需要消耗的总功为 W1 ∑ n i 1 Qc1ip1i Qc5ip5iti73580.5 kJ 节流加载系统需要消耗的总功为 W2 ∑ n i l Qc1ip1i Qc5ip5i ti118002.3 kJ 而系统卷绳所需功为 W3 ∑ n i 1 FivFiti84198.4 kJ 从而算出能量回收系统正向卷取的能量回收效率为 η1- W1 W2 1- 73580.5 kJ 118002.3 kJ 37.64 可见,在系统压力与负载一定的情况下,能量回收系统比节流加载方式节省了37.64的能量,总功 利用率大大提高,节能效果相当明显. 4 结语 该绞车试验台的液压系统设计对常规的节流式系统进行改造,实现了能量的回收再利用,不但减少了 节流发热,而且大幅提高了能量的利用率.对于需要长时间运转的绞车试验台而言,节能效果明显,经济效 益可观.此外,该系统可以利用PLC实现自动控制,在实际应用中很有现实意义. 参考文献 [1] 张世亮.液压与气压传动[M].北京机械工业出版社,2006. 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