溢油回收系统的液压系统设计.pdf

2 0 1 5年 7月 第 4 3 卷 第 1 4期 机床 与液压 MACHI NE T00L ＆ HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 0 1 5 Vo 1 ． 43 No ． 1 4 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 4 ． 0 3 2 溢油回收系统的液压 系统设计 邹云飞 ，张鹏 ，张德 文 交通运输部水运科学研究所 ，北京 1 0 0 0 8 8 摘要介绍了溢油回收系统的机构组成、工作原理及技术要求，设计了基于负荷敏感技术的溢油回收系统的开式液压 系统 ，主要由液压主油路、收油带驱动液压控制油路、输油泵驱动液压控制油路、切刀组驱动液压控制油路、导油臂驱动 液压控制油路和液压卷扬机驱动液压控制油路组成，并进行了液压系统的参数设计。 关键词负荷敏感；液压系统；参数设计 中图分类号 T H1 3 7 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 4 0 9 6 3 De s i g n o f Hy d r a ul i c S y s t e m o f Oi l Sp i l l Re c o v e r y S y s t e m Z0U Yu n f e i ， ZHANG Pe n g． Z HANG De we n Wa t e r b o r n e T r a n s p o r t a t i o n I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 8 ， C h i n a Abs t r a c tTh e me c ha n i s m c o mp os i t i o n，o p e r a t i o n a l p r i n c i pl e a n d t e c h ni c a l r e q u i r e me n t s o f oi l s pi l l r e c o v e r y s y s t e m we r e i n t r o d u e e d ．B a s e d o n l o a d s e n s i n g t e c h n o l o g y ，t h e o p e n h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e e q u i p me n t wa s d e s i g n e d ． T h e h y d r a u l i c s y s t e m wa s c o n p o s e d o f ma i n l i n e ，c o n t r o l l i n e o f c o n v e y o r b e l t ，c o n t r o l l i n e o f o i l p u mp，c o n t r o l l i n e o f c u t t e r ，c o n t r o l l i n e o f o i l g u i d e a r m ，c o n t r o l l i n e o f h y d r a u l i c h o i s t ．P a r a me t e r d e s i g n o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m wa s r e s e a r c h e d ． Ke y wo r d s L o a d s e n s i n g；Hy d r a u l i c s y s t e m ；P a r a me t e r d e s i g n 随着人们利用海洋的广度和深度不断加大 ，海洋 污染问题 日益严重 _ 1 ] 。渤海湾油 田溢油事件 以及墨西 哥湾的石油泄漏事件等使海洋溢油问题吸引 了全世界 的注意力 [ 2 ] 。因此需要一种溢油应急设备对溢油进行 回收或围控 ，减少 溢油对资源和环境 的损害以及有效 回收利用溢 油 _ 3 ] 。机 械 回收 是最 常用 的溢油 响 应技 术 。 溢油 回收系统是典型的机械 回收设 备 ．主要用 于 水上溢油处置与 回收作业 ，要求 自重轻 、防水性好 ， 考虑到系统工作环境的特殊性应具有较好的防火防爆 性和较高的安全可靠性 ．收油系统一般采用具 有较大 功率密度的液压驱动方式。 1 溢油 回收 系统 组成 1 ． 1 机构 组成 溢油 回收系统 主要 由撇油 器 、后 浮桶 、导油臂 、 卷管 架 、液压 系统 等部件 组成 。回收系统具有 5个工 作机 构 导 油 臂 开合 机构 、收 油带 、输油 泵 、切 刀 组 、液压卷扬 机。 1 ． 2工作 原理 导油臂 开合 机构 主要 用 于驱 动 导油 臂完 成 0 。 ～ 1 2 0 。 开合动作，使其满足不同水域的收油要求；收油 带是一套液压马达驱动的倾斜布置的连续扁平带。位 于撇油器箱体 的中部 ；输油泵主要用于将溢油抽取 到 工作船上 ；切刀组用于切割较大块垃圾 ，以防止输 油 泵失效 ；液压卷扬机用于驱动钢丝绳的收放 ，以控制 回收系统与工作船的相对位置 。 1 ． 3 技 术要 求 收油带的线速度调节范围为 0 ～ 1 2 3 m ／ m i n 切刀组驱动液压马达转速在 0 ～ 6 0 0 r ／ m i n范 围内 调节 输油泵调速范围 0 ～ 2 9 0 r ／ m i n 导油臂 驱 动 油缸 最 大 拉 力 F 缸 拉 m 日 6 3 6 9 6 ． 8 N，运 行 速 度 0 ． 0 1 m ／ s ，且 左 右 两 侧 导 油 臂 同步 工作 液压卷扬机最大牵引力 1 5 0 0 0 N 。 2 液压系统原理 2 ． 1 液 压 系统组 成 溢油 回收 系统 的液 压 系统 主 要 由柴油 机 、液压 泵、燃油箱、液压油冷器 、液压油箱、滤油器及液压 控制系统组成 ；柴油机驱动取力 口上安装 的液压泵提 供液压系统动力，既提高了系统效率，又节省了安装 空间 。由于柴油机采用了风冷方式 ，取 消了水箱及相 关附件。使得液压系统具有体积小、质量轻、布置紧 凑等特点。 收稿日期2 0 1 4 0 6 1 4 基金项目国家科技支撑计划项目 2 0 1 2 B A C 1 4 B 0 1 作者简介邹云飞 1 9 8 0 一 ，男，博士，副研究员，主要从事液压传动及液压元件润滑与密封研究。E - m a i l z o u y u n f e i 第 1 4 期 邹云飞 等溢油回收系统的液压系统设计 9 7 2 ． 2液压 驱动 形式 液压 系统按油 液循环方式可分 为开式液压 系统 和 闭式液压 系统 开式液压 系统是动力源液压泵从 液压油箱吸油，输出液压油通过控制元件 ，驱动执行 元件 ，执行元件工作后 ，液压油回到油箱；闭式液压 系统则是液压泵输 出液压油 ，通过控制元件 ，驱动执 行元件 。执行元件工作后 。液压油直接回到液压泵。 闭式系统具有压力大且压力损失小 ，换向冲击 小 ，工作起来相对安静 ，液压油用量少 ，但液压油温 略高等特点。而开式系统则具有承受压力低、系统效 率低 、换向冲击大 、工作噪声大、液压油用量大等特 点。但相 比闭式 系统，开 式系统 的油 温低、价格 低 ] 、对系统液压油清洁度要求较低、可靠性高。 收油系统的液压系统是由 1 条液压主油路和 5条 液压控制油路组成 ，5条液压控制油路包括收油带驱 动液压控制油路 、输油泵驱动液压控制油路 、切刀组 驱动液压控制油路 、导油臂驱动液压控制油路和液压 卷扬机驱动液压控制油路。由于各液压控制油路的工 作压力较低 ，对系统效率 、换向冲击、工作噪声和油 温要求较低 ，为控制液压系统的成本 ，提高收油系统 工作的可靠性 ，溢油回收系统的液压系统采用开式定 量 系统。 图 1 液压系统工作原理 2 ． 3 工作原理． 溢油 回收系统 的液压 系统是基 于负荷敏感技术恒 流量 系统 _ 6 ] 。负荷敏感 阀组共有 5路 ，S Y 1 和 S Y 2 为 可手 动调节 流 量 的 电磁 换 向阀 ，而 S Y 3 、S Y 4 、S Y 5 为比例电磁换向阀，各阀组中梭阀将各液压控制油路 中的最大油压供给逻辑 阀先导压力 ，实现逻辑 阀溢流 压力略大于各液压控制油路的最大油压，达到液压系 统 的节能 。 柴 电机组驱动定量齿轮泵通过滤油器从液压油箱 中取出液压油，并通过 5条液压控制油路向收油带驱 动液压马达、输油泵驱动液压马达、切刀组驱动液压 马达、导油臂驱动油缸和液压卷扬机提供液压动力。 并且收油带驱动液压马达、输油泵驱动液压马达、切 刀组驱动液压马达可电动控制其速度，而导油臂驱动 油缸和液压卷扬机可手动控制其速度。 3 液压系统参数设计 3 ． 1 收油带液压驱动马达 收油带驱动所需额定输出扭矩为 3 0 0 N m， 转速为 n 2 8 0 r ／ ra i n 。 由额定输出扭矩可计算出收油带驱动功率 Tdnd Ⅳ 8 ． 8 k W 。 9 ． 5 5 1 0 设液压驱动马达工作效率 0 ． 8 ，则收油带液 压驱动马达所需输入功率为 1 0 k W。 根据以上计算结果，同时考虑瞬间过载等情况， 选用国外产品 E a t o n 2 K ． 1 3 0 ，排量 1 3 0 m L ／ r ，最大工 作压力 1 4 ． 5 MP a ，最大输入流量 3 6 ． 4 L ／ m i n 。 3 ． 2输 油泵 液压 驱动 马达 输油泵驱动所需额定输出扭矩为 1 0 0 0 N m， 转速为 n 2 9 0 r ／ m i n 。 由额定输出扭矩可计算出输油泵驱动功率 』 、 r 。 3 o ． 4 k w 。 9 ． 5 51 0 设液压驱动马达工作效率 田 0 ． 8 ，则输油泵液 压驱动马达所需输入功率为 3 8 k W。 根据以上计算结果 ，同时考虑瞬间过载等情况 ， 选用 宁波普雷 斯 I N M 2 ． 3 0 0 。排 量 3 0 0 m L ／ r ，最 大工 作压力 2 0 ． 9 M P a ，最大输入流量 8 7 L ／ m i n 。 3 ． 3切 刀组 驱 动液压 马 达 切刀组 驱动所 需额定 输出扭矩 为 T 1 0 0 N m， 转速为 n 6 0 0 r ／ m i n 。 由额定 输出扭 矩可计 算出起 刀组驱动功率 Ⅳ q 6 ． 3 k W 设液压驱动马达工作效率 叼 0 ． 8 ，则起刀组液 压驱动马达所需输入功率为 7 ． 8 k W。 根据以上计算结果 ，同时考虑瞬间过载等情况， 选用国外产品 E a t o n 2 Y． 5 0 ，排量 5 0 m L ／ r ，最 大工作 压力 1 2 ． 5 6 M P a ．最大输入流量 3 0 L ／ m i n 。 3 ． 4 导油臂驱动油缸 缸径 D为 1 0 0 m m，杆径 d为 5 6 m m，缸筒外 径 D 为 1 3 0 m m，液压缸最大工作压力 P 9 8 机床 与液 压 第 4 3卷 Py F油 缸 拉 6 3 6 9 6．8 4 D2 - d 5 3 8 8 ． 2 4 1 2 ． 0 MP a 最大输入 流量 Q ， , r r ／ 4 X D - d X 0 ． O l 6 ． 4 7 L ／ mi n 综合考虑双臂架驱动液压控制油路的控制压力为 低压范围。双臂架同步开合精度要求不高，双臂架开 合所受负载实时变化，为降低控制系统成本 ，又能保 证一定 的控制 精度 5 ％ ，同时为 避免 油 液温 度 和 压力对调速阀开环同步控制系统精度的影响 ，左右两 侧 导油臂同步工作采用温度压力补偿 的调速阀开环同 步控制系统 。 3 ． 5 液压 卷 扬机 液压卷扬机最大牵引力 1 5 0 0 0 N。则可直接选 用 Y J 2 ． 5 B ． 2 0 0 0 ． 6 0 ． 1 4 Z P，最大工作压力 1 0 M P a 。 3 ． 6 液 压 系统最 大输入 流 量 由于收油系统的臂架开合和收油是相互独立、错 时工作的 ，液压系统中的 5 条 液压控制油路并未 同时 工作，在导油臂驱动油缸工作时。其他 4 条液压控制 油路断开．而收油带驱动液压马达、输油泵驱动液压 马达和切刀组驱动液压马达工作时 ．导油臂驱动液压 控制油路和液压卷扬机控制油路断开 。所 以，收油系 统的液压系统设计流量只需考虑上述两种工作状况下 的系统最大输人流量 。 溢油 回收 系统 的液 压 系统所 需 最大 输 入流 量 为 1 53 ． 4 【 ／mi n。 由于液压系统 中没有蓄能器 ，根据液压系统的最 大输入流量选取液压泵 的流量 为 Q≥9 2 x 1 ． 3 1 9 9 ． 4 2 L ／ rai n。 3 ． 7 液 压 系统最 大工 作压 力 溢油 回收 系 统 的液 压 系统 的液 压 管道 为 3 0 m。 液压泵出 口管选 3 0 m m 的 2 层 钢 丝软管 ，则 从母 船 至装备的管路压降为 a pAL v _ L y _ l 一 0- 4 0 ． 6 3 6 MPa 2 船 考虑管路 压力 损 失后 ，液 压 系统 最 大工 作压 力 为 P pc △p2 O ． 90 ． 6 3 621 ． 5 3 6 MPa 4总 结 现今船舶和海上石油平 台溢油 回收工作受到世界 各 国的关 注 ，发 达 国家 已经投 人 了大 量 的人 力 、物 力、财力进行相关技术的研究工作，但我国水上溢油 应急防备和技术装备等方面还较为薄弱。文中所论述 的溢油 回收 系统能够有效降低我 国对进 口溢油 回收设 备 的依赖 ，显著提高我 国的溢油应急处置能力 ，实现 环境治理与资源 回收 的 目标 。 参考文献 [ 1 ]邹云飞， 罗建平， 张德文 ， 等． 浮式与固定式溢油应急设 备库的匹配作业及工艺方案分析 [ J ] ． 环境工程， 2 0 1 3 3 1 1 1 4 1 1 5 ． [ 2 ]A L - MA J E D A A， A D E B A Y O A R， H O S S A I N M E ． A S u s t a i n a b l e A p p r o a c h t o C o n t r o l l i n g O i l S p i l l s [ J ] ． J E n v i r o n Ma n a g e，201 2，11 321 32 27 ． [ 3 ]张德文， 张同戌， 贾志平 ， 等． 全液压驱动内河水上溢油 高效回收系统[ J ] ． 中国水运科学研究， 2 0 1 0 2 l 8 2 2 ． 『 4 1 B R O J E V， K E L L E R A A ． E f f e c t o f O p e r a t i o n a l P a r a m e t e r s o n t h e R e c o v e r y R a t e o f a n O l e o p h i l i c D r u m S k i m m e r [ J ] ． Ha z a r d Ma t e r ， 2 0 0 7 ，1 4 8 1 ／ 2 1 3 6 1 4 3 ． [ 5 ]刘会永， 马刚． 负荷敏感系统设计需注意的几个 问题 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 6 1 2 6 1 2 7 ． [ 6 ]王凤娟， 侯友山． 铰接式 自卸液压系统设计 [ J ] ． 机床与 液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 5 4 6 4 7 ． 上接 第 9 5页 改变变量马达 1 斜盘倾角 ‘ D 可以调节液压变压器 的负载和油源之 间的压力 比。国外有 学者研 究证 实 在一定 的供油压力和配流盘旋转角度下 ．其平均效率 可达 7 0 ％以上 ．最 高可 达 8 9 ％．远高 于 阀控 系统 的 效率 。 4实验研 究 根据以上的理论计算分析．搭建挖掘机前端工作 装置试验台 ．其 中，试验台选用的元器件如下 压力 传感器选用北 京龙 翔 天力 传感 测 量技 术有 限公 司的 L T P ． T通用型压力变送器 ；温度传感器选用北京龙翔 天力传感测量技术有限公 司的 L T w． Z B位移传感器 选用德 国 n o v o t e c h n i k 公 司的 L WH ． 0 1 0 0 变量 马达 选 用北京华德液压工业集团有限责任公司的A 6 V G系列 斜轴式轴向柱塞马达 ；信息采集卡选用北京阿尔泰科 技发展有限公 司的 P C I ． E 9 7 5 7 ； 选 用天津 海莱姆科 技 有限 公 司 的蓄 能器 ，型号 为 S H ． B ． 6 3 0 ． P ． 3 5 ． A ⋯ C 1 1 ． 1 - H AA HA 。 5 结 论 通过在 C A T 3 3 0 D挖 掘机 上安 装能量 回收再利 用 装置 ，实现挖掘机前端工作装置重力势能 的回收再利 用 ．并验证其可行性 ，为挖掘机生产商和用户提供 了 用 以动臂能量 回收利用研究 的理论参考 。 参考文献 [ 1 ]欧阳小平 ， 徐兵， 杨华勇． 液压变压器及其在液压系统中 的节能应用 [ J ] ． 农业机械学报 ， 2 0 0 3 7 1 0 0 1 0 4 ． [ 2 ]权龙 ， 高有山 ， 程珩 ． 提高工程机械能量 利用率 的技 术现 状及新进展 [ J ] ． 液压 与气 动 ， 2 0 1 3 4 1 1 0 ． [ 3 ]姜继海 ， 于斌， 于安才， 等． 基于能量回收再利用的液压 挖掘机回转系统节能研究[ J ] ． 流体传动与控制， 2 0 1 1 1 1 7 1 0 ． [ 4 ]陈国俊． 液压挖掘机[ M] ． 武汉 华 中科技大学出版社 ， 2 01 1 ． [ 5 ]李小仨． 压缩空气储能技术 现状分析 [ J ] ． 流体机械， 2 01 3 8 4 0 -4 4 ．