水下钻孔抽油一体化装备的液压系统设计.pdf

2 0 1 5年 4月 第 4 3卷 第 7期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS Ap r ． 2 0 1 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 7 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 2 9 水下钻孔抽油一体化装备的液压系统设计 邹云飞，宁伟婷 ，周家海，丁敏 水科运达交通科技开发 北京有限公司，北京 1 0 0 0 8 8 摘要 介绍了水下钻孔抽油一体化装备的系统组成、工作原理及技术参数，设计了钻孔抽油一体化装备的开式液压系 统，其主要由液压主油路、进给组件液压油路 、钻孔组件液压油路、抽油组件液压油路 、磁吸组件液压油路和安全节能液 压油路组成 ，并进行了液压系统的参数设计。应用该液压系统的钻孔抽油一体化装备，可有效减小沉船造成的重大溢油事 故，大大提高在深水沉船存油回收技术能力。 关键词液压系统；参数设计 ；安全节能 中图分类号T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 7 1 1 3 3 De s i g n o f Hyd r a ul i c Sy s t e m o f Eq ui pme n t I nt e g r a t e d wi t h Dr i l l i n g W r e c k a n d Pump i n g Oi l Z 0U Yu n f e i 。NI NG We i t i n g ，Z H0U J i a h a i ，DI NG Mi n S h u i k e y u n d a T r a n s p o r t a t i o n T e c h n o l o g y D e v e l o p me n t C o ． ，L t d ． ， 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 s y s t e m c o mpo s i t i o n，o pe r a t i o na l princ i p l e a n d t e c hn i c al p a r a me t e r o f t h e e qu i pme n t i nt e g r a t e d wi t h d ril l i n g wr e c k a n d p u mp i n g o i l we r e i n t r o d u c e d ． Th 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 w a s d e s i g n e d ．wh i c h wa s c o mp o s e d o f ma i n l i n e ，f e e d i n g l i n e ，d ri l l i n g l i n e，p u mp i n g l i n e ，ma g n e t a t t r a c t i n g l i n e ，s a f e t y a n d e n e r g y s a v i n g l i n e ．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 ．E q u i p me n t i n t e g r a t e d wi t h d ri l l i n g wr e c k a n d p u mp i n g o i l c a n e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e o i l s p i l l f r o m t h e s i n k i n g a n d g r e a t l y i mp r o v e t h e t e c h n o l o g y o f r e c o v e ri n g t h e s t o r a g e o i l i n t h e d e e p wa t e r s i n k i n g ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c s y s t e m ；Pa r a me t e r d e s i g n；S afe t y a n d e n e r gy s a v i n g O前 言 随着经济建设 的快速发展 ，我 国油 品运量呈现 出 快速增长的趋势 ，油运市场发展迅猛⋯，恶劣的海况 引起船舶的碰撞 、触礁 、破损或其他不明原因，船舶 沉没事故造成重大溢油事故频率也呈上升趋势 ，严重 威胁水上生态环境和资源开发的可持续性。 水下钻孔抽油一体化装备是沉船存油 回收过程 中，在 船 体表 面钢 板 上 进 行 钻孔 抽 油 作 业 的装 备 ] 。 目前 我国沉船存 油 回收 中运 用 的钻 孔 、抽 油 全部从国外进 口，为了将事故船舶中的货油或燃料油 抽吸出来并过驳到安全船只内，减少沉船事故造成重 大溢油事故，特研究了一种水下钻孔抽油一体化装 备。文中主要设计水下钻孔抽油一体化装备的液压系 统 和参数 。 1 系统组成技术参数 1 ． 1主机 水下钻孔抽油一体机装备主机主要 由驱动机构、 执行机 构和 固定机构三部分组成 。驱 动机构主要 由液 压系统和减速箱组成 ；执行机构由钻孔组件、进给组 件 、抽油组件组成 ，固定机构 由射钉枪和磁吸组件 组成 。 1 ． 2工作原理 由于钻孔抽油一体化装备在海底环境条件下工 作 ，不宜直接应用 电机 驱动 ，所 以 ，一体化装备将 选 用液压系统驱动 ，驱动 源为液 压马达 ，动力 源是液 压 动力站。钻孑 L 抽油一体化装备钻孔时由周向旋转和轴 向进 给两种运 动合成。 周 向旋转运 动 液压系统驱动减速箱 ，带动钻孔 组件 ，实现旋转运动；轴向进给运动液压系统驱动 减速箱 ，带动进给组件旋转，实现进给运动。 钻孔抽油一体化装备在进刀钻孔作业时，钻孔组 件和进给组件同时工作，而钻孔作业完毕退刀时，钻 孔组件不工作，进给组件工作，为减小减速箱的外形 尺 寸和质量 ，避免应用离合装置 ，应用两个液压马达 作 为驱动源分别驱动钻孔组件 液压 马达 1 和 进给组件 液压马达 2 。 1 ． 3 技 术参 数 钻孔 孔径 2 1 0 m m，中心抽油孔 径 1 0 0 m m，行程 约 1 0 2 5 m m，可 用 于舱 壁 8 0 0 m m 的双 层 船钻 孔 抽 油，工作环境可达水下 8 0 m深处。 收稿 日期 2 0 1 4 0 2 2 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 4 作者简介邹云飞 1 9 8 O 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 1 1 4 机床 与液压 第 4 3 卷 2液压系统原理 钻孔抽油一体化装备的液压系统原理如 图 1 所 示，液压系统属于开式系统 ，其主要由液压主油 路 、进给组件液 压油路 、钻孔组件液压油路 、抽油组 件液压油路、磁吸组件液压油路和安全节能液压油路 组 成。 l 2 l 一 常 汗式 彀磁溢流 阍2 ～三 位 四瑷 电磁 比例抉 向 阁 3 一进给组件驱动液压马远 2 4 、I 卜 梭 阁s 两位两遗崽停阀 6 一钻孔组件驱动液压马达 1 7 、9 - -比例调速阀 8 _ 一 抽油组件躯动液压马选 3 l 0 一职作用液压油缸 1 2 一三位翻通电磁抉向橱 I 3 一逻辑嘲 图 1 液压原理图 1 钻孔组件液压油路 钻孔组件 工作 时 ，常开式 电磁溢流 阀 1 和 比例调 速阀 7 供电，钻孔组件驱动液压马达 1 工作，根 据流量传感器的反馈信号，调节 比例调速阀的电流 ， 精确控制钻孔组件驱动液压马达 1 6的转速。 2 进给组件液压油路 进 给组件工作时 ，常开 式电磁溢流 阀和三位 四通 电磁比例换 向阀 2供 电，进给组件驱 动液压马达 2 3工作，根据流量传感器的反馈信号 ，调节三位 四通电磁比例换向阀的电流，精确控制进给组件驱动 液压马达 2 的旋向和转速。 3 抽油组件液压油路 抽油组件工作时，常开式电磁溢流阀和比例调速 阀 9 供电，抽油组件驱动液压马达 3 8工作，根 据流量传感器的反馈信号，调节比例调速阀的电流， 精确控制钻孔组件驱动液压马达的转速。 4 磁吸组件液压油路 磁吸组件工作时，常开式电磁溢流阀和三位四通 电磁换向阀 1 2供电，双作用液压油缸 1 O工作 ，通过 控制三位 四通 电磁换 向阀的电流方 向 ，控制双作用液 压油缸的活塞杆的伸出和缩回。 5 安全节能液压油路 装备遇到紧急状况时，可立即供电或手动两位两 通急停阀 5 ，进给组件液压油路和钻孔组件液压油路 的液压油可直接回油箱 ，从而保护给进组件和钻孔组 件免受 钻孔 冲击 而损 坏 ；梭 阀 4和梭 阀 1 1 分 别能够 提取进给组件液压油路和磁吸组件液压油路的最大油 压 ；进 给组件 液压油 路 、钻孑 L 组件液压油路 、抽油组 件液压油路、磁吸组件液压油路中的单向阀共同工作 实现提取各液压控制油路的最大油压，以供给逻辑阀 1 3 先导压 力 ，以实 现逻辑 阀溢 流压 力 略大于 各液 压 油路 的最大油压 ，达到液压系统的节能 。 3 液压 系统参数设计 3 ． 1 钻孔组件的驱动源参数设计 设计的钻孔组件钻孔直径 2 1 0 m m，参考国内外 陆地钻孔机和水下钻孔机开 同直径孔 的技术参数 ，确 定所设计的钻孔抽油一体化装备钻孔组件的额定输出 扭矩为 T 1 2 0 0 N m ，钻孔组件的转速为 n 2 4 r ／ mi no 1 钻孔组件切削功率 由额定输 出扭矩可计算 出钻孔组件 的切削功率 M 3 ． 0 2 k w 9． 5 51 0 2 液压马达 1 输 出功率 从液压马达 1 到钻孑 L 组件的传动中，功率损 失主要发生在一级行星传动和两级齿轮传动及四对滚 动轴 承 ，设谐 波传动效率 为 0 ． 8 ，一对滚 动轴 承 的效率 为 叩 0 ． 9 9 ，则液压马达 1 所 需输 出功率 为 Ⅳ 为 Ⅳ． Ⅳ Ⅳ A 3． 9 3 k W 叩A x h 叼g d 3 液压 马达 1 输 出转矩 为实现钻孔组件的正常切 削 ，液压 马达 1 需 输 出的转矩为 9 ． 5 5 l 0 n A 减速箱中，钻孑 L 组件的传动比 2 0 ，则液压马达 1 的输 出转速 为 ／ ／ , 4 8 0 r ／ m i n ，则液压 马达 1 的输出转矩为 T m 9 ． 5 5 x 1 0 。 x 3 ． 9 3 ／ 4 8 0 7 8 ． 2 N m。 4 液压马达 1 的输入功率 Ⅳ A 7 7 m d 设液压马达 1 工作效率 叼 0 ． 8 ，则液压马 达 1 所需输入功率为 5 ． 4 6 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 J H - 8 0 。 3 ． 2 进给组件的驱动源参数设计 钻孔抽油一体化装 备进给组件 是 由液 压马达 2 通过一级行星传动和两级齿轮传动 ，驱动两根 丝杆转动，实现钻孔组件的进刀和退刀。 钻孔抽油一体化装备进给组件进刀时的额定输出 第 7 期 邹云飞 等水下钻孔抽油一体化装备的液压系统设计 1 1 5 扭 矩为 ， 2 0 0 N m，进给组件进 刀时的丝杆转速为 n i 0 ． 4 r ／ m i n ，进给组件退刀时的丝杆转速为 n j 5 r ／ mi n。 1 进给组件进刀功率 由进 刀时的额定输 出扭矩可计算 出进 刀功率 Ti1 7 , ；； N - 二 0 ． 0 0 9 k W 9 ． 5 5 1 0 2 液压马达 2 输出功率 从液压马达 2 到进给组件的传动中，功率损 失主要发生在一级行星传动和九对滚动轴承，设行星 传动效率为 曲 0 ． 8 ，一对 滚 动轴 承 的效 率 为 7 7 0 ． 9 9 ，则液压马达 2 所需输出功率为 为 N N Ⅳ B 0． 01 2 k W 叼D 叼x h ， 7 g d 3 液压马达 2 输 出转矩 为实现进给组件的正常进刀，液压马达 2 需 输 出的转矩 为 T B9． 5 5x1 0 减速箱中，进给组件行星传动的传动 比 1 2 0 ，则 液压马达 B的输出转速为 n 4 8 r ／ ra i n ，则液压马达 B的 输 出转 矩 为 T B9 ． 5 5 1 0 0 ． 0 1 2 ／ 4 82 ． 4 N I n。 4 液压马达 2 的输入功率 液压马达 B所需输入功率为 Ⅳ R 叩m d 设液压马 2 工作效率 叼 0 ． 8 ，则可计算出 液压马达 2 所需输入功率 为 0 ． 0 1 5 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 J H- 5 0 。 3 ． 3 抽油组件的驱动源参数设计 钻孔抽油一体 化装备抽油组件为 L a r m o G T A - 7 0 抽油泵 ，其 由 自配的液压 马达 3 驱 动 ，马达主要 技术参数 为最大 液压流量为 9 2 I Mm i n ，最大工作压力 为 2 1 M P a ，最大功率为 3 2 k W。 3 ． 4 磁吸组件的驱动源参数设计 磁吸组件由双作用液压油缸推动执行杆件，而实 现 吸附固定在沉 船油舱表面钢板上 ， 保证足 够 的吸附 力 。执行 杆件所需推力 为 1 0 0 0 N，双作 用液 压油缸 缸径 为 2 5 m m，杆径 为 1 4 m m，则双作用 液压油缸 的 设计 压力为 2 M P a 。 3 ． 5液压 系统最 大输 入 流量 根据液压马达 1 的输出转速为 ／ Z 4 8 0 r ／ m i n 和排 量 8 0 c m ’ ／ r ，钻孔组件驱 动所需 液压最大输入 流 量 为 3 8 ． 4 I Mm i n 。 根据进给组件进刀 时液压 马达 2 的输 出转速 为 n 4 8 r ／ m i n和排 量 5 0 c m ／ r ，液压 马 达 2 进 刀时需液压最大 输入流 量为 2 ． 4 l Mm i n ；而进 给组 件 退刀 时液压 马达 2 的输 出转 速 为 n 6 0 0 r ／ m i n ， 液压 马达 2 退 刀 时所 需液 压最 大输 人流 量 为 3 0 L ／ m i n 。所 以，进给组件驱 动所需 液压 最大 输入流 量 为 3 0 L ／ m i n 。 L a l 3 n o G T A - 7 0抽 油泵工作 液压最大 流量为 9 2 L／ mi n。 钻孔抽油一体化装备在钻孔过程中，钻孔组件和 进给组件 进刀时工作 ，抽油泵不工作 ，液压系 统所需最大输入流量为 3 8 ． 4 2 ． 4 4 0 ． 8 L ／ m i n 。 钻孔抽油一体化装备在退刀过程中，只有进给组 件 退刀时工作，钻孔组件和抽油泵不工作，液 压系统所需最大输入流量 为 3 0 L ／ ra i n 。 钻孔抽油一体化装备在抽油过程中，只有抽油泵 工作，钻孔组件和进给组件不工作 ，液压系统所需最 大输入流量为9 2 L ／ ra i n 。 综上所述 ，钻孔抽油一体化装备在 3 种工作状态 下 ，液压系统所需最大输入 流量 为 9 2 L ／ ra i 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 2 0 L ／ rai no 3 ． 6液压 系统最大工作压力 根据液 压马达 1 的输 出扭 矩 7 8 ． 2 N i n和液 压马达 2 的 输 出扭 矩 2 ． 4 N -n a ，则 液 压 马 达 1 和液压马达 2 的最大 工作压 力 P A7 8 ． 2 x2 ／8 06 ．1 MPa P B2 ． 4 x2 , r r ／5 00 ． 3 MPa L a r n l o G T A - 7 0 抽 油泵 的液 压 马达 最大 工 作压 力 为 P 2 1 MP a 。 钻孔抽油一体化装备实 际工作 时 ，其液压 系统是 设置在作业母船上，由于钻孔抽油一体化装备在海底 8 0 I n 处工作，假设从母船至装备的距离为 1 0 0 I n ，液 压泵 出 口管 选 1 6 m m 的 3层钢 丝软 管 ，则从母 船 至 装备的管路压降为 △ p A L v 2 __ T 1 0- 4 3 ． 1 8 MPa ‘ l2 d g 考虑管路压力损失后 ，液压系统最大工作压力 为 Pp ap2 1 3 ． 1 82 4 ． 1 8 MP a 4结束语 现今沉船存油回收工作受到世界各国的关注 ，发 达 国家已经投入了大量的人力 、物力 、财力进行相关 技术的研究工作，所论述的水下钻孔抽油一体化装备 是沉 船钻孔 、抽油 、回收的主要工具 ，可有效减小沉 下转第 3 1页 第 7期 陈全磊 等 平面 L E D焊线机 平台的结构优化与性能测试 3 1 暑 粼 ■ 捌 蕊 辍 暑 ■ 勰 蒜 螭 } 篁 痕 魁 一 趟 娶 辍 I 一跟踪误差 2 一控制位置 曲线 图 4 轴在梯形运动指令下的位置曲线 l 一跟踪误差 2 一控倒位置曲线 时间／ ms 图 5 Y轴在梯形运动指令下的位置曲线 l 一跟踪误差 2 一控制位置曲线 兽 摘 强f 婚 舞 0 翻 魃 逝 隧 暑 相 螂 嫩 臻 对 闻 ／ ms 图 6 轴在梯形运动指令下的位置曲线 从结果可以得出，通过对 精密定位平台关键 部件的优化设计，并研究其控制系统和对装配体测试 试验初 步结 果说 明 ，改进后 的平 台 的响应 时间更 短 、 更灵敏、精确度更高更稳定。 6 结束语 对焊线机 精 密定位 平 台机械 结构 进行 优化 设 计 和创新设计 。通 过对 改进 后 的 精密 定位 平 台进 行性 能测试 ，结果 表 明 该 精 密 定位 平 台较之 前 响应 速度更快 ，稳定时 间缩短 ，且具有较高 的速度 和 很高的加速度。将该平台应用于 I c芯片封装设备中， 恰能适应当前 I c封装业向高速高精度方向发展的要 求。可以有效地提高 I c制造质量和生产效率。 参考文献 [ 1 ]L I U Z Z ， L U O F L ， R A S H I D M H． R o b u s t H i g h S p e e d a n d Hi g h Pr e c i s i o n Li ne a r Mo t o r Di r e c t Driv e x y Ta b l e Mo t i o n S y s t e m[ J ] ． I E E P r o c ． 一 C o n t r o l T h e o r y A p p l ， 2 0 0 4， 2 1 5 1 1 66 -1 73 ． [ 2 ]冯晓梅 ， 孙开元， 张大卫， 等． 基于 A N S Y S的高速精密定 位平台有限元分析 [ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术， 2 0 0 9 9 7 6 8 3 ． [ 3 ]王林． 平面 L E D焊线机整机结构设计及关键部件仿真 分析[ D] ． 广州 广东工业大学， 2 0 1 2 ． [ 4 ]Z HA O X i n y u ， F E N G X i a o m e i ， Z H A N G D a w e i ． V C A D i r e c t D r i v e H i g h S p e e d a n d P r e c i s i o n x y T a b l e I J 1 ． T r a n s a c t i o n o f T i a n j i n g U n i v e r s i t y I S S N， 2 0 0 7 ， 6 1 3 3 9 8 4 04 ． [ 5 ]冯晓梅， 张大卫 ， 赵兴玉， 等． 基于音圈电机的新型高速 精密定位系统设计 方法 [ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 5 ， 1 6 1 6 1 4 1 4 1 4 1 9 ． [ 6 ]李子云． A N S Y S Wo r k b e n c h之仿真计算模块的研究与应 用[ J ] ． 科技创新学报， 2 0 1 1 ， 8 7 5 2 - 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