液压绞车节能型试验装置-.pdf

第 1 2卷第 1期 2 0 1 4年 2月 中国工程机械学报 C H I NE S E J O UR N A l O F C O N S T R U C T I O N MA C H I N E R Y VO1 ． 1 2 No． 1 F e b ． 2 0 1 4 液压绞 车节 能型试验装置 徐 宝富 ， 羊衍贵。 ， 谌志新 ， 徐志强 1 ． 农业部渔业装 备与工程 重点开放实验室 ， 上海 2 0 0 0 9 2 ； 2 ． 国水产科学研究 院渔业机械仪器研究所 ， 上海 2 0 0 0 9 2 3 ． 同济大学 机械与能源学院 ， 上海 2 0 1 8 0 4 摘要液压绞车的试验， 特别是寿命试验耗能是很大的． 节流加载试验不仅耗能而且引起系统发热． 提出液压绞 车节能型试验装置， 利用能量反馈回收达到节能效果， 可减少试验能量损耗． 试验结果表明， 可节能 4 0 ％． 介绍 能量回收试验系统的工作原理和数学模型， 并设计实际系统和传感器的安放． 对加载马达排量进行自动调节， 钢 丝绳的拉力和速度的调节和控制作详细说明． 从实际应用出发， 对 2个辅助泵参数选择也作了较详细说明， 对实 际应用有参考价值 ． 新型节能液压绞车试验装置节能环保 ， 有应用前途． 关键词 液压绞车 ； 节能； 能量回收； 反馈；能量节约率 中图分类号 T H 1 3 7 ． 9 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 1 4 0 1 0 0 8 1 0 4 Ene rgy- s avl ng t e s t i ng de vl ce [ or hydraul i c W 1 nc nes 一 ● - _ ● n ● ● XU B a o - f u 。Y AN G Y a n g u i 。 ，C H E N Z h i x i n ，XU Z Hi q i a n g 1 ． Ke y L a b o r a t o r y o f F i s h e r y E q u i p me n t a n d E n g i n e e r i n g ， Min i s t r y o f A g r i c u l t u r e ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ； 2 ． Fi s h e r y Ma c h i n e r y a n d I ns t r u me nt Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Ch i n e s e Ac a d e my o f Fi s h e r y S c i e n c e s ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2， C hi n a 3 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T o n g j i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Du e t h a t t h e t h r o t t l e l o a d i n g t e s t i s e n e r g y c o n s u me d a n d s y s t e m h e a t p r o d u c e d， t h e h y d r a u l i c wi n c h t e s t i n g， l i f e t e s t i n g i n p a r t i c u l a r ， i s s i g n i f i c a n t e n e r g y c o n s u mi n g ． As s u c h， a t e s t i n g d e v i c e o f e n e r g y ． s a v i n g h y d r a u l i c wi n c h e s i s d e v e l o p e d b a s e d o n e n e r g y f e e d b a c k a n d r e c y c l e f o r e n e r g y s a v i n g ． I n t h i s s t u d y ，t h e wo r k i n g p r i n c i p l e a n d ma t h e ma t i c a l mo d e l o f e n e r g y r e c y c l e t e s t i n g s y s t e m a r e f i r s t i n t r o d u c e d ． Th e n， a n o n s i t e s y s t e m ， t o g e t h e r wi t h s e n s o r a l l o c a t i o n ， i s d e s i g n e d ． Ne x t ， t h e l o a d i n g mo t o r c a p a c i t y i s a u t o ma t i c a l l y a d j u s t e d ， s p e c i f i c a l l y f o r t h e a d j u s t me n t a n d c o n t r o l o n s t e e l wi r e r o p e t e n s i o n a n d s p e e d ． F i n a l l y， t h e p a r a me t r i c s e l e c t i o n o f t wo a u x i l i a r y p u mp s i s d e t a i l e d l y d e s c r i b e d ． Th e r e f o r e， t h i s d e v i c e p o s s e s s e s s u c h s t r o n g h o l d s a s e n e r g y s a v i n g， e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n a n d b r o a d a p p l i c a b i l i t y ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c wi n c h；e n e r g y s a v i n g； e n e r g y r e c y c l i n g ；f e e d b a c k； e n e r g y s a v i n g r a t e 液压绞车是广泛用于起重钢绳升降和捕捞作 业中收放鱼 网的装置 ， 通 常由液压 马达经减 速后 ， 驱动卷筒旋转， 并 以卷取钢卷筒上 的丝绳来完成牵 引作业 ． 新设计的液压绞车都需要进行性能测试和 寿命试验 ， 这是一项 既繁琐 又耗 能的工作 ， 但又是 保证液压绞车性能和寿命 的重要工作_ 1 J ． 1 基本 概况 液压绞车的试验是在室 内进行 ， 关键是加载载 荷的处理． 按加载方式不 同， 通常有如下 2种试 验 方法 ． 1 ． 1 重力加载试验系统 重力加载试验系统如图 1所示 ， 塔架 3上安装 2个定滑轮 2 ， 被试液压绞车 1卷筒上的钢丝绳绕 过定滑轮 2后 ， 端部悬挂 重物 4 ， 其重力 G作为绞 车的试验载荷 ． 绞车液压马达 以不同转速驱动重物 4上下运动来进行绞车的性能和寿命试验l 4 5 1 ． 这 种方法的优点是绞车所受 载荷和工况 与绞 车实 际 运行工况基本 一致 ， 但机构庞大 ， 若钢丝绳运行距 作者简介 徐宝 富 1 9 3 9一 ， 男 ， 教授 ， 博士生导师． E ． ma i l x u b a o f u s i n a ． c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 1 2卷 离较长 ， 器网绞车绳长可达 2 0 0 0 m， 塔架也应达相 应高度， 绞车载荷运行距离受到限制． 试验功率就 是实际功率 ， 浪费大 ， 试验所耗的功率 P为 P V v P q 1 h j mm 式 中 G为试验载荷 ； 为载荷速度 ； 7 n为滑轮机 械效率 ； 叩 j 为减速箱机械效率 ； 叩 ～为液压马达总效 率； P为马达人 口压力 ； q为马达人 口流量 ． 卷筒上钢丝绳拉力 S为 s 2 忍 卷筒上钢丝绳速度 为 ㈤ m叩、 式中 n 为液压马达输 出转 速； D。 为卷筒上钢丝 中心间直径 ；V 为 马达排 量 ； 叩 为 马达 的容积 效率 ． 4 1 ． 液压绞车 ； 2 ． 定 滑轮； 3 ． 塔架 ； 4 ． 端部悬挂重物 图 1 重力加载系统简图 Fi g ． 1 Gr a v i t y l o a d i n g s y s t e m d i a g r a m 1 ． 2 液压节流加载试验 节流加载装置如图 2所示 ． 其 由两部分组成 ， 被试绞车 1和加载绞车 3 ． 两绞车 的钢丝绳绕过定 滑轮 2连接起来． 加载绞车的卷筒轴 间增速装置与 变量 马达连接 ， 起增速降扭作用 ， 以适应加载 马达 的工况． 两溢流阀完成节流加载 ． 被试卷筒正 向旋转 ， 相 当起升牵引状态 ． 被试 马达 A 口通入压力 P流量 q的液体 ， A 口回油， 其 溢流阀调定压力高于其负载压力 ． 加载马达两油 口 B， B 均通 回油 ． 被试马达在油压作用下旋转 ， 并经 减速后驱动卷筒旋转 ， 钢丝绳拉动加载卷筒旋转 ， 继而驱动加载马达旋转， 其回油经其溢流阀节流加 载 ， 形成加载力矩 ， 使钢丝绳 以一定拉 力和速度运 行 ， 完成正向牵引试验运行． 反向收绳工况 ， 加 载马达 B 口通 入较大压力 油 ， 被试卷筒反 向旋转 ； 通过 钢丝绳驱动被试 马达 旋转， 其溢流阀起节流加载作用， 调定压力较低． 其 主要作用是收绳 ， 为下一次正向旋转作 准备 ， 不是 1 ． 被试绞车 ； 2 ． 定 滑轮； 3加载绞车 图 2 节流加载简 图 Fi g． 2 T hr o t t l e l o a d d i a g r a m 主受力状态 ， 节流阻力较低． 此时， 加载马达供 油旋 转 ， 被试马达作加载试用． 正 向旋转时钢丝绳拉力 S和速度 为 S P l V 1 4 一 器 ㈣ 谎 式 中 P 为被试马达进出 口压力 ； V 为马达排量 ； D 为卷筒上钢丝绳 中心直径 ； 为减速箱传动 比； 为马达容积效率 ． 试验所消耗功率 P为 P Pi q 。 1 6 式中 q p 1 为马达入 口流量． 2 能量回收试验系统 前述两种试验系统 ， 节流型加载系统的能量损 失较大 ， 有的还伴有 巨大发热． 而重力加载 系统 能 源浪费大 ， 试验绳长受 限制 ． 下 面介绍 能量 回收系 统 ， 具有节能、 试验绳长不受 限制的特点． 2 ． 1 能量回收试验系统原理 能量回收的试 验装置 ， 利 用能量 反馈 回收原 理， 使试验所消耗功率比前述试验方法所消耗功率 小很多 ， 因而具有较 广泛应用前途 ． 图 3就是能量 回收试验系统的原理图． 和前述一样 ， 使用辅 助卷筒 进行加载 ， 但加 载 马达 4回油直接进入 被试卷筒 马达 马达 1 0入 口， 形成能量反馈 ， 驱动其旋转． 辅助泵 1提供少量高 压流量 ， 以补充系统泄漏 以及溢流阀 3的溢流量 ， 以保证马达 1 0的人 口压力值． 由系统可知， 加载马达排量 的值 ， 要保证 系 统在溢流阀 3的调定压力 P 即马达 l 0的入口压力 下， 两卷筒钢丝绳受力相等处于静止状态， 及卷筒 1 在无其他外力作用下被试卷筒组件和加载卷筒组件 受力相等而处于静止状态， 并保证其拉力为设定值． ～嗣 ～ 一 L 虱 3～一 玉～ 而 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 徐宝富 ， 等 液压绞车节能型试验装置 这样 ， 辅助泵 2以较低的压力克服系统的阻力就能 使两卷筒运转． 溢流阀 3的调定值决定钢丝绳拉力， 而辅助泵 2的流量值决定钢丝绳的速度． 1 ， 2 ． 辅助泵 ； 3 ． 加载溢流 阀； 4 ． 加载液压马达 ； 5 ． 增速箱 ； 6 ． 加载卷筒 ； 7 ． 钢丝绳 ； 8 ． 绞车卷筒 ； 9 ． 减速箱 ； 1 0 ． 绞车液压马达 图 3 能量回收试验 系统简 图 正 向工况 Fi g ． 3 En e r g y r e c o v e r y t e s t s y s t e m s c h e m a t i c p o s i t i v e mo d e 其正向牵引的参数 按两卷筒钢丝绳拉力相等可得下列等式 pV 1 i l D 7 丁 c D 1 l n d ． 1 兀 2 i 。 式中 i 为加载变速箱传动比； 毗， 为被试和加 载马达的机械效率； ， 为被试和加载变速箱 的 机械效率 ；Dz i 为加载马达卷筒上钢丝中心间直径 ． 由式 7 可得加载马达排量 。 为 8 钢丝绳拉力 S为 S p V1 i l 9 钢丝绳速度 为 g 7 【 D2 i 1 1 式 中 q p 2 为辅助泵 2的输出流量 ； 记为加载马达 的 容积效率 ． 试验所消耗功率 P为 P P q p 1 p2 q p 2 1 2 式 中 p z为泵 2的压 力 ； q p 2 为辅 助泵 2的输 出 流量 ． 2 ． 2 能量回收实际试验系统分析 能量回收实际试验系统如图 4所示 ， 系统 中除 增加了液压元件外 ， 还增加 了相应 的测量元件 ， 以 满足实际试 验要求 ． 试验系统工作原理 ， 分 正 向牵 引和反 向收绳 2种工况． 原理如下 1 ． 高压辅 助泵； 2 ． 低压辅助泵 ； 3 ． 卸荷式溢流阀 ； 4 ． 卸荷式 溢流阀； 5 ． 电液换 向阀； 6 ． 比例调压阀 ； 7 ． 绞车液压 马达； 8 ． 加载液压 马达 ； 9 ． 减速箱 ； 1 0 ． 增速箱 ； 1 1 ． 转 速传感器 ； 1 2 ． 扭矩仪 ； 1 3 ． 绞车卷筒 ； 1 4试验卷筒 ； l 5 ． 定滑轮 ； 1 6 ． 钢丝绳 ； 1 7 ． 绞车组件 ； F为流量计 ， P 1 ， P 2 ， P 3为压力传感器 ． 图 4 能量回收实际试验 系统 Fi g． 4 En e r gy r e c o v e r y a c t u a l t e s t s ys t e m 2 ． 2 ． 1 正向牵引工况 正 向牵引工况 ， 是绞车 的起 吊工况 ， 绞车的钢 丝绳在相应 的拉力作用下 ， 以相应 的速度 ， 将加 载 卷筒上的钢丝绳全部卷取到绞车卷筒上 ， 是绞车主 要试验工况 ． 启动辅助泵 1 ， 2 ， 并将其流量调到较小值 ， 将电 液换 向阀 5移人右位工作 ， 辅助泵 2的低压油进入 加载马达 2 ， 8的下腔 ， 克服系统摩擦 阻力 ， 使绞车 卷筒牵引收绳转动 ， 驱 动加 载马达转 动， 其上腔排 油进入 绞车马达 7的下腔 ． 由于辅 助泵 1流量 补 充 ， 使比例溢 阀 6溢流， 其压力为 阀的调定压力， 相 当绞车 马达在高压差 下工作 ， 并 完成能量反馈 回 收， 起节能效果． 具体控制如下 1 加载马达 8排量 自动调节按式 8 可知 ， 所有参数确定后 ， 加载 马达排量值一定 ， 因而在系 统 中， 要 自动调节加 载马达排量 以适应加 载要求 ． 从工作原理可知 ， 在卷 简马达人 口压力作用下 ， 卷 筒马达所产生 的钢丝绳拉力和加载马达所产生的 钢丝绳拉力相等时 ， 加 载马达 的排量是合适 的， 即 符合公式 8 要求 ． 若辅助泵 2不工作 ， 则系统处于 静止状态 ， 钢丝绳维持相应拉力． 辅助泵 2供油压 力仅需克服系统摩擦阻力 即可使系统钢丝绳以相 应拉力和速度运行． 因而只需通过压力传感器 P s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 1 2卷 测量泵 2的压力最小值 ， 即可获得合 适加载马达 排量． 2 由式 9 可知， 加载马达排量知道后 ， 比例溢 流阀 6的调定压力值就确定钢丝绳拉力值． 系统 中 安装扭矩仪 l 2 测量加载马达， 输入扭矩来确定钢丝 绳拉力值， 通过测量扭矩仪 的参数来调节溢流阀 6 的调定值 ， 以达到相应的钢丝绳的拉力值的调节． 3 由式 1 1 可知 ， 其他参数确定 后 ， 钢丝绳 速度决定辅助泵 2的流量值． 通 过转 速传感器 1 1 和扭矩仪的转速值来确定钢丝绳的速度之 ， 继而调 节泵 2的流量值． 4 辅助泵 1主要是补充系统泄漏和保证溢流 阀 6的溢流量 ， 以维持卷筒马达人 口压力值 ， 其流量 应保持合适值． 通过测量流量计 F的流量值来调节 泵 2的流量值 ， 一般 可取流量计 流量值 为 1 0 L mi n 作泵 2流量的调节基准． 2 ． 2 ． 2 反向收绳工况 反向收绳就是将卷入绞车卷筒上 的钢丝绳 ， 重 新卷入加载卷筒上 ， 为下一次正向牵引作准备． 反向 收绳工况对钢丝绳拉力无特定要求， 只需保证钢丝 绳拉 直， 并 能 正常 收绳 即可 ， 收绳 速度 也无 特定 要求 ． 将换向阀移入左位工作 ， 泵 2的压力油进入绞 车马达 7上腔， 驱动旋转 ， 其排油反馈进入加载 马 达 8上腔． 由于泵 1补油使溢流阀溢流 ， 使 油路保 持一定压力 ， 使钢丝绳 维持一定拉力完 成收绳工 作 ． 加载马达排量等的调节与“ 正 向牵引工况” 同． 这里仅介绍能量回收的基本问题 ， 有关控制及 参数获取问题 因篇幅而略去 ． 本文使用的是单加载马达系统 ， 这对绳长较短 的绞车， 完成试验是足够 ， 但对绳长较大的绞车 ， 因 加载马达的排量调节范 围有 限 一般调节 比为 4 ， 限制试验范围， 此种工况就需使用 双加 载马达 ， 使 其调节 比增大 ， 以满足全 范围试验 ． 系统 中应增加 双马达排量组合调节控制． 3 能量 回收 系统评价指标 如何评价能量 回收试验系统性能 的优劣 是一 个重要问题 ， 但 目前 尚无能量 回收效率 的标准 ． 借 鉴其他能量回收系统的能量回收评价计算方法 ， 我 们提出了能量回收率 ￡的概念 ． 因为试验工况分正 向牵引工况和反 向收绳工况 ， 正向牵引工况是主试 验工况 ， 工作压力较高 ， 所耗能量较大 ， 而反向收绳 工况为次要工况 ， 所消耗能量较 少 ， 所 以我们只讨 论正向牵引工况 的问题． 正向牵引工况的能量 回收 率 e 为 ￡ 1 0 0％ 1 2 ￡ z一 i 一 ＼ 上 厶 t 式中 E 为节流型加载绞车试 验完成一个牵引循 环所消耗 的能量； E为能量 回收加载绞车完成一个 牵引循环所消耗的能量 ． E 可 由式 1 3 求得 rt E t l P t q t d t 1 3 J 0 式 中 t 为节流型加载绞车试验完成一个牵引循环 所消耗的时间； P 为节流型加载绞 车试验完成 一 个牵引循环供油泵工作压力 ； q 为节流 型加 载绞 车试验完成一个牵引循环供油泵输出流量 ． E 由式 1 4 求得 rt rt EI P l q l d t I p 2 q 2 d t 1 4 式中 P ， P 为节能型加载绞车试验完成一个牵引 循环辅助泵 1 ， 2工作压力 ， g ， q 为节能型加载绞 车试验完成一个牵引循环辅助泵 1 ， 2泵输出流量． 式 1 2 可直观地反映出， 能量 回收试验系统较 节流加载试验系统节约能量． e 0表示 同型号绞 车试验 ， 能量 回收系统所消耗的能量少于节流型加 载系统所消耗 的能量 ． e越大能量节约效果越好 ． 通过试验验证 ￡可达 3 9 ％左右 ， 节能效果 十分明 显． 具有应用前途． 参考文献 [ 1 ] 李万莉． 工程机械液压系统设计[ M] ． 上海 同济大学出版 社 2 0 0 9 ． LI Wa nl i ． De s i g n o f h y d r a u l i c s y s t e m o f c o n s t r u c t i o n ma c h i n e r y [ M ] ． S h a n g h a i T o n g j i U n i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 0 9 ． [ 2 ] 黄昕 ． 液压 元件 节能 途径 的 研究 [ J ] ． 现 代机 械 ， 2 0 0 2 ， 2 5 3 5 4 ． HUANG Xi n． Re s e a r c h o n e n e r g y - s a v i n g me t h o d o f h y d r a ul i c c o mp o n e n t [ J ] ． Mo d e r nMa c h i n e r y ， 2 0 0 2 2 5 35 4 ． [ 3 ] 谌志新． 我国渔船捕捞装备的发展方向与重点_ J ] ． 渔业现代 化 ， 2 0 0 5 4 34 ． CHEN Zh i x i n．Ke y a n d d e v e l o p me n t a l d i r e c t io n o f f i s h i n g v e s s e l c a t c h i n g e q u i p m e n t i n C h i n a [ J ] ． F i s h e r y Mode r n i z a t i o n ， 2 0 0 5 4 34． [ 4 ] S H E N 0 U D A A ． Q u a s i ． s t a t i c h y d r a u li c c o n t r o l s y s t e m s a n d e n e r g y s a ving s P o t e nt i a l u s i n g i n d e p e n d e nt me t e r i n g f o u r v a lv e a s s e m b l y c o n f i g u r a t i o n [ D ] ． A t l a n t a B o ta n i c a l G e o r g i a I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g e， 2 0 0 6． [ 5 ] wU D u q i a n g ． Mo d e l i n g a n d e x p e r i me n tal e v a l u a t i o n o f a l o a d - s e n s i n g a n d p r e s s u r e c o mp e n s a t e d h y d r a u l i c s y s t e m．[ D] ． S a s k a t o o n Un i v e r s i t y o f S a s k a t c h e wa n， 2 0 0 3． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m