漂浮取水泵液压驱动系统方案设计及性能校核.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／2 01 6年 第 06期 d o i l O ． 3 9 6 9 ．i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ．0 6 ． 0 1 9 漂浮取水泵液压驱动系统方案设计及性能校核 吴 杰 ， 张世 富 ， 张冬梅 ， 王 铭 1 ． 后勤工程学院 军事供油工程系， 重庆 4 0 1 3 1 l ； 2 ．后勤工程学院 国家救灾应急装备工程技术研究中心， 重庆 4 0 1 3 1 1 摘 要 为了研究漂浮取水泵的液压驱动系统 ， 该文以功能需求为牵引， 对其液压驱动系统进行方案设计 ， 绘制了液压驱动原理图， 对 液压泵和液压马达进行选型计算， 对系统压力损失和发热温升进行了校核。结果表明， 液压马达和液压泵的选型符合条件； 液压泵提 供的系统工作压力大于管路的总压力损失 ， 液压系统能正常工作 ； 在液压系统中增设风冷器， 改善了系统的散热条件 ， 在保证系统热 平衡的同时， 又减小了液压油箱的体积， 使系统装备结构紧凑， 便于轻便机动。 关键词 漂浮取水泵 ； 液压驱动系统； 方案设计； 性能校核 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 6 0 0 5 8 0 5 Sc h e me De s i g n a n d Pe r f o r ma n c e Ve r i fic a t i o n o f Hy d r a u l i c Dr i vi n g S ys t e m f o r Fl o a t i n g W a t e r Pu mp WUJ i e ， Z H A NG S h i -f u ， Z H A NGDo n g - me i 2 , W A NG Mi n g 1 ． L o g i s t i c a l E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y , Mi l i t a r y De p a r t me n t o f P e t r o l e u m S u p p l y E n g i n e e r i n g ， C h o n g q i n g 4 0 1 3 1 1 ， Ch i n a ； 2 ． Lo g i s t i c a l En g i n e e r i n g Un i v e r s i ty, Na t i o n a l En g i n e e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r f o r Di s a s t e r E me r g e n c y R e l i e f E q u i p me n t ， C h o n g q i n g 4 0 1 3 1 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s t u d y h y d r a u l i c d i v i n g s y s t e m o f fl o a t i n g wa t e r p u mp ，b a s e d o n t h e f u n c t i o n a l r e q u i r e me n t s ，t h e p a p e r d e s i g n s t h e s c h e me o f h y dra u l i c dri v i n g s y s t e m， dra ws t h e h y dra u l i c dri v i n g s c h e ma t i c d i a g r a m， d e s i g n s a n d s e l e c t s t h e h y dra u l i c mo t o r a n d p u mp a n d c o n d u c t s t h e v e rific a t i o n o f p r e s s u r e l o s s a n d h e a t i n g a n d t e mp e r a t u r e ris e ． T h e r e s u l t s h o ws t h a t mo d e l s e l e c t i o n s o f h y dra u l i c mo t o r a n d pump a r e c o r r e c t ． Ke y wo r d s fl o a t i n g wa t e r p u mp ； h y dr a u l i c d r i v i n g s y s t e m； s c h e me d e s i g n ； p e r f o r m an c e v e r i fi c a t i o n O 引言 机动供水系统是一套可移动的供排水系统， 主要 用于城市应急排涝、 森林火灾扑救、 大型建筑群火灾扑 救、 大型油料储罐区及化工园区火灾扑救 、 干旱输水等 大流量、 长距离应急机动供排水场合⋯ 。系统采用液压 驱动作为漂浮取水泵的动力系统 ， 与传统的电力驱动 相比， 液压驱动系统减小了装备的体积和质量， 保证了 供水系统能快速机动， 同时便于调节和控制系统的工 作压力 ， 最大程度保证 了漂浮取水泵水下工作 的安全 性 。 目前关于漂浮取水泵液压水下驱动的文献较少 ， 本文根据漂浮取水泵的动力功能需求 ， 确定了液压系 统的原理图 ， 对液压元件进行 了选 型计算 ， 对液压驱动 系统性能进行了校核。 1 液压系统原理图 液压驱动系统的工作原理为 柴油发动机带动液 收稿 日期 2 0 1 6 0 4 2 6 基金项目 国家科技支撑计划 2 0 1 4 B A K 0 5 B 0 8 ； 重庆市科技攻关计划 项 目 e s t e 2 0 1 2 g g s f g c O 0 0 0 2 作者简介 吴杰 1 9 9 0 一 ， 男 ， 福建寿宁人 ， 硕士研究生， 主要从事油气加 注技术与装备研究。 5 8 压泵工作， 高压液压油通过液压油管进入液压马达驱 动其运转， 液压马达与漂浮取水泵泵轴采用直联形式， 从而完成动力的传递 I。在实际工作过程中， 为了保证 漂浮取水泵正常工作 ， 液压系统必须具备控制、 溢流、 冷却 、 检测等功能模块。按照系统的功能需求 ， 确定液 压驱动系统应具备吸油 、 压油 、 回油 、 控制 、 溢流以及冷 却管路等回路。系统原理如图 l 所示 。 2 液压元件选型设计 2 ． 1液压马达选型 为保证漂浮取水泵的快速投运和便携机 动性 ， 液 压马达 的体积应尽量小 、 质量应 较轻。考虑到取水泵 转速较快 ， 液压系统压力较高 ， 本文选用斜轴式轴 向柱 塞马达 ， 它具有较强的抗冲击能力 ， 允许工作压力较 高， 工作腔体泄漏量小， 效率较高 。 在液压马达选型时主要依 据其排量大小 ， 根据液 压马达计算相关公式得 P M 。 2 1 T T M 1 ， M ， L 7 1 M 2 d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ．0 6 ． 2 0 1 6 L _ 路 例 I 一 一 一 ] 下。_1 一 一吸泊 路 一_ _ I --- - -- -- ．-- 爪油箭路 一 删泊铃路 - 控 镶 箭 路 喜 一-一溢 流 箭 路 ⋯- 冷翱 】 聱路 ● - ⋯ ⋯ _ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 3 2 4 u⑦ 1 2 _ L l 2 i I ⋯ ． 5 I _ 1 O r m 12 5 ； 9 r il l } 2120 li一 一一 一 一 __J 匡 l| 1 一 8 29 1 3 4 5闻6 1 8 ．e ①◇L J 奄 。 ∈ IL ． 厂 ] 一． 上 ／11 一 一 一L 二 图1漂浮取水泵液压驱动系统原理图 式中P 液压马达轴功率 ； P漂浮取水泵的轴功率， 取5 6 ． 5 7 k W； 、 、7 7 液压马达机械效率 、 总效率和 系统传动效率， 分别取0 ．9 、 0 ． 8 5 5 、 0 ．9 5 ； n 液压马达的转速 ， 取 2 0 0 0 r ／ rai n ； 液压马达扭矩 ； △ p 液压马达进出 口压差 ， 初选 2 8 MP a ； 液压马达排量。 整理得到 n ， 、 1 - “ 8 2 9 2 m 3 根据排量的值 ， 由力士乐A 2 F M斜轴式轴向柱塞马 达样本 ， 如表 1 所示 ， 选择液压马达的型号为A 2 F M 9 0 ／ 6 1 W- V A B 0 2 0 D 。表中 g 为液压马达的额定流量， 为额定扭矩 。 表1力士乐A 2 F M斜轴式轴向柱塞马达技术参数 规格 V M c m3 q M L ／ mi n M Nm 5 6 6 3 8 O 9 0 1 0 7 因此 ， 可以得到液压马达的工作压力、 实际输出功 率、 实际流量分别为 -- 2 r r TM 2 5． 8 0MPa P g M M 2 叼 69 ． 6 6 k W q 1 8 9 ． 4 7 L ／ mi n ⋯‘ M M 式中 △ p 液压马达实际工作压力； 液压马达选型后实际排量， 为9 0 c m3 ／ r 。 P 液压马达实际输出功率； g q 液压马达理论输人流量和实际流量 ； 液压马达的容积效率， 取0 ．9 5 。 2 ． 2 液压泵选型 液压泵是液压系统的动力元件， 高压液压油流出 液压泵， 流经液压油管进入液压马达 ， 所以液压泵的工 作压力应包括两部分， 一部分克服在液压油管中运动 的摩擦阻力 ， 另一部分提供给液压泵作为动力网 。 1 液压油牌号选定 考虑到液压系统持续高压的工作环境， 因此为了 保证液压系统稳定持续运行， 应选择抗磨液压油。根 据 G B 1 l 1 1 8 ． 1 2 0 1 1 液压油 L H L 、 L H M、 L H V、 L HS 、 L HG 中的规 定嘲 ， 选择 L H M抗磨液 压油 高 压 ， 黏度等级 G B ／ T 3 1 4 1 为 6 8 ， 在 4 0 C 下 ， 运动黏度 为6 1 ．2 ～ 7 4 ． 8 m m 2 ／ s ， 密度约为8 5 2 k g ／ m 。 2 液压泵供油量计算 已知液压马达流量为 1 8 9 ． 4 7 L ／ mi n ， 由液压泵的最 大供油量公式得 q ≥ g 4 5 9 7 6 7 4 0 2 9 1 4 5 5 1 ∞∞印 4 2 8 O 6 4 8 3 4 5 1 3 l 5 6 3 3 J 1 3 6 8 1 5 2 3 液 压 气 动 与 密 t d - ／20 1 6年 第 0 6期 式中 g 。 液压泵供油量； K 。 修正系数， 取1 ．2 ； ∑g 同时动作的 各液压缸所需流量之和 的最大值。 带人数据 ， 得 g ≥ g 2 2 7 ． 3 6 L ／ m i n， 取整后可 得液压泵供油量 g 2 3 0 L ／ m in。根据实际情况得液压 油管的总长度 L 1 0 0 m， 吸油管道长度 L 2 0 m， 压油 管道长度 L 3 0 m ， 回油管道长度 L 5 0 m。 3 液压油箱容量初定 根据液压油箱经验设计公式得 O t q 6 0 ． 2 3 1 ． 3 8 m 5 式中 液压油箱容量 ； O t 经验系数， 按照中高压液压系统， 取 6 。 4 液压油管管径确定 根据管道 内径公式得 ， f4 Q J 6 式中Q 液压管道内的流量 ， 取管路平均流量 2 3 0L／ mi n； 管道内允许的流速， 取值如表2 所示。计 算并取整 ， 得 到液压系统 吸油 、 压油 、 回油管路管径分 别为 d 8 0 m m、 d 3 0 m m、 d h 5 0 ra m。 表2液压管道内允许流速推荐值 油液流经的管道 推荐流速 m ／ s 本文流速取值 液压系统吸油管道 0 ． 5 - 1 ．5 ， 一般l m ／ s 以下0 ． 8 液压系统压油管道 管道短 ’ 6 液压系统 回油管 道 1 ． 5 2 ．6 2 5 选型计算 根据液压泵的供油量 q 。 2 3 0 L ／ m i n， 液压泵的转 速 与 发 动 机 转 速 相 当 ， 假 设 转 速 液 压 泵 的 转 速 2 0 0 0 r ／ m i n， 排量 V p q p ／ n 1 1 5 m L ／ r 。按照轴向柱 塞变量液压泵 A1 1 V O系列 的产 品样本 ， 选择液压泵的 型号为A1 1 V O1 3 0 ／ 1 0 一 N P D1 2 ， 排量为 1 3 0 c m3 ／ r ， 见表 3 。 表 3力士乐A1 1 V O系列斜盘轴向柱塞泵技术参数 规格 7 5 9 5 1 3 0 1 4 5 1 9 0 c m 7 4 9 3 ． 5 1 3 0 1 4 5 1 9 3 g L ／ min 1 8 9 2 2 0 2 7 3 3 1 5 4 0 5 M N m4 1 2 5 2 1 7 2 4 8 0 8 1 0 7 5 在对液压泵进行选型之后， 根据流体力学摩阻损 失相关公式 得 6 0 堕 7 A 0 ． 0 1 1 1 3 0 ． 9 1 7 R e 8 r A 9 g 1 0 计算得到系统吸油、 压油和回油管路上的沿程摩 阻损失分别为h 0 ．5 5 7 m、 h 8 1 ． 4 7 6 m、 h 1 2 ．4 6 5 m。 考虑局部摩 阻损失 ， 在沿程摩 阻损失 的基础上乘以 比 例 系 数，得 到 液 压 油 管 总 摩 阻 损 失 h 1 墨 1 2 2 ．8 4 7 m。 根据压强公式进 行换算， 得管路总摩阻损失 △ p p g h 1 ．0 3 M P a 。 又因为液压泵提供的压力， 一部分克服液压油管摩 擦阻力， 另一部分用来驱动液压马达运转， 所以液压泵的 工作压力 为二者之和 ， 即 a p a p 2 6 ． 8 3 MP a， 考虑一定的富余量， 取 a p 。 3 0 M P a 。 由液压泵的功率公式、 效率公式可得 P A p p“ g 1 1 P 叼 1 2 pi 式中 P 液压泵输出功率； 7 液压泵总效率， 取0 ．8 5 5 ； P。 i 液压泵输人功率 。 带人数据可以得到 P l1 5 k W，P i 1 3 5k W 。 由液压泵的实际输 出流量公式得 g ‘ n p r ／ 1 3 式 中 n 液压泵实际转速 ； 叼 液压泵容积效率 ， 取 0 ．9 5 。整理可 以 得到 彘 8 6 2 该转速可 以与普通发动机转速 1 5 0 0 ～ 2 2 0 0 r ／ mi n 相 匹配 。 3 液压系统性能校核 在 明确 了液压系统 的设计要求 ， 拟定 了液压系统 的原理图 ， 对 液压 马达 和液压泵进行 了设计计算并 选 型之后 ， 还要对液压系统的性能进行校核 ， 主要包括压 力损失以及发热温升校核 ， 以保证所选的液压元件和 执行机构能够满足条件 ， 保证液压系统安全持续 稳定 地工作 】 。 3 ． 1 压力损失校核 在液压马达和液压泵的选型计算时， 液压系统的 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 6 ．2 0 1 6 设计并没有完成 ， 没有准确考虑液压系统的元件和管 路布置 ， 压力损失只是粗略的估算。因此在设计完液 压系统之后 ， 还应对管路的总压力损失进行验算， 以保 证元件选型的准确性， 液压系统方案设计的可行性。 根据系统压力公式得 a p ≥△ p △ p 卸 △ p 1 4 a p 卸 △ p △ p 卸 1 5 式 中P 为 液压 系 统 的压 力 ， 即液压 泵 的工 作 压力 ； △ p 液压马达的实际工作压力 ； △ p 。 液压系统总压力损失 ； 、△ p 、 卸 吸油、 压油、 回油管路的压力 损失。 在计算各管路的压力损失时 ， 应包括沿程摩阻损 失 、 局部摩阻损失以及阀类元件局部压力损失。如公 式所示 卸 j 萼 p 8 q p2p 1 6 ， ， ， T、 △ p △ p nI I 1 7 △ p p g h 卸i 卸 1 8 式中 △ p i 管路的局部摩阻损失； 管路局部摩阻损失系数 ； △ p ， 管路各阀类元件局部压力损失； △ p 管路阀类元件压力损失 ； q 管路阀类元件额定流量； 各管路总压力损失。 通 过 计 算 可 以 得 到 液 压 系 统 总 压 力 损 失 △ p 2 9 ． 1 2 1 MP a △ p 。 3 0 M P a， 即液压管路的总压力 损失满足条件， 液压系统元件的选型符合条件。 3 ． 2 发热温升校核 液压系统在正常工作时， 除了液压执行元件向外 输出功率外， 其余功率损失最终转化为热能， 使系统发 热， 油温升高 。液压油有一定的工作温度， 一旦油温 过高， 将导致液压油黏度下降， 系统泄漏量增大， 运动 部件磨损增加， 密封部件失效等， 因此为了保证液压系 统能正常工作， 液压油的温度应始终保持在允许的范 围之 内。 1 系统发热量计算 由单位时间液压系统发热量计算公式得 1 A Q P p i 1 - 叩 ， 1 9 叼 叩 2 0 式中 A Q 液压系统单位时间内的发热量； 叼、 7 、 。 、 液压系统的总效率、 液压泵 的效率、 液压回路的效率和液压马达的效率。 已知液压泵的输入功率 P 1 3 4 ．5 0 3 k W ， 带人数 据可得 A Q 1 3 4 ． 5 0 3 x 1 0 ． 6 9 4 4 1 ． 0 9 4 k W 2 系统散热量计算 由上文计算得油箱容量 1 ．3 8 m ， 这是在液压 管路只有油箱作为散热途径时所得到的结论 ， 为了减 小装备系统体积和质量， 使系统结构更加紧凑， 保证快 速机动性 ， 本文采用增设冷却器的方式来减小油箱 容量 。 由于液压系统的主要散热部件是液压油箱和冷却 器， 由单位时间内散热量公式得 A Q K 。 A 。 △ t 2 1 A。 卢 。 2 2 式中 A Q 。 散热部件单位时间内的散热量； K 油箱散热系数， 取 K 。 2 3 k W／ m ， 如 表4 所示 ； 风冷器的散热系数“ ， 取3 7 0 ； 液压系统的温升 ； A 油箱的散热面积； A 风冷器散热面积， 取0 ． 2 m ； 卢 油箱散热面积系数， 为0 ．0 6 5 。 表4液压油箱散热系数取值表 冷却条件 散热系数 通风条件差8 - 9 通风条件良好 1 5 1 7 风扇冷却 2 3 循环水冷却 1 1 0 ～ 1 7 0 3 系统温度热平衡验算 当 液 压 系 统 的 发 热 量 和 散 热 量 达 到 平 衡 时 A Q A Q ， 根据温度平衡公式得 △ f ￡ 2 2 3 式中 t ． 液压系统的工作环境温度， 取常温2 0 C ； t ， 液压油正常工作温度， 一般要求液压油工 作温度约为5 5 ℃。 联立各式可得 ／y_ 丽 A Q y一 箍]2 0．63 m 3 即当液压油箱的容积 时， 由液压油箱和风冷器 液 压 气 动 与 密 ／ 20 1 6年 第 06期 组成的散热单元， 保证了液压系统的发热量和散热量 达到平衡 ， 平衡后液压油的温度为5 5 ℃， 液压系统能够 正常工作。 4 结论 按照功能需求确定了液压系统原理图， 按照排量 对液压元件进行选型设计， 其选型符合条件。对液压 系统性能进行了校核， 系统压力损失和发热温升满足 要求。通过增设风冷器， 减小了液压油箱体积， 保证系 统具备良好的散热环境、 紧凑的结构以及快速机动的 能力。 参考文献 【 1 】 G r a h a m F o r b e s ． 一种新型的火场供水装备K u i k e n 快速 移动远距离供水系统[ J ] ． 消防技术与产品信息， 2 0 0 5 ， 8 7 9 8 0． [ 2 】 P e t e r S n o w ．S l u d g e P u mp i n g w i t h H y d r a u l i c S u b m e r s i b l e 上接第5 7 页 表2开发的产品与GB 1 1 1 1 8 ． 1 的对照表 P u mp s [ J ] ． Wo r l d P u mp s ， 2 0 0 5 ， 4 ． [ 3 】 D e s h e n g Z h o u ， R e s h S a c h d e v a ． S i mp l e Mo d e l o f E l e c t r i c S u b - 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