φ56组合锚绞机恒张力液压控制系统的设计与分析.pdf

2 0 1 3年 8月 第4 1 卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 1 6 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 3 ． 1 6 ． 0 3 7 4 5 6组合锚绞机恒张力液压控制系统的设计与分析 周忠 旺，赵林林 江苏财经职业技 术学院机械与电子工程 系，江苏淮安 2 2 3 0 0 3 摘要通过分析液压组合锚机工作状态，设计锚机主泵控制系统和辅泵控制系统。主泵控制系统设计采用手动 比例复 合阀控制马达转速，调节收 放缆速度；采用单向顺序阀作平衡阀，防止在放缆时因转速过快而脱缆；使用 3个高压球 阀，确保左右两侧主泵正常运行。辅泵控制系统设计采用溢流阀控制缆绳张力 ，采用补油装置控制马达反转转速 ，手动二 位四通换向阀控制主泵和辅泵的工作状态，使系统运行可靠。 关键词组合锚机；恒张力；液压控制 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 61 2 25 De s i g n a nd An a l y s i s o f Co ns t a nt Te n s i o n Hy dr a u l i c Co n t r o l S y s t e m o f 6 Co mb i n e d W i nd l a s s ZHOU Zho n g wa ng．ZHAO L i n l i n D e p a r t me n t o f E l e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e o f F i n a n c eE c o n o m i c s ， H u a i a n J i a n g s u 2 2 3 0 0 3，C h i n a Ab s t r a c t T h e ma i n p u mp c o n t r o l s y s t e m a n d t h e a u x i l i a r y p u mp c o n t r o l s y s t e m a r e d e s i g n e d b y a n a l y z i n g t h e w o r k i n g s t a t u s o f h y d r a u l i c c o mb i n e d w i n d l a s s ．T h e ma i n p u mp c o n t r o l s y s t e m w a s d e s i g n e d b y a d o p t i n g a ma n u a l p r o p o r t i o n e r t o c o n t r o l mo t o r s p e e d a n d r e g u l a t e t h e b u l l w i r e s p e e d ；o n e w a y s e q u e n c e v a l v e f o r b a l a n c e d v a l v e t o p r e v e n t t h e c a b l e l a y i n g i n h i g h s p e e d a n d r e l e a s e ； t h r e e h i g h p r e s s u r e v a l v e s t o e n s u r e t h e l e f t a n d fig h t s i d e s o f t h e ma i n p u mp t o o p e r a t e n o r ma l l y ．T h e a u x i l i a r y p u mp c o n t r o l s y s t e m w a s d e s i g n e d b y u s i n g O V e l f l o w v a l v e t o c o n t r o l c a b l e t e n s i o n a n d b y r e c h a r g i n g o i l d e v i c e t o c o n t r o l t h e r e v e r s e mo t o r s p e e d a n d b y ma n u a l t wo p o s i t i o n f o u r wa y d i r e c t i o n v alv e t o c o n t r o l t h e ma i n p u mp a n d a u x i l i a r y p u mp wo r k i n g s t a t i o n ．T h e h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m i s ma d e r u n n i n g r e l i a b l y ． Ke y wo r d s C o mb i n e d wi n d l a s s ；Co n s t a n t t e n s i o n；Hy d r a u l i c c o n t r o l 大型船舶在系泊期间，由于潮水的涨落 、吃水的 变化 、风力的改变等原因，经常需要甲板值班人员调 整缆绳的张弛程度，即人工松出和收紧缆绳。由于人 工操作，不仅麻烦费事 ，而且不可能做到使每一根缆 绳所受的张力完全一致 ，因此在 系泊期 间可能造成某 一 根缆绳 张力过大而拉断 ，这样其 他缆绳 的负荷 立即 增大，处于危险状态。为此，有必要在组合锚绞机上 设计具有恒张力 装置的液压控制 系统 ，以实现 自动调 整绞缆的张力，在缆绳拉力过大时自动放松 ，而缆绳 松弛时又能 自动收紧。 1 组合锚绞机的应用 系泊设备主要由锚绞机、系缆机、带缆桩、导缆 钳 或导缆孔 组成。大多数船舶，在船首处将锚 机和绞缆机置于一起，实现一机两用，称为组合锚 机；而在船尾设置一台绞缆机。如图l 所示 ，带缆桩 固定在岸边，船舶停靠码头时，由锚机 系缆机 通过系缆索与带缆桩固定 ，对于某些大型船舶 ，为更 可靠系泊 ，其锚机、系缆机左右对称，分别选用左右 锚机和左右系缆机。 带 索 图 1 船舶设备的系泊 2 组合锚绞机液压系统设计 2 ． 1 主 泵供 油液 压 系统设计 2 ． 1 ． 1 单侧起锚系缆时液压系统设计 设计时只要使锚链轴旋转就可以，而起锚和系缆 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 2 8 作者简介周忠旺 1 9 6 6 一 ，男，副教授，高级工程师，主要从事机械设计与制造、模具 C A D ／ C A M教学科研工作。 E ma i l z z w9 95 30 1 6 3．c o rn。 第 1 6期 周忠旺 等 6组合锚绞机恒张力液压控制系统的设计与分析 。1 2 3 动作由离合器操纵控制。锚链轴的旋转由旋转马达带 动 ，液压马达在排量既定时，扭矩与工作油压成正 比。因此 ，只需能控制马达的工作油压，就能控制马 达扭矩，实现操纵起锚和系缆动作。 如图2所示 ，液压系统主要包括动力元件、执行 元件和控制元 件 。 厂 L 图2 单侧起锚系缆时液压系统控制图 各元件的作用如下 左侧液压组合锚机 动力元件 考虑到安全因素 ，为保证在 1 个柱塞 泵损坏状况下不能影响主机工作 ，因此使用 2个柱塞 变量泵并联来驱动马达旋转。在泵的出口处安装溢流 阀，控制系统中的压力保持基本恒定 ，实现调压 、稳 压或限压作用 。 执行元件 液压马达 既驱动锚机又驱动系缆 机，转速范 围为 0～6 0 r ／ m i n ，起锚时工作油压 l 6 MP a ，系缆时工作油压 2 5 MP a ，起执行机构作用 ， 并联一个顺序 阀 调定压力为 1 5 M P a ，串联 了一个 单向顺序阀 又称为平衡 阀 。平衡阀串联的作用是 限制液压 马达反转不能过快。当反转过快变成泵运 行 ，进 口油压降低使平衡阀关闭迫使油马达停止，直 至进口油压回复才重新开启，继续反转；顺序阀作用 是负荷过载时液压油从顺序阀流过，不经马达，从而 保护马达 。 控制元件采用手动 比例复合阀 由两个单 向 阀、两个顺序阀和一个 H型中位机能手动三位四通 换向阀组成 。通过操纵比例阀手柄 ，可以无级控制 液压油流量 ，从而控制马达转速。 2 ． 1 ． 2 左右两侧起锚系缆时液压系统设计 在大型船舶中，船头通常使用两个锚绞机并分别 左右布置。其液压控制系统是在单侧液压系统的基础 上对称布置一个 ，两组并联使用，如图3所示。 右 侧 液压 组合 锚机 图3 左右两侧起锚系缆时液压系统控制图 但设计时注意以下几点 1 左右两侧分别使用两组 各 2个柱塞泵 供应液压油，一组正转，另一组反转，分别带动左右 马达绕 同一转向旋转。 2 为防止左右柱塞泵发生故障，在左右两侧 的动力源中选用 2 个柱塞泵并联使用作为动力，在 1 个柱塞泵损坏状况下不能影响主机工作，确保主机安 全运行。 1 2 4- 机床与液压 第 4 1 卷 左右两组液压泵互用 ，确保主机正常运行。如 图3所示，在进油路中设置3个高压球阀。正常工作 时，Q 1和 Q 2打开 ，Q 3关闭。应急时，两台泵组互 为备用，即用一台泵分别对左右锚机供油，比如当右 泵组发生故障时，可用左泵组供油使右机工作 ，此时 Q l 应关闭，Q 2和 Q 3打开 ，或在 Q l 打开 ，Q 2和 Q 3 关闭时，左泵组供油使左机工作。此时左右两个锚机 分别工作 ，如果 需要左 右锚机 同时工作 ，需要将三个 高压球阀全部打开 ，但锚机的速度和负载将会降低 ； 同理当左泵组发生故障时，可用右泵组供油使左机工 作 ，此时 ，Q 2应关 闭 ，Q l 和 Q 3 应 打开 ，或在 Q 2打 开，Q 1 和 Q 3 关闭时，右泵组供油使右机工作。 2 ． 2 辅泵供油液压 系统恒张力液压 系统设计 如图4所示 ，在图2主泵供油的基础上 ，增加一 组控制系统 右侧所示 ，与主泵并联供油。但主泵 和辅助泵不同时工作 ，通常把正常系缆时的供油称为 主泵供油 ，而把 自动张紧时的供油称为辅泵供油。主 泵控制锚缆机旋转，实现起锚系缆 ，而辅泵实现自动 张紧，控制缆绳张力在一定范围内，从而保持缆绳张 力的恒定 。 图 4 单侧恒张力液压系统控制图 在辅泵工作状态 ，使用 1 个柱塞泵供油，2个溢 3 液压系统工作过程 流阀控制液压油流向，通过 1 个补油回路保证马达反 3 ． 1 手动收缆工况 转速度不能太高，其执行元件 马达与主泵回路 手动收缆的工作原理如图5所示。 的执行元件共用同一个 马达。 正转收缆 手动换 向阀 2 4工作在 左侧 ，辅 泵 1 7 2 ． 3 液压 控制 系统设 计 停止运转 ，阀 1 2工作 在 右位 ，主泵 排 出的 油液带 动 根据以上分析，组合锚缆级液压控制系统如图5 马达正向转动收缆 ，直到缆绳张力相对应的油压达到 所 乃 。 如 图5所示 ，动力元件 由4个主泵 两两并联后 分别控制左右两侧锚绞机的主泵供油 和 1个辅泵 左右两侧锚绞机的辅泵供油等组成；执行元件主 要是左右 2 个马达；控制回路主要 由4个部分组成， 即左右主泵供油控制油路和左右辅泵控制油路 ；其他 元件主要有油箱 、过滤器、温度计等。 左右主泵回路、辅泵回路对称布置，分别操纵液 压马达的转动，通过手动换向阀来切换主泵供油和辅 泵供油两种状态。 溢流阀调定压力 1 5 M P a 时，开启溢油 ，进入停止状 况。 进油 主泵 5 一 直通单 向 阀 9 一 手动 比例 复合 阀 1 2的右位一单 向顺序阀一液压马达的进油口 回油液压马达的回油 口一手动 比例复合 阀 1 2 的右位一冷却器 2 一过滤器 1 一油箱 收缆的工作速度决定于缆索张力 即工作油压。 张力越大，油压越高 ，使变量油泵的排量越小 ，液 压马达转速就越低 ，直至停转 ，以防止收缆时张力 过 大 。 第 1 6期 周忠旺 等 6组合锚绞机恒张力液压控制系统的设计与分析 ‘1 2 5 l 一 回 油过 滤 器2 一 耐褥 水冷 却 器3 、1 5 、2 2 、2 }_溢 流 罔4 一暇 位 } 夏温 计5 一 柱基 泵6 一 空气 过 滤器7 、l 6 一 电动机 8 、I 9 一软管总成9 、2 0 、2 6 一直通单向阀1 O 一压力表开关l l 一压力表l 2 一手动比例复合阀l 卜 液压传动装置 l 4 一液位继电器l 7 _柱塞泵l 8 一温度传感器2 1 一单向节流阀2 4 一手动换 向阀2 5 一高压球 阀 图5 液压系统控制图 3 ． 2 停止工况 随着缆绳收紧，张力增大，工作油压升高，收缆 手动换向阀2 4工作在左侧，辅泵 1 7停转，阀1 2 速度因系统内漏泄量增大而略有降低。当缆绳达到额 工作在中位。利用该阀的 H型中位机能，使各个油 定张力7 5 k N时 工作压力达到溢流阀 2 2的调定压 口全部连通 ，液压缸浮动，液压泵卸荷。 力 1 1 M P a ，辅泵排油全部经阀 2 2 、阀 2 3 、冷却器 泵出口一阀 l 2中位一冷却器一过滤器一油箱 2 ，溢回油箱 ，马达停转 ，缆绳速度为零。 3 ． 3 手动反转放缆 张力在 7 5 8 O k N之间，缆绳不动，工作油压不 手动换向阀 2 4工作在左侧 ，辅泵 1 7停止运转， 变 ； 阀 1 2工作在左位。 进油 主泵一 阀 1 2的左位 一 马达正转 时 的回油 口 回油 马达正转时的进油一单向顺序阀一阀 1 2 的左位一冷却器一过滤器一油箱 3 ． 4 自动调节张力工况 恒张力状态 手动换向阀 2 4工作在右位 ，此时主泵不工作 ， 辅泵工作。 若缆绳松弛 低于额定张力 7 5 k N ，则辅泵 1 7 油压较低，溢流阀2 2关闭，液压油经 2 4 A口供入液 压马达，马达回油经手动换 向阀 2 4的右位 B口、溢 流阀2 3和冷却器 2 、滤油器 1回入油箱 ，此时马达正 转收缆。溢流阀2 3控制马达回油为 1 ． 5 M P a 。 进油 辅泵一单向阀2 0 节流阀2 1 一阀 2 4的右 位一液压 马达 回油液压马达一阀 2 4右位一 阀 2 3 一冷却器 2 一过滤器 1 一油箱 辅泵一阀2 2 一阀 2 3 一冷却器一油箱 若缆绳张力超过 8 0 k N 额定张力和传动机构的 摩擦力之和 ，则马达反转，放出缆绳。马达排油从 阀 2 4的 A 口流 回 ，与辅 泵排 油一 起从 阀 2 2溢 回油 箱 ；若缆绳张力进一步增大，则工作油压进一步升 高 ，溢流阀溢流量增大，松缆速度加快 。同时，阀 2 4部分溢油经 B口由马达吸回 补油 ，其余油液由 阀2 3控制流回油箱，可保证马达不至吸压过低。 4 液压锚绞机性能曲线分析 如图6所示，随着缆绳收紧，张力增大 ，工作油 压P升高，收揽速度 因系统内泄漏量增大而略有降 低。当工作压力接近溢流阀 2 2的调定压力 P 1 1 MP a 时，阀 2 2开启，收揽速度迅速降低。当油压 达溢流阀2 2的调定压力P 时，缆绳达到额定张力 7 5 k N 相当于 A点 ，辅泵排油全部经阀 2 2 、阀 2 3 、 冷却器2溢回油箱 ，马达停转 ，缆绳速度为零。 当缆绳张力增高至 8 0 k N 相当于 B点时，达 1 2 6 机床与液压 第 4 1 卷 到缆绳达到额定张力 7 5 k N和传动机构摩擦力之和， 张力在 7 5～ 8 0 k N之间时，缆绳止住不动，工作油压 不变。若缆绳张力超过 8 0 k N，则马达反转松 出缆 绳，马达排油从阀 2 4的 A口流回，与辅泵排油一起 从溢流阀2 2溢回油箱。这时若缆绳张力进一步增大， 则工作油压进一步提高，溢流阀开度和溢流量加大， 松缆松出速度加快。同时，阀2 2部分溢油经阀2 4的 B口油马达吸回，其余溢油由背压阀 2 3控制流回油 箱，可保证马达不致吸压过低。 自动绞缆时缆线最大张力 8 0 k N不应超过缆线强 度的允许值 ，而张力 7 5 k N应满足系缆作业的需要。 调低或调高溢流阀2 2的调定压力，则缆绳张力 F 和 相应减小或加大，性能曲线随点A、B一起 向左或 向右平移 。 图 6 液压锚绞机性能曲线 5结束语 1 采用手动收放缆和 自动控制收放缆两种工 况 ，是各 自独立的，不会相互影响。 2 两台电机泵组可 以互为备用 ，当一侧主泵 出现故障时，能利用高压球阀 Q l 、Q 2 、Q 3的开关， 保证两侧 系统正 常工作 。 3 设计恒张力 自动控制装置系统，确保缆绳 张力控制在 7 5 8 0 k N之间 。 4 自动控制装置系统设计有恒压补油和超压 泄油装置，起恒张力控制作用，最大收放缆张力可以 由溢流 阀调定 。 5 采用了柱塞泵、节流阀、背压阀容积式节 流调速回路。用变量泵供油可使空载时获得快速，效 率高，功率利用合理。正转时，负载增加，泵的流量 会 自动减小 ，且无溢流损失 ；用节流阀可 以对速度实 现控制 ；回油路上串联了调定压力为 1 ． 5 M P a 的顺序 阀 ，可起 到背压作 用。 6 调压 回路 中，系统的最高压力 由并联在马 达的溢流 阀调定 ，防止系统过载。 7 在平衡回路中，采用单向顺序阀作平衡阀， 防止在放缆时，因转速过快而脱缆，且工作稳定、可 靠。 8 整个系统的换 向阀采用闭式回路、手动换 向，运行可靠。 参考文献 【 1 】郑士君． 孙永明． 船舶辅机教程 [ M] ． 大连 大连海事大 学出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 2 】高翔． 舰船辅助机械[ M] ． 北京 国防工业出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 3 】费千编． 船舶辅机[ M] ． 大连 大连海事大学出版社， 1 9 9 8 ． 【 4 】许贤良， 千传礼． 液压传动[ M] ． 北京 国防工业出版社 ， 2 0 1 1 ． 【 5 】 王以伦， 王成敏． 液压传动[ M] ． 哈尔滨 哈尔滨工程大 学 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 6 】邱和平． 船用绞缆机模块化设计的探索研究[ D ] ． 大连 大连海事大学 ， 2 0 0 7 ． 【 7 】 王晓兰． 恒张力液压滚筒绞车机群液压驱动系统设计及 分析[ D] ． 天津 天津理工大学， 2 0 1 1 ． 【 8 】 陈心响． 船舶锚机绞缆机液压驱动系统系列化设计研究 [ D] ． 大连 大连海事大学， 2 0 0 8 ． 上接第 1 7页 5结束语 孔距校正定位夹具先后应用在公司落地式铣镗 床、刨台式铣镗床 、龙门式镗铣床滑枕前端面的功能 附件安装孔的加工上，实际使用结果证明该夹具保 证了安装孔的高位置尺寸精度要求，提高了功能附件 自动更换的可靠性 ，保证了功能附件的加工精度，提 高了机床的自动化程度、加工效率和销售附加值 ，为 公司带来了良好的经济和社会效益。 对于类似孔距精度较高零件的孔加工，除了采用 高精度机床加工外，可以通过设计简单的工装夹具在 普通机床上加工，以降低加工成本和提高设备利用 率。采用结构简单、成本较低的方案有效地解决问题 也是工程技术人员一贯追求的目标。 参考文献 【 1 】黄天铭． 机械制造工艺学[ M] ． 重庆 重庆大学出版社 ， 1 98 8． 【 2 】 东北重型机械学院， 洛阳工学院， 第一汽车制造厂职工 大学． 机床夹具设计手册 [ M] ． 2版． 上海 上海科学技 术出版社 ， 1 9 8 8 ． 【 3 】王伯平． 互换性与测量技术基础[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】王启平． 机床夹具设计[ M] ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学出 版社， 1 9 9 6 ． 【 5 】 上海柴油机厂工艺设备研究所． 金属切削机床夹具设计 手册[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 8 4 ． 【 6 】徐灏主编． 机械设计手册 第 1 卷 [ M] ． 北京 机械工 业出版社， 1 9 9 1 ． 【 7 】郑玉华， 林跃． 用定位误差尺寸链解算定位误差的方法 [ J ] ． 机械设计与制造 ， 1 9 9 8 4 3 6 3 7 ． 【 8 】李永祥． 定位误差的尺寸链解法探讨[ J ] ． 机械设计与 制造 ， 2 0 0 5 7 3 7 3 8 ． 5 4 3 2 1 0 五 0 4