（机械电子工程专业论文）液压绞车能量回收试验台总体设计研究.pdf

摘要 摘要 渔船液压绞车是在海上打鱼作业时收放渔网用的，在其生产出来之后必须 进行长时间的寿命试验，性能指标达到要求才能装船使用。液压绞车试验台就 是专门对液压绞车进行寿命试验和性能测试的试验装置。它通过模拟海上生产 作业过程，来对各种型号的液压绞车进行质量检验与可靠性测试。但传统的液 压绞车试验台通过节流为测试绞车加载，导致发热多，能耗大。 本课题系同济大学与中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所合作承担的 农业部建设项目，着重研究在液压绞车试验台中使用能量回收和再利用技术， 对传统的节流加载液压系统进行改造，设计出液压绞车能量回收试验台，实现 能量的循环再利用，减少节流发热，提高整个系统能量的有效利用率。因此， 本课题对能量回收再利用技术的研究，在科学发展、技术创新、绞车测试、节 能环保各方面，有着重大的理论意义和很高的实用价值。 本论文的主要研究内容包括： 1 研究设计要求，进行原理分析，设计出初始方案液压系统； 2 建立数学模型，进行参数计算，对初始方案进行全面深入分析； 3 在初始方案的基础上，弥补不足，改进设计出新的液压系统； 4 选取液压元件，结合泵站布置，设计液压集成阀块； 5 分析试验台性能指标及其影响因素，对系统进行优化。 关键词：绞车试验台，节流，能量回收，液压系统 a b s t r a c t b e f o r eu s e d ，al i f e - c y c l et e s t i n gi sd e m a n df o raf i s h i n g - v e s s e l - r e l a t e dh y d r a u l i c w i n c h , w h i c hi su s e df o rd r a g g i n gu pt h ef i s h i n gn e ti no f f s h o r ef i s h i n g ah y d r a u l i c w i n c ht e s t - b e di ss p e c i a l l yu s e dt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo fv a r i o u st y p e so fh y d r a u l i c w i n c h e s ，b ym e a n so fs i m u l a t i n gt h ep r o c e s so ff i s h i n go nt h es e a h e n c e ，t h e c o n v e n t i o n a lt e s t i n gm e t h o d ，i nw h i c ht h et h r o t t l i n gi sa p p l i e df o rw i n c hl o a d i n g , w i l l r e s u l ti ne x t r ah e a te m i s s i o na n de n e r g y - c o n s u m p t i o n t l l i sp a p e ri sm a i n l yf o c u s e do nac o n s t r u c t i o np r o j e c to fc h i n e s em i n i s t r yo f a g u r i c u l t u r e , w h i c hw i l lb ec o m p l e t e db yt o n g j iu n i v e r s i t ya n df i s h e r ym a c h i n e r y a n di n s t r u m e n tr e s e a r c hi n s t i t u t e ，c h i n e s ea c a d e m yo ff i s h e r ys c i e n c e s i nt h i sp a p e r , t h et r a d i t i o n a lt h r o t t l i n gs y s t e mo faw i n c ht e s t - b e di su p g r a d e di n t oan e wh y d r a u l i c s y s t e mt h r o u g he n e g y - r e c y c l i n g t h e r e f o r e ，t h i sa p p r o a c hc a nf a c i l i t a t et h eb e s p o k e s y s t e mi nt h ee n e g yr e u s e ，h e a tr e d u c t i o na n de f f i c i e n c yi m p r o v e m e n t a sar e s u l t ， t h i ss u b j e c th a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 s t u d i e dt h ed e s i g nr e q u e s t ，a n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fe n e r g y - r e c y c l i n gi n h y d r a u l i cs y s t e m ，a n dd e s i g n e dt h eo r i g i n a ls y s t e mo ft h eh y d r a u l i cw i n c ht e s t - b e d 2 e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c sm o d e l ，c a r r i e do u tt h ec a l c u l a t i o n so ft h e p a r a m e t e r s ，a n dm a d eo v e r a l la n dd e e pa n a l y s i st ot h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o ft h eo r i g i n a ls y s t e m 3 b a s e do nt h eo r i g i n a ls y s t e mo ft h eh y d r a u l i cw i n c ht e s t - b e d ，i m p r o v e dt h e i n s u f f i c i e n t ，a n df i n a l yd e s i g n e dan e wh y d r a u l i cs y s t e m 4 s e l e c t e dt h eh y d r a u l i ce l e m e n t s ，i n t r o d u c e dt h ep u m ps t a t i o n ，a n dd e s i g n e d t h em a n i f o l db l o c k 5 a n a l y z e dt h ei n d i c a t o r sa n dm a i ne f f e c t i n gf a c t o r so ft h ep e r f o r m a n c eo ft h e n e ws y s t e m ，a n dm a d et h es y s t e mo fh y d r a u l i cw i n c ht e s t - b e do p t i m i z e d k e y w o r d s ：w i n c ht e s t b e d ，t h r o t t l i n g ，e n e r g yr e c y c l i n g , h y d r a u l i cs y s t e m 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：s 堂文 1 移月l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源及项目背景 本课题系同济大学与中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所合作承担的 农业部建设项目建设渔船捕捞装备性能研究实验室的一期项目，研究设计 液压绞车能量回收试验台。 作为一个渔业大国，我国拥有海洋捕捞渔船近3 0 万艘，2 0 0 4 年海洋捕捞产 量1 4 5 1 1 万吨，水产品总量也已居世界前列，但我们国家却不是一个渔业强国。 远洋渔业装备高技术水平是反映一个国家海洋渔业发达的重要标志，我国的远 洋渔业装备尤其是捕捞装备与发达国家相比较为落后，存在着自动化程度低、 配套设备不齐全、设备可靠性差等问题。为了实现我国渔业强国战略，“发展 远洋渔业及装备 已纳入我国中长期科技发展规划。一直以来，我们在海洋捕 捞技术方面侧重于渔具渔法及渔场开发等方面的研究，却忽略了捕捞装备技术 的研究。特别是渔具渔法与船型及捕捞装备相结合的系统性研究相当薄弱，造 成远洋捕捞装备水平受制于国外的被动局面。上世纪六、七十年代为了提高我 国海洋捕捞技术与能力，建设了捕捞机械液压实验台位，加大了捕捞装备技术 的研究，通过引进消化与实验研究相结合的方法，到八十年代突破了中高压液 压传动技术在捕捞机械上应用的关键技术，大大推进了我国海洋捕捞业的发展， 实现了捕捞技术的机械化。但从八十年代末开始，日本、欧美等国家利用电子 技术的飞速发展以及信息技术所带来的发展契机，加大了相关技术研究，并成 功地实现了选择性控制捕捞。但我国却由于渔业资源的衰退而减弱了在渔业装 备研究方面的投入，相比船舶工程技术及电子技术的发展与进步，渔船捕捞技 术却渐渐落后，已经无法满足现代渔业发展的要求比卜疆1 。 此外，鉴于海上捕捞作业的特殊工况，捕捞装备不但要求功能齐全，在性 能上还必须具有相当的可靠程度，所以陆上可靠的工业产品未必能满足海洋捕 捞生产的安全与可靠性要求，必须通过相关试验与型式认可后方能装船使用1 。 而国内至今还没有一个能满足大型捕捞设备科研试验与检验的综合性实验平 台。为了改变远洋捕捞设备依赖进口国外二手旧设备的状况，实现远洋渔业大 第1 章绪论 型拖网和金枪鱼围网等捕捞装备技术的国产化以及突破远洋渔业发展的技术瓶 颈，也为了实现我国海洋捕捞特别是远洋捕捞的现代化，很有必要建设一个渔 船捕捞装备试验检验系统实验室。 建设该专业的功能性实验室的目的是测试重要电气和液压元器件以及设备 总体的技术性能与可靠性，并为捕捞装备的关键技术研究和设计选型提供依据。 其中的实验平台针对围网、拖网等起网设备的工况条件与电液自动化操作控制 要求，研究建立拖网、围网等捕捞作业工程的模拟系统，建立可检验测试捕捞 装备机械结构合理性与性能可靠性的试验台架，该试验台架还将用于测试液压 元件、电气元件的技术性能与可靠性。产品出厂试验采用吊架吊重加载试验方 法，型式认可试验加载系统采用高效低能耗功率回收方法，实验数据采集处理 系统是应用数字传感器、二次仪表、可编程控制器、计算机现场总线控制及组 态软件等组成的可二次开发的数字化的试验实验系统及样机试验测试平台。该 实验室在功能上要求能测试围网、拖网及其它大部分捕捞装备的机电液传动与 控制的技术性能与可靠性，并具有按相关标准进行型式认可的能力，同时还要 具有为捕捞装备技术研究提供优化方案和理论数据的作用。 本课题的合作单位中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所( 简称“渔机 所”) 主要从事渔业装备及相关学科的应用研究和产品开发，是全国惟一专门 从事渔业机械、渔用仪器应用开发研究和渔船设计的部属研究机构。国家渔业 机械仪器质量监督检验中心、农业部环保机械设备及船用产品质量监督检验测 试中心、农业部渔业局渔业机械仪器标准化技术归口办公室均设在渔机所。渔 船捕捞装备研究是该所三大学科中的一个重要研究方向。 本课题就是农业部环保机械设备及船用产品质量监督检验测试中心之下渔 船捕捞装备性能研究实验室的科研项目。其主要研究内容是设计一个液压绞车 试验台，作为整个功能性实验平台的一部分，旨在对渔船绞车进行寿命试验和 性能测试。这个试验台特别的要求是要能够实现能量的回收再利用，提高能量 的利用效率，既不影响试验台的功用性能，又可以节能环保，提高使用的经济 效益。 2 第1 章绪论 1 2 研究的目的与意义 1 2 1 渔船绞车检测的意义 从渔船产品质量监督与检测检验要求方面而言，建设一个科研检测实验系 统是非常必要的。渔船特别是海洋捕捞渔船的作业工况复杂、作业环境恶劣、 劳动强度很大，故其安全性要求也就很高。因此，从保护渔民生命财产安全出 发，对渔船装备的可靠性及安全性的检测理应高要求，严把关。 但目前国内捕捞机械产品质量情况却不容乐观，主要是相关产品的标准制 定滞后，没有符合技术要求的检验平台，无法向生产企业和船舶检验部门提供 一个正确、公平、公证的产品技术指标检测平台，因此无法确保捕捞机械产品 应具有高质量。 我国从1 9 6 3 年开始成立从事渔船捕捞装备专业技术的研究机构( 渔机所 ， 到目前已成功研制了多种类型、多种规格的捕捞装备，如围网、拖网绞纲机， 动力滑车、多滚筒起网机、尾部起网机、理网机、流网起网机以及金枪鱼延绳 钓机等，这些捕捞装备的设计采用液压传动和机电控制技术，设备自动化程度 在不断提高，大大减小了捕捞作业劳动强度，提高了捕捞效率。但同时也存在 一些问题，比如许多未经检验的捕捞装备装船使用，造成作业渔船因产品质量 不合格而影响生产，进而带来严重的安全隐患，造成人员伤亡的事故口儿胡。 ? 以下调研材料就反映出我国渔船捕捞装备技术水平与产品质量中存在问题 的严重性。 一、受中国渔船检验局委托，作为我国“十一五”的“渔船渔机产业的战 略发展研究”课题，渔机所组织力量在2 0 0 6 年对全国沿海地区渔船渔机行业的 现状展开为期半年的全面调研。在调研中发现渔船设备存在问题较多，其中群 众性渔船的液压操舵设备、捕捞装备技术水平与质量问题尤为严重，因此造成 生产事故也很频繁，例如：就北方葫芦岛一个地区而言，据不完全统计，在最 近一年半内因流网起网机问题造成断手或严重绞伤手臂的就有3 8 0 人次，而其中 的辽葫渔2 5 1 2 8 号渔船，在三年内就因起网机伤残4 人次。 二、根据交通部救助局的求救施救数据也反映出渔船装备的质量状况不容 乐观。表1 1 为东海救助局与北海救助局在各自责任海区内最近三年的渔船重大 救助情况统计表。 3 第1 章绪论 表ll 重大事故救助统计表 末海教助局重大事故救助 北海救助局重 事故救助 总救助搜寻到重大伤总教助搜寻到重大伤 年份 次数 渔船 残渔民次数渔船残渔民 2 0 0 4 3 0 6 3 8 另外我们国家的渔政船也承担了许多救助任务，下面是一衅事故情况的现 场照片。该资料由交通部救助局救助处提供。 酗11 泊比海上生产市故厦救助情况 其它船舶行业情况：在c c s 认证的船舶中未经船舶检验的重要设备是不可 以装船使用，甜则不予办理船检证书以此确保船舶的安全生产与航行。虽然 渔船拖网、围网用绞车与其他绞车有相h 之处，但也有许多不同之处特别是 第1 章绪论 起网设备是渔船独有的设备，其产品质量的好坏直接关系到渔业生产的效率与 安全，但在渔船质检行业中没有可供产品型式认可的试验系统，造成国内起网 机制造厂设计生产的产品基本都没有通过型式认可：更有甚者，有些厂家试验 台架也没有，却在生产安全性要求高的渔船装备，如：起网机、舵机、锚机等， 其生产的装备不经试验( 更谈不上船检) 就装船使用，没有安全保护装置和可靠 性检验的产品势必造成渔船作业事故频繁。 改变这种状况的途径就是在制定产品检验标准的基础上，规范渔船捕捞装 备生产的技术要求，建设科学合理的渔船甲板设备特别是渔船捕捞设备的试验 台架，以加大相关产品质量检验执法力度，切实提高我国自主设计制造的捕捞 设备的性能与产品质量。本课题设计液压绞车试验台正是为此目的而服务的。 1 2 2 能量回收再利用的意义 随着社会的进步和科技的发展，世界经济规模不断扩大，工业水平大幅提 高，能源需求持续增加，能源供需矛盾和环境压力也必将越来越大，因此世界 各国都很重视能源问题。此外，由于资源分布区域的差异性，世界的能源资源 的大多数集中在少数国家，使得能源问题不仅是经济问题，也是政治问题，更 是战略问题。有限的一次能源终究不能满足人类的无限需求，在没有发现新的 可替代能源之前，节约利用现有能源是必须的选择卜n 引。 我国是一个人口众多、资源相对不足、生态先天脆弱的发展中国家，资源 总量虽然较大，但人均占有量少，而且能源资源结构也不理想，不利于能源运 输和开发利用。过多地进口资源，不仅耗费大量资金而且会加剧国际市场供求 矛盾，带来一系列经济、政治、外交方面的问题。因此我国把发展节约型经济 社会放到非常重要的位置，越来越注重加强资源节约和循环利用，大力支持资 源综合利用技术的开发。以往我国资源利用率很低，要改变这种状况，其中一 个重要的保障措施就是加快技术创新，突破技术瓶颈，加强资源节约和循环利 用技术的科技攻关及产业化。本次课题着重研究在液压绞车试验台中使用能量 回收的技术，并在试验之后将其应用到实际的生产中去，通过能量的循环利用 提高能源的有效利用率。 渔轮液压绞车是在海上打鱼作业时收放渔网用的，生产出来之后必须进行 长时间的寿命试验，性能指标达到要求才能投入使用。液压绞车试验台就是专 5 第1 章绪论 门对液压绞车进行性能测试的试验装置。它通过模拟海上生产作业的受力情况， 对不同厂家不同型号液压绞车的质量及寿命进行检测。其工作情况大致如下， 将钢丝绳以一定的拉力和速度从辅卷筒卷取到主卷筒上，卷取完毕后，反过来 把钢丝绳卷回到辅卷筒上，然后再进行正向卷取，如是反复。在卷取过程中按 测试要求控制钢丝绳的拉力和速度，于是，液压绞车在一定的速度和负载下， 保持长时间的工作状态，通过观察运行情况、检测和分析工作参数，可以测试 液压绞车和渔用钢丝绳的受力、寿命和稳定性等各方面的性能阻卜n 3 j 。 在液压系统因其自身的独特的优点而在工程中得到了广泛应用，液压绞车 试验台就是其中之一。在原理上，液压绞车试验台以绞车马达4 通过减速箱带 动主卷筒6 ，再通过钢丝绳的卷取带动辅卷筒7 ，辅卷筒通过增速箱后带动加载 泵5 ，加载泵5 为系统提供负载。加载泵5 从油箱中吸取液压油，通过调节其出 口压力，来调节辅卷筒上负载的大小，从而控制钢丝绳的拉力。 1 一补油泵1 2 一补油泵23 一溢流阀4 一绞车马达 5 一加载泵6 一主卷筒7 一辅卷筒 图1 2 节流加载原理图 如图1 2 所示，在传统液压绞车试验台的液压系统中，加载泵5 出口的高压 油全部通过溢流阀3 流回油箱，以节流产生的压力来调节为绞车提供的负载， 这样就导致高压油的能量全部节流发热，散发出去自自浪费。而进行寿命试验， 又需要试验台长时间的运转，这样就势必造成巨大的能量浪费。非但如此，节 流损失产生的热量使得系统的液压油温度过高，会严重影响系统的正常运转， 降低液压元件的使用寿命，并增加试验设备的维修成本，甚至造成严重后果。 本课题研究的基于能量回收再利用的液压绞车试验台，计划对传统的液压 系统进行改进，将加载泵出油口流回油箱时节流损失的那部分能量利用起来， 6 第1 章绪论 实现了能量的回收再利用。这样就能大幅减少的浪费，提高整个系统的能量利 用率。此外，没有了节流发热，不但有益于整个系统的长时间正常运转，而且 其产生的经济效益也将非常可观。 综上可见，本课题着重研究的在液压绞车试验台中应用实现能量回收和再 利用技术，完成对渔船绞车的寿命试验和性能测试的同时，还注重节约能源， 提高能源的有效利用率，不但理论意义重大，而且有着很高的实际应用价值。 1 3 能量回收的应用概况 能量回收根据其实现方式可分为无储能元件和有储能元件两种。目前实际 应用中的能量回收绝大部分是有储能元件的实现方式，即先将能量转化为较易 储存的二次能量，将这些能量储存在特定的储能元件或系统中，在适当的时机 加以利用。一般能量回收系统所能得到的主要有机械能、液压能和电能这三种， 从这个角度来看，能量回收也可以分为机械式能量回收、液压式能量回收和电 气式能量回收n 刀叫翻。 l 机械式能量回收 机械式能量回收出现较早，目前常见的机械式能量回收有重力式、弹簧式 和飞轮式三种类型。其中重力式能量回收通常用于往复运动的系统当中，在一 个行程中将回收的能量转化为某个元件的重力势能，然后在返回时加以利用。 这种回收方式工艺结构简单，可以储存较多能量；但储能总量需求较高时，设 备会比较庞大，通常不适合用于行走及行程较长的设备。此外，在加、减速阶 段能量转化性能较差，甚至会对系统的正常运行产生负面影响。油田上常用的 曲柄平衡式抽油机和宽带式抽油机以及部分电梯等都采用这种能量回收方式。 本课题的系统属于连续的旋转卷取运动，不适合采取这种方式。 弹簧式能量回收则是将回收的能量转化为弹簧的弹性势能，常用于减振、 隔振或者是元件的复位，例如汽车悬架的支撑板簧和单作用液压缸的复位弹簧。 因为弹簧的储能能力较差，长时间工作容易发生疲劳断裂，所以弹簧式蓄能器 产品较少，同时也很少用于能量回收。 飞轮式能量回收通常适用于高速旋转的设备上，成本低，运行可靠。但由 于飞轮的储能能力较差，常规转速下能量密度较低，通常用于改善其柴油机、 汽轮机的工作状态。为了在维持质量不变的前提下提高飞轮的储能能力，提高 7 第1 章绪论 飞轮转速是一有效途径。为此近年来碳素纤维材料、高温超导磁悬浮等技术被 应用到飞轮制造当中，提高了飞轮的储能能量密度，但会使制造成本大幅度提 高。本课题研究的液压系统中，液压泵和马达的旋转速度都不高，而且要回收 的是液压油的能量，所以不适合采用这种方式。 2 液压式能量回收 液压式能量回收以液压蓄能器作为储能元件，在液压驱动的系统上应用较 为普遍。能量回收功能的液压电梯，城市用车辆都采用了液压蓄能器作为储能 元件。采用液压蓄能器的起重机能量回收方案，研究表明具有较好的节能效果。 虽然液压式能量回收的技术较为成熟，比功率较高，能够满足能量储存和 释放的快速性要求，但由于液压蓄能器的比能量较低，所占空间较大，不适于 空间有限的大型液压设备的能量回收。而且，蓄能器储存的液压能通常并不适 用于连续释放能量的工况，而本课题研究的液压系统的能量回收则需要不停地 回收、持续地再利用，所以本课题不采用这种方式。 3 电气式能量回收 电气式能量回收是近年来兴起的把待回收的能量通过发电机转化为电能的 一种能量回收形式，根据回收电能的储存方式可分为两种形式：一种是回收的 电能经过处理后回馈给电网。某些大型矿山液压挖掘机采用固定的安装方式， 其动力来自于工业电网。工作时执行机构的重力势能和惯性能被回收并以电网 作为回收能量的储存场所，省却了储能元件，节约了成本。但是这种能量回收 方式由于受电网的限制，不适合本课题研究的液压系统的能量回收。 另一种是回收的电能储存在储能元件当中，需要时再释放出来转化为机械 能对外做功。电池和电容器是最常用的两种电气式储能元件。由于该能量回收 方式的储能元件能量密度较高，使得系统整体移动灵活，适用于常规行走式液 压挖掘机的能量回收、储存和再利用，但是由于电池和电容等储能元件以及发 电机的成本较高，限制了该回收方案在行走设备上的应用随着近年来电池和电 容器技术的迅速发展，生产成本j 下在不断地下降，并且已经在电动汽车领域得 到了广泛的应用。 通过以上分析可知，以上各种能量回收方式，一般都只能在一个阶段回收 能量，将其转化为一定形式的能量储存在储能元件或电网系统中，然后在另一 个阶段或特殊需要的时刻释放使用。在这种系统中，由所回收能量的形式决定 的储能元件是影响系统节能效果的关键技术，能量回收和再利用的效果很大程 8 第1 章绪论 度上受到储能方式和储能元件性能的制约。储能元件使系统更为复杂，增加了 设备成本，而且不适用于持续回收和循环利用的工况，所以都不适用于本课题 研究的系统。鉴于这种情况，本课题的计划研究设计适合自己特定工况的能量 回收方式无储能元件的能量回收方式。我们通过改变液压油路设计，将回 油路中的高压油直接引回到供油路中去，实现能量的回收再利用，而不必经过 能量形式的转换。 1 4 研究思路和设计内容 通过前面对相关资料的分析及对能量回收方式的探讨，本课题对传统的液 压系统的改进思路是设置补油泵和常开式溢流阀。常开式溢流阀装在加载泵出 口，用于调节其出口压力，进而控制系统负载的大小。加载泵出口的高压油没 有通过节流阀流回油箱，而是汇合到绞车马达的进油路中继续工作，实现能量 的回收再利用。初步构思液压绞车能量回收试验台的液压系统原理图如下所示： 1 一补油泵12 一补油泵23 一溢流阀4 一绞车马达 5 一加载泵6 一主卷筒7 一辅卷筒 图1 3 能量同收原理构思 其工作原理如下：补油泵1 为绞车马达4 提供高压油，绞车马达4 通过减 速器带动主卷简6 ，主卷筒6 通过钢丝绳与辅卷筒7 相连，从而带动辅卷筒7 旋 转，辅卷筒7 又通过增速箱带动加载泵5 ，加载泵5 吸入补油泵2 的提供的低压 油，并在其出口排出高压油，这些高压油通过回收油路汇合到绞车马达4 的进 油路，与补油泵1 提供的高压油一起驱动绞车马达4 ，完成不断卷取的工作循环。 补油泵1 出口的常开式溢流阀3 用于调定系统的工作压力，同时也调定加载泵5 9 第1 章绪论 的出口压力，即调定带动加载泵5 的负载，进而间接地控制了钢丝绳上的拉力。 在这个系统中，加载泵5 出口的高压油没有通过节流阀流回油箱，而是回到进 油路中继续工作，避免了很多的浪费，实现了能量的回收。在系统正常运转时， 高压油在液压系统中循环使用，补油泵只需提供较少量的液压油，以补偿因泄 露等因素导致的不足，整个系统能量的利用率也因此大幅提高。相反方向的运 转与正向运转类似，只不过加载泵5 和绞车马达4 角色互换，加载泵5 处于马 达工况，而绞车马达4 为系统加载。补油泵l 为加载泵5 提供高压油，驱动整 个系统。绞车马达4 吸入补油泵2 供给的低压油，排出的高压油进入加载泵5 继续工作，实现能量回收。 对比图1 2 和图1 3 可见，能量回收系统最显著的改变是多了一段回收油 路，就是这段回收油路将原本流回油箱的高压油引回到绞车马达的进油路，从 而实现了能量的回收和循环再利用。 然而实现能量回收并不是仅仅增加一段回收油路那么简单。这段油路使得 加载泵的出口油压被绞车马达的进口油压所限制，不能再像节流加载系统中那 样根据需要而随意调节。这样的话，只能更依赖于调节加载泵的排量来与系统 负载相适应。而加载泵的排量也有自己的变化范围，不能任意无限制地调节， 所以为满足加载大小的变化而对系统进行的控制就很关键很重要。 本课题的主要研究内容为： 1 系统的原理构思，工况分析，系统方案的分析与确定； 2 建立数学模型，参数的计算，元件的选取； 3 液压系统的设计；液压集成阀块的设计： 4 性能指标及其影响因素的分析与优化； 5 控制方案的设计和实现。 设计研究的关键与难点： 1 液压绞车试验台设计要考虑多种工况：不同型号的液压绞车、不同的额 定工作压力、多种比例的加载，以及反向工况； 2 加载泵进出口压差受制于绞车工作压力，其排量的可变范围也有限制。 3 为简化试验装置和节约资金，选用一个标准增速箱，其性能与整个系统 匹配要好；试验不同绞车时，合理选用不同型号的加载泵； 4 保证系统长时间运转的稳定性，特别是钢丝绳拉力和速度的稳定； 5 所有设计在控制方式上都要可实现。 l o 第1 章绪论 研究方法与步骤： 理论联系实际，在理论研究的基础上，利用计算机以及相关应用软件进行 计算、统计与分析；在设计好整个系统的基础上，与中国水产科学研究院渔业 机械仪器研究所合作，将试验台搭建起来，进行试验调试和改进。 首先，从液压传动、能量回收等基本原理上进行分析，通过构思和比较， 确定能量回收的系统方案；其次，建立起相应的数学模型，推导出理论公式， 根据实际应用选取参数，进行系统的数值计算，并选择所需元件；接着，协调 各种工况，结合控制方式，进行液压系统的详细设计，并设计液压集成阀块； 然后，利用计算机软件进行统计和分析，对液压系统及其主参数进行优化，使 设计出的系统更好地覆盖各种工况，同时尽量降低所需成本；最后，将试验台 搭建起来，结合控制方案，进行调试和改进。 1 5 本论文的结构安排 第一章是绪论，包括课题来源与项目背景、研究的目的和意义，以及能量 回收设计思路、论文研究内容与结构安排等。 第二章是总体分析，分析设计要求与工况、剖析设计难点，并对与能量利 用有关的效率指标进行了定义与研究。 第三章是初始方案设计，设计出一套完整的能量回收方案，建立数学模型， 进行大量详细的参数计算，通过对数据的分析与统计，深入分析初始方案的优 缺点，找出不足之处，加深了对能量回收系统的认识。 第四章是液压系统改进设计，在初始方案的基础上，从全新的角度入手， 以液压缸对拉的系统作类比，研究能量回收的新思路及其控制策略，设计出试 验台的改进方案，得到更加优越的性能。这章详细介绍了改进方案的工作过程、 控制方法，以及建模分析与数据计算等。 第五章是集成阀块的设计与调试，还包括了泵站介绍、油箱温升验算等。 第六章是分析与优化，对试验台的性能指标、关键元件的选择及其影响等 问题进行系统的分析和总结，列举数据统计规律，以期更好地协调各种约束， 选取合适的参数与元件，进行合理的配置与控制，优化试验台的性能。 第七章的总结与展望，是本论文最终和总体的结论，主要阐述了本论文取 得的研究成果及其意义，并进一步提出了需要讨论的问题和建议。 第2 章总体分析 2 1设计要求 第2 章总体分析 渔轮液压绞车是在海上打鱼作业时收放渔网用的，生产出来之后必须进行 长时间的寿命试验，性能指标达到要求才能投入使用。绞车试验台对液压绞车 进行测试的目的就是为液压绞车提供一个工作环境，模拟液压绞车在实际作业 时所处的状态，使液压绞车在与实际工作时的受力、速度、时间等类似的情况 下运转，通过观察其运行情况来检测绞车的性能。因为是模拟，所以与实际的 情况不可能完全相同，现在把模拟的原则简述如下。 每一个型号的液压绞车都有自己的额定工作压力、额定负载和额定绳速， 以主卷筒正向卷取到钢丝绳长的1 3 处为标定点，卷取到标定点时，钢丝绳的 速度及其所受的拉力要等于液压绞车的额定设计值。此时，定义绞车卷筒的扭 矩，也就是主卷筒上的扭矩为标定扭矩，定义绞车卷筒即主卷筒上的转速为标 定转速。在理想的测试中，试验台为液压绞车供油和加载，使绞车卷筒受到的 扭矩应该恒等于标定扭矩、转速应该恒等于标定转速，也就是使液压绞车在维 持主卷简恒转速恒扭矩的状态下工作，从而钢丝绳的拉力和速度也就分别等于 额定负载和额定绳速。 如果仅仅从理论上考虑，根据每一个绞车的参数，设计出独特的试验台对 其进行测试，加载扭矩和转速肯定能更好地接近理想状况。但是基于现实的考 虑，不可能专门为每一个型号的绞车设计一个试验台，这就意味着一个绞车试 验台要能对各种型号的绞车进行寿命和性能的测试。试验台的设计不但要考虑 每个绞车不同的性能参数，还要考虑设计成本等限制，现把设计要求归纳如下。 1 液压绞车试验台将用于测试多种不同的绞车，根据其主卷筒的长短和额 定负载的不同，可以分为1 2 个系列。这1 2 个系列液压绞车的主要参数如表2 1 示。表中的额定绳拉力和速度均为主卷筒卷取1 3 绳长处即标定点处的拉力和 速度。 由表2 1 可见，绞车有6 种不同的额定负载，每种额定负载的绞车又分为 长卷筒和短卷筒两类，所以共1 2 个系列。以额定负载为5 0k n 的绞车为例，虽 1 2 第2 章总体分析 然卷筒的底径都是0 4 6m ，长卷筒系列h 5 - l 的卷筒长度为1 1m ，而短卷筒 系列h 5 - s 的卷筒长度为0 9m ，这两个系列之间虽然只是卷筒长度不同，但不 同的卷筒长度会影响卷取钢丝绳的层数，进而影响到受力、速度和对加载泵排 量的需求，所以它们的差别还是相当大的。 表2 1 液压绞车基本参数表 绞车系列额定拉力额定绳速钢丝绳直径绳总长 卷筒底径m 代号 k n m m i n巾 m m 长度m h 5 - l5 08 00 0 2 42 0 0 00 4 6 1 1 h 5 - s5 08 00 0 2 42 0 0 00 4 6 0 9 h 4 - l4 08 00 0 2 22 0 0 00 3 9 1 0 t t 4 - s4 08 00 0 2 22 0 0 00 3 9 0 8 h 3 一l3 07 00 0 1 81 8 0 00 3 5 0 9 h 3 - s3 07 00 0 1 81 8 0 00 3 5 0 7 h 2 一l2 07 0o 0 1 61 5 0 00 2 9 0 8 h 2 - s2 07 00 0 1 61 5 0 00 2 9 0 6 h 1 51 5 6 00 0 1 41 2 0 00 2 9 0 7 5 h 1 5 1 56 00 0 1 41 2 0 00 2 9 0 6 h 1 - l1 0 6 00 0 1 41 2 0 00 2 7 3 0 7 5 i t l s1 06 00 0 1 4 1 2 0 00 2 7 3 0 6 2 液压绞车试验台适用压力规格范围为1 5m p a - 2 0m p a 。绞车的额定工作 压力是由绞车马达决定的，不同厂家生产的马达的额定工作压力一般包括从1 5 m p a 到2 0m p a 的6 个压力，即每一个系列的绞车里，都有6 种不同的压力规格。 以h 5 一l 长卷筒系列为例，额定工作压力是1 5m p a 时，将这个型号定义为 h 5 一l 1 5 ，其中5 表示额定负载为5 吨，即5 0k n ；l 表示为长卷筒；1 5 表示额 定工作压力是1 5m p a 。依此类推，h 5 - l 系列包括的绞车型号还有h s - l 1 6 、 h 5 一l 1 7 、h 5 一l 1 8 、h 5 一l 1 9 和h 5 一l 2 0 等其它5 个型号。 这样，合计共有1 2 个系列7 2 个型号的绞车。 3 液压绞车试验台能够完成加载大小分别为额定负载的1 0 、2 0 、5 0 、 7 5 、1 0 0 9 6 和1 2 5 的6 个加载试验。 以h 5 一l 1 5 型号的绞车为例，为其加载1 0 额定负载的工况定义为 h 5 一l 1 5 0 1 工况，这种工况的试验中，标定点处的负载是额定负载5 吨的1 0 ， 即5k n 。以此类推h s - l 1 5 型号的绞车还有h s - l 1 5 0 2 、h 5 - l 1 5 0 5 、 h 5 一l 1 5 0 7 5 、h 5 一l 1 5 1 o 和h 5 一l 1 5 - 1 2 5 等其它5 个工况。这样，7 2 个型号 第2 章总体分析 的绞车的正向卷取合计共有4 3 2 个工况。此外，除了正向卷取的工况外，每种 绞车还有反向收绳的工况。综上可见，试验台对绞车进行测试的工况是非常多 的。 4 辅卷筒规格是统一的：为了尽可能地协调所有工况，经过分析与参数优 化( 详见第六章) ，确定卷筒的底径为巾0 6m ，卷筒长度为1 2m 。 5 试验不同绞车时，可以考虑更换加载泵，但同一系列的绞车必须使用同 一个加载泵，而且加载泵的最大排量不超过1 6 0m l r ，即可以在1 6 0 型号、1 0 7 型号、8 0 型号、5 5 型号及2 8 型号范围内进行选择。 6 为简化试验装置和节约资金，仅选用一种型号的标准增速箱，且所选增 速箱的高速轴的转速不得超过1 5 0 0r m i n 。也就是说，在对不同型号的液压绞 车进行测试的时候，不再更换增速箱。 2 2 工况分析 前文已经介绍过，液压绞车的测试是一个往复循环的过程：最开始的时候， 钢丝绳都卷在辅卷筒上；绞车运行时，将钢丝绳逐渐卷取到主卷筒上，待卷取 完毕后，所有的钢丝绳都已经缠绕在主卷筒上；然后再反向收绳，把钢丝绳从 主卷筒卷回到辅卷筒上。卷取完毕，完成一个循环，然后进入下一个循环，如 是反复，长时间运转。 由此看见，一个工作循环主要有两大阶段，即正向卷取阶段和反向收绳阶 段。 其中，正向卷取是测试的主要阶段。在这个阶段中，要对钢丝绳的拉力与 速度进行控制，保证绞车主卷筒的扭矩与转速，使绞车在模拟实际作业的状态 下工作，从而检测绞车各方面的性能。所以j 下向卷取阶段的要求是比较多的。 对同一个型号的绞车来说，正向卷取阶段又分为6 种不同的工况。以h 5 一l 1 5 型号的绞车为例，包括加载1 0 额定负载的h 5 一l 1 5 0 1 工况、加载2 0 9 6 额定负 载的h 5 - l 1 5 - o 2 工况、加载5 0 额定负载的h 5 一l 1 5 - o 5 工况、加载7 5 额定负 载的h 5 - l 1 5 - o 7 5 工况、加载1 0 0 额定负载的h 5 - l 1 5 一1 0 工况和加载1 2 5 额 定负载的h 5 - l 1 5 - 1 2 5 工况。其中加载1 0 额定负载的h 5 - l 1 5 - o 1 工况和加载 2 0 额定负载的h 5 - l 1 5 - o 2 工况属于轻载工况，在试验台上测试中，主要用于 调试运行；而其它的工况属于重载工况，也是测试的主要工况。在加载1 0 0 额 1 4 第2 章总体分析 定负载的h 5 - l 1 5 - 1 0 工况中，卷取到标定点处，钢丝绳上的拉力就是额定负载 5t ，即5 0l 【n ；加载1 0 额定负载的h 5 一l 1 5 - o 1 工况中，卷取到标定点处，钢 丝绳上的拉力就是额定负载的1 0 ，即5k n ；加载1 2 5 额定负载的h 5 - l 1 5 - 1 2 5 工况中，卷取到标定点处，钢丝绳上的拉力就是额定负载的1 2 5 ，即6 2 5l 【n ； 其它工况依此类推。在不同的工况中，标定点处钢丝绳的速度不变，都是8 0m s ； 液压绞车试验台的实际工作压力却随着加载比例而改变，并不是恒等于1 5m p a 。 而反向收绳就是反过来把钢丝绳从主卷筒卷回到辅卷筒上，为下个工作循 环的正向卷取做准备，有一定的拉力保证钢丝绳卷在辅卷筒上不松散即可，速 度也没有特别要求，当然，在合理的范围内，速度越快，工作效率越高。区别 于正向卷取阶段的6 种工况，同一个型号绞车的反向收绳阶段只有一种工况， 也就是说不管正向加载比例如何，反向阶段都采用同样的工作压力、同样的收 绳拉力和收绳速度。这样做的目的是在达到收绳基本要求的同时，尽量简化控 制方案，降低控制难度。 总体而言，每个绞车的测试分为正向卷取和反向收绳2 个阶段，正向卷取 阶段因为加载额定负载的比例不同又分为6 种工况，加上统一的反向收绳工况， 合计每个绞车的测试有7 种工况。 2 3 设计难点 与液压泵和液压马达组成的闭式系统相比，本系统在绞车马达和加载泵之 间通过卷筒卷取钢丝绳来传递动力，使得受力、转速等情况变得复杂；再加上 设计要求的限制，导致本系统的设计增加了几个设计难点。下面就对主要的设 计难点逐一进行分析。 l 钢丝绳卷取引起的连锁反应 卷筒的直径是卷筒底径加上它所卷取的钢丝绳的厚度，随着钢丝绳的卷取， 卷筒的直径就会变化，而且从开始到卷取完毕，变化幅度很大。卷简直径的变 化会相应引起钢丝绳受力、钢丝绳速度的变化，还会引起对加载泵排量和转速 以及对增速箱的转速需求的变化。而加载泵的排量和转速以及增速箱的转速都 有一个额定的变化范围，如果系统需求的过大，超过其额定范围，就无法选到 能满足系统要求的加载泵和增速箱。 以h 4 一s 系列绞车为例，看看在卷取过程中，钢丝绳在主、辅卷筒上的变化 第2 章总体分析 情况。所有的绞车都用同一个辅卷筒作为加载卷筒，辅卷筒没有卷取钢丝绳时 的直径为d = 0 6i l l ，卷取钢丝绳后的直径为d 2 = d + ( 2 n ：一1 ) d ，其中n 2 为 辅卷筒上钢丝绳的层数，d 为钢丝绳的直径，h 4 一s 系列绞车所用钢丝绳直径为 0 0 2 2m 。辅卷筒的长度为1 2m ，钢丝绳在卷筒上不能按理想状况那样紧密 排列，假设均布系数为0 9 4 ，则每一层可以卷取钢丝绳的圈数为0 9 4 1 2 - - 0 0 2 2 = 5 1 2 7 ，取为5 1 圈。则2 0 0 0i l l 长的钢丝绳全部卷取在辅卷筒上时的层 数、每层的直径与每层的钢丝绳长度等参数，如表2 2 所示： 表2 2 钢丝绳在辅卷筒上的卷取情况 辅卷筒 d 2 ( m ) 单层长度( m )总长( m ) 第l 层0 6 2 29 9 6 5 89 9 7 0 0 第2 层 0 6 6 6 1 0 6 7 0 72 0 6 4 0 7 第3 层 0 7 1 01 1 3 7 5 73 2 0