應(yīng)用液壓傳動技術(shù)解決易燃易爆物安全升降

薛福連

沈陽市遼中縣化工總廠，遼寧 遼中 110200

在生產(chǎn)經(jīng)營活動中常常遇到重物的升降問題，對于普通的物件要將它們提起放下，那是一件再容易不過的事情。如果在特殊的場所需要裝卸、運(yùn)送、升降的物品是易燃易爆物或其它危險(xiǎn)品，對于在一些場地大、空曠的地方，如倉庫、碼頭、機(jī)場等，用防爆叉車、大型吊塔（吊機(jī)）、龍門天車、防爆傳送帶等設(shè)備，對它們進(jìn)行裝卸、堆垛，問題就可以解決。但是如果場地狹窄，防爆叉車無法進(jìn)入或沒有回轉(zhuǎn)的地方，如一些工廠企業(yè)內(nèi)的生產(chǎn)車間中，易燃易爆等危險(xiǎn)品安全升降問題又如何解決呢？雖然，目前的科技水平可以提供多種手段，但是哪一種適合自己實(shí)際情況，投入少見效大的最佳方法？根據(jù)目前各種傳動技術(shù)的構(gòu)成特征比較，在特殊要求的場所中，液壓升降平臺是解決易燃易爆等危險(xiǎn)品的安全升降最為簡單有效的設(shè)備。

1 液壓傳動的優(yōu)勢

液壓傳動是以具有一定壓力能的油液作為工作介質(zhì)，經(jīng)液壓控制閥控制，進(jìn)入液壓缸推動工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動。工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動速度的快慢，取決于在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)入液壓缸內(nèi)的油液體積的多少；液壓缸推力的大小，取決于壓力高低和活塞有效作用面積的大小。液壓傳動原理向人們展示了在一定條件下，液壓傳動能較容易地使物體獲得不同的運(yùn)動軌跡和一定的運(yùn)動速度，并且通過液壓傳動系統(tǒng)中液壓閥控制，改變物體在運(yùn)動軌跡上的位置，如車床上刀具的自動進(jìn)給、大型挖掘機(jī)的翻斗搖合、裝卸車車廂的自動卸料……等等。它們的運(yùn)動軌跡分別為直線和曲線，它們工作過程中位置的變換是通過液壓傳動系統(tǒng)中換向閥閥芯位置變動而實(shí)現(xiàn)的。液壓傳動系統(tǒng)一般由：①動車裝置、②操縱裝置、⑧執(zhí)行裝置、④輔助元件、⑤工作介質(zhì)等組成，而工作機(jī)構(gòu)是與液壓傳動系統(tǒng)中活塞桿或柱塞油缸的一端相連接，液壓升降平臺的工作平臺設(shè)置正是這樣。如圖1所示為液壓升降平臺簡單的液壓傳動系統(tǒng)圖：

當(dāng)電動機(jī)帶動油泵啟動時(shí)，壓力油通過控制閥調(diào)控進(jìn)入柱塞油缸，柱塞油缸在壓力油的壓迫下向上推出，置于柱塞油缸上的工作平臺也隨這升起；在柱塞油缸被推出期間油泵停止轉(zhuǎn)動時(shí)，液壓系統(tǒng)內(nèi)的壓力油在單向閥的作用下保持在管道和柱塞油缸里，平臺就停在上升行程中的任一位置上；當(dāng)油泵繼續(xù)啟動柱塞油缸被推至最高位置時(shí)，平臺也就處于最高位；當(dāng)電磁換向閥換向時(shí)，液壓系統(tǒng)內(nèi)的壓力油在柱塞油缸及平臺的重量壓迫下被壓回油箱，這時(shí)柱塞油缸也慢慢地降下直至全部復(fù)位，此時(shí)的平臺就處于最低位置。從平臺的運(yùn)行軌跡的變動，我們看到液壓系統(tǒng)中柱塞油缸運(yùn)動方向的改變及位置變換，完全通過液壓系統(tǒng)中的控制閥內(nèi)部閥芯的位置變動，調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)的油量、壓力而實(shí)現(xiàn)的，它們是整個(gè)液壓系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換、保持的關(guān)鍵。通過對它們簡單的操作，控制液壓升降平臺的上升、停留、下降就顯得方便容易了。

圖1 液壓升降平臺液壓系統(tǒng)圖Fig.1 The hydraulic lift platform hydraulic system diagram

2 液壓升降平臺的安全性能

2.1 機(jī)械傳動設(shè)備

升降物體，改變其空間位置，最原始的方法是用人工擔(dān)抬。此法勞動強(qiáng)度大，低級落后，對搬運(yùn)易燃易爆物無安全可言。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，人們改為使用手動滑輪、葫蘆等簡單工具，在降低勞動強(qiáng)度方面稍有改進(jìn)，但仍然擺脫不了效率低，安全性差的局面。再至后來出現(xiàn)了電動葫蘆、電動卷揚(yáng)機(jī)、電梯等設(shè)備，人們在裝卸技術(shù)水平又向前邁進(jìn)了一大步。然而電動葫蘆操作過程穩(wěn)定性差，對起吊物包扎不牢的隱患無處不在，尤其遇上形狀不規(guī)則的物件，不適宜在小場地內(nèi)進(jìn)行交叉作業(yè)；電動卷揚(yáng)機(jī)的起吊作業(yè)雖然比電動葫蘆固定和穩(wěn)定，操作者可遠(yuǎn)離起吊物，但是它不能有效地控制起吊物的平層位置，而且電動卷揚(yáng)機(jī)在井架上的安全保護(hù)裝置過于簡陋，在高處裝卸物品時(shí)，那些進(jìn)出吊架搬運(yùn)貨物的人的生命安全難以保證：機(jī)械電梯（如圖2所示），它是在一固定井道內(nèi)運(yùn)行，并有一整套安全設(shè)施來保證進(jìn)出電梯人員的生命安全，但是它本身結(jié)構(gòu)決定了它對裝載易燃易爆物是不適宜的，其表現(xiàn)在：

圖2 機(jī)械電梯結(jié)構(gòu)示圖Fig.2 The mechanical lift structure scheme

（1）傳動方式。機(jī)械電梯的上下運(yùn)行是靠鋼絲繩與曳引輪之間的磨擦力來實(shí)現(xiàn)，此傳動付運(yùn)動時(shí)存在磨擦起火花的隱患：

（2）剎車系統(tǒng)。機(jī)械電梯的停層剎車保護(hù)是由剎車皮與轉(zhuǎn)鼓磨擦實(shí)現(xiàn)?？刂苿x車皮與轉(zhuǎn)鼓離合器的開合，是靠大型的活動電磁鐵在其線圈通斷電時(shí)產(chǎn)生的電磁力作用下，改變了離合器上壓簧拉桿的位置，進(jìn)而改變壓簧力的大小造成離合跳動實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)電梯停層時(shí)活動電磁鐵被彈開，剎車皮在壓簧拉桿復(fù)位的壓力作用下緊抱轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓瞬間停轉(zhuǎn)，此時(shí)它們之間的接觸面溫度迅速升高，有產(chǎn)生火花的可能；當(dāng)電梯起動時(shí)活動電磁鐵復(fù)位，它的復(fù)位過程有對固定的電磁鐵進(jìn)行撞擊的現(xiàn)象。如此一來，同樣存在撞擊起火花的可能；

（3）電梯的防繼繩裝置，它們的形式多種，比較常見的是由置于電梯轎廂頂部或底部上可旋轉(zhuǎn)壓緊井道中導(dǎo)軌的一組齒輪和凸輪組組成。電梯在運(yùn)行過程中一但發(fā)生鋼絲繩斷時(shí)，該裝置中的凸輪組在隨著轎廂一起作自由落體運(yùn)動中旋轉(zhuǎn)并瞬間壓死導(dǎo)軌，從而阻止轎廂繼續(xù)下跌。在它們阻止轎廂下跌的過程中，凸輪組與導(dǎo)軌間的磨擦力瞬間增大必然引起火花出現(xiàn)，此時(shí)若電梯轎廂內(nèi)裝有易燃易爆物那將是危險(xiǎn)至極；

（4）電梯的防沖頂沖底裝置，它們是由有關(guān)的電氣控制回路組成。由于電梯是在固定的井道中運(yùn)行，它的行程受鋼絲繩長度限制。在電梯運(yùn)行過程中萬一電氣控制線路中的組件失靈或失效，這時(shí)井道中的轎廂、對重塊仍按原來的運(yùn)行方向運(yùn)動，此期間它們有可能越過上（下）及限位置撞向機(jī)房樓底（井道底），造成轎廂、建筑物損壞，此時(shí)若電梯轎廂內(nèi)裝有易燃易爆物，它們同樣會受到撞擊，危險(xiǎn)程度同樣不可估量。

2.2 液壓傳動技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（1）液壓升降平臺（如圖3所示），它主要由柱塞油缸、導(dǎo)軌、泵站、鋼架、工作平臺組成。工作平臺置于柱塞油缸上，沿著固定垂直井道或鋼架上的導(dǎo)軌上下運(yùn)動。從液壓升降平臺升降過程看出：

圖3 液壓升降平臺結(jié)構(gòu)示圖Fig.3 The hydraulic lift platform structure scheme

（a）液壓升降平臺由于受柱塞油缸的幾何尺寸限制，在它運(yùn)行過程中不存在沖頂沖底現(xiàn)象，這是機(jī)械電梯、卷揚(yáng)機(jī)、電動葫蘆所不能相比的；

（b）由于液壓升降平臺不存在鋼絲繩曳引問題，也就無因鋼絲繩斷導(dǎo)致平臺跌落之虞。工作平臺上升到最高或在上升過程中處于行程中任一位置時(shí)，萬一發(fā)生油管斷裂，在油缸柱塞內(nèi)的壓力油失壓的情況下，工作平臺的下降將是怎樣的狀況呢？請看下面的分析：根據(jù)液流連續(xù)性原理，我們知道液體在管道中穩(wěn)定流動時(shí)由于它不可壓縮，在壓力作用下液體中間也不可能有間隙，所以液體流經(jīng)管道每一截面的流量相等。如圖4所示，液體在不等橫截面的管道中流動，設(shè)截面1和2的直徑各為D1和D2，面積為A1和A2，流速分別為V1和V2，根據(jù)液流的連續(xù)性原理，流經(jīng)截面1和截面2的液體質(zhì)量完全相等。

圖4 流動連續(xù)性原理圖Fig.4 Flow continuity schematic diagram

即：V1A1＝V2A2＝VA＝常量

因?yàn)镼＝VA

所以液流連續(xù)方程式也可以寫成：Q1＝Q2或V1/V2＝A2/A1＝（D2/D1）2

上式說明，通過管內(nèi)不同橫截面積的流速與其橫截面的大小成反比，即管徑細(xì)的地方流速大，管徑粗的地方流速小。一般來說油缸柱塞直徑是油管直徑5～8倍，即D1＝（5～8）D2

那么 V1/V2＝A2/A1＝（D2/D1）2＝1/（25～64）

顯然這時(shí)的工作平臺隨柱塞油缸的下降而下降，它們的下降速度比油液從斷管裂口流出的速度小得多，而且它們的下降是自身重量造成，柱塞油缸下降復(fù)位的過程將是緩慢而平穩(wěn)的，無需引起驚慌失措。

式中Q1、Q2——分別為進(jìn)入柱塞油缸、油管的流量（m3/s）；

A1、A2——分別為柱塞油缸、油管的有效面積（m2）；

V1、V2——分別為油液進(jìn)出柱塞油缸、油管的運(yùn)動速度（m/s）

D1、D2——分 別 為 柱 塞 油 缸、油 管 的 直 徑（mm）。

（c）液壓升降平臺在升降范圍內(nèi)既有電動葫蘆升降的隨意性，又可以設(shè)置如機(jī)械電梯和卷場機(jī)所配置的固定上落井道、導(dǎo)軌和廳門聯(lián)鎖等安全設(shè)施，同時(shí)它的泵站、門閘（包括廳門）的設(shè)置可按所在場地的需要設(shè)定，無需特設(shè)機(jī)房，所配備的電器可為防爆型，控制形式可為手動或電動等。因此，液壓升降平臺的有關(guān)設(shè)置可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行取舍。

由此可見，液壓升降平臺適宜升降、包裝、裝卸、傳送易燃易爆物等危險(xiǎn)品的作業(yè)，對各類場所如工廠、學(xué)校、倉庫、碼頭、銀行、體育場館、道路交通設(shè)施等有關(guān)升降、裝卸、維修保養(yǎng)、保安保密工作均適合。尤其對中小企業(yè)在危險(xiǎn)等級高的地方進(jìn)行生產(chǎn)工藝設(shè)備的技改技革，或?qū)ζ渲胁话踩牡胤竭M(jìn)行隱患整改，克服場地狹窄等諸多嚴(yán)格要求的地方，采用液壓升降平臺解決危險(xiǎn)品的安全升降問題，是一條簡便有效的途徑。

圖5 液壓電梯結(jié)構(gòu)示圖Fig.5 The hydraulic lift structure scheme

（2）液壓電梯（如圖5所示），它是液壓升降平臺與機(jī)械電梯的有機(jī)集成，克服了液壓升降平臺由于受其柱塞油缸加工長度限制，而難以在較高層建筑上實(shí)現(xiàn)升降物品。（a）液壓電梯它的傳動形式和工作原理與液壓升降平臺相同，只不過它的柱塞油缸頂不是與平臺直接相連，而是與一組鋼絲繩輪系連接，鋼絲繩的一端在柱塞油缸的支座上，另一端與電梯轎廂聯(lián)結(jié)。當(dāng)柱塞油缸內(nèi)的活塞桿伸出時(shí)，轎廂通過鋼絲繩輪系的牽引向上運(yùn)行：同樣在柱塞油缸內(nèi)的壓力油在控制閥的控制下接通油箱時(shí)，轎廂在自身重作用下向下運(yùn)行，活塞桿在外力作用下被壓回油缸相應(yīng)的位置里，或被全部壓進(jìn)油缸。轎廂上升、停層、下降的過程，完全通過有關(guān)電路控制液壓系統(tǒng)中的控制元件，使其改變液壓系統(tǒng)中壓力油的壓力、油量的大小而實(shí)現(xiàn)的。在這里鋼絲繩與繩輪的運(yùn)動形式是滑動牽引，繩輪與鋼絲繩可同時(shí)涂上潤滑脂以改善其運(yùn)動付的潤滑狀況，因而它們可得到較好的維護(hù)保養(yǎng)，這與機(jī)械電梯的摩擦曳引相比就顯得它的安全、耐用；

（b）液壓電梯的行程同樣受到柱塞油缸長度限制，轎廂升降行程固定，不存在沖頂沖底問題，這是機(jī)械電梯無法比擬的；

（c）液壓電梯由于其傳動方式?jīng)Q定了它不存在剎車系統(tǒng)。一方面它的升降、平層原理與液壓升降平臺相同，另一方面當(dāng)它在行動過程中發(fā)生油管斷裂現(xiàn)象，同樣如液連續(xù)性原理所述，轎廂會隨活塞桿被慢慢壓回油缸里而徐徐下降至最低位置上；

（d）液壓電梯的機(jī)房占地面積小，只要能安置泵站、配電箱就行。這有利于因地制宜，在此，機(jī)械電梯是難以達(dá)到。

3 液壓傳動技術(shù)的應(yīng)用效果

一般來說在高層建筑上貯存、生產(chǎn)危險(xiǎn)品，在有關(guān)部門嚴(yán)格把關(guān)下難以審批通過。但在一定高度范圍內(nèi)的廠房、鋼結(jié)構(gòu)架（平臺）、鋼筋混凝土構(gòu)架（平臺）上進(jìn)行危險(xiǎn)品的加工、生產(chǎn)，在石油、化工生產(chǎn)企業(yè)中是客觀存在。從事這些活動只要遵循國家對生產(chǎn)、貯存危險(xiǎn)品的有關(guān)法規(guī)，符合有關(guān)消防、安全、環(huán)保、工業(yè)衛(wèi)生等規(guī)定，有關(guān)部門是允許認(rèn)可的。這在一定范圍內(nèi)為液壓升降平臺的推廣應(yīng)用開辟了廣闊前景?，F(xiàn)以10m高廠房內(nèi)設(shè)置3層/站，在固定井道內(nèi)（其面積為2.5×2.5m2）提升1000kg易燃易爆物為例進(jìn)行投入分析比較，較為符合目前一些企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的實(shí)際。

3.1 設(shè)備的初期投入

（a）液壓升降平臺的投入為15萬元左右，安裝周期為21～28天。由于液壓升降平臺結(jié)構(gòu)簡單、無配重塊，平臺的有效工作面積能達(dá)到1.8×2m2；泵站體積（長×寬×高，以下同）1×0.5×1.2m3，配電箱的體積為0.8×0.8×0.25m3，機(jī)房面積為1.5×1m2則可。如果利用建筑物的樓梯間安置泵站，電箱配置在電房，那1.5×1m2的機(jī)房可免。這樣機(jī)房的建筑投入將減少1～2萬元；

（b）液壓電梯的投入為20～25萬元，安裝周期為28～35天。由于井道內(nèi)要留置油缸與鋼絲繩輪系占有的活動空間，所以轎廂的實(shí)際面積約為1.5×2m2，這明顯地較液壓升降平臺?。河嘘P(guān)泵站、配電箱的體積及對機(jī)房面積的設(shè)置情況與液壓升降平臺相似，同樣可節(jié)省這方面的投資，而機(jī)械電梯是不能辦到的；

（c）防爆電動葫蘆在同一井道內(nèi)同時(shí)滿足3層/站中不同層站的使用要求，操作上安全性無法保證，它只能在2層/站間的樓房內(nèi)使用。因此，使用防爆電動葫蘆滿足3層/站中不同層站的使用要求10～12萬元。雖然它的投入比電梯少很多，與液壓升降平臺的投入相差不大，結(jié)構(gòu)簡單，安裝周期短，但是它在使用過程中整體安全性能遠(yuǎn)比液壓升降平臺、液壓電梯差；在起吊同等重量、同等體積物品的前提下，它受樓層廳門高度的限制，物品堆疊體積相應(yīng)地減少，其工作效率有所降低；

（d）機(jī)械電梯由于無法解決整體防爆問題，在此不列入討論范圍之中。

3.2 設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用的投入

液壓升降平臺、液壓電梯，它們所配置的電機(jī)功率都是≤5.5kW；若從升降普通物品角度考慮，機(jī)械電梯由于它的傳動方式是通過蝸輪蝸桿減速機(jī)轉(zhuǎn)換，靠曳引輪與鋼絲繩間磨擦力曳引實(shí)現(xiàn)升降的，因此機(jī)械能的損耗較液壓傳動大，所配電機(jī)功率為7.5～10kW；電動葫蘆因局限在兩層站之間使用，其電機(jī)功率為2～2.5kW。

從上述有關(guān)數(shù)據(jù)反映，除去電動葫蘆不計(jì)，在同一條件下升降同等重量的物品時(shí)，機(jī)械電梯運(yùn)行耗用的電能比液壓升降平臺和液壓電梯的高37%～80%。

3.3 設(shè)備維護(hù)費(fèi)用的投入

起重設(shè)備在正常情況下使用其故障率是比較低，它們的故障種類大體分為機(jī)械故障和電器故障。在電器方面，電動葫蘆、液壓升降平臺等的電器元件少，電氣線路簡單，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用低；而電梯（包括液壓電梯）的電器元件多，電氣線路比較復(fù)雜。主要發(fā)生在電氣元件接觸不良、老化造成它們的過熱失效或燒壞，作為機(jī)械電梯它還多了一個(gè)剎車制動線圈，這在維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用上就比液壓電梯高些。在機(jī)械方面，液壓升降平臺、液壓電梯所反映出來的多數(shù)是管線、油缸密封件泄漏，這主要為密封件在使用一段時(shí)間后老化失效，大約在2～3年內(nèi)，油缸內(nèi)的密封圈需要進(jìn)行更換，所需時(shí)間為1～2天；機(jī)械電梯的機(jī)械故障多數(shù)為鋼絲繩與曳引輪相互磨損；減速機(jī)機(jī)件的磨損；減速機(jī)密封件的失效；剎車系統(tǒng)的磨損等因素造成的。這些磨損在電梯使用3～5年后會逐漸出現(xiàn)，隨著磨損的增加其危害性增大，5年后對這些關(guān)鍵部位進(jìn)行維修更換將接踵而來，費(fèi)用會逐漸增多，而所占用的維修時(shí)間隨著更換不同部位零件而有所不同；電動葫蘆由于結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)件磨損引起的故障比較容易發(fā)現(xiàn)和處理，所花費(fèi)的資金和時(shí)間不多。

由此可見在設(shè)備維護(hù)費(fèi)用方面的投入，電動葫蘆為最少；液壓升降平臺、液壓電梯比較穩(wěn)定，所反映出來的是設(shè)備投入使用初期3～5年內(nèi)較機(jī)械電梯高，而5年后則相應(yīng)地比機(jī)械電梯少，而它們的故障容易檢查發(fā)現(xiàn)和消除，隨著使用時(shí)間的增長其穩(wěn)定性就越好，而機(jī)械電梯則相反。

我們選用設(shè)備所遵循的原則，首先要求適用，其余依次為價(jià)錢合理，技術(shù)先進(jìn)，維護(hù)費(fèi)用多少，使用周期長。所謂設(shè)備的適用性，它應(yīng)該包括兩方面的含義：既要滿足生產(chǎn)工藝技術(shù)要求，又要符合安全第一的思想。在安全問題未解決的前提下，原則后面的內(nèi)容就顯得蒼白。在特殊場合里處理易燃易爆等危險(xiǎn)物品的安全升降問題，使用液壓升降平臺所具有的技術(shù)、結(jié)構(gòu)特性及其經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢，是其它傳動技術(shù)設(shè)備所不能比擬的，它恰恰符合了上述原則要求，即以最少的投入獲取最大的收益。因此說在一定的高度范圍內(nèi)，特別是在特殊要求的場所中，液壓升降平臺是目前解決易燃易爆等危險(xiǎn)品安全升降最為簡單有效的設(shè)備。