液壓絞車節(jié)能型試驗(yàn)裝置

徐寶富，羊衍貴，諶志新，，徐志強(qiáng)

（1.農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；3.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源學(xué)院，上海 201804）

液壓絞車是廣泛用于起重鋼繩升降和捕撈作業(yè)中收放魚網(wǎng)的裝置，通常由液壓馬達(dá)經(jīng)減速后，驅(qū)動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，并以卷取鋼卷筒上的絲繩來(lái)完成牽引作業(yè).新設(shè)計(jì)的液壓絞車都需要進(jìn)行性能測(cè)試和壽命試驗(yàn)，這是一項(xiàng)既繁瑣又耗能的工作，但又是保證液壓絞車性能和壽命的重要工作［1］.

1 基本概況

液壓絞車的試驗(yàn)是在室內(nèi)進(jìn)行，關(guān)鍵是加載載荷的處理.按加載方式不同，通常有如下2種試驗(yàn)方法［2－3］.

1.1 重力加載試驗(yàn)系統(tǒng)

重力加載試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，塔架3上安裝2個(gè)定滑輪2，被試液壓絞車1卷筒上的鋼絲繩繞過(guò)定滑輪2后，端部懸掛重物4，其重力G作為絞車的試驗(yàn)載荷.絞車液壓馬達(dá)以不同轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)重物4上下運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行絞車的性能和壽命試驗(yàn)［4－5］.這種方法的優(yōu)點(diǎn)是絞車所受載荷和工況與絞車實(shí)際運(yùn)行工況基本一致，但機(jī)構(gòu)龐大，若鋼絲繩運(yùn)行距離較長(zhǎng)，器網(wǎng)絞車?yán)K長(zhǎng)可達(dá)2 000m，塔架也應(yīng)達(dá)相應(yīng)高度，絞車載荷運(yùn)行距離受到限制.試驗(yàn)功率就是實(shí)際功率，浪費(fèi)大，試驗(yàn)所耗的功率P為

式中：G為試驗(yàn)載荷；v為載荷速度；ηh為滑輪機(jī)械效率；ηj為減速箱機(jī)械效率；ηmm為液壓馬達(dá)總效率；p為馬達(dá)入口壓力；q為馬達(dá)入口流量.

卷筒上鋼絲繩拉力S為

卷筒上鋼絲繩速度v為

式中：nm為液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速；Di為卷筒上鋼絲中心間直徑；Vm為馬達(dá)排量；ηmv為馬達(dá)的容積效率.

圖1 重力加載系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Gravity loading system diagram

1.2 液壓節(jié)流加載試驗(yàn)

節(jié)流加載裝置如圖2所示.其由兩部分組成，被試絞車1和加載絞車3.兩絞車的鋼絲繩繞過(guò)定滑輪2連接起來(lái).加載絞車的卷筒軸間增速裝置與變量馬達(dá)連接，起增速降扭作用，以適應(yīng)加載馬達(dá)的工況.兩溢流閥完成節(jié)流加載.

被試卷筒正向旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)起升牽引狀態(tài).被試馬達(dá)A′口通入壓力p流量q的液體，A口回油，其溢流閥調(diào)定壓力高于其負(fù)載壓力.加載馬達(dá)兩油口B，B′均通回油.被試馬達(dá)在油壓作用下旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩拉動(dòng)加載卷筒旋轉(zhuǎn)，繼而驅(qū)動(dòng)加載馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，其回油經(jīng)其溢流閥節(jié)流加載，形成加載力矩，使鋼絲繩以一定拉力和速度運(yùn)行，完成正向牽引試驗(yàn)運(yùn)行.

反向收繩工況，加載馬達(dá)B′口通入較大壓力油，被試卷筒反向旋轉(zhuǎn)；通過(guò)鋼絲繩驅(qū)動(dòng)被試馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，其溢流閥起節(jié)流加載作用，調(diào)定壓力較低.其主要作用是收繩，為下一次正向旋轉(zhuǎn)作準(zhǔn)備，不是主受力狀態(tài)，節(jié)流阻力較低.此時(shí)，加載馬達(dá)供油旋轉(zhuǎn)，被試馬達(dá)作加載試用.

正向旋轉(zhuǎn)時(shí)鋼絲繩拉力S和速度v為

圖2 節(jié)流加載簡(jiǎn)圖Fig.2 Throttle load diagram

式中：p1為被試馬達(dá)進(jìn)出口壓力；V1為馬達(dá)排量；D1i為卷筒上鋼絲繩中心直徑；i1為減速箱傳動(dòng)比；ηvm為馬達(dá)容積效率.

試驗(yàn)所消耗功率P為

式中：qp1為馬達(dá)入口流量.

2 能量回收試驗(yàn)系統(tǒng)

前述兩種試驗(yàn)系統(tǒng)，節(jié)流型加載系統(tǒng)的能量損失較大，有的還伴有巨大發(fā)熱.而重力加載系統(tǒng)能源浪費(fèi)大，試驗(yàn)繩長(zhǎng)受限制.下面介紹能量回收系統(tǒng)，具有節(jié)能、試驗(yàn)繩長(zhǎng)不受限制的特點(diǎn).

2.1 能量回收試驗(yàn)系統(tǒng)原理

能量回收的試驗(yàn)裝置，利用能量反饋回收原理，使試驗(yàn)所消耗功率比前述試驗(yàn)方法所消耗功率小很多，因而具有較廣泛應(yīng)用前途.圖3就是能量回收試驗(yàn)系統(tǒng)的原理圖.

和前述一樣，使用輔助卷筒進(jìn)行加載，但加載馬達(dá)4回油直接進(jìn)入被試卷筒馬達(dá)馬達(dá)10入口，形成能量反饋，驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn).輔助泵1提供少量高壓流量，以補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏以及溢流閥3的溢流量，以保證馬達(dá)10的入口壓力值.

由系統(tǒng)可知，加載馬達(dá)排量V2的值，要保證系統(tǒng)在溢流閥3的調(diào)定壓力p（即馬達(dá)10的入口壓力）下，兩卷筒鋼絲繩受力相等處于靜止?fàn)顟B(tài)，及卷筒1在無(wú)其他外力作用下被試卷筒組件和加載卷筒組件受力相等而處于靜止?fàn)顟B(tài)，并保證其拉力為設(shè)定值.這樣，輔助泵2以較低的壓力克服系統(tǒng)的阻力就能使兩卷筒運(yùn)轉(zhuǎn).溢流閥3的調(diào)定值決定鋼絲繩拉力，而輔助泵2的流量值決定鋼絲繩的速度.

圖3 能量回收試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖（正向工況）Fig.3 Energy recovery test system schematic（positive mode）

其正向牽引的參數(shù)：

按兩卷筒鋼絲繩拉力相等可得下列等式

式中：i2為加載變速箱傳動(dòng)比；ηm1，ηm2為被試和加載馬達(dá)的機(jī)械效率；ηji，ηj2為被試和加載變速箱的機(jī)械效率；D2i為加載馬達(dá)卷筒上鋼絲中心間直徑.

由式（7）可得加載馬達(dá)排量V2為

鋼絲繩拉力S為

鋼絲繩速度vg為

式中：qp2為輔助泵2的輸出流量；ηv2為加載馬達(dá)的容積效率.

試驗(yàn)所消耗功率P為

式中：p2為泵2的壓力；qp2為輔助泵2的輸出流量.

2.2 能量回收實(shí)際試驗(yàn)系統(tǒng)分析

能量回收實(shí)際試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示，系統(tǒng)中除增加了液壓元件外，還增加了相應(yīng)的測(cè)量元件，以滿足實(shí)際試驗(yàn)要求.試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理，分正向牽引和反向收繩2種工況.原理如下：

圖4 能量回收實(shí)際試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Energy recovery actual test system

2.2.1 正向牽引工況

正向牽引工況，是絞車的起吊工況，絞車的鋼絲繩在相應(yīng)的拉力作用下，以相應(yīng)的速度，將加載卷筒上的鋼絲繩全部卷取到絞車卷筒上，是絞車主要試驗(yàn)工況.

啟動(dòng)輔助泵1，2，并將其流量調(diào)到較小值，將電液換向閥5移入右位工作，輔助泵2的低壓油進(jìn)入加載馬達(dá)2，8的下腔，克服系統(tǒng)摩擦阻力，使絞車卷筒牽引收繩轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)加載馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，其上腔排油進(jìn)入絞車馬達(dá)7的下腔.由于輔助泵1流量補(bǔ)充，使比例溢閥6溢流，其壓力為閥的調(diào)定壓力，相當(dāng)絞車馬達(dá)在高壓差下工作，并完成能量反饋回收，起節(jié)能效果.具體控制如下：

（1）加載馬達(dá)8排量自動(dòng)調(diào)節(jié) 按式（8）可知，所有參數(shù)確定后，加載馬達(dá)排量值一定，因而在系統(tǒng)中，要自動(dòng)調(diào)節(jié)加載馬達(dá)排量以適應(yīng)加載要求.從工作原理可知，在卷筒馬達(dá)入口壓力作用下，卷筒馬達(dá)所產(chǎn)生的鋼絲繩拉力和加載馬達(dá)所產(chǎn)生的鋼絲繩拉力相等時(shí)，加載馬達(dá)的排量是合適的，即符合公式（8）要求.若輔助泵2不工作，則系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，鋼絲繩維持相應(yīng)拉力.輔助泵2供油壓力僅需克服系統(tǒng)摩擦阻力即可使系統(tǒng)鋼絲繩以相應(yīng)拉力和速度運(yùn)行.因而只需通過(guò)壓力傳感器P3測(cè)量泵2的壓力最小值，即可獲得合適加載馬達(dá)排量.

（2）由式（9）可知，加載馬達(dá)排量知道后，比例溢流閥6的調(diào)定壓力值就確定鋼絲繩拉力值.系統(tǒng)中安裝扭矩儀12測(cè)量加載馬達(dá)，輸入扭矩來(lái)確定鋼絲繩拉力值，通過(guò)測(cè)量扭矩儀的參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)溢流閥6的調(diào)定值，以達(dá)到相應(yīng)的鋼絲繩的拉力值的調(diào)節(jié).

（3）由式 （11）可知，其他參數(shù)確定后，鋼絲繩速度決定輔助泵2的流量值.通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器11和扭矩儀的轉(zhuǎn)速值來(lái)確定鋼絲繩的速度之，繼而調(diào)節(jié)泵2的流量值.

（4）輔助泵1主要是補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏和保證溢流閥6的溢流量，以維持卷筒馬達(dá)入口壓力值，其流量應(yīng)保持合適值.通過(guò)測(cè)量流量計(jì)F的流量值來(lái)調(diào)節(jié)泵2的流量值，一般可取流量計(jì)流量值為10L·min－1作泵2流量的調(diào)節(jié)基準(zhǔn).

2.2.2 反向收繩工況

反向收繩就是將卷入絞車卷筒上的鋼絲繩，重新卷入加載卷筒上，為下一次正向牽引作準(zhǔn)備.反向收繩工況對(duì)鋼絲繩拉力無(wú)特定要求，只需保證鋼絲繩拉直，并能正常收繩即可，收繩速度也無(wú)特定要求.

將換向閥移入左位工作，泵2的壓力油進(jìn)入絞車馬達(dá)7上腔，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，其排油反饋進(jìn)入加載馬達(dá)8上腔.由于泵1補(bǔ)油使溢流閥溢流，使油路保持一定壓力，使鋼絲繩維持一定拉力完成收繩工作.加載馬達(dá)排量等的調(diào)節(jié)與“正向牽引工況”同.

這里僅介紹能量回收的基本問(wèn)題，有關(guān)控制及參數(shù)獲取問(wèn)題因篇幅而略去.

本文使用的是單加載馬達(dá)系統(tǒng)，這對(duì)繩長(zhǎng)較短的絞車，完成試驗(yàn)是足夠，但對(duì)繩長(zhǎng)較大的絞車，因加載馬達(dá)的排量調(diào)節(jié)范圍有限（一般調(diào)節(jié)比為4），限制試驗(yàn)范圍，此種工況就需使用雙加載馬達(dá)，使其調(diào)節(jié)比增大，以滿足全范圍試驗(yàn).系統(tǒng)中應(yīng)增加雙馬達(dá)排量組合調(diào)節(jié)控制.

3 能量回收系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

如何評(píng)價(jià)能量回收試驗(yàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣是一個(gè)重要問(wèn)題，但目前尚無(wú)能量回收效率的標(biāo)準(zhǔn).借鑒其他能量回收系統(tǒng)的能量回收評(píng)價(jià)計(jì)算方法，我們提出了能量回收率ε的概念.因?yàn)樵囼?yàn)工況分正向牽引工況和反向收繩工況，正向牽引工況是主試驗(yàn)工況，工作壓力較高，所耗能量較大，而反向收繩工況為次要工況，所消耗能量較少，所以我們只討論正向牽引工況的問(wèn)題.正向牽引工況的能量回收率εz為

式中：Et為節(jié)流型加載絞車試驗(yàn)完成一個(gè)牽引循環(huán)所消耗的能量；E為能量回收加載絞車完成一個(gè)牽引循環(huán)所消耗的能量.

Et可由式（13）求得：

式中：t為節(jié)流型加載絞車試驗(yàn)完成一個(gè)牽引循環(huán)所消耗的時(shí)間；pt為節(jié)流型加載絞車試驗(yàn)完成一個(gè)牽引循環(huán)供油泵工作壓力；qt為節(jié)流型加載絞車試驗(yàn)完成一個(gè)牽引循環(huán)供油泵輸出流量.

E由式（14）求得：

式中：p1，p2為節(jié)能型加載絞車試驗(yàn)完成一個(gè)牽引循環(huán)輔助泵1，2工作壓力，q1，q2為節(jié)能型加載絞車試驗(yàn)完成一個(gè)牽引循環(huán)輔助泵1，2泵輸出流量.

式（12）可直觀地反映出，能量回收試驗(yàn)系統(tǒng)較節(jié)流加載試驗(yàn)系統(tǒng)節(jié)約能量.ε＞0表示同型號(hào)絞車試驗(yàn)，能量回收系統(tǒng)所消耗的能量少于節(jié)流型加載系統(tǒng)所消耗的能量.ε越大能量節(jié)約效果越好.通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證ε可達(dá)39%左右，節(jié)能效果十分明顯.具有應(yīng)用前途.

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