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作业绞车液压传动系统设计与分析 摘要 绞车广泛应用于石油工程等领域。本文所研究的作业绞车是用于提升和下放采油试验井的作业 用具，该课题是为大庆采油工程研究院所设计的采油工程中间模拟试验系统的研制中的一部分。作 为举升设备，作业绞车的最大起重吨位为5 0 吨，由于作业绞车在起升和下放井下作业用具时负载变 化频繁、速度易受干扰，同时为了解决作业绞车在工作时的振动和冲击问题，重新对作业绞车的驱 动系统进行开发与研制。通过对不同类型绞车的驱动系统进行分析与比较，最终确定采用液压驱动 方案。本文对作业绞车的液压控制系统进行了详细的设计与分析。 本文以上述试验井作业绞车为研究对象，以液压传动技术为基础，对作业绞车的液压传动系统 进行设计与分析，并对该系统进行了动静态特性分析。 本文在对绞车液压传动技术的发展进行阐述，介绍了静液压传动技术在工程机械、石油机械等 领域的应用的基础上，对各种绞车的驱动方式进行比较分析，最终确定了作业绞车采用液压驱动方 案；对作业绞车的液压驱动系统的构成及液压系统进行了详尽的分析与设计；最后对所设计的作业 绞车的液压控制系统的动静态进行了分析，其中包括变量泵的调节特性和马达的控制特性。 根据动态特性分析的结果，对所设计的液压控制系统进行了改进，满足了生产实际的要求 关键词：绞车：驱动系统；液压传动；变量泵：控制特性 w o r k i n gw i n c hh y d r a u l i cd r i v es y s t e md e s i g na n da n a l y s i s a bs ，r r a c t 1 1 1 ew i n c hi sw i d e l ya p p l i e di nt h ep e t r o l e u me n g i n e e r i n ga n do t h e rf i e l do fe n g i n e e r i n g mw o r k i n g w i n c hi st h el i f t i n ge q u i p m e n to f e x t r a c t so i le n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t a lw e l l a st h el i f t i n ge q u i p m e n t , t h e w o r k i n gw i n c hc a l lt a k e5 0 t , w h i c h i st h eb i g g e s tv a l u e b e c a u s et h el o a do f t h ew i n c hh a v eb e e nb e c a m e d u r i n gt h ew i n c hl i f l e da n dp u td o w ni t t h es p e e do f t h ew i n c hi sa p tt od i s t u r b s ，a n da tt h es a m et i m ei n o r d e rt or e s o l v em ep r o b l e mo ft h es h o c ka n dv i b r a t i o nw h i c hi sp r o d u c e db yt h ew i n c hd u r i n gi t i s w o r k i n g r e d e s i g nt h ed r i v i n gs y s t e mo ft h ew i n c h c o m p a r e da n da n a l y z e dt ot h ed r i v i n gs y s t e mo ft h e d i f f e r e n tw i n c ha tl a s t ，d e t e r m i n e st ou s et h eh y d r a u l i cp r e s s u r ed r i v i n gs y s t e ma c t u a t i o np l a n t h i sp a p e r h a sc a r r i e do nt h ed e t a i l e dd e s i g na n dt h ea n a l y s i st ot h ew o r kaw i n c hh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m t a k i n gt h ew o r k i n gw i n c ho f e x p e r i m e n t a lw e l la si t so b j e c t i v ea n db a s i n go nt h eh y d r a u l i cd r i v e ，t h i s p a p e r d e s i g n e da n da n a l y z e dt h eh y d r a u l i cd r i v es y s t e mo f t h ew o r k i n gw i n c h ，c a r d e do nd y n a m i ca n a l y s i s t ot h i ss y s t e m t h i sp a p e ro na c c o u n tf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ew i n c ho fb y d r a u l i cd r i v et e c h n o l o g y , c a r d e do n c o m p a r e da n a l y s i st od i f f e r e n th y d r a u l i cd r i v es y s t e mo ft h ew i n c l lf i n a l l yh a dd e t e r m i n e dt h ew o r ka w i n c ha s e st h eh y d r a u l i cp r e s s u r ed r i v i n gs y s t e m c a r d e do nd e s i g n i n ga n da n a l y z i n gt ot h ec o m p o s i t i o no f t h eh y d r a u l i cd r i v es y s t e mo ft h ew o r k i n gw i n c i lc a r d e do u td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i st ot h e h y d r a u l i cd r i v ec o n t r o ls y s t e mo f w o r k i n g w i n c h a c c o r d i n gt ot h ec o n c l u s i o no fa n a l y s i s t oi m p r o v et h eh y l r a u l i cd r i v ec o n t r o ls y s t e mt h a ti sd e s i g n e d b yt h i sp a p e ra n d m e e t st h ep r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：w i n c h ：d r i v i n gs y s t e m ；h y d r a u l i cd r i v e ：v a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp u m p ：c o n t r o l c h a r a c t e r i s t i c 1 1 1 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表 或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确说明并表示谢意。 作者签名： 囱孟溘日期：塑喀叁岁 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学 位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论 文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文 的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的 学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：多l 乏浪 日期：加吖 创新点摘要 1 、通过对不同类型绞车驱动控制的工作特点进行比较分析，得出了作业绞车采用 液压驱动的方式，解决了作业绞车工作占用空间大的矛盾。 2 、通过对作业绞车液压驱动系统的合理设计，解决了作业绞车因负载变化频繁， 速度易受干扰的问题，提高了作业绞车的工作稳定性，增强了系统的调节品质。 3 、根据作业绞车液压控制系统的特点建立该系统的数学模型，根据其数学模型确 立作业绞车液压控制系统的在不同输入条件下的传递函数，从传递函数所提供的动态特 性信息，得出影响该系统动态特性的主要因素为速度增益、液压固有频率、液压阻尼系 数三个动态参数，从控制论的角度出发，分析了影响作业绞车工作的稳定性、灵敏性和 精确性的问题，从而提出改善系统动态特性的措施。 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 引言 绞车是工业生产过程中一种常见的机械，具有悠久的发展历史和比较成熟的设计制 造技术。随着绞车制造技术的不断提高、加工材料的不断改进以及电子控制技术的不断 发展，绞车在动力、节能和安全性等方面取得了很大的进步。目前，绞车正被广泛地运 用于矿山、港口、工厂、建筑和海洋等诸多领域“1 。 在石油钻井领域，绞车是钻机的核心部件，直接决定着钻机的钻进能力。有些国家 把绞车称作钻机。钻井绞车一般由动力、变速机构、滚筒、离合器、刹车等部件组成。 绞车在钻井过程中具有起下钻具、下套管、控制钻进过程钻压和整体起立井架等功用， 它的工作特点是操作使用频繁，变速范围宽、载荷变化大。 在矿山采掘和运输场合，绞车作为重要辅助设备得到了大量的应用。例如：矿用提 升绞车、调度绞车、耙矿绞车和凿井绞车等。绞车的另一个重要用途是港口机械，常见 的有集装箱起重机、港口装卸门座起重机、塔式起重机以及轻小型的电葫芦等起重机械， 其主要执行机构都是各种形式和结构的绞车。对于这种用途的绞车，要求具备较好的调 速性能和很高的安全性能。在船用甲板机械和海洋开发领域，绞车也具有悠久的使用历 史和多种多样的用途。船用甲板机械常见的有自动系泊绞车、舷绳梯绞车、起吊绞车 和定位绞车等。 舷绳梯绞车是输送引航员登离船舶专用的舷梯机械升降设备，为各类大型船舶配 套的通用甲板机械。船用连接绞车( 俗称紧缆器) 作为内河顶推船队船舶间的主要系结设 备，已在国内外船舶上得到应用。大型拖曳绞车是一种运用于海洋拖曳的船用绞车。它 的拖曳卷筒有自动张力功能，在长距离拖曳作业时，它可根据被拖物大小设置张力范围。 可以说，绞车广泛地运用于各种各样的场合，发挥着不同的作用，也具有各种各样 的结构组成。为了更好地研究绞车的结构和性能，需要对绞车的组成和绞车的类型进行 简单的论述。 绞车有多种多样的用途，这就要求绞车的结构和种类有所不同。 按照滚筒的数量可分为：单滚筒绞车、双滚筒绞车、三滚筒绞车。按照结构可分为： 单轴绞车、双轴绞车、多轴绞车。按照驱动方式可分为：电动绞车、气动绞车、液压绞 车。 单卷筒绞车是三种类型绞车中最常见的，它只有一个卷筒用来存放缆绳或者铰链， 一般用于对卷筒的容绳量要求不高的场合。根据卷筒和驱动装置的相对位置，单卷筒绞 车又可以分为：单卷筒左式绞车和单卷筒右式绞车。二卷筒和三卷筒绞车用于容绳量较 大并且对绞车功率要求较高的场合，其缺点是结构复杂、空间占用大。 单轴绞车本身不变速，需要另加变速箱，绞车结构简单、紧凑，变速箱工作条件好， 安装方便，缺点是锚头和滚筒同装在一根轴上，锚头位置过低，转速偏高，操作不方便， 引言 刹车和离合器散热不好。 双轴绞车与单轴绞车相比，克服了单轴绞车锚头轴位置过低及转速偏高的缺点。独 立地将锚头轴分离出来，可以实现在两轴间装高低速传动链条，使齿轮变速箱的档数加 倍，缺点是管理维修不方便。 多轴绞车结构复杂，尺寸和重量都较大，密封和润滑的条件差。 电动绞车一般由三相异步电动机驱动，然后通过电动机带动减速器、液力偶合器、 行星差速器等对绞车进行调速。 气动绞车是由气马达通过减速器来驱动的，多见于油田矿井、矿山等对安全可靠性 要求较高并且工作环境恶劣的场合。 液压绞车是由液压马达提供功率直接或者间接而驱动的，它的调速是通过对马达的 调速来完成的。随着液压技术的发展，国内外的液压绞车逐渐形成了两种类型：泵控调 速液压绞车和阀控调速液压绞车。 尽管绞车的种类和应用场合不同，但在工程应用中绞车应具有如下一些特点： 负载时变 绞车运用于海洋拖曳、电梯提升、矿山调度等场合时，由于外界环境因素的影响， 例如海浪、海流、货物重量等的不断变化，它的负载也在不断交化。这就对绞车的稳定 运行造成了很大干扰，尤其是海洋绞车或水下绞车，由于工况比较复杂，受到的干扰更 大。如果不采取有效的控制手段，绞车的收放速度就不可能稳定，有时甚至无法正常工 作。 驱动力矩范围大 这也是由绞车的工作环境决定的，其驱动力范围从几公斤到上百吨不等。 调速方便，高低速运行稳定 由于收放工作的需要，现在许多绞车都需要能够方便连续地调整收放速度。在高速 运行的时候，不能出现飞车的情况。在低速运行的时候，不能出现爬行现象，而且要保 持一定的输出力矩。 自动排缆 当绞车的缆绳层数为双层或者多层时，如果不采取一定的排缆措施，就会出现乱卷 的现象，轻则缩短缆绳的寿命，重则影响绞车的正常工作。所以，现在的双层或多层绞 车大多数都配有排缆机构来保证缆绳的整齐排列。 对安全可靠性要求较高 由于绞车一旦出现事故，就有可能对人的生命或财产造成很大的伤害，加上绞车的 工作环境大多比较恶劣，所以要求绞车具有很高的工作可靠性。因此在设计绞车时设计 人员应考虑到绞车的最大负载能力、绞车的防爆性、元件的可靠性等因素。 具有较好的可操作性 随着对绞车使用要求的不断提高以及自动化技术的发展，绞车的自动化程度也在不 断提高。一些先进的电子控制技术、通讯技术的运用，使得现在的绞车能够具有很好的 2 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 人机接口和远程通信能力，极大地提高了绞车的操作性能。 采油工程中间模拟系统是为抽油机、抽油泵和螺杆泵等提供试验条件。作业绞车作 为该系统的举升设备，起升和下放存放在井深为1 2 0 0 m 中的油管柱和抽油杆柱，在没有 进行技术改造之前，绞车的驱动方式为机械式驱动，即直流电机通过减速器驱动绞车工 作，这种传动方式难以实现大范围的无级变速，安装布置复杂，传动系统体积尺寸较大， 总重量大，在工作时候产生的振动和冲击较大。因此，将绞车的驱动方式改进成液压驱 动。 该系统由液压绞车( 绞车控制系统、液压站、绞车总成) 、地滑轮、井架及绷绳、 游动系统( 天车、游车大钩、钢丝绳) 、作业工具( 吊环、吊卡) 、油管钳、液压站、负 荷测量仪表等组成。作业绞车是举升系统的控制部分。提升系统能够满足1 2 0 0 米管柱 的起升和下放的需要，最大提升拉力达到5 0 0 k n 。并且采用液压油管钳进行上卸扣，减 轻作业的劳动强度，提高工作效率。举升系统中的抽油机冲次、螺杆泵驱动头的转速均 可实现无级调节。同时对系统的操作简单，易于维护，有效地利用能源，作业绞车的设 计就是针对该目的提出的。 本文的研究内容为： 作业绞车驱动方案的选用分析 通过对各种绞车的驱动方案的对比、分析，结合作业绞车的实际工况，从高效、节 能的角度出发，选出切合实际的作业绞车驱动方案。 作业绞车液压系统构成分析 为了确定作业绞车的液压系统构成方案，对液压系统的结构特点进行分析，进而确 定作业绞车系统的调速方案，最后构成整体作业绞车的液压驱动系统。 作业绞车液压系统的设计 根据作业绞车液压系统的构成特点，进行系统的细节构建工作，建立合理的液压回 路，选择合适的调速回路，最后构成绞车整体的液压系统。 作业绞车液压系统的动态特性分析 对恒功率变量控制系统的静态特性和动态特性进行分析；对泵控马达系统的动态特 性进行分析，得出影响系统额稳定性、精确性和灵敏性的因素。 第一章作业绞车驱动方案的选用分析 第一章作业绞车驱动方案的选用分析 本章从绞车的结构和功能特点出发，对绞车的各种驱动方案进行了对比分析，结合 作业绞车驱动系统的设计要求，最后确定作业绞车的驱动方案。 1 1 作业绞车驱动系统的设计要求 i i i 作业绞车的结构和功能 绞车设计采用滚筒盘绞或夹钳拉拔缆绳方式来水平或垂直拖曳、提升、下放负载， 绞车一般包括驱动部分、工作装置、辅助装置等几部分。 1 驱动部分：用于驱动绞车工作装置盘绞、释放缆绳，包含动力及传动装置与控制 装置。绞车可以采用多种驱动方式，包括电动机、蒸汽机、柴油发动机、汽油发动机、 液压马达、气动马达等 2 。无论采用何种驱动方式，在绞车的驱动部分设计中都应包 含以下设计准则： 无级均匀变速，调速范围宽广： 在有负载情况下，良好的启动特性和低速特性，总效率高； 双向旋转，并且容易改变旋转方向； 维护保养相对容易，对周围工作环境不敏感； 制动系统工作可靠； 设计紧凑，结构简单，安装布置容易，重量轻； 在有负载情况下，能长时间安全带载静止而不至于损坏驱动系统。 对于小型绞车，为了保证结构紧凑，绞车驱动部分一般与绞车工作装置联接在一起， 直接驱动工作装置：对于大型绞车或应用现场空间相对狭小的绞车，绞车驱动部分与绞 车工作装置可以设计成独立放置，两者间通过液压管线、气动管线或电缆管线相联系， 绞车的布置和操纵均很方便。 2 工作装置：在驱动部分作用下，通过滚筒回转或夹钳直线拉拔等方式拖曳或释放 缆绳以完成对负载的收放控制，并含有对缆绳的容绳和排缆装置。 3 辅助装置：辅助工作装置完成拖曳作业，包含滑轮组、导向装置以及速度测量、 长度距离测量、张力测量等装置部分；绞车可以使用钢丝绳、尼龙缆绳等多种材质缆绳。 1 1 2 作业绞车驱动系统的要求 从作业绞车的实际工况来说，其驱动系统应该满足以下几个条件： 1 功能性要求 作业绞车是采油工程中间模拟试验系统中的举升设备，在模拟试验系统中，用于起 4 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 升和下放油管等试验井的作业用具。采用手动操作方式，即采用手动操纵绞车实现收缆 和放缆的目的。 2 技术性能要求 滚筒负载：滚筒钢丝绳最大拉力为7 5 t ： 滚筒速度：滚筒钢丝绳最大收、放缆速度为0 4 5 m s , 滚筒直径与形式：直径为3 5 0 舢，光筒： 滚筒长度：6 3 0 m ； 绞车设计使用的钢丝绳直径：2 0 m ； 外输入动力电源：交流2 2 0 v5 0 h z ，单相。 3 工况适应性要求 安放在室外，正常自然条件下工作，布置和安放之后，固定不动；最大起升负荷为 5 0 吨，下放深度为1 2 0 0 米。 4 宜人性要求 采用现场操控方式作业。作业时，操纵人员坐在工作台上，工作台与绞车机架相距 l 米远，绞车动力站与绞车工作间分开，并列放置在不同的工作间内。 5 经济性要求 设计与改造应该保证总的成本控制目标。 1 2 作业绞车驱动系统方案的确定 1 2 1 绞车几种驱动方式的比较分析 绞车的驱动方式有：机械式驱动、电驱动、气压式驱动和液压驱动等几种形式。下 面分别叙述各种驱动方式的工作特点。 1 机械式驱动 驱动部件间的固定几何位置关系决定着系统的设计布局，布局的变化少； 传动系体积尺寸大，总重量重； 安装布置复杂，经常需要精密加工的平面和精密的部件定位； 难以实现大范围的无级变速； 原动机的位置是不可变的； 在有负载的情况下，难以取得平稳的反转； 通过采用液力偶合器，可以在堵转工况下产生最大扭矩。 2 电机驱动”3 在小型和低端绞车产品上采用常规定速电机驱动方法，能实现单速( 或双速) 和双 向旋转功能，系统简单，但不能低速启动和平滑变速； 采用可控硅整流( s c r ) 直流调速方式实现无级变速，发展历史悠久，可在低速段 第一章作业绞车驱动方案的选用分析 提供短时的额定扭矩； 采用交流变频调速方式实现从零到最大速度的无级变速，可以在低速工况下提供 1 0 0 额定扭矩，调速平稳： 设备复杂，维修、保养人员的技术水平要求较高。 3 气驱动 需要配置压缩空气站； 气动系统工作压力较低，气动马达外形尺寸较大，气动系统总体重量较重： 对环境条件敏感，在周围环境温度低的地方，可能有潮气凝结在气动管路和部件 里： 噪音大，需要噪音消音器。 4 液压驱动 双向实现从零到最大速度的无级变速控制，易于换向； 用高压溢流阀或压力补偿器双向限制有效力矩； 输出速度范围大，负载的低速控制好，可以带动负载良好启动： 系统允许长时间支持负载，双向可以限制不同力矩。 1 2 2 作业绞车驱动系统方案的确定 通过以上对绞车各种驱动方式的特点进行分析比较，结合作业绞车的驱动系统的设 计要求、实际工况和经济性等方面考虑，确定液压驱动的方式作为作业绞车的驱动方式， 液压驱动的绞车可以实现无级调速、结构简单、操作容易、维护方便、较少振动和冲击 等，另外，液压驱动的方式还能够有效地节约能源。 1 2 3 液压驱动的原理 液压绞车是由液压马达提供功率直接或者间接驱动的，它的调速是通过对马达的调 速来完成的。随着液压技术的发展，国内外的液压绞车逐渐形成了两种类型：泵控调速 液压绞车和阀控调速液压绞车“1 。 泵控调速液压绞车的调速是依靠调节变量泵的流量来实现的，通常称之为容积调 速。根据结构形式它可以分为两类：一类是变量泵控制低速大扭矩马达，直接拖动绞车 卷筒；另一类是变量泵控制高速轴向柱塞马达，再经减速器拖动绞车卷筒。容积调速方 式的最大优点是节约能源，因为它的节流损失非常小。而它的缺点是调速部分的液压元 件体积大、制造困难、价格高，而且由于变量泵的变排量机构时间常数较大而使得容积 调速系统的频率响应较低嘲嘲。1 。 阀控调速液压绞车的驱动系统一般是由定量泵和比例阀构成的，通过调节比例阀的 流量来调节绞车的速度，通常称之为阀控调速。这种调速方式的优点是调速方便、系统 频响高、技术成熟、价格低，缺点是由于存在不可避免的节流损失而使得系统能耗高。 6 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 液压绞车相比于电动绞车和气动绞车来说，具有结构紧凑、功率重量比高、驱动力矩大、 起动平稳、调速方便、使用安全可靠等一系列优点，近年来得到了迅速发展并获得了广 泛地应用。 虽然液压传动的方式也有它的缺点，但是，在设计的时候，通过设计合理的液压回 路，选择合理的液压元件，确定合适的参数，并且把这些因素进行合理的匹配，上述缺 点是可以克服的。 第二章作业绞车液压系统的结构分析 第二章作业绞车液压系统的构成分析 为了确定作业绞车的构成方案，就要对绞车的液压系统结构特点以及相互间的动作 机理进行分析，同时分析节能较好的多执行机构负载敏感控制系统，从简单、高效的角 度考虑，最后确定绞车液压系统的构成方案，进而确定液压调速系统的构成方案、马达 驱动方案和液压泵的驱动方案。 2 1 液压绞车系统的基本构成 液压绞车由三部分组成：绞车控制系统，液压泵站，绞车总成。图2 - 1 为绞车总成 图。由图可知大小马达和滚筒支撑在同一根轴上，但并不和滚筒轴固定死，而是通过两 套常开式的离合器分别和滚筒轴相联，该轴由液压马达驱动。滚筒上又有一套常闭式制 动器一刹车。当打开制动器，合上离合器时，滚筒和滚筒轴固结在一起，液压马达带动 滚筒转动来起升作业用具。反之，若打开离合器，合上制动器，则滚筒悬持作业用具。 二者都打开，滚筒可以在轴上自由转动，重物按照自由落体运动下降。 液马达离台嚣滚筒轴 滚筒支座滚筒滚筒支座离合舞液马达 图2 一l 作业绞车总成图 液压绞车的主要任务是起升和下放重物，同时在起升和下放时要调节和控制速度， 为了达到此目的，在整个系统中设计了离合器一刹车系统。图2 2 为初步拟定的作业 绞车液压系统框图。 从图2 2 中可以看出( a ) 使用了一个齿轮泵向3 个执行机构供油，而( b ) 使用 了2 个齿轮泵向3 个系统供油。在( a ) 中，采用一个分流阀分别向三个支路供油，保 证三个支路完成三个独立动作，而在( b ) 中把分流阀放在离合一制动系统支路上，这 是因为马达所需功率大，而离合一制动系统所需功率很小，采用分流阀不能保证马达特 殊情况需要，必须采用油泵向马达供油，系统全部采用定量泵供油，通过节流阀控制离 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 合器与刹车系统的速度，该系统的主要问题是液压回路复杂，向油泵供油的电机频繁启 动，能量浪费严重。 c o ) 图2 2 作业绞车的液压传动系统框图 由绞车总成可知，绞车由液压马达带动主轴转动，通过离合器使主轴与滚筒轴挂合 来带动滚筒转动进而提升和下放作业用具。在提升和下放的过程中由制动系统来控制绞 车的速度等一系列动作，因此绞车控制系统包括升降系统，离合器系统，制动系统3 个 执行机构。根据液压绞车系统构成的总体思路，拟采用单电机带动大和小泵来驱动所有 的执行机构，所设计的系统为典型的多执行机构控制系统，对于多执行机构控制系统来 讲，保证对多执行机构进行同步控制，即同时控制多个执行机构进行各种复合动作是设 计作业绞车液压控制系统的关键技术。 在多执行机构控制系统中，多执行机构负载敏感控制系统属于技术上比较先进的控 制系统。多执行机构负载敏感控制系统能够自动的将负载所需的压力或流量变化的信号 传到负载敏感阀( 阀控负载敏感) 或油泵变量控制机构( 泵控负载敏感) 的敏感腔，使 其压力参数发生变化，从而调整供油系统单元的运行状态，使其向系统提供负载所需的 液压功率( 压力与流量的乘积) ，因而最大限度地减少了功率的损失，从而提高了原动 机的利用率。虽然多执行机构负载敏感控制系统在技术上属于比较先进的控制系统，可 以很好的解决多执行机构同时驱动的问题，但它并不适合绞车的液压控制系统，由于多 执行机构负载敏感控制系统有成本高，系统结构复杂等方面的问题，对于绞车这种对各 9 第二章作业绞车液压系统的结构分析 执行机构的复合控制动作要求并不高的机构来说，设计简单的有效的多执行机构控制系 统便是设计绞车的液压系统的一个主要思路。 根据液压绞车的工作特点作业绞车对复合动作的精度要求并不高，具体需要如下： 1 无论在任何工况下，如果电机带动泵转动，要保证马达驱动主轴转动，所以升降 系统和离合器机构可以同时动作，并且优先保证升降系统能够先获得流量。 2 绞车在起升和下放的过程中，要进行速度调节和控制，在上升的过程中，要求作 业绞车的速度是随着外负载而变化的，即起升速度由外负载进行控制：在下放的过程中， 绞车的速度是由刹车控制的，因此系统在上升时，制动机构液压缸并不需要流量。 由于绞车对各执行机构进行复合动作的要求不高，所以计划在初步拟定的方案基础 上进行改进，采用升降系统、离合器系统和刹车系统并联的方式，作业绞车液压传动系 统框图如图2 3 所示 2 3 绞车的液压驱动系统框图 从图2 3 可以看出，为了满足绞车在工作的状态下完成各种复合动作，系统改进 了回路的设计，把原先与离合器和刹车系统相联系的分流阀去掉，一个泵换成两个，分 别来驱动两个系统，通过这样的改进，各回路之间既相互联系又互不干涉地完成复合动 作，在各个支路内又可以执行自己的任务。这样设计的作业绞车液压传动系统结构简单， 造价低廉达到了预期目的，符合工程实践的需要。 2 2 升降系统的构成 工程机械静液压驱动系统按照回路特征可分为开式系统和闭式系统，下面通过分析 这两种系统的特点并结合工况对作业绞车的液压驱动系统进行选择。 2 2 1 开式系统 开式系统如图2 4 所示，它的特点是液压泵直接从油箱中吸油，供执行元件使用 后返回油箱，即油液的循环必须经过油箱交换，开式系统的主要优点有：系统结构简单， 构成灵活，有一个较大的油箱，能够起到良好的散热作用，油中污染物可以在油箱中沉 淀，降低了对过滤器的要求；系统中各回路之间可以串联也可以并联；可以进行节流调 速，也可以进行容积调速，或者两者同时使用，即复合调速，因此调速范围较大。开式 系统的缺点有：油箱体积较大，油与空气直接接触，增加了混入空气的机会；为了增加 系统的稳定性，有时要在回路上加背压阀，增加了回油阻力；当油泵没有自吸能力时， 1 0 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 需要增设一个流量为1 2 倍的供油泵【8 】 2 2 2 闭式系统 闭式系统如图2 - 5 所示，它的特点是：系统中的油液自成循环，不需要通过油箱 的交换：执行元件的回油直接进入泵的入口，吸油条件较好。闭式系统的主要优点有； 结构紧凑，没有开式系统中那样体积庞大的油箱，只有一个体积不大的补油用的油箱， 因而自重轻；除补油外，油液成闭式循环，不接触空气，减少混入空气的机会，保证油 液的质量：系统中一般都用双向变量泵，直接用液压泵的变量机构调节速度和方向，避 免了换向阀的控制方式造成的节流损失和换向冲击；系统无回油背压损失，因为回油背 压即为液压泵进口压力。闭式系统的缺点为：没有大体积的油箱，自然冷却条件较差， 油液中的污染物也不能在油箱中沉淀，一般需要加冷却器，对滤油器的要求也很高；由 于通常使用双向变量泵，故价格高，维修也比较麻烦。为补充油液循环中的损失，以及 为实现使油液降温的要求，需要一套比较先进的补油系统，必要时还需要附加冲洗系统， 元件数量多而且消耗部分功率，同时成本也比较高，油液循环频率较高，容易老化【引。 图2 _ 4 开式系统图2 5 闭式系统 所设计的作业绞车的液压控制系统是由三个油泵分别向三个回路供油，因为绞车所 承担的负荷较大，所以在起升回路中用大功率泵向该系统供油，而离合器和刹车系统要 求动作灵敏，精度高，不需要很大功率就能完成，因此用二个小功率的泵分别向二个支 路供油，开式系统正适合于该机构，因为液压绞车的控制系统采用并联的方式，几个机 构即可以同时动作，也可以独立执行任务互不干涉，开式系统所具有的优良的散热性能 更适用于液压绞车的升降系统。 闭式系统适用于大功率，大负荷的系统，但就液压绞车的控制系统而言，只有升降 系统的液压回路消耗的功率比较大，采用一个大功率泵提供动力足够用，离合器与刹车 回路无需大功率的输出。闭式系统散热差，需要增加冷却装置，而且系统还需要补油泵， 所以就有部分能量损失在为主油泵提供的供油压力上，即使在系统不需要流量的情况 下，补油泵也照样工作，这样回损失更多。 第二章作业绞车液压系统的结构分析 综上，作业绞车升降系统的液压控制采用开式系统。 2 3 液压调速系统的构成 2 3 1 液压调速方案 在静液压系统中，液压调速一般应满足下列要求嘲 能在规定的范围内调节执行元件的工作速度： 即使在负载变化时，调好的速度仍能保持不变或在允许的范围内变化； 具有所需的驱动执行元件的力或力矩； 功率损失小，减少系统发热( 这对保持运动平稳也有利) ； 液压系统的调速方式主要有节流调速和容积调速两种控制方式。 1 节流调速 在液压控制系统中，节流控制或液阻控制是实现各种控制功能的基本手段。它具有 结构简单、容易调节、成本低廉、以及控制精度高等优点。但液体流过流阻时会不可避 免地产生压力降，这个压力降一方面是实现某种控制所必须的，另一方面，从能量转换 的角度来看，会引起系统发热等不良现象，因此限制了它的使用范围。流阻调节所实现 的控制功能是以能量的损失为代价的，所以节流控制的功率范围通常不超过5 k w ，更大 的功率调节以采用容积调节的方法为好。 节流调速控制系统的功率损失可分为两部分，即节流损失和溢流损失。节流损失是 由液体流过节流元件所产生的压力降而引起的；溢流损失是由供应过多的流量引起的。 要改善系统中的能量损失就要从这两方面入手0 1 。 2 容积调速 节流调速所产生的能量损耗的原因究其本质有两个，即流量不适应。过多的流量流 入系统；压力不适应，供油压力大于工作压力，为了补偿节流造成的压力降，解决这一 问题的办法是采用容积调速控制，为此设计出了各种变量泵和变量马达，变量机构及控 制策略。 利用改变液压泵、液压马达的工作容积( 即改变排量) 来实现调速，称之为容积调 速。由于这种系统的工作效率高，所以应用广泛。可以根据系统的要求来选择不同的搭 配方式，如定量泵一变量马达系统、变量泵一定量马达系统和变量泵一变量马达系统。 同时，可以根据调速的要求不同，选择容积调速元件的不同调节特性，通过该方式可以 实现希望的调速特性，又使系统的功率大大提高。容积控制能够适应各种场合，能够在 工作状态下使液压参数作频繁快速的变化，从而使节能效果和控制水平显著提高。3 。 2 3 2 作业绞车液压调速系统 容积调速虽然具有很多优点，比如系统效率高、控制精度高、动态性能好等，但在 一个液压系统中，整个液压回路采用的是三个支路并联的方式。各个机构所需的控制特 1 2 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 性并不相同。作业绞车的液压控制系统中，升降油路所消耗的功率大，速度变化范围大， 可以采用容积调速的控制方式，然而另外两个回路所需的功率小，没有必要采用容积调 速的方式，如果该系统用一个变量泵来带动以实现容积调速的话，所造成的不便和缺点 前面已经叙述，不再重复，况且在此种情况下单纯采用容积调速的方式，将很难使所采 用的变量元件尤其是变量泵的特性满足每个执行元件的要求，经常使得有些执行机构无 法控制，因此必须结合节流调速联合进行控制。 在实际应用中，液压系统采用容积调速控制或者节流控制的调速方案都很常见，但 两者在具体的应用中都具有各自的缺点，为了扬长避短，在作业绞车的液压调速系统的 设计中采用节流调速和容积调速相结合的调速方式，即复合调速的控制方式，作业绞车 调速系统框图如图2 6 所示。 图2 6 作业绞车调速系统框图 离合器机构和刹车机构的速度调节采用节流调速控制措施。这是因为该系统对速度 控制的要求并不高。当绞车正常工作时，外负载变化范围较小，通过操作人员调节节流 阀口的大小把离合器和刹车的机构的速度调在一个定值，然后再通过调节控制阀来迸一 步的限定离合器的挂合以及刹车机构的制动力。当外负载变化时，操作人员重新来调节 节流阀来控制该系统的速度。 升降系统采用的是容积调速控制措施，该系统是由变量泵和定量马达组成的容积调 速回路。从油泵排出的液压油经过换向阀后，分别向大小马达供油，形成了一个变量泵 一定量马达的容积调速式回路。容积式调速回路可以实现小型大功率传动，其转矩、转 向和速比可以任意控制。作业用绞车为中等以上的功率，并且所承担的负荷变化大，要 求转速变化范围也大，因此主系统( 升降系统) 采用容积调速回路，其特点是效率高、 调速范围大，另外该系统主油泵采用恒功率控制功能的变量泵，因此绞车马达也是恒功 率输出的，故而起升速度随负载增加而自动下降，一方面维持了起升速度，另一方面可 实现低转速下的高扭矩输出，在大范围内实现无级调速。 将作业用绞车液压调速系统设计成复合调速的控制方式，它综合了节流调速和容积 第二章作业绞车液压系统的结构分析 调速的特点，该控制系统工作可靠，能够完全满足作业用绞车各执行机构的速度要求。 2 4 马达的驱动方案 2 4 1 静液压传动马达的驱动方案分析 在静液压传动系统中，由于驱动轴的转速不是很高( 每分钟几十转到几转) ，使用 中既有用低速液压马达直接驱动，又有高速液压马达经过齿轮和链轮等减速器( 或变速 器) 驱动的两种方案，习惯上称为“低速方案”和“高速方案”。 1 低速方案的特点“” 最能体现液压传动系统布局灵活性的优点，一些“驱动轴马达”可直接安装在驱 动轴上，很少占用其它安装空间，为整体设计提供很多方便； 由于省去了液压马达和驱动轴之间的各种传动环节，从而避免了它们之间产生的 附加功率损失，减少了机械噪声： 降低了驱动轴的转动惯量，有利于提高系统的调节品质及减少冲击负荷。 2 高速方案的特点 低速方案要求液压马达直接与驱动轴连接，这就要求马达输出与负荷相匹配的扭 矩，而且还要直接承受由驱动轴传来的各种径向和轴向载荷，有时还需要有离合和制动 等附加功能。而高速方案可以利用中间传动环节来分担这些功能，对马达的要求相对较 低。因此，高速方案采用较普遍。 根据调查分析，所涉及的系统采用低速和高速方案相结合的办法，即选用低速和高 速马达，而且直接将马达和驱动轴安装在一起，这主要是从系统装置布局上以及作业用 绞车的实际工况出发考虑的，这样布置减少占用空间和绞车的体积，减少功率损失，提 高了系统的工作效率。 2 4 2 马达的选用分析 液压马达常按扭矩和转速这两个参数大小分为高速小扭矩和低速大扭矩马达，而径 向柱塞式马达则属于低速大扭矩马达，适用于提升机械的大中功率马达都是柱塞式的， 尤其以径向柱塞式为多。径向柱塞式马达的主要特点有转速低( 一般在4 0 0 转分以下， 有时可达几转分) ，输出扭矩大( 几千牛米到几万牛米) 。因此特别适用于低速重载 的液压机械，这种马达可直接驱动工作装置，不需要减速，因而机构大大简化。 径向柱塞式马达有两类不同的结构形式：单作用曲轴式，它以增大柱塞直径d 和 行程h 来增大排量；内曲线多作用式，主要采用增大柱塞数z 和作用次数x 来增大排 量。而单排和多排柱塞式马达的结构基本相同。单作用曲轴式又分为曲轴连杆式和静力 平衡式两种。出现最早的径向柱塞式低速大扭矩马达是曲轴连杆式马达。它结构简单， 工作可靠。国内已系列生产的j m d 型马达即属于此种。其额定力为1 6 0 1 0 5 帕，最大工 作压力为2 2 0 1 0 5 帕，转速为5 4 0 0 r m i n ，排量为( 0 1 2 6 8 6 ) 1 0 4 m 3 r 。从作业 1 4 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 用绞车的实际工况考虑决定选用j m d 型马达。 在采用高速方案的小功率马达驱动装置中，有时选用高转速的齿轮马达或叶片马 达，优点是价格便宜和尺寸小，缺点是起动效率很差。大多数高速方案选用轴向柱塞式 马达，它们工作压力和效率都很高，并有多种变量控制形式。在常用的斜盘式和斜轴式 马达中，斜轴式由于具有更大的缸体摆角而在起动效率和最大变排比方面略胜一筹，但 前者却因和抽油泵相似的结构，某些通用零件而具有规模生产制造经济方面的优点。 根据系统的特点，选用两种不同规格的径向柱塞式马达，这种马达不但效率高，额 定压力大，有利于作业用绞车的系列开发。 2 4 3 液压泵的选用分析 在液压系统中，液压泵是一个重要的液压元件，是液压系统中的能量转换装置。液 压泵的作用是将动力元件的机械能( m ，n ) 转换成液体的压力能( p ，q ) ，在液压系统 中属于动力元件。液压传动中的油泵都是靠密封的工作空间的容积变化进行工作的。因 此又称容积式油泵。 石油矿场液压设备中常用的油泵可分为三类： 1 柱塞式油泵 由于结构上的原因，与其它类型相比，这类油泵比较容易实现高压大流量工作，故 在液压设备中常作主泵使用。其额定工作压力可达( 3 2 0 4 2 0 ) 1 0 5 p a ，工作流量范围 为( 1 6 1 3 4 0 ) l m i n ，效率一般在0 8 5 o 9 5 ，工作寿命可达( 7 0 0 0 1 5 0 0 0 ) h 。 2 叶片式油泵 一般属于中高、中低压系列的中小流量泵。目前国内产品的额定压力多在1 4 0 x 1 0 5 p a 以内，最大流量在2 0 0 l m i n 以内。而国外这类泵可达4 0 0 x 1 0 5 p a 高压，工作效率0 7 0 9 ，t 作寿命一般在( 3 0 0 0 6 0 0 0 ) h 。这类泵的突出优点是工作平稳、结构紧凑。 3 齿轮式油泵 工作压力和流量与叶片式类同，工作效率一般在0 6 5 o 8 5 ，工作寿命为( 2 0 0 0 5 0 0 0 ) h 。由于制造工艺及结构简单、容易使用，维修要求低，价格低廉。我国叶片式 及齿轮式油泵，一般用于小功率液压设备上，在中等功率以上的液压设备中，多用作辅 机。但在国外一些液压设备上，因其能满足高压大流量工作要求，也作主泵使用 j z o 石油矿场机械设备中，作业用绞车液压系统需要中等以上功率的油泵来提供动力， 才能满足工作的需要。 柱塞式油泵依靠柱塞在缸体中作往复运动造成的密闭空间的容积变化以实现吸油 和压油过程，由于柱塞和缸孔的配合为圆柱面，制造精度高，因而泄漏量少，容积效率 高，并且柱塞和缸体的受力状况良好，故能达到很高的压力。再加上容易实现变量，因 而柱塞泵多用于高压场合。 按照柱塞相对于传动轴的排列位置，又可分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵。轴向柱塞 泵与径向柱塞泵相比，前者转速高，压力大，效率高，径向尺寸小，结构紧凑，故轴向 第二章作业绞车液压系统的结构分析 柱塞泵在高压系统中得到了广泛的应用，而径向柱塞泵则近年来应用渐少。轴向柱塞泵 按照柱塞和缸体相对于传动轴的倾角在结构上又分成倾斜盘式和倾斜缸式两大类。目前 我国生产的滑履式柱塞泵系列有c y 一1 4 1 型和z b 型两种，基本结构相似，它们在冶金、 锻压、工程机械及石油液压设备中使用广泛，因此作业用绞车液压系统的液压泵选用目 前以发展完善的c y 一1 4 一l b 系列油泵n 4 。 1 6 大庆石油学院工程硕士研究生学位论文 第三章作业绞车液压系统的设计 升降系统是作业绞车液压系统中最重要的也是最复杂的系统。因此，首先要进行升 降系统的设计，然后再进行其它系统的设计，最后形成作业绞车整车的液压系统。 3 1 升降系统的设计 3 1 1 升降系统的基本配置 所设计的作业绞车液压升降系统以开式系统为基础，系统采用低速大扭矩马达和高 速小扭矩马达直接驱动滚筒轴起升和下放井下作业用具。当起升轻载时用小马达( 高速 小扭矩马达) ，当起升重载时用大马达( 低速大扭矩马达) 。它们之间的连接方式必须采 用两个马达并联的方案，所以可得到图3 一l 所示的升降系统的初步方案。 图3 1 升降系统基本配置 从图3 1 中可以看出，因为所设计的系统为开式系统，所以在主进油路和回油路 要有滤油装置，以保证系统的清洁。同时为了保证系统的安全性，要设置一个安全阀， 安全