金刚石绳锯机液压系统设计new

哈尔滨工程大学本科生毕业论文PAGEPAGE2学号密级哈尔滨工程大学本科生毕业论文HG-24型金刚石绳锯机液压系统设计院（系）：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化学生姓名：XXX指导教师：教授2008年6月哈尔滨工程大学本科生毕业论文摘要随着我国海洋石油工业高速高效的发展，新开发的海上油气田逐年增多，由于各种原因相继出现海底管道损坏事故。海底管道修复工作刻不容缓，应采取合理的维修方法和必备的维修设备，本文所述的HG-24型金刚石绳锯机就是为解决这样的问题而设计的。本课题的研究工作是根据国家“836”计划“资源与环境技术”领域“渤海大油田勘探开发关键技术”重大专项“海底管道修复技术”专题“水下干式管道维修系统”课题中的子课题“水下专用机具设备”开展的。设计出可以对水深60米以浅的、直径为48＂～60＂石油平台导管架的快速切割的HG-24型金刚石绳锯机。本文介绍了国内外水下作业工具、水下作业系统、常用的水下切割方法和管道切割的发展现状，归纳和总结了国内外金刚石绳锯机的发展状况，提出了采用HG-24型金刚石绳锯机进行海底油气管道切割的思路,设计出绳锯机的液压传动控制系统，并对动力源的主要技术参数进行了计算和校核。本论文主要完成了如下工作：完成了HG-24型金刚石绳锯机方案确定与分析设计。完成了HG-24型金刚石绳锯机液压系统的设计。完成了绳锯机的液压系统动力源，计算了液压执行元件的主要参数，并对绳锯机的夹紧装置、张紧装置、进给装置进行了设计。设计出绳锯机液压系统原理图，并对液压动力源的主要技术参数进行了计算和检验，选择了液压泵、电机、控制阀等元件。完成了HG-24型金刚石绳锯机专用液压系统设计。关键词：水下金刚石绳锯机；海底石油管道；液压传动系统；PLC哈尔滨工程大学本科生毕业论文PAGEABSTRACTThenewexploiterontheoil-gasfieldatseaisincreasingyearandyear,withthehighspeedandeffectdevelopingoftheoceanoilindustry.Thereareallkindsofcausesresultinginwreckingthepipelinesattheseabed,soitmusttakesomereasonablemaintainingmeasuresandnecessaryequipmenttorepairingit.Inthispaperthesaidthattheunderwaterdiamondwiresawisdeisgnedforthat.Thereserchworkesaresupportedbythesubproject，“underwaterspecialmachineryequipments”oftheproject“Underwaterbackbornedrypipelinemaintenancesystems”whichbelongstothespecailtopic“seabedPipelinerestorationtechnologies”ofthenational“863”projectimportentspecailitems“Bohaibigoilfieldsexplorationandexploitationkeytechnologies”.Inthepaper,theHG-24-diamondwiresawwhichisusedtocutthelaunchingofjacket(60mdepth，D=40＂～60＂）oftheoilplatformwasdesigned.Thedissertationintorducesthedevelopmentstatusofthedomesticandforeignunderwatertasktools,underwatertasksystems,underwatercuttingmethodandpipelinescuttingequipments.ItalsosummarizesthedevelopmentofthediamondwiresawandproposestheideaofadoptingHG-24-diamondwiresawforcuttingtheseabedpipelines.ThehydraulicsteeringsystermofthediamondwiresawweredeisgnedthemaintechnlcalandthemaintechnlicalParametersofthepowersupplywascalculatedoutandchecked.Thisdissertationfinishedthefollowingworks：1、CompletedthedesignandanalysisfortheHG-24-diamondwiresaw.2、CompletedthedesignofthehydraulicsystemfortheHG-24-diamondwiresaw.3、Completedthehydraulicsystempowersourceofthewiresaw,thecalculationofthemainparametersofthehydrauliccomponents,anddesignedtheropeclampingdevice,tensioningdevice,feeddevice.4、Designedthehydraulicsystemschematicofthewiresaw,andthehydraulicpowersourceandthemaintechnicalparameterswerecalculatedandtested.Selectedthehydraulicpump,motor,controlvalvesandothercomponents.5、DesignedthededicatedhydraulicsystemfortheHG-24-diamondwiresaw.KeyWords：Underwaterdiamondwiresaw；Benthaloilpipelines；Hydraulicsteeringsystem；PLC目录第1章绪论 11.1本课题来源、目的及意义 11.2常用水下管道切割技术的国内外发展现状 21.3金刚石绳锯机的发展历程 61.3.1国外金刚石绳锯机的发展历程 61.3.2国内金刚石绳锯机的发展历程 71.4论文研究的主要内容 8第2章HG-24型金刚石绳锯机及其液压系统总体方案设计 92.1国外金刚石绳锯机水下作业方案 92.2HG-24型金刚石绳锯机设计要求 102.3HG-24型金刚石绳锯机的总体构成和工作原理 102.3.1HG-24型金刚石绳锯机的总体构成 112.3.2HG-24型金刚石绳锯机工作过程 112.4HG-24型金刚石绳锯机中的主要动力元件的计算与选择 132.4.1夹紧装置液压缸计算与设计 132.4.2主动轮驱动液压马达的计算与选择 142.5HG-24型金刚石绳锯机的总体构成和工作原理 172.5.1切削进给速度的确定 172.5.2回退速度的确定 192.6本章小结 19第3章HG-24型金刚石绳锯机液压传动系统设计 203.1液压系统原理图的拟订 203.2绳锯机液压控制系统 223.3HG-24型绳锯机液压动力源的设计 243.3.1液压泵的最大工作压力估算 253.3.2液压泵的最大流量估算 253.3.3液压泵的规格选择 263.3.4驱动电机的选择 263.3.5滚珠丝杠副的选择计算与校核 273.3.6液压泵的安装方式 273.4液压系统设计性能验算 283.4.1沿程压力损失计算 293.4.2局部压力损失计算 323.4.3回路总压力损失计算和校核 333.5本章小结 33第4章液压油箱设计 344.1液压油箱有效容积的确定 344.2液压油箱的外形设计 344.3液压油箱的结构设计 354.4其他的辅助元件 374.5本章小结 39第5章HG-24型金刚石绳锯机液压控制系统设计 405.1HG-24型金刚石绳锯机液压控制系统 405.1.1HG-24型金刚石绳锯机采用液压控制系统的原因 405.1.2液压控制系统的组成 415.2液压电气控制系统设计 435.3PLC控制程序 445.4本章小结 48结论 49参考文献 50致谢 52PAGE53第1章绪论1.1课题的来源、目的和意义本课题来源于“十五”期间中国高技术研究发展计划——“863”计划“资源与环境技术”领域“渤海大油田勘探开发关键技术”重大专项“海底管道修复技术”专题“水下干式管道维修系统”课题“水下专用机具设备”子课题。研究目标:针对48mm的石油平台导管架桩基，研究适用于60米水深管道切割一套技术和装备，从而实现石油平台的快速拆除。由于石油平台导管架桩基主要结构是钢管里面灌注钢筋混凝土。普通机器的切割难于实现然金刚石具有自然界最高的硬度和弹性模量，而绳索是柔性物。用绳索是做锯切基体金刚石做切锯使其刚柔相济，使金刚石绳锯具有切割任何材料的能力[1]。因此，在海上石油平台拆除过程中，利用金刚石绳锯能同时切断钢管和钢筋混凝土灌注层的特殊性能，对支撑石油平台的导管架进行切断作业.20世纪60年代以来是海上石油的开发高潮，海上建起了千百座导管架平台和其他海上结构物。我国海上石油开发较晚，但发展迅速，20余年时间我国也树起了近百座平台。这些海中建筑为人类带来了滚滚能源和财富，也在一定程度上改变、破坏了海洋环境。随着资源的枯竭，平台也就完成了它的使命，如何处置这些海上怪物，就提到油田开发者面前。根据国际公约、国际惯例和国内有关法律、法规要求，为保护海洋环境和不妨碍对其它海洋资源的开发，海上构筑物退役后，如无其它用途，通常应予以拆除或部分拆除。我国海上油气田寿命一般约为10～20年。根据国内有关研究部门预测，到2016年，现已投产的海上油气生产设施中的60%～70%，将陆续退役并进行废弃处置，而2006年左右则是我国海上采油平台拆除的第一个高峰期[2-3]。因此海洋石油开发企业正在策划这项庞大的工程，包括相关技术和工程的研究。海底管道维修作业系统这一重大课题研制成功，不仅能提高海上石油平台维修和拆除的效率，降低拆除的费用，使有用材料的回收、再利用。同时还能使我国在相关领域的科技水平得到提高，避免受国外公司技术保密的限制。在该项课题研发成功和该设备建成并投入使用之后，可以形成对水深60米以浅的、直径为41.2常用水下管道切割技术的国内外发展现状对水下结构，虽然很多切割技术已经被开发，施工还是很困难。还需进一步发展和改进切割技术，用于所有废弃平台的拆除。穿过海底的构件和要求在海底土壤以下某一深度进行切割的构件，需用特殊技术才能切割，例如聚能爆破、磨料型高压水射流、火焰切割等。常规的切割技术己能熟练被使用，以下介绍几种可用于水下结构切割的特殊方法：（1）水下火焰切割水下火焰切割方法在1098年最早在德国实现的。水下火焰切割机理与空气中火焰切割很相似，常采用氧—乙炔割炬进行水下切割，首先通过氧一乙炔火焰把水下钢板加热到溶化温度，然后高速氧气射流喷向已经预热的金属，氧气射流引起钢板发生氧化反应并同时放出热量，氧气射流把氧化物和熔融金属吹掉形成切口。采用一般的氧一乙炔割炬进行水下切割作业时，其工作水下深度在8m以内，最适宜的钢板切割厚度为10～40mm。当钢板切割厚度小于10mm时，由于钢板周围的水迅速冷却作用使切削工作很难进行；钢板厚度大于40mm时要求操作者具有较高的操作技术。这种切割方法多用于切割容易氧化的低碳刚、低合金刚等材料，不用于切割耐腐蚀钢和有色金属。目前，进行水下火焰切割时，通常对割炬进行特殊设计，使喷嘴周围形成气幕，避免水减弱火焰的加热作用。喷嘴周围形成气幕主要有两种基本形式：一种是依靠燃烧后的气体形成气幕，另一种是使压缩空气形成气幕。使用压缩空气形成气幕应用相对普遍（如图1.1所示），压缩空气切割区中的水排除掉使火焰燃烧稳定。采用可燃气体切割方法进行水下切割作业时，通常切割射流氧气氢气氧气氧氢混合气体切割射流氧气氢气氧气氧氢混合气体压缩空气防护罩图1.1使用空气压缩幕的气体割炬防护罩对水下火焰切割所用的可燃气体的基本要求是具有化学稳定性并且不液化。主要的可燃气体有：乙炔(使用于水深小于8m，在深水中存在爆炸的危险，不能使用)、丙烷等碳氢化合物（根据水温的吧同适用于20～50m水深）、氢气(适用于深可达1000m)[4]。（2）水下等离子弧切割水下等离子弧切割从1976年就在工业上得到了应用。世界上许多国家对次进行了大量的研究工作，等离子弧切割能在水下很好地工作[5]。水下等离子弧切割是一种先进的切割方法，切割效率高，利用高温高速的电离子气体流速（等离子弧）来熔化和去掉金属材料形成切口。等离子弧切割是利用高温等离子电弧的热量使工件切口处的金属局部融化（和蒸发），并借高速等离子的运动排除熔融金属以形成切口的一种加工方法，它利用物理过程的熔割法[6]。形成等离子弧的工作气体有氩、氮、氢、氧、空气、水蒸气以及某些混合气体，工作气体既是等离子的导电介质，又是携热体，同时还要排除切口中熔融金属，因此工作气体对等离子弧的切割特性以及切割质量和速度斗有明显的影响。这种切割方法可用于低碳刚和不锈钢。通常的等离子割炬是有一根缩在喷嘴内的中心钨棒（作阴极），而喷嘴的端部有一小孔，气体流经喷嘴与钨磅之间的环形通道，经小孔喷出来，当电弧在钨磅与工件之间引燃时，电离气体经过小孔喷射出来，形成压缩等离子电弧。喷射的等离子电弧立即融化材料，并吹出割口。（如图1.2所示）工件喷嘴水射流陶瓷水铜气体电极工件喷嘴水射流陶瓷水铜气体电极图1.2水下等离子弧切割原理图（3）高压水射流水下切割超高压水射流已被成功地用于导管架管件，桩基和隔水套管的管内切割，而且既可以用于钢管件，又可以用于混凝土结构[7]。实验证明在360m水深可以使用，并可能发展到500m。对小尺度对象切割时，可在作业的ROV中安置切割喷嘴装置。对大尺度对象，则需要在水下配置个工作模块，在水面进行远程控制。目前这种技术能切割305m深处有5层钢组成的夹层结构。图1.3为南京大地水刀公司研制的使用机械臂的高压水切割装置。图1.3使用机械臂的高压水切割（4）聚能爆破切割聚能爆破（确切地说，是线性聚能爆破）技术已在海上工程广泛成功地应用，如泥浆管线以下隔水套管的切割、小型导管架管道的切除等。有些导管架主要结构，特别是第三代较深水深导管架的主要导管。如果采用爆破，就要考虑炸药产生的冲击波，使半潜起重船等辅助船和辅助海上装置不得不远距离停置。就是说作业时不能使用起重设备，只能采用临时装置。此外，必须注意多次水下爆破对海中动物的影响。线性聚能爆破切割器是利用在爆轰炸力下切割罩（如图1.4所示）挤出的片状射流来切割的。当炸药起爆时，炸药产物以巨大的气压作用于V型药罩上将其压垮，并向聚能槽法向方向运动，在其对称面内发生高速碰撞，形成向着装炸药底部运动的高速连续爆薄片装射流[8]。(5)水下机械切割水下机械切割与在陆地上机械切割原理是相同的，利用旋转的铣刀、单刃车刀或砂轮片对被切割物体进行切割。水下机械切割机一般是使用标准型号的气动或液压传动马达驱动。水下机械切割其切割速度是非常缓慢的，一般应用在对割缝质量要求较高的情况下。在水下管道上开精确的焊接坡口，目前唯一的方法就是利用铣削切割机实现机械切割，它是利用链条张紧系统使高速旋转的铣刀围绕管子进给，装上各种形状的铣刀就能切出各种形状的割缝，可切割厚度达40mm。da234HA1da234HA11—炸药2—外壳3—药型罩4靶板2f—锥角a—罩厚d—罩宽H—药高A—炸高L—罩母线长图1.4聚能爆破切割装置1.3金刚石绳锯机的发展历程金刚石绳锯机是目前世界上最先进的石材开采设备，经过二十多年来的研究、开发与完善，已经被广泛应用于石材行业、机械行业及建筑施工领域，随着国外对金刚石绳锯锯切钢件研究的进展，它还被应用于海底构件的维修、核电厂的拆除等特殊领域的工作中[9-15]。金刚石绳锯机的广泛应用与强大的生命力，主要是由于它在制造、性能和使用上具有一系列优越性，目前已经显示出它的广阔发展前景，很值得瞩目，金刚石绳锯机正向着切割控制计算机化、高效重型切割、海底切割等方面发展。1.3.1国外金刚石绳锯机的发展历程使用柔性切割工具用于开采石材起源于上个世纪，一个比利时人1864年将改进后的螺旋钢丝绳用于大理石矿山的开采。随着1959年人造金钢石的出现，使串珠绳在作为切割工具的实用路途上又迈进了一步。到了1968年，将镶金钢石的“串珠”套在钢丝绳外，制成像项链一样，并结合了钢丝绳的柔软性与金钢石坚硬锋利的切削性的串株绳出现了。1968年，一位在意大利Carrara石材加工区工作的英国人D.H.Prowse正确评价了用传统钢绳加工石材声遇到的问题并且利用电镀金钢石串珠在钢丝绳上进行石材的切割,这是在静止继续上加工方型料的第一次实验.1970年由Hallez在一次研讨会中做了使用电镀金钢石串珠绳从采石场取出荒料实验的报告.最早的成品串珠绳及串珠绳锯机是在1969年和1970年意大利VERONA的S.Ambrogio石材博览会上展出的,同时套有电镀金钢石串珠的串珠绳在意大利的大理石矿山进行了实验.1974年德国汉诺威大学首次尝试了使用串珠绳切割硬质石材,开始了半官方的使用串珠绳切割花岗石的实验.1977年10月,意大利人LuigiMarigali开始生产被称作“Marigali自行车”的金钢石绳锯机，用于意大利闻名于世的Carrara大理石矿物的石材开采，这标志着大理石开采和加工工业进入了一个全新的领域，金钢石成为开采大理石的主宰[16-20]。1900年第一台数控串珠绳绳锯机投入工厂实际使用，标志着串珠绳锯进入高技术含量的数控时代。90年代中期，多绳锯开发研制成功，直接对框架锯机生产大理石，花岗石大板的传统加工方法提出了挑战。今天的串珠绳绳锯机已日臻完善，已成为一项成熟并被各国的石材矿山和加工厂所接受的技术[21]。1.3.2与国外金刚石绳锯发展相比较，国产金钢石绳锯起步较晚，发展很不充分。国内金钢石绳锯应用还很窄，小部分用于大理石矿山开采，其余部分主要要于荒料整形和分割以及异性石材加工等，建筑施工领域金钢石绳锯仍未涉及，玻璃、复合木版等脆性材料和钢材加工方面一片空白[22]。八十年代以来我国已有不少大理石矿山引进了国外的国外金刚石绳锯机，据不完全统计，国内金刚石绳锯约有200～300台左右，为了解决金刚石绳锯国产化的问题，贵阳第六砂轮厂承担了串珠绳的研制任务，于1987年完成了电镀金刚石绳试制工作，并通过了部省级鉴定。六轮的金刚石绳锯装配于贝纳蒂公司840型绳锯机上，用于切割贵阳大理石厂纹脂奶油大理石，切割效率和寿命都达到了当时意大利进口配套产品的水平，而价格不足50%，具银行的性能价格比。关系桂林矿产地质研究院从97年开始从事金刚石绳的研制开发，先后解决了串珠绳钢丝断绳频繁，胎体从基体上脱落，串珠固定不牢等关键技术问题，声研制的10mm直径串珠绳在广东和福建使用，切削性能达到国际先进水平的80%～90%；而直径8.5串珠绳达到国际先进水平的60%～70%。目前，国产金刚石绳锯机的厂家还有有巩义市红波机械有限公司、山西机床厂、云浮市长益机械厂、云浮市广达机械厂等。我国的金刚石绳锯经过近20多年的发展和改进，已在机器构造、工作性能和金刚石绳锯机的制造方法、结构、质量水平等方面都已获得很大进步。随着大理石锯切开采技术的提高、人们对金刚石绳锯的进一步认识以及串珠绳类型的增加、质量的提高，在不久的将来，金刚石绳锯必将在我国各加工领域得到广泛的运用[23]。1.4论文研究的主要内容本论文主要任务是进行HG-24型金刚石绳锯机液压系统设计。主要内容是在机械本体设计的基础上，进行金刚石绳锯机液压系统、控制系统研究；本论文主要研究内容包括以下几个方面：（1)介绍国内外水下作业工具及水下作业系统的发展、常用的水下切割方法；（2)对绳锯机的夹紧方式、径向进给方式、切向进给方式和张紧方式等进行选择与结构设计，计算并选择所需的液压执行件；（3)设计HG-24型金刚石绳锯机液压控制系统，对所需的部分零件进行计算和校；（4）完成金刚石绳锯机液压动力源设计；（5）完成水下阀块的设计。第2章HG-24型金刚石绳锯机及其液压系统总体方案设计2.1国外金刚石绳锯机水下作业方案英国的CUTINGTENOLOCY公司研制出了用于切割海上石油平台桩基的金刚石绳锯切割机64-DWCM(如图2.1)，对于使用特殊设计的金刚石绳锯机进行水下结构切割来讲，它是一种高效的切割系统和方法。这个系统在一次操作中能够切割任何金属和非金属(橡胶、木材、陶瓷、聚乙烯涂层等)，也包括切削各种合成物质，由于它出色的质量和极为卓越的价格竞争优势而广泛的用于切除各种海上结构。它与弓型锯相比较，金刚石绳锯的切割速度快，与爆炸方法相比较，它切割过程清洁，并且对操作人员和环境不会产生危害[24]。张紧装置驱动装置进给机构夹紧装置张紧装置驱动装置进给机构夹紧装置图2.1英国CUTTINGTENOLOGY公司研制的46-DWCM型金刚石绳锯机图2.1为英国CUTTINGTENOLOGY公司46-DWCM型金刚石绳锯机，它由驱动机构、进给机构、张紧机构和夹紧机构等组成。绳锯机通过夹紧机构中两个夹紧液压缸分别推动夹紧瓣实施在管道上夹紧和松开；驱动轮由液压马达驱动，为串珠绳的循环运动提供动力:利用张紧机构保证串珠绳在工作过程中的张紧力；进给机构实现串珠绳的径向进给运动。该型金刚石绳锯机由40～20米长的油管、通信电缆与液压源和控制面板相连。油源提供动力，控制面板调节线速度、工作压力、流速来达到理想的切割效率.遥控操作可以保证当意外发生时人的安全，64-DWCM型绳锯机的性能指标见表2.12.2HG-24型金刚石绳锯机设计要求HG-24型金刚石绳锯机主要用于石油平台拆除时切割导管架基桩.基本设计要求为：(1)能够在水下60米以浅的海域进行工作(2)可以在水质浑浊的条件下使用；(3)能够切割垂直于水面的48英寸的复合管道；(4)尽量提高切割效率；(5)尽量提高切割作业的自动化水平，降低潜水员的劳动强度。表2.164-DWCM型金刚石绳锯机的性能指标64-DWCM型绳锯机适用于64mm管道切割液压参数流量110（L/min）压力22（Mp）尺寸长（mm）3600宽(mm)2700厚（mm）1500重量（Kg）700（在空气中）590（在水中）2.3HG-24型金刚石绳锯机的总体构成和工作原理金刚石绳锯机切割本质上不是破坏性工艺，利用金刚石的硬度与绳索的柔性对切割对象进行磨削以完成切割任务，金刚石颗粒串珠绳切割的切口比较精确、规整；金刚石绳锯机便于安装、可控性好、作业的时候冲击低、对操作者和环境不产生有害影响；金刚石绳锯机既能够在陆地上作业，又能在水下工作，可以针对所切割的物体形状和尺寸以及工作环境进行针对性设计。因此，它是非常理想的加工机具。2.3.1HG-24型金刚石绳锯机的总体构成HG-24型金刚石绳锯机主机机械结构如图2.2所示，其规格（高×宽×厚）为：2900×1987×760mm（阀箱上部），2900×1987×1060mm（阀箱处）；主机空气中静重：1459kg（含固定浮筒），水中除去浮力（主机浮力、浮筒总浮力）后重量：10～20kg（1）进给机构包括：轴向配油摆线液压马达、液压缸驱动的变速器、联轴器、涡轮蜗杆升降机等部件；（2）切削机构包括：齿轮马达、联轴器、主动轮、导向轮、金刚石绳锯、龙门框架等部件；（3）夹持机构包括：液压缸、平面连杆机构、夹持垫块等部件；（4）固定支座包括：固定用V型块、涡轮蜗杆升降机支架等部件；（5）液压传动阀箱包括：3个电磁换向阀、4个电磁开关阀、6个手动预调节流阀、传输水密导线、连接软管、快速接头等部件；（6）检测装置包括：金刚石绳张力检测、进给位移检测；（7）浮筒包括：固定在主机本体上有3个浮筒，漂浮水中球形浮筒1个，共提供约1320浮力。2.3.2HG-24型金刚石绳锯机工作过程（1）通过缆绳将金刚石绳锯机从母船下放到待切割油气管道附近，由潜水员使绳锯机夹紧装置定位部分与油气管道指定位置接触就位；（2）潜水员通过夹紧装置将HG-24型金刚石绳锯机夹紧于切割油气管道上；（3）潜水员通过张紧装置张紧金刚石绳锯；1-切削机构2-进给机构3-检测装置4-固定框架5-固定浮筒6-液压传动阀箱7-夹持机构1-切削机构2-进给机构3-检测装置4-固定框架5-固定浮筒6-液压传动阀箱7-夹持机构图2.2HG-24型金刚石绳锯机主机机械结构（4）通知工作母船切割就绪，工作母船上开动液压动力源准备切割；（5）控制HG-24型金刚石绳锯机开始切削作业：主运动马达带动主动轮高速旋转，串珠绳进行切向进给运动，进给运动马达驱动丝杠低速旋转，丝杠螺母带动切割框架向下直线运动，使串珠绳进行径向进给切割运动；（6)通过观察绳锯机监测系统上变化情况，调节驱动马达和进给马达的速度；（7）切削任务完成后，主运动马达停止旋转，进给运动马达反转，串珠绳返回切割起始位置，工作母船上关闭液压动力源，夹紧装置松开，仍然通缆绳将金刚石绳锯机吊回工作母船。2.4HG-24型金刚石绳锯机中的主要动力元件的计算与选择2.4.1夹紧装置液压缸计算与设计1、液压缸几何尺寸及流量计算考虑绳锯机的夹紧和放松选择双作用单活塞杆液压缸，单个液压缸负载约为F=40KN。取工作压力=5Mpa，背压=0.5MPa。d/D=0.7机械效率=0.90，则D==0.119m(2.1)取D=125mm。(机械设计手册GB/T2348-193)，则d=0.7D=78.5mm，取标准90mm，活塞杆最大行程L取值280mm。液压缸实际有效面积(无杆腔)、(有杆腔)为当活塞杆伸出时流量为：当活塞杆缩回时流量为：式中：——容积效率，取1——伸出时的速度，m/min——缩回时的速度，m/min当取0.6m/min时取0.64m/min，则=7.36L/min3.78L/min2、液压缸壁厚计算缸筒采用焊接性能较好的35号钢，粗加工后调质，其中MPa。当壁厚与内径D的比值大于0.1时，壁厚按材料力学第二强度理论计算：（2.2）式中：=活塞杆材料的许用应力，=缸筒材料抗拉强度极限P——最大工作压力，MpaN——安全系数，一般取5则由式(2.2)可得=18.1mm，取整壁厚为20mm。液压缸的装配图如图2.3所示：螺栓2、螺母3、弹簧垫圈4、前端盖5、防尘圈6、Y型密封圈7、O型密封圈8、排气塞9、缸筒10、活塞杆11、Y型密封圈12、O型密封圈13、活塞14、垫圈15、螺母16、缸底图2.3螺栓2、螺母3、弹簧垫圈4、前端盖5、防尘圈6、Y型密封圈7、O型密封圈8、排气塞9、缸筒10、活塞杆11、Y型密封圈12、O型密封圈13、活塞14、垫圈15、螺母16、缸底2.4.2主动轮驱动液压马达的计算与选择根据国外提供的串珠绳切削钢制材料的实验数据表明，如果从切割效率和串珠绳寿命两方面来考虑，串珠绳的线速度保持再23m/s时，它处在较合理的切削状态，因此在此选取串珠绳的设计线速度为23m/s，于是可以得到主动轮理论转速为：（2.3）=式中：n——驱动轮的转速，r/minV——串珠绳的线速度，m/sr——驱动轮的半径，m（r=275mm）(1)串珠绳切削运动带来的阻力矩（2.4）=（4716-4163）0.275=152式中：——串珠绳轮所受的切削阻力矩，——串珠绳紧边拉力，N——串珠绳松边拉力,NR——串珠绳轮半径，m(2)海水粘滞阻力矩（2.5）式中：——海水密度=1023——海水运动运动粘性系数，=——串珠绳旋转角速度，rad/s主动轮：=海水粘滞阻力矩：（3）串珠绳旋转的惯性阻力矩（2.6）式中：J——串珠绳转动惯量,——串珠绳轮的角加速度,——串珠绳轮的质量,n——串珠绳轮转速,r/mt——串珠绳轮的加速时间，s（此处取t=6s）串珠绳轮产生的惯性阻力矩总和为：所以串珠绳在水下切割所需克服的力矩：=188.3（2.7）因此，选择CMG2080－BFΦ型液压马达，如图2.4，其性能见表2.1图2.4CMG2080－BFΦP型液压马达表2.1CMG2080－BFΦP型液压马达性能指标公称排量（mL/r）压力（MPa）转速（r/min）容积效率（>=%）输出扭矩（N/m）重量（kg）额定最高最低额定最高802025600200025009020313.52.5绳锯机速度的选择2.5.1切削进给速度的确定绳锯机切割进给运动由液压马达驱动，进给速度有四档，液压传动回路可控制三个速度，通过变速箱齿轮实现增减速，变速箱为两级变速，减速比2.94，增速比1.8，之后，再经过涡轮蜗杆将旋转运动转换为直线运动，带动龙门切割架上下运动。蜗轮蜗杆传动比为24:1，蜗轮旋转带动丝杠转动，丝杠的螺距为6mm，液压马达选宁波中意液压马达有限公司的轴配流摆线油马达BMR-50，是一种低速大扭矩液压马达，参数如表2.21、最小进给速度即工进速度一在切割开始时，绳锯接触面积较管中部大，相应切割速度控制在最小，按马达最小稳定运转速10r/min，齿轮变速箱减速50/17=2.94，可得最小进给速度为：此速度满足了工进时慢速切割（切割速度：0.85～1.7mm/min）的需要。表2.2BMR-50型液压马达的性能指标公称排量（mL/r）压力（MPa）转速（r/min）最大流量(L/min）最大功率（Kw）输出扭矩（N·m）重量（kg）额定最高最低最高501417.510775407936.52、工进速度二当切割钢管道直径1/10，即切过管道的上边缘，绳锯接触面积减少，相应增大切割速度，通过液压传动系统，相应管路换至二档处，可将马达转速提高1～2倍，即工进速度二速度1.7～3.4mm/min。3、工进速度三在切割非金属材料时，所需要的速度还可以提高，在液压传动管路二档处，可以将变速箱速度转换成增速，增速比1.8，这样，切割非金属时，工进速度三进给速度可调节在3.1～6.1mm/min。4、空载进给速度锯绳在接触工件前的进给为空载进给，可以为全速进给，按齿轮箱减速，液压传动回路三档计，此时，马达可输出最大稳定转速775r/min，可得：此速度能够保证锯绳快速接近工件，减少空载运动时间。2.5.2回退速度的确定绳锯机完成切割后，采用快速退回，即齿轮马达最高转速775r/min，变速箱增速1.8，可得回退速度为：2.6本章小结本章首先对国外海洋工程施工中金刚石绳锯机作业方案进行了分析，介绍了HG-24型金刚石绳锯机的基本工作原理，绳锯机的总体结构和工作原理，阐述了其机械本体的夹紧装置、张紧装置、驱动装置和进给装置的设计过程以及动力元件的选择。根据分析的结果提出了针对海上石油平台撤除的HG-24型金刚石绳锯机设计的基本思想，并对总体方案经行了研究设计。对绳锯机所需要的液压马达、液压缸等进行了计算和选用，初步确定了绳锯机的液压动力执行元件主要技术参数。选择并给出了绳锯机的进给速度。第3章液压传动系统设计液压传动控制技术较其他传动方式有其独特的优点，已成为现代机械设备和装置中的基本技术构成，现代控制工程的基本技术要素和工业及国防自动化的重要手段，并在国民经济各行业中日益广泛应用。针对海底的特殊环境以及绳锯机的工作要求，本课题设计采用液压传动控制方案因液压传动控制技术有以下特点：(1)液压控制系统的水下密封比电气系统的密封简单，易于实现。并且液压传动大都采用油或水基添加润滑防腐剂为工作介质，自润滑性能好，有利于散热和延长元件使用寿命；(2)单位功率的重量轻。统计资料表明，液压泵和液压马达单位功率的重量只有发电机和电动机的1/10，液压泵和液压马达可小至0.0025N/W，而同等功率的发电机和电动机则约为0.03N/W。至于尺寸前者约为后者的12%～13%[25]；(3)布局灵活方便。液压元件的布置不受严格的空间位置限制，容易按照机器的需要通过管道实现系统中各部分的连接，布局安装有很大的柔性，能构成其他方法难以组成的复杂系统；(4）调速范围广，工作平稳，快速性好。通过控制阀液压传动可以在运行过程中实现液压执行器大范围的无级调速。油液具有弹性，可吸收冲击，故液压传动均匀平稳。易于实现快速启动，制动和频繁换向；(5)液压系统设计、制造和使用维护方便。液压元件属于机械行业基础件，已实现了标准化、系列化、通用化，因此便于液压系统的设计、制造和使用维护、有利于缩短机器设备的设计制造周期并降低制造成本。3.1液压系统原理图的拟订拟订液压系统原理图的整个设计工作中最主要的步骤，它对系统的性能以及设计方案的经济性、合理性具有决定性的影响。通常情况下是，根据所要求的先分别选择和拟订基本回路，然后将各个回路组合成一个完整的系统。在选择基本回路时，既要考虑调速、调压、换向、顺序动作，也要考虑到节省能源、减少发热量、减少冲击、保证个动作的精度等问题。液压原理图是用图形符号表示的液压系统油路结构图，它应体现设计任务书中提出的试验项目的性能要求，因此拟订液压系统原理图是整个液压系统设计中重要的步骤，其具体内容为以下几点：（1）确定油路类型结构简单的液压系统或采用节流调速的液压系统，一般采用开式油路；容积调速的系统或要求效率较高的系统，多采用闭式油路。（2）选择液压回路油路类型确定后，可根据工况图和系统的设计要求来选择液压回路。选择工作应从对主机主要性能起决定作用的回路开始（例如：组合机床液压系统的首选回路是调速回路；磨床液压系统的首选回路是选择换向回路；压力即液压系统的首选是选择调压回路；注射机液压系统的首选回路是选择多缸顺序回路等），然后再考虑其它液压回路。选择液压回路时，若出现多种可能方案时，宜平行展开反复进行对比，不要轻易做出取舍决定。（3）确定控制方式控制方式主要是根据主机的要求确定的，如果要求系统按一定顺序动作，可使用行程控制或压力控制。采用行程阀控制可使动作可靠；若采用电液比例控制、可编程控制器控制和微机控制，可简化油路，改善系统的工作性能，而且使系统具有较大的柔性和通用性。（4）组成液压系统把选择出来的各种回路进行综合、归并整理，增添必要的元件或辅助回路，使之组成完整的系统。整理后，务必使系统结构简单紧凑，工作安全可靠，动作平稳，效率高，调整方便和维护方便，而且尽可能采用标准元件，一降低成本，缩短设计和制造周期。3.2绳锯机液压控制系统HG-24型金刚石绳锯机是由多个执行元件组成，要求协调作业的复杂系统。工程上要求绳锯机具有适应海底工作环境和切割海底管道复合材料的能力，因此其液压控制系统的设计就显得尤为重要。一个合理的液压控制系统，不但能使作业机具完成基本的运动要求，还应该满足作业机具工作中所要求的技术参数和性能指标，要求动态、静态特性好，工作效率高，同时要求系统结构简单，工作安全可靠，寿命长，经济性好，以及使用维护方便。金刚石绳锯机在工作过程中共需要设置六个执行元件，两组(每组由两个液压缸组成)夹紧液压缸、一个径向进给液压马达、一个切向进给液压马达。在液压系统的设计中，两组夹紧缸需要考虑保压和同步的问题，同时要求能实现正反行程，保证工作压力的稳定，有一定适应冲击载荷的能力;径向进给马达属于低速双向马达，应该保证系统提供的工作压力稳定和调速的准确性，并能进行快进、工进和快退的切换;切向进给马达只保证一个方向的高速旋转即可，也要求保证系统提供的工作压力稳定和调速的准确性。整个液压系统中的执行元件既要互不干扰又要能协调工作。绳锯机液压系统原理图如图3.1所示。图中液压传动水下部分的3个电磁换向阀、4个电磁开关阀、6个手动预调节流阀、采用集成块设计，把他们集成在一个控制箱中，密封方便、便于组装。液压传动阀箱实物如图3.2所示。阀箱的连接由船上输入的油管、电缆通过快速接头、水密接头与阀箱相连接，再从阀箱引出连接各个执行元件。电磁阀的控制采用24V支流控制，满足潜水员水下安全工作的需要。水下液压阀箱3.3所示。当液压泵开始工作时，滋流阀5调定系统工作压力，压阀Q1保证夹紧系统的工作压力，单向阀N防止油液倒灌，起到保压夹紧的作用。当压力继电器发出信号，绳锯机夹紧完毕，电磁铁ZDT得电，绳锯机开始切割工作，电磁铁动作如表3.1所示。图3.1图3.1绳锯机液压图3.2压阀箱实物a-阀箱外形b-阀块与阀图3.2压阀箱实物a-阀箱外形b-阀块与阀表3.1电磁铁动作电磁铁动作1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DT8DT9DT10DT夹紧缸夹紧--+径向、切向进给-+--+径向退回、切向停止-++++++夹紧松开--+变速+3.3HG-24型绳锯机液压动力源的设计1234图3.3水下液压传动阀箱1-V型支座2-阀箱3-输入电缆4-输入输出油管1234图3.3水下液压传动阀箱1-V型支座2-阀箱3-输入电缆4-输入输出油管3.3.1液压泵的最大工作压力估算根据液压泵的最大工作压力计算公式为：(3.1)式中：——液压泵最大工作压力，Pa——液压系统执行元件工作过程中最高工作压力，Pa——系统进油路上的总压力损失，Pa初算时凭经验估取，简单系统取0.2—0.5MPa，复杂系统取.0.5—1.5Mpa。主动轮马达工作时工作压力最大为16MPa，由执行元件的工况可知，油路较长，高压复杂系统。故取1.5MPa，则由式(3.1)可得=21.5Mpa3.3.2液压泵的最大流量估算多个执行器同时工作时的系统，液压泵最大流量应大于同时动作的执行器所需的总流量，有公式：式中：——液压泵的最大流量，L/minK——系统的泄漏系数，一般取1.1—1.3(小流量取大值，大流量取小值)——同时工作的液压执行器的最大流量，L/min;并要考虑加上流阀的最小溢流量，一般取2—3L/min由以上知：=80+5.038+2=87L/min==93.7L/min3.3.3液压泵的规格选择为保证系统工作过程中不致因过高的动态压力作用而被破坏，系统需要有一定的压力储备量，选用的液压泵的额定压力需比高25%～60%，既=27～34.4Mpa查阅机械设计手册选A2F80型液压泵。表3.2A2F80型液压泵性能参数型号排量（ml/r）压力（Mp）转速（r/min）输入功率(kw)重量（Kg）额定最高额定最高A2F80R2P380354022403350156333.3.4驱动电机的选择根据液压系统功率计算公式：（3.2）式中P——液压系统功率，Wp——液压系统的压力，Paq——液压系统的流量，计算系统实际所需功率：计算液压泵输出功率：故需要电机的驱动功率：式中：——液压泵总功率结合前述的液压泵规格，查设计手册，决定选用Y225M—4型三相异步电动机，功率45kw，规格如表3.3所示。表3.3Y225M—4H型三相异步电动机技术规格电动机型号额定功率（kw）满载转速（r/min）堵转转矩最大转矩质量（kg）额定转矩额定转矩Y225M—4H4514801.92.23203.3.5液压泵的安装方式液压泵装置包括不同类型的液压泵、驱动电机及其联轴器等。起安装方式分为立式和卧式两种。立式安装将液压泵和与之相连的油管放在液压油箱内，这种结构形式紧凑、美观，同时电动机与液压泵的同轴度能保证好，吸油条件好，漏油可直接回液压油箱，并节省占地面积。但安装维修不方便，散热条件不好。卧式安装液压泵及管道都装在液压油箱的外面，安装维修方便，散热条件好，但有时电动机与液压泵的同轴度不容易保证。3.3.6电动机与液压泵的联结方式电动机与液压泵的联结方式可分为法兰式、支架式和支架法兰式。1、法兰式液压泵安装在法兰上，法兰再与带法兰盘的电动机联接，电动机与液压泵依靠法兰盘上的止口来保证同轴度，这种结构装拆很方便；2、支架式液压泵直接安装在支架的止口里，然后依靠支架的底面与底板相连，再与带底座的电动机相连。这种结构对于保证同轴度比较困难（电动机与液压泵的同轴度≤0.05mm）。为了防止安装误差产生的振动，常用带有弹性的联轴器。本设计采用法兰联接电动机与液压泵先以法兰联接，电动机再与支架联接，最后支架再装在底板上。它的优点是大底板不用加工，安装方便，电动机与液压泵的同轴度靠法兰盘的止口来保证的。（如图3.4所示）图3.4电动机与液压泵的联结图3.4液压系统设计性能验算根据前面所记述的HG-24型金刚石绳锯机液压站设计计算过程，可见有某些设计参数是在估计取值的情况下进行的，所以必须在设计确定后，针对一些液压传动系统进行系统性能的验算分析，从而保证这些计算的正确性和系统设计的可行性。根据本设计的总体方案，本液压系统较为复杂，有多个液压执行元件动作回路。根据式(3.1)知，回路总压力损失包含三大部分，(3.3)式中：——总压力损失，——管路沿程压力损失，Pa——管路局部压力损失，Pa3.4.1沿程压力损失计算本设计的沿程压力损失，主要是指液压站到绳锯机的管路压力损失。液压站共有2根油路软管伸向绳锯机上不同的液压执行元件。以下分别进行计算比较。先计算液体平均流速根据油液在油管中的流动流速计算公式：（3.4）式中：——管路中油液的流速，m/s——管路中油夜的流量，m3/s——软管内径，m为减少系统压力损失进油管内径取20mm,回油管内径取25mm。则有，夹紧液压缸正常工作时的流速m/s径向进给液压马达正常工作时流速m/s切向切割液压马达正常工作流速m/s根据雷诺数计算公式：式中：——雷诺数，数值大小反映了管道内液体的流动状体，根据雷诺数可以计算出沿程阻力系数。——液体的平均流速，m/s——水力直径，m(圆截面管道的水利直径与管内径相同)——液体的运动黏度油液为矿物液压油，在正常工作温度下，取油液黏度：则有，夹紧液压缸回路管油液雷诺数：径向进给液压马达回路管油液雷诺数：切向切割液压马达回路管油液雷诺数：接下来计算阻力系数，根据的计算公式表表计算沿程阻力系数。结合各个回路计算出的雷诺数数值，均有<230，所以各回路管内的油液的流动状态都为层流状态。根据层流状态阻力系数计算公式，则有：夹紧液压缸回路液体阻力系数：径向进给液压马达回路液体沿程阻力系数：切向切割液压马达回路液体沿程阻力系数：接下来计算各个回路的沿程压力损失。根据表3.4计算沿程压力损失：（3.5）式中：——管路沿程压力损失,Pa——沿程阻力系数——管道长度，m表3.4的计算公式表格状态Re范围计算公式层流<2300(水)(油)光滑管紊流区粗糙管紊流区——水力直径，m(圆截面管取管内径)——液体密度，——液体的平均流速，m/s取管路长度为绳锯机机体水下工作深度60m，油液密度为900，水力内径为25mm，则有：夹紧液压缸回路沿程压力损失：径向进给液压马达回路沿程压力损失：切向切割液压马达回路沿程压力损失：根据以上计算数据结果显示，切向切割液压马达回路的压力损失远远大于其他回路的压力损失。由前面的设计计算显示，切向切割液压马达回路的流量远远大于其它回路，而且工作压力也远大于其他该回路，因此，结合设计经验，管路压力损失最大的最需要校核的应该切向切割液压马达动作回路，故主要验算由泵到切向切割液压马达的这段管路损失。因此只需要系统压力能满足切割液压马达动作回路的需要，就完全能够满足其他回路的需要。3.4.2局部压力损失计算以下只针对泵到切向切割液压马达这段回路进行验算校核。从液压泵到切向切割液压马达，共路经有CRG型单向阀、EBG型电比例调速阀。而管接头，相贯孔等的局部压力损失相对与本设计的高压系统来说很小，可以不考虑。根据阀口压力损失计算公式：(3.6)式中：——阀口压力损失，Pa——阀在额定压力和流量条件下压力损失值，Pa——阀的实际流量，——阀的额定流量，经查设计资料，比较分析计算，则有：CRG型单向阀的压力损失EBG型电比例调速阀所以有从泵到切向切割液压马达的局部压力损失为：3.4.3回路总压力损失计算和校核根据前面所述公式(3.9)，计算得：故从泵到切向切割液压马达总压力损失为1.05MPa。结合前面的系统原始数据计算和泵的选择计算，分析可知，切向切割液压马达实际工作压力为16MPa，瞬时最大压力可大20MPa再加总压力损失，根据核算系统正常工作所需压力为17.05MPa，瞬时可能到达需要21.05MPa，而所选择液压泵CBF-F75P型高压齿轮泵的正常工作额定压力为23MPa，给予了足够的预留压力，完全满足设计要求[26]。3.5本章小结本章设计了绳锯机液压控制系统，对液压动力源的主要技术参数经行了计算和检验，选择了液压泵、电机、控制阀等。完成了HG-24型绳锯机专用液压系统初步设计

第4章液压油箱的设计液压油箱的作用是贮存液压油，分离液压油中的杂质和空气，同时还起到散热的作用。4.1液压油箱有效容积的确定液压油箱容量是油箱主要的技术参数，油箱必须有一定的容量，才能实现基本功能，设计油箱容量涉及很多的因素，老资格的设计人员常采用经验法，但对于要求教高的液压系统有必要分析系统的各种要求，并以热量为基础采用计算的方法来确定。液压油箱在不同的工作条件下影响散热的条件很多，通常液压油箱的有效容V可概略为：（4.1）油箱散热面积的近似值为：（4.2）式中：V——液压油箱的有效容量；——总发热损失功率W；——长时间工作后的油温；——周围空气温度。应当注意：设备在停止运行后，设备中的那部分油液会因重力作用而流回液压油箱，为了防止液压油从油箱里溢出，油箱的液压油位不能太高，一般不应超过液压油箱高度的80%。4.2液压油箱的外形设计液压油箱的有效容积为，需设计液压油箱的外形尺寸，一般尺寸比1：1～1：2：3为提高冷却效率，在安装位置不受限制的时候，可将油箱的容量予以增大。经分析绳锯机液压油源油箱选用油箱。在油箱上盖或侧面可以安装液压泵，电动机以及其他液压元件。（如图4.1所示）图4.1油箱4.3液压油箱的结构设计在一般设备中液压油箱多采用钢板焊接的分离式液压油箱。其结构：（1）隔板①作用：增长液压油流动循环时间，除去沉淀的杂质、分离、清降水和空气，调整温度，吸收液压油压力的波动及防止液面的波动。②安装形式：隔板的安装形式有多种，可以设计成高出液压油面，使液压油从侧面流过，还可以把隔板设计成低于液面，其高度为最低油面的2/3，使液压油从隔板上方流过。③过滤网的配置过滤网可以设计成将液压油箱内部一分为二，使吸油管与回油管隔开，这样液压油可以经过一次过滤。过滤网通常使用50～100目左右的金属网。（2）吸油管和回油管①回油管出口回油管出口有直口、斜口、弯管直口、带扩散器的出口等几种形式，斜口应用得教多，一般为45°斜口。为防止液面波动，可以在回油管出口装扩散器。回油管必须放置在液面以下，一般距液压油箱底面的距离大于300，回油管出口绝对不允许放在液面以上。②回油集管单独设置回油管当然是理想的，但不得已时则应使用回油集管。对溢流阀、顺序阀等，应注意合理设计回油集管，不要人为地施加背压。③泄漏油管的配置管子直径和长度要适当，管口应在液面之上，以避免产生背压，泄漏油管以单独配置为好，尽量避免与回油管集流配置管的方法。④吸油管吸油管前一般应设置滤油器，其精度为100～200目的网式或线隙式滤油器。滤油器要有足够的容量，避免阻力太大。滤油器与箱底间的距离应不小于20。吸油管应插入液压油面以下，防止吸油时卷吸空气或因流入液压油箱的液压油搅动油面，致使油中混入气泡。⑤吸油管与回油管的方向为了使油液流动具有方向性，要综合考虑隔板、吸油管和回油管的配置，尽量把吸油管和回油管用隔板隔开。为了不使回油管的压力波动及吸油管，吸油管及回油管的斜开口方向应一致，而不是相对着。（3）防止杂质侵入为了防止液压油被污染，液压油箱应做成完全封闭型的。在结构上应该注意以下几点：①不要将配管简单地插入液压油箱，这样空气、杂质和水等便会从其周围的间隙侵入。同时应尽量避免将液压泵及马达直接装在液压油箱盖上。②在接合面上需衬入密封填料、密封胶和液态密封胶，以保证可靠的气密性。例如液压油箱的上盖可以直接焊上，也可以加密封垫（1.5厚以上的耐油密封垫）进行密封。③为了保证液压油箱通大气并净化抽吸空气，需配备空气滤清器。空气滤清器成设计成既能过滤空气有能加油的结构。（4）顶盖及清洗①顶盖在液压油箱顶盖上装设泵、马达、阀组、空气滤清器时，必须十分牢固。液压油箱同它们的结合面要平整光滑，将密封填料、耐油橡胶密封垫圈（厚2～1.5左右）以液态密封胶（耐油性、半干燥性）衬入其间，以防止杂质、水和空气侵入，并防止漏油。同时，不允许由阀和管道泄漏在箱盖上的液压油流回到液压油箱内。液压泵及液压马达的底座要与上顶盖分开，另行制作。②清洗孔液压油箱上的清洗孔，应最大限度地易于清扫液压油箱内的各个角落和取出箱内的元件。③杂质和污油的排放为了便于排放污油，箱底部应做成倾斜式箱底，并将放油塞安放在最低处。（5）液面指示为了观察液压油箱内的液面情况，应在油箱的侧面安装液面指示计，指示最高、最低油位。液面指示计可选用带温度计的。（6）液压油箱的起吊对液压装置而言，从工厂装配开始，到最终送到客户，要经过反复装卸，所以在液压装置整体上或阀块上应装设吊钩、吊环或吊耳环。（7）液压油箱的防锈为了防止液压油箱内部生锈，应在油箱内壁涂耐油防锈涂料。（8）液压油箱的加热与冷却为了提高液压系统工作的稳定性，应使系统在适宜的温度下工作。液压温度一般希望保持在30～50℃范围内，最高不超过60℃，最低不低于15℃。对于工作机及其他固定装置，工作温度可允许在40～55℃范围内，对于移动式小型装置，例如装在车辆上工程机器等之上的油箱其最高工作温度允许达65℃。在特殊情况下允许答85℃，对于高压系统，为了避免漏油，推荐不超过50℃HG-24型金刚石绳锯机液压油源静置于船上，由于有海风对其经行冷却散热，所以不需要再设计冷却系统，油箱设计简图如图4.2所示。4.4其他的辅助元件其他辅助元件（如过滤器、压力表和管接头等）由有关的资料或手册选取。滤油器的选择选择滤油器的依据有以下几点：(1)承载能力：按系统管路工作压力确定；(2)过滤精度：按被保护元件的精度要求确定；(3)通流能力：按通过最大流量确定；1液位温度记2空气滤清器3隔板4出油口法兰5检修口图4.1液位温度记2空气滤清器3隔板4出油口法兰5检修口图4.2油箱设计简图(4)阻力压降：应满足过滤材料强度与系数要求。滤油器过滤精度的过滤能力可用下式计算：（4.3）式中：Q——过滤的油量，；——油的动力粘度，；——有效过滤面积，；——压力差，；——滤芯通油能力系数，（一般网式滤芯=0.17）；所选滤油器的过滤能力要大于上式计算结果。根据计算结果选用WU400*100J型滤油器。4.5本章小结本章根据液压油箱的作用，综合考虑其影响因素和工作条件，设计液压油箱各参数，并初步确定使用钢板焊接的分离式液压油箱；并根据计算选用的滤油器。

第5章HG-24型金刚石绳锯机液压控制系统设计HG-24型金刚石绳锯机采用液压动力系统为动力源进行切割作业。利用电液比例流量阀、换向阀和调速阀建立了金刚石绳锯机的液压控制系统。通过PLC控制换向阀实现径向进给马达的启停或换向。通过建立电液比例速度控制的闭环系统调节进给马达的转速。在闭环控制系统中引入了PID控制器。在模型基础上进行了频率特性仿真。针对海底的特殊工作环境以及绳锯机的工作要求，本课题设计采用液压传动控制方案，其液压系统由船上液压动力源、控制柜与水下液压传动部分组成。采用液压传动控制主要有以下几点优点：液压控制系统的水下密封比电气系统密封简单，易于实现；通过控制液压阀可以在运行过程中实现大范围的无级调速；体积小、质量轻、功率大；控制和调节简单、方便、省力、易实现自动化控制和过载保护；可实现无间隙传动、运动平稳。易于实现快速启动，制动和频繁换向。5.1HG-24型金刚石绳锯机液压控制系统5.1.1HG-24型金刚石绳锯机采用液压控制系统的原因液压控制技术是早已经成熟的液压传动技术的新发展，是自动控制领域的一个重要组成部分。HG-24型金刚是绳锯机采用液压控制系统的主要原因是：（1）液压控制系统的水下密封比电气系统的密封简单，易于实现。并且液压传动大都采用油或水基添加润滑防腐剂为工作介质，自润滑性能好，工作元件的寿命长；（2）液压控制系统的功率重量比和扭矩惯性比较大。这是水下作业机具减小体积和重量所需要的。相同功率的情况下，电机比液压马达重12～25倍;相同扭矩的情况下，电机比液压马达重12～150倍；（3）液压控制系统响应速度块。由于油的可压缩性很小，所以液压弹簧负载耦合而成的固有频率很高[28.29]。HG-24型金刚石绳锯机是由多个执行元件组成，要求协调作业的复杂系统。工作时要求绳锯机具有适应海底工作环境和切割海底石油管道复合材料的能力，因此其液压控制系统的设计就显得尤为重要一个合理的液压控制系统，不但能使作业机具完成基本的运动要求，还应该满足作业机具工作中所要求的技术参数和性能指标，要求动态、静态性好，工作效率高，同时要求系统结构简单，工作安全可靠，寿命长，经济性好，以及使用维护方便。5.1.2液压控制系统的组成根据第3章液压传动系统原理的初步设计，进一步结合工程实际操作，在原设计绳锯机液压系统夹紧油缸、变速箱油缸、进给马达、切削马达四个执行元件回路基础上，增添了绳锯机进给机构上下限位安全保护油路，并根据绳锯机切割力反馈控制进给速度的控制方式，采用电液比例流量控制阀进行进给速度的控制，系统传动原理如图5.1所示。1)夹紧保压回路夹紧保压回路的功用是使系统在液压缸不动或仅有极微小的位移下稳定地维持住压力。当系统中不需要液压泵供油，但需要继续保持压力时，采用蓄能器保持系统中的油压，并使液压泵卸荷。在保证夹紧机构夹持管道力不变，保证切割作业的稳定。如图5.1所示，定量泵输出的油液经单向阀进入系统，同时也进入蓄能器M。在换向阀2的控制下实现夹紧油缸G2、G3夹持与松开动作，夹持时依靠蓄能器补偿夹紧缸的内漏。2）变速油路为了提高切割进给与回退速度，在进给机构中设计的变速器进行增速和减速的调整，G1变速器油缸的往复动作就实现了变速箱中拨叉的动作，它由换向阀1控制。3)节流调速回路节流调速的功用是采用定量泵供油，依靠流量控制阀调节流入或流出执行元件的流量Q实现变速。如图5.1所示，定量泵输出的流量在溢流阀调定的供油压力下，其中一部分流量经节流阀6、开关阀6后，压力降为工作压力，带动切削马达旋转，实现切削运动。4)调速运动回路对于绳锯机的进给运动，通过电液比例流量阀线性调整M1进给马达的流量，相应调整进给速度达到最优切割的目的，如图5.1所示，泵输出通过电液比例流量阀V3连续的调整进入进给马达M1的流量。5）进给运动上下限位保护油路为了保证进给机构上下运动的安全，防止在电器检测元件失效情况下对系统的破坏，特设计了上下限位卸油回路，如图5.1所示，当进给机构运动在下限位时，触动行程阀V4，将泵输出直接与回油相接，使得进给马达停转，其中，单向阀的作用是在回程时阻碍油的卸载，保证液压油进入M1进给马达实现回程运动。同理，上限位行程的作用是在进给机构达到上位置时打开回油卸载，从而保护装置不受破坏。图5.1液压油路控制系统原理图5.2液压电气控制系统设计液压的电气控制原理如图5.2示，其主要功能包括控制电机的启停、油源的加载、卸载、水下液压阀的控制以及工作状态指示。液压的电气控制采用OMRON系列PLC,系统总电源由钥匙开关控制，当钥匙开关闭合时，将单项220V控制电压引入控制电路，电源指示灯点亮。液压泵电机的启停分别由常开按钮和控制，在钥匙开关闭合的情况下，按动常开按钮，PLC接到信号，使继电器、、接通，交流接触器、、分别得电，实现电机的星形——三角形降压启动，自锁，同时电机启动指示灯点亮。按下常闭按钮，交流接触器失电，解除自锁，油泵电机停止工作，电机停止指示灯点亮。这样的设计使操作人员很方便的知道油泵电机的工作状态。溢流阀的启停有常开加载按钮和卸载按钮控制，为了防止操作人员的误操作，在PLC程序上设计了程序上的限制，只有当电机启动时，溢流阀才可以启动。溢流阀的启停状态有相应的指示灯显示。液压系统有三个工作状态，分别为自动、手动和调试。油泵电机、溢流阀以及停止报警等功能位于主控制电路上，自动、手动和调试分别有各自的控制电路，由三档转换开关决定哪个电路得电。以手动控制电路为例，当转换开关使手动电路接通时，按下控制面板手动区按钮，PLC使相应的继电器闭合，液压阀得电，实现对液压阀的控制，同时面板上对应功能指示灯点亮。系统设置了滤油器和回油报警。油路堵塞时，报警器开关闭合，蜂鸣报警器接通，系统报警。电气系统同时具有急停和过载保护功能，当急停按钮按下或过载时，交流接触器断开，液压系统失电，控制系统报警。图5.2压电气控制原理图5.3PLC控制程序金刚石绳锯机在水下工作，动力源由船上油源供给，绳锯机工作前先启动电机，电机启动采用星——三角启动方式。电机启动键按下后延时两秒电机启动，电机启动十八秒自动转换为三角启动。程序如下：电机启动绳锯机就位的状态下绳锯机对要进行切割的海管夹紧并保持，切割作业完成后松开，实现程序如下：上、下边缘切削时由于切削量比较大故用上、下边缘工进一，切削实现程序如下：当上边缘切削完成后改用工进二进行切削，工进二切削速度大，切削效率高，工进二程序如下：当海管切削完成后绳锯机龙门快速退回原初始位置，并松开被夹紧的海管，如果在工作过程中出现张力过大，阀箱漏水由张力报警器，漏水