液压绞车节能型试验装置

徐宝富，羊衍贵，谌志新，，徐志强

（1.农业部渔业装备与工程重点开放实验室，上海 200092；2.国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092；3.同济大学 机械与能源学院，上海 201804）

液压绞车是广泛用于起重钢绳升降和捕捞作业中收放鱼网的装置，通常由液压马达经减速后，驱动卷筒旋转，并以卷取钢卷筒上的丝绳来完成牵引作业.新设计的液压绞车都需要进行性能测试和寿命试验，这是一项既繁琐又耗能的工作，但又是保证液压绞车性能和寿命的重要工作［1］.

1 基本概况

液压绞车的试验是在室内进行，关键是加载载荷的处理.按加载方式不同，通常有如下2种试验方法［2－3］.

1.1 重力加载试验系统

重力加载试验系统如图1所示，塔架3上安装2个定滑轮2，被试液压绞车1卷筒上的钢丝绳绕过定滑轮2后，端部悬挂重物4，其重力G作为绞车的试验载荷.绞车液压马达以不同转速驱动重物4上下运动来进行绞车的性能和寿命试验［4－5］.这种方法的优点是绞车所受载荷和工况与绞车实际运行工况基本一致，但机构庞大，若钢丝绳运行距离较长，器网绞车绳长可达2 000m，塔架也应达相应高度，绞车载荷运行距离受到限制.试验功率就是实际功率，浪费大，试验所耗的功率P为

式中：G为试验载荷；v为载荷速度；ηh为滑轮机械效率；ηj为减速箱机械效率；ηmm为液压马达总效率；p为马达入口压力；q为马达入口流量.

卷筒上钢丝绳拉力S为

卷筒上钢丝绳速度v为

式中：nm为液压马达输出转速；Di为卷筒上钢丝中心间直径；Vm为马达排量；ηmv为马达的容积效率.

图1 重力加载系统简图Fig.1 Gravity loading system diagram

1.2 液压节流加载试验

节流加载装置如图2所示.其由两部分组成，被试绞车1和加载绞车3.两绞车的钢丝绳绕过定滑轮2连接起来.加载绞车的卷筒轴间增速装置与变量马达连接，起增速降扭作用，以适应加载马达的工况.两溢流阀完成节流加载.

被试卷筒正向旋转，相当起升牵引状态.被试马达A′口通入压力p流量q的液体，A口回油，其溢流阀调定压力高于其负载压力.加载马达两油口B，B′均通回油.被试马达在油压作用下旋转，并经减速后驱动卷筒旋转，钢丝绳拉动加载卷筒旋转，继而驱动加载马达旋转，其回油经其溢流阀节流加载，形成加载力矩，使钢丝绳以一定拉力和速度运行，完成正向牵引试验运行.

反向收绳工况，加载马达B′口通入较大压力油，被试卷筒反向旋转；通过钢丝绳驱动被试马达旋转，其溢流阀起节流加载作用，调定压力较低.其主要作用是收绳，为下一次正向旋转作准备，不是主受力状态，节流阻力较低.此时，加载马达供油旋转，被试马达作加载试用.

正向旋转时钢丝绳拉力S和速度v为

图2 节流加载简图Fig.2 Throttle load diagram

式中：p1为被试马达进出口压力；V1为马达排量；D1i为卷筒上钢丝绳中心直径；i1为减速箱传动比；ηvm为马达容积效率.

试验所消耗功率P为

式中：qp1为马达入口流量.

2 能量回收试验系统

前述两种试验系统，节流型加载系统的能量损失较大，有的还伴有巨大发热.而重力加载系统能源浪费大，试验绳长受限制.下面介绍能量回收系统，具有节能、试验绳长不受限制的特点.

2.1 能量回收试验系统原理

能量回收的试验装置，利用能量反馈回收原理，使试验所消耗功率比前述试验方法所消耗功率小很多，因而具有较广泛应用前途.图3就是能量回收试验系统的原理图.

和前述一样，使用辅助卷筒进行加载，但加载马达4回油直接进入被试卷筒马达马达10入口，形成能量反馈，驱动其旋转.辅助泵1提供少量高压流量，以补充系统泄漏以及溢流阀3的溢流量，以保证马达10的入口压力值.

由系统可知，加载马达排量V2的值，要保证系统在溢流阀3的调定压力p（即马达10的入口压力）下，两卷筒钢丝绳受力相等处于静止状态，及卷筒1在无其他外力作用下被试卷筒组件和加载卷筒组件受力相等而处于静止状态，并保证其拉力为设定值.这样，辅助泵2以较低的压力克服系统的阻力就能使两卷筒运转.溢流阀3的调定值决定钢丝绳拉力，而辅助泵2的流量值决定钢丝绳的速度.

图3 能量回收试验系统简图（正向工况）Fig.3 Energy recovery test system schematic（positive mode）

其正向牵引的参数：

按两卷筒钢丝绳拉力相等可得下列等式

式中：i2为加载变速箱传动比；ηm1，ηm2为被试和加载马达的机械效率；ηji，ηj2为被试和加载变速箱的机械效率；D2i为加载马达卷筒上钢丝中心间直径.

由式（7）可得加载马达排量V2为

钢丝绳拉力S为

钢丝绳速度vg为

式中：qp2为辅助泵2的输出流量；ηv2为加载马达的容积效率.

试验所消耗功率P为

式中：p2为泵2的压力；qp2为辅助泵2的输出流量.

2.2 能量回收实际试验系统分析

能量回收实际试验系统如图4所示，系统中除增加了液压元件外，还增加了相应的测量元件，以满足实际试验要求.试验系统工作原理，分正向牵引和反向收绳2种工况.原理如下：

图4 能量回收实际试验系统Fig.4 Energy recovery actual test system

2.2.1 正向牵引工况

正向牵引工况，是绞车的起吊工况，绞车的钢丝绳在相应的拉力作用下，以相应的速度，将加载卷筒上的钢丝绳全部卷取到绞车卷筒上，是绞车主要试验工况.

启动辅助泵1，2，并将其流量调到较小值，将电液换向阀5移入右位工作，辅助泵2的低压油进入加载马达2，8的下腔，克服系统摩擦阻力，使绞车卷筒牵引收绳转动，驱动加载马达转动，其上腔排油进入绞车马达7的下腔.由于辅助泵1流量补充，使比例溢阀6溢流，其压力为阀的调定压力，相当绞车马达在高压差下工作，并完成能量反馈回收，起节能效果.具体控制如下：

（1）加载马达8排量自动调节 按式（8）可知，所有参数确定后，加载马达排量值一定，因而在系统中，要自动调节加载马达排量以适应加载要求.从工作原理可知，在卷筒马达入口压力作用下，卷筒马达所产生的钢丝绳拉力和加载马达所产生的钢丝绳拉力相等时，加载马达的排量是合适的，即符合公式（8）要求.若辅助泵2不工作，则系统处于静止状态，钢丝绳维持相应拉力.辅助泵2供油压力仅需克服系统摩擦阻力即可使系统钢丝绳以相应拉力和速度运行.因而只需通过压力传感器P3测量泵2的压力最小值，即可获得合适加载马达排量.

（2）由式（9）可知，加载马达排量知道后，比例溢流阀6的调定压力值就确定钢丝绳拉力值.系统中安装扭矩仪12测量加载马达，输入扭矩来确定钢丝绳拉力值，通过测量扭矩仪的参数来调节溢流阀6的调定值，以达到相应的钢丝绳的拉力值的调节.

（3）由式 （11）可知，其他参数确定后，钢丝绳速度决定辅助泵2的流量值.通过转速传感器11和扭矩仪的转速值来确定钢丝绳的速度之，继而调节泵2的流量值.

（4）辅助泵1主要是补充系统泄漏和保证溢流阀6的溢流量，以维持卷筒马达入口压力值，其流量应保持合适值.通过测量流量计F的流量值来调节泵2的流量值，一般可取流量计流量值为10L·min－1作泵2流量的调节基准.

2.2.2 反向收绳工况

反向收绳就是将卷入绞车卷筒上的钢丝绳，重新卷入加载卷筒上，为下一次正向牵引作准备.反向收绳工况对钢丝绳拉力无特定要求，只需保证钢丝绳拉直，并能正常收绳即可，收绳速度也无特定要求.

将换向阀移入左位工作，泵2的压力油进入绞车马达7上腔，驱动旋转，其排油反馈进入加载马达8上腔.由于泵1补油使溢流阀溢流，使油路保持一定压力，使钢丝绳维持一定拉力完成收绳工作.加载马达排量等的调节与“正向牵引工况”同.

这里仅介绍能量回收的基本问题，有关控制及参数获取问题因篇幅而略去.

本文使用的是单加载马达系统，这对绳长较短的绞车，完成试验是足够，但对绳长较大的绞车，因加载马达的排量调节范围有限（一般调节比为4），限制试验范围，此种工况就需使用双加载马达，使其调节比增大，以满足全范围试验.系统中应增加双马达排量组合调节控制.

3 能量回收系统评价指标

如何评价能量回收试验系统性能的优劣是一个重要问题，但目前尚无能量回收效率的标准.借鉴其他能量回收系统的能量回收评价计算方法，我们提出了能量回收率ε的概念.因为试验工况分正向牵引工况和反向收绳工况，正向牵引工况是主试验工况，工作压力较高，所耗能量较大，而反向收绳工况为次要工况，所消耗能量较少，所以我们只讨论正向牵引工况的问题.正向牵引工况的能量回收率εz为

式中：Et为节流型加载绞车试验完成一个牵引循环所消耗的能量；E为能量回收加载绞车完成一个牵引循环所消耗的能量.

Et可由式（13）求得：

式中：t为节流型加载绞车试验完成一个牵引循环所消耗的时间；pt为节流型加载绞车试验完成一个牵引循环供油泵工作压力；qt为节流型加载绞车试验完成一个牵引循环供油泵输出流量.

E由式（14）求得：

式中：p1，p2为节能型加载绞车试验完成一个牵引循环辅助泵1，2工作压力，q1，q2为节能型加载绞车试验完成一个牵引循环辅助泵1，2泵输出流量.

式（12）可直观地反映出，能量回收试验系统较节流加载试验系统节约能量.ε＞0表示同型号绞车试验，能量回收系统所消耗的能量少于节流型加载系统所消耗的能量.ε越大能量节约效果越好.通过试验验证ε可达39%左右，节能效果十分明显.具有应用前途.

［1］李万莉.工程机械液压系统设计［M］.上海：同济大学出版社2009.LI Wanli.Design of hydraulic system of construction machinery［M］.Shanghai：Tongji University Press，2009.

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