徐寶富，羊衍貴，諶志新，，徐志強

（1.農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點開放實驗室，上海 200092；2.國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092；3.同濟大學(xué) 機械與能源學(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，通常由液壓馬達經(jīng)減速后，驅(qū)動卷筒旋轉(zhuǎn)，并以卷取鋼卷筒上的絲繩來完成牽引作業(yè).新設(shè)計的液壓絞車都需要進行性能測試和壽命試驗，這是一項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

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

1.1 重力加載試驗系統(tǒng)

重力加載試驗系統(tǒng)如圖1所示，塔架3上安裝2個定滑輪2，被試液壓絞車1卷筒上的鋼絲繩繞過定滑輪2后，端部懸掛重物4，其重力G作為絞車的試驗載荷.絞車液壓馬達以不同轉(zhuǎn)速驅(qū)動重物4上下運動來進行絞車的性能和壽命試驗［4－5］.這種方法的優(yōu)點是絞車所受載荷和工況與絞車實際運行工況基本一致，但機構(gòu)龐大，若鋼絲繩運行距離較長，器網(wǎng)絞車繩長可達2 000m，塔架也應(yīng)達相應(yīng)高度，絞車載荷運行距離受到限制.試驗功率就是實際功率，浪費大，試驗所耗的功率P為

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

卷筒上鋼絲繩拉力S為

卷筒上鋼絲繩速度v為

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

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

1.2 液壓節(jié)流加載試驗

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定滑輪2連接起來.加載絞車的卷筒軸間增速裝置與變量馬達連接，起增速降扭作用，以適應(yīng)加載馬達的工況.兩溢流閥完成節(jié)流加載.

被試卷筒正向旋轉(zhuǎn)，相當起升牽引狀態(tài).被試馬達A′口通入壓力p流量q的液體，A口回油，其溢流閥調(diào)定壓力高于其負載壓力.加載馬達兩油口B，B′均通回油.被試馬達在油壓作用下旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)減速后驅(qū)動卷筒旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩拉動加載卷筒旋轉(zhuǎn)，繼而驅(qū)動加載馬達旋轉(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行，完成正向牽引試驗運行.

反向收繩工況，加載馬達B′口通入較大壓力油，被試卷筒反向旋轉(zhuǎn)；通過鋼絲繩驅(qū)動被試馬達旋轉(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)作準備，不是主受力狀態(tài)，節(jié)流阻力較低.此時，加載馬達供油旋轉(zhuǎn)，被試馬達作加載試用.

正向旋轉(zhuǎn)時鋼絲繩拉力S和速度v為

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

式中：p1為被試馬達進出口壓力；V1為馬達排量；D1i為卷筒上鋼絲繩中心直徑；i1為減速箱傳動比；ηvm為馬達容積效率.

試驗所消耗功率P為

式中：qp1為馬達入口流量.

2 能量回收試驗系統(tǒng)

前述兩種試驗系統(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)能源浪費大，試驗繩長受限制.下面介紹能量回收系統(tǒng)，具有節(jié)能、試驗繩長不受限制的特點.

2.1 能量回收試驗系統(tǒng)原理

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

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

由系統(tǒng)可知，加載馬達排量V2的值，要保證系統(tǒng)在溢流閥3的調(diào)定壓力p（即馬達10的入口壓力）下，兩卷筒鋼絲繩受力相等處于靜止狀態(tài)，及卷筒1在無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狀態(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 能量回收試驗系統(tǒng)簡圖（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為加載變速箱傳動比；ηm1，ηm2為被試和加載馬達的機械效率；ηji，ηj2為被試和加載變速箱的機械效率；D2i為加載馬達卷筒上鋼絲中心間直徑.

由式（7）可得加載馬達排量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為加載馬達的容積效率.

試驗所消耗功率P為

式中：p2為泵2的壓力；qp2為輔助泵2的輸出流量.

2.2 能量回收實際試驗系統(tǒng)分析

能量回收實際試驗系統(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)的測量元件，以滿足實際試驗要求.試驗系統(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 能量回收實際試驗系統(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，是絞車主要試驗工況.

啟動輔助泵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的低壓油進入加載馬達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，驅(qū)動加載馬達轉(zhuǎn)動，其上腔排油進入絞車馬達7的下腔.由于輔助泵1流量補充，使比例溢閥6溢流，其壓力為閥的調(diào)定壓力，相當絞車馬達在高壓差下工作，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8排量自動調(diào)節(jié) 按式（8）可知，所有參數(shù)確定后，加載馬達排量值一定，因而在系統(tǒng)中，要自動調(diào)節(jié)加載馬達排量以適應(yīng)加載要求.從工作原理可知，在卷筒馬達入口壓力作用下，卷筒馬達所產(chǎn)生的鋼絲繩拉力和加載馬達所產(chǎn)生的鋼絲繩拉力相等時，加載馬達的排量是合適的，即符合公式（8）要求.若輔助泵2不工作，則系統(tǒng)處于靜止狀態(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)拉力和速度運行.因而只需通過壓力傳感器P3測量泵2的壓力最小值，即可獲得合適加載馬達排量.

（2）由式（9）可知，加載馬達排量知道后，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測量加載馬達，輸入扭矩來確定鋼絲繩拉力值，通過測量扭矩儀的參數(shù)來調(diào)節(jié)溢流閥6的調(diào)定值，以達到相應(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.通過轉(zhuǎn)速傳感器11和扭矩儀的轉(zhuǎn)速值來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主要是補充系統(tǒng)泄漏和保證溢流閥6的溢流量，以維持卷筒馬達入口壓力值，其流量應(yīng)保持合適值.通過測量流量計F的流量值來調(diào)節(jié)泵2的流量值，一般可取流量計流量值為10L·min－1作泵2流量的調(diào)節(jié)基準.

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備.反向收繩工況對鋼絲繩拉力無特定要求，只需保證鋼絲繩拉直，并能正常收繩即可，收繩速度也無特定要求.

將換向閥移入左位工作，泵2的壓力油進入絞車馬達7上腔，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，其排油反饋進入加載馬達8上腔.由于泵1補油使溢流閥溢流，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題，有關(guān)控制及參數(shù)獲取問題因篇幅而略去.

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

3 能量回收系統(tǒng)評價指標

如何評價能量回收試驗系統(tǒng)性能的優(yōu)劣是一個重要問題，但目前尚無能量回收效率的標準.借鑒其他能量回收系統(tǒng)的能量回收評價計算方法，我們提出了能量回收率ε的概念.因為試驗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)流型加載絞車試驗完成一個牽引循環(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)流型加載絞車試驗完成一個牽引循環(huán)所消耗的時間；pt為節(jié)流型加載絞車試驗完成一個牽引循環(huán)供油泵工作壓力；qt為節(jié)流型加載絞車試驗完成一個牽引循環(huán)供油泵輸出流量.

E由式（14）求得：

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

式（12）可直觀地反映出，能量回收試驗系統(tǒng)較節(jié)流加載試驗系統(tǒng)節(jié)約能量.ε＞0表示同型號絞車試驗，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.通過試驗驗證ε可達39%左右，節(jié)能效果十分明顯.具有應(yīng)用前途.

［1］李萬莉.工程機械液壓系統(tǒng)設(shè)計［M］.上海：同濟大學(xué)出版社2009.LI Wanli.Design of hydraulic system of construction machinery［M］.Shanghai：Tongji University Press，2009.

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［3］諶志新.我國漁船捕撈裝備的發(fā)展方向與重點［J］.漁業(yè)現(xiàn)代化，2005（4）：3－4.CHEN Zhixin.Key and developmental direction of fishing vessel catching equipment in China［J］.Fishery Modernization，2005（4）：3－4.

［4］SHENOUDA A.Quasi－static hydraulic control systems and energy savings Potential using independent metering fourvalve assembly configuration［D］.Atlanta Botanical：Georgia Institute of Technologe，2006.

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