第22卷第3期2008年6月 江苏科技大学学报(自然科学版)
Journal of J iangsu University of Science and Technol ogy(Natural Science Editi on)
Vo1122No13
Jun.2008
朱鹏程，鄢华林
(江苏科技大学机械与动力工程学院，江苏镇江212003)
摘 要：采用负载敏感控制技术设计了一种既能电控，又能手动，全方位旋转的绞车液压系统，并给出了主要参数的计算过程及主要元器件的选型.该液压系统具有结构紧凑、使用方便、执行元件控制回路互不干扰、可靠性高、节能等优点.关键词：液压绞车；比例多路阀；负载敏感
中图分类号:TH13719 文献标识码:A 文章编号:1673-4807(2008)03-0039-04
D esi gn of w i n ch hydrauli c system w ith load sen si n g con trol technology
ZHU Pengcheng,Y AN Hualin
(School of Mechanical and Power Eng.,J iangsu University of Science and Technol ogy,Zhenjiang J iangsu212003,China)
Abstract:By using the l oad sensing contr ol technique,a hydraulic syste m for the free r otati on winch con2 tr olled both manually and electrically is designed.The computati onal p r ocedure of main para meters and the type selecting of the main components are given.This hydraulic syste m has the advantages of compact conf or2 mati on,convenient in use,without interference bet w een executive components,high reliability and energy saving.
Key words:hydraulic winch;p r oporti onal directi onal s pool valve;l oad sensing
0 引 言
绞车是用于提升、下放重物的动力设备，主要有电动绞车和液压绞车两大类.液压绞车是将液压基础元部件进行新的组合，并与机械部分相结合，利用液压马达直接或通过减速箱来拖动滚筒的一种新型的提升机械.与电气传动设备相比，在同样功率下，由于液压装置功率密度大、结构紧凑以及其它一些优点，使得其在传动领域占的份额越来越大[1-2].同时随着液压技术、材料科学的发展，液压元器件越来
越小型化，集成度越来越高，与过去相比，同样体积情况下，实现的功能越来越复杂.依据某船用回转起吊设备设计任务书，文中设计的绞车系统具有如下功能：提升机构位于旋转平台上，在提升、下放重物时平台也需要旋转，平台旋转时不能影响提升或下放重物的速度.主要参数有储缆长度50m，缆绳直径8mm，曲率半径250mm，额定工作张力1200kg，平台回转阻力矩1600N・m；收、放缆速度0～110m/s，平台旋转速度0～6r/m in，二者均能无极调速；整个系统既要能采用手动操作，也要能采用电控方式操作.
1 负载敏感控制技术
收稿日期:2007-09-06
作者简介：朱鹏程(1975-)男，江苏江都人，讲师，研究方向为机电液一体化.E2mail:tsupc@126
现负载敏感控制需要一个负载敏感柱塞泵(以下简称柱塞泵)和负载敏感控制阀(以下简称控制阀)组成
.图1 负载敏感泵原理Fig .1 Princi p le of l oad 2sensing pu mp 当液压系统待机状态时，控制阀必须切断执行元件(油缸或
马达)与柱塞泵之间的压力信号，这将使得柱塞泵自动转入低压
等待状态.当控制阀工作时，先从执行元件得到压力需求，并将
吴辉压力信号传递给柱塞泵，使泵开始对系统压力做出响应，同时,
当外部载荷变化时，柱塞泵也要感受并响应液压系统的压力需
求.系统所需的流量是由控制阀的滑阀开度控制的.系统的流量
需求通过反馈管道、控制阀反馈给柱塞泵，使整个液压系统具有
根据载荷情况提供工作所需的压力-流量特性.
图1是贵州力源GY -A10V0/31系列负载敏感柱塞泵的等
效原理图，除了调速阀1外其余部分均为柱塞泵的内部元件.根
据执行元件(图中未画出)对流量的要求，设定调速阀1的开口
量.负载经泵的X 口被引到流量补偿器4的右端，同时，泵的出
口压力被引到流量补偿器4的左端和压力补偿阀3的左端，流
量补偿器4.当泵输出流量大于(或小于)调速阀1的流量值时，泵的输出压力与负载压力之间的压差大于(或小于)流量补偿器4弹簧设定值，于是阀心被
推向右端(或左端)，流量补偿器4开口增大(或减小)，使泵出口B 与变量缸2之间的阻尼减小(或增大)，变量缸2右端压力增大(或减小)，于是变量缸2活塞向左(或右)移动，使泵斜盘角度变小(或变大)，从而减小(或增大)泵的输出流量.所以这种系统是利用检测液压泵出口压力和负载压力之间的压差和反馈这个压差来控制泵流量的输出，使它适应于负载流量
[7]
.
图2 液压原理图Fig .2 Sche matic diagra m of hydraulic syste m 上述是描述泵的流量能自动适应于负载流量，还
有一个问题必须说明的是负载压力是如何反馈到泵上
的，这就要牵涉到另一个元件———负载敏感控制阀.下
面以德国HA W E 公司的PS V 型比例多路阀为例来介
绍.PS V 型比例多路阀具有无级调速；速度与负载变化
无关；满足多个执行元件同时工作；具有手动和电控两
种控制方式；具有负载敏感功能，与负载敏感变量泵相
配合，提高液压系统效率，减少发热；高集成性，节约安
装空间，减轻整机重量等优点.其原理如图2中虚线框
5所示.在本系统中，实际工作时共有两个执行机构：卷筒
马达和回转马达，因此本文选择的是两路比例多路阀,
加上主块5-1，在功能结构上共有3部分.主块5-1
包含有安全阀和减压阀，安全阀限定进入阀组的最高
压力；减压阀为后续的换向阀5-2、5-3的换向提供
液压推力.与执行机构相连的5-2、5-3均具有手动
和电液比例换向的功能，每一路换向阀含有一个定压
差减压阀和一个梭阀.以5-2为例，当该路阀处于上
位时，马达B 口进油，处于收缆状态，此时B 口的压力
经过5-2内部油道的反馈，分别作用于定差减压阀和梭阀.定差减压阀与换向阀的节流口相串，形成调速阀的功能，因此经过换向阀的流量仅取决于阀心开口大
小；作用于本路梭阀的压力油与其它路梭阀的压力进行比较，压力值最高者反馈到油泵的X 口(负载敏感
04江苏科技大学学报(自然科学版)2008年
口)，使泵的输出压力比该压力略高，以保证最高负载回路的效率.
2 液压系统组成及工作原理
1)液压系统组成
如图2所示，液压系统的执行机构主要有两部分，一是驱动卷筒旋转的马达(简称卷筒马达)，数量为两台，可互为备份，通过手动换向阀8来切换.图示状态，上马达处于工作状态，下马达由于其A、B口互通，处于浮动状态，且能保持其内部充分润滑.如果由于某种原因上马达卡死，可操纵阀8，使其左位，就可使下马达投入使用；一是驱动平台回转的马达(简称回转马达).能源机构采用电动机驱动的变量柱塞泵，主要控制元件为两路比例多路阀组，用来分别控制卷筒马达和回转马达.
2)液压系统工作原理
卷筒马达收缆：比例阀换向阀5-2上位，压力油由5-2经平衡阀7的单向阀、手动换向阀8进入马达B口，再经5-2回油.同时压力油经梭阀6经减压阀9进入马达制动器，使制动器打开.
卷筒马达放缆：比例阀换向阀5-2下位，压力油由5-2进入马达A口，回油经手动换向阀8进入平衡阀7平衡负负载压力，再经5-2回油.同时压力油经梭阀6经减压阀9进入马达制动器，使制动器打开.
收、放缆速度由5-2的开口度控制.
回转平台正、反转控制直接由比例阀换向阀5-3控制，并且没有负负载问题，其原理比较简单，要说明的是在平台紧急制动情况下，需要加装缓冲阀溢流阀10，当产生较大冲击压力时使溢流阀打开，实现
缓冲，并向马达低压腔补油，以防止产生气穴现象.
3 主要参数计算及元件选型
311 卷筒马达
由卷筒储缆长度、缆绳直径、卷筒直径等参数，可设计卷筒只卷绕一层缆绳，这样卷筒长度约为255mm 即可满足要求.则负载作用于卷筒的力臂即为卷筒半径加上缆绳半径为254mm，即缆绳缠绕半径R= 01254m.行星齿轮减速器选用宁波意宁公司传动机构配套型，规格为C4DB，变速比i1=515，依据厂方提供数据，卷筒到液压马达的机械传动总效率η
i1
=019，则额定负载折算到马达上的转矩T1=F・R/(ηi1・i1) =1200×918×01254/(019×515)=60314.
当最高线速度υ=110m/s，对应液压马达最高转速为
n1=
υ
2πR
×i
1
=
110×60
2π×01254
×515=206178
据此条件动力驱动选用意宁公司的径向柱塞马达I N M05-200，其主要参数如表1所示.
表1 I N M05-200马达参数表
Tab.1 Main para meters of p lunger mot or
最高转速/(r/m in)额定转矩
/
(N・m)
额定压力
/MPa
最高压力
/MPa
单位理论扭矩
/(N・m/MPa)
排量
/(m l/r)
重量
/kg
8007602528301419122
参照I N M系列马达产品样本，并考虑长期运行后元件效率的降低，马达机械效率取η
M1
=0188，马达
容积效率η
V1
=0195.
则液压马达的工作压差为Δp
1=
2πT1
V1・ηM
1
=
2π×60314
01191×10-3×0188
=2216
液压马达的工作流量为q
1=
V1n1
1000ηV
1
=
191×206178
1000×0195
=4116
14
第3期 朱鹏程等：采用负载敏感控制技术的绞车液压系统设计
312 回转马达
行星齿轮减速器为意宁公司生产的C215C型，变速比为i
2
=7.要使回转平台转速为6r/m in，回转装置
马达转速应为n=6×7=42.(单位为r/m in)，依据厂方提供数据，减速器效率为η
i2
=0194，则额定负载折
算到马达上的转矩T
2=T L/(ηi
2
・i
2
)=1600/(0194×7)=24312.(单位为N・m).选择液压马达型号为
I N M05-75，其主要参数如表2所示.
表2 I N M05-75马达参数表
Tab.2 Main para meters of hydraulic mot or
最高转速/(r/m in)额定转矩
/
(N・m)
额定压力
/MPa
最高压力
/MPa
单位理论扭矩
/(N・m/MPa)
排量
/(ml/r)
重量
/kg
100029525421511187422
参照I N M系列马达产品样本，并考虑长期运行后元件效率的降低，马达机械效率取η
M2
=0188，马达
容积效率η
V2
=0195.
回转马达的流量q
2=
n2V2
η
V2
=
42×115
1000×0195
=511
工作压差Δp
2=
2πT2
V2・ηM
2
=
2π×1600/7/0194
01115×10-3×0188
=1511
系统总流量q=q
1
+q2=4116+511=4617
313 其它元件选型
考虑系统结构紧凑、关键部件可靠性、元件价格等多种因素，并根据以上计算可选择液压泵为贵州力源L10VS045DF LR/31R变量柱塞泵，比例多路阀组为HA W E公司PS V型，其型号为PS V3G1/250-3—32 O63/63/E A2—32J6/6/E A2.其它各种控制阀选择的主要依据为阀所在油路的最大工作压力和通过该阀的最大实际流量，并考虑到系统将来维护的方便性，所有阀件均选择HA W E公司产品：梭阀6型号WV14 -S；平衡阀7型号LHK33；两位四通换向阀8型号SP3W-CK；减压阀9型号A M1-40，双向缓冲溢流阀10型号DV M4.
4 结 论
本设备采用了负载敏感柱塞泵和比例多路阀构成负载敏感控制系统，确保了卷筒马达和回转马达运动互不干扰，并且速度不受负载变化的影响.整个系统十分简洁，结构紧凑.系统运行可靠，并且节约能量，既可电控操作，也可手动操作，完全满足设计任务要求.
参考文献(References)
[1] 吴辉海.液压绞车[M].北京：煤炭出版社,1989.
[2] 王积伟，章宏甲，黄谊.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社,2006.
[3] 杨华勇，曹剑，徐兵，等.多路换向阀的发展历程与研究展望[J].机械工程学报,2005,41(10):1-5.
Yang Huay ong,Cao J ian,Xu B ing,et al.Pr ogress in the ev oluti on of directi onal contr ol valves and future trends[J].Chinese Journal of M echanical Engineering,2005,41(10):1-5.(in Chinese)
[4] Johns on O.Load sensing syste m s contr ol s peed accurately[J].Hydraulic&Pneum atics,1995(3):33-36.
[5] 顾临怡，谢莫俊.多执行器负载敏感系统的分流控制发展综述[J].机床与液压,2001(3):3-6.
[6] 冯刚，江峰.负载感应系统原理发展与应用研究[J].煤矿机械,2003(9):27-29.
Feng Gang,J iang Feng.The p rinci p le devel opment and app lied research of the l oad2sensing hydraulic syste m[J].CoalM ine M achinery,2003(9):27-29.(in Chinese)
[7] 柳波，鲁湖斌，陈金涛，等.A10V泵功率匹配的动态仿真[J].工程机械,2006,37(7):21-25.
(责任编辑：贡洪殿) 24江苏科技大学学报(自然科学版)2008年
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