海水液压软缆割刀的设计与结构分析.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 3 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 3 ． 0 2 4 海水液压软缆割刀的设计与结构分析 向鹏，牛壮，朱碧海，王亚猛 华 中科技大学，湖北武汉 4 3 0 0 7 4 摘要介绍一种海水液压软缆割刀的结构和工作原理，阐述该割刀的主要设计难点和关键技术，并对手动换向阀工作 过程及软缆割刀的剪切特性进行分析。 关键词海水液压；软缆割刀；手动换向阀 中图分类号T H1 3 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 3- 0 8 0 2 De s i g n S t r u c t ur a l An a l y s i s o f S e a wa t e r Hy d r a u l i c Ro p e S c i s s o r s XI ANG Pe n g， NI U Zh u a n g，ZHU Bi h a i，W ANG Ya me n g H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 7 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e d e s i g n a n d w o r k i n g p r i n c i p l e o f a s e a wa t e r h y d r a u l i c r o p e s c i s s o r s w e r e i n t r o d u c e d ． T h e ma i n d e s i g n d i f fi c u l t i e s a n d c r i t i c a l t e c h n o l o g y w e r e d e s c r i b e d ．T h e o p e r a t i o n p r o c e s s o f ma n u a l l y c o n t r o l l e d d i r e c t i o n v alv e a n d s h e a r p r o p e r t i e s o f r o p e s c i s s o t s we r e a n a l y z e d． Ke ywo r dsSe a wa t e r h y d r a u l i c； Ro p e s c i s s o r s； Ma n ua l l y c o n t r o l l e d d i r e c t i o n v a l v e 海 洋 占地球 表面 的 7 0 ％ 以上 ，对海洋 资源 的利 用越来越受到各沿海国家的重视。在海洋开发、深潜 救生、沉船打捞、以及舰艇的维护保养过程中，需要 借助于各种作业工具完成大量的水下作业任务。水下 作业工具驱动方式可 以分为气压驱动 、电力驱动和液 压驱动三类。 。海洋水下环境特殊 ，如水温低 ，水深 压力大 ，海水 的腐蚀性强 ，能见性差 ，洋流和海洋生 物的干扰等 ，给水下作业带来诸 多困难 。特别 是对 于 深海探测、海底钻探、海洋地质地貌及资源调查、海 底油气勘探开采及海底运输工程、现代海洋救助打 捞、水下军工技术等 ，需要借助水下作业机械来完 成 。 水下作业 工具 有 3种 驱动 方 式 ，分别 是 电力驱 动 、气 压驱动和液压驱动。液压驱动方式又分为油压 驱动和海水液压驱动 。电力驱动对绝缘等级要求 高，体积大，工作可靠性差，不能驱动往复运动的作 业工具。气压驱动作业深度小，负载刚度小，速度不 易控制，易产生气泡，影响操作人员作业。油压驱动 系统工作介质泄漏会污染海洋环境，海水易侵入，影 响工作元件寿命 ；同时需要回油管道，系统结构复 杂，可靠性低。海水液压驱动系统结构 简单，可 使用开式系统，直接从海洋中取水排水 ，不污染环 境；同时作业工具也可采用开式结构 ，由海水压力自 动平衡 ，受工作深度影响小 ；可以在水下进行作业工 具的更换，方便操作。 哈尔滨工程大学研制的深水软缆割刀采用油压驱 动方式 ，手动旋转换向阀结构复杂；系统可靠性低 ， 平直刀口，线缆容易脱出，影响作业效率；工作介质 泄漏污染海洋环境，作业深度有限 。 作者介绍了其中一种水下作业工具海水液压 软缆割刀。该割刀以海水为工作介质，最高压力可达 3 2 M P a ，流量为 3 L ／ m i n 。工作时直接将水排放到海 水中，使用方便，机动性好 ，可以切割直径 3 2 m il l 以下的电缆和各种软缆。 1 海水液压软缆割刀的工作原理 图1 软缆割刀工作系统原理图 海水液压软缆割刀通过海水液压缸带动剪切机构 的滑块运动 ，图 1为海水液压软缆割刀工作液压 系统 图。系统采用两位三通电磁换向球阀对软缆割刀进行 控制 ，软缆割刀 由两位四通手 动换 向阀和海水液压缸 收稿 日期 2 0 1 0 0 42 2 基金项目国家自然科学基金资助项目 1 0 9 7 2 0 8 6 作者简介 向鹏 1 9 8 4 一 ，男 ，硕 士研 究 生 ，主要 研究 方 向 为水 液压 元件 与 系统 。电话 1 3 4 7 6 1 9 6 6 0 3，Em a i l x p 8 40 6 06 1 26 ．c o n 。 第 1 3期 向鹏 等 海水液压软缆割刀的设计与结构分析 8 l 进行控 制和驱 动。 如图 1 所示 ，溢流 阀起 到安全 阀的作 用 ，同时与 节流阀 1构成进水调速回路 。溢流阀调定系统最高工 作压力 ，对软缆割刀的最大剪切负载进行限定 。通过 节流阀 1 调节软缆割刀海水液压缸的工作速度，实现 对剪切过程速度的控制。节流阀2设置在软缆割刀回 水管道上 ，产生背压 ，调节开 口度 ，可模 拟不同水深 压力对软缆割刀排水产生的背压 。 当两位三通 阀 电磁 铁 Y A 1得 电 ，电磁 换 向 阀阀 芯工作在上位 ，压力水经 电磁换 向阀接入 软缆 割刀 。 当软缆割刀的手动换 向阀手柄未扳动时，压力水进入 液压缸有杆腔 ，活塞杆缩 回 ，软缆 割刀刀片张开 ，软 缆放入 。扳 动手柄 ，手动换 向阀阀芯换位 ，压力水进 入海水液 压缸 的无 杆 腔 ，活塞 杆 伸 出 ，带 动 滑块 运 动 ，进 而驱动剪切机构运 动 ，实现 剪切过 程。松 开手 柄，手动换向阀复位 ，压力水进入液压缸有杆腔，为 下一个剪切循环做准备。 2结构分析 海水液压软缆割刀主要 由海水液压缸、手动换向 阀、剪 切机构 和外 壳四部分组成 ，结构见 图 2 。如 图 2所示 ，手 动换 向阀 3实 质 上是 一 个 二位 四通 的滑 阀，阀套上开有小孔 ，通过套筒 4中的两 个通道 分别 与海水液压缸 1 O的无杆 腔和 有杆腔 相通 。当压力 水 从套筒4左侧进水 口接入软缆割刀，手柄 2未扳动 时，压力水通过手动换向阀2进入海水液压缸 1 0的 有杆腔，无杆腔与软缆割刀排水口相通。活塞 8 处于 缩 回状态 ，滑块 1 1 处于左端极限位置 ，连杆 1 6拖动 刀片转 动 ，刀 口张开 ，软缆 放入 。扳 动手柄 2 ，手动 换 向阀 3的阀芯上移 ，压力水 进人海 水液 压缸 l 0的 无杆腔 ，活塞 8伸 出 ，带 动连 接滑 块 1 1向右 移动 ， 进 而通 过连杆 l 6带 动刀 片 1 7转动 ，实 现剪切 过程 。 软缆 割刀的排水 口通 过阀芯 中心 的孔 道引 出到手柄 2 处 ，直接与外界海洋环境相通，省略了回水管道 ，简 化 了作业 系统 ，增加作 业系统的可靠性。 套 筒 4将海水 液压 缸 l 0轴 向限定 ，但 海水 液压 缸 l 0周 向可 以旋 转 ，用 于适应 不 同的工况 ，完 成对 不同角度的软缆的切割，操作方便 ，使用范围广。活 塞 8中心采用空腔结构 ，可减轻质量 ，减小惯性 ，缩 短工作周期 。活 塞 8上格 来 圈 7用 来 实 现往 复 式密 封 ，在移 动速度较 小 的条件下 ，可 以满 足密 封要求 。 格来圈 7两侧导向环 6起导向作用，使活塞 8在液压 缸 1 0缸孔 中运行平稳 。 整个软缆割刀浸入海水中作业 ，各零部件采用耐 海水腐蚀的材料。当工作深度较大时，形成背压，对 控制两位 四通 阀的阀芯产生 一定 阻碍力 ，阀芯设计时 采用平衡结构 ，将外界海水引入阀芯底部，使阀芯运 动 时两侧海水 压力平衡 ，减 小手柄 扳动时的阻力 ，更 利于操作 。切 割处 为半 圆形 刀 口，相 比平 直刀 口，软 缆不易脱 出 ，更有利 于剪切 。在 活塞杆作用 下 ，滑块 水平运动 ，刀片由连杆带动 ，绕销轴转动 ，刀 口周期 性打开和闭合 ，实现剪切过程。刀片材料采用沉淀硬 化不锈钢合金 ，渗氮处理 ，提高硬度 ，增加寿命。 图2 软缆割刀结构图 3剪切机构分析 剪切机构采用曲柄滑块机构，滑块由液压缸活塞杆 通过螺钉刚性连接带动，作为原动件，带动连杆运动， 进而带动刀片绕销轴转动，其结构简图如图3 所示。 图 3中 P为系统压力 ，A为海 水液压 缸无杆 腔横 截 面积 ， 表示活塞杆对连接滑块 的推力 。 竽 p Tr x 6 0 2 3 2 9 。 4 7 8 N 1 式中d为海水液压缸内径。 下转第 1 6 2页 1 6 2 机床与液压 第 3 8卷 4结 论 模拟了某隧道油类火灾在3种通风条件下的烟气 流动和温度分布，仿真研究表明 1 通风条件对隧道内火灾的烟气流动和温度 分布影响较大 ； 2 隧道 内高 温烟气 沿隧 道顶部 运 动 ，隧道顶 部火源上方的温度最高，低温气体沿隧道下部流动， 低温空气被卷吸向隧道顶部流动； 3 火源下风区的隧道壁面温度高于上风区， 烟气在火源上风区一侧有回流现象 ，通风风速越大， 回流现象越明显且越强烈 。 参考文献 I 1 】 张晓明， 李风， 谢元一， 等． 秦岭终南山隧道火灾工况下 的通风模拟[ J ] ． 消防科学与技术， 2 0 0 7 6 6 2 96 3 2 ． 【 2 】 刘军， 刘敏， 智会强， 等． F D S 火灾模拟基本理论探析与 应用技巧[ J ] ． 安全科学技术， 2 0 0 6 1 6 9 ． 【 3 】C h e n X i a o j u n ． S i m u l a t i o n o f t e m p e r a t u r e a n d s m o k e d i s t r i b u t i o n o f a t u n n e l fi r e b a s e d o n mo d i fi c a t i o n s o f mu l t i - l a y e r z o n e m o d e l [ J ] ． T u n n e l l i n g a n d U n d e r g r o u n d S p a c e T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8 2 3 7 5 7 9 ． 【 4 】王婉娣． 长大公路 隧道火灾通风三维数值模拟研究 [ D] ． 成都 西南交通大学 ， 2 0 0 4 ． 【 5 】 T z u S h e n g S h e n ， Y u H s i a n g H u a n g ， S h e n - We n C h i e n ． U s i n g fi r e d y n a m i c s i mu l a t i o n F D S t o r e c o n s t r u c t a n a r s o n fi r e s c e n e [ J ] ． B u i l d i n g a n d E n v i r o n m e n t ， 2 0 0 8 4 3 1 0 3 6 1 o4 5． 上接第 8 1页 图 3 剪切机构简图 软缆割刀在剪切初始位置受力最大 ，则在圆弧 形刀 口中心点 G处产生 的最大剪切力 为 4 ． 1 3 21 T6 0 ， 2一 cosa x c E 一l Ec x s i n 3 2 ． 6 x 6 8 7 1 2 3 5 2 9 N 2 式中z 凹、 分别为点 c与点 E ，点E与点 G的距离。 由式 2 的结果可以看出，软缆割刀在工作压力 3 2 M P a 时，软缆割刀刀口处的剪切力可以达到2 3 5 2 9 N ， 经试验验证，能够剪断直径3 2 n l m以下的软缆。 4结论 所设计的海水液压软缆割刀结构紧凑，操作简 单，环境相容性好。软缆割刀最高工作压力可达 l 4 M P a ，流量为3 L ／ m i n ，能够一次性割断直径 2 m m 的线缆 ，能够完成水下剪切软缆的作业要求。 参考文献 【 1 】刘志浩 ， 高世伦． 水下作业工具液压动力源的研制[ J ] ． 海洋技术， 2 0 0 2 6 2 I 一 2 3 ． 【 2 】杨署东， 李壮云， 余祖耀， 等． 海水液压水下作业工具 [ J ] ． 海洋技术， 1 9 9 8 1 5 0 5 4 ． 【 3 】贺小峰 ， 黄国勤， 朱碧海 ， 等． 海水液压动力驱动的水下 作业工具系统[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 4 8 4 9 5 1 ． 【 4 】张波 ， 王茁， 袁鹏， 等． 一种新型水下作业工具 一 软缆割 刀[ J ] ． 机械工程师， 2 0 0 1 1 1 5 2 5 3 ． 【 5 】王启明， 高安礼 ， 谭定忠． 深水液压软缆割刀设计[ J ] ． 设计与计算 ， 2 0 0 6 9 9 0 9 1 ． 上接 第 1 5 8页 根据式 8 Q 的表达式 ，不经过 中间计算 ，直 接代人参数 ，S I MU L I N K仿真模 型图如 图 3 所示 。 根据图 3的仿 真模 型 ， 进行仿真，结 果如 图 4所 示 。 由图 4可知 ，当 t “r r ／ 2 z w 0 ． 7 5 m s 时 “ r r ／ 2 z ，Q Q ，且 Q 。 达 到了最大值 ，与计算结果 相 比，误差很小 。 3结 论 图 4 瞬时流量 二次 仿真结果图 在用 M A T L A B仿真的过程 中，很大程度上只关 注仿真的结果 ，忽略仿真的精度，该问题在欠缺理论 推导的情况下尤为严重，导致仿真结果与实际存在较 大的误差 。作 者 对 C B B 2 5 0型大流 量齿 轮 泵 的瞬 时 流量进行了仿真，首次仿真结果某些值与理论推导值 存在2 0 ％的误差，经过分析 ，引起该问题的主要原 因为 M A T L A B数据计算存在舍入误差 ，如果舍人误 差互相传递 ，将会导致仿真精度在某些程度上受到很 大的影响。二次仿真中，在 S I M U L I N K仿真模型中代 人原始参数，大幅提高了仿真精度。 参考文献 【 1 】 周毓明． C B ． B型大流量齿轮泵的设计研究[ J ] ． 煤矿机 械 ， 2 0 0 7 1 2 1 51 7 ． 【 2 】 何存兴． 液压元件[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 8 2 ． 【 3 】 薛定宇． 基于 M A T L A B ／ S I M U L I N K的系统仿真技术与 应用[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】张军． 低脉动齿轮泵瞬时流量特性研究[ J ] ． 安徽理工 大学学报， 2 0 0 4 1 2 3 7 4 0 ．