用于吊装风电机组起升卷扬闭式液压系统设计.pdf
Hy d r a u l i c s P n e u m a t i C S S e a l s / No . 1 2 . 2 0 1 4 d o i l O . 3 9 6 9 4 . i s s n . 1 0 0 8 0 8 1 3 . 2 0 1 4 . 1 2 . 0 0 4 用于吊装风电机组起升卷扬闭式液压系统设计 管小兴 郑州新大方重工科技有限公司, 河南 郑州 4 5 0 0 6 4 摘 要 该文论述了用于吊装风电机组起升卷扬闭式液压系统设计原理, 针对系统设计结合吊装风电的工作特性和安全要求进行分析 和改进完善; 通过Q L Yl 5 6 O 型轮式起重机使用证明, 起升卷扬闭式液压系统性能良好满足吊装风电的需要。 关键词 吊装风电机组 ; 起升卷扬; 闭式液压系统 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 1 2 0 0 0 9 0 5 Cl o s e d Ci r c u i t Hy d r a u l i c S y s t e m De s i g n o f W i n c h f o r Ho i s t i n g W i n d T u r b i n e s GUAN Xi ao- xi n g Z h e n g z h o u Ne w Da f a n g He a v y I n d u s t r y T e c h n o l o g y C o . L t d . , Z h e n g z h o u 4 5 0 0 6 4 , C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r d i s c u s s e s u s e d f o r h o i s t i n g wi n d t u r b i n e s l i ft i n g wi n c h c l o s e d h y d r a u l i c s y s t e m ’ d e s i g n p r i n c i p l e , wh i c h i s a n a l y z e d c o mb i n e d w i t h the w o r k i n g c h a r a c t e ri s t i c s a n d s a f e t y r e q u ff e me ms and t o i mp r o v e a n d p e r f e c t ; u s i n g the QL Y1 5 6 0 c e r t i fi c a t e w h e e l e d c r a n e , l i ft i n g winc h c l o s e d h y dra u l i c s y s t e m wi t h g o o d p e r f o r man c e me e t s t h e n e e d s o f wi n d po we r l i ft i n g Ke y wo r d s h o i s t i n g wind t u r b i n e s ; l i fti n g wi n c h; c l o s e d c i r c u i t h y dra u l i c s y s t e m 0 引言 我公 司研制和生产 Q L Y1 5 6 0 型轮胎起重机专用于 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 2 9 作者简介 管小兴 1 9 6 2 一 , 男, 江苏常州人 , 工程师, 学士, 研究方向 液 压系统设计及应用 。 风力发 电机 组 简 称风 电机组 的安 装 ; 起 升卷扬 是 Q L Y1 5 6 0型轮胎起重机执行 吊装 的关键装置 , 由闭式 液压系统驱动 ; 闭式液压系统在主机中既用于起升卷 扬 的驱动 , 又能通过切换阀组切换用于下车马达行走 。 起升卷扬性能优劣直接影响风电机组的吊装, 而 决 定起升卷扬 的性能 主要 由 自身 闭式 液压 系统 所决 允许偏差 的 1 / 4~1 / 3 之内。 卸 z 1 {△p A 一 A 一 ∑ 后 。 。 一 1]} 式中a p 出口压力偏差, 单位 M P a ; A 膜片有效面积 mm ; A 阀座受力面积 m m ; A 卸荷面积 m m ; 卸 进口压力偏差, 单位 M P a ; ∑ 综合刚度 , 单位N / m m ; h 。 阀芯额定开度 , 单位 m m ; z n 超临界工况下的系数 , 、/后 V ; Z亚临界工况下的系数, Z n 气体多变指数, 无量纲; P 。 额定进 口压力 , 单位 MP a ; P 进 口压力 , 单位 MP a 。 3 结论 对该类元件 的设计进行 了总结 , 并在实际工作 中 进行 了试验验证 , 能够较好 的满足重量在 0 . 4 k g 以下 , 进 口 压 力 ≤1 . 6 MP a , 出 口 压 力 在 O . 0 2 ~0 . 1 MP a 2 %一5 % 范围内的减压器设计要求 。 参考文献 [ 1 】 杨源泉阀 门设计手册[ M ] . 北京 机械工业出版社 , 1 9 9 2 . 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[ 7 】 Q J 1 1 4 3 A 一 2 0 0 8 , 导弹 运载火箭 用气体通用规范【 s 】 . 9 液 压 气 动 与 霜p .t d - /2o 1 4年 第 1 2期 定, 起升卷扬闭式液压系统设计将成为Q L Y 1 5 6 0 型轮 胎起重机 的关键技术之一。 1 起升卷扬液压系统功能要求 1 . 1安全要求 随着 国内风力发 电快速发展 , 风 电机组安装 专用 设 备越来越 引起人们的关注 ; 风 电机组安装对安装设 备要求高 , 起 吊载荷大 额定起 吊重量 l O O t , 起升高度 高 额定起升高度 1 0 0 m , 起 吊的风电机组价格昂贵, 对吊装作业安全要求非常严格 , 需要设置多级安全制 动保护包括有一套能有效解决泵 、 马达连接的主管路 如意外破裂使起升重物失速坠落问题的技术方案, 确 保 吊装过程中万无一失 。 1 . 2 工作特性要求 起升卷扬要求吊装启停无冲击 , 运行平稳; 起升重 载时卷扬大扭矩低速 , 轻载或空载时卷扬小扭矩高速 , 具有高低速功能 , 高效率; 在吊装过程中当风电机塔身 与机箱、 机箱与风叶等部件的安装定位、 连接固定时, 常需要使吊起的组件频繁在空中起升、 停止、 下降等的 微调动作 , 并保证微调动作时平稳、 精准而且在停止或 启动时主勾不能 自动下滑 简称不能二次落勾 事故 的 发生, 否则会危及人身和设备的安全, 具有微调功能。 2 原有系统的描述 2 . 1原有起升卷扬闭式液压系统设计原理 1 起升卷扬液压采用效率高、 响应快闭式液压系统, 液压系统设计采用通 用的闭式驱动卷扬液压原 理 ; 如 图 1 所示 。 发动机驱动主泵 1 A 4 V G1 8 0 E P闭式变量柱塞泵1 , 主泵 1 输 出压力油源驱动起升卷扬马达 4 5 1 V 2 5 0 变量 柱塞马达 , 马达 4 带动减速机 、 辊筒转动 , 使起升卷扬 进行主勾的升降动作; 微电控制主泵 1 和马达4 各自的 比例阀控制其排量, 满足吊装载荷与速度匹配要求; 卷 扬升降通过主泵 E P 控制完成, 卷扬起升为主泵 1 一侧 B端输出压力油源时 , 卷扬下降为主泵 1 另一侧 A端输 出压 力油源 时 ; 主泵 1 与 马达 4 构成 闭式液 压系统 回 路 ; 闭式液压系统中补油泵9 为系统低压侧补油, 即把 油箱中低温油液补进闭式液压系统中, 冲洗阀组3 使系 统低压侧按一定比例油量冲洗 溢流 到油箱, 即把系 统中高温油液一部分回到油箱, 通过这补油、 冲洗功能 设计来降低闭式液压系统中油温 , 为了保证系统稳定 和低压侧油压恒保持补油压力 , 系统 中补油量必须大 于冲洗量; 闭式液压系统中制动器组件5 、 7 和控制阀组 8 , 控制泵 l 0 联合使用 , 控制卷扬驻车制动和棘轮棘爪 1 0 机械制动 , 这二级制动主要适用于驻 车制 动的安全保 护 ; 卷扬行车制动靠静液压制动 , 原理为微电控制主泵 1 的排量逐步减少 , 同时马达排量 至最大 , 当主泵 1 排 量减少至零时, 卷扬将平稳停止。 4 3 卜主泵2 一 冲洗 }阋组3 一 压力传感器4 一 起升卷扬马达 5 、 7 一 制动器组件6 一 马达转速传感器8 一 控制阀组 9 一 补油泵1 O 一控制泵 图 1原有起升卷扬 闭式 液压 系统设计原 理 1 使用情况 起升卷扬工作平稳 , 微调功能 良好; 但 在吊装重载过程中当主勾停止再启动时主勾会有 自动 快速下滑情况发生 , 影 响吊装和人生安全 , 自动下滑简 称二次落勾。 二次落勾原因分析 根据 以上介绍 , 当主泵一侧 A 端输出压力油源时, 卷扬下降, 当卷扬起吊重物下降 时 , 在重物 自重的作用下 , 主泵另一侧 B端与马达连接 端形成高压区, 稳速下降, 当下降停止 , 卷扬驻车制动 和另一级机械制动工作 , 这段 高压 区内形成 的高压 由 马达、 泵和冲洗阀等系统的泄漏使压力下降, 随着压力 持续降低 , 把原先高压时融人液压油液中的空气又重 新析出, 当停止的卷扬又启动继续下降时, 二级制动解 除 , 起吊重物在 自重作用下将快速 自动下滑 即发生二 次落勾事故 , 压缩系统 B端 中空气 , 直至又形成高压 区为止, 主勾才能平稳下降, 其自动下滑量与B 端泄漏 量及含气量有关。 二次落勾解决方案及效果 如图1 所示, 在系统B 端处增加一个压力传感器 3 , 当卷扬在起吊重物下降 时, B 端形成的高压区压力信号由压力传感器3 检测并 反馈到微电控制器 , 当停止的卷扬再启动时 , 首先主泵 1 给另一侧 B 端输 出油源压力至停止前 的压力值 , B端 形成高压 区, 然后打开制动器并使主泵 1 换 向给 A端输 Hyd r a ul i c s P ne u ma t i c s S e a l s / No. 1 2. 201 4 出油源使起吊重物继续下降, 来解决主勾二次落勾问 题 ; 有效果, 但精准定位困难, 尤其在微调时反复停止、 启动、 停止 的情况下 , 难 以适合风电吊装工况 ; 系统仍存在安全隐患 如图 1 所示 , 在泵、 马达连接 的闭式液压系统 中 , 连接 主管路一旦意外发生破裂将 会使起吊重物失速坠落, 即使在系统中有马达转速传 感器7 检测马达转速失速, 通过微电控制, 使控制阀组 8 动作 , 使制动器组件 5 、 7 制动工作 , 行 使行车制动功 能 , 但制动效果不理想 , 因为制动器组件 5 、 7 适用于驻 车制动工况 , 这样 闭式液压 系统用于 吊装风 电机组存 在安全隐患。 2 . 2 原有起升卷扬闭式液压系统设计原理 2 针对上述原有起 升卷扬 闭式液压系统设计所存在 的不足 , 结合风 电安装 的安全要求 , 在原有的闭式系统 中卷扬马达一端加装一平衡阀, 解决系统主泵、 马达连 接的主管路一旦意外破裂使起升重物失速坠落问题 , 增加了系统安全保护 ; 如 图2 所示。 6 5 1 一 主泵2 一 冲洗 f阋组3 一 。 衡阀4 一 起升卷扬马达5 、 7 一 制动器组件 6 一 马达转速传感器8 一 控 制阀组 9 一 补油泵1 0 一控制泵 图2原有起升卷扬闭式液压系统设计原理2 主要工作原理与上述原有起升卷扬闭式液压系统 设计原理 1 基本相 同, 不 同之处在此系统 中增加 了一套 平衡阀3 , 去掉了原系统压力传感器; 在起升卷扬下降 时 , 主泵 A侧输 出油源压力必须大于平衡阀3 先导开启 压力 , 才能使卷扬下降, 当卷扬起吊重物下降时, 在重 物 自重的作用下 , 马达端与平衡阀之间连接端形成高 压区 , 由于平衡 阀安装在马达一端 , 形成高压区间容积 极小 , 在这极小容积内含气量极少 , 解决 了主勾二次落 勾问题。 使用情况 起升卷扬起吊重物正常 , 没有出现主勾 二次落勾现象 , 但在微调卷扬主勾速度时 , 卷扬发生振 动; 卷扬空载下降系统压力比原来高, 闭式系统油温高 等情况 。 卷扬振动和系统油温高原因分析 我们选用平衡 阀为S U N标准通用平衡阀, 它的最大流量为4 8 0 L / m i n , 当卷扬微动下降时, 主泵A 侧输出油量很少, 当A侧输 出油源压力达到平衡阀先导开启压力 时, 平衡阀打开 , 闭式系统A侧压力瞬间下降, 平衡阀又重新关闭, 就这 样平衡阀的反复开启、 关闭、 开启的现象 , 就造成了卷 扬的振动 。说 明系统在小流量时不易控制大流量平衡 阀开启的平稳性 , 尤其在重载下降工况较为困难。 平衡阀增设使闭式液压系统压力增高, 尤其在空 勾下降时, 其系统主泵A侧的压力提高了很多, 导致系 统消耗功率增加 , 系统油温升高的现象。以下通过计 算平衡阀先导开启压力, 进行理论分析 平衡 阀先导开启压力计算 采用 S U N标准型平衡 阀, 型号 C B I G L J N 平衡 阀参数 最大流量4 8 0 L / mi n 先导压力 比4 . 5 1最大设定压力 3 5 M P a 根据S U N 资料计算先导开启压力 负载等效压力 p 先导开启压力 p R 先导压力 比 S 阀设定值 p 闭式系统特性 , A / B两端 的最低压力为系统补油压 力也是平衡阀出口背压压力 PD2. 5 M Pa P 。 平衡阀背压。 一 旦平衡阀出口有背压, 则将原有的设定值改变 , 设定值将增加 了 S 1 1 p R X p D 有背压的平衡 阀先导开启压力为 一一.s 1 p R p D 一 pP R 1 一 一 重载工况 当起升额定重载 1 0 0 t 时, 根据现场试验结果显示 负载等效压力L 2 7 M P a 。 根据设计规范平衡 阀设定压力为起升额定压力的 1 3 0 %, 则 S 3 5 MP a 。 平衡阀先导压力比 PR 4 . 5 平衡阀背压 P 2 . 5 MP a 液 压 气 动 与 密 . d - / 2o 1 4年 第 1 2期 当起升额定重载 l O O t 下降时 , 先导开启压力 p 兰 3 .9 5 MPa pRl 轻载 空勾 工况 卷扬的起升载荷为 起升主勾 自重, 负载等效压力 LI . 5MPa 设定压力 S 3 5 MP a 平衡阀先导压力比 PR 4. 5 PD 2. 5 MPa P 一A / B两侧最低压力 平衡阀背压 当空勾下降时, 先导开启压力 p S O P . . P D - 一 L 8 . 5 9MPa pRl 计算说明在空勾下降时, 主泵 A侧输出油源压力 需要大于 8 .5 9 M P a 时, 才能开启 B 侧设置的平衡阀, 使 主勾下降; 实际上如果没有平衡阀的设置, 主勾下降在 主勾 吊具等自重作用下 , 主泵A侧只需要很小压力就 能使主勾下降; 系统中平衡阀的设置, 在主勾下降时增 加主泵 A侧输 出油源压力 , 发动机驱动功率也随之增 加 , 这些增加消耗的功率将 由平衡阀产生热量反映在 闭式液压系统中,使闭式液压系统油温升高。同理在重 载下降时, 为了使重物的下降稳定, 由主泵A侧压力大 小控制平衡 阀通流量达到稳速 ; 平衡 阀同样需要消耗 能量使其发热; 通过上面的计算和分析; 在微调时平衡阀造成卷 扬工作不稳出现震动; 平衡阀在系统中消耗功率、 系统 发热 。 3 现有闭式液压系统设计原理 针对 原有起 升卷扬 闭式 液压 系统设 计原 理 2所 存在 的微调时卷扬振动 , 系统发热等问题进行分析 和 改进 完善 ; 现有 的 Q L Y1 5 6 0型 轮胎起 重 机起 升卷 扬 闭式液 压 系统解 决 了上述 所 出现 的问题 , 并 增加 了一套辅助降温系统 , 确保起升卷扬工作稳定性。 如图 3 所示 。 发动机驱动闭式液压系统中主泵 1 和补油泵 1 1 , 主泵 1 驱动起升卷扬马达4 , 马达带动减速器、 辊筒, 实 现主勾的升降; 闭式液压系统通过微电控制主泵 1 和马 达 4 的排量实现无级调速; 当主勾需要微调时, 主泵 1 通过微电控制输出小排量到起升卷扬马达4 , 马达4 通 过微电控制至排量到最大, 同时控制泵 1 3 通过控制阀 组 1 O , 使外控先导油液与闭式液压系统A侧先导油液 合流开启平衡 阀3 , 这样使平衡 阀3 开启及畅通 , 系统 1 2 小流量使马达 4 转速至最低 , 扭矩最大 , 实现主勾起降 重载时平稳低速或微动 ; 原理为 控制泵 1 3 通过控制阀 组 1 0 , 控制外控先导油路上设置有单向阀9 , 使主系统 A 侧内控高压油源不会倒流到外控系统中影响主系统 性能 , 当主系统 A侧 内控油压过低或压力波动时, 在外 控先导油液介入下, 合流控制使其压力最大值开启平 衡阀, 由于内控一侧设置有阻尼节流阀8 , 开启平衡阀 先导压力不会随之波动, 使平衡阀保持开启状态, 解决 了卷扬 由平衡 阀引起 的振动。内外联控使平衡阀开启 通道畅通 , 消除了平衡 阀在系统工作 时产生热量 的问 题, 尤其在空勾下降时, 其系统压力由原来 8 .5 9 M P a , 降 低到现在的1 .5 M P a , 降低系统压力和发动机功率损耗 , 同时增加安全防护。 6 卜主泵2 一 冲洗 阀3 一 平衡 阀4 一 起升卷扬马达 5 、 7 一 制动器组件6 一 马达转速传感器8 一 阻尼节流 阀 9 一 单向阅 1 0 一 控制阀组l 1 一 补油泵1 2 一 辅助降温系统1 3 一 控制泵 图3现有闭式液压系统设计原理 制动器 5 、 7 和平衡 阀3 实现系统 的三级制动确保 系统的安全; 当主勾下落时, 在主泵B 侧管路中马达端 设置有一平衡阀3 , 当起升重物在下降中如主系统管路 发生意外破裂, 马达上转速传感器6 检测并反馈到微电 控制器, 控制阀组 1 0 控制, 切断外控平衡阀先导油源, 平衡阀随之关闭使重物坠落停止, 解决了在没有设置 平衡 阀的闭式系统中不易解决的安全问题 。同时平衡 阀安装在马达一端上又解决了二次落勾的问题。 补油泵 1 1 为主系统低压一侧补油 , 冲洗阀3 为闭 式液压系统低压一侧的高温油液按比例溢流到油箱 , 降低闭式系统油温。 辅助降温系统 1 2 降温原理 油箱中油液通过齿轮 Hy d r a u l i c s P n e u ma ti c s S e a l s / No . 1 2 . 2 0 1 4 d o i l O . 3 9 6 9 / j 。 i s s n . 1 0 0 8 0 8 1 3 . 2 0 1 4 . 1 2 . 0 0 5 磨料水射流切割铝合金质量模型研究 陶 欢, 雷玉勇, 杨 涵, 张 丽, 陈 玄 西华大学 机械工程与自 动化学院, 四川 成都6 1 0 0 3 9 摘要 通过理论研究 , 分析了磨料水射流去除材料机理及其影响因素。采用正交设计法, 进行铝合金切割试验。以切割断面的表面 粗糙度值为研究对象 , 对测得的试验数据进行极差分析。分析结果显示 , 射流压力、 切割速度和磨料流量对切 口表面粗糙度的影响较 大; 靶距和磨料粒子的尺寸对切 口表面粗糙度的影响次之。用回归分析方法 , 建立了磨料水射流切割铝合金材料的表面粗糙度模 型。通过试验验证, 模型的误差在 1 .9 8 %一 5 . 1 4 %之间。 关键词 磨料水射流 ; 铝合金; 切割; 表面粗糙度 中图分类号 T G 4 8 7; T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 1 2 0 0 1 3 0 3 M o d e l i n g o f Cu t t i n g Al u mi n u m Al l o y Us i ng Ab r a s i v e勋 f e r J e t T AO Hu a n, L E l Y u - y o n g, Y ANGHa n, Z HANGL i , CHENXu a n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n gAu t o ma t i o n , Xi h u a Un i v e r s i t y , C h e n g d u 6 1 0 0 3 9 , C h i n a Ab s t r a c t T h e me c h a n i s m o f ma t e r i a l r e mo v a l b y a b r a s i v e wa t e r j e t and i t s i n fl u e n c e f a c t o r s a r e a n a l y z e d b y t h e o r e t i c a l r e s e a r c h . Th e t e s t o f c u t t i n g a l um i n um a l l o y i s c a r ri e d o u t u s i n g o h o g o n a l d e s i g n me tho d . T h e n the s u r f a c e r o u g h n e s s v a l u e s o f c u t t i n g s u r f a c e a r e s t u d i e d . Th e e x p e ri me n ml d a t a i s ana l y z e d b y r a n g e ana l y s i s . T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t the j e t p r e s s u r e , t r a v e r s e s p e e d and a b r a s i v e fl o w r a t e p l a y an i m- p o r t a n t r o l e o n t h e s u r f a c e r o u g hn e s s o f c u tt i n g s e c tio n . Th e s t a n d o ff d i s t a n c e a n d the a b r a s i v e p a r t i c l e s i z e h a v e s e c o n d a r y e ffe c t o n t h e S i l l “- f a c e r o u g h n e s s . F u r t h e r mo r e , a mo d e l f o r p r e d i c ti n g the s u r f a c e r o u g hne s s o f a b r a s i v e wa t e r j e t c u tt i n g a l um i n um a l l o y wa s e s tab l i s h e d b y the r e g r e s s i o n an a l y s i s and v a l i d a t e d b y t h e e x p e ri me n t s . Th e e r r o r o f mo d e l v a r i e s b e t we e n 1 . 9 8 % a n d 5 . 1 4 %. Ke y wo r d s Ab r a s i v e wa t e r j e t ; Al um i n um a l l o y ; c u t t i n g ; s u r f a c e r o u g h n e s s O 引言 磨料水射流 A b r a s i v e Wa t e r J e t , A WJ , 是在普通纯 水射流中加入一定数量、 质量和硬度的磨料颗粒而形成 基金项目 四川省科技厅项 目资助 2 0 1 1 J Y Z 0 1 7 ; 西华大学研究生创新 基金 y c j j 2 0 1 4 0 6 3 / y c j j 2 0 1 4 0 6 0 收稿日期 2 0 1 4 0 5 0 8 作者简介 陶欢 1 9 8 9 一 , 女 , 湖北襄阳人 , 硕士研究生, 主要研究方向为 特种精密加工技术 。 的固液两相射流。在磨料水射流中, 水介质作为磨料颗 粒的载体, 将水的高能量传递给磨料颗粒, 使连续水射 流对物体的静压作用变为高速运动的磨料颗粒对物体 的高频 冲蚀和切削作用n , 切削能力得到显著增强。 相比传统刀具加工 , A wJ 切割具有加工温度低、 无 热影响区、 加工质量好、 对材料无选择性、 环境友好等 优势 , 广泛用于新型材料和传统切割难以实现的材料 加工 。本 文通过对铝合金进行磨料水射流切割试验 , 泵输出经风冷却器冷却后 , 低于单向阀设定压力的油 液通过控制 阀组 1 O 对马达 4 壳体进行 冲洗冷却 , 冲洗 马达4 壳体油液压力保证许可压力之内, 实现对主系统 中的起升卷扬马达4 进行降温。 4 结束语 通过 Q L Y 1 5 6 0型轮胎起重机在 国内多个风场进行 风电机组吊装的使用证明, 起升卷扬工作性能稳定, 工 作效率高, 微调性能好, 定位精准 , 没有出现二次落勾 现象 , 起升卷扬闭式液压系统油温稳定 , 多道安全制动 保护, 做到在吊装时万无一失。希望本文对于卷扬在 闭式液压系统设计中提供一种设计思路。 参考文献 [ 1 】 吴晓明, 高殿 明. 液压变量泵 马达 变量调节原理与应用 [ M】 . 北京 机械工业出版社, 2 0 1 2 . 【 2 】 雷天觉. 新编液压工程手册【 M 】 .北京 北京理工大学出版社 , 1 9 9 8 . 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