一種新的船用大型液壓升降機液壓系統

李新獻，谷文平，吳天安

（中船華南船舶機械有限公司，梧州 543001）

1 前言

液壓升降機廣泛應用于貨物的上下搬運，一般都使用液壓缸作為驅動元件：上升階段液壓缸驅動升降平臺和貨物向高位運動，液壓系統做的功轉換成了升降平臺和貨物的重力勢能；下降階段從高位下降到低位的過程中，升降平臺和貨物的重力做功，它們的勢能轉換成其它型式的能量。

本文設計的升降機屬于某船用液壓升降機升級項目，該升降機配套的船舶上原來安裝有一臺液壓升降機，主要用于升降大型貨物（例如車輛）。在使用過程中，暴露出運行速度無法滿足需求的問題，因此用戶提出了對升降機進行升級以提高運行速度的要求；同時，為了降低經濟成本、節省安裝空間和降低整船重量，用戶還要求新的升降機液壓系統必須使用船上原有的液壓泵站。該液壓泵站為船上多套設備共用，使用的是恒壓變量泵，因此新的升降機液壓系統的工作壓力必須沿用原液壓泵站的輸出壓力；所有正在工作的設備的流量之和不能超過原液壓泵輸出的最大流量，否則液壓泵會出現系統失壓。

新的設計除了受到船舶現有條件的限制之外，還要考慮船舶升沉、橫搖、縱搖等運動的影響，從而對升降平臺的結構強度、剛度以及升降機工作過程中的穩定性有更高的要求，這一方面導致了新設計的升降平臺的重量龐大，不但比相同工作負載的陸用液壓升降機大得多，有時甚至大大超過所需搬運的貨物重量，如果采用常規設計，則液壓缸的規格也相應增大，工作時需要的流量也很大。

本文參考文獻[1]，利用復合缸—蓄能器，在升降機構上升時，通過活塞對機構施加一個輔助舉力；又參考文獻[2]，使用一個主液壓缸和一個輔助液壓缸，輔助液壓缸上放置配重，把升降平臺的勢能轉換成配重的勢能；以及參考文獻[3]，利用蓄能器在下降時把重力勢能進行存儲。設計了一種由液壓缸和蓄能器組成的自重平衡系統，通過抵消升降平臺重量來減小液壓缸的受力，減小液壓缸規格，達到在不增加系統流量的前提下，提高升降機運行速度的目的。

2 常規液壓升降機液壓系統

2.1 液壓系統組成

常規液壓升降機的液壓系統，由電動機、液壓泵、溢流閥、單向閥、換向閥、蓄能器、液壓缸、平衡閥以及升降平臺組成：其中，行走型的液壓升降機一般使用柴油機代替電動機作為動力源，大多數小型液壓升降機并不安裝蓄能器，而較大型的有時會安裝。蓄能器利用液壓缸的有桿腔的活塞面積比無桿腔小、下降階段所需的流量較起升階段小的系統特性，在下降階段把液壓泵多余的流量進行存儲供下次起升使用。升降平臺的重量是固定的，每次上升時，2個液壓缸需克服升降平臺的重力做功。

常規液壓升降機液壓系統圖，如圖1所示。

圖1 常規液壓升降機液壓系統圖

2.2 工作原理

（1）上升階段

上升前先給蓄能器6充油，使其壓力達到規定值，再操控換向閥5工作在左位，蓄能器6預存的高壓油液和液壓泵2輸出的高壓油液一起經平衡閥8進入液壓缸7的無桿腔，形成壓力PA1作用在活塞面積A1上，活塞桿驅動升降平臺攜帶貨物上升。液壓系統做的功，大部分轉換成了升降平臺和貨物的重力勢能。

（2）下降階段

換向閥5工作在右位，液壓缸7無桿腔的高壓油液經過平衡閥8和換向閥5回到油箱。升降平臺和貨物的重力勢能，在平衡閥8處轉換成液壓系統中的熱能，釋放在液壓油中使油溫升高。

（3）運行速度

起升工況下，活塞桿伸出所需要的時間為：

下降工況下，活塞桿完全收縮所需要的時間為:

式中：D——液壓缸的活塞直徑，m;

d——液壓缸的活塞桿直徑，m；

S——液壓缸活塞的行程，即升降機的運行高度，m;

Q——進入液壓缸的流量，L/min。

根據上述公式，在升降機運行高度不變的前提下，要想減小活塞的運行時間增大升降機運動速度，可通過增大流量Q和減小活塞直徑D的辦法來實現。因此，如果是全新的設計，增大液壓泵站的流量Q是最直接、最簡單的解決方案。但本文設計的升降機由于流量受限，所以無法采用此方案。

至于減小活塞直徑D的方案，根據液壓缸的推力公式

式中：D——液壓缸活塞直徑，m；

P——作用在液壓缸活塞面積上的壓力，pa。

如果在升降平臺和貨物的重量不變的情況下直接減小活塞直徑D，則液壓缸的推力會減小，升降機無法提升額定負載；只有在減小平臺的重量（即減小液壓缸受力）的情況下，減小液壓缸活塞直徑的方案才可行。

減小升降平臺自身的重量，除了眾所周知的優化結構設計、使用高強度材質等之外，還可以在液壓系統下功夫。下面介紹的升降機采用了一種自重平衡系統，通過它可以抵消升降平臺重量，使減小液壓缸規格成為可能。

3 基于自重平衡的升降機液壓系統

3.1 液壓系統組成

基于自重平衡的船用大型液壓升降機系統，由電動機1、液壓泵2、單向閥3、溢流閥4、電比例換向閥5、電磁換向閥6、溢流閥7、單向閥8、 液壓缸9、平衡閥10、液壓缸11、蓄能器12、平衡閥13、以及升降平臺14組成，其與常規液壓升降機的不同之處主要在于：多了由液壓缸11和蓄能器12組成的升降平臺自重平衡系統。

設有自重平衡系統的升降機液壓系統圖，如圖2所示。

圖2 設有自重平衡系統的升降機液壓系統圖

3.2 自重平衡原理

（1）升降機上升時

升降平臺的受力如圖3所示（忽略摩擦力、液壓缸活塞及活塞桿的重量）。

圖3 升降平臺受力圖（上升工況）

假如升降平臺上沒有貨物負載，上升時其自身重量全部由液壓缸11承受而處于受力平衡狀態，升降平臺的受力如下：

式中：G——升降平臺受到的重力，N；

F1、F2——液壓缸9.1和液壓缸9.2對升降平臺的作用力，F1=F2，N；

F3——液壓缸11對升降平臺的作用力，N。

把液壓系統參數代入式（1），可得到：

式中：P——液壓缸9無桿腔的壓力，MPa。

A1——液壓缸9的活塞面積，mm；

P——液壓缸11無桿腔的壓力，MPa；

A2——液壓缸11的活塞面積，mm。

如果能讓中間的液壓缸11對升降平臺的作用力的大小等于升降平臺自身的重力，則升降機上升時兩邊的液壓缸9作用力會相應減少。

升降平臺的重力G（忽略船體運動產生的加速度）和液壓缸11的活塞面積A2是固定值，由于液壓缸11的無桿腔通過管路和蓄能器12連通，所以活塞所受的壓力P等于蓄能器液體側的壓力（忽略管路的壓力損失）；在升降機運動過程中，液壓缸11無桿腔的容積會隨之變化，則蓄能器12的排油/進油量也會隨之變化，蓄能器的壓力是一個動態值；當升降平臺上升到最高點時，無桿腔的容積最大，蓄能器處于最小工作壓力P1狀態，因此只要令P1=P，液壓缸11即可完全支持升降平臺的重量。

（2）升降平臺下降時

升降平臺的受力如圖4所示。

圖4 升降平臺受力圖（下降工況）

升降平臺所受的重力方向始終朝下，與液壓缸9.1和9.2的作用力F1和F2形成了向下的合力，共同驅動液壓缸11向下運動，把液壓缸11中的液壓油擠壓進蓄能器12。因此，每次下降時蓄能器存儲的液壓能當中有一部分是由升降平臺的重力勢能轉換而來，還有一部分消耗的是液壓泵站所做的功。

當升降機下降到最低點、液壓缸11無桿腔的容積最小時，無桿腔中的油液都將被活塞壓回到蓄能器12中，此時無桿腔的壓力亦即蓄能器的最高工作壓力為P2；P2和P1的差值越小，則在液壓缸11從零行程運動到最大行程時蓄能器的壓力變化越小，但所需要的蓄能器容積越大，整機重量和體積都會增大；而P2和P1的差值越大，則液壓缸11在完全抵消升降平臺的重量的同時，還有余力支撐貨物負載總重量中的一部分，同時可以減少蓄能器的容積；但空載或攜帶的貨物負載很小時，下降過程中液壓缸11的無桿腔的壓力會越來越大，需要借助液壓缸9.1和液壓缸9.2做功，驅動升降平臺向下運動把油壓回蓄能器，如此將需要液壓泵站作更多的功，因此P2的取值應根據實際情況確定。

根據文獻[3]，由于本文升降機全程上升或全程下降的時間t＜1min，因此蓄能器工作在絕熱過程，指數n=1.4、P0=0.9P1；蓄能器的有效工作容積（即排出油的容積）V，等于升降機運動到最高點時的液壓缸無桿腔的容積（為已知量），因此，蓄能器的總容積V0可按下式計算：

由以上工作原理可知，由油缸和蓄能器組成的自重平衡系統，相當于一組液壓彈簧，該液壓彈簧可以平衡、抵消升降平臺的重力；升降機的PLC系統，可通過電比例換向閥5，對液壓缸9.1和液壓缸9.2的運動方向和速度進行控制。由于液壓缸9.1、液壓缸9.2和中間的液壓缸11是剛性連接，從而液壓缸11的速度也可控，亦即上述液壓彈簧的壓縮和釋放速度可控，升降機平臺可在程序控制下實現加速—勻速—減速的過程，增強了運行平穩性。

3.3 工作原理

初次使用之前，先通過換向閥6給蓄能器12充油，充油壓力是蓄能器組的最大工作壓力P2，通過溢流閥7進行調定；。在蓄能器建立壓力的過程中，由于平衡閥13.1和平衡閥13.2鎖住了液壓缸9.1和液壓缸9.2，液壓缸11不會被蓄能器的壓力驅動。

（1）空載上升

電比例換向閥5工作在左位，液壓泵2輸出的壓力油進入液壓缸9.1和液壓缸9.2的無桿腔，同時打開平衡閥13.1和平衡閥13.2，由于液壓缸11的無桿腔作用力大于升降平臺的重力，液壓缸11可以克服系統的摩擦力驅動升降平臺向上運動，液壓缸9.1和液壓缸9.2不需要做功，液壓泵2所做的功較小。

（2）空載下降

由于自重平衡系統的作用，無法依靠升降平臺的重力實現下降，需通過液壓系統進行驅動。此時，電比例換向閥5工作在右位，液壓泵2輸出的壓力油進入液壓缸9.1和液壓缸9.2的有桿腔提供向下的作用力，克服液壓缸11的作用力和系統機械摩擦力使升降平臺向下運動；隨著升降平臺向下運動，液壓缸11逐漸把無桿腔的油液壓回蓄能器，蓄能器的壓力逐漸升高，驅動升降平臺向下運動的作用力也逐漸增大，液壓泵2所做的功相應增大。

（3）攜帶貨物上升

電比例換向閥5工作在左位，液壓泵2輸出的壓力油進入液壓缸9.1和液壓缸9.2的無桿腔，同時打開平衡閥13.1和平衡閥13.2，由于液壓缸11無桿腔的作用力大于升降平臺的重力，液壓缸9.1和液壓缸9.2僅需克服貨物的重力以及系統的機械摩擦力，即可驅動升降平臺攜帶貨物上升。

（4）攜帶貨物下降

電比例換向閥5工作在右位，液壓泵2輸出的壓力油進入液壓缸9.1和液壓缸9.2的有桿腔，同時打開平衡閥10.1和平衡閥10.2；當貨物的重量達到額定載荷時，貨物和升降平臺的重力抵消了液壓缸11的全部作用力及系統的機械摩擦力，液壓系統不需要做功驅動升降平臺下降，液壓缸9.1和液壓缸9.2所需的壓力小于升降平臺空載下降工況，液壓泵2所做的功相應減小。

（5）緩沖作用

由于升降機安裝在船體上、當船體發生升沉和搖擺時，升降平臺會受到船體加速度的影響，受力也發生變化：當船體上升時，升降平臺會出現超重；當船體沉降時，升降平臺會出現失重。由于液壓缸——蓄能器系統的存在，升降機相當于安裝在一個液壓彈簧上，可以起到緩沖的作用，增強了升降機運行的平穩性。

4 結論

上述設有自重平衡系統的船用大型液壓升降機，具有以下特點：

（1）升降平臺上升時，自重平衡系統抵消了升降平臺自身的重量，液壓缸9.1和9.2承受的力變小，運動過程比常規升降機省力，液壓缸的尺寸變小，在流量不變的情況下可提高運行速度；

（2）升降平臺下降時，由于自重平衡系統蓄能器壓力升高，使得液壓缸9.1和液壓缸9.2的作用力變大，運動過程比常規升降機費力，需要液壓系統參與做功，做功的大小與升降平臺上的貨物重量成反比；

（3）由于升降平臺和貨物的重力參與了給蓄能器充油的過程，它們的一部分勢能被蓄能器回收和儲存，可以為下一次上升提供一部分能量；

（4）在船舶升沉搖擺時，蓄能器作為液壓彈簧可以起到緩沖的作用，增強了升降機運行的平穩性。

本文設計的自重平衡系統是按100%抵消升降平臺的重量考慮的，需要的蓄能器容積比較大；如果不考慮100%抵消升降平臺的重量，則需要的蓄能器容積可減小，但需要泵站輸出的流量會增加，這點需要結合動力源的具體條件進行考慮。

本文的升降機液壓系統有其特殊性，使用的是船上的恒壓泵站，下降時和上升時輸出的壓力相等，當液壓缸11的無桿腔面積大于液壓缸9.1和液壓缸9.2的有桿腔面積之和時，蓄能器的最高工作壓力P2應小于恒壓泵站的設定值。

在空載上升和攜帶貨物負載下降工況時，雖然液壓缸9.1和液壓缸9.2的工作壓力變小了，但由于恒壓泵站輸出的壓力不會隨著液壓缸工作壓力的變小而減小，實際上泵站仍是輸出高壓力，存在壓力浪費，這是使用所有恒壓泵站的液壓系統都存在的一大弊端；如果是全新設計的液壓系統，建議使用輸出壓力與負載壓力自動匹配的負載反饋型泵站來代替恒壓泵站。同時，在設計動力源時應綜合考慮驅動液壓缸11給蓄能器充油時所需要的壓力、流量和功率問題。