Моделирование и эволюция проектирования гидравлического контура кабельной лебедочной машины - Атанор Инжиниринг

Моделирование и эволюция проектирования гидравлического контура кабельной лебедочной машины

Гидравлический привод является сердцем гидравлической кабельной лебедки. Основной его функцией является преобразование потока гидравлической жидкости в скорость и крутящий момент, необходимые для работы.

Гидравлический привод представляет собой совокупность узлов и агрегатов: двигатели, клапаны и насосы и пр. Оптимизация гидравлического привода лебедки направлена на повышение эффективности выполняемых операций (уменьшение потерь и повышение выходной мощности лебедки).

Введение

Два основных способа прокладки кабеля:

  • Подземная прокладка кабеля
  • Воздушная прокладка кабеля

Подземная прокладка кабеля осуществляется двумя основными способами:

1) Закапыванием кабеля
2) Рытьем траншеи и протягиванием кабеля или прокладкой кабельного канала и протяжки через него кабеля

Прокладывание кабеля в траншеи является наиболее наиболее простым способом. Здесь важную роль играет хорошая и тщательная подготовка траншеи, по которой будет потом осуществляться тяжение кабеля с помощью специальных кабельных траншейных лебедок.

Прокладка кабельного канала и протяжка через него кабелей применяется для обычных кабелей, не защищенных специальным наружным сверхпрочным слоем (бронированные кабели).

Подземная прокладка кабеля более распространена, чем воздушная, и часто используется в густонаселенных регионах, например, для организация различных систем связи и передачи информации. Подземная прокладка кабеля также обеспечивает линиям связи дополнительную защищенность от воздействия внешних разрушающих факторов. Обнаружение мест пробоя кабеля или неисправностей при подземной прокладке также уже не представляет проблемы, благодаря развитию технологий обнаружения мест повреждения.

Прокладка кабеля в траншее

Кабель должен быть натянут и проложен вдоль кабельной трассы, от одного ее конца до другого. Для этой цели на одной стороне канала закреплен съемник кабеля, он же кабельная лебедка, и одновременно на другом крайнем конце расположен кабельный барабан. Трос из лебедочной машины разматывается и тянется через траншею, чтобы прикрепиться к кабелю, намотанному на барабан, с помощью тросовых захватов и поворотных звеньев. Как только все необходимые принадлежности, такие как ролики и смазочные материалы, будут использованы и размещены, стационарная лебедка начнет втягивать и наматывать свой трос, таким образом разматывая кабель с барабана в траншею. Ролики для прокладки кабеля помогают избежать трения между кабелем и поверхностью, таким образом, защищая кабель во время процесса тяжения.

Кабельная траншейная лебедка

Тяговая лебедка (кабельная траншейная лебедка) — является основным элементом системы тяжения кабеля. Мощные траншейные лебедки оснащаются гидравлическим приводом и позволяют обеспечить разматывание кабеля с барабана и его тяжение без использования ручного труда.

Принцип работы: двигатель приводит в движение кабестаны с заведенным на них лидер-тросом, который, в свою очередь, соединен с прокладываемым кабелем при помощи специальных приспособлений (вертлюг, чулок кабельный).

Кабестаны, вращаясь, подтягивают трос, а за ним и кабель с одного конца траншеи, на котором расположен барабан с кабелем, к другому (где располагается лебедка). Автоматический укладчик троса свободным образом равномерно раскладывает трос. Управление лебедкой осуществляется с помощью электро-гидравлического пульта управления, расположенного на раме лебедки.

Основные элементы кабельной лебедки

Внутренняя конфигурация лебедки состоит из множества электрических и механических элементов. Она включает в себя дизельный двигатель внутреннего сгорания, регулируемый гидравлический насос, три двунаправленных гидромотора, два кабестана и накопительный барабан. Дополнительными элементами являются датчики, электромагнитные клапаны и линейные приводы. Гидравлический контур усиливают рабочую схему лебедки.

Построение этой схемы определяет величину потерь и общую эффективность машины. Дизельный двигатель преобразует входное топливо в энергию для привода насоса, который механически связан с двигателем. Этот насос использует эту механическую энергию для создания давления и потока. Насос регулирует давление и расход жидкости. Это производит гидравлическую энергию для привода двигателей, которые механически связаны с барабаном и кабестанами. Двигатели выдают достаточную скорость и крутящий момент, которые помогают вращать барабан и кабестаны. Таким образом, достигается функция втягивания и вытягивания троса из лебедки. Поскольку в качестве рабочей жидкости для этой замкнутой системы используется гидравлическая жидкость под давлением, механизм лебедки оснащается резервуаром на случай аварийного сброса жидкости.

Было отмечено, что нагрузки грузоподъемности и обеспечения необходимой тяги принимают на себя в основном кабестаны лебедки, выступая в роли основного несущего элемента. Кроме того, количество двигателей, подключенных к кабестанам, также играет жизненно важную роль в скорости и крутящем моменте, необходимых для намотки и размотки барабанного троса. Управляющие клапаны, такие как клапаны управления направлением тяжения, клапаны сброса давления, обратные и последовательные клапаны, — контролируют и измеряют уровень давления и расхода гидравлической жидкости.

Механизм действия кабельной лебедки

Кабельная лебедка производит две основных операции:

  • операция втягивания кабеля
  • операция вытягивания кабеля

При втягивании, трос лебедки втягивается в систему. Двойные кабестаны и барабан движутся по часовой стрелке. Это позволяет укладывать кабель в траншею. При операции вытягивания, трос подается из системы, заставляя кабестаны и барабан вращаться против часовой стрелки, позволяя прикрепить лидер-трос лебедки к прокладываемому кабелю. Эта функция контролируется внутренним механизмом, называемым механизмом намотки, который последовательно управляет работой как кабестанов, так и барабана.

(а) намоточный механизм (b) кабестан (с) барабан (d) мотор барабана (е) мотор кабестана

Как двойные кабестаны, так и барабанная система испытывают различные нагрузки, которые в основном зависят от такого фактора, как внешнее сопротивление. Выводятся два соотношения, утверждающие, что, поскольку нагрузка на кабестаны больше, чем нагрузка на барабан (Lc > Ld), то кабестаны производят большее сопротивление (Rc > Rd ) и наоборот. Поскольку поток гидравлической жидкости под давлением, регулируемый насосом, обратно пропорционален сопротивлению, создаваемому кабестанами и барабаном, расход жидкости снижается по мере увеличения сопротивления. Эти соотношения анализируются во время втягивания и вытягивания для рассмотрения изменений в гидравлическом контуре.

Операция втягивания кабеля

В процессе втягивания кабеля, когда Lc > Ld, подача на барабан увеличивается, по сравнению с подачей на кабестан. Однако, на рисунке видно, что, поскольку кабестаны и барабан механически связаны через механизм намотки, в конечном итоге давление на барабан должно увеличиться до точки, в которой сопротивления как кабестанов, так и барабана равны. После этого начнется вращение кабестанов и запустится процесс втягивания. Теперь, когда Lc < Ld , поток , поступающий в кабестаны, увеличивается, что инициирует их вращение. Это заставляет кабестаны бесконтрольно вращаться. Для правильного функциональность кабестанов должно быть напряжение, прилагаемое с обеих сторон. Поскольку потока в барабан недостаточно для создания сопротивления, кабестаны выходят из строя.
Операция вытягивания кабеля

В процессе вытягивания кабеля, когда Lc > Ld, поток в барабан увеличивается, заставляя барабан вращаться, чтобы размотать трос лебедки. Но когда Lc < Ld, барабан остается неподвижным, кабестаны выходят из строя. Как и в первом случае, возникает проблема. Независимо от условий, жидкость должна первоначально поступать в двигатель барабана, за которым затем следуют двигатели кабестанов для обеспечения синхронизированного вращения. Эта проблема является причиной эволюции гидравлического контура.

Причины эволюции гидравлического контура

На протяжении многих лет схема гидравлического контура не удовлетворяла инженеров из-за многочисленных потерь, возникающих в системе. Этот замкнутый контур определяет общую эффективность лебедки. Гидравлический контур определяет давление и расход жидкости, поступающей в двигатели, соединенные с кабестанами и барабаном. Последовательность и расположение компонентов в цепи могут значительно варьировать величину создаваемой скорости и крутящего момента.

Рассмотрим эволюцию гидравлического контура с различными итерациями, каждая из которых вводит дополнительный элемент и повышает эффективность всей системы и снижает потери давления.

Вариант 1

Эта гидравлическая схема состоит из последовательно подключенных гидравлических насосов и двигателей. Пунктирные красные линии представляют направление потока жидкости от насоса к соответствующему двигателю кабестана и двигателю барабана. Сплошные зеленые линии представляют собой стоки жидкости в резервуар. Первоначально использовались только два двунаправленных двигателя. Насос снабжен предохранительными клапанами для регулирования давления, необходимого двигателям. Стрелки показывают направление по часовой стрелке при операции втягивания. При проектировании считается, что двигатели имеют одинаковую мощность. Жидкость течет как в двигателях кабестана, так и в барабане.

Вариант 1. Схема с одним двигателем кабестана, двигателем барабана и клапаном сброса давления

Допускается, что мощности или нагрузки на эти двигатели не остаются постоянными. Из приведенной выше конструкции блока внутренней конфигурации видно, что кабестан и барабан механически связаны. По мере увеличения нагрузки на двигатель кабестана, сопротивление кабестана увеличивается. Это приводит к увеличению нагрузки на барабан из-за обратной зависимости как параметров нагрузки, так и сопротивления. Поэтому кабестаны не вращаются. Точно так же, когда нагрузка на двигатель барабан увеличивается, нагрузка на кабестан также увеличивается. Это препятствует вращению барабана.

Процесс втягивания в гидравлическом контуре и возникающие проблемы

Для плавного втягивания необходимо, чтобы жидкость сначала поступала в двигатель барабана. Затем барабан вращается и создает сопротивление, которое запускает вращение кабестанов. Чтобы следовать этой последовательности потока жидкости, не останавливая ни один из компонентов, непосредственно перед двигателем кабестана встраивается последовательный клапан. Этот клапан регулирует и контролирует направление движения жидкости в двигатели. Роль этого клапана заключается в том, чтобы направить поток в двигатель барабана, за которым следует двигатель кабестана, независимо от влияния сопротивления. Клапан уменьшает поток, поступающий в двигатель барабана, когда его вес больше, чем у двигателя кабестана. После оснащения таким клапаном, операция втягивания оказалась успешной.

Успешный процесс втягивания при установки последовательного клапана перед двигателем кабестана

Вариант 2

Тот же процесс нужно рассмотреть для операции вытягивания лебедки. Стрелки в этой гидравлической схеме изображают направление против часовой стрелки, которое указывает на операцию вытягивания. Когда эта операция инициируется, нагрузка на кабестан больше, чем на барабан, что увеличивает скорость потока в барабан. Проблема возникает в двигателе барабана, когда барабан начинает слабо раскручиваться. Поскольку нет никакого потока в кабестаны, операция вытягивания завершается неудачей. Чтобы предотвратить это, рядом с двигателем барабана устанавливается дополнительный последовательный клапан. Однако при этом двигатель барабана вращается все еще медленно, так как жидкость вытекает из слива, а входная сторона двигателя не получает никакой жидкости.

Процесс вытягивания в гидравлическом контуре и возникшие проблемы

Эта проблема нежелательного вращения барабана была решена путем добавления байпаса между входом и выходом двигателя. Таким образом, жидкость начинает перемещаться по обе стороны двигателя барабана, тем самым блокируя вращение барабана. Поэтому барабан разматывается только при необходимости.

Вариант 3

Теперь предыдущая итерация рассматривается для операции втягивания. Во время этой операции наблюдается, что поток жидкости, проходящий через двигатель барабана, ограничен из-за байпаса. Это ограничивает вращение барабана, и операция втягивания не выполняется. Чтобы устранить это, в байпас вводится обратный клапан. Этот обратный клапан действует как препятствие для остановки потока жидкости непосредственно в байпас и позволяет жидкости поступать в двигатель барабана во время работы.

Модифицированная схема для процесса вытягивания путем добавления последовательного клапана и байпасной линии, чтобы избежать ненужного вращения барабана
Введение обратного клапана в байпасную линию для достижения процесса втягивания

Наконец, последняя итерация включила все дополнительные компоненты для бесперебойной работы как процессов ввода, так и процессов вывода из предыдущих случаев. Чтобы уравновесить нагрузку, к системе кабестанов добавляется еще один гидравлический двигатель. Последовательный клапан двигателя кабестана смещен в сторону выхода, чтобы уменьшить падение давления. Эта полностью измененная гидравлическая схема является окончательной эволюцией, которая будет использоваться в качестве эталона для изготовления гидравлического коллектора.

Добавление 2-го двигателя кабестана и смещение последовательного клапана, чтобы сбалансировать нагрузку и уменьшить потери давления

Итог

Из вышеизложенного следует эволюция гидравлического контура с несколькими итерациями и конструкциями. Наблюдается, что эта логическая последовательность с соответствующим добавлением компонентов доказала, что создается оптимизированный замкнутый гидравлический контур для снижения потерь в системе. Рассматривая все случаи, связанные с различными возникающими проблемами, мы получили проектную схему, позволяющую контролировать поток жидкости и давление, связанное с двигателями барабана и кабестана. Управление этими параметрами позволяет машине переключаться между двумя основными операциями: втягиваниванием и вытягиванием.

Эти параметры жизненно важны для того, чтобы избежать повреждения и остановки компонентов, присутствующих в машине. Сопротивление, оказываемое несущими компонентами (кабестаны и двигатели) анализировалось для улучшения гидравлического контура. Учитывалось, что для достижения синхронизированного вращения жидкость должна первоначально поступать в двигатель барабана, а потом в двигатель кабестанов.

С помощью полученной конечной интегрированной системы гидравлического контура процедура прокладки кабеля будет выполняется с минимальными потерями.

По материалам доклада на Международной конференции, посвященной последним достижениям в области теплотехники 2019 (International Conference on Recent Advances in Fluid and Thermal Sciences)

Запрос на оборудование

Сделать запрос на кабельную лебедку