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海水液壓鋼纜切割器的研制

                            海水液壓鋼纜切割器的研制
                                賀小蜂,嵇碧波,李壯云
                     Development of a Seawater Hydraulic Wire Rope Cutter

  摘要:介紹了一種海水液壓鋼纜切割器的結(jié)構(gòu)、工作原理、關(guān)婕技術(shù)難題及其解決措施。對海水液壓鋼纜切割器樣機進行了性能試驗,試驗結(jié)果表明,所研制的樣機的性能指標滿足規(guī)定的要求。
  關(guān)鍵詞∶海水液壓傳動;水下作業(yè)工具;鋼纜切割器
  1、前言
    目前我國海洋水下作業(yè)所使用的作業(yè)工具多為油壓工具。油壓工具系統(tǒng)在海洋環(huán)境中使用時,油壓系統(tǒng)不僅需要配置油箱、回油管,使系統(tǒng)復(fù)雜,操作不便;
而且海水易侵人油壓系統(tǒng)導(dǎo)致油壓元件與系統(tǒng)失效。隨著作業(yè)深度的增加,油壓系統(tǒng)的效率大大降低,使得油壓作業(yè)工具難以適應(yīng)大深度水下作業(yè)的要求。
    為此,西方發(fā)達國家已開發(fā)出直接以海水液壓動力驅(qū)動的水下作業(yè)工具系統(tǒng),在實用中顯示了突出的優(yōu)越性。
   海水液壓鋼纜切割器是華中科技大學(xué)開發(fā)出的一種往復(fù)式水下作業(yè)工具。它直接用海水作工作介質(zhì),由動力源輸送過來的海水壓力經(jīng)液壓缸后產(chǎn)生推力,
用于水下鋼纜等物體的剪切作業(yè)。本文介紹了海水液壓鋼纜切割器的結(jié)構(gòu)、工作原理、關(guān)鍵技術(shù)難題及其解決措施。最后對工具樣機進行了試驗研究。
  2、海水液壓鋼纜切割器的結(jié)構(gòu)和工作原理
    海水鋼纜切割器的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。它主要由二位四通手動換向閥11、扳機12、定刀片1、動刀片3和雙作用液壓缸等組成。
    海水液壓鋼纜切割器是一種利用液壓缸的推力實施剪切作業(yè)的往復(fù)性作業(yè)工具:使用鋼纜切割器作業(yè)時,將海水液壓動力源出口的高壓軟管與鋼纜切割器
入口通過快速接頭連接。此時切割器動刀片3處于縮回狀態(tài)。切割鋼纜時,將鋼于纜放于工具的動刀片3和定刀片1之間,扳動扳機⒓,使換向閥11換向,高壓海
水進人液壓缸無桿腔,并推動液壓缸活塞桿7及動刀片3前進,直至將鋼纜切浙。液壓缸有桿腔的海水經(jīng)換向閥11的排水口直接排放到海洋中。松開扳機后,二位四通手動換向閥11自動復(fù)位,活塞扦在液壓力作用下退至原位,由此完成一次切割。重復(fù)上述動作便可完成多次切割工作。由于海水液壓鋼統(tǒng)切割器與動力源之間只有一根直徑較小的軟管相連,受海水的拖曳力小,因而在水下操作方便,作業(yè)效率高。

  3、液壓鋼纜切割器的關(guān)鍵技術(shù)問題及其解決措施
    海水液壓鋼纜切割器在設(shè)計時主要面臨以下關(guān)鍵技術(shù)問題。
  3.1 腐蝕問題
    海水液壓鋼纜切割器中所有的零件都與海水接觸,因此所采用的材料都必須具有良好的耐腐蝕性能,同時要滿足強度的要求。
為解決腐蝕問題,除刀片外,其余零件均采用耐蝕合金、工程塑料等耐蝕材料。如缸體、換向閥閥體、提手等均為硬質(zhì)陽極氧化的鋁合金材料,以減輕重量；活塞桿、導(dǎo)向?qū)к墶鈾C等采用不銹鋼材料；對于刀片材料,由于考慮到其強度、硬度、耐磨性、韌性的要求,再加上更換方便,因此采用了高速工具鋼,每次使用后清洗,再涂潤滑脂。使用一段時間后更換新刀片。
  3.2 黏著磨損問題
    由于海水的潤滑性差。相對運動的兩個金屬面(如活塞扦與缸體)之間直接接觸,易發(fā)生黏著現(xiàn)象,甚至使液壓缸卡死。
    對液壓缸中易發(fā)生的黏著磨損問題,設(shè)計時采用特殊的橡塑組合密封件和耐磨環(huán)與缸體內(nèi)壁組成摩擦副,使液壓缸中活塞桿與缸體隔離。由于組合密封件
與耐磨環(huán)為特殊的工程塑料,其耐磨性好、摩擦系數(shù)小、能保證液壓缸長期可靠地工作。
  3.3 刀片定位問題
    圖2為剪切鋼纜時動刀片的受力簡圖。假定被剪切的鋼纜直徑為d,動刀片與定刀片之間的間隙為h,則動刀片受鋼纜的反作用力F可分解為

  式中 Fx ——鋼纜對動刀片(或活塞桿)的軸向力,N
       Fy -—鋼纜對動刀片(或活塞桿)的側(cè)向力,N

    從式(2)、(3)可以看出,刀片間的間隙h越大,鋼纜對刀片及活塞桿的側(cè)向力Fy也越大,將會帶來以下問題:
    (1)增大活塞(桿)與缸體內(nèi)壁的摩擦力,使其磨損加劇,同時液壓缸效率降低；
    (2)當活塞桿剛性不夠時,剪切時側(cè)向力使刀片間的間隙增大,導(dǎo)致剪切時出現(xiàn)連襟現(xiàn)象,即每次剪切時都有少量鋼絲不能剪斷,從而降低剪切效率。
    為減小側(cè)向力Fy的不良影響,必須使動刀片與定刀片之間的間隙盡可能小。在設(shè)計時設(shè)置了導(dǎo)軌2、14、15以解決剪切時動刀片的定位問題,如圖1所示。導(dǎo)軌2和⒕ 用于動刀片在初始位置的定位,防止動刀片及活塞桿轉(zhuǎn)動。導(dǎo)軌2和15用于動刀片在剪切及終點位置的定位,使動刀片與定刀片間接近零間隙,保證一次剪切成功,消除連襟現(xiàn)象。
   4、海水液壓鋼纜切割器的試驗
   4.1 試驗系統(tǒng)
    圖3為海水液壓鋼纜切割器試驗回路原理圖。它主要由海水液壓泵2、溢流閥3、流量調(diào)節(jié)閥5、壓力表4、6、被試鋼纜切割器7、流量計8和過濾器1等元輔件組成。海水液壓泵2為試驗系統(tǒng)提供壓力和流量；溢流閥3調(diào)整系統(tǒng)的工作壓力;流量調(diào)節(jié)閥5用于調(diào)進人液壓缸的流量;壓力表4和6分別測量海水液壓泵和海水液壓鋼纜切割器的工作壓力;流量計8測量海水液壓鋼纜切割器出口的流量。

    4.2 試驗內(nèi)容
    海水液壓鋼纜切割器的試驗主要是動作試驗和鋼纜剪切試驗。
    試驗時,調(diào)整溢流閥3,使海水液壓泵2的工作壓力為10MPa(表4顯示)。調(diào)整流量調(diào)節(jié)閥5,使液壓缸前進時流量計8的流量在1.5~2.25L/min范圍內(nèi)。液壓缸后退時流量計8的流量在2.7~4L/min范圍內(nèi),此時對應(yīng)流量調(diào)節(jié)閥的出口流量為2~3L/min。在液壓缸前進和后退過程中觀察液壓缸動作的平穩(wěn)性及有無爬行現(xiàn)象。
    剪切試驗是為了檢驗鋼纜切割器能否將16mm的鋼纜切斷,并觀察鋼纜的切口是否平整。
   4.3 試驗結(jié)果
    試驗表明,海水液壓缸在手動換向閥的控制下低速運行平穩(wěn),無爬行現(xiàn)象。當動刀片前進到終點位置時,測得動刀片與定刀片間的最大間隙為0.02mm。
    在連續(xù)進行的10次鋼纜切割試驗中,鋼纜切割器均能一次將16mm的鋼纜切斷成功,且鋼纜切口平整,無連襟現(xiàn)象。說明刀片定位裝置的設(shè)計是可行的。試驗證明所研制的海水液壓鋼纜切割器能滿足規(guī)定的技術(shù)指標要求。
   鋼纜切割器的主要技術(shù)指標如下:
   額定工作壓力10MPa;
   額定流量:≤3L/min(前進時);
   切割鋼纜直徑:≤16mm;
   重量13Kg;
   外形尺寸(長×寬×高):400x120x250mm。
   5、結(jié)束語
    通過試驗表明,設(shè)計的海水液壓鋼纜切割器樣機滿足規(guī)定的技術(shù)指標要求。為了使鋼纜切割器能更好地適應(yīng)水下作業(yè)的要求,有必要進一步提高系統(tǒng)的工
作壓力,并對鋼纜切割器的結(jié)構(gòu)和材料選擇進行優(yōu)化,以減小工具的體積、重量,提高剪切能力。

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