應(yīng)用液壓傳動技術(shù)解決易燃易爆物安全升降

薛福連

沈陽市遼中縣化工總廠，遼寧 遼中 110200

在生產(chǎn)經(jīng)營活動中常常遇到重物的升降問題，對于普通的物件要將它們提起放下，那是一件再容易不過的事情。如果在特殊的場所需要裝卸、運送、升降的物品是易燃易爆物或其它危險品，對于在一些場地大、空曠的地方，如倉庫、碼頭、機場等，用防爆叉車、大型吊塔（吊機）、龍門天車、防爆傳送帶等設(shè)備，對它們進(jìn)行裝卸、堆垛，問題就可以解決。但是如果場地狹窄，防爆叉車無法進(jìn)入或沒有回轉(zhuǎn)的地方，如一些工廠企業(yè)內(nèi)的生產(chǎn)車間中，易燃易爆等危險品安全升降問題又如何解決呢？雖然，目前的科技水平可以提供多種手段，但是哪一種適合自己實際情況，投入少見效大的最佳方法？根據(jù)目前各種傳動技術(shù)的構(gòu)成特征比較，在特殊要求的場所中，液壓升降平臺是解決易燃易爆等危險品的安全升降最為簡單有效的設(shè)備。

1 液壓傳動的優(yōu)勢

液壓傳動是以具有一定壓力能的油液作為工作介質(zhì)，經(jīng)液壓控制閥控制，進(jìn)入液壓缸推動工作機構(gòu)運動。工作機構(gòu)運動速度的快慢，取決于在一定時間內(nèi)進(jìn)入液壓缸內(nèi)的油液體積的多少；液壓缸推力的大小，取決于壓力高低和活塞有效作用面積的大小。液壓傳動原理向人們展示了在一定條件下，液壓傳動能較容易地使物體獲得不同的運動軌跡和一定的運動速度，并且通過液壓傳動系統(tǒng)中液壓閥控制，改變物體在運動軌跡上的位置，如車床上刀具的自動進(jìn)給、大型挖掘機的翻斗搖合、裝卸車車廂的自動卸料……等等。它們的運動軌跡分別為直線和曲線，它們工作過程中位置的變換是通過液壓傳動系統(tǒng)中換向閥閥芯位置變動而實現(xiàn)的。液壓傳動系統(tǒng)一般由：①動車裝置、②操縱裝置、⑧執(zhí)行裝置、④輔助元件、⑤工作介質(zhì)等組成，而工作機構(gòu)是與液壓傳動系統(tǒng)中活塞桿或柱塞油缸的一端相連接，液壓升降平臺的工作平臺設(shè)置正是這樣。如圖1所示為液壓升降平臺簡單的液壓傳動系統(tǒng)圖：

當(dāng)電動機帶動油泵啟動時，壓力油通過控制閥調(diào)控進(jìn)入柱塞油缸，柱塞油缸在壓力油的壓迫下向上推出，置于柱塞油缸上的工作平臺也隨這升起；在柱塞油缸被推出期間油泵停止轉(zhuǎn)動時，液壓系統(tǒng)內(nèi)的壓力油在單向閥的作用下保持在管道和柱塞油缸里，平臺就停在上升行程中的任一位置上；當(dāng)油泵繼續(xù)啟動柱塞油缸被推至最高位置時，平臺也就處于最高位；當(dāng)電磁換向閥換向時，液壓系統(tǒng)內(nèi)的壓力油在柱塞油缸及平臺的重量壓迫下被壓回油箱，這時柱塞油缸也慢慢地降下直至全部復(fù)位，此時的平臺就處于最低位置。從平臺的運行軌跡的變動，我們看到液壓系統(tǒng)中柱塞油缸運動方向的改變及位置變換，完全通過液壓系統(tǒng)中的控制閥內(nèi)部閥芯的位置變動，調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)的油量、壓力而實現(xiàn)的，它們是整個液壓系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換、保持的關(guān)鍵。通過對它們簡單的操作，控制液壓升降平臺的上升、停留、下降就顯得方便容易了。

圖1 液壓升降平臺液壓系統(tǒng)圖Fig.1 The hydraulic lift platform hydraulic system diagram

2 液壓升降平臺的安全性能

2.1 機械傳動設(shè)備

升降物體，改變其空間位置，最原始的方法是用人工擔(dān)抬。此法勞動強度大，低級落后，對搬運易燃易爆物無安全可言。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，人們改為使用手動滑輪、葫蘆等簡單工具，在降低勞動強度方面稍有改進(jìn)，但仍然擺脫不了效率低，安全性差的局面。再至后來出現(xiàn)了電動葫蘆、電動卷揚機、電梯等設(shè)備，人們在裝卸技術(shù)水平又向前邁進(jìn)了一大步。然而電動葫蘆操作過程穩(wěn)定性差，對起吊物包扎不牢的隱患無處不在，尤其遇上形狀不規(guī)則的物件，不適宜在小場地內(nèi)進(jìn)行交叉作業(yè)；電動卷揚機的起吊作業(yè)雖然比電動葫蘆固定和穩(wěn)定，操作者可遠(yuǎn)離起吊物，但是它不能有效地控制起吊物的平層位置，而且電動卷揚機在井架上的安全保護(hù)裝置過于簡陋，在高處裝卸物品時，那些進(jìn)出吊架搬運貨物的人的生命安全難以保證：機械電梯（如圖2所示），它是在一固定井道內(nèi)運行，并有一整套安全設(shè)施來保證進(jìn)出電梯人員的生命安全，但是它本身結(jié)構(gòu)決定了它對裝載易燃易爆物是不適宜的，其表現(xiàn)在：

圖2 機械電梯結(jié)構(gòu)示圖Fig.2 The mechanical lift structure scheme

（1）傳動方式。機械電梯的上下運行是靠鋼絲繩與曳引輪之間的磨擦力來實現(xiàn)，此傳動付運動時存在磨擦起火花的隱患：

（2）剎車系統(tǒng)。機械電梯的停層剎車保護(hù)是由剎車皮與轉(zhuǎn)鼓磨擦實現(xiàn)。控制剎車皮與轉(zhuǎn)鼓離合器的開合，是靠大型的活動電磁鐵在其線圈通斷電時產(chǎn)生的電磁力作用下，改變了離合器上壓簧拉桿的位置，進(jìn)而改變壓簧力的大小造成離合跳動實現(xiàn)的，當(dāng)電梯停層時活動電磁鐵被彈開，剎車皮在壓簧拉桿復(fù)位的壓力作用下緊抱轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓瞬間停轉(zhuǎn)，此時它們之間的接觸面溫度迅速升高，有產(chǎn)生火花的可能；當(dāng)電梯起動時活動電磁鐵復(fù)位，它的復(fù)位過程有對固定的電磁鐵進(jìn)行撞擊的現(xiàn)象。如此一來，同樣存在撞擊起火花的可能；

（3）電梯的防繼繩裝置，它們的形式多種，比較常見的是由置于電梯轎廂頂部或底部上可旋轉(zhuǎn)壓緊井道中導(dǎo)軌的一組齒輪和凸輪組組成。電梯在運行過程中一但發(fā)生鋼絲繩斷時，該裝置中的凸輪組在隨著轎廂一起作自由落體運動中旋轉(zhuǎn)并瞬間壓死導(dǎo)軌，從而阻止轎廂繼續(xù)下跌。在它們阻止轎廂下跌的過程中，凸輪組與導(dǎo)軌間的磨擦力瞬間增大必然引起火花出現(xiàn)，此時若電梯轎廂內(nèi)裝有易燃易爆物那將是危險至極；

（4）電梯的防沖頂沖底裝置，它們是由有關(guān)的電氣控制回路組成。由于電梯是在固定的井道中運行，它的行程受鋼絲繩長度限制。在電梯運行過程中萬一電氣控制線路中的組件失靈或失效，這時井道中的轎廂、對重塊仍按原來的運行方向運動，此期間它們有可能越過上（下）及限位置撞向機房樓底（井道底），造成轎廂、建筑物損壞，此時若電梯轎廂內(nèi)裝有易燃易爆物，它們同樣會受到撞擊，危險程度同樣不可估量。

2.2 液壓傳動技術(shù)的優(yōu)點

（1）液壓升降平臺（如圖3所示），它主要由柱塞油缸、導(dǎo)軌、泵站、鋼架、工作平臺組成。工作平臺置于柱塞油缸上，沿著固定垂直井道或鋼架上的導(dǎo)軌上下運動。從液壓升降平臺升降過程看出：

圖3 液壓升降平臺結(jié)構(gòu)示圖Fig.3 The hydraulic lift platform structure scheme

（a）液壓升降平臺由于受柱塞油缸的幾何尺寸限制，在它運行過程中不存在沖頂沖底現(xiàn)象，這是機械電梯、卷揚機、電動葫蘆所不能相比的；

（b）由于液壓升降平臺不存在鋼絲繩曳引問題，也就無因鋼絲繩斷導(dǎo)致平臺跌落之虞。工作平臺上升到最高或在上升過程中處于行程中任一位置時，萬一發(fā)生油管斷裂，在油缸柱塞內(nèi)的壓力油失壓的情況下，工作平臺的下降將是怎樣的狀況呢？請看下面的分析：根據(jù)液流連續(xù)性原理，我們知道液體在管道中穩(wěn)定流動時由于它不可壓縮，在壓力作用下液體中間也不可能有間隙，所以液體流經(jīng)管道每一截面的流量相等。如圖4所示，液體在不等橫截面的管道中流動，設(shè)截面1和2的直徑各為D1和D2，面積為A1和A2，流速分別為V1和V2，根據(jù)液流的連續(xù)性原理，流經(jīng)截面1和截面2的液體質(zhì)量完全相等。

圖4 流動連續(xù)性原理圖Fig.4 Flow continuity schematic diagram

即：V1A1＝V2A2＝VA＝常量

因為Q＝VA

所以液流連續(xù)方程式也可以寫成：Q1＝Q2或V1/V2＝A2/A1＝（D2/D1）2

上式說明，通過管內(nèi)不同橫截面積的流速與其橫截面的大小成反比，即管徑細(xì)的地方流速大，管徑粗的地方流速小。一般來說油缸柱塞直徑是油管直徑5～8倍，即D1＝（5～8）D2

那么 V1/V2＝A2/A1＝（D2/D1）2＝1/（25～64）

顯然這時的工作平臺隨柱塞油缸的下降而下降，它們的下降速度比油液從斷管裂口流出的速度小得多，而且它們的下降是自身重量造成，柱塞油缸下降復(fù)位的過程將是緩慢而平穩(wěn)的，無需引起驚慌失措。

式中Q1、Q2——分別為進(jìn)入柱塞油缸、油管的流量（m3/s）；

A1、A2——分別為柱塞油缸、油管的有效面積（m2）；

V1、V2——分別為油液進(jìn)出柱塞油缸、油管的運動速度（m/s）

D1、D2——分 別 為 柱 塞 油 缸、油 管 的 直 徑（mm）。

（c）液壓升降平臺在升降范圍內(nèi)既有電動葫蘆升降的隨意性，又可以設(shè)置如機械電梯和卷場機所配置的固定上落井道、導(dǎo)軌和廳門聯(lián)鎖等安全設(shè)施，同時它的泵站、門閘（包括廳門）的設(shè)置可按所在場地的需要設(shè)定，無需特設(shè)機房，所配備的電器可為防爆型，控制形式可為手動或電動等。因此，液壓升降平臺的有關(guān)設(shè)置可根據(jù)實際需要進(jìn)行取舍。

由此可見，液壓升降平臺適宜升降、包裝、裝卸、傳送易燃易爆物等危險品的作業(yè)，對各類場所如工廠、學(xué)校、倉庫、碼頭、銀行、體育場館、道路交通設(shè)施等有關(guān)升降、裝卸、維修保養(yǎng)、保安保密工作均適合。尤其對中小企業(yè)在危險等級高的地方進(jìn)行生產(chǎn)工藝設(shè)備的技改技革，或?qū)ζ渲胁话踩牡胤竭M(jìn)行隱患整改，克服場地狹窄等諸多嚴(yán)格要求的地方，采用液壓升降平臺解決危險品的安全升降問題，是一條簡便有效的途徑。

圖5 液壓電梯結(jié)構(gòu)示圖Fig.5 The hydraulic lift structure scheme

（2）液壓電梯（如圖5所示），它是液壓升降平臺與機械電梯的有機集成，克服了液壓升降平臺由于受其柱塞油缸加工長度限制，而難以在較高層建筑上實現(xiàn)升降物品。（a）液壓電梯它的傳動形式和工作原理與液壓升降平臺相同，只不過它的柱塞油缸頂不是與平臺直接相連，而是與一組鋼絲繩輪系連接，鋼絲繩的一端在柱塞油缸的支座上，另一端與電梯轎廂聯(lián)結(jié)。當(dāng)柱塞油缸內(nèi)的活塞桿伸出時，轎廂通過鋼絲繩輪系的牽引向上運行：同樣在柱塞油缸內(nèi)的壓力油在控制閥的控制下接通油箱時，轎廂在自身重作用下向下運行，活塞桿在外力作用下被壓回油缸相應(yīng)的位置里，或被全部壓進(jìn)油缸。轎廂上升、停層、下降的過程，完全通過有關(guān)電路控制液壓系統(tǒng)中的控制元件，使其改變液壓系統(tǒng)中壓力油的壓力、油量的大小而實現(xiàn)的。在這里鋼絲繩與繩輪的運動形式是滑動牽引，繩輪與鋼絲繩可同時涂上潤滑脂以改善其運動付的潤滑狀況，因而它們可得到較好的維護(hù)保養(yǎng)，這與機械電梯的摩擦曳引相比就顯得它的安全、耐用；

（b）液壓電梯的行程同樣受到柱塞油缸長度限制，轎廂升降行程固定，不存在沖頂沖底問題，這是機械電梯無法比擬的；

（c）液壓電梯由于其傳動方式?jīng)Q定了它不存在剎車系統(tǒng)。一方面它的升降、平層原理與液壓升降平臺相同，另一方面當(dāng)它在行動過程中發(fā)生油管斷裂現(xiàn)象，同樣如液連續(xù)性原理所述，轎廂會隨活塞桿被慢慢壓回油缸里而徐徐下降至最低位置上；

（d）液壓電梯的機房占地面積小，只要能安置泵站、配電箱就行。這有利于因地制宜，在此，機械電梯是難以達(dá)到。

3 液壓傳動技術(shù)的應(yīng)用效果

一般來說在高層建筑上貯存、生產(chǎn)危險品，在有關(guān)部門嚴(yán)格把關(guān)下難以審批通過。但在一定高度范圍內(nèi)的廠房、鋼結(jié)構(gòu)架（平臺）、鋼筋混凝土構(gòu)架（平臺）上進(jìn)行危險品的加工、生產(chǎn)，在石油、化工生產(chǎn)企業(yè)中是客觀存在。從事這些活動只要遵循國家對生產(chǎn)、貯存危險品的有關(guān)法規(guī)，符合有關(guān)消防、安全、環(huán)保、工業(yè)衛(wèi)生等規(guī)定，有關(guān)部門是允許認(rèn)可的。這在一定范圍內(nèi)為液壓升降平臺的推廣應(yīng)用開辟了廣闊前景。現(xiàn)以10m高廠房內(nèi)設(shè)置3層/站，在固定井道內(nèi)（其面積為2.5×2.5m2）提升1000kg易燃易爆物為例進(jìn)行投入分析比較，較為符合目前一些企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的實際。

3.1 設(shè)備的初期投入

（a）液壓升降平臺的投入為15萬元左右，安裝周期為21～28天。由于液壓升降平臺結(jié)構(gòu)簡單、無配重塊，平臺的有效工作面積能達(dá)到1.8×2m2；泵站體積（長×寬×高，以下同）1×0.5×1.2m3，配電箱的體積為0.8×0.8×0.25m3，機房面積為1.5×1m2則可。如果利用建筑物的樓梯間安置泵站，電箱配置在電房，那1.5×1m2的機房可免。這樣機房的建筑投入將減少1～2萬元；

（b）液壓電梯的投入為20～25萬元，安裝周期為28～35天。由于井道內(nèi)要留置油缸與鋼絲繩輪系占有的活動空間，所以轎廂的實際面積約為1.5×2m2，這明顯地較液壓升降平臺小：有關(guān)泵站、配電箱的體積及對機房面積的設(shè)置情況與液壓升降平臺相似，同樣可節(jié)省這方面的投資，而機械電梯是不能辦到的；

（c）防爆電動葫蘆在同一井道內(nèi)同時滿足3層/站中不同層站的使用要求，操作上安全性無法保證，它只能在2層/站間的樓房內(nèi)使用。因此，使用防爆電動葫蘆滿足3層/站中不同層站的使用要求10～12萬元。雖然它的投入比電梯少很多，與液壓升降平臺的投入相差不大，結(jié)構(gòu)簡單，安裝周期短，但是它在使用過程中整體安全性能遠(yuǎn)比液壓升降平臺、液壓電梯差；在起吊同等重量、同等體積物品的前提下，它受樓層廳門高度的限制，物品堆疊體積相應(yīng)地減少，其工作效率有所降低；

（d）機械電梯由于無法解決整體防爆問題，在此不列入討論范圍之中。

3.2 設(shè)備運行費用的投入

液壓升降平臺、液壓電梯，它們所配置的電機功率都是≤5.5kW；若從升降普通物品角度考慮，機械電梯由于它的傳動方式是通過蝸輪蝸桿減速機轉(zhuǎn)換，靠曳引輪與鋼絲繩間磨擦力曳引實現(xiàn)升降的，因此機械能的損耗較液壓傳動大，所配電機功率為7.5～10kW；電動葫蘆因局限在兩層站之間使用，其電機功率為2～2.5kW。

從上述有關(guān)數(shù)據(jù)反映，除去電動葫蘆不計，在同一條件下升降同等重量的物品時，機械電梯運行耗用的電能比液壓升降平臺和液壓電梯的高37%～80%。

3.3 設(shè)備維護(hù)費用的投入

起重設(shè)備在正常情況下使用其故障率是比較低，它們的故障種類大體分為機械故障和電器故障。在電器方面，電動葫蘆、液壓升降平臺等的電器元件少，電氣線路簡單，維護(hù)保養(yǎng)費用低；而電梯（包括液壓電梯）的電器元件多，電氣線路比較復(fù)雜。主要發(fā)生在電氣元件接觸不良、老化造成它們的過熱失效或燒壞，作為機械電梯它還多了一個剎車制動線圈，這在維護(hù)保養(yǎng)費用上就比液壓電梯高些。在機械方面，液壓升降平臺、液壓電梯所反映出來的多數(shù)是管線、油缸密封件泄漏，這主要為密封件在使用一段時間后老化失效，大約在2～3年內(nèi)，油缸內(nèi)的密封圈需要進(jìn)行更換，所需時間為1～2天；機械電梯的機械故障多數(shù)為鋼絲繩與曳引輪相互磨損；減速機機件的磨損；減速機密封件的失效；剎車系統(tǒng)的磨損等因素造成的。這些磨損在電梯使用3～5年后會逐漸出現(xiàn)，隨著磨損的增加其危害性增大，5年后對這些關(guān)鍵部位進(jìn)行維修更換將接踵而來，費用會逐漸增多，而所占用的維修時間隨著更換不同部位零件而有所不同；電動葫蘆由于結(jié)構(gòu)簡單，機件磨損引起的故障比較容易發(fā)現(xiàn)和處理，所花費的資金和時間不多。

由此可見在設(shè)備維護(hù)費用方面的投入，電動葫蘆為最少；液壓升降平臺、液壓電梯比較穩(wěn)定，所反映出來的是設(shè)備投入使用初期3～5年內(nèi)較機械電梯高，而5年后則相應(yīng)地比機械電梯少，而它們的故障容易檢查發(fā)現(xiàn)和消除，隨著使用時間的增長其穩(wěn)定性就越好，而機械電梯則相反。

我們選用設(shè)備所遵循的原則，首先要求適用，其余依次為價錢合理，技術(shù)先進(jìn)，維護(hù)費用多少，使用周期長。所謂設(shè)備的適用性，它應(yīng)該包括兩方面的含義：既要滿足生產(chǎn)工藝技術(shù)要求，又要符合安全第一的思想。在安全問題未解決的前提下，原則后面的內(nèi)容就顯得蒼白。在特殊場合里處理易燃易爆等危險物品的安全升降問題，使用液壓升降平臺所具有的技術(shù)、結(jié)構(gòu)特性及其經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢，是其它傳動技術(shù)設(shè)備所不能比擬的，它恰恰符合了上述原則要求，即以最少的投入獲取最大的收益。因此說在一定的高度范圍內(nèi)，特別是在特殊要求的場所中，液壓升降平臺是目前解決易燃易爆等危險品安全升降最為簡單有效的設(shè)備。