φ56組合錨絞機恒張力液壓控制系統的設計與分析

2013-09-17 12:10:40周忠旺趙林林

機床與液壓 2013年16期

周忠旺，趙林林

(江蘇財經職業技術學院機械與電子工程系，江蘇淮安223003)

大型船舶在系泊期間，由于潮水的漲落、吃水的變化、風力的改變等原因，經常需要甲板值班人員調整纜繩的張弛程度，即人工松出和收緊纜繩。由于人工操作，不僅麻煩費事，而且不可能做到使每一根纜繩所受的張力完全一致，因此在系泊期間可能造成某一根纜繩張力過大而拉斷，這樣其他纜繩的負荷立即增大，處于危險狀態。為此，有必要在組合錨絞機上設計具有恒張力裝置的液壓控制系統，以實現自動調整絞纜的張力，在纜繩拉力過大時自動放松，而纜繩松弛時又能自動收緊。固定在岸邊，船舶停靠碼頭時，由錨機 (系纜機)通過系纜索與帶纜樁固定，對于某些大型船舶，為更可靠系泊，其錨機、系纜機左右對稱，分別選用左右錨機和左右系纜機。

圖1 船舶設備的系泊

1 組合錨絞機的應用

系泊設備主要由錨絞機、系纜機、帶纜樁、導纜鉗 (或導纜孔)組成。大多數船舶，在船首處將錨機和絞纜機置于一起，實現一機兩用，稱為組合錨機;而在船尾設置一臺絞纜機。如圖1所示，帶纜樁

2 組合錨絞機液壓系統設計

2.1 主泵供油液壓系統設計

2.1.1 單側起錨系纜時液壓系統設計

設計時只要使錨鏈軸旋轉就可以，而起錨和系纜動作由離合器操縱控制。錨鏈軸的旋轉由旋轉馬達帶動，液壓馬達在排量既定時，扭矩與工作油壓成正比。因此，只需能控制馬達的工作油壓，就能控制馬達扭矩，實現操縱起錨和系纜動作。

如圖2所示，液壓系統主要包括動力元件、執行元件和控制元件。

圖2 單側起錨系纜時液壓系統控制圖

各元件的作用如下:

動力元件:考慮到安全因素，為保證在1個柱塞泵損壞狀況下不能影響主機工作，因此使用2個柱塞變量泵并聯來驅動馬達旋轉。在泵的出口處安裝溢流閥，控制系統中的壓力保持基本恒定，實現調壓、穩壓或限壓作用。

執行元件:液壓馬達 (既驅動錨機又驅動系纜機，轉速范圍為0～60 r/min，起錨時工作油壓16 MPa，系纜時工作油壓25 MPa，起執行機構作用)，并聯一個順序閥 (調定壓力為15 MPa)，串聯了一個單向順序閥 (又稱為平衡閥)。平衡閥串聯的作用是限制液壓馬達反轉不能過快。當反轉過快變成泵運行，進口油壓降低使平衡閥關閉迫使油馬達停止，直至進口油壓回復才重新開啟，繼續反轉;順序閥作用是負荷過載時液壓油從順序閥流過，不經馬達，從而保護馬達。

控制元件:采用手動比例復合閥 (由兩個單向閥、兩個順序閥和一個H型中位機能手動三位四通換向閥組成)。通過操縱比例閥手柄，可以無級控制液壓油流量，從而控制馬達轉速。

2.1.2 左右兩側起錨系纜時液壓系統設計

在大型船舶中，船頭通常使用兩個錨絞機并分別左右布置。其液壓控制系統是在單側液壓系統的基礎上對稱布置一個，兩組并聯使用，如圖3所示。

圖3 左右兩側起錨系纜時液壓系統控制圖

但設計時注意以下幾點:

(1)左右兩側分別使用兩組 (各2個)柱塞泵供應液壓油，一組正轉，另一組反轉，分別帶動左右馬達繞同一轉向旋轉。

(2)為防止左右柱塞泵發生故障，在左右兩側的動力源中選用2個柱塞泵并聯使用作為動力，在1個柱塞泵損壞狀況下不能影響主機工作，確保主機安全運行。

左右兩組液壓泵互用，確保主機正常運行。如圖3所示，在進油路中設置3個高壓球閥。正常工作時，Q1和Q2打開，Q3關閉。應急時，兩臺泵組互為備用，即用一臺泵分別對左右錨機供油，比如當右泵組發生故障時，可用左泵組供油使右機工作，此時Q1應關閉，Q2和Q3打開，或在Q1打開，Q2和Q3關閉時，左泵組供油使左機工作。此時左右兩個錨機分別工作，如果需要左右錨機同時工作，需要將三個高壓球閥全部打開，但錨機的速度和負載將會降低;同理當左泵組發生故障時，可用右泵組供油使左機工作，此時，Q2應關閉，Q1和Q3應打開，或在Q2打開，Q1和Q3關閉時，右泵組供油使右機工作。

2.2 輔泵供油液壓系統——恒張力液壓系統設計

如圖4所示，在圖2主泵供油的基礎上，增加一組控制系統 (右側所示)，與主泵并聯供油。但主泵和輔助泵不同時工作，通常把正常系纜時的供油稱為主泵供油，而把自動張緊時的供油稱為輔泵供油。主泵控制錨纜機旋轉，實現起錨系纜，而輔泵實現自動張緊，控制纜繩張力在一定范圍內，從而保持纜繩張力的恒定。

圖4 單側恒張力液壓系統控制圖

在輔泵工作狀態，使用1個柱塞泵供油，2個溢流閥控制液壓油流向，通過1個補油回路保證馬達反轉速度不能太高，其執行元件 (馬達)與主泵回路的執行元件共用同一個馬達。

2.3 液壓控制系統設計

根據以上分析，組合錨纜級液壓控制系統如圖5所示。

如圖5所示，動力元件由4個主泵 (兩兩并聯后分別控制左右兩側錨絞機的主泵供油)和1個輔泵(左右兩側錨絞機的輔泵供油)等組成;執行元件主要是左右2個馬達;控制回路主要由4個部分組成，即左右主泵供油控制油路和左右輔泵控制油路;其他元件主要有油箱、過濾器、溫度計等。

左右主泵回路、輔泵回路對稱布置，分別操縱液壓馬達的轉動，通過手動換向閥來切換主泵供油和輔泵供油兩種狀態。

3 液壓系統工作過程

3.1 手動收纜工況

手動收纜的工作原理如圖5所示。

正轉收纜:手動換向閥24工作在左側，輔泵17停止運轉，閥12工作在右位，主泵排出的油液帶動馬達正向轉動收纜，直到纜繩張力相對應的油壓達到溢流閥調定壓力15 MPa時，開啟溢油，進入停止狀況。

進油:主泵5→直通單向閥9→手動比例復合閥12的右位→單向順序閥→液壓馬達的進油口

回油:液壓馬達的回油口→手動比例復合閥12的右位→冷卻器2→過濾器1→油箱

收纜的工作速度決定于纜索張力即工作油壓。張力越大，油壓越高，使變量油泵的排量越小，液壓馬達轉速就越低，直至停轉，以防止收纜時張力過大。

圖5 液壓系統控制圖

3.2 停止工況

手動換向閥24工作在左側，輔泵17停轉，閥12工作在中位。利用該閥的H型中位機能，使各個油口全部連通，液壓缸浮動，液壓泵卸荷。

泵出口→閥12中位→冷卻器→過濾器→油箱

3.3 手動反轉放纜

手動換向閥24工作在左側，輔泵17停止運轉，閥12工作在左位。

進油:主泵→閥12的左位→馬達正轉時的回油口

回油:馬達正轉時的進油→單向順序閥→閥12的左位→冷卻器→過濾器→油箱

3.4 自動調節張力工況 (恒張力狀態)

手動換向閥24工作在右位，此時主泵不工作，輔泵工作。

若纜繩松弛 (低于額定張力75 kN)，則輔泵17油壓較低，溢流閥22關閉，液壓油經24A口供入液壓馬達，馬達回油經手動換向閥24的右位B口、溢流閥23和冷卻器2、濾油器1回入油箱，此時馬達正轉收纜。溢流閥23控制馬達回油為1.5 MPa。

進油:輔泵→單向閥20→節流閥21→閥24的右位→液壓馬達

回油:液壓馬達→閥24右位→閥23→冷卻器2→過濾器1→油箱

隨著纜繩收緊，張力增大，工作油壓升高，收纜速度因系統內漏泄量增大而略有降低。當纜繩達到額定張力75 kN時 (工作壓力達到溢流閥22的調定壓力11 MPa)，輔泵排油全部經閥22、閥23、冷卻器2，溢回油箱，馬達停轉，纜繩速度為零。

張力在75～80 kN之間，纜繩不動，工作油壓不變;

輔泵→閥22→閥23→冷卻器→油箱

若纜繩張力超過80 kN(額定張力和傳動機構的摩擦力之和)，則馬達反轉，放出纜繩。馬達排油從閥24的A口流回，與輔泵排油一起從閥22溢回油箱;若纜繩張力進一步增大，則工作油壓進一步升高，溢流閥溢流量增大，松纜速度加快。同時，閥24部分溢油經B口由馬達吸回 (補油)，其余油液由閥23控制流回油箱，可保證馬達不至吸壓過低。

4 液壓錨絞機性能曲線分析

如圖6所示，隨著纜繩收緊，張力增大，工作油壓p升高，收攬速度v因系統內泄漏量增大而略有降低。當工作壓力接近溢流閥22的調定壓力pn(11 MPa)時，閥22開啟，收攬速度迅速降低。當油壓達溢流閥22的調定壓力pn時，纜繩達到額定張力75 kN(相當于A點)，輔泵排油全部經閥22、閥23、冷卻器2溢回油箱，馬達停轉，纜繩速度為零。

當纜繩張力增高至80 kN(相當于B點)時，達到纜繩達到額定張力75 kN和傳動機構摩擦力之和，張力在75～80 kN之間時，纜繩止住不動，工作油壓不變。若纜繩張力超過80 kN，則馬達反轉松出纜繩，馬達排油從閥24的A口流回，與輔泵排油一起從溢流閥22溢回油箱。這時若纜繩張力進一步增大，則工作油壓進一步提高，溢流閥開度和溢流量加大，松纜松出速度加快。同時，閥22部分溢油經閥24的B口油馬達吸回，其余溢油由背壓閥23控制流回油箱，可保證馬達不致吸壓過低。

自動絞纜時纜線最大張力80 kN不應超過纜線強度的允許值，而張力75 kN應滿足系纜作業的需要。調低或調高溢流閥22的調定壓力，則纜繩張力Fa和Fb相應減小或加大，性能曲線隨點A、B一起向左或向右平移。