耙頭防污液壓缸的改進設計

(長江南京航道工程局 設備部,南京 210011)

為了提高自航耙吸船的挖泥效率，對挖泥船的的主要設備之一——耙頭的要求越來越高。在對不同土質選用不同耙頭的同時，考慮到船舶施工時，因河床凹凸不平，易引起吸入真空度變化過大，不但引起泥泵轉速波動過大[1]，而且吸入的泥漿濃度不穩定，導至挖泥產量下降。如能在挖泥的過程中，將耙頭的活動罩及時調整為適應河床高低不平的角度，將有效改變上述現象。

1 耙頭分類

目前我國自航耙吸挖泥船所用的耙頭按是否需人工調節分為兩種：主動耙頭和被動耙頭。

1.1 被動耙頭

在耙頭背與活動罩之間用拉桿將其固定，需人工根據挖深大至將耙唇調至固定的位置。這種調節方式精度低、對水深的適應性差，難以掌握確切的角度，且費工費時，見圖1。

1.2 液壓油缸控制的主動耙頭

通過外力調節耙頭活動罩與地面的角度變化，見圖2。目前國內所使用的主動耙頭都是在耙頭上安裝兩只液壓油缸，將控制油路引入，根據耙頭對地角度與挖泥深度的關系對耙頭活動罩進行人工調節。其調節方法：在疏浚操作臺上操縱電液換向閥控制液壓缸油路的進出，調節液壓油缸拉桿的伸縮調節耙頭活動罩對地角度。

圖1 耙頭罩固定式結構

圖2 油缸調節式耙頭

因人工調節不能實時、自動地調節耙頭活動罩對泥土的壓力。如果遇到施工區域高低不平，易引起悶耙或真空度降低現象。對于安裝液壓油缸的耙頭，必須配備液壓泵站、減壓裝置、液壓油連接管道、控制及反饋系統等[2]。上述設備結構復雜，一旦漏油將造成海面污染。

1.3 水控液壓缸的主動耙頭

對環境保護要求越來越高的港口作業區域，選用既安全又可靠的替代設備勢在必行。目前挖泥船耙頭都裝有高壓沖水裝置，壓力大小不等。如果就地取材，將耙頭處的高壓海水代替液壓油作為傳動介質，設計專用海水液壓缸來推動柱塞桿工作控制耙頭活動罩開度，可省去液壓泵站、控制系統及輔助設備。不但結構簡單、性能穩定、減少污染、且易于維護保養，見圖3。

圖3 耙頭水控液壓缸結構示意

施工時，從耙頭的高壓沖水管路中直接將高壓水與液壓缸相連，接入海水后，保證活塞桿不間斷受到高壓水推力作用向外頂出，連續、恒定地給耙頭唇罩一個對疏浚泥土的壓力，不論河床如何變化，其耙唇都能瞬時調整角度以一恒定的壓力與泥土咬合，當耙頭遇到堅硬的障礙物時，如外力超過活塞桿的推力，耙唇將自動抬起，穩定在相對平衡的位置。通過上述替代設備，可保證吸入真空度相對平穩，也可保證泥泵負荷、轉速相對穩定，對提高挖泥濃度有相應的改進作用[3]。

2 海水液壓缸的設計要求

海水液壓傳動技術[4]是一門新技術 ,由于其抗燃性好,特別是和海洋環境相容，不存在因管路泄漏而導致環境污染，既安全又環保，效率高 ，越來越受到人們的重視。但是，海水中含有氯離子等多種成分，其腐蝕性極強，海水中可近似看成3.5%的氯化物鹽溶液，其中幾乎含有地殼中所有自然狀態的元素，如果使用海水，普通液壓缸將產生嚴重腐蝕。

為了防止長期在海水中工作的設備免受腐蝕，對材料的選擇提出更高的要求。耐蝕合金是水液壓元件中應用最廣泛的一種材料，如鈦及其合金，哈氏合金具有很好的耐腐性能；其次是鎳基合金和銅合金。其中不銹鋼材料以Fe-Cr為基礎，是添加一些合金元素來改善其性能的一系列耐蝕鋼材。其中不銹鋼中的鉻能和氧快速反應生成一層Cr2O3薄膜，此薄膜有較好的韌性，能有效地阻止氧氣進一步腐蝕。

綜合上述因素，缸套、活塞及桿件選用16L不銹鋼材料，導向套可選用黃銅材料，活塞環密封可選用摩擦系數小，運動時能刮去接觸面雜質，同時還要防止雜質嵌入密封圈中的材料，如聚四氟乙烯或纖維復合材料都具有良好的承載能力[5]。

3 尺寸選擇

高壓沖水所能提供的壓力與液壓系統提供的壓力相差較大，根據所挖泥土的粘性，耙頭活動罩必須對泥土有一定的壓力才能滿足要求。現以長鯨一號船為例，該船能提供1 MPa的水壓，根據該船的工作狀況，可設計成單作用的差動活塞液壓缸[6],見圖4。

在每只耙頭上裝兩只相同的液壓缸，液壓缸進水孔直接與耙頭高壓水相接，無需換向閥等控制機構，工作時，高壓水從進水孔進入活塞的頂部，同時從直徑180 mm的差動活塞上的孔引進部分水到活塞桿外徑為160 mm的環形密閉空間中。

圖4 耙頭水壓缸總裝示意

按設定的尺寸，活塞桿所能提供對耙頭唇部的推力為39.388 kN。

當耙頭遇到海底高低不平、其海底起伏變化的吸入物對耙唇的反作用力超過水液壓缸對耙唇的推力時，活塞桿自動縮回，液壓缸在恒定高壓水壓的作用下，使耙唇和疏浚土始終保持在相對平衡的位置。

為了不改變整個耙頭在工作中的受力狀況，活塞桿加工成空心且密封，通過水中的浮力作用平衡掉液壓缸的重量對泥土及絞車受力的變化。活塞桿伸出的最大行程應等于耙頭唇部在同方向的距離。活塞桿環形密封空間積存的海水沉積物可經可調放殘閥21排出。缸體中部的耳軸插入耙背的耳孔中，使柱塞桿端部的環形孔與耙唇端部絞鏈。液壓缸維護保養時，僅需拆開前端法蘭上的螺栓11，就可以將柱塞及密封全部拉出進行檢查和修理。

4 結束語

長鯨1號輪耙頭是一種老式的被動耙頭，通過在該船的耙頭上加裝液壓油缸，既能改變泥泵工作時波動過大，又能提高挖泥濃度。此設備安裝時僅需在耙上焊兩絞鏈支架，不用時可拆出恢復原有功能。

[1] 王朝暉.泵與風機[M].北京：中國石化出版社，2007.

[2] 劉軍營,李素玲.液壓傳動系統設計與應用[M].北京：機械工業出版社，2010.

[3] 洪國軍,王 健,林 風.自航耙吸挖泥船耙頭模型試驗研究[J].中國港灣建設，2008(4)：19-22.

[4] 劉銀水.水液壓傳動技術[M].北京：機械工業出版社，2013.

[5] 張紹九.液壓密封[M].北京：化學工業出版社，2012.

[6] 臧克江.液壓缸[M].北京：化學工業出版社，2009.