懸臂取料機斗輪液壓系統改造

王敏剛

（神華黃驊港務公司，河北 滄州 061113）

0 引言

黃驊港作為渤海的一顆璀璨明珠，承擔著西煤東運的重要任務。自2002年1月份黃驊港投入試運營后，始終保持了較高的生產效率，每月的吞吐量連續遞增。2013年黃驊港更是達到了年吞吐量1.4億t，創造了國內同類型生產港口達產的最高紀錄。這些成績的取得都是與神華黃驊港務公司采用了先進的高度自動化煤炭裝卸設備，運用先進的生產管理模式密不可分的。神華黃驊港務公司生產裝卸系統應用了世界先進的科學技術，部分設計和關鍵設備是由國外引進，在國內制造，其自動化水平國內領先。神華黃驊港務公司煤一、二期工程共有12臺懸臂取料機，其中1500T/H懸臂取料機1臺，3000T/H懸臂取料機4臺和6000T/H懸臂取料機7臺，懸臂式取料機一般由行走機構、回轉機構、臂架機構、俯仰機構和斗輪機構等幾大部分組成，取料機的主要結構如圖1所示。

懸臂取料機斗輪機構包括斗輪輪斗、斗輪傳動軸、傳動鎖緊盤、斗輪減速箱、斗輪液壓馬達、斗輪油管、斗輪液壓站、斗輪驅動電機、斗輪液壓泵等組成，其具體工作過程如下：斗輪高壓驅動電機通過液壓泵帶動液壓馬達轉動、液壓馬達通過斗輪減速箱和傳動軸帶動斗輪輪斗勻速轉動，從而實現取料機取料作業。黃驊港現有所有懸臂取料機斗輪液壓系統在夏季長時間作業過程中，經常出現斗輪液壓系統過熱故障，導致取料機不能正常作業。現場作業人員一般采取人工用水沖洗斗輪液壓站油箱的方法降低油溫，等液壓油油溫恢復至正常范圍后繼續作業。采用人工沖洗方式的降溫效率很低，一般需沖洗至少1 h以上油溫才能恢復正常范圍，嚴重影響了懸臂取料機的作業效率，并且在沖洗過程中存在人員滑落的危險，帶來了很大的安全隱患。

圖1 懸臂式取料機

本文通過對懸臂取料機原有斗輪液壓系統工作原理深入分析，找出原有液壓系統的缺陷根源，開發了一種新的液壓系統冷卻裝置，完全避免了原有問題的出現，滿足了設備需求，并在實際應用中取得了良好效果。

1 技術改造背景

黃驊港現有的12臺懸臂式取料機斗輪驅動液壓系統都為閉式系統，3000T/H懸臂取料機由1個三聯柱塞泵和1個液壓馬達組成，6000T/H懸臂取料機由2個三聯柱塞泵和1個液壓馬達構成，兩種機型的懸臂取料機斗輪液壓系統工作原理一致，區別在于三聯柱塞泵數量和液壓馬達功率有大小之分。其工作原理為：此三聯柱塞泵的一級泵為主泵，主要為液壓馬達提供動力，驅動斗輪正反向轉動；二級泵為補油泵，主要給一級泵提供油源；三級泵主要提供控制油路壓力和冷卻系統壓力，控制油路主要控制斗輪正反轉和斗輪系統壓力。一級泵輸出高壓油驅動液壓馬達轉動，液壓馬達回油一部分直接回到一級泵吸油口，一部分經過液壓系統溢流閥流經冷卻風扇散熱，然后回至油箱。三級泵的一部分驅動冷卻系統液壓馬達，帶動冷卻風扇降低油溫，另一部分控制一級泵正反轉，從而實現斗輪正反轉。由于此斗輪驅動液壓系統為閉式系統，整個液壓系統工作過程中所產生的熱量都靠馬達回油中的一部分流經冷卻風扇后冷卻散熱，冷卻風扇的風介質為自然空氣，此散熱效果有限。在炎熱夏季，由于空氣溫度較高導致取料機斗輪的散熱系統所散出來的熱量小于斗輪轉動過程中系統所產生的熱量，從而產生斗輪液壓系統油溫升高，出現高油溫故障，并且油溫升高也加速油質惡化降低液壓油使用壽命，因而嚴重影響取料機的現場正常作業效率，并增加了設備的安全隱患。

2 原因分析

如前所述，為解決取料機在高溫或惡劣環境下作業時斗輪驅動液壓系統的散熱慢而導致熱量聚集、無法長期運行、并直接影響到設備使用效率的問題，港務公司技術人員通過查找相關資料和液壓廠家聯系逐步排除故障原因。一般液壓系統溫度升高由兩方面原因引起的，一方面是外部環境溫度變化導致液壓系統溫度升高，另一方面是由于液壓系統自身泄漏等導致的油溫升高。港務公司技術人員針對此兩方面原因分析先后采用了兩種方案，效果并不理想。其中方案1為在各取料機斗輪液壓站上方加裝防護罩，用以減少陽光直射液壓站時間，去除由于外部環境溫度變化導致液壓系統油溫升高的因素，此措施效果并不明顯。方案2為在各取料機斗輪液壓站油箱上方加裝一套灑水系統，在夏季室外溫度較高時，直接用自來水沖洗斗輪油箱，達到用水降低油箱液壓油溫的目的，此方案效果亦不明顯，并且此方案浪費水資源比較嚴重，違背了國家一直提倡的節能環保要求。

通過以上兩種方案實踐證明，外部環境溫度變化導致斗輪液壓系統油溫增加為次要原因，取料機斗輪液壓系統發熱的主要原因為液壓系統作業過程中產生的熱量不能得到有效的散發。在盡可能降低維修費用成本的前提下，港務公司技術人員通過共同討論，集思廣益，大家一致認為應該設計一套獨立冷卻系統，用以降低斗輪液壓系統溫度。

3 改造方案

本改造方案提供了一種斗輪液壓系統散熱機構，該斗輪液壓系統散熱機構包括斗輪驅動液壓系統，該斗輪驅動液壓系統包括液壓油箱。其中液壓油箱上設有吸油口和回油口，斗輪機構包括設置在吸油口與回油口之間的冷卻液壓回路，該冷卻液壓回路中設有冷卻裝置、冷卻液壓泵及其驅動電機，冷卻液壓泵管路連接到吸油口，以從液壓油箱中泵吸液壓油并使液壓油在冷卻液壓回路中由冷卻裝置冷卻后從回油口回油至液壓油箱，如圖2所示。在本改造方案中，在不增加液壓油箱的體積的情形下（目前斗輪機構的液壓油箱的體積已經比較大，再增加體積則受到其它液壓元件以及安裝空間的限制），為斗輪驅動液壓系統加裝一套獨立的液壓冷卻系統，即連接到液壓油箱上的冷卻液壓回路。其主要作用是加速液壓油箱中的液壓油流動并使之在冷卻裝置（例如散熱片）中進行有效冷卻，降低液壓油箱里面液壓油的溫度，從而達到降低斗輪驅動液壓系統的整體液壓油溫度的目的。

圖2 斗輪液壓系統散熱機構

現有技術中，對液壓系統進行散熱或過濾等，通常都是在液壓系統的液壓回路中增設散熱元件或過濾元件，在液壓系統運行的同時完成對液壓油的散熱或過濾。但在本實用方案中，考慮到斗輪機構中的結構布局復雜，可安裝空間不大，因而對既有的斗輪驅動液壓系統進行改進和優化布局的難度頗大。因此，本方案中的冷卻液壓回路優選為獨立于斗輪驅動液壓系統設置，如圖2所示，只將冷卻液壓回路連接到斗輪驅動液壓系統的液壓油箱中，從而在不影響斗輪驅動液壓系統運行的同時對油箱液壓油進行散熱、降溫處理。其中的冷卻裝置可選擇為冷卻風扇或散熱片等，使通過其中的液壓油得到盡可能的散熱。吸油口和回油口優選地設置在液壓油箱的頂部，以不影響液壓油箱的既有布局，液壓油箱與冷卻液壓泵和冷卻裝置間隔設置，在實際中冷卻液壓泵和冷卻裝置應安裝在遠離液壓油箱的位置，以便于斗輪機構的安裝布局，避免產生任何結構干涉等。另外，在進行冷卻的同時，該冷卻液壓回路中還設置有液壓油過濾器，以對液壓油進行同步過濾處理，提高液壓油的油質和使用壽命。如圖2所示，液壓油過濾器包括吸油過濾器和回油過濾器，吸油過濾器設置在冷卻液壓泵與吸油口之間的吸油油路上，回油過濾器設置在冷卻裝置與回油口之間的回油油路上。吸油過濾器可進行粗過濾，而回油過濾器可進行過濾等級較高的精細過濾。通過2個過濾器對流經冷卻液壓回路的液壓油進行較好的過濾處理，去除液壓油中的雜質等介質。并且，冷卻液壓回路中還可設有單向閥，該單向閥設置在冷卻裝置與回油口之間的回油油路上，以防止液壓油液倒吸。

此外，考慮到系統冷卻操作的自動化操作，本實用方案的斗輪機構還包括控制器和用于檢測液壓油箱中的液壓油溫度的溫度檢測元件（圖中未顯示），控制器配置為根據該溫度檢測元件的溫度檢測信號而控制啟動或停止冷卻系統驅動電機。在操作時，可通過重新布線并加裝繼電器等控制該冷卻液壓回路，只要液壓油箱中的溫度達到40℃以上，則驅動電機自動啟動，該冷卻液壓回路工作，從而降低液壓油箱中的液壓油溫度。

綜上可見，本實用方案的斗輪機構的結構原理簡單、加工制作成本低，可滿足取料機夏季作業過程中斗輪液壓系統散熱的需求。以下將闡述該冷卻液壓回路的安裝和作業。

4 施工方案

在現有的斗輪機構的基礎上進行改裝作業時，由于新增加了一套獨立冷卻系統，因而應提前在現場確定該獨立冷卻系統的管路布置、冷卻液壓泵和冷卻裝置的安裝位置等。在現場準備好各液壓元件后，可提前1d申請取料機的停機時間，一般需要大概2d時間。具體施工方案如下：1）聯系取料機操作司機將大機開到錨固位置，錨固好大機。2）關閉斗輪液壓泵出口處截止閥，防止取料機臂架油管中液壓油回流。再放空斗輪機構中的液壓油箱內的液壓油，在液壓油箱的頂部開設2個直徑大約為25 mm的圓孔，即吸油口和回油口。3）并在離液壓油箱盡量遠的位置安裝和固定冷卻液壓泵和冷卻裝置。4）在各液壓元件安裝到位后，合理布置連接油管，并依次固定各油管，接好接頭，聯系維修電工液壓泵電機布線，并接好線。5）最后，聯系取料機操作司機進行試車，觀察斗輪驅動液壓系統和冷卻液壓回路的工作情況。6）安全措施。a.施工單位、委托單位對進入現場人員進行安全教育，遵守現場作業的各項管理規定，戴好安全帽。提高安全意識，進行預先性分析，采取必要的防護措施，詳細交待工作程序和注意事項。電焊工、起重工持證上崗。b.施工前確定好通訊方式，嚴格停送電程序，運轉的設備上不得施工作業。c.施工過程中嚴格遵守操作規程，防止蠻干，統一指揮，發現隱患及時報告并采取相應措施。d.作業現場嚴禁吸煙，每個動火點不少于2具滅火器。備足水桶，確保消防設備設施齊全有效，并通知消防車現場監護作業。e.高空作業必須系好安全帶，工具物品擺放整齊穩妥，防止高空墜物傷人。上下作業面相互照應配合默契。

5 經濟效益估算

在上述基礎上，本實用方案還相應提供了一種取料機，該取料機包括根據本實用方案上述的斗輪機構。該取料機由于設置了上述的斗輪機構，因而可使得液壓油箱中的液壓油得到及時的散熱處理，提高液壓油品質，使得斗輪驅動液壓系統在高溫和惡劣環境下也能保持連續穩定的作業。避免了因液壓油高溫帶來的各種故障，大大減小了維護成本。

在未改造前，1臺3000T/h取料機或6000T/H取料機1a大約有60次油溫高故障，每次故障需要停機1 h來進行降溫，并且2～3a完全更換一次液壓油。在經過上述改進，使用本實用方案的斗輪機構后，通過仿真和試驗，取料機油溫高故障可預期地基本消除，液壓油可延長至平均5～6a更換一次。在改造后，按3000 t/h取料機平均流量1 600 t/h，6000 t/h取料機平均流量3000 t/h計算，3 000 t/h取料機可以多裝煤 1 600×1×60=96 000 t，6000 t/h 取料機可以多裝煤3 000×1×60=180 000 t，按每噸煤20元利潤計算，96 000×20=192萬元，180 000×20=360 萬元。

液壓油由原來的2～3a更換一次改為5～6a更換一次，中間減少了一次液壓油更換。3000T/H取料機斗輪油箱為1 000 L，費用為1 000×19.85=19 850元，6000 t/h取料機斗輪油箱為1500L，費用為1 500×19.85=29775元。

綜上可得，1臺3 000 t/h取料機每年可節省費用為1 920 000+19 850=193.985萬元。1臺6 000 t/h取料機每年可節省費用為3 600 000+29 775=392.977 5萬元。因此，帶來的經濟效益是可觀的，大大減少了設備維護成本。

6 結論

綜上所述，新冷卻系統的設計原理完全不同于傳統的改變原液壓系統原理和機構設計的方法，以此使得原有液壓系統存在的缺陷從根本上得到了彌補。直接利用一套獨立的液壓冷卻系統進行油箱液壓油的冷卻，方法簡便，結構簡單，施工方便，并且此改造方案更適合港務公司的節約、綠色、環保的理念。

在黃驊港所有的懸臂取料機上做了以上改造應用后，新的冷卻系統不但可以解決取料機斗輪液壓系統高溫故障，而且由于其系統中有吸油過濾器，在作業過程中可以不斷地過濾油箱中的液壓油，起到凈化斗輪液壓系統的作用。在此雙重作用下，斗輪液壓系統高油溫故障可以基本解決。原來液壓系統的液壓油需3a更換一次，改造后可以5～6a更換一次，大大減少了設備維護成本。并且通過重新布線，并加裝繼電器控制該冷卻系統，當斗輪油箱溫度只需達到40°以上時該冷卻系統自動啟動，降低油箱溫度。因此，該裝置的應用不但從根本上解決了原有斗輪液壓系統液壓油高溫的問題，而且有效地提高了作業效率，同時也保障了設備的安全。

以上結合圖1和圖2詳細描述了本方案的優選實施方式，但是，本方案并不限于上述實施方式中的具體細節，在本方案的技術構思范圍內，可以對本方案的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本方案的保護范圍。另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重復，本方案對各種可能的組合方式不再另行說明。