低壓拖纜機液壓系統典型故障分析

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(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

長期以來，大噸位拖纜機都由國外公司生產；近年來，國內有公司相繼研制出一系列噸位的拖纜機，逐漸實現拖纜機國產化，但其性能有待提高。所以對拖纜機液壓系統在使用過程中出現的典型故障[1]進行分析總結，以期促進國產拖纜機性能的改進。

1 絞車三通切換閥

1.1 工作原理

深海三用工作船的船舯設備包括拖纜機、移貨絞車、儲纜絞車等。大多數時候儲纜絞車和移貨絞車都需要和拖纜機共用一個液壓動力單元。三通切換閥的作用是在拖纜機和絞車之間切換，正常工作時所有泵組都向拖纜機供油，保證拖纜機的正常工作；三通閥切換之后，將一個泵組切換給絞車供油。拖纜機和絞車一般不會同時工作。

由于拖纜機動力單元一個泵組的流量比較大，一般為400 ～800 L/min。三通切換閥采用的是ParkerD11系列NG32的電磁換向閥[2]，工作原理見圖1。

圖1 絞車三通切換閥原理示意

1.2 故障模式

拖纜機在調試過程中，切換三通換向閥向拖纜機供油時，拖纜機能正常工作，即動力單元的液壓油能順利供給拖纜機馬達。但是切換三通閥向絞車供油時，絞車沒有動作，動力單元的液壓油沒有供給絞車馬達。

1.3 故障分析

通過對三通閥的內部結構進行分析，先導閥原始狀態是P通A，見圖2a)，先導壓力油作用在主閥的左腔，使主閥工作在右側，主油路的壓力油供給拖纜機。先導閥得電后，先導壓力油進入主閥右腔，使主閥工作在左位，見圖2c)，此時主油路的壓力油供給絞車。

圖2 絞車三通切換閥換向過程剖面

因主閥是滑閥閥芯，閥芯換向的過程中存在一個死區，即P和A、B都不通，見圖2b)，此時主油路壓力會瞬間憋高。而拖纜機采用的低壓大流量葉片泵HPD7-6，匹配的是順序型安全閥，在液壓系統壓力超過安全閥設定壓力時，為保障系統安全，安全閥會立刻跳壓，使系統壓力變為0。主閥閥芯換向過程見圖2。

當系統壓力高于主泵安全閥設定壓力時，安全閥會立刻跳壓，跳壓后系統壓力變為0；此時電液換向閥主閥芯還沒有來得及換向到位，先導壓力變為0，主閥芯又回到初始位置，從而使主油路液壓油無法到達絞車。

先導油壓力作用時間不夠，無法推動主閥芯換向到位。推動主閥芯至少需要先導壓力作用時間超過585 ms，當主閥換向時，由于存在換向死區，主閥還未換向到位，系統壓力就達到泵安全閥壓力，憋壓約100 ms時主泵安全閥跳壓，使系統壓力降為0，無法提供持續的先導壓力。所以造成此故障的原因是液壓系統匹配性問題，泵的響應速度比三通閥的響應速度快，使得三通閥不能正常換向。

1.4 改進措施

對國內外液壓元件市場進行調研，這種低壓大流量電磁換向閥目前市場上還沒有廠家銷售。Rolls-Royce拖纜機系統中用到的三通電磁閥為其自制產品，不對外銷售。國內WMMP公司已研制出這種三通低壓大流量電磁閥，原理見圖3。

圖3 WMMP三通切換閥原理

WMMP公司自主研制的電控三通轉換閥采用插裝閥[3]的結構形式，通流能力大，其額定流量范圍為1 500～4 200 L/min，專門應用于低壓大流量的拖纜機液壓系統。當先導電磁閥均不得電時，A和B通，A和C截止；當先導電磁閥DT1和DT2均得電時，A和B截止，A和C通。其外形見圖4。

圖4 三通切換閥外形

2 左右舷隔離閥

2.1 工作原理

對于大噸位拖纜機，由于負載噸位大，所需液壓馬達的數量較多，所以一般將拖纜機的液壓馬達對稱布置于拖纜機的左右舷，由左右舷泵組分別驅動。這就需要兩邊的馬達工作壓力和輸出轉矩保持同步。目前的同步方法是在左右舷馬達回路之間增加一個左右舷隔離閥組[4]，保證兩邊馬達的工作壓力一致。液壓原理示意于圖5。

圖5 左右舷隔離閥液壓原理示意

當隔離閥的電磁鐵不得電時，P1和P2油路的高壓油使插裝閥處于關閉狀態，左舷的P1油路和右舷的P2油路相互隔離。當電磁鐵得電時，插裝閥被打開，P1油路和P2油路相通。

2.2 故障模式

150 t雙滾筒拖纜機在現場調試過程中發現，拖纜機雙邊馬達同時工作時，負載拉力和速度均能滿足設計要求；但當拖纜機只有單邊馬達工作時，負載拉力和滾筒速度都很小，遠遠達不到設計要求，遠程觸摸屏觀察，此時液壓系統的壓力很小。

2.3 故障分析與改進

排查發現故障原因是閥塊設計時，先導油路將左右舷的主油路打通，使左右舷液壓油路始終處于相通的狀態，見圖6。

圖6 隔離閥剖視圖

所以當雙邊馬達同時工作時，由于左右舷回路均為高壓，所以壓力和流量均可以正常建立；而只有單邊馬達工作時，高壓側液壓油會通過直徑為8 mm的先導孔與低壓側相通，使油壓不能建立，而且油液部分流回油箱，導致流量不足，從而速度達不到設計要求。

改進措施：重新設計并加工隔離閥塊。

3 板式冷卻器

3.1 工作原理

低壓拖纜機因系統流量大，多采用鈦板式冷卻器[5]，見圖7。鈦板式冷卻器由冷卻板片組成，冷卻介質從板片之間的波紋孔中流過，板片與板片之間靠密封膠條進行密封。介質流動為單邊對流形式，即溫度較高的介質從固定壓緊板上面一個角孔流入，從同一側的下面角孔流出，過程中放出熱量；同樣溫度較低的介質從固定壓緊板下面一個角孔流入，從同一側的上面角孔流出，過程中帶走熱量。

3.2 故障模式

250 t三滾筒低壓拖纜機在工作過程中，出現板式冷卻器油水側貫穿的現象,油側的液壓油進入水側。

3.3 故障分析與改進

對板式冷卻器進行拆檢，發現中間部分板片存在擠壓變形的現象，判斷這部分板片之間的密封失效，導致油水側貫穿。

經分析，由于板式冷卻器是冷卻介質從板片與板片之間的波紋孔流動，有一定的耐壓能力。當系統流量過大或冷卻器設計裕量不足，使其工作壓力超過最高耐壓值時，就可能導致板片擠壓變形或密封膠條跑偏，使油水側相通。計算發現，冷卻器的設計裕量不足，冷卻器的計算雖然滿足了冷卻功率的要求，但是選用的板片數量不足，導致冷卻介質的過流通道不足，壓力損失過大，超過其最高耐壓值，造成板片的擠壓變形。

該故障的解決方案是在油側的進油口和出油口之間增加一個單向閥，當進油口的壓力超過冷卻器的最大耐壓值時，單向閥開啟，使部分油液通過單向閥直接流向冷卻器出油口，減少冷卻器冷卻板片的負擔。

4 主系統油液乳化

4.1 故障模式

150 t雙滾筒拖纜機在調試時，主液壓系統發生油液乳化[6]。

4.2 故障分析與改進

液壓系統油液乳化是由于有水混入了液壓油，導致油液乳化。

整個拖纜機液壓系統在運行過程中可能進水的地方有2個：一是壓力油箱，因壓力油箱要通入壓縮空氣，壓縮空氣如果不夠干燥，會向系統中引入水分；二是板式冷卻器，如果冷卻器損壞，也可能導致冷卻水進入液壓系統。

在故障排查過程中，發現冷卻器的水側有乳化的液壓油。隨后對冷卻器進行拆檢，發現板片的密封膠條跑偏，起不到密封作用。所以該故障的原因是板式冷卻器的油水側擊穿，冷卻水通過冷卻器流入了液壓系統管路中。

拖纜機在正常工作時，操作人員觀察了冷卻器的壓力表，油側和水側的工作壓力均沒有超過冷卻器的最大耐壓值。但是檢查管路發現，船廠在做管路舾裝時，在壓力油箱的低位油口多裝了截止閥，見圖8中的①。

圖8 主系統補油原理示意

拖纜機主液壓系統是閉式系統，需要配置壓力油箱來為系統補油，補充系統油液的熱脹冷縮及泄漏。

主系統是通過壓力油箱補油，壓力油箱的補油口始終與主系統的回油路相連，油箱液面以上通入0.08 MPa的干燥壓縮空氣。當壓力油箱的液位過低產生低液位報警時，補油泵會自動啟動給壓力油箱補油，直至液面補充到壓力油箱液位計的高液位點時，補油泵停機，停止補油。同時，壓力油箱的高位油口有一個開啟壓力為0.1 MPa的單向閥，當補油壓力超過0.1 MPa時，壓力油箱中的液壓油就會通過單向閥流回船供油箱，這樣，系統回油路中的壓力就保證不會超過0.1 MPa。

但是船廠在壓力油箱的補油口加了一個截止閥①，當這個截止閥關閉時，補油泵的出油口和主系統回油管路形成一個剛性容腔，開啟補油泵給系統補油，油液補充完成后，回油路的壓力會瞬間上升，超過冷卻器的耐壓值，將冷卻器油水側擊穿，導致油液乳化。

故障的解決措施:拆除船廠安裝的截止閥①，避免再發生此類誤操作。

5 結論

拖纜機液壓系統典型故障類型涵蓋了拖纜機的設計制造、配套件選型及使用維護等方面。針對這些方面的問題，對今后拖纜機的改進和優化提出以下建議。

1)在閥件的設計選型時，應特別注意高壓元件和低壓系統的壓力匹配性問題；

2)板式冷卻器的設計選型時，板片數量應留有裕量，保證換熱功率的同時，還應保證流道壓力損失不超過冷卻器的設計壓力；

3)對拖纜機在使用和維保過程中存在的風險點，應向用戶提出盡可能詳細的操作建議和注意事項，避免用戶在使用時發生誤操作。