耙吸式挖泥船液壓系統(tǒng)技術(shù)改造分析

王進(jìn) 陳瑞

摘 要：本文著重介紹了耙吸式挖泥船的液壓系統(tǒng)組成，并對(duì)該挖泥船產(chǎn)生的故障進(jìn)行分析，重點(diǎn)闡述了油液污染對(duì)液壓系統(tǒng)的影響和蓄能器保壓的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：耙吸式挖泥船;液壓系統(tǒng);污染控制;蓄能器

1概述

耙吸式挖泥船是一艘裝有泥艙和疏浚設(shè)備、可自行裝卸并可在海上或內(nèi)河道自航的船舶[1]。它通過(guò)置于船體兩舷的耙頭吸入泥漿，以邊吸泥、邊航行的方式工作。耙吸式挖泥船機(jī)動(dòng)靈活，效率高，抗風(fēng)浪力強(qiáng)，適宜在沿海港口、寬闊的江面和船舶錨地作業(yè)[2-4]。

本文研究的耙吸式挖泥船交付于2007年，為沿海航道疏浚工程的展開(kāi)奠定良好的基礎(chǔ)。本船為雙耙挖泥、船底泥門(mén)拋泥。耙頭采用液壓式主動(dòng)耙頭，配有高壓沖水系統(tǒng)輔助疏松土質(zhì)。耙管系統(tǒng)布置于船中部，采用三點(diǎn)吊放的方式進(jìn)行收放操作。當(dāng)耙管與水底面成45°時(shí)，可達(dá)到最大的設(shè)計(jì)挖深26m[5]。

在取得良好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，該船上液壓系統(tǒng)經(jīng)過(guò)10年的使用，部分零部件出現(xiàn)磨損、疲勞和老化等現(xiàn)象，如液壓泵泄漏增加，效率降低，功率損失增大并產(chǎn)生大量發(fā)熱。這些現(xiàn)象已經(jīng)逐漸影響液壓元器件的正常使用，使生產(chǎn)效率下降，因此，需要對(duì)該船液壓系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)和改造。本文作者將系統(tǒng)中過(guò)濾系統(tǒng)、泥門(mén)保壓系統(tǒng)和液位控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使液壓系統(tǒng)工作更可靠。

該耙吸式挖泥船的主要技術(shù)參數(shù)如下表1所示。

全船液壓系統(tǒng)主要由液壓泵站、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件等組成，如圖1所示。

（1）液壓泵站：左右舷分別設(shè)有兩臺(tái)液壓油箱，中間油管連接，并配有油箱加熱器、泵口壓力開(kāi)關(guān)、油箱液位開(kāi)關(guān)和油箱溫度開(kāi)關(guān)等。11臺(tái)液壓泵分別與兩臺(tái)液壓油箱連接，執(zhí)行元件速度控制主要由電控式比例變量泵完成。

（2）控制元件：主要由方向控制閥、壓力控制閥及流量控制閥等組成。

（3）執(zhí)行元件：按耙吸式挖泥船疏浚設(shè)備分類(lèi)。

耙吸管升降系統(tǒng)：用于耙吸管的安全收放、調(diào)整挖泥深度、實(shí)現(xiàn)波浪補(bǔ)償和挖掘作業(yè)，由耙頭吊架、耙中吊架、彎頭吊架、耙頭絞車(chē)、耙中絞車(chē)、彎頭絞車(chē)和波浪補(bǔ)償油缸等組成。每一根耙吸管有三個(gè)吊點(diǎn)，每個(gè)吊點(diǎn)配吊架一臺(tái)（油缸頂升）和絞車(chē)一臺(tái)（馬達(dá)驅(qū)動(dòng)），左右舷分別有一根耙吸管。

泥門(mén)系統(tǒng)：挖泥船拋泥作業(yè)時(shí)要使泥門(mén)打開(kāi)，拋泥結(jié)束要使泥門(mén)關(guān)閉，裝艙時(shí)要使泥門(mén)緊閉保壓，泥門(mén)由14臺(tái)油缸驅(qū)動(dòng)。

溢流筒：本船配有液壓可升降式溢流筒，升降行程為3m，油缸控制。在艙容3200m3至最大5000m3的裝艙過(guò)程中，將泥艙內(nèi)上表層低濃度泥漿溢流。

閘閥：閘閥控制油缸，控制泥泵吸入閘閥、裝艙閘閥、沖艙閘閥，邊排閘閥、側(cè)推閘閥和泥門(mén)沖水蝶閥等的開(kāi)關(guān)。

（4）輔助元件：主要包含各類(lèi)壓力傳感器、行程開(kāi)關(guān)和液壓管路等。

3改造內(nèi)容

根據(jù)挖泥船十年來(lái)的使用情況，并結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，對(duì)本挖泥船液壓系統(tǒng)升級(jí)改造進(jìn)行如下分析。

3.1油液清潔度

在本挖泥船改造時(shí)發(fā)現(xiàn)，油液中含有大量的雜質(zhì)，同時(shí)，液壓泵工作時(shí)伴有噪聲和震動(dòng)。根據(jù)多年的資料統(tǒng)計(jì)，出現(xiàn)此類(lèi)系統(tǒng)故障70%是由于液壓系統(tǒng)污染引起的[6-8]。

液壓系統(tǒng)污染物分為系統(tǒng)中原污染物和侵入系統(tǒng)中污染物兩種。系統(tǒng)中原污染物是指系統(tǒng)中加入液壓油之前存在的污染物，主要是由于元件加工、裝配、調(diào)試、包裝、存儲(chǔ)、安裝環(huán)節(jié)中殘留的油漆剝落片、塵土和灰塵等污染物。液壓系統(tǒng)一旦運(yùn)轉(zhuǎn)，這些污染物將隨液壓油遍及整個(gè)液壓系統(tǒng)。而侵入污染物一般是指后天侵入液壓系統(tǒng)的污染，如：①加油不干凈，加油時(shí)污染物隨液壓油一起進(jìn)入液壓系統(tǒng);②液壓油由于溫度升高變質(zhì)而生成的焦油等膠質(zhì)、渣滓及腐蝕后的銹片;③檢修時(shí)不慎混入的灰塵;④使用過(guò)程中不斷產(chǎn)生金屬磨損和密封材料的磨屑;⑤通過(guò)油缸排氣孔的密封軸、泵和馬達(dá)等軸系零件侵入的污染等。

液壓油污染將會(huì)對(duì)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生諸多危害：①堵塞液壓元件，如泵、閥類(lèi)元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件之間的配合間隙，液壓元件的節(jié)流小孔、阻尼孔，使液壓元件不能正常工作。污染嚴(yán)重，會(huì)使液壓油管路、閥門(mén)堵塞，造成液壓控制失靈，不能及時(shí)傳輸控制室命令，致使挖泥船處于癱瘓狀態(tài)。在該挖泥船液壓泵修復(fù)過(guò)程中，液壓泵配流盤(pán)已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的磨損，影響液壓泵的使用性能;②污染物進(jìn)入液壓元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件間的間隙，會(huì)劃傷配合面，造成精度不準(zhǔn)確、元件表面有粗糙度，從而加速了密封元件的磨損，使元件泄露加大，有時(shí)還會(huì)使閥芯卡住，造成元件失靈;③液壓系統(tǒng)污染物的存在還會(huì)破壞潤(rùn)滑油膜，從而加劇元件磨損，導(dǎo)致系統(tǒng)油溫急劇升高。由于閥口等關(guān)鍵部位的磨損及油溫的升高，造成系統(tǒng)或元件的特性改變，引起精度和性能下降。

液壓油是液壓系統(tǒng)的血液，其污染物對(duì)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大的危害，需要控制和預(yù)防污染，避免挖泥船上液壓設(shè)備產(chǎn)生故障。在對(duì)原液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析后，在液壓泵站壓力油路和總回油路增加過(guò)濾裝置[6-8]。

過(guò)濾器的選擇：在選擇系統(tǒng)的主要過(guò)濾器，例如管路過(guò)濾器精度時(shí)，過(guò)濾器應(yīng)該能夠清除液壓元件運(yùn)動(dòng)副動(dòng)態(tài)油膜厚度的顆粒，因?yàn)檫@種尺寸的顆粒一旦進(jìn)入到運(yùn)動(dòng)副的間隙內(nèi)，將引起元件表面磨損，并使間隙增大，從而使尺寸較大的顆粒進(jìn)入間隙，引起進(jìn)一步的磨損，能快速導(dǎo)致元件的失效。改造原理如圖2所示，在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上，分別新增高壓過(guò)濾器和回油過(guò)濾器，確保油液的清潔度要求。

3.2泥門(mén)保壓

泥門(mén)的打開(kāi)與關(guān)閉由液壓原理圖為圖2中主泵P3完成動(dòng)作，而泥門(mén)油缸的保壓由保壓泵P10完成。該保壓泵為變量泵，采用壓力/流量控制模式，通過(guò)保壓泵上調(diào)壓控制閥設(shè)定斜盤(pán)變化壓力，液壓泵出口壓力在控制范圍內(nèi)使保壓系統(tǒng)壓力維持恒定，液壓泵僅提供系統(tǒng)所需要的流量。

當(dāng)挖泥船泥門(mén)需要保壓時(shí)，保壓泵出口電磁鐵得電，保壓泵出口高壓油進(jìn)入14臺(tái)泥門(mén)油缸有桿腔，并一直待命，直至保壓工況結(jié)束。在保壓泵的使用中，泵殼體內(nèi)一直處于高壓狀態(tài)，系統(tǒng)壓力較小的變化也會(huì)對(duì)保壓泵產(chǎn)生交大的沖擊。同時(shí)，泵殼體內(nèi)油液溫度會(huì)升高，且一直處于高溫狀態(tài)，液壓油壽命會(huì)變短。保壓泵一直處于高壓狀態(tài)，會(huì)加快磨損，縮短壽命，嚴(yán)重時(shí)造成故障。密封件一直處于高溫高壓狀態(tài)，容易變軟和撕開(kāi)[9-11]。

因此，在保壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中做出調(diào)整，新增一套蓄能器保壓裝置，原理如圖3所示。在保壓回路中，蓄能器將所存儲(chǔ)的壓力油液供給給泥門(mén)油缸，補(bǔ)充支路中的泄露，使系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)保持設(shè)定的保壓壓力。這樣，保壓泵不需要一直處于高壓工作狀態(tài)，僅需要在給蓄能器沖壓時(shí)工作。新增保壓蓄能器后，大大減少了保壓泵的故障率，同時(shí)系統(tǒng)更加節(jié)能。

蓄能器設(shè)置在保壓泵支路上，在蓄能器壓力口設(shè)有兩臺(tái)壓力繼電器，設(shè)為蓄能器壓力上限值和下限值。當(dāng)泥門(mén)油缸需要保壓時(shí)，蓄能器壓力口的壓力繼電器進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)保壓油缸支路壓力低于蓄能器下限值，壓力繼電器發(fā)出信號(hào)，打開(kāi)保壓泵使泥門(mén)油缸有桿腔中壓力升高，同時(shí)為蓄能器沖壓。當(dāng)支路壓力到達(dá)蓄能器上限值時(shí)，壓力繼電器發(fā)出信號(hào)，保壓泵停止向支路供油。此時(shí)，泥門(mén)油缸有桿腔中壓力由蓄能器保壓。

3.3液壓油箱液位控制器

本挖泥船液壓油箱分設(shè)在左右兩舷，中間用管路連接。由于油箱為所有設(shè)備共用，當(dāng)其中一臺(tái)油箱使用油液較多時(shí)，油箱中的油液會(huì)減少，而中間連接管路堵塞或未能及時(shí)平衡兩側(cè)油箱液位，而該側(cè)油箱中沒(méi)有液位檢測(cè)報(bào)警裝置，易導(dǎo)致油泵吸油吸空產(chǎn)生氣蝕，使系統(tǒng)中含有氣泡，以致振動(dòng)噪聲產(chǎn)生。因此，油箱中安裝液壓控制器，可以使設(shè)備使用更加安全。本挖泥船液壓系統(tǒng)油箱中，僅一側(cè)油箱安裝有液位控制器，另一側(cè)加裝可排除安全隱患。

4結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)本挖泥船的改進(jìn)，有效解決了以前遇到的問(wèn)題，顯著延長(zhǎng)了液壓系統(tǒng)的使用壽命，減少了故障率，大幅提高了生產(chǎn)效率。蓄能器保壓裝置的使用更加節(jié)能，節(jié)約了成本，為同類(lèi)設(shè)備的改造或新設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]師光飛. 耙吸式疏浚過(guò)程的建模與仿真[D].武漢理工大學(xué)，2010.

[2]錢(qián)衛(wèi)星.挖泥船的分類(lèi)及其發(fā)展趨勢(shì)[J].江蘇船舶，2008，25（06）：7-9+47.

[3]唐旭東. 大型耙吸挖泥船泥艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[D].上海交通大學(xué)，2012.

[4]武建中，盧志炎，盛晨興.我國(guó)疏浚業(yè)的現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)水運(yùn)，2017（02）：14-16.

[5]張曉楓.連云港5000m～3耙吸挖泥船總體設(shè)計(jì)綜述[J].船舶，2008（03）：1-4.

[6]齊億洲，溫佩民.淺析“液壓系統(tǒng)污染對(duì)液壓系統(tǒng)的影響”[J].科技信息（科學(xué)教研），2007（13）：35.

[7]陳章躍.挖泥船液壓系統(tǒng)若干問(wèn)題[J].中國(guó)水運(yùn)，2008（04）：38-39.

[8]姚新，劉喜元.耙吸式挖泥船液壓系統(tǒng)故障邏輯分析診斷[J].船海工程，2003（05）：31-33.

[9]郅瑤.蓄能器的壓力調(diào)節(jié)與壓力控制[J].新疆農(nóng)機(jī)化，1995（04）：36-38.

[10]邱淑琴.蓄能器的壓力控制[J].組合機(jī)床，1984（05）：43-45+2.

[11]Zinkweg Ir A J.Self-propelled Cutter Suction Dredger[J]. Port & Dredger， 1978，96：9-11.