“天鯤號”橫移起錨絞車液壓馬達故障案例分析

王東，楊家旺

（中交天航濱海環保浚航工程有限公司，天津 300450）

1 項目背景

重型自航絞吸式挖泥船 天鯤號 被譽為 造島神器 大國重器，本船配有龐大的液壓系統，采用集中泵控方式，配有三臺一拖二力士樂A20V0520 HS4P大流量變量柱塞液壓泵和一臺A11VO95LRD變量柱塞應急泵，為橫移錨絞車、系駁絞車、裝駁絞車、鋼樁臺車等系統提供液壓動力。本船橫移起錨絞車選用650kn液壓卷筒絞車，該絞車由兩臺Hagglunds CA50雙速馬達驅動，彈簧自閉式帶式剎車。絞車額定速度（第一層）：15m/min，橫移錨凈重13t。在天鯤號挖泥試驗過程中出現了絞車兩馬達損壞故障，本文就此次故障原因和系統改造進行分析。原理圖見圖1。

2 系統原理

橫移起錨絞車由P2管路供油。在正常工作時，相應的油泵為M1電機帶動的2號主油泵，而剎車油缸和離合器油缸則由P6管路供油。

絞車放纜步驟為：（1）反向建壓，防止馬達溜車：S1213得電，使用8%小流量建壓，直到系統壓力為110bar，S1213失電；（2）當系統壓力達到110bar，打開剎車；（3）油路接通，馬達運行：電磁閥S1214和S1215先得電，同時泵的流量按照設定斜坡（5s）逐漸增加達設定速度所需要流量；（4）油路關閉，馬達停止：泵的流量按照設定斜坡（5s）逐漸減低至零，然后電磁閥S1214和S1215同時失電；（5）關閉剎車。

3 故障現象

圖1 天鯤號橫移起錨絞車液壓原理圖

操作人員描述：由于橫移錨在海底泥中掩埋，陷入過深，在起錨過程中系統壓力到達額定值230bar后收攬速度為0。操作人員操作反向放纜，如此反復操作才將錨起出；在下錨過程中，錨即將著地時出現無法放纜現象，收攬現場發現馬達有異響。

通過挖泥控制系統視頻回放發現以下幾點：（1）起錨過程中收攬A口壓力230bar，絞車收攬速度為0，切換為放纜操作參數正常；（2）在某次由收攬動作切換至放纜動作時，放纜繩速出現兩秒鐘46.2m/min的異常高速，且出繩時液壓主泵壓力僅為5.9MPa怠速壓力，馬達控制閥塊檢測工作壓力為0MPa，此后不久，便發現絞車故障，此為明顯的馬達倒拉現象；（3）由收攬到放纜切換過快時出現帶式剎車一直處于打開狀態。

4 故障原因

結合視頻回放和操作人員描述，可以肯定的是馬達的損壞是由于超速和吸空造成的。

（1）馬達超速的原因：現場記錄到絞車最高速度達46.2m/min，根據絞車參數計算得到馬達的對應轉速為291.96rpm，而Hagglunds馬達的額定轉速為200rpm，已超速嚴重。

液壓系統采用了定值溢流閥作為負載背壓而不是平衡閥，放纜背壓閥設定壓力為110bar，此值為13噸錨重量×1.8倍安全系數換算為系統壓力值。在收攬工況下S1213得電，P壓力作用于A口，同時，壓力作用于放纜回油電磁閥S1215的P口。收攬至速度為0時，A口壓力為額定工作壓力230bar，快速轉為放纜，由于此處的壓力已經高于110bar，不再執行反向建壓動作，剎車油缸由于低溫、回油管徑較小、收放纜切換過快等多因素疊加，此時，剎車處于打開狀態，放纜電磁閥S1214/S1215得電，設定值110bar的溢流閥受到230bar的壓力沖擊立即溢流，馬達A口回油到T，馬達向放纜方向超速轉動直到繃緊的起錨鋼絲繩泄力到作用于A口的壓力降低至110bar。

造成絞車被高速倒拉的另一個主要因素是 倒拉蓄能，絞吸式挖泥船的橫移錨是通過一個長40m的鋼架拋錨桿拋至遠離船體的位置，在橫移起錨絞車工作至額定拉力65t時，近80m的起錨鋼絲、40m的拋錨桿都存在變形，同時，在絞車的拉力下船體也存在大角度的橫傾。鋼絲和拋錨桿的變形及船體的傾斜都是一種蓄能，這種蓄能在放纜時需要較長的纜繩放出才能釋放，這是造成馬達持續超速近2s的主要原因。

（2）馬達吸空原因：現場記錄到馬達超速瞬間馬達進油口壓力降至0MPa，同時，根據控制邏輯可以看出，馬達在被倒拉時閥組油路已經連通，但泵的流量根據斜坡輸出，流量不足以滿足1890L/min的流量要求，馬達被吸空。

5 系統改造

此次馬達的故障非偶然現象，系統修復后必須進行相應的改造才能保障馬達的安全使用。綜合分析馬達故障的最根本原因是系統為了滿足大流量穩定性的需求，采用了定壓溢流閥作為負載的背壓閥，而不是常規的平衡閥。為了降低改造成本，盡快恢復船舶運轉，本船提出了利用挖泥控制系統進行操作邏輯改造，控制邏輯對放纜進行兩種工況的判斷：一種為重載工況：放纜時回油電磁閥前壓力≥150bar，此時，馬達回油電磁閥不得電，馬達通過230bar安全閥進行緩慢回油，釋放 倒拉蓄能；另一種為正常工況：放纜時回油電磁閥前壓力＜150bar，馬達執行正常放纜，150bar與110bar間的差值不足以造成馬達超速和吸空。

前提操作條件邏輯判斷：

反向建壓，防止馬達溜車：S1213得電，使用10%小流量建壓，直到馬達收攬方向進油口壓力為110bar，S1213失電。

剎車打開：當馬達收攬方向進油口壓力達到90～130bar范圍（若超過130bar需要等待壓力降低到90～130bar），然后，剎車電磁閥S1209得電（注意：S1209保持得電，直至得到失電命令或馬達收攬方向進油口壓力低于90ba才關閉剎車)，打開剎車。

工況判斷：如果檢測到馬達收攬方向進油口壓力＜150bar，執行工況一（正常放纜操作）。如果檢測到馬達收攬方向進油口壓力≥150bar，執行工況二（重載操作）。

工況一步驟：（1）油路接通：S1215得電1s后，然后，S1214電磁閥得電，正常放纜；（2）流量增大，馬達運行：當電磁閥S1209、S1214和S1215全部得電后，泵的流量從10%按照設定斜坡（5s）逐漸增加達設定速度所需要流量；（3）油路關閉，馬達停止：泵的流量按照設定斜坡（5s）逐漸減低至零，然后，電磁閥S1214和S1215同時失電；（4）剎車關閉。

工況二步驟：（1）油路接通：放纜方向進油側電磁閥S1214得電打開，S1215保持失電（泵保持10%的流量輸出，以便主動緩慢放攬釋放鋼絲繩的張緊和船體傾斜）；（2）油路關閉，馬達停止：泵的流量按照設定斜坡（5s）逐漸減低至零，然后，電磁閥S1214失電和S1215保持失電；（3）關閉剎車。

6 結語

系統改造后，通過實際的使用驗證達到了改造目的，系統能夠準確地判斷工況，執行重載操作，有效釋放 倒拉蓄能 。但由于控制邏輯的復雜和重載工況下耗時較長，影響施工效率，另外，馬達在重載工況下實際回油壓力超過230bar，長期此工況使用也會降低馬達的使用壽命。