岸邊集裝箱起重機小車鋼絲繩張緊液壓系統改造分析

鄭俊宏

摘 要：針對鋼絲繩張緊液壓系統頻繁故障，嚴重影響生產作業問題，經深入分析，通過加裝蓄能器等相關控制元件方式，對現有液壓控制系統進行軟硬件改造。實踐表明，該改造方案可以有效降低液壓環境溫度，減緩密封件硬化、破損，進而提升鋼絲繩張緊液壓系統整體穩定性。

關鍵詞：鋼絲繩張緊液壓系統;控制系統;蓄能器

中圖分類號：U653.921 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）31-0034-03

Analysis on the Transformation of the Hydraulic System of the Steel

wire Rope Tensioning of the Trolley of the Quayside Container Crane

ZHENG Junhong

（Xiamen Hairun Container Terminal Co.， Ltd.， Xiamen Fujian 361000）

Abstract： In the view of the frequent faults of the steel wire rope tensioning hydraulic system， which seriously affect the production operation， and through in-depth analysis， the software and hardware of the existing hydraulic control system are reformed by adding the accumulator and other relevant control elements. The practice shows that the retrofit can effectively reduce the hydraulic ambient temperature， slow down the hardening and damage of seals， and then improve the overall stability of steel wire rope tensioning hydraulic system.

Keywords： steel wire rope tensioning hydraulic system;control system;accumulator

我國的岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）是發展速度最快、技術水平最高及出口最多的港機產品。國產品牌起重機已遍布全球105個國家和地區，市場占有率超70%[1]。現代化集裝箱運輸船舶不斷升級，繼3E級集裝箱船舶后，超20萬噸級集裝箱船舶又陸續下水開航，船舶型寬已達61.5 m，對應的岸橋小車牽引鋼絲繩長度也跟隨著岸橋作業前伸臂的加長而延伸，不可避免地產生小車牽引鋼絲繩的懸垂、跳動和鉤掛，進而影響鋼絲繩的使用壽命，也對其他周邊設備、人員造成潛在的危險。岸橋鋼絲繩張緊裝置設計的初始目的是有效控制小車牽引鋼絲繩的懸垂度和縱向跳動。液壓傳動具有傳動平穩、調速方便、體積小和易于自動化等優點。穩定的液壓系統廣泛應用在包括鋼絲繩張緊裝置在內的眾多岸橋傳動機構上。

1 張緊液壓系統改造前存在的問題

隨著近幾年國家經濟的發展，進出口貿易日益繁榮，集裝箱業務與日俱增。廈門海潤集裝箱碼頭有限公司服役多年的岸橋設備出現了不同程度的老舊損耗現象。11#岸橋曾在一個月內多次出現小車牽引鋼絲繩過松懸垂、張緊裝置碰感應限位及張緊液壓系統壓力過高等故障。這一系列重復性故障對碼頭現場作業生產造成了不利影響，不僅給客戶（船公司）造成經濟影響，而且嚴重延誤船期，間接使公司信譽受損;設備安全和作業安全都受到影響，因為小車牽引鋼絲繩過松容易引起小車前后竄動、鋼絲繩四周干涉及牽引鋼絲繩脫槽（滑輪槽）等情況，繼而對鋼絲繩本身以及周邊設備造成損害，甚至有高空墜物風險。因此，必須深究重復故障背后的原因，并通過技術調整或改造等方式從根本上解決該類故障，以保障設備的穩定運行。

2 問題分析和解決思路

廈門海潤集裝箱碼頭有限公司技術人員逐步排查并深入分析故障發生的環境情況以及當時所處工況，最終發現真正的故障源是控制小車牽引鋼絲繩張緊的液壓張緊機構。在該機構液壓系統中，由于液壓油油箱設計容量較小且未設置儲能裝置，外加油泵啟停控制不匹配，致使液壓系統整體工作環境溫度長期過高，液壓油老化變質，相關的液壓密封部件在高溫環境下硬化并破損，繼而堵塞了控制壓力的溢流閥，引發液壓系統高壓感應限位動作，報出顯性的外圍機械設備故障。雖然小車牽引鋼絲繩液壓張緊機構對整個岸橋來說只是輔助機械設備，但是一旦出現故障，小車牽引鋼絲繩不能精準提供足夠的張緊力，作業機械設備勢必要停機整修[2]。在清洗相關液壓元件、更換密封部件并更換清潔優質液壓油后，故障未再出現。

經復盤分析，上述處理方案治標不治本，倘若不解決小車牽引鋼絲繩張緊機構液壓系統運行溫度過高這一根本問題，類似的故障會再度出現。通過統計梳理，發現其他臺次岸橋也存在類似故障隱患。在分析小車牽引鋼絲繩張緊裝置液壓系統運行溫度過高故障時，遇到一些干擾因素。故障發生時正值8月，碼頭工作現場溫度最高可達40 ℃，液壓系統工作環境溫度偏高，常年工作的液壓元件在該特定工況下容易崩壞罷工。但研究發現，小車牽引鋼絲繩張緊機構液壓系統運行溫度的升高不可能由外部環境溫度積聚引起，可通過查看技術圖紙發現其自身原因。在該臺次的小車牽引鋼絲繩張緊機構液壓系統中，為保持系統油壓，定量泵長期處于工作狀態，壓力調節完全依靠物理溢流閥，而來自定量泵的長期供給壓力絕大部分依靠溢流閥釋放。在溢流閥釋放多余液壓油的過程中，大量熱能積蓄于油箱，加上油箱周邊自然環境散熱不足，最終熱平衡被打破，張緊機構液壓系統整體溫度攀升，而持續的高溫環境加速了液壓元器件和密封件的老化。

經技術人員討論分析，總結出3種技術方案解決此問題：方案1，將系統動力源定量泵更換為變量泵進行油壓輸入;方案2，擴大油箱容積或加裝散熱風扇等冷卻裝置;方案3，給系統加裝液壓儲能裝置和相關控制元件，依據小車牽引鋼絲繩張緊系統油壓變化控制油泵啟動、停止，使小車牽引鋼絲繩張緊力保持在設計張緊力范圍內。

方案1可以從根本上解決系統壓力問題，但變量泵存在流量脈動嚴重、系統壓力不平穩、泵壽命短和噪聲大等問題，長期使用時在平穩性和經濟性方面不是最優選擇。方案2需要對系統整體結構進行改造，工程量大，短時間內難以完成，且難以把控控溫效果。相比前兩個方案，方案3加裝儲能設備等改造方便、資金投入少，同時可以節約不必要的電能消耗，經濟性良好，是此類問題的最優解。

蓄能器作為液壓系統的重要輔件之一，在保證整體穩定性和系統日常運行狀態、延長機構使用壽命、改善整體動態品質和降噪等方面具有重要作用[3]。蓄能器類型眾多，功用復雜，但都具有基本的儲能和保壓作用。當液壓系統中的油體低速運動時，載荷需要的流量若小于液壓泵的流量，則液壓泵多余的流量便能儲入蓄能器;反之，當載荷要求流量大于液壓泵的流量時，油體便能從蓄能器釋放出來，用來補充液壓泵流量的不足。當系統停機但仍需維持在一定壓力時，可以停止液壓泵而用蓄能器來補償系統的泄漏，以保持系統的壓力。可見，蓄能器以壓力油的方式隨機自動儲存剩余能量，在高效液壓系統中得到了廣泛應用[4]。若能對原設備小車鋼絲繩張緊機構液壓系統進行技術改造，在原有液壓系統基礎上新設置蓄能器及配套液壓元件，能有效降低油泵啟停工作頻率，液壓油便有充足的冷卻時間，即可大大改善原有液壓系統運行高溫情況，從根本上解決液壓系統環境溫度過高的問題。

3 液壓系統改造優化

經過一系列普查和針對性研究后，技術人員聚焦于兩種機型共4臺岸橋的小車牽引鋼絲繩張緊機構液壓系統的軟硬件技術改造。圖1是改造后的液壓原理圖，在原有液壓系統基礎上增加了蓄能器及相應的液壓元件，且在GE90-30電控系統中也做了相應的調整優化。最終實現小車牽引鋼絲繩張緊機構液壓系統的油泵電機在液壓系統壓力低于低壓壓力設定值時啟動運行，當液壓系統壓力達到高壓壓力設定值時停止運行，其間通過蓄能器進行液壓系統保壓。

三相異步電動機M帶動油泵經單向閥通過兩位四通控制電磁閥給小車鋼絲繩張緊油缸供應液壓油，從而達到預設張緊力。當兩位四通控制電磁閥前壓力繼電器高壓10 MPa動作時，PLC控制程序讓三相異步電動機M停止運行;當兩位四通控制電磁閥前壓力繼電器低壓8 MPa動作時，PLC控制程序讓三相異步電動機M啟動，帶動油泵運行給小車牽引鋼絲繩張緊油缸供油。兩位四通控制電磁閥后端壓力繼電器作為油缸系統壓力過高時的高壓保護，這里不做詳細描述。

岸橋作業是個動態過程。小車作業過程中，不同作業工況會引起小車牽引鋼絲繩張緊油缸內油壓變化：①小車起步加速過程中，吊裝集裝箱慣性引起張緊油缸內油壓變化;②小車運行過程中，吊物擺動引起張緊油缸內油壓變化;③小車減速過程中，慣性引起張緊油缸內油壓變化等。受吊具吊箱擺動影響，小車牽引鋼絲繩張緊油缸的壓力不斷變化。兩位四通控制電磁閥后端與張緊油缸間接有單向閥，能夠使張緊油缸因鋼絲繩受力引起的壓力變大時液壓油不會返回液壓系統主回路。正常運行情況下，小車牽引鋼絲繩張緊油缸內油壓變化在旁路式先導溢流閥壓力設定范圍內，只有偶爾出現異常情況時小車牽引鋼絲繩張緊油缸受到過大的外力。油缸內部壓力超過旁路式先導溢流閥的設定壓力時，旁路式先導溢流閥動作并把液壓油壓力限定在設定范圍內。當小車牽引鋼絲繩所受外力消失時，張緊油缸壓力變小，系統內液壓油通過兩位四通控制電磁閥經單向閥進入油缸補充液壓油，這是一個不斷反復的過程。對小車鋼絲繩張緊機構液壓系統進行技術改造，加裝如圖2所示的蓄能器后，蓄能器的蓄能和保壓作用能補償整個液壓系統的液壓油泄漏，從而保持住系統壓力，使得油泵啟停工作頻率明顯降低，有充足的時間冷卻油溫，從而改善液壓油高溫狀況。

4 系統改造效果

改造后的岸橋小車鋼絲繩張緊機構液壓系統及配套電控系統在之后數月的試運行和常規運行中未出現故障，運行良好，達到了改造目的。液壓系統油泵電機總運行時間大幅縮短，相對岸橋運行時間可以忽略不計，節約了原電機全程運行的能源消耗[5]。從統計處獲悉，這項小投入的技術改造截至目前僅用電一項，已為公司節約20萬余元。此外，經維保觀察，相關液壓元件的使用情況良好，后續并未出現因高壓高溫受損的情況，且液壓油無須長期工作，油質較好，可以長時間使用。可見，該項技改在經濟效益、社會效益上都獲得了良好效果。

5 結語

本文重點對岸邊集裝箱起重機（岸橋）在使用過程中小車鋼絲繩張緊機構液壓系統存在的高溫高壓等重復故障進行分析，研討改造方案，通過在液壓系統中增設蓄能器和相應液壓元件，并輔以軟件系統來保障張緊機構液壓系統壓力平穩，解決由于油泵電機持續工作導致液壓系統環境高溫高壓的根本問題，從而保障岸橋設備穩定運行，服務生產。由于我國海岸線長，港口碼頭眾多，各港口起步發展時間有早有晚，使得配備的各品牌各批次的岸橋設備新舊參差不一，其各自的機構液壓系統運作方式也不盡相同，部分設備存在類似的問題。探討此問題有助于各碼頭技術維保人員深度挖掘和分析設備液壓系統，為在役的各類型設備的維保和改造提供參考。

參考文獻：

[1]鄭見粹.我國港口機械的技術進步與發展展望[J].港口裝卸，1999（6）：9-12.

[2]武桐.港口機械及液壓設備使用保養[J].科技資訊，2012（12）：89.

[3]孔祥東，權凌霄.蓄能器的研究歷史、現狀和展望[J].機床與液壓，2004（40）：4-6.

[4]邱開元.蓄能器在液壓系統中的節能作用[J].現代節能，1994（2）：21-24.

[5]宋提俊.淺談港口機械設備維修與管理[J].中國設備工程，2021（2）：56-58.