淺析液壓傳動在挖泥船中的設計與應用

陳永梅，費天琦

（中交上海航道裝備工業有限公司，上海 201208）

0 引言

基于國家倡導保護環境的背景下，海、湖、河道的治理都在有條不紊的進行。選用優質的設備是提高治理效率的重要方向。某船為單層甲板、鋼質焊接結構的環保水陸多功能挖泥船；船體尾部設可自動升降掛槳，可在作業區域機動移位。設備可以使用作業臂、支撐臂和定位樁的組合動作，實現旱地上的移動，并可以在最大坡度為20°的沼澤地帶及地面爬行。該船船體兩側配拆卸型輔助浮箱，以降低船舶吃水、增加施工作業穩性。作業臂上可根據工程需求更換及安裝絞刀泵、反鏟斗等多種作業機具，實現新筑或修理圍堰、清理河道、清理各種水生植物和垃圾、埋設電纜或管道、插板或打樁、破碎巖石等功能多樣的施工作業。挖泥船的外形圖片如圖1所示。

圖1 挖泥船

設備為可在封閉、狹窄、淺灘、污染嚴重水域進行絞吸、挖掘、抓斗、除草、清障等作業的多功能挖泥船。當疏浚軟質淤泥（原狀土密度1.6 t/m3），排距1 500 m，排泥管線為DN300時，產量約為200 m3/h。設備具有的功能及特點如下：可不用起重機輔助，自行上下運輸拖車和進出施工水域；在水中可使用一個液壓驅動的螺旋槳推進自航；作業時采用定位樁和支撐臂進行定位；艏部設有一套作業臂，作業臂上可搭載不同的作業裝置；全船設一套液壓系統為相關作業設備提供液壓動力源。

全船設備依靠液壓系統提供動力，主要包含：絞刀泵、作業臂、支撐臂、定位樁、推進器。液壓系統的動力源由1臺柴油機飛輪端驅動的雙聯柱塞泵（串聯）和1臺由柴油機自由端皮帶輪驅動的齒輪泵組成。雙聯柱塞泵中動力泵供泥泵，操動泵供推進器液壓馬達、絞刀、作業臂3支油缸、橫移2支油缸、支撐臂2支油缸、定位樁升降2支油缸、倒樁2支油缸。齒輪泵主要用于驅動液壓冷卻器風扇馬達、先導油路、螺旋槳的升降及轉向油缸。液壓系統由液壓油箱、液壓泵、控制閥組、液壓油缸、液壓馬達及液壓附件等組成。

1 液壓系統的設計原理

1.1 液壓系統設計思路

液壓系統通過柴油機飛輪端使用聯軸器與油泵剛性連接，雙油泵、齒輪箱與柴油機選用的額定轉速為1 800 r/min，保證使用性能穩定。與此同時，通過柴油機與船體結構的柔性連接、柴油機與液壓系統的剛性連接穩定整套系統的日常運作，以防止因為震動導致系統故障。

液壓系統獲得動力來源后，通過油箱內的液壓油，使用Φ10 mm×2的不銹鋼無縫鋼管將液壓油引入推進頂升油缸、推進轉向油缸。使用Φ20 mm×3的不銹鋼無縫鋼管將液壓油引入左/右倒樁油缸、左/右定位樁油缸、左/右支腿油缸、大臂油缸、小臂油缸、鏟斗油缸。由于工況的不同，上述動作無需同時進行，因此將所有油缸的動力源接入雙聯柱塞泵的操作泵，排量為130 ml/r，用于應對日常移動，小范圍作業使用。原理圖如圖2所示，油缸參數如表1所示。

圖2 液壓系統原理圖

表1 油缸參數

1.2 液壓系統溢流系統

圖3 動力原理圖

1.3 液壓泵基本工作原理

1.4 液壓系統控制單元

速接頭、節流閥、電磁閥、高壓濾器等重要元件組成。

圖4 控制單元流程圖

執行單元包含整個系統的驅動器與閥門，驅動器是電磁閥控制的執行器件，安裝在閥體上；閥門有4種，分別為球閥、閘閥、截止閥、蝶閥[2]。

應急操作單元是為了防止意外事件發生的主要單元，保證系統安全操作。終止錯誤操作及系統故障時，都是采用手輪、手柄、便攜式手動液壓泵等設備完成應急操作的。手搖泵內有2個快速接頭，可直接插入閥內，搖動泵桿，實現控制驅動頭開關動作。

1.5 根據工況的設計

液壓系統根據不同位置的特點應考慮隔音和減震器等降噪措施。

液壓系統布置在柴油機附近應考慮二級減震或采用浮島設計，降低船體對液壓系統的影響，本設計采用靜音箱體結構，將液壓系統與柴油機集成在箱體內，并布置大量透氣柵格保證柴油機與液壓油箱的散熱系統正常運行，消音室用于降低柴油機運作時產生的噪音，箱體內部貼附靜音棉，進一步降低箱體傳遞至箱體外部的噪音。

船舶柴油機-液壓系統為三相三線制，利用靜音箱作為接地載體。電阻數值需大于10 Mn。

液壓油箱根據工況的使用情況，與2個雙聯泵的輸出流量進行對比，選用350 L的液壓油箱，內布置空濾器安裝座、吸油口、泄放口，如圖5所示。

圖5 油箱內部吸油口

2 液壓系統的制作與安裝

液壓系統通過前期的原理布置在確認無誤后，進行生產下料及安裝調試，主要分為材料選用、單元預制、泵壓串油、酸洗安裝、系統調試、效用試驗多級分工。

2.1 液壓油的選用

在液壓設備選用液壓油時，應保證其準確性與合理性，能與環境、溫度、壓力相適應，從而確保設備運行良好，延長設備及元件的使用壽命。根據指標選擇匹配的液壓油。齒輪泵對液壓油的抗磨要求不高，可采用HL、HM液壓油，而柱塞泵、葉片泵對抗磨要求較高，應選擇HM液壓油。如鋼與鋼摩擦的設備，使用含鋅液壓油較為合適，但不能使用于含有銀、銅等設備。含磷不含硫的抗磨液壓油使用于含銀設備。如設備中含鋁，則不能使用pH8.5以上的液壓油。液壓油的黏度應根據泵的類型、工作溫度、起動性能來決定，以確保黏度的合理性[3-4]。

2.2 液壓管系的檢驗

液壓管的合格率直接影響到使用，因此在管子預制時需要做好焊接處無損探傷、泵壓、串油、酸洗工作，以保證產品100%合格。泵壓試驗要求：

1）試驗介質為氯離子含量不超過25 mg/L的潔凈水。

2）試驗前注入液體時，應排盡空氣。

3）試驗時，環境溫度不宜小于5 ℃，當環境溫度低于 5℃時應采取防凍措施。

4）承受內壓的鋼管的試驗壓力為設計壓力的1.5倍。

5）試驗應緩慢升壓，待達到試驗壓力后，穩壓10 min，再將試驗壓力降至設計壓力，穩壓30 min，檢驗壓力表有無降壓，管道所有部位有無滲漏。

試驗裝置為加壓泵、壓力監測儀表，將試件平直放置，一端安裝帶有排氣閥的堵頭，另一端和泵出口連接，將水注入管內，排盡空氣，關閉排氣閥，密封試件，保證管件無形變，結果符合設計要求。

2.3 液壓系統串油

船舶液壓管系串油應在船上進行，且必須在該系統完整性安裝、密性試驗工程施工完成后進行。為保證每一個部分都均勻沖洗且未發生遺漏情況，使用軟管把設備繞開且將系統現校管全部串聯到系統中，并關閉相關易損閥件[5]。

3 結論

隨著時代發展及環保意識的提高，在各方大力支持下，多功能節能環保設備也隨之誕生，大大小小山川河流的治理需要更多的科技產品來代替低效的人工。從河流分支的治理清潔，到航道疏浚，都需要幾代人民的勞作。運用一套液壓系統實現多種動作的運行，能在多種復雜工況下自由作業，極大提高了作業效率。在今后的科技發展中，可以引入智能操作概念，無需勞動力跟隨設備進入施工區域，一人遠程控制多臺設備進行疏浚治理，以順應智能設計、智能制造的趨勢。