φ56組合錨絞機(jī)恒張力液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

周忠旺，趙林林

(江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電子工程系，江蘇淮安223003)

大型船舶在系泊期間，由于潮水的漲落、吃水的變化、風(fēng)力的改變等原因，經(jīng)常需要甲板值班人員調(diào)整纜繩的張弛程度，即人工松出和收緊纜繩。由于人工操作，不僅麻煩費(fèi)事，而且不可能做到使每一根纜繩所受的張力完全一致，因此在系泊期間可能造成某一根纜繩張力過大而拉斷，這樣其他纜繩的負(fù)荷立即增大，處于危險(xiǎn)狀態(tài)。為此，有必要在組合錨絞機(jī)上設(shè)計(jì)具有恒張力裝置的液壓控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整絞纜的張力，在纜繩拉力過大時(shí)自動放松，而纜繩松弛時(shí)又能自動收緊。固定在岸邊，船舶?？看a頭時(shí)，由錨機(jī) (系纜機(jī))通過系纜索與帶纜樁固定，對于某些大型船舶，為更可靠系泊，其錨機(jī)、系纜機(jī)左右對稱，分別選用左右錨機(jī)和左右系纜機(jī)。

圖1 船舶設(shè)備的系泊

1 組合錨絞機(jī)的應(yīng)用

系泊設(shè)備主要由錨絞機(jī)、系纜機(jī)、帶纜樁、導(dǎo)纜鉗 (或?qū)Ю|孔)組成。大多數(shù)船舶，在船首處將錨機(jī)和絞纜機(jī)置于一起，實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用，稱為組合錨機(jī);而在船尾設(shè)置一臺絞纜機(jī)。如圖1所示，帶纜樁

2 組合錨絞機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主泵供油液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 單側(cè)起錨系纜時(shí)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)只要使錨鏈軸旋轉(zhuǎn)就可以，而起錨和系纜動作由離合器操縱控制。錨鏈軸的旋轉(zhuǎn)由旋轉(zhuǎn)馬達(dá)帶動，液壓馬達(dá)在排量既定時(shí)，扭矩與工作油壓成正比。因此，只需能控制馬達(dá)的工作油壓，就能控制馬達(dá)扭矩，實(shí)現(xiàn)操縱起錨和系纜動作。

如圖2所示，液壓系統(tǒng)主要包括動力元件、執(zhí)行元件和控制元件。

圖2 單側(cè)起錨系纜時(shí)液壓系統(tǒng)控制圖

各元件的作用如下:

動力元件:考慮到安全因素，為保證在1個(gè)柱塞泵損壞狀況下不能影響主機(jī)工作，因此使用2個(gè)柱塞變量泵并聯(lián)來驅(qū)動馬達(dá)旋轉(zhuǎn)。在泵的出口處安裝溢流閥，控制系統(tǒng)中的壓力保持基本恒定，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓、穩(wěn)壓或限壓作用。

執(zhí)行元件:液壓馬達(dá) (既驅(qū)動錨機(jī)又驅(qū)動系纜機(jī)，轉(zhuǎn)速范圍為0～60 r/min，起錨時(shí)工作油壓16 MPa，系纜時(shí)工作油壓25 MPa，起執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用)，并聯(lián)一個(gè)順序閥 (調(diào)定壓力為15 MPa)，串聯(lián)了一個(gè)單向順序閥 (又稱為平衡閥)。平衡閥串聯(lián)的作用是限制液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)不能過快。當(dāng)反轉(zhuǎn)過快變成泵運(yùn)行，進(jìn)口油壓降低使平衡閥關(guān)閉迫使油馬達(dá)停止，直至進(jìn)口油壓回復(fù)才重新開啟，繼續(xù)反轉(zhuǎn);順序閥作用是負(fù)荷過載時(shí)液壓油從順序閥流過，不經(jīng)馬達(dá)，從而保護(hù)馬達(dá)。

控制元件:采用手動比例復(fù)合閥 (由兩個(gè)單向閥、兩個(gè)順序閥和一個(gè)H型中位機(jī)能手動三位四通換向閥組成)。通過操縱比例閥手柄，可以無級控制液壓油流量，從而控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

2.1.2 左右兩側(cè)起錨系纜時(shí)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在大型船舶中，船頭通常使用兩個(gè)錨絞機(jī)并分別左右布置。其液壓控制系統(tǒng)是在單側(cè)液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對稱布置一個(gè)，兩組并聯(lián)使用，如圖3所示。

圖3 左右兩側(cè)起錨系纜時(shí)液壓系統(tǒng)控制圖

但設(shè)計(jì)時(shí)注意以下幾點(diǎn):

(1)左右兩側(cè)分別使用兩組 (各2個(gè))柱塞泵供應(yīng)液壓油，一組正轉(zhuǎn)，另一組反轉(zhuǎn)，分別帶動左右馬達(dá)繞同一轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)。

(2)為防止左右柱塞泵發(fā)生故障，在左右兩側(cè)的動力源中選用2個(gè)柱塞泵并聯(lián)使用作為動力，在1個(gè)柱塞泵損壞狀況下不能影響主機(jī)工作，確保主機(jī)安全運(yùn)行。

左右兩組液壓泵互用，確保主機(jī)正常運(yùn)行。如圖3所示，在進(jìn)油路中設(shè)置3個(gè)高壓球閥。正常工作時(shí)，Q1和Q2打開，Q3關(guān)閉。應(yīng)急時(shí)，兩臺泵組互為備用，即用一臺泵分別對左右錨機(jī)供油，比如當(dāng)右泵組發(fā)生故障時(shí)，可用左泵組供油使右機(jī)工作，此時(shí)Q1應(yīng)關(guān)閉，Q2和Q3打開，或在Q1打開，Q2和Q3關(guān)閉時(shí)，左泵組供油使左機(jī)工作。此時(shí)左右兩個(gè)錨機(jī)分別工作，如果需要左右錨機(jī)同時(shí)工作，需要將三個(gè)高壓球閥全部打開，但錨機(jī)的速度和負(fù)載將會降低;同理當(dāng)左泵組發(fā)生故障時(shí)，可用右泵組供油使左機(jī)工作，此時(shí)，Q2應(yīng)關(guān)閉，Q1和Q3應(yīng)打開，或在Q2打開，Q1和Q3關(guān)閉時(shí)，右泵組供油使右機(jī)工作。

2.2 輔泵供油液壓系統(tǒng)——恒張力液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖4所示，在圖2主泵供油的基礎(chǔ)上，增加一組控制系統(tǒng) (右側(cè)所示)，與主泵并聯(lián)供油。但主泵和輔助泵不同時(shí)工作，通常把正常系纜時(shí)的供油稱為主泵供油，而把自動張緊時(shí)的供油稱為輔泵供油。主泵控制錨纜機(jī)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)起錨系纜，而輔泵實(shí)現(xiàn)自動張緊，控制纜繩張力在一定范圍內(nèi)，從而保持纜繩張力的恒定。

圖4 單側(cè)恒張力液壓系統(tǒng)控制圖

在輔泵工作狀態(tài)，使用1個(gè)柱塞泵供油，2個(gè)溢流閥控制液壓油流向，通過1個(gè)補(bǔ)油回路保證馬達(dá)反轉(zhuǎn)速度不能太高，其執(zhí)行元件 (馬達(dá))與主泵回路的執(zhí)行元件共用同一個(gè)馬達(dá)。

2.3 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，組合錨纜級液壓控制系統(tǒng)如圖5所示。

如圖5所示，動力元件由4個(gè)主泵 (兩兩并聯(lián)后分別控制左右兩側(cè)錨絞機(jī)的主泵供油)和1個(gè)輔泵(左右兩側(cè)錨絞機(jī)的輔泵供油)等組成;執(zhí)行元件主要是左右2個(gè)馬達(dá);控制回路主要由4個(gè)部分組成，即左右主泵供油控制油路和左右輔泵控制油路;其他元件主要有油箱、過濾器、溫度計(jì)等。

左右主泵回路、輔泵回路對稱布置，分別操縱液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)動，通過手動換向閥來切換主泵供油和輔泵供油兩種狀態(tài)。

3 液壓系統(tǒng)工作過程

3.1 手動收纜工況

手動收纜的工作原理如圖5所示。

正轉(zhuǎn)收纜:手動換向閥24工作在左側(cè)，輔泵17停止運(yùn)轉(zhuǎn)，閥12工作在右位，主泵排出的油液帶動馬達(dá)正向轉(zhuǎn)動收纜，直到纜繩張力相對應(yīng)的油壓達(dá)到溢流閥調(diào)定壓力15 MPa時(shí)，開啟溢油，進(jìn)入停止?fàn)顩r。

進(jìn)油:主泵5→直通單向閥9→手動比例復(fù)合閥12的右位→單向順序閥→液壓馬達(dá)的進(jìn)油口

回油:液壓馬達(dá)的回油口→手動比例復(fù)合閥12的右位→冷卻器2→過濾器1→油箱

收纜的工作速度決定于纜索張力即工作油壓。張力越大，油壓越高，使變量油泵的排量越小，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速就越低，直至停轉(zhuǎn)，以防止收纜時(shí)張力過大。

圖5 液壓系統(tǒng)控制圖

3.2 停止工況

手動換向閥24工作在左側(cè)，輔泵17停轉(zhuǎn)，閥12工作在中位。利用該閥的H型中位機(jī)能，使各個(gè)油口全部連通，液壓缸浮動，液壓泵卸荷。

泵出口→閥12中位→冷卻器→過濾器→油箱

3.3 手動反轉(zhuǎn)放纜

手動換向閥24工作在左側(cè)，輔泵17停止運(yùn)轉(zhuǎn)，閥12工作在左位。

進(jìn)油:主泵→閥12的左位→馬達(dá)正轉(zhuǎn)時(shí)的回油口

回油:馬達(dá)正轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)油→單向順序閥→閥12的左位→冷卻器→過濾器→油箱

3.4 自動調(diào)節(jié)張力工況 (恒張力狀態(tài))

手動換向閥24工作在右位，此時(shí)主泵不工作，輔泵工作。

若纜繩松弛 (低于額定張力75 kN)，則輔泵17油壓較低，溢流閥22關(guān)閉，液壓油經(jīng)24A口供入液壓馬達(dá)，馬達(dá)回油經(jīng)手動換向閥24的右位B口、溢流閥23和冷卻器2、濾油器1回入油箱，此時(shí)馬達(dá)正轉(zhuǎn)收纜。溢流閥23控制馬達(dá)回油為1.5 MPa。

進(jìn)油:輔泵→單向閥20→節(jié)流閥21→閥24的右位→液壓馬達(dá)

回油:液壓馬達(dá)→閥24右位→閥23→冷卻器2→過濾器1→油箱

隨著纜繩收緊，張力增大，工作油壓升高，收纜速度因系統(tǒng)內(nèi)漏泄量增大而略有降低。當(dāng)纜繩達(dá)到額定張力75 kN時(shí) (工作壓力達(dá)到溢流閥22的調(diào)定壓力11 MPa)，輔泵排油全部經(jīng)閥22、閥23、冷卻器2，溢回油箱，馬達(dá)停轉(zhuǎn)，纜繩速度為零。

張力在75～80 kN之間，纜繩不動，工作油壓不變;

輔泵→閥22→閥23→冷卻器→油箱

若纜繩張力超過80 kN(額定張力和傳動機(jī)構(gòu)的摩擦力之和)，則馬達(dá)反轉(zhuǎn)，放出纜繩。馬達(dá)排油從閥24的A口流回，與輔泵排油一起從閥22溢回油箱;若纜繩張力進(jìn)一步增大，則工作油壓進(jìn)一步升高，溢流閥溢流量增大，松纜速度加快。同時(shí)，閥24部分溢油經(jīng)B口由馬達(dá)吸回 (補(bǔ)油)，其余油液由閥23控制流回油箱，可保證馬達(dá)不至吸壓過低。

4 液壓錨絞機(jī)性能曲線分析

如圖6所示，隨著纜繩收緊，張力增大，工作油壓p升高，收攬速度v因系統(tǒng)內(nèi)泄漏量增大而略有降低。當(dāng)工作壓力接近溢流閥22的調(diào)定壓力pn(11 MPa)時(shí)，閥22開啟，收攬速度迅速降低。當(dāng)油壓達(dá)溢流閥22的調(diào)定壓力pn時(shí)，纜繩達(dá)到額定張力75 kN(相當(dāng)于A點(diǎn))，輔泵排油全部經(jīng)閥22、閥23、冷卻器2溢回油箱，馬達(dá)停轉(zhuǎn)，纜繩速度為零。

當(dāng)纜繩張力增高至80 kN(相當(dāng)于B點(diǎn))時(shí)，達(dá)到纜繩達(dá)到額定張力75 kN和傳動機(jī)構(gòu)摩擦力之和，張力在75～80 kN之間時(shí)，纜繩止住不動，工作油壓不變。若纜繩張力超過80 kN，則馬達(dá)反轉(zhuǎn)松出纜繩，馬達(dá)排油從閥24的A口流回，與輔泵排油一起從溢流閥22溢回油箱。這時(shí)若纜繩張力進(jìn)一步增大，則工作油壓進(jìn)一步提高，溢流閥開度和溢流量加大，松纜松出速度加快。同時(shí)，閥22部分溢油經(jīng)閥24的B口油馬達(dá)吸回，其余溢油由背壓閥23控制流回油箱，可保證馬達(dá)不致吸壓過低。

自動絞纜時(shí)纜線最大張力80 kN不應(yīng)超過纜線強(qiáng)度的允許值，而張力75 kN應(yīng)滿足系纜作業(yè)的需要。調(diào)低或調(diào)高溢流閥22的調(diào)定壓力，則纜繩張力Fa和Fb相應(yīng)減小或加大，性能曲線隨點(diǎn)A、B一起向左或向右平移。

圖6 液壓錨絞機(jī)性能曲線

5 結(jié)束語

(1)采用手動收放纜和自動控制收放纜兩種工況，是各自獨(dú)立的，不會相互影響。

(2)兩臺電機(jī)泵組可以互為備用，當(dāng)一側(cè)主泵出現(xiàn)故障時(shí)，能利用高壓球閥Q1、Q2、Q3的開關(guān)，保證兩側(cè)系統(tǒng)正常工作。

(3)設(shè)計(jì)恒張力自動控制裝置系統(tǒng)，確保纜繩張力控制在75～80 kN之間。

(4)自動控制裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)有恒壓補(bǔ)油和超壓泄油裝置，起恒張力控制作用，最大收放纜張力可以由溢流閥調(diào)定。

(5)采用了柱塞泵、節(jié)流閥、背壓閥容積式節(jié)流調(diào)速回路。用變量泵供油可使空載時(shí)獲得快速，效率高，功率利用合理。正轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)載增加，泵的流量會自動減小，且無溢流損失;用節(jié)流閥可以對速度實(shí)現(xiàn)控制;回油路上串聯(lián)了調(diào)定壓力為1.5 MPa的順序閥，可起到背壓作用。

(6)調(diào)壓回路中，系統(tǒng)的最高壓力由并聯(lián)在馬達(dá)的溢流閥調(diào)定，防止系統(tǒng)過載。

(7)在平衡回路中，采用單向順序閥作平衡閥，防止在放纜時(shí)，因轉(zhuǎn)速過快而脫纜，且工作穩(wěn)定、可靠。

(8)整個(gè)系統(tǒng)的換向閥采用閉式回路、手動換向，運(yùn)行可靠。

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