低壓拖纜機(jī)液壓系統(tǒng)典型故障分析

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(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

長(zhǎng)期以來，大噸位拖纜機(jī)都由國(guó)外公司生產(chǎn)；近年來，國(guó)內(nèi)有公司相繼研制出一系列噸位的拖纜機(jī)，逐漸實(shí)現(xiàn)拖纜機(jī)國(guó)產(chǎn)化，但其性能有待提高。所以對(duì)拖纜機(jī)液壓系統(tǒng)在使用過程中出現(xiàn)的典型故障[1]進(jìn)行分析總結(jié)，以期促進(jìn)國(guó)產(chǎn)拖纜機(jī)性能的改進(jìn)。

1 絞車三通切換閥

1.1 工作原理

深海三用工作船的船舯設(shè)備包括拖纜機(jī)、移貨絞車、儲(chǔ)纜絞車等。大多數(shù)時(shí)候儲(chǔ)纜絞車和移貨絞車都需要和拖纜機(jī)共用一個(gè)液壓動(dòng)力單元。三通切換閥的作用是在拖纜機(jī)和絞車之間切換，正常工作時(shí)所有泵組都向拖纜機(jī)供油，保證拖纜機(jī)的正常工作；三通閥切換之后，將一個(gè)泵組切換給絞車供油。拖纜機(jī)和絞車一般不會(huì)同時(shí)工作。

由于拖纜機(jī)動(dòng)力單元一個(gè)泵組的流量比較大，一般為400 ～800 L/min。三通切換閥采用的是ParkerD11系列NG32的電磁換向閥[2]，工作原理見圖1。

圖1 絞車三通切換閥原理示意

1.2 故障模式

拖纜機(jī)在調(diào)試過程中，切換三通換向閥向拖纜機(jī)供油時(shí)，拖纜機(jī)能正常工作，即動(dòng)力單元的液壓油能順利供給拖纜機(jī)馬達(dá)。但是切換三通閥向絞車供油時(shí)，絞車沒有動(dòng)作，動(dòng)力單元的液壓油沒有供給絞車馬達(dá)。

1.3 故障分析

通過對(duì)三通閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，先導(dǎo)閥原始狀態(tài)是P通A，見圖2a)，先導(dǎo)壓力油作用在主閥的左腔，使主閥工作在右側(cè)，主油路的壓力油供給拖纜機(jī)。先導(dǎo)閥得電后，先導(dǎo)壓力油進(jìn)入主閥右腔，使主閥工作在左位，見圖2c)，此時(shí)主油路的壓力油供給絞車。

圖2 絞車三通切換閥換向過程剖面

因主閥是滑閥閥芯，閥芯換向的過程中存在一個(gè)死區(qū)，即P和A、B都不通，見圖2b)，此時(shí)主油路壓力會(huì)瞬間憋高。而拖纜機(jī)采用的低壓大流量葉片泵HPD7-6，匹配的是順序型安全閥，在液壓系統(tǒng)壓力超過安全閥設(shè)定壓力時(shí)，為保障系統(tǒng)安全，安全閥會(huì)立刻跳壓，使系統(tǒng)壓力變?yōu)?。主閥閥芯換向過程見圖2。

當(dāng)系統(tǒng)壓力高于主泵安全閥設(shè)定壓力時(shí)，安全閥會(huì)立刻跳壓，跳壓后系統(tǒng)壓力變?yōu)?；此時(shí)電液換向閥主閥芯還沒有來得及換向到位，先導(dǎo)壓力變?yōu)?，主閥芯又回到初始位置，從而使主油路液壓油無法到達(dá)絞車。

先導(dǎo)油壓力作用時(shí)間不夠，無法推動(dòng)主閥芯換向到位。推動(dòng)主閥芯至少需要先導(dǎo)壓力作用時(shí)間超過585 ms，當(dāng)主閥換向時(shí)，由于存在換向死區(qū)，主閥還未換向到位，系統(tǒng)壓力就達(dá)到泵安全閥壓力，憋壓約100 ms時(shí)主泵安全閥跳壓，使系統(tǒng)壓力降為0，無法提供持續(xù)的先導(dǎo)壓力。所以造成此故障的原因是液壓系統(tǒng)匹配性問題，泵的響應(yīng)速度比三通閥的響應(yīng)速度快，使得三通閥不能正常換向。

1.4 改進(jìn)措施

對(duì)國(guó)內(nèi)外液壓元件市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研，這種低壓大流量電磁換向閥目前市場(chǎng)上還沒有廠家銷售。Rolls-Royce拖纜機(jī)系統(tǒng)中用到的三通電磁閥為其自制產(chǎn)品，不對(duì)外銷售。國(guó)內(nèi)WMMP公司已研制出這種三通低壓大流量電磁閥，原理見圖3。

圖3 WMMP三通切換閥原理

WMMP公司自主研制的電控三通轉(zhuǎn)換閥采用插裝閥[3]的結(jié)構(gòu)形式，通流能力大，其額定流量范圍為1 500～4 200 L/min，專門應(yīng)用于低壓大流量的拖纜機(jī)液壓系統(tǒng)。當(dāng)先導(dǎo)電磁閥均不得電時(shí)，A和B通，A和C截止；當(dāng)先導(dǎo)電磁閥DT1和DT2均得電時(shí)，A和B截止，A和C通。其外形見圖4。

圖4 三通切換閥外形

2 左右舷隔離閥

2.1 工作原理

對(duì)于大噸位拖纜機(jī)，由于負(fù)載噸位大，所需液壓馬達(dá)的數(shù)量較多，所以一般將拖纜機(jī)的液壓馬達(dá)對(duì)稱布置于拖纜機(jī)的左右舷，由左右舷泵組分別驅(qū)動(dòng)。這就需要兩邊的馬達(dá)工作壓力和輸出轉(zhuǎn)矩保持同步。目前的同步方法是在左右舷馬達(dá)回路之間增加一個(gè)左右舷隔離閥組[4]，保證兩邊馬達(dá)的工作壓力一致。液壓原理示意于圖5。

圖5 左右舷隔離閥液壓原理示意

當(dāng)隔離閥的電磁鐵不得電時(shí)，P1和P2油路的高壓油使插裝閥處于關(guān)閉狀態(tài)，左舷的P1油路和右舷的P2油路相互隔離。當(dāng)電磁鐵得電時(shí)，插裝閥被打開，P1油路和P2油路相通。

2.2 故障模式

150 t雙滾筒拖纜機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，拖纜機(jī)雙邊馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)，負(fù)載拉力和速度均能滿足設(shè)計(jì)要求；但當(dāng)拖纜機(jī)只有單邊馬達(dá)工作時(shí)，負(fù)載拉力和滾筒速度都很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，遠(yuǎn)程觸摸屏觀察，此時(shí)液壓系統(tǒng)的壓力很小。

2.3 故障分析與改進(jìn)

排查發(fā)現(xiàn)故障原因是閥塊設(shè)計(jì)時(shí)，先導(dǎo)油路將左右舷的主油路打通，使左右舷液壓油路始終處于相通的狀態(tài)，見圖6。

圖6 隔離閥剖視圖

所以當(dāng)雙邊馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)，由于左右舷回路均為高壓，所以壓力和流量均可以正常建立；而只有單邊馬達(dá)工作時(shí)，高壓側(cè)液壓油會(huì)通過直徑為8 mm的先導(dǎo)孔與低壓側(cè)相通，使油壓不能建立，而且油液部分流回油箱，導(dǎo)致流量不足，從而速度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

改進(jìn)措施：重新設(shè)計(jì)并加工隔離閥塊。

3 板式冷卻器

3.1 工作原理

低壓拖纜機(jī)因系統(tǒng)流量大，多采用鈦板式冷卻器[5]，見圖7。鈦板式冷卻器由冷卻板片組成，冷卻介質(zhì)從板片之間的波紋孔中流過，板片與板片之間靠密封膠條進(jìn)行密封。介質(zhì)流動(dòng)為單邊對(duì)流形式，即溫度較高的介質(zhì)從固定壓緊板上面一個(gè)角孔流入，從同一側(cè)的下面角孔流出，過程中放出熱量；同樣溫度較低的介質(zhì)從固定壓緊板下面一個(gè)角孔流入，從同一側(cè)的上面角孔流出，過程中帶走熱量。

3.2 故障模式

250 t三滾筒低壓拖纜機(jī)在工作過程中，出現(xiàn)板式冷卻器油水側(cè)貫穿的現(xiàn)象,油側(cè)的液壓油進(jìn)入水側(cè)。

3.3 故障分析與改進(jìn)

對(duì)板式冷卻器進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)中間部分板片存在擠壓變形的現(xiàn)象，判斷這部分板片之間的密封失效，導(dǎo)致油水側(cè)貫穿。

經(jīng)分析，由于板式冷卻器是冷卻介質(zhì)從板片與板片之間的波紋孔流動(dòng)，有一定的耐壓能力。當(dāng)系統(tǒng)流量過大或冷卻器設(shè)計(jì)裕量不足，使其工作壓力超過最高耐壓值時(shí)，就可能導(dǎo)致板片擠壓變形或密封膠條跑偏，使油水側(cè)相通。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，冷卻器的設(shè)計(jì)裕量不足，冷卻器的計(jì)算雖然滿足了冷卻功率的要求，但是選用的板片數(shù)量不足，導(dǎo)致冷卻介質(zhì)的過流通道不足，壓力損失過大，超過其最高耐壓值，造成板片的擠壓變形。

該故障的解決方案是在油側(cè)的進(jìn)油口和出油口之間增加一個(gè)單向閥，當(dāng)進(jìn)油口的壓力超過冷卻器的最大耐壓值時(shí)，單向閥開啟，使部分油液通過單向閥直接流向冷卻器出油口，減少冷卻器冷卻板片的負(fù)擔(dān)。

4 主系統(tǒng)油液乳化

4.1 故障模式

150 t雙滾筒拖纜機(jī)在調(diào)試時(shí)，主液壓系統(tǒng)發(fā)生油液乳化[6]。

4.2 故障分析與改進(jìn)

液壓系統(tǒng)油液乳化是由于有水混入了液壓油，導(dǎo)致油液乳化。

整個(gè)拖纜機(jī)液壓系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能進(jìn)水的地方有2個(gè)：一是壓力油箱，因壓力油箱要通入壓縮空氣，壓縮空氣如果不夠干燥，會(huì)向系統(tǒng)中引入水分；二是板式冷卻器，如果冷卻器損壞，也可能導(dǎo)致冷卻水進(jìn)入液壓系統(tǒng)。

在故障排查過程中，發(fā)現(xiàn)冷卻器的水側(cè)有乳化的液壓油。隨后對(duì)冷卻器進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)板片的密封膠條跑偏，起不到密封作用。所以該故障的原因是板式冷卻器的油水側(cè)擊穿，冷卻水通過冷卻器流入了液壓系統(tǒng)管路中。

拖纜機(jī)在正常工作時(shí)，操作人員觀察了冷卻器的壓力表，油側(cè)和水側(cè)的工作壓力均沒有超過冷卻器的最大耐壓值。但是檢查管路發(fā)現(xiàn)，船廠在做管路舾裝時(shí)，在壓力油箱的低位油口多裝了截止閥，見圖8中的①。

圖8 主系統(tǒng)補(bǔ)油原理示意

拖纜機(jī)主液壓系統(tǒng)是閉式系統(tǒng)，需要配置壓力油箱來為系統(tǒng)補(bǔ)油，補(bǔ)充系統(tǒng)油液的熱脹冷縮及泄漏。

主系統(tǒng)是通過壓力油箱補(bǔ)油，壓力油箱的補(bǔ)油口始終與主系統(tǒng)的回油路相連，油箱液面以上通入0.08 MPa的干燥壓縮空氣。當(dāng)壓力油箱的液位過低產(chǎn)生低液位報(bào)警時(shí)，補(bǔ)油泵會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)給壓力油箱補(bǔ)油，直至液面補(bǔ)充到壓力油箱液位計(jì)的高液位點(diǎn)時(shí)，補(bǔ)油泵停機(jī)，停止補(bǔ)油。同時(shí)，壓力油箱的高位油口有一個(gè)開啟壓力為0.1 MPa的單向閥，當(dāng)補(bǔ)油壓力超過0.1 MPa時(shí)，壓力油箱中的液壓油就會(huì)通過單向閥流回船供油箱，這樣，系統(tǒng)回油路中的壓力就保證不會(huì)超過0.1 MPa。

但是船廠在壓力油箱的補(bǔ)油口加了一個(gè)截止閥①，當(dāng)這個(gè)截止閥關(guān)閉時(shí)，補(bǔ)油泵的出油口和主系統(tǒng)回油管路形成一個(gè)剛性容腔，開啟補(bǔ)油泵給系統(tǒng)補(bǔ)油，油液補(bǔ)充完成后，回油路的壓力會(huì)瞬間上升，超過冷卻器的耐壓值，將冷卻器油水側(cè)擊穿，導(dǎo)致油液乳化。

故障的解決措施:拆除船廠安裝的截止閥①，避免再發(fā)生此類誤操作。

5 結(jié)論

拖纜機(jī)液壓系統(tǒng)典型故障類型涵蓋了拖纜機(jī)的設(shè)計(jì)制造、配套件選型及使用維護(hù)等方面。針對(duì)這些方面的問題，對(duì)今后拖纜機(jī)的改進(jìn)和優(yōu)化提出以下建議。

1)在閥件的設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)特別注意高壓元件和低壓系統(tǒng)的壓力匹配性問題；

2)板式冷卻器的設(shè)計(jì)選型時(shí)，板片數(shù)量應(yīng)留有裕量，保證換熱功率的同時(shí)，還應(yīng)保證流道壓力損失不超過冷卻器的設(shè)計(jì)壓力；

3)對(duì)拖纜機(jī)在使用和維保過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，應(yīng)向用戶提出盡可能詳細(xì)的操作建議和注意事項(xiàng)，避免用戶在使用時(shí)發(fā)生誤操作。