耙吸式挖泥船液壓系統(tǒng)技術(shù)改造分析

王進 陳瑞

摘 要：本文著重介紹了耙吸式挖泥船的液壓系統(tǒng)組成，并對該挖泥船產(chǎn)生的故障進行分析，重點闡述了油液污染對液壓系統(tǒng)的影響和蓄能器保壓的節(jié)能優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：耙吸式挖泥船;液壓系統(tǒng);污染控制;蓄能器

1概述

耙吸式挖泥船是一艘裝有泥艙和疏浚設(shè)備、可自行裝卸并可在海上或內(nèi)河道自航的船舶[1]。它通過置于船體兩舷的耙頭吸入泥漿，以邊吸泥、邊航行的方式工作。耙吸式挖泥船機動靈活，效率高，抗風(fēng)浪力強，適宜在沿海港口、寬闊的江面和船舶錨地作業(yè)[2-4]。

本文研究的耙吸式挖泥船交付于2007年，為沿海航道疏浚工程的展開奠定良好的基礎(chǔ)。本船為雙耙挖泥、船底泥門拋泥。耙頭采用液壓式主動耙頭，配有高壓沖水系統(tǒng)輔助疏松土質(zhì)。耙管系統(tǒng)布置于船中部，采用三點吊放的方式進行收放操作。當(dāng)耙管與水底面成45°時，可達到最大的設(shè)計挖深26m[5]。

在取得良好經(jīng)濟效益的同時，該船上液壓系統(tǒng)經(jīng)過10年的使用，部分零部件出現(xiàn)磨損、疲勞和老化等現(xiàn)象，如液壓泵泄漏增加，效率降低，功率損失增大并產(chǎn)生大量發(fā)熱。這些現(xiàn)象已經(jīng)逐漸影響液壓元器件的正常使用，使生產(chǎn)效率下降，因此，需要對該船液壓系統(tǒng)進行升級和改造。本文作者將系統(tǒng)中過濾系統(tǒng)、泥門保壓系統(tǒng)和液位控制系統(tǒng)進行調(diào)整，使液壓系統(tǒng)工作更可靠。

該耙吸式挖泥船的主要技術(shù)參數(shù)如下表1所示。

全船液壓系統(tǒng)主要由液壓泵站、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件等組成，如圖1所示。

（1）液壓泵站：左右舷分別設(shè)有兩臺液壓油箱，中間油管連接，并配有油箱加熱器、泵口壓力開關(guān)、油箱液位開關(guān)和油箱溫度開關(guān)等。11臺液壓泵分別與兩臺液壓油箱連接，執(zhí)行元件速度控制主要由電控式比例變量泵完成。

（2）控制元件：主要由方向控制閥、壓力控制閥及流量控制閥等組成。

（3）執(zhí)行元件：按耙吸式挖泥船疏浚設(shè)備分類。

耙吸管升降系統(tǒng)：用于耙吸管的安全收放、調(diào)整挖泥深度、實現(xiàn)波浪補償和挖掘作業(yè)，由耙頭吊架、耙中吊架、彎頭吊架、耙頭絞車、耙中絞車、彎頭絞車和波浪補償油缸等組成。每一根耙吸管有三個吊點，每個吊點配吊架一臺（油缸頂升）和絞車一臺（馬達驅(qū)動），左右舷分別有一根耙吸管。

泥門系統(tǒng)：挖泥船拋泥作業(yè)時要使泥門打開，拋泥結(jié)束要使泥門關(guān)閉，裝艙時要使泥門緊閉保壓，泥門由14臺油缸驅(qū)動。

溢流筒：本船配有液壓可升降式溢流筒，升降行程為3m，油缸控制。在艙容3200m3至最大5000m3的裝艙過程中，將泥艙內(nèi)上表層低濃度泥漿溢流。

閘閥：閘閥控制油缸，控制泥泵吸入閘閥、裝艙閘閥、沖艙閘閥，邊排閘閥、側(cè)推閘閥和泥門沖水蝶閥等的開關(guān)。

（4）輔助元件：主要包含各類壓力傳感器、行程開關(guān)和液壓管路等。

3改造內(nèi)容

根據(jù)挖泥船十年來的使用情況，并結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，對本挖泥船液壓系統(tǒng)升級改造進行如下分析。

3.1油液清潔度

在本挖泥船改造時發(fā)現(xiàn)，油液中含有大量的雜質(zhì)，同時，液壓泵工作時伴有噪聲和震動。根據(jù)多年的資料統(tǒng)計，出現(xiàn)此類系統(tǒng)故障70%是由于液壓系統(tǒng)污染引起的[6-8]。

液壓系統(tǒng)污染物分為系統(tǒng)中原污染物和侵入系統(tǒng)中污染物兩種。系統(tǒng)中原污染物是指系統(tǒng)中加入液壓油之前存在的污染物，主要是由于元件加工、裝配、調(diào)試、包裝、存儲、安裝環(huán)節(jié)中殘留的油漆剝落片、塵土和灰塵等污染物。液壓系統(tǒng)一旦運轉(zhuǎn)，這些污染物將隨液壓油遍及整個液壓系統(tǒng)。而侵入污染物一般是指后天侵入液壓系統(tǒng)的污染，如：①加油不干凈，加油時污染物隨液壓油一起進入液壓系統(tǒng);②液壓油由于溫度升高變質(zhì)而生成的焦油等膠質(zhì)、渣滓及腐蝕后的銹片;③檢修時不慎混入的灰塵;④使用過程中不斷產(chǎn)生金屬磨損和密封材料的磨屑;⑤通過油缸排氣孔的密封軸、泵和馬達等軸系零件侵入的污染等。

液壓油污染將會對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生諸多危害：①堵塞液壓元件，如泵、閥類元件相對運動部件之間的配合間隙，液壓元件的節(jié)流小孔、阻尼孔，使液壓元件不能正常工作。污染嚴重，會使液壓油管路、閥門堵塞，造成液壓控制失靈，不能及時傳輸控制室命令，致使挖泥船處于癱瘓狀態(tài)。在該挖泥船液壓泵修復(fù)過程中，液壓泵配流盤已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的磨損，影響液壓泵的使用性能;②污染物進入液壓元件相對運動部件間的間隙，會劃傷配合面，造成精度不準確、元件表面有粗糙度，從而加速了密封元件的磨損，使元件泄露加大，有時還會使閥芯卡住，造成元件失靈;③液壓系統(tǒng)污染物的存在還會破壞潤滑油膜，從而加劇元件磨損，導(dǎo)致系統(tǒng)油溫急劇升高。由于閥口等關(guān)鍵部位的磨損及油溫的升高，造成系統(tǒng)或元件的特性改變，引起精度和性能下降。

液壓油是液壓系統(tǒng)的血液，其污染物對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大的危害，需要控制和預(yù)防污染，避免挖泥船上液壓設(shè)備產(chǎn)生故障。在對原液壓系統(tǒng)進行分析后，在液壓泵站壓力油路和總回油路增加過濾裝置[6-8]。

過濾器的選擇：在選擇系統(tǒng)的主要過濾器，例如管路過濾器精度時，過濾器應(yīng)該能夠清除液壓元件運動副動態(tài)油膜厚度的顆粒，因為這種尺寸的顆粒一旦進入到運動副的間隙內(nèi)，將引起元件表面磨損，并使間隙增大，從而使尺寸較大的顆粒進入間隙，引起進一步的磨損，能快速導(dǎo)致元件的失效。改造原理如圖2所示，在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上，分別新增高壓過濾器和回油過濾器，確保油液的清潔度要求。

3.2泥門保壓

泥門的打開與關(guān)閉由液壓原理圖為圖2中主泵P3完成動作，而泥門油缸的保壓由保壓泵P10完成。該保壓泵為變量泵，采用壓力/流量控制模式，通過保壓泵上調(diào)壓控制閥設(shè)定斜盤變化壓力，液壓泵出口壓力在控制范圍內(nèi)使保壓系統(tǒng)壓力維持恒定，液壓泵僅提供系統(tǒng)所需要的流量。

當(dāng)挖泥船泥門需要保壓時，保壓泵出口電磁鐵得電，保壓泵出口高壓油進入14臺泥門油缸有桿腔，并一直待命，直至保壓工況結(jié)束。在保壓泵的使用中，泵殼體內(nèi)一直處于高壓狀態(tài)，系統(tǒng)壓力較小的變化也會對保壓泵產(chǎn)生交大的沖擊。同時，泵殼體內(nèi)油液溫度會升高，且一直處于高溫狀態(tài)，液壓油壽命會變短。保壓泵一直處于高壓狀態(tài)，會加快磨損，縮短壽命，嚴重時造成故障。密封件一直處于高溫高壓狀態(tài)，容易變軟和撕開[9-11]。

因此，在保壓系統(tǒng)設(shè)計中做出調(diào)整，新增一套蓄能器保壓裝置，原理如圖3所示。在保壓回路中，蓄能器將所存儲的壓力油液供給給泥門油缸，補充支路中的泄露，使系統(tǒng)在一段時間內(nèi)保持設(shè)定的保壓壓力。這樣，保壓泵不需要一直處于高壓工作狀態(tài)，僅需要在給蓄能器沖壓時工作。新增保壓蓄能器后，大大減少了保壓泵的故障率，同時系統(tǒng)更加節(jié)能。

蓄能器設(shè)置在保壓泵支路上，在蓄能器壓力口設(shè)有兩臺壓力繼電器，設(shè)為蓄能器壓力上限值和下限值。當(dāng)泥門油缸需要保壓時，蓄能器壓力口的壓力繼電器進行檢測，當(dāng)保壓油缸支路壓力低于蓄能器下限值，壓力繼電器發(fā)出信號，打開保壓泵使泥門油缸有桿腔中壓力升高，同時為蓄能器沖壓。當(dāng)支路壓力到達蓄能器上限值時，壓力繼電器發(fā)出信號，保壓泵停止向支路供油。此時，泥門油缸有桿腔中壓力由蓄能器保壓。

3.3液壓油箱液位控制器

本挖泥船液壓油箱分設(shè)在左右兩舷，中間用管路連接。由于油箱為所有設(shè)備共用，當(dāng)其中一臺油箱使用油液較多時，油箱中的油液會減少，而中間連接管路堵塞或未能及時平衡兩側(cè)油箱液位，而該側(cè)油箱中沒有液位檢測報警裝置，易導(dǎo)致油泵吸油吸空產(chǎn)生氣蝕，使系統(tǒng)中含有氣泡，以致振動噪聲產(chǎn)生。因此，油箱中安裝液壓控制器，可以使設(shè)備使用更加安全。本挖泥船液壓系統(tǒng)油箱中，僅一側(cè)油箱安裝有液位控制器，另一側(cè)加裝可排除安全隱患。

4結(jié)論

通過以上對本挖泥船的改進，有效解決了以前遇到的問題，顯著延長了液壓系統(tǒng)的使用壽命，減少了故障率，大幅提高了生產(chǎn)效率。蓄能器保壓裝置的使用更加節(jié)能，節(jié)約了成本，為同類設(shè)備的改造或新設(shè)備的設(shè)計提供了有益的參考。

參考文獻：

[1]師光飛. 耙吸式疏浚過程的建模與仿真[D].武漢理工大學(xué)，2010.

[2]錢衛(wèi)星.挖泥船的分類及其發(fā)展趨勢[J].江蘇船舶，2008，25（06）：7-9+47.

[3]唐旭東. 大型耙吸挖泥船泥艙結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究[D].上海交通大學(xué)，2012.

[4]武建中，盧志炎，盛晨興.我國疏浚業(yè)的現(xiàn)狀與展望[J].中國水運，2017（02）：14-16.

[5]張曉楓.連云港5000m～3耙吸挖泥船總體設(shè)計綜述[J].船舶，2008（03）：1-4.

[6]齊億洲，溫佩民.淺析“液壓系統(tǒng)污染對液壓系統(tǒng)的影響”[J].科技信息（科學(xué)教研），2007（13）：35.

[7]陳章躍.挖泥船液壓系統(tǒng)若干問題[J].中國水運，2008（04）：38-39.

[8]姚新，劉喜元.耙吸式挖泥船液壓系統(tǒng)故障邏輯分析診斷[J].船海工程，2003（05）：31-33.

[9]郅瑤.蓄能器的壓力調(diào)節(jié)與壓力控制[J].新疆農(nóng)機化，1995（04）：36-38.

[10]邱淑琴.蓄能器的壓力控制[J].組合機床，1984（05）：43-45+2.

[11]Zinkweg Ir A J.Self-propelled Cutter Suction Dredger[J]. Port & Dredger， 1978，96：9-11.