岸邊集裝箱起重機(jī)小車鋼絲繩張緊液壓系統(tǒng)改造分析

鄭俊宏

摘 要：針對(duì)鋼絲繩張緊液壓系統(tǒng)頻繁故障，嚴(yán)重影響生產(chǎn)作業(yè)問(wèn)題，經(jīng)深入分析，通過(guò)加裝蓄能器等相關(guān)控制元件方式，對(duì)現(xiàn)有液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件改造。實(shí)踐表明，該改造方案可以有效降低液壓環(huán)境溫度，減緩密封件硬化、破損，進(jìn)而提升鋼絲繩張緊液壓系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：鋼絲繩張緊液壓系統(tǒng);控制系統(tǒng);蓄能器

中圖分類號(hào)：U653.921 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guó)的岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱岸橋）是發(fā)展速度最快、技術(shù)水平最高及出口最多的港機(jī)產(chǎn)品。國(guó)產(chǎn)品牌起重機(jī)已遍布全球105個(gè)國(guó)家和地區(qū)，市場(chǎng)占有率超70%[1]?，F(xiàn)代化集裝箱運(yùn)輸船舶不斷升級(jí)，繼3E級(jí)集裝箱船舶后，超20萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船舶又陸續(xù)下水開(kāi)航，船舶型寬已達(dá)61.5 m，對(duì)應(yīng)的岸橋小車牽引鋼絲繩長(zhǎng)度也跟隨著岸橋作業(yè)前伸臂的加長(zhǎng)而延伸，不可避免地產(chǎn)生小車牽引鋼絲繩的懸垂、跳動(dòng)和鉤掛，進(jìn)而影響鋼絲繩的使用壽命，也對(duì)其他周邊設(shè)備、人員造成潛在的危險(xiǎn)。岸橋鋼絲繩張緊裝置設(shè)計(jì)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(dòng)。液壓傳動(dòng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、調(diào)速方便、體積小和易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。穩(wěn)定的液壓系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在包括鋼絲繩張緊裝置在內(nèi)的眾多岸橋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上。

1 張緊液壓系統(tǒng)改造前存在的問(wèn)題

隨著近幾年國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，進(jìn)出口貿(mào)易日益繁榮，集裝箱業(yè)務(wù)與日俱增。廈門(mén)海潤(rùn)集裝箱碼頭有限公司服役多年的岸橋設(shè)備出現(xiàn)了不同程度的老舊損耗現(xiàn)象。11#岸橋曾在一個(gè)月內(nèi)多次出現(xiàn)小車牽引鋼絲繩過(guò)松懸垂、張緊裝置碰感應(yīng)限位及張緊液壓系統(tǒng)壓力過(guò)高等故障。這一系列重復(fù)性故障對(duì)碼頭現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)生產(chǎn)造成了不利影響，不僅給客戶（船公司）造成經(jīng)濟(jì)影響，而且嚴(yán)重延誤船期，間接使公司信譽(yù)受損;設(shè)備安全和作業(yè)安全都受到影響，因?yàn)樾≤嚑恳摻z繩過(guò)松容易引起小車前后竄動(dòng)、鋼絲繩四周干涉及牽引鋼絲繩脫槽（滑輪槽）等情況，繼而對(duì)鋼絲繩本身以及周邊設(shè)備造成損害，甚至有高空墜物風(fēng)險(xiǎn)。因此，必須深究重復(fù)故障背后的原因，并通過(guò)技術(shù)調(diào)整或改造等方式從根本上解決該類故障，以保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 問(wèn)題分析和解決思路

廈門(mén)海潤(rùn)集裝箱碼頭有限公司技術(shù)人員逐步排查并深入分析故障發(fā)生的環(huán)境情況以及當(dāng)時(shí)所處工況，最終發(fā)現(xiàn)真正的故障源是控制小車牽引鋼絲繩張緊的液壓張緊機(jī)構(gòu)。在該機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)中，由于液壓油油箱設(shè)計(jì)容量較小且未設(shè)置儲(chǔ)能裝置，外加油泵啟停控制不匹配，致使液壓系統(tǒng)整體工作環(huán)境溫度長(zhǎng)期過(guò)高，液壓油老化變質(zhì)，相關(guān)的液壓密封部件在高溫環(huán)境下硬化并破損，繼而堵塞了控制壓力的溢流閥，引發(fā)液壓系統(tǒng)高壓感應(yīng)限位動(dòng)作，報(bào)出顯性的外圍機(jī)械設(shè)備故障。雖然小車牽引鋼絲繩液壓張緊機(jī)構(gòu)對(duì)整個(gè)岸橋來(lái)說(shuō)只是輔助機(jī)械設(shè)備，但是一旦出現(xiàn)故障，小車牽引鋼絲繩不能精準(zhǔn)提供足夠的張緊力，作業(yè)機(jī)械設(shè)備勢(shì)必要停機(jī)整修[2]。在清洗相關(guān)液壓元件、更換密封部件并更換清潔優(yōu)質(zhì)液壓油后，故障未再出現(xiàn)。

經(jīng)復(fù)盤(pán)分析，上述處理方案治標(biāo)不治本，倘若不解決小車牽引鋼絲繩張緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)運(yùn)行溫度過(guò)高這一根本問(wèn)題，類似的故障會(huì)再度出現(xiàn)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)梳理，發(fā)現(xiàn)其他臺(tái)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(tǒng)運(yùn)行溫度過(guò)高故障時(shí)，遇到一些干擾因素。故障發(fā)生時(shí)正值8月，碼頭工作現(xiàn)場(chǎng)溫度最高可達(dá)40 ℃，液壓系統(tǒng)工作環(huán)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(fā)現(xiàn)，小車牽引鋼絲繩張緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)運(yùn)行溫度的升高不可能由外部環(huán)境溫度積聚引起，可通過(guò)查看技術(shù)圖紙發(fā)現(xiàn)其自身原因。在該臺(tái)次的小車牽引鋼絲繩張緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)中，為保持系統(tǒng)油壓，定量泵長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)，壓力調(diào)節(jié)完全依靠物理溢流閥，而來(lái)自定量泵的長(zhǎng)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(guò)程中，大量熱能積蓄于油箱，加上油箱周邊自然環(huán)境散熱不足，最終熱平衡被打破，張緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)整體溫度攀升，而持續(xù)的高溫環(huán)境加速了液壓元器件和密封件的老化。

經(jīng)技術(shù)人員討論分析，總結(jié)出3種技術(shù)方案解決此問(wèn)題：方案1，將系統(tǒng)動(dòng)力源定量泵更換為變量泵進(jìn)行油壓輸入;方案2，擴(kuò)大油箱容積或加裝散熱風(fēng)扇等冷卻裝置;方案3，給系統(tǒng)加裝液壓儲(chǔ)能裝置和相關(guān)控制元件，依據(jù)小車牽引鋼絲繩張緊系統(tǒng)油壓變化控制油泵啟動(dòng)、停止，使小車牽引鋼絲繩張緊力保持在設(shè)計(jì)張緊力范圍內(nèi)。

方案1可以從根本上解決系統(tǒng)壓力問(wèn)題，但變量泵存在流量脈動(dòng)嚴(yán)重、系統(tǒng)壓力不平穩(wěn)、泵壽命短和噪聲大等問(wèn)題，長(zhǎng)期使用時(shí)在平穩(wěn)性和經(jīng)濟(jì)性方面不是最優(yōu)選擇。方案2需要對(duì)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，工程量大，短時(shí)間內(nèi)難以完成，且難以把控控溫效果。相比前兩個(gè)方案，方案3加裝儲(chǔ)能設(shè)備等改造方便、資金投入少，同時(shí)可以節(jié)約不必要的電能消耗，經(jīng)濟(jì)性良好，是此類問(wèn)題的最優(yōu)解。

蓄能器作為液壓系統(tǒng)的重要輔件之一，在保證整體穩(wěn)定性和系統(tǒng)日常運(yùn)行狀態(tài)、延長(zhǎng)機(jī)構(gòu)使用壽命、改善整體動(dòng)態(tài)品質(zhì)和降噪等方面具有重要作用[3]。蓄能器類型眾多，功用復(fù)雜，但都具有基本的儲(chǔ)能和保壓作用。當(dāng)液壓系統(tǒng)中的油體低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(chǔ)入蓄能器;反之，當(dāng)載荷要求流量大于液壓泵的流量時(shí)，油體便能從蓄能器釋放出來(lái)，用來(lái)補(bǔ)充液壓泵流量的不足。當(dāng)系統(tǒng)停機(jī)但仍需維持在一定壓力時(shí)，可以停止液壓泵而用蓄能器來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)的泄漏，以保持系統(tǒng)的壓力?？梢?jiàn)，蓄能器以壓力油的方式隨機(jī)自動(dòng)儲(chǔ)存剩余能量，在高效液壓系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[4]。若能對(duì)原設(shè)備小車鋼絲繩張緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，在原有液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上新設(shè)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(shí)間，即可大大改善原有液壓系統(tǒng)運(yùn)行高溫情況，從根本上解決液壓系統(tǒng)環(huán)境溫度過(guò)高的問(wèn)題。

3 液壓系統(tǒng)改造優(yōu)化

經(jīng)過(guò)一系列普查和針對(duì)性研究后，技術(shù)人員聚焦于兩種機(jī)型共4臺(tái)岸橋的小車牽引鋼絲繩張緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的軟硬件技術(shù)改造。圖1是改造后的液壓原理圖，在原有液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了蓄能器及相應(yīng)的液壓元件，且在GE90-30電控系統(tǒng)中也做了相應(yīng)的調(diào)整優(yōu)化。最終實(shí)現(xiàn)小車牽引鋼絲繩張緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的油泵電機(jī)在液壓系統(tǒng)壓力低于低壓壓力設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力達(dá)到高壓壓力設(shè)定值時(shí)停止運(yùn)行，其間通過(guò)蓄能器進(jìn)行液壓系統(tǒng)保壓。

三相異步電動(dòng)機(jī)M帶動(dòng)油泵經(jīng)單向閥通過(guò)兩位四通控制電磁閥給小車鋼絲繩張緊油缸供應(yīng)液壓油，從而達(dá)到預(yù)設(shè)張緊力。當(dāng)兩位四通控制電磁閥前壓力繼電器高壓10 MPa動(dòng)作時(shí)，PLC控制程序讓三相異步電動(dòng)機(jī)M停止運(yùn)行;當(dāng)兩位四通控制電磁閥前壓力繼電器低壓8 MPa動(dòng)作時(shí)，PLC控制程序讓三相異步電動(dòng)機(jī)M啟動(dòng)，帶動(dòng)油泵運(yùn)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(tǒng)壓力過(guò)高時(shí)的高壓保護(hù)，這里不做詳細(xì)描述。

岸橋作業(yè)是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。小車作業(yè)過(guò)程中，不同作業(yè)工況會(huì)引起小車牽引鋼絲繩張緊油缸內(nèi)油壓變化：①小車起步加速過(guò)程中，吊裝集裝箱慣性引起張緊油缸內(nèi)油壓變化;②小車運(yùn)行過(guò)程中，吊物擺動(dòng)引起張緊油缸內(nèi)油壓變化;③小車減速過(guò)程中，慣性引起張緊油缸內(nèi)油壓變化等。受吊具吊箱擺動(dòng)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(shí)液壓油不會(huì)返回液壓系統(tǒng)主回路。正常運(yùn)行情況下，小車牽引鋼絲繩張緊油缸內(nèi)油壓變化在旁路式先導(dǎo)溢流閥壓力設(shè)定范圍內(nèi)，只有偶爾出現(xiàn)異常情況時(shí)小車牽引鋼絲繩張緊油缸受到過(guò)大的外力。油缸內(nèi)部壓力超過(guò)旁路式先導(dǎo)溢流閥的設(shè)定壓力時(shí)，旁路式先導(dǎo)溢流閥動(dòng)作并把液壓油壓力限定在設(shè)定范圍內(nèi)。當(dāng)小車牽引鋼絲繩所受外力消失時(shí)，張緊油缸壓力變小，系統(tǒng)內(nèi)液壓油通過(guò)兩位四通控制電磁閥經(jīng)單向閥進(jìn)入油缸補(bǔ)充液壓油，這是一個(gè)不斷反復(fù)的過(guò)程。對(duì)小車鋼絲繩張緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)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(bǔ)償整個(gè)液壓系統(tǒng)的液壓油泄漏，從而保持住系統(tǒng)壓力，使得油泵啟停工作頻率明顯降低，有充足的時(shí)間冷卻油溫，從而改善液壓油高溫狀況。

4 系統(tǒng)改造效果

改造后的岸橋小車鋼絲繩張緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)及配套電控系統(tǒng)在之后數(shù)月的試運(yùn)行和常規(guī)運(yùn)行中未出現(xiàn)故障，運(yùn)行良好，達(dá)到了改造目的。液壓系統(tǒng)油泵電機(jī)總運(yùn)行時(shí)間大幅縮短，相對(duì)岸橋運(yùn)行時(shí)間可以忽略不計(jì)，節(jié)約了原電機(jī)全程運(yùn)行的能源消耗[5]。從統(tǒng)計(jì)處獲悉，這項(xiàng)小投入的技術(shù)改造截至目前僅用電一項(xiàng)，已為公司節(jié)約20萬(wàn)余元。此外，經(jīng)維保觀察，相關(guān)液壓元件的使用情況良好，后續(xù)并未出現(xiàn)因高壓高溫受損的情況，且液壓油無(wú)須長(zhǎng)期工作，油質(zhì)較好，可以長(zhǎng)時(shí)間使用?？梢?jiàn)，該項(xiàng)技改在經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益上都獲得了良好效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)（岸橋）在使用過(guò)程中小車鋼絲繩張緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)存在的高溫高壓等重復(fù)故障進(jìn)行分析，研討改造方案，通過(guò)在液壓系統(tǒng)中增設(shè)蓄能器和相應(yīng)液壓元件，并輔以軟件系統(tǒng)來(lái)保障張緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)壓力平穩(wěn)，解決由于油泵電機(jī)持續(xù)工作導(dǎo)致液壓系統(tǒng)環(huán)境高溫高壓的根本問(wèn)題，從而保障岸橋設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，服務(wù)生產(chǎn)。由于我國(guó)海岸線長(zhǎng)，港口碼頭眾多，各港口起步發(fā)展時(shí)間有早有晚，使得配備的各品牌各批次的岸橋設(shè)備新舊參差不一，其各自的機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)運(yùn)作方式也不盡相同，部分設(shè)備存在類似的問(wèn)題。探討此問(wèn)題有助于各碼頭技術(shù)維保人員深度挖掘和分析設(shè)備液壓系統(tǒng)，為在役的各類型設(shè)備的維保和改造提供參考。

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