港作拖船組合錨絞機液壓系統(tǒng)原理及故障分析

李文釗

(神華黃驊港務(wù)有限責任公司，河北 滄州 061113)

組合錨絞機是港作全回轉(zhuǎn)拖船上的重要作業(yè)設(shè)備，主要用于收絞纜索和拖曳作業(yè)[1]。組合錨絞機纜繩卷筒的正反轉(zhuǎn)和制動動作均采用液壓控制方式。由于拖船組合錨絞機作業(yè)頻繁，同時海上環(huán)境惡劣，對液壓系統(tǒng)的科學維護和故障處理的需求日益迫切。

1 液壓控制系統(tǒng)原理分析

1.1 組合錨絞機液壓系統(tǒng)主要組成及技術(shù)參數(shù)

某港作拖船配備的液壓組合錨絞機型號為TJKOYO-H-39.2-AW26/44.1-TR110，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 液壓系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件

彈簧缸為組合錨絞機制動機構(gòu)的執(zhí)行元件，在拖曳作業(yè)中提供足夠的制動力，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。彈簧缸的工作壓力5 MPa，缸徑250 mm，活塞桿徑56 mm，行程150 mm，密封采用日本“NOK”密封件。彈簧技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 彈簧技術(shù)參數(shù)

圖1 彈簧缸結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 組合錨絞機液壓系統(tǒng)工作原理

組合錨絞機的液壓系統(tǒng)由液壓泵站、機旁閥組、卷筒液壓驅(qū)動器和彈簧缸等組成，協(xié)同完成組合錨絞機主軸正反轉(zhuǎn)動、制動鋼帶打開和液壓絞盤正反轉(zhuǎn)動作，其工作原理如圖2所示。

圖2 組合錨絞機液壓系統(tǒng)原理圖

錨絞機收放纜的工作原理：主軸左轉(zhuǎn)放纜時，電動機驅(qū)動變量液壓泵運轉(zhuǎn)，將液壓油從油箱泵入系統(tǒng)。液壓油首先進入單向閥，該閥起到防止系統(tǒng)油壓過高，回流損傷液壓泵的作用。之后經(jīng)安全溢流閥后系統(tǒng)油壓調(diào)定到15.6 MPa。之后經(jīng)過高壓截止閥進入比例換向組合閥，該閥為中位機能M型三位四通比例閥和三位三通換向閥組合而成，兩閥聯(lián)鎖動作。不工作時，中位機能起到液壓驅(qū)動器鎖緊，泵卸荷的作用。左轉(zhuǎn)時換向閥處在左位，之后液壓油達到外控溢流閥的調(diào)定壓力，從而導(dǎo)通液壓驅(qū)動器回油油路。然后液壓油進入安全閥，該閥與卷筒液壓驅(qū)動器并聯(lián)起到雙向超負荷泄壓的作用，尤其是能避免在拖曳中制動鋼帶失效導(dǎo)致液壓驅(qū)動器超負荷轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生高壓沖擊。最后液壓油進入液壓驅(qū)動器使其左轉(zhuǎn)。主軸在右轉(zhuǎn)收纜時，比例換向組合閥處于右位，其它與左轉(zhuǎn)時相同。

卷筒制動工作原理[2]：錨絞機繩筒的制動通過2段弧形鋼帶鉸接后由彈簧缸拉緊來實現(xiàn)，采用液壓打開彈簧復(fù)位的方式。制動鋼帶打開時，液壓泵泵油，經(jīng)單向閥和安全溢流閥后，15.6 MPa的液壓油分為兩路，一路為主動作油路，另一路為控制油路。主動作油路經(jīng)過高壓截止閥后進入彈簧缸減壓閥，油壓減至5 MPa，之后進入外控兩位三通換向閥的P口?？刂朴吐穭t進入減壓閥，油壓減至2.9 MPa后，進入電磁換向閥左位，之后再進入比例換向組合閥的E口。電磁換向閥的作用是在得電時右位通，控制油路被截斷，彈簧缸無法打開，制動鋼帶鎖死；而正常工作時控制油路通過比例換向組合閥控制，與錨絞機主軸的轉(zhuǎn)動形成連鎖，當錨絞機繩筒正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時，組合閥的三位三通閥部分都會將控制油路導(dǎo)通至兩位三通閥，從而使通至P口的主油路液壓油進入彈簧缸的右腔，推動活塞向左移動。

液壓絞盤的動作原理：絞盤的液壓工作原理與錨絞機主軸轉(zhuǎn)動的原理相似，區(qū)別在于其比例換向閥與錨絞機主軸的比例換向閥串聯(lián)，在錨絞機主軸的比例換向閥處于中位機能，泵卸荷時才能使用液壓絞盤。另外，由于絞盤的額定負載較小，在卷筒液壓驅(qū)動器上未設(shè)置安全閥。

2 液壓系統(tǒng)典型故障實例分析

2.1 振動和噪聲

組合錨絞機的液壓站設(shè)置在拖船機艙，由于機艙主柴油機、空壓機和各種水泵等設(shè)備眾多，運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的振動較大，所以要對液壓泵及其管路及時做好防振措施，避免引起共振損壞設(shè)備。另外，由于拖船作業(yè)時受海上風浪影響，組合錨絞機液壓系統(tǒng)經(jīng)常處于晃動狀態(tài)，此時要特別檢查液壓站油箱液位，避免泵吸入空氣產(chǎn)生噪聲等危害。此外，液壓泵站與執(zhí)行機構(gòu)間高壓管路較長且穿越多個艙壁，要特別關(guān)注管路法蘭的工作狀態(tài)，避免因船體振動造成法蘭連接處出現(xiàn)滲漏。

2.2 液壓元件銹蝕

組合錨絞機位于拖船艏甲板，其機旁操作控制站一般在附近位置露天布置。拖船航行中海水涌上甲板會直接侵蝕閥件和管路，縮短使用壽命。因此要定期維護保養(yǎng)，減緩液壓元件銹蝕速度，發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷及時處置，避免產(chǎn)生更大故障。

某拖船組合錨絞機在使用過程中彈簧缸出現(xiàn)底部端蓋滲油現(xiàn)象，經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)O型圈失效，同時密封槽在O型圈和金屬接觸面發(fā)生腐蝕。經(jīng)技術(shù)人員現(xiàn)場分析，液壓缸長期海上室外運行，海水或雨水通過缸體與端蓋的裝配間隙滲入槽內(nèi)，從而發(fā)生間隙腐蝕。另外密封槽內(nèi)潤滑脂失效時發(fā)生的油水分離也加劇了腐蝕情況，若逐步發(fā)展成較大深坑，將會導(dǎo)致無法密封。為解決該問題，技術(shù)人員決定通過車床加工增大密封槽與底部端蓋裝配縫隙的距離，并在裝配接觸面涂抹密封膠的方式增強水密性，防止海水或雨水滲入。

2.3 卷筒液壓驅(qū)動器泄漏和外殼破裂故障

某拖船錨絞機運轉(zhuǎn)時軸端發(fā)生外部泄漏。拆檢發(fā)現(xiàn)，卷筒液壓驅(qū)動器軸端密封圈損壞。經(jīng)分析，設(shè)備已穩(wěn)定運行5年以上，從未做過拆檢，排除裝配不當造成損壞。故障距拖船塢修完成日期較短，而塢修時船體和甲板部分噴砂除銹可能造成砂石進入液壓驅(qū)動器軸封，從而造成磨損。

某拖船在協(xié)助貨船離港作業(yè)中，出現(xiàn)液壓驅(qū)動器外殼破裂故障。經(jīng)分析，貨船帶好纜繩后，錨絞機在拖船后退過程中放纜，若拖船后退與放纜的速度不匹配，會出現(xiàn)卷筒制動帶未及時剎緊或者制動力不夠，導(dǎo)致卷纜筒打滑現(xiàn)象，進而帶動液壓驅(qū)動器轉(zhuǎn)動，此時液壓驅(qū)動器的進回油管處于封閉狀態(tài)，液壓驅(qū)動器內(nèi)部會出現(xiàn)瞬態(tài)高壓沖擊。當油壓高于液壓驅(qū)動器外殼強度時，外殼就會破裂。

2.4 彈簧缸彈簧斷裂

某拖船錨絞機在使用中發(fā)現(xiàn)彈簧缸活塞桿位置較之前高出約10 mm，未完全復(fù)位。現(xiàn)場檢查彈簧缸動作情況，未見明顯異常，排除液壓系統(tǒng)故障。彈簧缸拆檢后發(fā)現(xiàn)，彈簧斷裂成3段，彈簧座壓潰。此故障較少見，該錨絞機彈簧缸使用5年，而同類設(shè)備一般可穩(wěn)定運行15年以上，排除疲勞斷裂的可能。維修過程中發(fā)現(xiàn)，損壞彈簧的中心距比圖紙中的設(shè)計值小，導(dǎo)致其內(nèi)圈壓在凸臺外緣，無法入座。這導(dǎo)致彈簧座凸臺在使用中被壓潰，進而彈簧傾斜，在液壓作用下受力不均從而斷裂。

2.5 溢流閥芯卡阻

某拖船錨絞機在協(xié)助貨船離泊作業(yè)過程中出現(xiàn)無法絞纜的故障。現(xiàn)場檢查錨絞機發(fā)現(xiàn)，錨絞機放纜時動作正常，但絞纜時彈簧缸活塞桿伸出不到位，從而無法打開制動器。制動器打開由比例換向組合閥控制，當操作手柄離開中位時通過機械聯(lián)鎖導(dǎo)通彈簧缸控制油路。由于制動器在放纜動作時能正常打開，排除組合閥和制動器控制油路故障。查看液壓泵出口壓力發(fā)現(xiàn)，當放纜時最大壓力達10 MPa，但絞纜時只有2 MPa。分析原理圖發(fā)現(xiàn)，當外控溢流閥閥芯卡阻后，會造成卷筒液壓驅(qū)動器R口至比例換向組合閥B口始終導(dǎo)通。該狀態(tài)下，比例換向閥左位導(dǎo)通時，錨絞機正常放纜，但右位導(dǎo)通時液壓油直接回流至油箱，系統(tǒng)壓力為回油背壓2 MPa。而在制動器控制油路中設(shè)定工作壓力為2.9 MPa，大于此時液壓系統(tǒng)的壓力，從而導(dǎo)致彈簧缸無法打開。

2.6 制動帶無法打開

某拖船作業(yè)時發(fā)生錨絞機無動作故障。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)駕駛臺遙控時現(xiàn)場比例換向組合閥的手柄能正常動作，但是彈簧缸和纜繩卷筒均無任何動作，液壓泵出口壓力達10 MPa。初步判斷錨絞機遠程遙控系統(tǒng)能夠正?？刂剖直鷦幼鳎硗膊粍幼魇怯捎谥苿悠魑创蜷_造成的。分析液壓系統(tǒng)原理圖，逐一排查制動控制油路閥件，最終確定外控兩位三通換向閥阻尼孔堵塞，導(dǎo)致閥無法動作，清洗裝復(fù)后工作正常。