耙头防污液压缸的改进设计

2014-06-27

船海工程 2014年6期

(长江南京航道工程局设备部,南京 210011)

为了提高自航耙吸船的挖泥效率，对挖泥船的的主要设备之一——耙头的要求越来越高。在对不同土质选用不同耙头的同时，考虑到船舶施工时，因河床凹凸不平，易引起吸入真空度变化过大，不但引起泥泵转速波动过大[1]，而且吸入的泥浆浓度不稳定，导至挖泥产量下降。如能在挖泥的过程中，将耙头的活动罩及时调整为适应河床高低不平的角度，将有效改变上述现象。

1 耙头分类

目前我国自航耙吸挖泥船所用的耙头按是否需人工调节分为两种：主动耙头和被动耙头。

1.1 被动耙头

在耙头背与活动罩之间用拉杆将其固定，需人工根据挖深大至将耙唇调至固定的位置。这种调节方式精度低、对水深的适应性差，难以掌握确切的角度，且费工费时，见图1。

1.2 液压油缸控制的主动耙头

通过外力调节耙头活动罩与地面的角度变化，见图2。目前国内所使用的主动耙头都是在耙头上安装两只液压油缸，将控制油路引入，根据耙头对地角度与挖泥深度的关系对耙头活动罩进行人工调节。其调节方法：在疏浚操作台上操纵电液换向阀控制液压缸油路的进出，调节液压油缸拉杆的伸缩调节耙头活动罩对地角度。

图1 耙头罩固定式结构

图2 油缸调节式耙头

因人工调节不能实时、自动地调节耙头活动罩对泥土的压力。如果遇到施工区域高低不平，易引起闷耙或真空度降低现象。对于安装液压油缸的耙头，必须配备液压泵站、减压装置、液压油连接管道、控制及反馈系统等[2]。上述设备结构复杂，一旦漏油将造成海面污染。

1.3 水控液压缸的主动耙头

对环境保护要求越来越高的港口作业区域，选用既安全又可靠的替代设备势在必行。目前挖泥船耙头都装有高压冲水装置，压力大小不等。如果就地取材，将耙头处的高压海水代替液压油作为传动介质，设计专用海水液压缸来推动柱塞杆工作控制耙头活动罩开度，可省去液压泵站、控制系统及辅助设备。不但结构简单、性能稳定、减少污染、且易于维护保养，见图3。

图3 耙头水控液压缸结构示意

施工时，从耙头的高压冲水管路中直接将高压水与液压缸相连，接入海水后，保证活塞杆不间断受到高压水推力作用向外顶出，连续、恒定地给耙头唇罩一个对疏浚泥土的压力，不论河床如何变化，其耙唇都能瞬时调整角度以一恒定的压力与泥土咬合，当耙头遇到坚硬的障碍物时，如外力超过活塞杆的推力，耙唇将自动抬起，稳定在相对平衡的位置。通过上述替代设备，可保证吸入真空度相对平稳，也可保证泥泵负荷、转速相对稳定，对提高挖泥浓度有相应的改进作用[3]。

2 海水液压缸的设计要求

海水液压传动技术[4]是一门新技术 ,由于其抗燃性好,特别是和海洋环境相容，不存在因管路泄漏而导致环境污染，既安全又环保，效率高，越来越受到人们的重视。但是，海水中含有氯离子等多种成分，其腐蚀性极强，海水中可近似看成3.5%的氯化物盐溶液，其中几乎含有地壳中所有自然状态的元素，如果使用海水，普通液压缸将产生严重腐蚀。

为了防止长期在海水中工作的设备免受腐蚀，对材料的选择提出更高的要求。耐蚀合金是水液压元件中应用最广泛的一种材料，如钛及其合金，哈氏合金具有很好的耐腐性能；其次是镍基合金和铜合金。其中不锈钢材料以Fe-Cr为基础，是添加一些合金元素来改善其性能的一系列耐蚀钢材。其中不锈钢中的铬能和氧快速反应生成一层Cr2O3薄膜，此薄膜有较好的韧性，能有效地阻止氧气进一步腐蚀。

综合上述因素，缸套、活塞及杆件选用16L不锈钢材料，导向套可选用黄铜材料，活塞环密封可选用摩擦系数小，运动时能刮去接触面杂质，同时还要防止杂质嵌入密封圈中的材料，如聚四氟乙烯或纤维复合材料都具有良好的承载能力[5]。

3 尺寸选择

高压冲水所能提供的压力与液压系统提供的压力相差较大，根据所挖泥土的粘性，耙头活动罩必须对泥土有一定的压力才能满足要求。现以长鲸一号船为例，该船能提供1 MPa的水压，根据该船的工作状况，可设计成单作用的差动活塞液压缸[6],见图4。

在每只耙头上装两只相同的液压缸，液压缸进水孔直接与耙头高压水相接，无需换向阀等控制机构，工作时，高压水从进水孔进入活塞的顶部，同时从直径180 mm的差动活塞上的孔引进部分水到活塞杆外径为160 mm的环形密闭空间中。

图4 耙头水压缸总装示意

按设定的尺寸，活塞杆所能提供对耙头唇部的推力为39.388 kN。

当耙头遇到海底高低不平、其海底起伏变化的吸入物对耙唇的反作用力超过水液压缸对耙唇的推力时，活塞杆自动缩回，液压缸在恒定高压水压的作用下，使耙唇和疏浚土始终保持在相对平衡的位置。

为了不改变整个耙头在工作中的受力状况，活塞杆加工成空心且密封，通过水中的浮力作用平衡掉液压缸的重量对泥土及绞车受力的变化。活塞杆伸出的最大行程应等于耙头唇部在同方向的距离。活塞杆环形密封空间积存的海水沉积物可经可调放残阀21排出。缸体中部的耳轴插入耙背的耳孔中，使柱塞杆端部的环形孔与耙唇端部绞链。液压缸维护保养时，仅需拆开前端法兰上的螺栓11，就可以将柱塞及密封全部拉出进行检查和修理。