耙吸式挖泥船液压系统技术改造分析

王进 陈瑞

摘 要：本文着重介绍了耙吸式挖泥船的液压系统组成，并对该挖泥船产生的故障进行分析，重点阐述了油液污染对液压系统的影响和蓄能器保压的节能优势。

关键词：耙吸式挖泥船;液压系统;污染控制;蓄能器

1概述

耙吸式挖泥船是一艘装有泥舱和疏浚设备、可自行装卸并可在海上或内河道自航的船舶[1]。它通过置于船体两舷的耙头吸入泥浆，以边吸泥、边航行的方式工作。耙吸式挖泥船机动灵活，效率高，抗风浪力强，适宜在沿海港口、宽阔的江面和船舶锚地作业[2-4]。

本文研究的耙吸式挖泥船交付于2007年，为沿海航道疏浚工程的展开奠定良好的基础。本船为双耙挖泥、船底泥门抛泥。耙头采用液压式主动耙头，配有高压冲水系统辅助疏松土质。耙管系统布置于船中部，采用三点吊放的方式进行收放操作。当耙管与水底面成45°时，可达到最大的设计挖深26m[5]。

在取得良好经济效益的同时，该船上液压系统经过10年的使用，部分零部件出现磨损、疲劳和老化等现象，如液压泵泄漏增加，效率降低，功率损失增大并产生大量发热。这些现象已经逐渐影响液压元器件的正常使用，使生产效率下降，因此，需要对该船液压系统进行升级和改造。本文作者将系统中过滤系统、泥门保压系统和液位控制系统进行调整，使液压系统工作更可靠。

该耙吸式挖泥船的主要技术参数如下表1所示。

全船液压系统主要由液压泵站、控制元件、执行元件和辅助元件等组成，如图1所示。

（1）液压泵站：左右舷分别设有两台液压油箱，中间油管连接，并配有油箱加热器、泵口压力开关、油箱液位开关和油箱温度开关等。11台液压泵分别与两台液压油箱连接，执行元件速度控制主要由电控式比例变量泵完成。

（2）控制元件：主要由方向控制阀、压力控制阀及流量控制阀等组成。

（3）执行元件：按耙吸式挖泥船疏浚设备分类。

耙吸管升降系统：用于耙吸管的安全收放、调整挖泥深度、实现波浪补偿和挖掘作业，由耙头吊架、耙中吊架、弯头吊架、耙头绞车、耙中绞车、弯头绞车和波浪补偿油缸等组成。每一根耙吸管有三个吊点，每个吊点配吊架一台（油缸顶升）和绞车一台（马达驱动），左右舷分别有一根耙吸管。

泥门系统：挖泥船抛泥作业时要使泥门打开，抛泥结束要使泥门关闭，装舱时要使泥门紧闭保压，泥门由14台油缸驱动。

溢流筒：本船配有液压可升降式溢流筒，升降行程为3m，油缸控制。在舱容3200m3至最大5000m3的装舱过程中，将泥舱内上表层低浓度泥浆溢流。

闸阀：闸阀控制油缸，控制泥泵吸入闸阀、装舱闸阀、冲舱闸阀，边排闸阀、侧推闸阀和泥门冲水蝶阀等的开关。

（4）辅助元件：主要包含各类压力传感器、行程开关和液压管路等。

3改造内容

根据挖泥船十年来的使用情况，并结合现有技术，对本挖泥船液压系统升级改造进行如下分析。

3.1油液清洁度

在本挖泥船改造时发现，油液中含有大量的杂质，同时，液压泵工作时伴有噪声和震动。根据多年的资料统计，出现此类系统故障70%是由于液压系统污染引起的[6-8]。

液压系统污染物分为系统中原污染物和侵入系统中污染物两种。系统中原污染物是指系统中加入液压油之前存在的污染物，主要是由于元件加工、装配、调试、包装、存储、安装环节中残留的油漆剥落片、尘土和灰尘等污染物。液压系统一旦运转，这些污染物将随液压油遍及整个液压系统。而侵入污染物一般是指后天侵入液压系统的污染，如：①加油不干净，加油时污染物随液压油一起进入液压系统;②液压油由于温度升高变质而生成的焦油等胶质、渣滓及腐蚀后的锈片;③检修时不慎混入的灰尘;④使用过程中不断产生金属磨损和密封材料的磨屑;⑤通过油缸排气孔的密封轴、泵和马达等轴系零件侵入的污染等。

液压油污染将会对液压系统产生诸多危害：①堵塞液压元件，如泵、阀类元件相对运动部件之间的配合间隙，液压元件的节流小孔、阻尼孔，使液压元件不能正常工作。污染严重，会使液压油管路、阀门堵塞，造成液压控制失灵，不能及时传输控制室命令，致使挖泥船处于瘫痪状态。在该挖泥船液压泵修复过程中，液压泵配流盘已经出现不同程度的磨损，影响液压泵的使用性能;②污染物进入液压元件相对运动部件间的间隙，会划伤配合面，造成精度不准确、元件表面有粗糙度，从而加速了密封元件的磨损，使元件泄露加大，有时还会使阀芯卡住，造成元件失灵;③液压系统污染物的存在还会破坏润滑油膜，从而加剧元件磨损，导致系统油温急剧升高。由于阀口等关键部位的磨损及油温的升高，造成系统或元件的特性改变，引起精度和性能下降。

液压油是液压系统的血液，其污染物对液压系统产生了巨大的危害，需要控制和预防污染，避免挖泥船上液压设备产生故障。在对原液压系统进行分析后，在液压泵站压力油路和总回油路增加过滤装置[6-8]。

过滤器的选择：在选择系统的主要过滤器，例如管路过滤器精度时，过滤器应该能够清除液压元件运动副动态油膜厚度的颗粒，因为这种尺寸的颗粒一旦进入到运动副的间隙内，将引起元件表面磨损，并使间隙增大，从而使尺寸较大的颗粒进入间隙，引起进一步的磨损，能快速导致元件的失效。改造原理如图2所示，在原系统基础上，分别新增高压过滤器和回油过滤器，确保油液的清洁度要求。

3.2泥门保压

泥门的打开与关闭由液压原理图为图2中主泵P3完成动作，而泥门油缸的保压由保压泵P10完成。该保压泵为变量泵，采用压力/流量控制模式，通过保压泵上调压控制阀设定斜盘变化壓力，液压泵出口压力在控制范围内使保压系统压力维持恒定，液压泵仅提供系统所需要的流量。

当挖泥船泥门需要保压时，保压泵出口电磁铁得电，保压泵出口高压油进入14台泥门油缸有杆腔，并一直待命，直至保压工况结束。在保压泵的使用中，泵壳体内一直处于高压状态，系统压力较小的变化也会对保压泵产生交大的冲击。同时，泵壳体内油液温度会升高，且一直处于高温状态，液压油寿命会变短。保压泵一直处于高压状态，会加快磨损，缩短寿命，严重时造成故障。密封件一直处于高温高压状态，容易变软和撕开[9-11]。

因此，在保压系统设计中做出调整，新增一套蓄能器保压装置，原理如图3所示。在保压回路中，蓄能器将所存储的压力油液供给给泥门油缸，补充支路中的泄露，使系统在一段时间内保持设定的保压压力。这样，保压泵不需要一直处于高压工作状态，仅需要在给蓄能器冲压时工作。新增保压蓄能器后，大大减少了保压泵的故障率，同时系统更加节能。

蓄能器设置在保压泵支路上，在蓄能器压力口设有两台压力继电器，设为蓄能器压力上限值和下限值。当泥门油缸需要保压时，蓄能器压力口的压力继电器进行检测，当保压油缸支路压力低于蓄能器下限值，压力继电器发出信号，打开保压泵使泥门油缸有杆腔中压力升高，同时为蓄能器冲压。当支路压力到达蓄能器上限值时，压力继电器发出信号，保压泵停止向支路供油。此时，泥门油缸有杆腔中压力由蓄能器保压。

3.3液壓油箱液位控制器

本挖泥船液压油箱分设在左右两舷，中间用管路连接。由于油箱为所有设备共用，当其中一台油箱使用油液较多时，油箱中的油液会减少，而中间连接管路堵塞或未能及时平衡两侧油箱液位，而该侧油箱中没有液位检测报警装置，易导致油泵吸油吸空产生气蚀，使系统中含有气泡，以致振动噪声产生。因此，油箱中安装液压控制器，可以使设备使用更加安全。本挖泥船液压系统油箱中，仅一侧油箱安装有液位控制器，另一侧加装可排除安全隐患。

4结论

通过以上对本挖泥船的改进，有效解决了以前遇到的问题，显著延长了液压系统的使用寿命，减少了故障率，大幅提高了生产效率。蓄能器保压装置的使用更加节能，节约了成本，为同类设备的改造或新设备的设计提供了有益的参考。

参考文献：

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