船用吊機液壓制動系統(tǒng)分析與優(yōu)化設(shè)計

盧世忠　賴敏

【摘 要】船用吊機是海上工程船舶、石油鉆采平臺、浮式生產(chǎn)儲油輪等設(shè)施的關(guān)鍵設(shè)備。隨著我們國家海洋資源開采行業(yè)和海運行業(yè)的發(fā)展，船用吊機在惡劣海況下依然能保持良好的使用性能及安全性能，顯得尤為重要。液壓系統(tǒng)是吊機的核心部分，因而設(shè)計出可靠性強的制動系統(tǒng)，對保證吊裝作業(yè)和生產(chǎn)安全有至關(guān)重要的作用。本文從某型號40T船用吊機的“滑鉤”現(xiàn)象入手，對其剎車系統(tǒng)進行全面的分析及改進，從中可以深刻了解船用吊機的液壓制動系統(tǒng)，并提出了新的方法和優(yōu)化思路。

【關(guān)鍵詞】吊機；滑鉤；制動系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計

0 引言

影響液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素有很多，包括使用工況、油壓、油溫及液壓油的清潔度等。液壓系統(tǒng)工作時，其壓力、容積損失以及機械損失等，構(gòu)成液壓系統(tǒng)主要的能量損失，這些能量損失都會轉(zhuǎn)化為熱能使設(shè)備和液壓油溫度升高。高溫會嚴重影響整個液壓系統(tǒng)的密封、壽命和傳動效率，造成各執(zhí)行元件出現(xiàn)動作遲緩、無力等現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生更為嚴重的后果。

船用吊機的使用環(huán)境極其惡劣，空氣中的濕度、鹽分都高于陸地氣候，對液壓設(shè)備及零部件都是一種考驗。當液壓零部件出現(xiàn)故障的時候，剎車系統(tǒng)成了海洋吊機的最后一道保障，如何保障剎車系統(tǒng)的安全可靠，本文在原有的液壓設(shè)計基礎(chǔ)上，提出了新的方法和思路。

1 吊機“滑鉤”故障案例

某型船用吊機，設(shè)計主鉤最大工作載荷38T，副鉤最大工作載荷8T，最大工作半徑38m。根據(jù)現(xiàn)場吊機使用記錄，吊機的日平均使用時間長達16小時，液壓部件長時間處于高溫狀態(tài)。據(jù)現(xiàn)場反映，在吊機操作處于切換副鉤及回轉(zhuǎn)絞車的時刻，副鉤鋼絲繩絞車出現(xiàn)了不同程度的“滑鉤”現(xiàn)象，即指當操作絞車停止上升行程時，剎車系統(tǒng)不能及時制動，絞車鋼絲繩在負載作用下被拖動溜滑現(xiàn)象。情況嚴重時出現(xiàn)剎車失靈，導(dǎo)致被吊重物高空墜落。此情況屬于極其嚴重的安全隱患，必須徹底解決和修復(fù)。

2 吊機制動系統(tǒng)原理分析

2.1 制動液壓原理分析

液壓原理如圖1所示。泵送高壓油從AWA1和AWB1形成回路，主油路依靠平衡閥A02調(diào)節(jié)壓力平衡，驅(qū)動雙側(cè)液壓馬達A01進行回轉(zhuǎn)運動，梭閥HSV從主油路上選擇壓力較高的壓力油進入液控換向閥HDV接口1，驅(qū)動閥芯動作，剎車油路ABR的壓力油經(jīng)過液控換向閥后，打開剎車，絞車開始回轉(zhuǎn)。當主油路壓力卸荷，液控換向閥HDV的控制油壓卸荷，活塞在彈簧的作用下恢復(fù)到初始位置，絞車被制動。

圖1 絞車液壓原理圖

在這套絞車回轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓原理中，無論絞車正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，平衡閥都能保持主油路的壓力穩(wěn)定。而剎車的壓力油來自于獨立的剎車油路ABR，油壓穩(wěn)定，任何時候都能保證給剎車提供穩(wěn)定的壓力油，達到頂開剎車的目的。

2.2 制動性能計算分析

圖2為簡易的制動結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)定，按液壓絞車產(chǎn)生的最大制動力矩不小于絞車最大旋轉(zhuǎn)力矩的3倍以上，及滿足其他設(shè)計要求。

現(xiàn)已知吊機副鉤的工作參數(shù)如下：

絞車額定拉力100 KN；滾筒直徑680mm；摩擦半徑40mm，摩擦片組數(shù)12片/側(cè)，雙側(cè)。下面對絞車制動力矩進行校核。

圖2 制動機構(gòu)簡易示意圖

1.摩擦片壓環(huán)；2.閘瓦； 3.活塞；4.彈簧組.

2.2.1 制動正壓力計算

如圖3所示，活塞同時受到彈簧作用力F2以及壓力油產(chǎn)生的作用力F1，故壓向制動摩擦片的正壓力為N。

當改變油壓P時，正壓力相應(yīng)變化，在P=0時，，正壓力達到最大值Nmax，內(nèi)外摩擦片接觸并壓緊；在P=Pmax時，活塞壓縮彈簧組，內(nèi)外摩擦片分離，正壓力N=0。

內(nèi)外摩擦片產(chǎn)生的制動力矩M1，取決于正壓力N的數(shù)值。

M1=2NμRmn（1）

式中M1——制動力矩，Nm；N——盤形制動閘正壓力，N

μ——內(nèi)外摩擦片之間的摩擦系數(shù)，取μ=0.35

Rm——摩擦片平均摩擦半徑，m；n——制動副數(shù)目

同時，制動力矩M1應(yīng)滿足三倍靜力矩Mj的要求，所以N值可以由下式確定：

M1=2NμRmn=3Mj=3Fc■（2）

式中 D——絞車滾筒直徑，m；Fc——液壓絞車最大靜張力差。

2.2.2 制動工作油壓計算

摩擦片分離時作用在活塞上的液壓力F1需要克服兩部分力。

N——正壓力；C——盤形制動閘運動部件阻力，取0.1N

根據(jù)壓力與壓強的計算關(guān)系，可以計算出液壓工作壓力為：

P=■×10■（3）

式中D1■——油缸直徑，mm；d■■——活塞小端直徑，mm

即得到工作油壓P。

現(xiàn)場使用減壓閥，將主油路16～24MPa的壓力減壓至4MPa，減壓閥彈簧預(yù)緊1.4MPa，故而工作壓力足夠打開剎車油缸，釋放后，彈簧預(yù)緊力也足以制動。

2.3 制動系統(tǒng)穩(wěn)定性探討

從圖1看出液壓制動系統(tǒng)打開剎車的油壓，是由單獨的制動油路ABR提供。ABR管線中的制動油壓保持在5MPa左右，制動油壓的泄放也是單一地依靠液控換向閥來實現(xiàn)。一旦液控換向閥出現(xiàn)密封不嚴、動作遲緩時，絞車內(nèi)部剎車的液壓缸內(nèi)的壓力油將無法釋放，剎車無法歸位，絞車無法達到被鎖死的制動效果，此時絞車鋼絲繩將在負載的重力作用下下墜，亦即出現(xiàn)吊機“滑鉤”現(xiàn)象。這種僅僅依靠單一零部件和液壓回路來進行制動的液壓系統(tǒng)，對于吊裝這種高風險的作業(yè)來說，是極大的安全隱患。

經(jīng)與現(xiàn)場工程人員以及設(shè)備廠家對吊機的工作狀況進行調(diào)查研究，在吊機工作狀態(tài)下對副鉤絞車的各個測壓點進行測壓取樣，發(fā)現(xiàn)在副鉤絞車停止運行并切換到其他絞車工作狀態(tài)時，液控換向閥控制端口測壓點依然有油壓，表示液控換向閥的閥芯動作不靈敏，且出現(xiàn)密封不嚴的現(xiàn)象。液控換向閥動作不靈敏，將直接導(dǎo)致剎車開啟油路中的高壓油通過液控換向閥進入剎車液壓缸，且液壓缸內(nèi)的泄放回路未被開啟，剎車無法制動，從而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

3 制動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

3.1 制動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計思路

為徹底解決該系統(tǒng)故障，消除設(shè)備安全隱患，采取更換新的液壓零部件的措施，并重新對吊機絞車制動系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計方案原理如圖3所示。

圖3 制動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計液壓原理圖

當液壓馬達M1兩端回路建立油壓后，梭閥HSV選擇壓力高的一側(cè)油壓，通過新增的減壓閥A05，將壓力穩(wěn)定在4MPa，輸送至液控換向閥HDV的接口1和接口3，接口1處的高壓油使閥芯動作，將2和3導(dǎo)通，液壓油得以進入剎車的液壓缸，從而打開剎車，液壓馬達開始動作。同時，經(jīng)過減壓閥之后的壓力油也被送到另一組液控換向閥裝置，送往液壓絞車的帶式剎車液壓缸，打開絞車的帶式剎車，使得絞車得以動作。

為保證制動系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，新增部分液壓零部件，如表1所示。

表1 液壓系統(tǒng)新增主要部件

從此設(shè)計思路可以看出，打開制動液壓缸的油壓選擇從自身絞車的液壓馬達驅(qū)動油路，只有當液壓馬達端口有油壓建立時才能供給制動液壓缸，而不再依賴獨立的制動壓力油路ABR持續(xù)供油。同時，摒棄了之前單一的回油設(shè)計，除了通過液控換向閥可以完成壓力釋放以外，新增一路回油，當液控換向閥出現(xiàn)卡死或反應(yīng)不靈敏時，液壓缸的油壓可以通過新增的單向閥A04被泄放，從而達到制動的目的。

3.2 制動系統(tǒng)改進后的優(yōu)越性

（1）直接從各自液壓馬達的主油路提供剎車油壓，不再利用之前單獨的制動液壓油路，提高了液壓回路的穩(wěn)定性和可靠性；

（2）液壓馬達主油路的油壓為16～24MPa，過高的油壓會對液壓部件的密封性和壽命產(chǎn)生不良影響，新增減壓閥A05將油壓穩(wěn)定至4MPa，足夠打開剎車系統(tǒng)，保護了液壓回路，且延長了液壓零部件的使用壽命；

（3）新增制動液壓缸泄壓回路，即使在液控換向閥出現(xiàn)動作不靈敏的情況下，依然可以保證剎車油路正常卸荷，從而達到制動的目的，增強了制動系統(tǒng)可靠性；

（4）新增帶式剎車于絞車制動盤上，雙重剎車系統(tǒng)，保障良好的制動狀態(tài)。

3.3 優(yōu)化設(shè)計后的實際效果

改進后的吊車液壓系統(tǒng)經(jīng)過第三方現(xiàn)場試重和檢測，試重程序、檢測標準以及最后的檢測報告均得到第三方檢測檢驗機構(gòu)的認證。

通過對現(xiàn)場兩臺吊機剎車系統(tǒng)為期兩年的使用監(jiān)測，運行效果良好，再未出現(xiàn)吊鉤“滑鉤”現(xiàn)象，故障得以解決。

4 結(jié)論

經(jīng)過改進設(shè)計后的液壓系統(tǒng)，不再依賴唯一的液壓部件和液壓回路進行制動控制，即使在液控換向閥動作不靈敏的情況下，依然能保證剎車及時制動。同時，帶式剎車的增設(shè)，使剎車的制動能力得到了提升。對剎車液壓系統(tǒng)的改進，不僅提高液壓部件的使用壽命和設(shè)備運行效率，還增加了設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性，降低了事故發(fā)生的概率，保證生產(chǎn)作業(yè)的安全。

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[責任編輯：劉帥]