“天鯤號(hào)”橫移起錨絞車液壓馬達(dá)故障案例分析

王東，楊家旺

（中交天航濱海環(huán)?？：焦こ逃邢薰?，天津 300450）

1 項(xiàng)目背景

重型自航絞吸式挖泥船 天鯤號(hào) 被譽(yù)為 造島神器 大國重器，本船配有龐大的液壓系統(tǒng)，采用集中泵控方式，配有三臺(tái)一拖二力士樂A20V0520 HS4P大流量變量柱塞液壓泵和一臺(tái)A11VO95LRD變量柱塞應(yīng)急泵，為橫移錨絞車、系駁絞車、裝駁絞車、鋼樁臺(tái)車等系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力。本船橫移起錨絞車選用650kn液壓卷筒絞車，該絞車由兩臺(tái)Hagglunds CA50雙速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，彈簧自閉式帶式剎車。絞車額定速度（第一層）：15m/min，橫移錨凈重13t。在天鯤號(hào)挖泥試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了絞車兩馬達(dá)損壞故障，本文就此次故障原因和系統(tǒng)改造進(jìn)行分析。原理圖見圖1。

2 系統(tǒng)原理

橫移起錨絞車由P2管路供油。在正常工作時(shí)，相應(yīng)的油泵為M1電機(jī)帶動(dòng)的2號(hào)主油泵，而剎車油缸和離合器油缸則由P6管路供油。

絞車放纜步驟為：（1）反向建壓，防止馬達(dá)溜車：S1213得電，使用8%小流量建壓，直到系統(tǒng)壓力為110bar，S1213失電；（2）當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到110bar，打開剎車；（3）油路接通，馬達(dá)運(yùn)行：電磁閥S1214和S1215先得電，同時(shí)泵的流量按照設(shè)定斜坡（5s）逐漸增加達(dá)設(shè)定速度所需要流量；（4）油路關(guān)閉，馬達(dá)停止：泵的流量按照設(shè)定斜坡（5s）逐漸減低至零，然后電磁閥S1214和S1215同時(shí)失電；（5）關(guān)閉剎車。

3 故障現(xiàn)象

圖1 天鯤號(hào)橫移起錨絞車液壓原理圖

操作人員描述：由于橫移錨在海底泥中掩埋，陷入過深，在起錨過程中系統(tǒng)壓力到達(dá)額定值230bar后收攬速度為0。操作人員操作反向放纜，如此反復(fù)操作才將錨起出；在下錨過程中，錨即將著地時(shí)出現(xiàn)無法放纜現(xiàn)象，收攬現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)馬達(dá)有異響。

通過挖泥控制系統(tǒng)視頻回放發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)：（1）起錨過程中收攬A口壓力230bar，絞車收攬速度為0，切換為放纜操作參數(shù)正常；（2）在某次由收攬動(dòng)作切換至放纜動(dòng)作時(shí)，放纜繩速出現(xiàn)兩秒鐘46.2m/min的異常高速，且出繩時(shí)液壓主泵壓力僅為5.9MPa怠速壓力，馬達(dá)控制閥塊檢測(cè)工作壓力為0MPa，此后不久，便發(fā)現(xiàn)絞車故障，此為明顯的馬達(dá)倒拉現(xiàn)象；（3）由收攬到放纜切換過快時(shí)出現(xiàn)帶式剎車一直處于打開狀態(tài)。

4 故障原因

結(jié)合視頻回放和操作人員描述，可以肯定的是馬達(dá)的損壞是由于超速和吸空造成的。

（1）馬達(dá)超速的原因：現(xiàn)場(chǎng)記錄到絞車最高速度達(dá)46.2m/min，根據(jù)絞車參數(shù)計(jì)算得到馬達(dá)的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為291.96rpm，而Hagglunds馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速為200rpm，已超速嚴(yán)重。

液壓系統(tǒng)采用了定值溢流閥作為負(fù)載背壓而不是平衡閥，放纜背壓閥設(shè)定壓力為110bar，此值為13噸錨重量×1.8倍安全系數(shù)換算為系統(tǒng)壓力值。在收攬工況下S1213得電，P壓力作用于A口，同時(shí)，壓力作用于放纜回油電磁閥S1215的P口。收攬至速度為0時(shí)，A口壓力為額定工作壓力230bar，快速轉(zhuǎn)為放纜，由于此處的壓力已經(jīng)高于110bar，不再執(zhí)行反向建壓動(dòng)作，剎車油缸由于低溫、回油管徑較小、收放纜切換過快等多因素疊加，此時(shí)，剎車處于打開狀態(tài)，放纜電磁閥S1214/S1215得電，設(shè)定值110bar的溢流閥受到230bar的壓力沖擊立即溢流，馬達(dá)A口回油到T，馬達(dá)向放纜方向超速轉(zhuǎn)動(dòng)直到繃緊的起錨鋼絲繩泄力到作用于A口的壓力降低至110bar。

造成絞車被高速倒拉的另一個(gè)主要因素是 倒拉蓄能，絞吸式挖泥船的橫移錨是通過一個(gè)長40m的鋼架拋錨桿拋至遠(yuǎn)離船體的位置，在橫移起錨絞車工作至額定拉力65t時(shí)，近80m的起錨鋼絲、40m的拋錨桿都存在變形，同時(shí)，在絞車的拉力下船體也存在大角度的橫傾。鋼絲和拋錨桿的變形及船體的傾斜都是一種蓄能，這種蓄能在放纜時(shí)需要較長的纜繩放出才能釋放，這是造成馬達(dá)持續(xù)超速近2s的主要原因。

（2）馬達(dá)吸空原因：現(xiàn)場(chǎng)記錄到馬達(dá)超速瞬間馬達(dá)進(jìn)油口壓力降至0MPa，同時(shí)，根據(jù)控制邏輯可以看出，馬達(dá)在被倒拉時(shí)閥組油路已經(jīng)連通，但泵的流量根據(jù)斜坡輸出，流量不足以滿足1890L/min的流量要求，馬達(dá)被吸空。

5 系統(tǒng)改造

此次馬達(dá)的故障非偶然現(xiàn)象，系統(tǒng)修復(fù)后必須進(jìn)行相應(yīng)的改造才能保障馬達(dá)的安全使用。綜合分析馬達(dá)故障的最根本原因是系統(tǒng)為了滿足大流量穩(wěn)定性的需求，采用了定壓溢流閥作為負(fù)載的背壓閥，而不是常規(guī)的平衡閥。為了降低改造成本，盡快恢復(fù)船舶運(yùn)轉(zhuǎn)，本船提出了利用挖泥控制系統(tǒng)進(jìn)行操作邏輯改造，控制邏輯對(duì)放纜進(jìn)行兩種工況的判斷：一種為重載工況：放纜時(shí)回油電磁閥前壓力≥150bar，此時(shí)，馬達(dá)回油電磁閥不得電，馬達(dá)通過230bar安全閥進(jìn)行緩慢回油，釋放 倒拉蓄能；另一種為正常工況：放纜時(shí)回油電磁閥前壓力＜150bar，馬達(dá)執(zhí)行正常放纜，150bar與110bar間的差值不足以造成馬達(dá)超速和吸空。

前提操作條件邏輯判斷：

反向建壓，防止馬達(dá)溜車：S1213得電，使用10%小流量建壓，直到馬達(dá)收攬方向進(jìn)油口壓力為110bar，S1213失電。

剎車打開：當(dāng)馬達(dá)收攬方向進(jìn)油口壓力達(dá)到90～130bar范圍（若超過130bar需要等待壓力降低到90～130bar），然后，剎車電磁閥S1209得電（注意：S1209保持得電，直至得到失電命令或馬達(dá)收攬方向進(jìn)油口壓力低于90ba才關(guān)閉剎車)，打開剎車。

工況判斷：如果檢測(cè)到馬達(dá)收攬方向進(jìn)油口壓力＜150bar，執(zhí)行工況一（正常放纜操作）。如果檢測(cè)到馬達(dá)收攬方向進(jìn)油口壓力≥150bar，執(zhí)行工況二（重載操作）。

工況一步驟：（1）油路接通：S1215得電1s后，然后，S1214電磁閥得電，正常放纜；（2）流量增大，馬達(dá)運(yùn)行：當(dāng)電磁閥S1209、S1214和S1215全部得電后，泵的流量從10%按照設(shè)定斜坡（5s）逐漸增加達(dá)設(shè)定速度所需要流量；（3）油路關(guān)閉，馬達(dá)停止：泵的流量按照設(shè)定斜坡（5s）逐漸減低至零，然后，電磁閥S1214和S1215同時(shí)失電；（4）剎車關(guān)閉。

工況二步驟：（1）油路接通：放纜方向進(jìn)油側(cè)電磁閥S1214得電打開，S1215保持失電（泵保持10%的流量輸出，以便主動(dòng)緩慢放攬釋放鋼絲繩的張緊和船體傾斜）；（2）油路關(guān)閉，馬達(dá)停止：泵的流量按照設(shè)定斜坡（5s）逐漸減低至零，然后，電磁閥S1214失電和S1215保持失電；（3）關(guān)閉剎車。

6 結(jié)語

系統(tǒng)改造后，通過實(shí)際的使用驗(yàn)證達(dá)到了改造目的，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地判斷工況，執(zhí)行重載操作，有效釋放 倒拉蓄能 。但由于控制邏輯的復(fù)雜和重載工況下耗時(shí)較長，影響施工效率，另外，馬達(dá)在重載工況下實(shí)際回油壓力超過230bar，長期此工況使用也會(huì)降低馬達(dá)的使用壽命。