滾裝船跳板控制液壓泵站的設(shè)計(jì)

徐小艷

（希卓斯貝克瑪液壓系統(tǒng)（上海）有限公司，上海201306）

滾裝船碼頭的裝卸作業(yè)，是由滾裝船自帶的跳板搭接于碼頭面，實(shí)現(xiàn)旅客或車(chē)輛滾上或滾下作業(yè)，其具有方便快捷、能實(shí)現(xiàn)水陸聯(lián)運(yùn)、裝卸效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]，跳板是滾裝船實(shí)現(xiàn)其功能的重要裝置。本文采用液壓驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)跳板的開(kāi)啟和關(guān)閉，與機(jī)械或電動(dòng)裝置相比較：液壓驅(qū)動(dòng)具有無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大；同等體積和質(zhì)量的裝置，液壓裝置產(chǎn)生的效率高；液壓驅(qū)動(dòng)的裝置，運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。滾裝船采用液壓跳板，既能容易實(shí)現(xiàn)頻繁的開(kāi)啟和關(guān)閉，又對(duì)電站的影響小。液壓跳板控制精度高，慣性??；重量和體積小，線速度和轉(zhuǎn)速小，但是輸出力矩大。

本文設(shè)計(jì)了一套用于滾裝船跳板控制的液壓泵站。該泵站的主要功能就是控制滾裝船跳板的開(kāi)啟和關(guān)閉，順利完成碼頭裝載和卸貨作業(yè)。

圖1 滾裝船跳板控制液壓泵站原理圖

1 液壓泵站的設(shè)計(jì)要求及工作原理

在惡劣的海洋環(huán)境下，風(fēng)浪會(huì)使船體作升沉和波浪起伏運(yùn)動(dòng)，此時(shí)滾裝船跳板的起吊鋼絲繩，除具有合適的起吊速度外，還應(yīng)具有恒張力，從而讓起吊鋼絲繩始終處于緊繃狀況。不會(huì)由于負(fù)載突然變大，鋼絲繩過(guò)緊而斷裂，負(fù)載突然變小，鋼絲繩過(guò)松使跳板劇烈晃動(dòng)。

1.1 液壓泵站的設(shè)計(jì)要求

通過(guò)對(duì)滾裝船跳板工作過(guò)程及工況的分析，對(duì)滾裝船跳板控制液壓泵站提出如下設(shè)計(jì)要求：

1.1.1 能滿(mǎn)足滾裝船跳板開(kāi)啟和閉合的工作要求，最小化負(fù)載的尖峰壓力，使液壓跳板運(yùn)行平穩(wěn)。

1.1.2 應(yīng)設(shè)有油液冷卻系統(tǒng)，保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作，溫度不超過(guò)所要求的范圍。

1.1.3 需要為整個(gè)跳板控制液壓系統(tǒng)提供一個(gè)系統(tǒng)回油模塊。

1.1.4 液壓沖擊和能量損失小，體積小。

1.1.5 整個(gè)液壓泵站要求使用、維修方便，小型化、集成化和輕型化[2]。

1.2 工作原理

根據(jù)跳板控制液壓泵站設(shè)計(jì)要求分析，擬定跳板控制液壓泵站原理圖如1 圖所示，該滾裝船跳板控制液壓泵站包括跳板控制泵站動(dòng)力模塊、循環(huán)冷卻模塊和系統(tǒng)回油過(guò)濾模塊。

為了滿(mǎn)足滾裝船跳板泵站工作的要求，采用帶壓力切斷的變量柱塞泵，實(shí)現(xiàn)恒張力控制。

壓力切斷控制，是對(duì)系統(tǒng)壓力限制的控制方式。壓力切斷控制可以根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速要求按所需供油，避免了滾裝船跳板泵站工作時(shí)溢流產(chǎn)生的能量損失，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)起到過(guò)載保護(hù)作用，使跳板泵站既能滿(mǎn)足工作需求，又能避免跳板繩纜因?yàn)檫^(guò)載而斷裂。

為了在生產(chǎn)過(guò)程中方便控制壓力，改善操作人員工作環(huán)境。跳板控制泵站動(dòng)力模塊除采用壓力切斷控制外，還實(shí)行了遠(yuǎn)程控制。把變量柱塞泵的遠(yuǎn)程控制口與一個(gè)遠(yuǎn)程控制塊相接，遠(yuǎn)程控制塊由溢流閥與二位二通電磁換向閥組成，溢流閥的先導(dǎo)口與二位二通電磁換向閥入口相通，實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制。這樣操作人員的控制位置與泵的位置相對(duì)分開(kāi)較遠(yuǎn)，便于操作。

當(dāng)控制滾裝船跳板的鋼絲繩受到的力達(dá)到變量柱塞泵的切斷壓力值時(shí)，變量柱塞泵的排量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)減小排量，將系統(tǒng)的壓力限制在切斷壓力值以下，從而使控制跳板的鋼絲繩受到恒張力，一直處于繃緊狀態(tài)。

恒張力控制方式極大的減小了控制滾裝船跳板工作時(shí)鋼絲繩的張力頻率和峰值，并有效地提高了滾裝船跳板工作時(shí)的平穩(wěn)性。

循環(huán)冷卻模塊壓力低，采用齒輪泵作為動(dòng)力元件。齒輪泵作為動(dòng)力元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、成本較低；與同樣流量的其他泵類(lèi)相比，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、自吸性能好；油污中污物對(duì)其工作影響不嚴(yán)重，不易咬死，且系統(tǒng)造價(jià)低、易維護(hù)。液壓油由齒輪泵吸取，經(jīng)過(guò)冷卻器、過(guò)濾器，過(guò)濾器過(guò)濾后回到油箱。

系統(tǒng)回油過(guò)濾模塊，是循環(huán)冷卻模塊回油和跳板控制系統(tǒng)回油一起經(jīng)過(guò)回油過(guò)濾器，進(jìn)行回油過(guò)濾，濾除液壓系統(tǒng)中元件磨損產(chǎn)生的金屬顆粒以及密封件的橡膠雜質(zhì)等污染物，使流回油箱的油保持清潔。

2 主要元件的選擇

液壓泵站主要參數(shù)有兩個(gè)：壓力和流量?？梢愿鶕?jù)這兩個(gè)主要參數(shù)計(jì)算和選擇液壓元件的型號(hào)和規(guī)格。

該跳板控制泵站動(dòng)力模塊的最大工作壓力是25Mpa, 最大流量78L/min?？紤]到工作時(shí)系統(tǒng)中存在一定的管路壓力損失，該液壓泵站與跳板距離較遠(yuǎn)，所以壓力損失取為1.5Mpa，壓力系數(shù)取為1.1，計(jì)算出泵的額定壓力為29.15Mpa。考慮系統(tǒng)的泄漏，取液壓泵的最大流量為1.06x78L/min=82.68L/min。根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)和前面的分析，選擇帶壓力切斷的變量柱塞泵K3VL80，額定壓力32MPa，額定流量116L/min（由于船級(jí)社特殊要求，因而泵的排量選得比較大），轉(zhuǎn)速1450rpm。

同理，可進(jìn)行冷卻泵的計(jì)算和選型。冷卻泵選用齒輪泵GR40 SMT16B 100L，額定壓力1MPa，額定流量138.4L/min，轉(zhuǎn)速3460rpm。

與液壓泵匹配的電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、控制閥、過(guò)濾器等元件，可以通過(guò)計(jì)算并查閱相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)資料進(jìn)行選擇，這里就不作詳細(xì)敘述了。

另一個(gè)比較重要的元件，就是冷卻器。

該泵站要求當(dāng)溫度超過(guò)42°時(shí)，需要對(duì)液壓油進(jìn)行冷卻。常用的冷卻器有水冷式冷卻器和風(fēng)冷式冷卻器，水冷式冷卻器利用冷卻水的流動(dòng)帶走熱量，實(shí)現(xiàn)散熱，因此現(xiàn)場(chǎng)要有一定的水源。當(dāng)冷卻水溫度一定時(shí)，水冷式冷卻器的冷卻能力也是固定的，因此水冷式冷卻器的工作狀況不受環(huán)境溫度影響。與風(fēng)冷式冷卻器相比，在相同冷卻能力的情況下，水冷式冷卻器體積更小。

根據(jù)上面的分析，且該泵站用于船舶上，用海水進(jìn)行冷卻，非常方便，故該泵站選用水冷式冷卻器。以液壓系統(tǒng)單位時(shí)間的發(fā)熱量為參數(shù)，對(duì)應(yīng)冷卻器的冷卻能力進(jìn)行選型，則選冷卻器的型號(hào)為EKM-724-O-CN-UH，冷卻能力為31.7KW/h。

3 液壓泵站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該滾裝船跳板控制的液壓泵站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括液壓泵組裝置、液壓控制回路、液壓油箱和液壓泵站的布局四個(gè)方面的內(nèi)容。液壓泵組裝置包括液壓泵、電機(jī)、鐘形罩及聯(lián)軸器等，液壓泵和電機(jī)通過(guò)鐘形罩和聯(lián)軸器連接在一起，按照一定的順序組裝即可，比較簡(jiǎn)單。這里重點(diǎn)介紹其它三部分內(nèi)容。

3.1 液壓控制回路- 液壓集成閥塊

液壓控制回路采用液壓集成閥塊型式連接。

該液壓泵站的液壓控制元件均采用螺紋插裝閥。為了簡(jiǎn)化布局，將液壓控制回路設(shè)計(jì)成液壓集成閥塊，將液壓閥集中安裝在專(zhuān)用的閥塊上，不僅利于集中管理，而且還可以減少元件間的連接管路，提高液壓泵站的可靠性。當(dāng)液壓泵站改變工況需要增減元件時(shí)，組裝迅速方便。液壓元件之間沒(méi)有管道連接，消除了因油管、管接頭磨損或是連接不當(dāng)?shù)纫鸬男孤⒄駝?dòng)和噪聲。整個(gè)泵站配置靈活、外觀整齊，標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和集成化程度較高。

該液壓泵站將如下圖2-4 三部分設(shè)計(jì)為液壓集成閥塊，高壓控制塊，遠(yuǎn)程控制塊，回油過(guò)濾集成閥塊。

圖2 高壓控制塊

圖3 遠(yuǎn)程控制塊

圖4 回油過(guò)濾集成閥塊

3.2 液壓油箱

油箱最主要的作用是儲(chǔ)存油液，此外還起著散熱、分離油液中的氣泡、沉淀雜質(zhì)等作用[3]。油箱的容積設(shè)計(jì)和計(jì)算原則是要能夠滿(mǎn)足液壓泵站的流量需求。該液壓泵站為開(kāi)式泵，開(kāi)式泵需要的油箱容積通常按照所有開(kāi)式液壓泵從油箱中吸取的最大理論流量計(jì)算，按經(jīng)驗(yàn)公式確定此部分油箱容量。

開(kāi)式泵需要的油箱容量經(jīng)驗(yàn)公式為：

式（1）中，q 為液壓泵站中所有開(kāi)式液壓泵1 分鐘內(nèi)最大排量的總和，a 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，見(jiàn)表1[3]。

表1 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a 的推薦值

此處，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a 取5。泵站中所有開(kāi)式泵需要的油箱容積為78x3x5=1170L。該滾裝船跳板控制的液壓泵站油箱容積取為1200L。

油箱采用焊接結(jié)構(gòu)，頂板上設(shè)有空氣濾清器，液位液溫計(jì)，回油過(guò)濾器集成閥塊，側(cè)壁安裝冷卻器、遠(yuǎn)程控制塊，溫度計(jì)，箱底有兩條凹槽，設(shè)置放油裝置。

3.3 液壓泵站的布局

該泵站共有4 組泵組，3 組控制跳板的帶壓力切斷變量柱塞泵組，1 組循環(huán)冷卻泵組。泵組數(shù)量較多，為使結(jié)構(gòu)緊湊，采用上置式泵站與下置式泵站相結(jié)合的布局，將1 組冷卻泵組放在油箱上面，3 組控制跳板的帶壓力切斷變量柱塞泵組放置在油箱下面。如下圖5。

圖5 液壓泵站的布局

4 液壓泵的測(cè)試

4.1 液壓泵站的耐壓測(cè)試

液壓泵站在組裝完成，進(jìn)行沖洗后，需進(jìn)行耐壓測(cè)試。測(cè)試壓力一般應(yīng)符合：小于16Mpa 時(shí)，1.5 倍的工作壓力；16～31.5Mpa 時(shí)，1.25 倍的工作壓力；大于31.5Mpa 時(shí)，1.15 倍工作壓力。該泵站工作壓力為25Mpa，25X1.15=28.75Mpa，選取29Mpa 作為測(cè)試壓力。

測(cè)試時(shí)，將溢流閥調(diào)壓彈簧調(diào)至最松狀態(tài)，逐級(jí)增加壓力，每增加一級(jí)壓力，穩(wěn)定壓力2-3min。當(dāng)壓力增加到測(cè)試壓力后，保持壓力10min。然后將壓力降低到工作壓力，對(duì)泵站進(jìn)行檢查。結(jié)果顯示，泵站上的所有焊縫、接合面和密封處沒(méi)有漏油，管道沒(méi)有發(fā)生永久變形，系統(tǒng)沒(méi)有異響。

4.2 液壓泵站的功能測(cè)試

接通電源，開(kāi)啟主泵帶壓力切斷的變量柱塞泵，空運(yùn)轉(zhuǎn)10min，記錄此時(shí)的壓力和流量。

然后逐漸增加壓力，直至壓力達(dá)到系統(tǒng)要求的工作壓力值，記錄此時(shí)的流量。

同理，測(cè)試?yán)鋮s泵的空載壓力、流量，工作壓力下的流量。

測(cè)試結(jié)果表明，主泵帶壓力切斷的變量柱塞泵及冷卻泵齒輪泵的工作壓力和流量滿(mǎn)足要求，變量柱塞泵調(diào)節(jié)裝置靈活、安全可靠，各結(jié)合面處無(wú)漏油，運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)異響。

設(shè)置溢流閥的壓力，為安全起見(jiàn)，通常泵站調(diào)試結(jié)束后，將主溢流閥壓力設(shè)置在26Mpa，遠(yuǎn)程控制閥設(shè)值在5Mpa。調(diào)節(jié)方法如下：先將主溢流閥及遠(yuǎn)程控制閥旋至最緊，然后逐漸旋松主溢流閥，直至壓力減至26MPa；再逐漸旋松遠(yuǎn)程控制閥，直至壓力降至5MPa。

5 結(jié)論

本文采用帶壓力切斷的變量柱塞泵作為滾裝船跳板控制動(dòng)力元件，實(shí)現(xiàn)了滾裝船跳板開(kāi)啟和關(guān)閉的恒張力控制，確保了滾裝船跳板工作的穩(wěn)定性。該液壓泵站采用液壓集成閥塊設(shè)計(jì)，精簡(jiǎn)了管道、簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)、方便了安裝。選用上置式泵站與下置式泵站相結(jié)合的布局，1 組冷卻液壓泵置于油箱內(nèi)立式安裝，使其噪聲低且便于收集漏油，3 組控制跳板的壓力切斷變量柱塞泵組，使整個(gè)泵站結(jié)構(gòu)緊湊。最后，測(cè)試驗(yàn)證，該泵站壓力流量滿(mǎn)足要求，泵站運(yùn)行平穩(wěn)。