挖泥船橫移絞車液壓系統設計研究

摘 要:挖泥船橫移絞車的作用是在施工中使挖泥船完成左右擺動的挖寬目的。分為左、右兩套系統，分布在船艏兩側對稱位置上，稱為左橫移、右橫移。本文通過對實船橫移絞車電氣控制系統改為液壓控制系統的分析和研究，提出了液壓系統的設計方案，并在液壓系統原理圖的基礎上，確定出系統壓力、系統流量，并據此對液壓元件進行參數計算，提供選型原則標準，為液壓絞車設計制造和使用過程中的故障排除提供參考。

關鍵詞:橫移絞車;液壓系統;改造設計

中圖分類號:U615.35 文獻標志碼:A文章編號:16717953(2009)04001406

The Research and Design of Across-Move Winch Hydraulic System on Dredge Boat

CAO Fu，LI Hao，LUO Chengjun，DENG Kui，WANG Min

(Changjiang Yichang Waterway Engineering Breau Yichang Hubei 443000，China)

Abstract: The function of dredger across-move winch is to dig wide when the dredger finished left to right waver in the construction. It divided into two systems: left and right and distributed in a symmetry position of the head-ship. It called left across-move and right across-move.After the analyses and research of across-move winch electric control system changed into hydraulic system， this text points out the design scheme of hydraulic system. And make certain the system pressure and flux with the basic of hydraulic system elements drawing. Then do some parameter calculation with the hydraulic components and supply the standards of choosing style principle for supplying the reference of hydraulic winch's design and produce， and eliminating the fault when using.

Key words: cross-move winch;hydraulic system;transformation design

絞吸式挖泥船是借助于絞刀和泥泵在水下挖掘泥砂的挖泥船。在挖泥作業中，它利用絞刀將淤泥砂土挖松，同時，泥泵通過吸、排泥管把泥砂和水一道吸入并輸送至岸上^[1]。它可以對水下作業面進行挖深與平整，或者自水下取土在岸邊吹填成新的田地。因此，在建港、開挖航道、擴大陸地與造田等工程中，它是一種常用的工程船舶。

1 課題研究的對象及依據

1.1 原控制方式缺點

筆者所在單位的400 m3/h絞吸式挖泥船始建于上世紀80年代初期，其上裝有橫移及鋼樁絞車共4臺，這些絞車的控制方式為DFD-F-D系統^[2]，在使用過程中，我們發現該控制方式有如下缺點:

1)體積和重量較大;

2)因用電氣實現無級調速特性，所以負載特性復雜、龐大;

3)通過改變截止電壓達到調速的目的，在起動和變速時均產生沖擊，起動頻繁，成為造成機械和電氣故障的原因;

4)為了達到硬特性并有堵轉工作點，采用電壓截止負反饋和電流負反饋控制;

5)該控制系統能耗高，噪音大，電氣觸點多，故障率高;

6)許多元器件已經淘汰，維護不便。

從而導致工效低，成本高，難以適應疏浚行業市場競爭的需要。為改變這種狀況，決定對原有的絞車電氣控制系統進行技術改造。

1.2 主要研究內容

主要研究內容包括:

1)對現有橫移絞車的電氣控制系統進行研究，從而選擇一種新的合適的控制方式;

2)對選擇的傳動控制方式進行總體方案設計;

3)橫移絞車系統主參數計算及其總體布置;

4)結構設計及元器件選擇。

2 方案設計

根據上述分析及其他施工單位的經驗，液壓絞車具有結構緊湊、重量輕、起動平穩、調速方便和安全可靠等一系列優點，近年來得到了迅速發展^[3]。為了適應市場的要求，我局擬對現有400 m3/h絞吸式挖泥船進行下列改造:采取加長絞刀架、增設水下泥泵、用液壓橫移絞車代替電動橫移絞車等措施，以達到增加挖深、增加排距、提高生產效率的目的。

我們計劃對《400 m3/h絞吸式挖泥船橫移絞車電氣控制系統技術改造》項目實施路線進行初步方案設計:取消原來的K-F-D動力及控制系統，用液壓馬達取代原橫移絞車的電動機，輔以可編程控制系統對改進后的液壓橫移絞車進行方向、速度及拉力等進行操作控制^[4]。

液壓拖動方式和電力拖動方式的性能比較見表1。

尺寸與重量功率相同時體積約為1/2，重量小1/2。尤其在需要低速高轉矩的絞車時，因采用了大轉矩馬達，絞車的體積和重量都大為減小。體積和重量大，需要大型的減速器。

負荷特性容易實現達到額定的正反轉的無級變速。加減速性能好。在停車時也能保持一定的制動力矩。因用以電氣實現無級調速的特性，所以較復雜。如采用直流制動方式，則價格昂貴、效率也低。

起動特性起動平穩，變速靈活。在起動和變速時均產生沖擊，起動頻繁，成為造成機械和電氣故障的原因。

操作特性操作簡單、靈活，容易實現集中控制和遠距離控制自動控制和遠距離控制較復雜，價格昂貴。

維護安裝時若清理好管路，則具有半永久性，不需經常維修，裝卸也容易。電路復雜、接點多而易損壞和磨損，在潮濕的地方，尤其需要加強管理。裝卸費時間。

其他管路裝配較電氣線路難度大些。電氣線路的配線方便。

3 橫移絞車液壓系統設計計算

3.1 設計要求

1)功能要求:

橫移絞車產生正轉或反轉，對橫移纜起收放作用。當要使挖泥船向一側擺動時，收緊該側的橫移纜，放松另一側的纜繩;反之亦然。施工中使絞吸式挖泥船完成左右擺動的挖寬目的^[5]。

2)使用性能要求:

①滾筒負載:滾筒最外層鋼絲繩最大拉力180kN;②滾筒速度:滾筒最內層鋼絲繩最大收、放線速度24m/min左右，該速度可無級變速;③滾筒恒張力:絞車具有1~18 kN的恒張力功能，可在該范圍內任意設定噸位;④滾筒直徑:Φ900mm;⑤絞車設計使用的鋼絲繩直徑:Φ36mm;

3)工況適應性要求:

用于航道疏浚工程施工。

4)宜人性要求:

采用現場操控方式作業。絞車設計裝有緊急放纜動力裝置;當發動機不能工作時，操作人員可以通過緊急放纜動力裝置脫開絞車制動器，利用外負載將纜繩放出^[6]。

3.2 橫移絞車液壓系統主要參數設計計算

3.2.1 載荷的組成和計算

液壓系統的主要參數是壓力和流量，它們是涉及液壓系統，選擇液壓元件的主要依據，壓力決定于外載荷。流量取決于液壓執行元件的運動形式、速度和結構尺寸。對于橫移絞車，其動力執行元件為液壓馬達。

1)滾筒工作載荷力矩Tg

由設計參數知:

最大負載為:180KN;

卷筒直徑為:Ф900mm。

則液壓卷筒的阻力矩為:

Tg=F#8226;R=180×450=81000N#8226;m。

2)滾筒軸頸摩擦力矩Tf

Tf=μG#8226;r=3600 N#8226;m。

式中:G——旋轉部件施加于軸頸上的徑向力(N);

μ——摩擦系數，參考文獻[7]表23.4-1選擇μ=0.01;

r——旋轉軸的半徑，在這里保守估計，取r=200mm。

由于滾筒的轉動速度較慢，故慣性力矩Ta忽略不計。

則系統的總力矩為:TW= Tg+Tf=84600 N#8226;m。

已知開式齒輪傳動比為:i=6.35;

則液壓馬達需要的轉矩為:TW'= TW/i= 84600/6.35=13322.8 N#8226;m。

計算液壓馬達載荷轉矩T'時，還要考慮液壓馬達的機械效率ηm(一般ηm=0.90~0.99，這里取ηm=0.95)

T'= TW'/ηm=14024 N#8226;m

本系統擬采用兩個馬達給一個橫移絞車提供動力。

則每個馬達需要轉矩為:T= T'/2=7012 N#8226;m

3.2.2 初選液壓系統工作壓力

壓力的選擇要根據載荷大小和設備類型而定。還要考慮執行元件的裝配空間、經濟條件及元件供應情況等的限制。一般來說，對于固定的尺寸不太受限的設備，壓力可以選低一些，行走機械設備壓力要選得高一些。

橫移液壓絞車屬于中小型液壓機，載荷最大時為啟動工況，此時，高壓油由兩臺液壓馬達提供，具體選擇工作壓力為Δp=16MPa^[7]。

3.2.3 液壓馬達的排量

液壓馬達是雙向旋轉的，其回油直接回油箱，視其出口壓力為零，液壓馬達的排量為:

V=2πTΔp=2×3.14×701216×106=2.752×10-3m3/r=2.752L/r

3.2.4 液壓馬達所需流量

液壓馬達所需流量為:qv=Vnm

式中:V——液壓馬達排量(m3/r);

nm——液壓馬達的轉速(r/s)，后面根據選定的具體液壓馬達計算

3.3 制定基本方案和繪制液壓系統圖

3.3.1 制定基本方案

1)執行機構的確定

絞車動作主要是收攬、放纜、聯合作業三種動作方式，從而完成左橫移、右橫移、橫移聯動等動作。液壓絞車主要運動形式為轉動，選擇液壓馬達。由于系統要求正反轉，故選擇正反轉形式液壓馬達。

2)各基本回路的確定

左右橫移絞車各由兩臺液壓馬達經一級齒輪減速傳動。在移錨時，可以使用各自的“單獨操縱”開關進行收攬或者放纜的操作;在挖泥作業中，則使用“聯合操縱”開關進行左向或右向擺動的操縱。此系統采用兩級容積式調速及分流調速的恒扭矩驅動特性，對于突發事故，采用了一個應急系統回路，以保證絞車操作的安全性。它包括以下幾種回路(如圖1):

3.3.2 擬定液壓系統圖

液壓執行元件以及各基本回路確定之后，把它們有機地組合在一起。去掉多余的元件，考慮動作順序的要求，回路結合處串聯單向順序閥。再加上其它一些輔助元件便構成了下圖所示液壓系統圖2。其對應的電磁鐵動作循環方式見表2。

動作舉例說明:

收攬——假定需要單獨使用右移橫移絞車作慢速收進右橫移纜車時，則應將其操縱開關右橫移-收攬位置，于是電磁線圈31和33勵磁，與其相聯的插裝閥開始工作，油泵開始為負載系統供油，液壓油進入橫移絞車馬達，使按收攬方向驅動絞車，回油則直接接油箱。與此同時，左橫移絞車馬達與低壓的回油連通而呈浮動狀態，從而慢慢放纜。

若單獨使用左橫移絞車作快速收進左纜，其操縱開關左橫移-收攬位置，于是電磁線圈30和31勵磁，與其相聯的插裝閥開始工作，油泵開始為負載系統供油，液壓油進入橫移絞車馬達，使按收攬方向驅動絞車，回油則直接接油箱。與此同時，右橫移絞車呈浮動狀態。

放纜——纜索的放出有主動和被動兩種情況，這里只介紹前者。假定使用左橫移絞車單獨操縱開關使之放出，操縱開關左橫移——放攬位置，則電磁線圈29和32勵磁。其中29勵磁則與之相應的溢流閥恢復其溢流功能，32勵磁，與之相應的插裝閥工作，于是，系統壓力油進入左橫移絞車馬達，并使之按放纜方向驅動絞車。

聯合作業(左向或右向擺動)——在挖泥作業中，使用聯合操縱開關，可以使絞車及船首繞定位樁作左向或右向擺動。在右向擺動時，右橫移絞車收攬，左纜因其絞車處于浮動狀態而被外力拖出去。左向擺動的情形則與此相反。

假定需要絞車作右向擺動，其過程將開始與線圈30、31和34勵磁，隨后，右移橫移絞車進入收攬狀態，詳細的情況跟前述的右移絞車單獨收攬并無區別。此時，左移橫移絞車纜繩逐漸被張緊，從而實現聯合作業。

應急——液壓裝置的應急系統如圖3所示。應急泵驅動的操作如下:

1)啟動輔助柴油機;

2)將液壓絞車的操縱開關置于所需的操縱位置;

3)將“應急泵操縱”置于“ON”，線圈S7和S8勵磁，S7 勵磁，則與之相應的溢流閥恢復其職能，S8勵磁則應急支路接通，開始想橫移絞車供油，使它按照操縱開關所在的位置運轉;

4)應急泵不再使用時，勿忘將其操縱開關置于“OFF”。

3.4 液壓元件的選擇

3.4.1 液壓泵的選擇

1)液壓泵工作壓力的確定:

ppp1+∑Δp=16+1.6=17.6Mpa

式中: p1是液壓執行元件的最高工作壓力，對于本系統，最高壓力為p1=16MPa。

∑Δp是泵到執行元件間總的管路損失，假設能量損失為10%，則，

∑Δp=16×10%=1.6MPa。

考慮其它因素，取液壓泵系統壓力18MPa。

3.4.2 液壓閥及其它液壓附件的選擇

選擇液壓閥的主要依據是根據閥的工作壓力和通過閥的流量。本系統的工作壓力在7MPa左右，所以液壓閥均選中高壓閥組。所選閥及液壓附件的規格型號見表3。

3.4.3 液壓馬達的選擇

在4.3.3中已求得所需液壓馬達的排量為2.752L/r，正常工作時，輸出轉矩為7012N#8226;m，系統工作壓力為16MPa。

選江蘇恒威機械制造有限公司生產的CLJM型液壓馬達，型號為CLJM-F3.15 。

理論排量為3.142L/r>2.752L/r;

額定轉速為100r/min，則由4.3.4，液壓馬達所需流量為

qv=Vnm=3.142×100=314.2 L/min(符合要求);

額定壓力為20MPa>16MPa;

最高轉矩為9231N#8226;m>7012N.m。

綜上可知，所選液壓馬達滿足設計要求。

3.4.4 油管內徑計算

本系統管路較為復雜，取其主要幾條管路，按式:d=4qvπv計算，有關參數及計算結果見圖2橫移絞車液壓系統圖。

4 結論

歸納起來，液壓絞車具有操作容易;能根據負荷的大小進行無級調速;基礎費、施工安裝費和維修費等都比原來的絞車小;使用范圍廣等優點。

通過此次對400m3h絞吸式挖泥船橫移絞車電氣控制系統技術改造研究，用液壓控制方式代替原有的電氣控制方式，改變了原有的電氣控制方式，克服了原系統能耗高，噪音大，電氣觸點多，故障率高，許多元器件已淘汰，維護困難的缺點。

參考文獻

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