耙頭防污液壓缸的改進(jìn)設(shè)計(jì)

(長江南京航道工程局 設(shè)備部,南京 210011)

為了提高自航耙吸船的挖泥效率，對(duì)挖泥船的的主要設(shè)備之一——耙頭的要求越來越高。在對(duì)不同土質(zhì)選用不同耙頭的同時(shí)，考慮到船舶施工時(shí)，因河床凹凸不平，易引起吸入真空度變化過大，不但引起泥泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)過大[1]，而且吸入的泥漿濃度不穩(wěn)定，導(dǎo)至挖泥產(chǎn)量下降。如能在挖泥的過程中，將耙頭的活動(dòng)罩及時(shí)調(diào)整為適應(yīng)河床高低不平的角度，將有效改變上述現(xiàn)象。

1 耙頭分類

目前我國自航耙吸挖泥船所用的耙頭按是否需人工調(diào)節(jié)分為兩種：主動(dòng)耙頭和被動(dòng)耙頭。

1.1 被動(dòng)耙頭

在耙頭背與活動(dòng)罩之間用拉桿將其固定，需人工根據(jù)挖深大至將耙唇調(diào)至固定的位置。這種調(diào)節(jié)方式精度低、對(duì)水深的適應(yīng)性差，難以掌握確切的角度，且費(fèi)工費(fèi)時(shí)，見圖1。

1.2 液壓油缸控制的主動(dòng)耙頭

通過外力調(diào)節(jié)耙頭活動(dòng)罩與地面的角度變化，見圖2。目前國內(nèi)所使用的主動(dòng)耙頭都是在耙頭上安裝兩只液壓油缸，將控制油路引入，根據(jù)耙頭對(duì)地角度與挖泥深度的關(guān)系對(duì)耙頭活動(dòng)罩進(jìn)行人工調(diào)節(jié)。其調(diào)節(jié)方法：在疏浚操作臺(tái)上操縱電液換向閥控制液壓缸油路的進(jìn)出，調(diào)節(jié)液壓油缸拉桿的伸縮調(diào)節(jié)耙頭活動(dòng)罩對(duì)地角度。

圖1 耙頭罩固定式結(jié)構(gòu)

圖2 油缸調(diào)節(jié)式耙頭

因人工調(diào)節(jié)不能實(shí)時(shí)、自動(dòng)地調(diào)節(jié)耙頭活動(dòng)罩對(duì)泥土的壓力。如果遇到施工區(qū)域高低不平，易引起悶耙或真空度降低現(xiàn)象。對(duì)于安裝液壓油缸的耙頭，必須配備液壓泵站、減壓裝置、液壓油連接管道、控制及反饋系統(tǒng)等[2]。上述設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦漏油將造成海面污染。

1.3 水控液壓缸的主動(dòng)耙頭

對(duì)環(huán)境保護(hù)要求越來越高的港口作業(yè)區(qū)域，選用既安全又可靠的替代設(shè)備勢在必行。目前挖泥船耙頭都裝有高壓沖水裝置，壓力大小不等。如果就地取材，將耙頭處的高壓海水代替液壓油作為傳動(dòng)介質(zhì)，設(shè)計(jì)專用海水液壓缸來推動(dòng)柱塞桿工作控制耙頭活動(dòng)罩開度，可省去液壓泵站、控制系統(tǒng)及輔助設(shè)備。不但結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、減少污染、且易于維護(hù)保養(yǎng)，見圖3。

圖3 耙頭水控液壓缸結(jié)構(gòu)示意

施工時(shí)，從耙頭的高壓沖水管路中直接將高壓水與液壓缸相連，接入海水后，保證活塞桿不間斷受到高壓水推力作用向外頂出，連續(xù)、恒定地給耙頭唇罩一個(gè)對(duì)疏浚泥土的壓力，不論河床如何變化，其耙唇都能瞬時(shí)調(diào)整角度以一恒定的壓力與泥土咬合，當(dāng)耙頭遇到堅(jiān)硬的障礙物時(shí)，如外力超過活塞桿的推力，耙唇將自動(dòng)抬起，穩(wěn)定在相對(duì)平衡的位置。通過上述替代設(shè)備，可保證吸入真空度相對(duì)平穩(wěn)，也可保證泥泵負(fù)荷、轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)提高挖泥濃度有相應(yīng)的改進(jìn)作用[3]。

2 海水液壓缸的設(shè)計(jì)要求

海水液壓傳動(dòng)技術(shù)[4]是一門新技術(shù) ,由于其抗燃性好,特別是和海洋環(huán)境相容，不存在因管路泄漏而導(dǎo)致環(huán)境污染，既安全又環(huán)保，效率高 ，越來越受到人們的重視。但是，海水中含有氯離子等多種成分，其腐蝕性極強(qiáng)，海水中可近似看成3.5%的氯化物鹽溶液，其中幾乎含有地殼中所有自然狀態(tài)的元素，如果使用海水，普通液壓缸將產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。

為了防止長期在海水中工作的設(shè)備免受腐蝕，對(duì)材料的選擇提出更高的要求。耐蝕合金是水液壓元件中應(yīng)用最廣泛的一種材料，如鈦及其合金，哈氏合金具有很好的耐腐性能；其次是鎳基合金和銅合金。其中不銹鋼材料以Fe-Cr為基礎(chǔ)，是添加一些合金元素來改善其性能的一系列耐蝕鋼材。其中不銹鋼中的鉻能和氧快速反應(yīng)生成一層Cr2O3薄膜，此薄膜有較好的韌性，能有效地阻止氧氣進(jìn)一步腐蝕。

綜合上述因素，缸套、活塞及桿件選用16L不銹鋼材料，導(dǎo)向套可選用黃銅材料，活塞環(huán)密封可選用摩擦系數(shù)小，運(yùn)動(dòng)時(shí)能刮去接觸面雜質(zhì)，同時(shí)還要防止雜質(zhì)嵌入密封圈中的材料，如聚四氟乙烯或纖維復(fù)合材料都具有良好的承載能力[5]。

3 尺寸選擇

高壓沖水所能提供的壓力與液壓系統(tǒng)提供的壓力相差較大，根據(jù)所挖泥土的粘性，耙頭活動(dòng)罩必須對(duì)泥土有一定的壓力才能滿足要求。現(xiàn)以長鯨一號(hào)船為例，該船能提供1 MPa的水壓，根據(jù)該船的工作狀況，可設(shè)計(jì)成單作用的差動(dòng)活塞液壓缸[6],見圖4。

在每只耙頭上裝兩只相同的液壓缸，液壓缸進(jìn)水孔直接與耙頭高壓水相接，無需換向閥等控制機(jī)構(gòu)，工作時(shí)，高壓水從進(jìn)水孔進(jìn)入活塞的頂部，同時(shí)從直徑180 mm的差動(dòng)活塞上的孔引進(jìn)部分水到活塞桿外徑為160 mm的環(huán)形密閉空間中。

圖4 耙頭水壓缸總裝示意

按設(shè)定的尺寸，活塞桿所能提供對(duì)耙頭唇部的推力為39.388 kN。

當(dāng)耙頭遇到海底高低不平、其海底起伏變化的吸入物對(duì)耙唇的反作用力超過水液壓缸對(duì)耙唇的推力時(shí)，活塞桿自動(dòng)縮回，液壓缸在恒定高壓水壓的作用下，使耙唇和疏浚土始終保持在相對(duì)平衡的位置。

為了不改變整個(gè)耙頭在工作中的受力狀況，活塞桿加工成空心且密封，通過水中的浮力作用平衡掉液壓缸的重量對(duì)泥土及絞車受力的變化。活塞桿伸出的最大行程應(yīng)等于耙頭唇部在同方向的距離。活塞桿環(huán)形密封空間積存的海水沉積物可經(jīng)可調(diào)放殘閥21排出。缸體中部的耳軸插入耙背的耳孔中，使柱塞桿端部的環(huán)形孔與耙唇端部絞鏈。液壓缸維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，僅需拆開前端法蘭上的螺栓11，就可以將柱塞及密封全部拉出進(jìn)行檢查和修理。

4 結(jié)束語

長鯨1號(hào)輪耙頭是一種老式的被動(dòng)耙頭，通過在該船的耙頭上加裝液壓油缸，既能改變泥泵工作時(shí)波動(dòng)過大，又能提高挖泥濃度。此設(shè)備安裝時(shí)僅需在耙上焊兩絞鏈支架，不用時(shí)可拆出恢復(fù)原有功能。

[1] 王朝暉.泵與風(fēng)機(jī)[M].北京：中國石化出版社，2007.

[2] 劉軍營,李素玲.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3] 洪國軍,王 健,林 風(fēng).自航耙吸挖泥船耙頭模型試驗(yàn)研究[J].中國港灣建設(shè)，2008(4)：19-22.

[4] 劉銀水.水液壓傳動(dòng)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[5] 張紹九.液壓密封[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[6] 臧克江.液壓缸[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.