懸臂取料機(jī)斗輪液壓系統(tǒng)改造

王敏剛

（神華黃驊港務(wù)公司，河北 滄州 061113）

0 引言

黃驊港作為渤海的一顆璀璨明珠，承擔(dān)著西煤東運(yùn)的重要任務(wù)。自2002年1月份黃驊港投入試運(yùn)營(yíng)后，始終保持了較高的生產(chǎn)效率，每月的吞吐量連續(xù)遞增。2013年黃驊港更是達(dá)到了年吞吐量1.4億t，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)同類型生產(chǎn)港口達(dá)產(chǎn)的最高紀(jì)錄。這些成績(jī)的取得都是與神華黃驊港務(wù)公司采用了先進(jìn)的高度自動(dòng)化煤炭裝卸設(shè)備，運(yùn)用先進(jìn)的生產(chǎn)管理模式密不可分的。神華黃驊港務(wù)公司生產(chǎn)裝卸系統(tǒng)應(yīng)用了世界先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，部分設(shè)計(jì)和關(guān)鍵設(shè)備是由國(guó)外引進(jìn)，在國(guó)內(nèi)制造，其自動(dòng)化水平國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。神華黃驊港務(wù)公司煤一、二期工程共有12臺(tái)懸臂取料機(jī)，其中1500T/H懸臂取料機(jī)1臺(tái)，3000T/H懸臂取料機(jī)4臺(tái)和6000T/H懸臂取料機(jī)7臺(tái)，懸臂式取料機(jī)一般由行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、臂架機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)和斗輪機(jī)構(gòu)等幾大部分組成，取料機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

懸臂取料機(jī)斗輪機(jī)構(gòu)包括斗輪輪斗、斗輪傳動(dòng)軸、傳動(dòng)鎖緊盤、斗輪減速箱、斗輪液壓馬達(dá)、斗輪油管、斗輪液壓站、斗輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)、斗輪液壓泵等組成，其具體工作過程如下：斗輪高壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過液壓泵帶動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)、液壓馬達(dá)通過斗輪減速箱和傳動(dòng)軸帶動(dòng)斗輪輪斗勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)取料機(jī)取料作業(yè)。黃驊港現(xiàn)有所有懸臂取料機(jī)斗輪液壓系統(tǒng)在夏季長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)斗輪液壓系統(tǒng)過熱故障，導(dǎo)致取料機(jī)不能正常作業(yè)。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員一般采取人工用水沖洗斗輪液壓站油箱的方法降低油溫，等液壓油油溫恢復(fù)至正常范圍后繼續(xù)作業(yè)。采用人工沖洗方式的降溫效率很低，一般需沖洗至少1 h以上油溫才能恢復(fù)正常范圍，嚴(yán)重影響了懸臂取料機(jī)的作業(yè)效率，并且在沖洗過程中存在人員滑落的危險(xiǎn)，帶來了很大的安全隱患。

圖1 懸臂式取料機(jī)

本文通過對(duì)懸臂取料機(jī)原有斗輪液壓系統(tǒng)工作原理深入分析，找出原有液壓系統(tǒng)的缺陷根源，開發(fā)了一種新的液壓系統(tǒng)冷卻裝置，完全避免了原有問題的出現(xiàn)，滿足了設(shè)備需求，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果。

1 技術(shù)改造背景

黃驊港現(xiàn)有的12臺(tái)懸臂式取料機(jī)斗輪驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)都為閉式系統(tǒng)，3000T/H懸臂取料機(jī)由1個(gè)三聯(lián)柱塞泵和1個(gè)液壓馬達(dá)組成，6000T/H懸臂取料機(jī)由2個(gè)三聯(lián)柱塞泵和1個(gè)液壓馬達(dá)構(gòu)成，兩種機(jī)型的懸臂取料機(jī)斗輪液壓系統(tǒng)工作原理一致，區(qū)別在于三聯(lián)柱塞泵數(shù)量和液壓馬達(dá)功率有大小之分。其工作原理為：此三聯(lián)柱塞泵的一級(jí)泵為主泵，主要為液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)斗輪正反向轉(zhuǎn)動(dòng)；二級(jí)泵為補(bǔ)油泵，主要給一級(jí)泵提供油源；三級(jí)泵主要提供控制油路壓力和冷卻系統(tǒng)壓力，控制油路主要控制斗輪正反轉(zhuǎn)和斗輪系統(tǒng)壓力。一級(jí)泵輸出高壓油驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓馬達(dá)回油一部分直接回到一級(jí)泵吸油口，一部分經(jīng)過液壓系統(tǒng)溢流閥流經(jīng)冷卻風(fēng)扇散熱，然后回至油箱。三級(jí)泵的一部分驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)液壓馬達(dá)，帶動(dòng)冷卻風(fēng)扇降低油溫，另一部分控制一級(jí)泵正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)斗輪正反轉(zhuǎn)。由于此斗輪驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，整個(gè)液壓系統(tǒng)工作過程中所產(chǎn)生的熱量都靠馬達(dá)回油中的一部分流經(jīng)冷卻風(fēng)扇后冷卻散熱，冷卻風(fēng)扇的風(fēng)介質(zhì)為自然空氣，此散熱效果有限。在炎熱夏季，由于空氣溫度較高導(dǎo)致取料機(jī)斗輪的散熱系統(tǒng)所散出來的熱量小于斗輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量，從而產(chǎn)生斗輪液壓系統(tǒng)油溫升高，出現(xiàn)高油溫故障，并且油溫升高也加速油質(zhì)惡化降低液壓油使用壽命，因而嚴(yán)重影響取料機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)正常作業(yè)效率，并增加了設(shè)備的安全隱患。

2 原因分析

如前所述，為解決取料機(jī)在高溫或惡劣環(huán)境下作業(yè)時(shí)斗輪驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的散熱慢而導(dǎo)致熱量聚集、無法長(zhǎng)期運(yùn)行、并直接影響到設(shè)備使用效率的問題，港務(wù)公司技術(shù)人員通過查找相關(guān)資料和液壓廠家聯(lián)系逐步排除故障原因。一般液壓系統(tǒng)溫度升高由兩方面原因引起的，一方面是外部環(huán)境溫度變化導(dǎo)致液壓系統(tǒng)溫度升高，另一方面是由于液壓系統(tǒng)自身泄漏等導(dǎo)致的油溫升高。港務(wù)公司技術(shù)人員針對(duì)此兩方面原因分析先后采用了兩種方案，效果并不理想。其中方案1為在各取料機(jī)斗輪液壓站上方加裝防護(hù)罩，用以減少陽(yáng)光直射液壓站時(shí)間，去除由于外部環(huán)境溫度變化導(dǎo)致液壓系統(tǒng)油溫升高的因素，此措施效果并不明顯。方案2為在各取料機(jī)斗輪液壓站油箱上方加裝一套灑水系統(tǒng)，在夏季室外溫度較高時(shí)，直接用自來水沖洗斗輪油箱，達(dá)到用水降低油箱液壓油溫的目的，此方案效果亦不明顯，并且此方案浪費(fèi)水資源比較嚴(yán)重，違背了國(guó)家一直提倡的節(jié)能環(huán)保要求。

通過以上兩種方案實(shí)踐證明，外部環(huán)境溫度變化導(dǎo)致斗輪液壓系統(tǒng)油溫增加為次要原因，取料機(jī)斗輪液壓系統(tǒng)發(fā)熱的主要原因?yàn)橐簤合到y(tǒng)作業(yè)過程中產(chǎn)生的熱量不能得到有效的散發(fā)。在盡可能降低維修費(fèi)用成本的前提下，港務(wù)公司技術(shù)人員通過共同討論，集思廣益，大家一致認(rèn)為應(yīng)該設(shè)計(jì)一套獨(dú)立冷卻系統(tǒng)，用以降低斗輪液壓系統(tǒng)溫度。

3 改造方案

本改造方案提供了一種斗輪液壓系統(tǒng)散熱機(jī)構(gòu)，該斗輪液壓系統(tǒng)散熱機(jī)構(gòu)包括斗輪驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，該斗輪驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)包括液壓油箱。其中液壓油箱上設(shè)有吸油口和回油口，斗輪機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在吸油口與回油口之間的冷卻液壓回路，該冷卻液壓回路中設(shè)有冷卻裝置、冷卻液壓泵及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)，冷卻液壓泵管路連接到吸油口，以從液壓油箱中泵吸液壓油并使液壓油在冷卻液壓回路中由冷卻裝置冷卻后從回油口回油至液壓油箱，如圖2所示。在本改造方案中，在不增加液壓油箱的體積的情形下（目前斗輪機(jī)構(gòu)的液壓油箱的體積已經(jīng)比較大，再增加體積則受到其它液壓元件以及安裝空間的限制），為斗輪驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)加裝一套獨(dú)立的液壓冷卻系統(tǒng)，即連接到液壓油箱上的冷卻液壓回路。其主要作用是加速液壓油箱中的液壓油流動(dòng)并使之在冷卻裝置（例如散熱片）中進(jìn)行有效冷卻，降低液壓油箱里面液壓油的溫度，從而達(dá)到降低斗輪驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的整體液壓油溫度的目的。

圖2 斗輪液壓系統(tǒng)散熱機(jī)構(gòu)

現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行散熱或過濾等，通常都是在液壓系統(tǒng)的液壓回路中增設(shè)散熱元件或過濾元件，在液壓系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)完成對(duì)液壓油的散熱或過濾。但在本實(shí)用方案中，考慮到斗輪機(jī)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)布局復(fù)雜，可安裝空間不大，因而對(duì)既有的斗輪驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化布局的難度頗大。因此，本方案中的冷卻液壓回路優(yōu)選為獨(dú)立于斗輪驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)設(shè)置，如圖2所示，只將冷卻液壓回路連接到斗輪驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的液壓油箱中，從而在不影響斗輪驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)對(duì)油箱液壓油進(jìn)行散熱、降溫處理。其中的冷卻裝置可選擇為冷卻風(fēng)扇或散熱片等，使通過其中的液壓油得到盡可能的散熱。吸油口和回油口優(yōu)選地設(shè)置在液壓油箱的頂部，以不影響液壓油箱的既有布局，液壓油箱與冷卻液壓泵和冷卻裝置間隔設(shè)置，在實(shí)際中冷卻液壓泵和冷卻裝置應(yīng)安裝在遠(yuǎn)離液壓油箱的位置，以便于斗輪機(jī)構(gòu)的安裝布局，避免產(chǎn)生任何結(jié)構(gòu)干涉等。另外，在進(jìn)行冷卻的同時(shí)，該冷卻液壓回路中還設(shè)置有液壓油過濾器，以對(duì)液壓油進(jìn)行同步過濾處理，提高液壓油的油質(zhì)和使用壽命。如圖2所示，液壓油過濾器包括吸油過濾器和回油過濾器，吸油過濾器設(shè)置在冷卻液壓泵與吸油口之間的吸油油路上，回油過濾器設(shè)置在冷卻裝置與回油口之間的回油油路上。吸油過濾器可進(jìn)行粗過濾，而回油過濾器可進(jìn)行過濾等級(jí)較高的精細(xì)過濾。通過2個(gè)過濾器對(duì)流經(jīng)冷卻液壓回路的液壓油進(jìn)行較好的過濾處理，去除液壓油中的雜質(zhì)等介質(zhì)。并且，冷卻液壓回路中還可設(shè)有單向閥，該單向閥設(shè)置在冷卻裝置與回油口之間的回油油路上，以防止液壓油液倒吸。

此外，考慮到系統(tǒng)冷卻操作的自動(dòng)化操作，本實(shí)用方案的斗輪機(jī)構(gòu)還包括控制器和用于檢測(cè)液壓油箱中的液壓油溫度的溫度檢測(cè)元件（圖中未顯示），控制器配置為根據(jù)該溫度檢測(cè)元件的溫度檢測(cè)信號(hào)而控制啟動(dòng)或停止冷卻系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在操作時(shí)，可通過重新布線并加裝繼電器等控制該冷卻液壓回路，只要液壓油箱中的溫度達(dá)到40℃以上，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，該冷卻液壓回路工作，從而降低液壓油箱中的液壓油溫度。

綜上可見，本實(shí)用方案的斗輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單、加工制作成本低，可滿足取料機(jī)夏季作業(yè)過程中斗輪液壓系統(tǒng)散熱的需求。以下將闡述該冷卻液壓回路的安裝和作業(yè)。

4 施工方案

在現(xiàn)有的斗輪機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝作業(yè)時(shí)，由于新增加了一套獨(dú)立冷卻系統(tǒng)，因而應(yīng)提前在現(xiàn)場(chǎng)確定該獨(dú)立冷卻系統(tǒng)的管路布置、冷卻液壓泵和冷卻裝置的安裝位置等。在現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備好各液壓元件后，可提前1d申請(qǐng)取料機(jī)的停機(jī)時(shí)間，一般需要大概2d時(shí)間。具體施工方案如下：1）聯(lián)系取料機(jī)操作司機(jī)將大機(jī)開到錨固位置，錨固好大機(jī)。2）關(guān)閉斗輪液壓泵出口處截止閥，防止取料機(jī)臂架油管中液壓油回流。再放空斗輪機(jī)構(gòu)中的液壓油箱內(nèi)的液壓油，在液壓油箱的頂部開設(shè)2個(gè)直徑大約為25 mm的圓孔，即吸油口和回油口。3）并在離液壓油箱盡量遠(yuǎn)的位置安裝和固定冷卻液壓泵和冷卻裝置。4）在各液壓元件安裝到位后，合理布置連接油管，并依次固定各油管，接好接頭，聯(lián)系維修電工液壓泵電機(jī)布線，并接好線。5）最后，聯(lián)系取料機(jī)操作司機(jī)進(jìn)行試車，觀察斗輪驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)和冷卻液壓回路的工作情況。6）安全措施。a.施工單位、委托單位對(duì)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行安全教育，遵守現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的各項(xiàng)管理規(guī)定，戴好安全帽。提高安全意識(shí)，進(jìn)行預(yù)先性分析，采取必要的防護(hù)措施，詳細(xì)交待工作程序和注意事項(xiàng)。電焊工、起重工持證上崗。b.施工前確定好通訊方式，嚴(yán)格停送電程序，運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備上不得施工作業(yè)。c.施工過程中嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，防止蠻干，統(tǒng)一指揮，發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)報(bào)告并采取相應(yīng)措施。d.作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)禁吸煙，每個(gè)動(dòng)火點(diǎn)不少于2具滅火器。備足水桶，確保消防設(shè)備設(shè)施齊全有效，并通知消防車現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)作業(yè)。e.高空作業(yè)必須系好安全帶，工具物品擺放整齊穩(wěn)妥，防止高空墜物傷人。上下作業(yè)面相互照應(yīng)配合默契。

5 經(jīng)濟(jì)效益估算

在上述基礎(chǔ)上，本實(shí)用方案還相應(yīng)提供了一種取料機(jī)，該取料機(jī)包括根據(jù)本實(shí)用方案上述的斗輪機(jī)構(gòu)。該取料機(jī)由于設(shè)置了上述的斗輪機(jī)構(gòu)，因而可使得液壓油箱中的液壓油得到及時(shí)的散熱處理，提高液壓油品質(zhì)，使得斗輪驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)在高溫和惡劣環(huán)境下也能保持連續(xù)穩(wěn)定的作業(yè)。避免了因液壓油高溫帶來的各種故障，大大減小了維護(hù)成本。

在未改造前，1臺(tái)3000T/h取料機(jī)或6000T/H取料機(jī)1a大約有60次油溫高故障，每次故障需要停機(jī)1 h來進(jìn)行降溫，并且2～3a完全更換一次液壓油。在經(jīng)過上述改進(jìn)，使用本實(shí)用方案的斗輪機(jī)構(gòu)后，通過仿真和試驗(yàn)，取料機(jī)油溫高故障可預(yù)期地基本消除，液壓油可延長(zhǎng)至平均5～6a更換一次。在改造后，按3000 t/h取料機(jī)平均流量1 600 t/h，6000 t/h取料機(jī)平均流量3000 t/h計(jì)算，3 000 t/h取料機(jī)可以多裝煤 1 600×1×60=96 000 t，6000 t/h 取料機(jī)可以多裝煤3 000×1×60=180 000 t，按每噸煤20元利潤(rùn)計(jì)算，96 000×20=192萬元，180 000×20=360 萬元。

液壓油由原來的2～3a更換一次改為5～6a更換一次，中間減少了一次液壓油更換。3000T/H取料機(jī)斗輪油箱為1 000 L，費(fèi)用為1 000×19.85=19 850元，6000 t/h取料機(jī)斗輪油箱為1500L，費(fèi)用為1 500×19.85=29775元。

綜上可得，1臺(tái)3 000 t/h取料機(jī)每年可節(jié)省費(fèi)用為1 920 000+19 850=193.985萬元。1臺(tái)6 000 t/h取料機(jī)每年可節(jié)省費(fèi)用為3 600 000+29 775=392.977 5萬元。因此，帶來的經(jīng)濟(jì)效益是可觀的，大大減少了設(shè)備維護(hù)成本。

6 結(jié)論

綜上所述，新冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理完全不同于傳統(tǒng)的改變?cè)簤合到y(tǒng)原理和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，以此使得原有液壓系統(tǒng)存在的缺陷從根本上得到了彌補(bǔ)。直接利用一套獨(dú)立的液壓冷卻系統(tǒng)進(jìn)行油箱液壓油的冷卻，方法簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，并且此改造方案更適合港務(wù)公司的節(jié)約、綠色、環(huán)保的理念。

在黃驊港所有的懸臂取料機(jī)上做了以上改造應(yīng)用后，新的冷卻系統(tǒng)不但可以解決取料機(jī)斗輪液壓系統(tǒng)高溫故障，而且由于其系統(tǒng)中有吸油過濾器，在作業(yè)過程中可以不斷地過濾油箱中的液壓油，起到凈化斗輪液壓系統(tǒng)的作用。在此雙重作用下，斗輪液壓系統(tǒng)高油溫故障可以基本解決。原來液壓系統(tǒng)的液壓油需3a更換一次，改造后可以5～6a更換一次，大大減少了設(shè)備維護(hù)成本。并且通過重新布線，并加裝繼電器控制該冷卻系統(tǒng)，當(dāng)斗輪油箱溫度只需達(dá)到40°以上時(shí)該冷卻系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，降低油箱溫度。因此，該裝置的應(yīng)用不但從根本上解決了原有斗輪液壓系統(tǒng)液壓油高溫的問題，而且有效地提高了作業(yè)效率，同時(shí)也保障了設(shè)備的安全。

以上結(jié)合圖1和圖2詳細(xì)描述了本方案的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本方案并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本方案的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本方案的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡(jiǎn)單變型，這些簡(jiǎn)單變型均屬于本方案的保護(hù)范圍。另外需要說明的是，在上述具體實(shí)施方式中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進(jìn)行組合，為了避免不必要的重復(fù)，本方案對(duì)各種可能的組合方式不再另行說明。