堆料機(jī)老式液壓系統(tǒng)優(yōu)化改造

陳 敏

（秦皇島港股份有限公司第二港務(wù)分公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

堆料機(jī)是散料碼頭非常重要的自動(dòng)裝卸設(shè)備，主要作用是將散料堆放在堆場內(nèi)，方便取料機(jī)進(jìn)行取料作業(yè)。秦皇島港煤一期堆料機(jī)1983 年建造，其液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念陳舊，安全性能也不完善，無法滿足現(xiàn)代化安全運(yùn)行的要求，對其進(jìn)行技術(shù)升級勢在必行。

1 立項(xiàng)背景

秦皇島港煤一期堆料機(jī)液壓系統(tǒng)由泵—油缸和泵—馬達(dá)兩個(gè)子系統(tǒng)組成，分別實(shí)現(xiàn)堆料機(jī)大臂俯仰動(dòng)作和大臂回轉(zhuǎn)動(dòng)作。經(jīng)過30 多年運(yùn)行，系統(tǒng)各元件磨損嚴(yán)重，內(nèi)泄變大，系統(tǒng)效率降低；各連接部位密封圈老化失去彈性，油液滲漏較大。此外，原理設(shè)計(jì)也存在以下功能性缺陷。

（1）液壓缸下腔缺少截止閥，增加上游管路及閥組的維修工作難度。

（2）缺少濾芯堵塞報(bào)警提示、溫控器和系統(tǒng)壓力控制器，以及低油位報(bào)警等保護(hù)功能。液壓系統(tǒng)安全穩(wěn)定性存在一定隱患。

（3）缺少對液壓缸管路爆裂、馬達(dá)超載的相關(guān)保護(hù)功能。

2 技術(shù)方案

本次改造的液壓系統(tǒng)保留了原裝液壓缸和液壓馬達(dá)，重新設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元和控制單元，增加多項(xiàng)保護(hù)措施，以實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的高效低耗穩(wěn)定運(yùn)行。改造分為以下實(shí)施步驟。

2.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)堆料機(jī)作業(yè)工況的要求，同時(shí)為增強(qiáng)新系統(tǒng)的故障報(bào)警功能，增設(shè)溫度傳感器和液位傳感器，增加液壓缸油壓檢測系統(tǒng)。改造后液壓系統(tǒng)分為泵站動(dòng)力單元、液壓缸控制單元和液壓馬達(dá)控制單元。

2.2 液壓系統(tǒng)元件選型

根據(jù)堆料機(jī)俯仰油缸的最大舉升力和最大伸縮速度，初步設(shè)定系統(tǒng)的最大工作壓力為10 MPa，最大流量為100 L/min。根據(jù)這些參數(shù)，參閱力士樂和賀德克相關(guān)樣本，對元件進(jìn)行選型。

2.2.1 液壓泵選型

改造在保留原始液壓缸的基礎(chǔ)上進(jìn)行。液壓缸內(nèi)徑D=22 cm，活塞桿直徑15 cm。可得液壓缸無桿腔和有桿腔有效工作面積分別為A1=（πD2）/4=（π×252）/4=490.6 cm2，A2=π（D2-d2）/4=π×（252-182）/4=236.3 cm2。俯仰上升階段的流量為q=vA1=2×490.6=2×10×490.6×10-2=98.12 L/min。俯仰下降階段的流量為q=vA2=2×236.3=2×10×236.3×10-2=47.26 L/min。油源向液壓缸輸入的最大流量為98.12 L/min。

根據(jù)改造前對液壓缸工作壓力的測量，俯仰上升階段工作壓力最大值p1=7 MPa，俯仰下降階段工作壓力最大值p2=15 MPa。在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程中，由于過渡過程時(shí)的壓力超調(diào)或周期性壓力脈動(dòng)，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過靜態(tài)壓力。因此選擇液壓泵時(shí)，額定壓力應(yīng)比系統(tǒng)最高壓力高20%～60%。取進(jìn)油路的壓力損失Σ△p=0.5 MPa。則泵的最高壓力pp=1.6（p2+Σ△p）=1.6（15+0.5）=24.8 MPa。

根據(jù)泵最大流量qp=108 L/min，最大壓力pp=24.8 MPa，選擇A10VSO71DR31RPPA12N00，軸向柱塞變量泵。該泵排量V=71 cm3，公稱壓力31 MPa，適宜轉(zhuǎn)速范圍200～3000 r/min。若選擇4 級電機(jī)，則流量q=Vn=71×1440×10-3=102.2 L。壓力、流量與系統(tǒng)相匹配。

2.2.2 電機(jī)選型

選擇4 級電機(jī)后，需要進(jìn)一步確定電機(jī)功率。電機(jī)功率、流量、壓力以及效率滿足關(guān)系式pp=ppqp/ηp。

（1）俯仰上升階段電機(jī)功率。上升階段，工作壓力pp=p1+Σ△p=11.5 MPa，流量qp=98.12 L/min，液壓泵總效率ηp=0.8，代入計(jì)算得pp1=（7.5×106×98.12×10-3）/60×0.85=14.43 kW。

（2）俯仰下降階段電機(jī)功率。下降階段，工作壓力pp=p2+Σ△p=15.5 MPa，流量qp=47.26 L/min，液壓泵總效率ηp=0.85，代入計(jì)算得pp2=（15.5×106×47.26×10-3）/60×0.85=14.36 kW。

綜上所述，選擇轉(zhuǎn)速1460 r/min，功率15 kW 的電機(jī)。

2.2.3 控制閥和過濾器的選型根據(jù)所擬定的液壓系統(tǒng)原理圖，計(jì)算分析液壓泵的工作壓力和通過各閥的實(shí)際流量，選出各閥規(guī)格。

2.2.4 油箱容積的確定

液壓系統(tǒng)的油箱容積一般取液壓泵額定流量的5～7 倍，則油箱容積V≥7×98.12 L=686.8 L。

2.3 液壓系統(tǒng)工作過程

2.3.1 俯仰動(dòng)作

（1）大臂上升動(dòng)作。油泵電機(jī)啟動(dòng)后，主回路電磁溢流閥電磁鐵（1DT）得電，俯仰電磁換向閥電磁鐵（2DT）端得電后大臂上升。

圖1 油壓檢測裝置

（2）大臂下降動(dòng)作。油泵電機(jī)啟動(dòng)后，主回路電磁溢流閥電磁鐵（1DT）得電，俯仰電磁換向閥電磁鐵（3DT）端得電后大臂下降。

（3）大臂鎖定。油泵電機(jī)啟動(dòng)后，主回路電磁溢流閥、俯仰電磁換向閥電磁鐵均失電后大臂鎖定。

2.3.2 回轉(zhuǎn)動(dòng)作

（1）大臂順時(shí)針轉(zhuǎn)。油泵電機(jī)啟動(dòng)后，主回路電磁溢流閥電磁鐵（1DT）得電，回轉(zhuǎn)回路電磁溢流閥電磁鐵（6DT）得電后剎車油缸松開，回轉(zhuǎn)電磁換向閥電磁鐵（4DT）端得電后大臂順時(shí)針轉(zhuǎn)。

（2）大臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)。油泵電機(jī)啟動(dòng)后，主回路電磁溢流閥電磁鐵（1DT）得電，回轉(zhuǎn)回路電磁溢流閥電磁鐵（6DT）得電后剎車油缸松開，回轉(zhuǎn)電磁換向閥電磁鐵（5DT）端得電后大臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)。

（3）大臂不轉(zhuǎn)。油泵電機(jī)啟動(dòng)后，主回路電磁溢流閥電磁鐵（1DT）失電，回轉(zhuǎn)回路電磁溢流閥電磁鐵（6DT）失電后剎車油缸抱死，回轉(zhuǎn)電磁換向閥電磁鐵（5DT）端失電大臂不轉(zhuǎn)。

電磁鐵啟動(dòng)順序見表1，其中，“+”表示電磁鐵得電，“-”表示電磁鐵失電。

表1 液壓系統(tǒng)電磁鐵動(dòng)作順序

3 應(yīng)用情況

改造后的液壓系統(tǒng)，其與舊液壓系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）簡化了俯仰油缸底部油路連接，省去了原來分散的小閥塊連接，將閥件全部集成在泵站閥塊，減少了滲油點(diǎn)和沿程壓力損失。

（2）在俯仰油缸下腔接入防爆閥，降低了因管道爆裂引起的大臂墜落風(fēng)險(xiǎn)。

（3）在俯仰油缸下腔設(shè)置截止閥，方便維修人員更換油管，同時(shí)避免了舊系統(tǒng)更換油管出現(xiàn)的大臂墜落和噴油現(xiàn)象。

（4）在集成閥塊上設(shè)置了測量油缸上下腔壓力的測壓接頭，有利于后續(xù)可能出現(xiàn)的故障診斷，后續(xù)增加了油缸壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。

（5）將吸油過濾改為回油過濾，安裝壓差發(fā)訊器，降低了泵的吸入壓力，可對油液堵塞及時(shí)報(bào)警，保證了油液的及時(shí)更換。

（6）將葉片定量泵改為柱塞變量泵，提高了泵的質(zhì)量和性能，同時(shí)避免了系統(tǒng)的溢流損失，起到節(jié)能作用。

（7）在馬達(dá)剎車油缸打開與馬達(dá)啟動(dòng)順序方面，用壓力傳感器取代原來的順序閥，便于PLC 控制，同時(shí)提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

（8）在馬達(dá)進(jìn)出口兩腔分別加裝溢流閥，避免了大臂回轉(zhuǎn)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的瞬間高壓對馬達(dá)的沖擊，起到安全保護(hù)作用。

（9）在俯仰油缸上下兩腔分別安裝壓力傳感器，通過油壓檢測裝置將兩腔壓力及時(shí)傳回到司機(jī)室操作臺，方便司機(jī)及時(shí)了解油缸狀況，也為整個(gè)液壓站故障診斷提供方便，如圖1所示。

4 實(shí)施效果

煤一期堆料機(jī)液壓系統(tǒng)改造完成至今，已運(yùn)行一年多時(shí)間。設(shè)備液壓站動(dòng)力單元，俯仰、回轉(zhuǎn)動(dòng)作單元，油溫、液位和油壓等檢測單元工作穩(wěn)定，設(shè)備故障率明顯降低，整個(gè)液壓系統(tǒng)運(yùn)行高效、可靠。此次堆料機(jī)液壓系統(tǒng)改造有以下創(chuàng)新點(diǎn)。

（1）泵站增設(shè)了溫度傳感器和液位傳感器，合理設(shè)置油溫、油位控制范圍，通過傳感器的報(bào)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。

（2）新系統(tǒng)將液壓鎖與節(jié)流閥的疊加位置對調(diào)，使液壓鎖的控制油直接通過換向閥的Y 型中位機(jī)能泄壓，避免了原系統(tǒng)因節(jié)流閥憋壓導(dǎo)致的液壓鎖控制油泄壓不徹底，有效鎖死了大臂。

（3）安裝液壓缸油壓檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在司機(jī)室內(nèi)監(jiān)控液壓缸各腔壓力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，通過SIM 卡可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

5 結(jié)語

此次改造在滿足堆料機(jī)液壓系統(tǒng)俯仰回轉(zhuǎn)最基本功能外，將動(dòng)力匹配改為恒壓變量泵—溢流閥形式，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能控制；增設(shè)油溫、油位、油壓等檢測裝置，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控；油缸加裝防爆閥、馬達(dá)加裝溢流閥，實(shí)現(xiàn)了安全運(yùn)行。這些功能的完善保證了堆料機(jī)液壓系統(tǒng)的高效低耗穩(wěn)定運(yùn)行，為以后液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒。