滾裝船跳板控制液壓泵站的設計

徐小艷

（希卓斯貝克瑪液壓系統（上海）有限公司，上海201306）

滾裝船碼頭的裝卸作業，是由滾裝船自帶的跳板搭接于碼頭面，實現旅客或車輛滾上或滾下作業，其具有方便快捷、能實現水陸聯運、裝卸效率高等優點[1]，跳板是滾裝船實現其功能的重要裝置。本文采用液壓驅動來實現跳板的開啟和關閉，與機械或電動裝置相比較：液壓驅動具有無級調速，調速范圍大；同等體積和質量的裝置，液壓裝置產生的效率高；液壓驅動的裝置，運行平穩、可靠，組成結構簡單。滾裝船采用液壓跳板，既能容易實現頻繁的開啟和關閉，又對電站的影響小。液壓跳板控制精度高，慣性?。恢亓亢腕w積小，線速度和轉速小，但是輸出力矩大。

本文設計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啟和關閉，順利完成碼頭裝載和卸貨作業。

圖1 滾裝船跳板控制液壓泵站原理圖

1 液壓泵站的設計要求及工作原理

在惡劣的海洋環境下，風浪會使船體作升沉和波浪起伏運動，此時滾裝船跳板的起吊鋼絲繩，除具有合適的起吊速度外，還應具有恒張力，從而讓起吊鋼絲繩始終處于緊繃狀況。不會由于負載突然變大，鋼絲繩過緊而斷裂，負載突然變小，鋼絲繩過松使跳板劇烈晃動。

1.1 液壓泵站的設計要求

通過對滾裝船跳板工作過程及工況的分析，對滾裝船跳板控制液壓泵站提出如下設計要求：

1.1.1 能滿足滾裝船跳板開啟和閉合的工作要求，最小化負載的尖峰壓力，使液壓跳板運行平穩。

1.1.2 應設有油液冷卻系統，保證系統長時間工作，溫度不超過所要求的范圍。

1.1.3 需要為整個跳板控制液壓系統提供一個系統回油模塊。

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

根據跳板控制液壓泵站設計要求分析，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力模塊、循環冷卻模塊和系統回油過濾模塊。

為了滿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，實現恒張力控制。

壓力切斷控制，是對系統壓力限制的控制方式。壓力切斷控制可以根據執行機構的調速要求按所需供油，避免了滾裝船跳板泵站工作時溢流產生的能量損失，同時對系統起到過載保護作用，使跳板泵站既能滿足工作需求，又能避免跳板繩纜因為過載而斷裂。

為了在生產過程中方便控制壓力，改善操作人員工作環境。跳板控制泵站動力模塊除采用壓力切斷控制外，還實行了遠程控制。把變量柱塞泵的遠程控制口與一個遠程控制塊相接，遠程控制塊由溢流閥與二位二通電磁換向閥組成，溢流閥的先導口與二位二通電磁換向閥入口相通，實現其遠程控制。這樣操作人員的控制位置與泵的位置相對分開較遠，便于操作。

當控制滾裝船跳板的鋼絲繩受到的力達到變量柱塞泵的切斷壓力值時，變量柱塞泵的排量調節機構減小排量，將系統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。

恒張力控制方式極大的減小了控制滾裝船跳板工作時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的平穩性。

循環冷卻模塊壓力低，采用齒輪泵作為動力元件。齒輪泵作為動力元件，結構簡單、工藝性好、成本較低；與同樣流量的其他泵類相比，結構緊湊、體積小、自吸性能好；油污中污物對其工作影響不嚴重，不易咬死，且系統造價低、易維護。液壓油由齒輪泵吸取，經過冷卻器、過濾器，過濾器過濾后回到油箱。

系統回油過濾模塊，是循環冷卻模塊回油和跳板控制系統回油一起經過回油過濾器，進行回油過濾，濾除液壓系統中元件磨損產生的金屬顆粒以及密封件的橡膠雜質等污染物，使流回油箱的油保持清潔。

2 主要元件的選擇

液壓泵站主要參數有兩個：壓力和流量。可以根據這兩個主要參數計算和選擇液壓元件的型號和規格。

該跳板控制泵站動力模塊的最大工作壓力是25Mpa, 最大流量78L/min?？紤]到工作時系統中存在一定的管路壓力損失，該液壓泵站與跳板距離較遠，所以壓力損失取為1.5Mpa，壓力系數取為1.1，計算出泵的額定壓力為29.15Mpa?？紤]系統的泄漏，取液壓泵的最大流量為1.06x78L/min=82.68L/min。根據這兩個參數和前面的分析，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（由于船級社特殊要求，因而泵的排量選得比較大），轉速1450rpm。

同理，可進行冷卻泵的計算和選型。冷卻泵選用齒輪泵GR40 SMT16B 100L，額定壓力1MPa，額定流量138.4L/min，轉速3460rpm。

與液壓泵匹配的電動機、聯軸器、控制閥、過濾器等元件，可以通過計算并查閱相應的標準資料進行選擇，這里就不作詳細敘述了。

另一個比較重要的元件，就是冷卻器。

該泵站要求當溫度超過42°時，需要對液壓油進行冷卻。常用的冷卻器有水冷式冷卻器和風冷式冷卻器，水冷式冷卻器利用冷卻水的流動帶走熱量，實現散熱，因此現場要有一定的水源。當冷卻水溫度一定時，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境溫度影響。與風冷式冷卻器相比，在相同冷卻能力的情況下，水冷式冷卻器體積更小。

根據上面的分析，且該泵站用于船舶上，用海水進行冷卻，非常方便，故該泵站選用水冷式冷卻器。以液壓系統單位時間的發熱量為參數，對應冷卻器的冷卻能力進行選型，則選冷卻器的型號為EKM-724-O-CN-UH，冷卻能力為31.7KW/h。

3 液壓泵站的結構設計

該滾裝船跳板控制的液壓泵站的結構設計包括液壓泵組裝置、液壓控制回路、液壓油箱和液壓泵站的布局四個方面的內容。液壓泵組裝置包括液壓泵、電機、鐘形罩及聯軸器等，液壓泵和電機通過鐘形罩和聯軸器連接在一起，按照一定的順序組裝即可，比較簡單。這里重點介紹其它三部分內容。

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。為了簡化布局，將液壓控制回路設計成液壓集成閥塊，將液壓閥集中安裝在專用的閥塊上，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。當液壓泵站改變工況需要增減元件時，組裝迅速方便。液壓元件之間沒有管道連接，消除了因油管、管接頭磨損或是連接不當等引起的泄漏、振動和噪聲。整個泵站配置靈活、外觀整齊，標準化、通用化和集成化程度較高。

該液壓泵站將如下圖2-4 三部分設計為液壓集成閥塊，高壓控制塊，遠程控制塊，回油過濾集成閥塊。

圖2 高壓控制塊

圖3 遠程控制塊

圖4 回油過濾集成閥塊

3.2 液壓油箱

油箱最主要的作用是儲存油液，此外還起著散熱、分離油液中的氣泡、沉淀雜質等作用[3]。油箱的容積設計和計算原則是要能夠滿足液壓泵站的流量需求。該液壓泵站為開式泵，開式泵需要的油箱容積通常按照所有開式液壓泵從油箱中吸取的最大理論流量計算，按經驗公式確定此部分油箱容量。

開式泵需要的油箱容量經驗公式為：

式（1）中，q 為液壓泵站中所有開式液壓泵1 分鐘內最大排量的總和，a 為經驗系數，見表1[3]。

表1 經驗系數a 的推薦值

此處，經驗系數a 取5。泵站中所有開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。

油箱采用焊接結構，頂板上設有空氣濾清器，液位液溫計，回油過濾器集成閥塊，側壁安裝冷卻器、遠程控制塊，溫度計，箱底有兩條凹槽，設置放油裝置。

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 組循環冷卻泵組。泵組數量較多，為使結構緊湊，采用上置式泵站與下置式泵站相結合的布局，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 液壓泵的測試

4.1 液壓泵站的耐壓測試

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

測試時，將溢流閥調壓彈簧調至最松狀態，逐級增加壓力，每增加一級壓力，穩定壓力2-3min。當壓力增加到測試壓力后，保持壓力10min。然后將壓力降低到工作壓力，對泵站進行檢查。結果顯示，泵站上的所有焊縫、接合面和密封處沒有漏油，管道沒有發生永久變形，系統沒有異響。

4.2 液壓泵站的功能測試

接通電源，開啟主泵帶壓力切斷的變量柱塞泵，空運轉10min，記錄此時的壓力和流量。

然后逐漸增加壓力，直至壓力達到系統要求的工作壓力值，記錄此時的流量。

同理，測試冷卻泵的空載壓力、流量，工作壓力下的流量。

測試結果表明，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足要求，變量柱塞泵調節裝置靈活、安全可靠，各結合面處無漏油，運行平穩，無異響。

設置溢流閥的壓力，為安全起見，通常泵站調試結束后，將主溢流閥壓力設置在26Mpa，遠程控制閥設值在5Mpa。調節方法如下：先將主溢流閥及遠程控制閥旋至最緊，然后逐漸旋松主溢流閥，直至壓力減至26MPa；再逐漸旋松遠程控制閥，直至壓力降至5MPa。

5 結論

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力元件，實現了滾裝船跳板開啟和關閉的恒張力控制，確保了滾裝船跳板工作的穩定性。該液壓泵站采用液壓集成閥塊設計，精簡了管道、簡化了結構、方便了安裝。選用上置式泵站與下置式泵站相結合的布局，1 組冷卻液壓泵置于油箱內立式安裝，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，使整個泵站結構緊湊。最后，測試驗證，該泵站壓力流量滿足要求，泵站運行平穩。