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(dòng)的挖寬目的。分為左、右兩套系統(tǒng)，分布在船艏兩側(cè)對(duì)稱位置上，稱為左橫移、右橫移。本文通過(guò)對(duì)實(shí)船橫移絞車電氣控制系統(tǒng)改為液壓控制系統(tǒng)的分析和研究，提出了液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并在液壓系統(tǒng)原理圖的基礎(chǔ)上，確定出系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)流量，并據(jù)此對(duì)液壓元件進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，提供選型原則標(biāo)準(zhǔn)，為液壓絞車設(shè)計(jì)制造和使用過(guò)程中的故障排除提供參考。

關(guān)鍵詞:橫移絞車;液壓系統(tǒng);改造設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):U615.35 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):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(yè)中，它利用絞刀將淤泥砂土挖松，同時(shí)，泥泵通過(guò)吸、排泥管把泥砂和水一道吸入并輸送至岸上^[1]。它可以對(duì)水下作業(yè)面進(jìn)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(kuò)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(duì)象及依據(jù)

1.1 原控制方式缺點(diǎn)

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

1)體積和重量較大;

2)因用電氣實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速特性，所以負(fù)載特性復(fù)雜、龐大;

3)通過(guò)改變截止電壓達(dá)到調(diào)速的目的，在起動(dòng)和變速時(shí)均產(chǎn)生沖擊，起動(dòng)頻繁，成為造成機(jī)械和電氣故障的原因;

4)為了達(dá)到硬特性并有堵轉(zhuǎn)工作點(diǎn)，采用電壓截止負(fù)反饋和電流負(fù)反饋控制;

5)該控制系統(tǒng)能耗高，噪音大，電氣觸點(diǎn)多，故障率高;

6)許多元器件已經(jīng)淘汰，維護(hù)不便。

從而導(dǎo)致工效低，成本高，難以適應(yīng)疏浚行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。為改變這種狀況，決定對(duì)原有的絞車電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。

1.2 主要研究?jī)?nèi)容

主要研究?jī)?nèi)容包括:

1)對(duì)現(xiàn)有橫移絞車的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，從而選擇一種新的合適的控制方式;

2)對(duì)選擇的傳動(dòng)控制方式進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì);

3)橫移絞車系統(tǒng)主參數(shù)計(jì)算及其總體布置;

4)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及元器件選擇。

2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析及其他施工單位的經(jīng)驗(yàn)，液壓絞車具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、起動(dòng)平穩(wěn)、調(diào)速方便和安全可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了迅速發(fā)展^[3]。為了適應(yīng)市場(chǎng)的要求，我局?jǐn)M對(duì)現(xiàn)有400 m3/h絞吸式挖泥船進(jìn)行下列改造:采取加長(zhǎng)絞刀架、增設(shè)水下泥泵、用液壓橫移絞車代替電動(dòng)橫移絞車等措施，以達(dá)到增加挖深、增加排距、提高生產(chǎn)效率的目的。

我們計(jì)劃對(duì)《400 m3/h絞吸式挖泥船橫移絞車電氣控制系統(tǒng)技術(shù)改造》項(xiàng)目實(shí)施路線進(jìn)行初步方案設(shè)計(jì):取消原來(lái)的K-F-D動(dòng)力及控制系統(tǒng)，用液壓馬達(dá)取代原橫移絞車的電動(dòng)機(jī)，輔以可編程控制系統(tǒng)對(duì)改進(jìn)后的液壓橫移絞車進(jìn)行方向、速度及拉力等進(jìn)行操作控制^[4]。

液壓拖動(dòng)方式和電力拖動(dòng)方式的性能比較見表1。

尺寸與重量功率相同時(shí)體積約為1/2，重量小1/2。尤其在需要低速高轉(zhuǎn)矩的絞車時(shí)，因采用了大轉(zhuǎn)矩馬達(dá)，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(fù)荷特性容易實(shí)現(xiàn)達(dá)到額定的正反轉(zhuǎn)的無(wú)級(jí)變速。加減速性能好。在停車時(shí)也能保持一定的制動(dòng)力矩。因用以電氣實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的特性，所以較復(fù)雜。如采用直流制動(dòng)方式，則價(jià)格昂貴、效率也低。

起動(dòng)特性起動(dòng)平穩(wěn)，變速靈活。在起動(dòng)和變速時(shí)均產(chǎn)生沖擊，起動(dòng)頻繁，成為造成機(jī)械和電氣故障的原因。

操作特性操作簡(jiǎn)單、靈活，容易實(shí)現(xiàn)集中控制和遠(yuǎn)距離控制自動(dòng)控制和遠(yuǎn)距離控制較復(fù)雜，價(jià)格昂貴。

維護(hù)安裝時(shí)若清理好管路，則具有半永久性，不需經(jīng)常維修，裝卸也容易。電路復(fù)雜、接點(diǎn)多而易損壞和磨損，在潮濕的地方，尤其需要加強(qiáng)管理。裝卸費(fèi)時(shí)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(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)要求

1)功能要求:

橫移絞車產(chǎn)生正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，對(duì)橫移纜起收放作用。當(dāng)要使挖泥船向一側(cè)擺動(dòng)時(shí)，收緊該側(cè)的橫移纜，放松另一側(cè)的纜繩;反之亦然。施工中使絞吸式挖泥船完成左右擺動(dòng)的挖寬目的^[5]。

2)使用性能要求:

①滾筒負(fù)載:滾筒最外層鋼絲繩最大拉力180kN;②滾筒速度:滾筒最內(nèi)層鋼絲繩最大收、放線速度24m/min左右，該速度可無(wú)級(jí)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(nèi)任意設(shè)定噸位;④滾筒直徑:Φ900mm;⑤絞車設(shè)計(jì)使用的鋼絲繩直徑:Φ36mm;

3)工況適應(yīng)性要求:

用于航道疏浚工程施工。

4)宜人性要求:

采用現(xiàn)場(chǎng)操控方式作業(yè)。絞車設(shè)計(jì)裝有緊急放纜動(dòng)力裝置;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不能工作時(shí)，操作人員可以通過(guò)緊急放纜動(dòng)力裝置脫開絞車制動(dòng)器，利用外負(fù)載將纜繩放出^[6]。

3.2 橫移絞車液壓系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.2.1 載荷的組成和計(jì)算

液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，它們是涉及液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)，壓力決定于外載荷。流量取決于液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)形式、速度和結(jié)構(gòu)尺寸。對(duì)于橫移絞車，其動(dòng)力執(zhí)行元件為液壓馬達(dá)。

1)滾筒工作載荷力矩Tg

由設(shè)計(jì)參數(shù)知:

最大負(fù)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(zhuǎn)部件施加于軸頸上的徑向力(N);

μ——摩擦系數(shù)，參考文獻(xiàn)[7]表23.4-1選擇μ=0.01;

r——旋轉(zhuǎn)軸的半徑，在這里保守估計(jì)，取r=200mm。

由于滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)速度較慢，故慣性力矩Ta忽略不計(jì)。

則系統(tǒng)的總力矩為:TW= Tg+Tf=84600 N#8226;m。

已知開式齒輪傳動(dòng)比為:i=6.35;

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

計(jì)算液壓馬達(dá)載荷轉(zhuǎn)矩T'時(shí)，還要考慮液壓馬達(dá)的機(jī)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(tǒng)擬采用兩個(gè)馬達(dá)給一個(gè)橫移絞車提供動(dòng)力。

則每個(gè)馬達(dá)需要轉(zhuǎn)矩為:T= T'/2=7012 N#8226;m

3.2.2 初選液壓系統(tǒng)工作壓力

壓力的選擇要根據(jù)載荷大小和設(shè)備類型而定。還要考慮執(zhí)行元件的裝配空間、經(jīng)濟(jì)條件及元件供應(yīng)情況等的限制。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于固定的尺寸不太受限的設(shè)備，壓力可以選低一些，行走機(jī)械設(shè)備壓力要選得高一些。

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

3.2.3 液壓馬達(dá)的排量

液壓馬達(dá)是雙向旋轉(zhuǎn)的，其回油直接回油箱，視其出口壓力為零，液壓馬達(dá)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(dá)所需流量

液壓馬達(dá)所需流量為:qv=Vnm

式中:V——液壓馬達(dá)排量(m3/r);

nm——液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速(r/s)，后面根據(jù)選定的具體液壓馬達(dá)計(jì)算

3.3 制定基本方案和繪制液壓系統(tǒng)圖

3.3.1 制定基本方案

1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的確定

絞車動(dòng)作主要是收攬、放纜、聯(lián)合作業(yè)三種動(dòng)作方式，從而完成左橫移、右橫移、橫移聯(lián)動(dòng)等動(dòng)作。液壓絞車主要運(yùn)動(dòng)形式為轉(zhuǎn)動(dòng)，選擇液壓馬達(dá)。由于系統(tǒng)要求正反轉(zhuǎn)，故選擇正反轉(zhuǎn)形式液壓馬達(dá)。

2)各基本回路的確定

左右橫移絞車各由兩臺(tái)液壓馬達(dá)經(jīng)一級(jí)齒輪減速傳動(dòng)。在移錨時(shí)，可以使用各自的“單獨(dú)操縱”開關(guān)進(jìn)行收攬或者放纜的操作;在挖泥作業(yè)中，則使用“聯(lián)合操縱”開關(guān)進(jìn)行左向或右向擺動(dòng)的操縱。此系統(tǒng)采用兩級(jí)容積式調(diào)速及分流調(diào)速的恒扭矩驅(qū)動(dòng)特性，對(duì)于突發(fā)事故，采用了一個(gè)應(yīng)急系統(tǒng)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(tǒng)圖

液壓執(zhí)行元件以及各基本回路確定之后，把它們有機(jī)地組合在一起。去掉多余的元件，考慮動(dòng)作順序的要求，回路結(jié)合處串聯(lián)單向順序閥。再加上其它一些輔助元件便構(gòu)成了下圖所示液壓系統(tǒng)圖2。其對(duì)應(yīng)的電磁鐵動(dòng)作循環(huán)方式見表2。

動(dòng)作舉例說(shuō)明:

收攬——假定需要單獨(dú)使用右移橫移絞車作慢速收進(jìn)右橫移纜車時(shí)，則應(yīng)將其操縱開關(guān)右橫移-收攬位置，于是電磁線圈31和33勵(lì)磁，與其相聯(lián)的插裝閥開始工作，油泵開始為負(fù)載系統(tǒng)供油，液壓油進(jìn)入橫移絞車馬達(dá)，使按收攬方向驅(qū)動(dòng)絞車，回油則直接接油箱。與此同時(shí)，左橫移絞車馬達(dá)與低壓的回油連通而呈浮動(dòng)狀態(tài)，從而慢慢放纜。

若單獨(dú)使用左橫移絞車作快速收進(jìn)左纜，其操縱開關(guān)左橫移-收攬位置，于是電磁線圈30和31勵(lì)磁，與其相聯(lián)的插裝閥開始工作，油泵開始為負(fù)載系統(tǒng)供油，液壓油進(jìn)入橫移絞車馬達(dá)，使按收攬方向驅(qū)動(dòng)絞車，回油則直接接油箱。與此同時(shí)，右橫移絞車呈浮動(dòng)狀態(tài)。

放纜——纜索的放出有主動(dòng)和被動(dòng)兩種情況，這里只介紹前者。假定使用左橫移絞車單獨(dú)操縱開關(guān)使之放出，操縱開關(guān)左橫移——放攬位置，則電磁線圈29和32勵(lì)磁。其中29勵(lì)磁則與之相應(yīng)的溢流閥恢復(fù)其溢流功能，32勵(lì)磁，與之相應(yīng)的插裝閥工作，于是，系統(tǒng)壓力油進(jìn)入左橫移絞車馬達(dá)，并使之按放纜方向驅(qū)動(dòng)絞車。

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

假定需要絞車作右向擺動(dòng)，其過(guò)程將開始與線圈30、31和34勵(lì)磁，隨后，右移橫移絞車進(jìn)入收攬狀態(tài)，詳細(xì)的情況跟前述的右移絞車單獨(dú)收攬并無(wú)區(qū)別。此時(shí)，左移橫移絞車?yán)|繩逐漸被張緊，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合作業(yè)。

應(yīng)急——液壓裝置的應(yīng)急系統(tǒng)如圖3所示。應(yīng)急泵驅(qū)動(dòng)的操作如下:

1)啟動(dòng)輔助柴油機(jī);

2)將液壓絞車的操縱開關(guān)置于所需的操縱位置;

3)將“應(yīng)急泵操縱”置于“ON”，線圈S7和S8勵(lì)磁，S7 勵(lì)磁，則與之相應(yīng)的溢流閥恢復(fù)其職能，S8勵(lì)磁則應(yīng)急支路接通，開始想橫移絞車供油，使它按照操縱開關(guān)所在的位置運(yùn)轉(zhuǎn);

4)應(yīng)急泵不再使用時(shí)，勿忘將其操縱開關(guān)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(zhí)行元件的最高工作壓力，對(duì)于本系統(tǒng)，最高壓力為p1=16MPa。

∑Δp是泵到執(zhí)行元件間總的管路損失，假設(shè)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(tǒng)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(jù)是根據(jù)閥的工作壓力和通過(guò)閥的流量。本系統(tǒng)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(guī)格型號(hào)見表3。

3.4.3 液壓馬達(dá)的選擇

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

選江蘇恒威機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的CLJM型液壓馬達(dá)，型號(hào)為CLJM-F3.15 。

理論排量為3.142L/r>2.752L/r;

額定轉(zhuǎn)速為100r/min，則由4.3.4，液壓馬達(dá)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(zhuǎn)矩為9231N#8226;m>7012N.m。

綜上可知，所選液壓馬達(dá)滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4.4 油管內(nèi)徑計(jì)算

本系統(tǒng)管路較為復(fù)雜，取其主要幾條管路，按式:d=4qvπv計(jì)算，有關(guān)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見圖2橫移絞車液壓系統(tǒng)圖。

4 結(jié)論

歸納起來(lái)，液壓絞車具有操作容易;能根據(jù)負(fù)荷的大小進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速;基礎(chǔ)費(fèi)、施工安裝費(fèi)和維修費(fèi)等都比原來(lái)的絞車小;使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)此次對(duì)400m3h絞吸式挖泥船橫移絞車電氣控制系統(tǒng)技術(shù)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(tǒng)能耗高，噪音大，電氣觸點(diǎn)多，故障率高，許多元器件已淘汰，維護(hù)困難的缺點(diǎn)。

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