φ56组合锚绞机恒张力液压控制系统的设计与分析

周忠旺，赵林林

(江苏财经职业技术学院机械与电子工程系，江苏淮安223003)

大型船舶在系泊期间，由于潮水的涨落、吃水的变化、风力的改变等原因，经常需要甲板值班人员调整缆绳的张弛程度，即人工松出和收紧缆绳。由于人工操作，不仅麻烦费事，而且不可能做到使每一根缆绳所受的张力完全一致，因此在系泊期间可能造成某一根缆绳张力过大而拉断，这样其他缆绳的负荷立即增大，处于危险状态。为此，有必要在组合锚绞机上设计具有恒张力装置的液压控制系统，以实现自动调整绞缆的张力，在缆绳拉力过大时自动放松，而缆绳松弛时又能自动收紧。固定在岸边，船舶停靠码头时，由锚机 (系缆机)通过系缆索与带缆桩固定，对于某些大型船舶，为更可靠系泊，其锚机、系缆机左右对称，分别选用左右锚机和左右系缆机。

图1 船舶设备的系泊

1 组合锚绞机的应用

系泊设备主要由锚绞机、系缆机、带缆桩、导缆钳 (或导缆孔)组成。大多数船舶，在船首处将锚机和绞缆机置于一起，实现一机两用，称为组合锚机;而在船尾设置一台绞缆机。如图1所示，带缆桩

2 组合锚绞机液压系统设计

2.1 主泵供油液压系统设计

2.1.1 单侧起锚系缆时液压系统设计

设计时只要使锚链轴旋转就可以，而起锚和系缆动作由离合器操纵控制。锚链轴的旋转由旋转马达带动，液压马达在排量既定时，扭矩与工作油压成正比。因此，只需能控制马达的工作油压，就能控制马达扭矩，实现操纵起锚和系缆动作。

如图2所示，液压系统主要包括动力元件、执行元件和控制元件。

图2 单侧起锚系缆时液压系统控制图

各元件的作用如下:

动力元件:考虑到安全因素，为保证在1个柱塞泵损坏状况下不能影响主机工作，因此使用2个柱塞变量泵并联来驱动马达旋转。在泵的出口处安装溢流阀，控制系统中的压力保持基本恒定，实现调压、稳压或限压作用。

执行元件:液压马达 (既驱动锚机又驱动系缆机，转速范围为0～60 r/min，起锚时工作油压16 MPa，系缆时工作油压25 MPa，起执行机构作用)，并联一个顺序阀 (调定压力为15 MPa)，串联了一个单向顺序阀 (又称为平衡阀)。平衡阀串联的作用是限制液压马达反转不能过快。当反转过快变成泵运行，进口油压降低使平衡阀关闭迫使油马达停止，直至进口油压回复才重新开启，继续反转;顺序阀作用是负荷过载时液压油从顺序阀流过，不经马达，从而保护马达。

控制元件:采用手动比例复合阀 (由两个单向阀、两个顺序阀和一个H型中位机能手动三位四通换向阀组成)。通过操纵比例阀手柄，可以无级控制液压油流量，从而控制马达转速。

2.1.2 左右两侧起锚系缆时液压系统设计

在大型船舶中，船头通常使用两个锚绞机并分别左右布置。其液压控制系统是在单侧液压系统的基础上对称布置一个，两组并联使用，如图3所示。

图3 左右两侧起锚系缆时液压系统控制图

但设计时注意以下几点:

(1)左右两侧分别使用两组 (各2个)柱塞泵供应液压油，一组正转，另一组反转，分别带动左右马达绕同一转向旋转。

(2)为防止左右柱塞泵发生故障，在左右两侧的动力源中选用2个柱塞泵并联使用作为动力，在1个柱塞泵损坏状况下不能影响主机工作，确保主机安全运行。

左右两组液压泵互用，确保主机正常运行。如图3所示，在进油路中设置3个高压球阀。正常工作时，Q1和Q2打开，Q3关闭。应急时，两台泵组互为备用，即用一台泵分别对左右锚机供油，比如当右泵组发生故障时，可用左泵组供油使右机工作，此时Q1应关闭，Q2和Q3打开，或在Q1打开，Q2和Q3关闭时，左泵组供油使左机工作。此时左右两个锚机分别工作，如果需要左右锚机同时工作，需要将三个高压球阀全部打开，但锚机的速度和负载将会降低;同理当左泵组发生故障时，可用右泵组供油使左机工作，此时，Q2应关闭，Q1和Q3应打开，或在Q2打开，Q1和Q3关闭时，右泵组供油使右机工作。

2.2 辅泵供油液压系统——恒张力液压系统设计

如图4所示，在图2主泵供油的基础上，增加一组控制系统 (右侧所示)，与主泵并联供油。但主泵和辅助泵不同时工作，通常把正常系缆时的供油称为主泵供油，而把自动张紧时的供油称为辅泵供油。主泵控制锚缆机旋转，实现起锚系缆，而辅泵实现自动张紧，控制缆绳张力在一定范围内，从而保持缆绳张力的恒定。

图4 单侧恒张力液压系统控制图

在辅泵工作状态，使用1个柱塞泵供油，2个溢流阀控制液压油流向，通过1个补油回路保证马达反转速度不能太高，其执行元件 (马达)与主泵回路的执行元件共用同一个马达。

2.3 液压控制系统设计

根据以上分析，组合锚缆级液压控制系统如图5所示。

如图5所示，动力元件由4个主泵 (两两并联后分别控制左右两侧锚绞机的主泵供油)和1个辅泵(左右两侧锚绞机的辅泵供油)等组成;执行元件主要是左右2个马达;控制回路主要由4个部分组成，即左右主泵供油控制油路和左右辅泵控制油路;其他元件主要有油箱、过滤器、温度计等。

左右主泵回路、辅泵回路对称布置，分别操纵液压马达的转动，通过手动换向阀来切换主泵供油和辅泵供油两种状态。

3 液压系统工作过程

3.1 手动收缆工况

手动收缆的工作原理如图5所示。

正转收缆:手动换向阀24工作在左侧，辅泵17停止运转，阀12工作在右位，主泵排出的油液带动马达正向转动收缆，直到缆绳张力相对应的油压达到溢流阀调定压力15 MPa时，开启溢油，进入停止状况。

进油:主泵5→直通单向阀9→手动比例复合阀12的右位→单向顺序阀→液压马达的进油口

回油:液压马达的回油口→手动比例复合阀12的右位→冷却器2→过滤器1→油箱

收缆的工作速度决定于缆索张力即工作油压。张力越大，油压越高，使变量油泵的排量越小，液压马达转速就越低，直至停转，以防止收缆时张力过大。

图5 液压系统控制图

3.2 停止工况

手动换向阀24工作在左侧，辅泵17停转，阀12工作在中位。利用该阀的H型中位机能，使各个油口全部连通，液压缸浮动，液压泵卸荷。

泵出口→阀12中位→冷却器→过滤器→油箱

3.3 手动反转放缆

手动换向阀24工作在左侧，辅泵17停止运转，阀12工作在左位。

进油:主泵→阀12的左位→马达正转时的回油口

回油:马达正转时的进油→单向顺序阀→阀12的左位→冷却器→过滤器→油箱

3.4 自动调节张力工况 (恒张力状态)

手动换向阀24工作在右位，此时主泵不工作，辅泵工作。

若缆绳松弛 (低于额定张力75 kN)，则辅泵17油压较低，溢流阀22关闭，液压油经24A口供入液压马达，马达回油经手动换向阀24的右位B口、溢流阀23和冷却器2、滤油器1回入油箱，此时马达正转收缆。溢流阀23控制马达回油为1.5 MPa。

进油:辅泵→单向阀20→节流阀21→阀24的右位→液压马达

回油:液压马达→阀24右位→阀23→冷却器2→过滤器1→油箱

随着缆绳收紧，张力增大，工作油压升高，收缆速度因系统内漏泄量增大而略有降低。当缆绳达到额定张力75 kN时 (工作压力达到溢流阀22的调定压力11 MPa)，辅泵排油全部经阀22、阀23、冷却器2，溢回油箱，马达停转，缆绳速度为零。

张力在75～80 kN之间，缆绳不动，工作油压不变;

辅泵→阀22→阀23→冷却器→油箱

若缆绳张力超过80 kN(额定张力和传动机构的摩擦力之和)，则马达反转，放出缆绳。马达排油从阀24的A口流回，与辅泵排油一起从阀22溢回油箱;若缆绳张力进一步增大，则工作油压进一步升高，溢流阀溢流量增大，松缆速度加快。同时，阀24部分溢油经B口由马达吸回 (补油)，其余油液由阀23控制流回油箱，可保证马达不至吸压过低。

4 液压锚绞机性能曲线分析

如图6所示，随着缆绳收紧，张力增大，工作油压p升高，收揽速度v因系统内泄漏量增大而略有降低。当工作压力接近溢流阀22的调定压力pn(11 MPa)时，阀22开启，收揽速度迅速降低。当油压达溢流阀22的调定压力pn时，缆绳达到额定张力75 kN(相当于A点)，辅泵排油全部经阀22、阀23、冷却器2溢回油箱，马达停转，缆绳速度为零。

当缆绳张力增高至80 kN(相当于B点)时，达到缆绳达到额定张力75 kN和传动机构摩擦力之和，张力在75～80 kN之间时，缆绳止住不动，工作油压不变。若缆绳张力超过80 kN，则马达反转松出缆绳，马达排油从阀24的A口流回，与辅泵排油一起从溢流阀22溢回油箱。这时若缆绳张力进一步增大，则工作油压进一步提高，溢流阀开度和溢流量加大，松缆松出速度加快。同时，阀22部分溢油经阀24的B口油马达吸回，其余溢油由背压阀23控制流回油箱，可保证马达不致吸压过低。

自动绞缆时缆线最大张力80 kN不应超过缆线强度的允许值，而张力75 kN应满足系缆作业的需要。调低或调高溢流阀22的调定压力，则缆绳张力Fa和Fb相应减小或加大，性能曲线随点A、B一起向左或向右平移。

图6 液压锚绞机性能曲线

5 结束语

(1)采用手动收放缆和自动控制收放缆两种工况，是各自独立的，不会相互影响。

(2)两台电机泵组可以互为备用，当一侧主泵出现故障时，能利用高压球阀Q1、Q2、Q3的开关，保证两侧系统正常工作。

(3)设计恒张力自动控制装置系统，确保缆绳张力控制在75～80 kN之间。

(4)自动控制装置系统设计有恒压补油和超压泄油装置，起恒张力控制作用，最大收放缆张力可以由溢流阀调定。

(5)采用了柱塞泵、节流阀、背压阀容积式节流调速回路。用变量泵供油可使空载时获得快速，效率高，功率利用合理。正转时，负载增加，泵的流量会自动减小，且无溢流损失;用节流阀可以对速度实现控制;回油路上串联了调定压力为1.5 MPa的顺序阀，可起到背压作用。

(6)调压回路中，系统的最高压力由并联在马达的溢流阀调定，防止系统过载。

(7)在平衡回路中，采用单向顺序阀作平衡阀，防止在放缆时，因转速过快而脱缆，且工作稳定、可靠。

(8)整个系统的换向阀采用闭式回路、手动换向，运行可靠。

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