船用吊机液压制动系统分析与优化设计

卢世忠　赖敏

【摘 要】船用吊机是海上工程船舶、石油钻采平台、浮式生产储油轮等设施的关键设备。随着我们国家海洋资源开采行业和海运行业的发展，船用吊机在恶劣海况下依然能保持良好的使用性能及安全性能，显得尤为重要。液压系统是吊机的核心部分，因而设计出可靠性强的制动系统，对保证吊装作业和生产安全有至关重要的作用。本文从某型号40T船用吊机的“滑钩”现象入手，对其刹车系统进行全面的分析及改进，从中可以深刻了解船用吊机的液压制动系统，并提出了新的方法和优化思路。

【关键词】吊机；滑钩；制动系统；优化设计

0 引言

影响液压系统稳定性的因素有很多，包括使用工况、油压、油温及液压油的清洁度等。液压系统工作时，其压力、容积损失以及机械损失等，构成液压系统主要的能量损失，这些能量损失都会转化为热能使设备和液压油温度升高。高温会严重影响整个液压系统的密封、寿命和传动效率，造成各执行元件出现动作迟缓、无力等现象，甚至产生更为严重的后果。

船用吊机的使用环境极其恶劣，空气中的湿度、盐分都高于陆地气候，对液压设备及零部件都是一种考验。当液压零部件出现故障的时候，刹车系统成了海洋吊机的最后一道保障，如何保障刹车系统的安全可靠，本文在原有的液压设计基础上，提出了新的方法和思路。

1 吊机“滑钩”故障案例

某型船用吊机，设计主钩最大工作载荷38T，副钩最大工作载荷8T，最大工作半径38m。根据现场吊机使用记录，吊机的日平均使用时间长达16小时，液压部件长时间处于高温状态。据现场反映，在吊机操作处于切换副钩及回转绞车的时刻，副钩钢丝绳绞车出现了不同程度的“滑钩”现象，即指当操作绞车停止上升行程时，刹车系统不能及时制动，绞车钢丝绳在负载作用下被拖动溜滑现象。情况严重时出现刹车失靈，导致被吊重物高空坠落。此情况属于极其严重的安全隐患，必须彻底解决和修复。

2 吊机制动系统原理分析

2.1 制动液压原理分析

液压原理如图1所示。泵送高压油从AWA1和AWB1形成回路，主油路依靠平衡阀A02调节压力平衡，驱动双侧液压马达A01进行回转运动，梭阀HSV从主油路上选择压力较高的压力油进入液控换向阀HDV接口1，驱动阀芯动作，刹车油路ABR的压力油经过液控换向阀后，打开刹车，绞车开始回转。当主油路压力卸荷，液控换向阀HDV的控制油压卸荷，活塞在弹簧的作用下恢复到初始位置，绞车被制动。

图1 绞车液压原理图

在这套绞车回转系统液压原理中，无论绞车正转或反转，平衡阀都能保持主油路的压力稳定。而刹车的压力油来自于独立的刹车油路ABR，油压稳定，任何时候都能保证给刹车提供稳定的压力油，达到顶开刹车的目的。

2.2 制动性能计算分析

图2为简易的制动结构示意图。根据相关设计规定，按液压绞车产生的最大制动力矩不小于绞车最大旋转力矩的3倍以上，及满足其他设计要求。

现已知吊机副钩的工作参数如下：

绞车额定拉力100 KN；滚筒直径680mm；摩擦半径40mm，摩擦片组数12片/侧，双侧。下面对绞车制动力矩进行校核。

图2 制动机构简易示意图

1.摩擦片压环；2.闸瓦； 3.活塞；4.弹簧组.

2.2.1 制动正压力计算

如图3所示，活塞同时受到弹簧作用力F2以及压力油产生的作用力F1，故压向制动摩擦片的正压力为N。

当改变油压P时，正压力相应变化，在P=0时，，正压力达到最大值Nmax，内外摩擦片接触并压紧；在P=Pmax时，活塞压缩弹簧组，内外摩擦片分离，正压力N=0。

内外摩擦片产生的制动力矩M1，取决于正压力N的数值。

M1=2NμRmn（1）

式中M1——制动力矩，Nm；N——盘形制动闸正压力，N

μ——内外摩擦片之间的摩擦系数，取μ=0.35

Rm——摩擦片平均摩擦半径，m；n——制动副数目

同时，制动力矩M1应满足三倍静力矩Mj的要求，所以N值可以由下式确定：

M1=2NμRmn=3Mj=3Fc■（2）

式中 D——绞车滚筒直径，m；Fc——液压绞车最大静张力差。

2.2.2 制动工作油压计算

摩擦片分离时作用在活塞上的液压力F1需要克服两部分力。

N——正压力；C——盘形制动闸运动部件阻力，取0.1N

根据压力与压强的计算关系，可以计算出液压工作压力为：

P=■×10■（3）

式中D1■——油缸直径，mm；d■■——活塞小端直径，mm

即得到工作油压P。

现场使用减压阀，将主油路16～24MPa的压力减压至4MPa，减压阀弹簧预紧1.4MPa，故而工作压力足够打开刹车油缸，释放后，弹簧预紧力也足以制动。

2.3 制动系统稳定性探讨

从图1看出液压制动系统打开刹车的油压，是由单独的制动油路ABR提供。ABR管线中的制动油压保持在5MPa左右，制动油压的泄放也是单一地依靠液控换向阀来实现。一旦液控换向阀出现密封不严、动作迟缓时，绞车内部刹车的液压缸内的压力油将无法释放，刹车无法归位，绞车无法达到被锁死的制动效果，此时绞车钢丝绳将在负载的重力作用下下坠，亦即出现吊机“滑钩”现象。这种仅仅依靠单一零部件和液压回路来进行制动的液压系统，对于吊装这种高风险的作业来说，是极大的安全隐患。

经与现场工程人员以及设备厂家对吊机的工作状况进行调查研究，在吊机工作状态下对副钩绞车的各个测压点进行测压取样，发现在副钩绞车停止运行并切换到其他绞车工作状态时，液控换向阀控制端口测压点依然有油压，表示液控换向阀的阀芯动作不灵敏，且出现密封不严的现象。液控换向阀动作不灵敏，将直接导致刹车开启油路中的高压油通过液控换向阀进入刹车液压缸，且液压缸内的泄放回路未被开启，刹车无法制动，从而导致安全事故的发生。

3 制动系统的优化设计

3.1 制动系统优化设计思路

为彻底解决该系统故障，消除设备安全隐患，采取更换新的液压零部件的措施，并重新对吊机绞车制动系统进行了优化设计。优化设计方案原理如图3所示。

图3 制动系统优化设计液压原理图

当液压马达M1两端回路建立油压后，梭阀HSV选择压力高的一侧油压，通过新增的减压阀A05，将压力稳定在4MPa，输送至液控换向阀HDV的接口1和接口3，接口1处的高压油使阀芯动作，将2和3导通，液压油得以进入刹车的液压缸，从而打开刹车，液压马达开始动作。同时，经过减压阀之后的压力油也被送到另一组液控换向阀装置，送往液压绞车的带式刹车液压缸，打开绞车的带式刹车，使得绞车得以动作。

为保证制动系统稳定可靠，新增部分液压零部件，如表1所示。

表1 液压系统新增主要部件

从此设计思路可以看出，打开制动液压缸的油压选择从自身绞车的液压马达驱动油路，只有当液压马达端口有油压建立时才能供给制动液压缸，而不再依赖独立的制动压力油路ABR持续供油。同时，摒弃了之前单一的回油设计，除了通过液控换向阀可以完成压力释放以外，新增一路回油，当液控换向阀出现卡死或反应不灵敏时，液压缸的油压可以通过新增的单向阀A04被泄放，从而达到制动的目的。

3.2 制动系统改进后的优越性

（1）直接从各自液压马达的主油路提供刹车油压，不再利用之前单独的制动液压油路，提高了液压回路的稳定性和可靠性；

（2）液压马达主油路的油压为16～24MPa，过高的油压会对液压部件的密封性和寿命产生不良影响，新增减压阀A05将油压稳定至4MPa，足够打开刹车系统，保护了液压回路，且延长了液压零部件的使用寿命；

（3）新增制动液压缸泄压回路，即使在液控换向阀出现动作不灵敏的情况下，依然可以保证刹车油路正常卸荷，从而达到制动的目的，增强了制动系统可靠性；

（4）新增带式刹车于绞车制动盘上，双重刹车系统，保障良好的制动状态。

3.3 优化设计后的实际效果

改进后的吊车液压系统经过第三方现场试重和检测，试重程序、检测标准以及最后的检测报告均得到第三方检测检验机构的认证。

通過对现场两台吊机刹车系统为期两年的使用监测，运行效果良好，再未出现吊钩“滑钩”现象，故障得以解决。

4 结论

经过改进设计后的液压系统，不再依赖唯一的液压部件和液压回路进行制动控制，即使在液控换向阀动作不灵敏的情况下，依然能保证刹车及时制动。同时，带式刹车的增设，使刹车的制动能力得到了提升。对刹车液压系统的改进，不仅提高液压部件的使用寿命和设备运行效率，还增加了设备和系统的可靠性，降低了事故发生的概率，保证生产作业的安全。

【参考文献】

[1]刘绍华，李雪萍.建筑机械液压系统故障诊断专家系统初探[J].建筑机械，1991（10）.

[2]白柳.液压与气压传动[M].机械工业出版社，2009.

[3]袁内镇.吊车作业时的集合参数[J].建筑机械化，1987（01）.

[4]袁进东.吊车制动刹车带及卷扬系统调整与检修[J].科技致富向导，2009（02）.

[5]陈璞，于观清.工程机械中液压缸故障诊断及维修方法探讨[J].科技资讯，2011（18）.

[责任编辑：刘帅]