岸边集装箱起重机小车钢丝绳张紧液压系统改造分析

郑俊宏

摘 要：针对钢丝绳张紧液压系统频繁故障，严重影响生产作业问题，经深入分析，通过加装蓄能器等相关控制元件方式，对现有液压控制系统进行软硬件改造。实践表明，该改造方案可以有效降低液压环境温度，减缓密封件硬化、破损，进而提升钢丝绳张紧液压系统整体稳定性。

关键词：钢丝绳张紧液压系统;控制系统;蓄能器

中图分类号：U653.921 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）31-0034-03

Analysis on the Transformation of the Hydraulic System of the Steel

wire Rope Tensioning of the Trolley of the Quayside Container Crane

ZHENG Junhong

（Xiamen Hairun Container Terminal Co.， Ltd.， Xiamen Fujian 361000）

Abstract： In the view of the frequent faults of the steel wire rope tensioning hydraulic system， which seriously affect the production operation， and through in-depth analysis， the software and hardware of the existing hydraulic control system are reformed by adding the accumulator and other relevant control elements. The practice shows that the retrofit can effectively reduce the hydraulic ambient temperature， slow down the hardening and damage of seals， and then improve the overall stability of steel wire rope tensioning hydraulic system.

Keywords： steel wire rope tensioning hydraulic system;control system;accumulator

我国的岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）是发展速度最快、技术水平最高及出口最多的港机产品。国产品牌起重机已遍布全球105个国家和地区，市场占有率超70%[1]。现代化集装箱运输船舶不断升级，继3E级集装箱船舶后，超20万吨级集装箱船舶又陆续下水开航，船舶型宽已达61.5 m，对应的岸桥小车牵引钢丝绳长度也跟随着岸桥作业前伸臂的加长而延伸，不可避免地产生小车牵引钢丝绳的悬垂、跳动和钩挂，进而影响钢丝绳的使用寿命，也对其他周边设备、人员造成潜在的危险。岸桥钢丝绳张紧装置设计的初始目的是有效控制小车牵引钢丝绳的悬垂度和纵向跳动。液压传动具有传动平稳、调速方便、体积小和易于自动化等优点。稳定的液压系统广泛应用在包括钢丝绳张紧装置在内的众多岸桥传动机构上。

1 张紧液压系统改造前存在的问题

随着近几年国家经济的发展，进出口贸易日益繁荣，集装箱业务与日俱增。厦门海润集装箱码头有限公司服役多年的岸桥设备出现了不同程度的老旧损耗现象。11#岸桥曾在一个月内多次出现小车牵引钢丝绳过松悬垂、张紧装置碰感应限位及张紧液压系统压力过高等故障。这一系列重复性故障对码头现场作业生产造成了不利影响，不仅给客户（船公司）造成经济影响，而且严重延误船期，间接使公司信誉受损;设备安全和作业安全都受到影响，因为小车牵引钢丝绳过松容易引起小车前后窜动、钢丝绳四周干涉及牵引钢丝绳脱槽（滑轮槽）等情况，继而对钢丝绳本身以及周边设备造成损害，甚至有高空坠物风险。因此，必须深究重复故障背后的原因，并通过技术调整或改造等方式从根本上解决该类故障，以保障设备的稳定运行。

2 问题分析和解决思路

厦门海润集装箱码头有限公司技术人员逐步排查并深入分析故障发生的环境情况以及当时所处工况，最终发现真正的故障源是控制小车牵引钢丝绳张紧的液压张紧机构。在该机构液压系统中，由于液压油油箱设计容量较小且未设置储能装置，外加油泵启停控制不匹配，致使液压系统整体工作环境温度长期过高，液压油老化变质，相关的液压密封部件在高温环境下硬化并破损，继而堵塞了控制压力的溢流阀，引发液压系统高压感应限位动作，报出显性的外围机械设备故障。虽然小车牵引钢丝绳液压张紧机构对整个岸桥来说只是辅助机械设备，但是一旦出现故障，小车牵引钢丝绳不能精准提供足够的张紧力，作业机械设备势必要停机整修[2]。在清洗相关液压元件、更换密封部件并更换清洁优质液压油后，故障未再出现。

经复盘分析，上述处理方案治标不治本，倘若不解决小车牵引钢丝绳张紧机构液压系统运行温度过高这一根本问题，类似的故障会再度出现。通过统计梳理，发现其他台次岸桥也存在类似故障隐患。在分析小车牵引钢丝绳张紧装置液压系统运行温度过高故障时，遇到一些干扰因素。故障发生时正值8月，码头工作现场温度最高可达40 ℃，液压系统工作环境温度偏高，常年工作的液压元件在该特定工况下容易崩坏罢工。但研究发现，小车牵引钢丝绳张紧机构液压系统运行温度的升高不可能由外部环境温度积聚引起，可通过查看技术图纸发现其自身原因。在该台次的小车牵引钢丝绳张紧机构液压系统中，为保持系统油压，定量泵长期处于工作状态，压力调节完全依靠物理溢流阀，而来自定量泵的长期供给压力绝大部分依靠溢流阀释放。在溢流阀释放多余液压油的过程中，大量热能积蓄于油箱，加上油箱周边自然环境散热不足，最终热平衡被打破，张紧機构液压系统整体温度攀升，而持续的高温环境加速了液压元器件和密封件的老化。

经技术人员讨论分析，总结出3种技术方案解决此问题：方案1，将系统动力源定量泵更换为变量泵进行油压输入;方案2，扩大油箱容积或加装散热风扇等冷却装置;方案3，给系统加装液压储能装置和相关控制元件，依据小车牵引钢丝绳张紧系统油压变化控制油泵启动、停止，使小车牵引钢丝绳张紧力保持在设计张紧力范围内。

方案1可以从根本上解决系统压力问题，但变量泵存在流量脉动严重、系统压力不平稳、泵寿命短和噪声大等问题，长期使用时在平稳性和经济性方面不是最优选择。方案2需要对系统整体结构进行改造，工程量大，短时间内难以完成，且难以把控控温效果。相比前两个方案，方案3加装储能设备等改造方便、资金投入少，同时可以节约不必要的电能消耗，经济性良好，是此类问题的最优解。

蓄能器作为液压系统的重要辅件之一，在保证整体稳定性和系统日常运行状态、延长机构使用寿命、改善整体动态品质和降噪等方面具有重要作用[3]。蓄能器类型众多，功用复杂，但都具有基本的储能和保压作用。当液压系统中的油体低速运动时，载荷需要的流量若小于液压泵的流量，则液压泵多余的流量便能储入蓄能器;反之，当载荷要求流量大于液压泵的流量时，油体便能从蓄能器释放出来，用来补充液压泵流量的不足。当系统停机但仍需维持在一定压力时，可以停止液压泵而用蓄能器来补偿系统的泄漏，以保持系统的压力。可见，蓄能器以压力油的方式随机自动储存剩余能量，在高效液压系统中得到了广泛应用[4]。若能对原设备小车钢丝绳张紧机构液压系统进行技术改造，在原有液压系统基础上新设置蓄能器及配套液压元件，能有效降低油泵启停工作频率，液压油便有充足的冷却时间，即可大大改善原有液压系统运行高温情况，从根本上解决液压系统环境温度过高的问题。

3 液压系统改造优化

经过一系列普查和针对性研究后，技术人员聚焦于两种机型共4台岸桥的小车牵引钢丝绳张紧机构液压系统的软硬件技术改造。图1是改造后的液压原理图，在原有液压系统基础上增加了蓄能器及相应的液压元件，且在GE90-30电控系统中也做了相应的调整优化。最终实现小车牵引钢丝绳张紧机构液压系统的油泵电机在液压系统压力低于低压压力设定值时启动运行，当液压系统压力达到高压压力设定值时停止运行，其间通过蓄能器进行液压系统保压。

三相异步电动机M带动油泵经单向阀通过两位四通控制电磁阀给小车钢丝绳张紧油缸供应液压油，从而达到预设张紧力。当两位四通控制电磁阀前压力继电器高压10 MPa动作时，PLC控制程序让三相异步电动机M停止运行;当两位四通控制电磁阀前压力继电器低压8 MPa动作时，PLC控制程序让三相异步电动机M启动，带动油泵运行给小车牵引钢丝绳张紧油缸供油。两位四通控制电磁阀后端压力继电器作为油缸系统压力过高时的高压保护，这里不做详细描述。

岸桥作业是个动态过程。小车作业过程中，不同作业工况会引起小车牵引钢丝绳张紧油缸内油压变化：①小车起步加速过程中，吊装集装箱惯性引起张紧油缸内油压变化;②小车运行过程中，吊物摆动引起张紧油缸内油压变化;③小车减速过程中，惯性引起张紧油缸内油压变化等。受吊具吊箱摆动影响，小车牵引钢丝绳张紧油缸的压力不断变化。两位四通控制电磁阀后端与张紧油缸间接有单向阀，能够使张紧油缸因钢丝绳受力引起的压力变大时液压油不会返回液压系统主回路。正常运行情况下，小车牵引钢丝绳张紧油缸内油压变化在旁路式先导溢流阀压力设定范围内，只有偶尔出现异常情况时小车牵引钢丝绳张紧油缸受到过大的外力。油缸内部压力超过旁路式先导溢流阀的设定压力时，旁路式先导溢流阀动作并把液压油压力限定在设定范围内。当小车牵引钢丝绳所受外力消失时，张紧油缸压力变小，系统内液压油通过两位四通控制电磁阀经单向阀进入油缸补充液压油，这是一个不断反复的过程。对小车钢丝绳张紧机構液压系统进行技术改造，加装如图2所示的蓄能器后，蓄能器的蓄能和保压作用能补偿整个液压系统的液压油泄漏，从而保持住系统压力，使得油泵启停工作频率明显降低，有充足的时间冷却油温，从而改善液压油高温状况。

4 系统改造效果

改造后的岸桥小车钢丝绳张紧机构液压系统及配套电控系统在之后数月的试运行和常规运行中未出现故障，运行良好，达到了改造目的。液压系统油泵电机总运行时间大幅缩短，相对岸桥运行时间可以忽略不计，节约了原电机全程运行的能源消耗[5]。从统计处获悉，这项小投入的技术改造截至目前仅用电一项，已为公司节约20万余元。此外，经维保观察，相关液压元件的使用情况良好，后续并未出现因高压高温受损的情况，且液压油无须长期工作，油质较好，可以长时间使用。可见，该项技改在经济效益、社会效益上都获得了良好效果。

5 结语

本文重点对岸边集装箱起重机（岸桥）在使用过程中小车钢丝绳张紧机构液压系统存在的高温高压等重复故障进行分析，研讨改造方案，通过在液压系统中增设蓄能器和相应液压元件，并辅以软件系统来保障张紧机构液压系统压力平稳，解决由于油泵电机持续工作导致液压系统环境高温高压的根本问题，从而保障岸桥设备稳定运行，服务生产。由于我国海岸线长，港口码头众多，各港口起步发展时间有早有晚，使得配备的各品牌各批次的岸桥设备新旧参差不一，其各自的机构液压系统运作方式也不尽相同，部分设备存在类似的问题。探讨此问题有助于各码头技术维保人员深度挖掘和分析设备液压系统，为在役的各类型设备的维保和改造提供参考。

参考文献：

[1]郑见粹.我国港口机械的技术进步与发展展望[J].港口装卸，1999（6）：9-12.

[2]武桐.港口机械及液压设备使用保养[J].科技资讯，2012（12）：89.

[3]孔祥东，权凌霄.蓄能器的研究历史、现状和展望[J].机床与液压，2004（40）：4-6.

[4]邱开元.蓄能器在液压系统中的节能作用[J].现代节能，1994（2）：21-24.

[5]宋提俊.浅谈港口机械设备维修与管理[J].中国设备工程，2021（2）：56-58.