滚装船跳板控制液压泵站的设计

徐小艳

（希卓斯贝克玛液压系统（上海）有限公司，上海201306）

滚装船码头的装卸作业，是由滚装船自带的跳板搭接于码头面，实现旅客或车辆滚上或滚下作业，其具有方便快捷、能实现水陆联运、装卸效率高等优点[1]，跳板是滚装船实现其功能的重要装置。本文采用液压驱动来实现跳板的开启和关闭，与机械或电动装置相比较：液压驱动具有无级调速，调速范围大；同等体积和质量的装置，液压装置产生的效率高；液压驱动的装置，运行平稳、可靠，组成结构简单。滚装船采用液压跳板，既能容易实现频繁的开启和关闭，又对电站的影响小。液压跳板控制精度高，惯性小；重量和体积小，线速度和转速小，但是输出力矩大。

本文设计了一套用于滚装船跳板控制的液压泵站。该泵站的主要功能就是控制滚装船跳板的开启和关闭，顺利完成码头装载和卸货作业。

图1 滚装船跳板控制液压泵站原理图

1 液压泵站的设计要求及工作原理

在恶劣的海洋环境下，风浪会使船体作升沉和波浪起伏运动，此时滚装船跳板的起吊钢丝绳，除具有合适的起吊速度外，还应具有恒张力，从而让起吊钢丝绳始终处于紧绷状况。不会由于负载突然变大，钢丝绳过紧而断裂，负载突然变小，钢丝绳过松使跳板剧烈晃动。

1.1 液压泵站的设计要求

通过对滚装船跳板工作过程及工况的分析，对滚装船跳板控制液压泵站提出如下设计要求：

1.1.1 能满足滚装船跳板开启和闭合的工作要求，最小化负载的尖峰压力，使液压跳板运行平稳。

1.1.2 应设有油液冷却系统，保证系统长时间工作，温度不超过所要求的范围。

1.1.3 需要为整个跳板控制液压系统提供一个系统回油模块。

1.1.4 液压冲击和能量损失小，体积小。

1.1.5 整个液压泵站要求使用、维修方便，小型化、集成化和轻型化[2]。

1.2 工作原理

根据跳板控制液压泵站设计要求分析，拟定跳板控制液压泵站原理图如1 图所示，该滚装船跳板控制液压泵站包括跳板控制泵站动力模块、循环冷却模块和系统回油过滤模块。

为了满足滚装船跳板泵站工作的要求，采用带压力切断的变量柱塞泵，实现恒张力控制。

压力切断控制，是对系统压力限制的控制方式。压力切断控制可以根据执行机构的调速要求按所需供油，避免了滚装船跳板泵站工作时溢流产生的能量损失，同时对系统起到过载保护作用，使跳板泵站既能满足工作需求，又能避免跳板绳缆因为过载而断裂。

为了在生产过程中方便控制压力，改善操作人员工作环境。跳板控制泵站动力模块除采用压力切断控制外，还实行了远程控制。把变量柱塞泵的远程控制口与一个远程控制块相接，远程控制块由溢流阀与二位二通电磁换向阀组成，溢流阀的先导口与二位二通电磁换向阀入口相通，实现其远程控制。这样操作人员的控制位置与泵的位置相对分开较远，便于操作。

当控制滚装船跳板的钢丝绳受到的力达到变量柱塞泵的切断压力值时，变量柱塞泵的排量调节机构减小排量，将系统的压力限制在切断压力值以下，从而使控制跳板的钢丝绳受到恒张力，一直处于绷紧状态。

恒张力控制方式极大的减小了控制滚装船跳板工作时钢丝绳的张力频率和峰值，并有效地提高了滚装船跳板工作时的平稳性。

循环冷却模块压力低，采用齿轮泵作为动力元件。齿轮泵作为动力元件，结构简单、工艺性好、成本较低；与同样流量的其他泵类相比，结构紧凑、体积小、自吸性能好；油污中污物对其工作影响不严重，不易咬死，且系统造价低、易维护。液压油由齿轮泵吸取，经过冷却器、过滤器，过滤器过滤后回到油箱。

系统回油过滤模块，是循环冷却模块回油和跳板控制系统回油一起经过回油过滤器，进行回油过滤，滤除液压系统中元件磨损产生的金属颗粒以及密封件的橡胶杂质等污染物，使流回油箱的油保持清洁。

2 主要元件的选择

液压泵站主要参数有两个：压力和流量。可以根据这两个主要参数计算和选择液压元件的型号和规格。

该跳板控制泵站动力模块的最大工作压力是25Mpa, 最大流量78L/min。考虑到工作时系统中存在一定的管路压力损失，该液压泵站与跳板距离较远，所以压力损失取为1.5Mpa，压力系数取为1.1，计算出泵的额定压力为29.15Mpa。考虑系统的泄漏，取液压泵的最大流量为1.06x78L/min=82.68L/min。根据这两个参数和前面的分析，选择带压力切断的变量柱塞泵K3VL80，额定压力32MPa，额定流量116L/min（由于船级社特殊要求，因而泵的排量选得比较大），转速1450rpm。

同理，可进行冷却泵的计算和选型。冷却泵选用齿轮泵GR40 SMT16B 100L，额定压力1MPa，额定流量138.4L/min，转速3460rpm。

与液压泵匹配的电动机、联轴器、控制阀、过滤器等元件，可以通过计算并查阅相应的标准资料进行选择，这里就不作详细叙述了。

另一个比较重要的元件，就是冷却器。

该泵站要求当温度超过42°时，需要对液压油进行冷却。常用的冷却器有水冷式冷却器和风冷式冷却器，水冷式冷却器利用冷却水的流动带走热量，实现散热，因此现场要有一定的水源。当冷却水温度一定时，水冷式冷却器的冷却能力也是固定的，因此水冷式冷却器的工作状况不受环境温度影响。与风冷式冷却器相比，在相同冷却能力的情况下，水冷式冷却器体积更小。

根据上面的分析，且该泵站用于船舶上，用海水进行冷却，非常方便，故该泵站选用水冷式冷却器。以液压系统单位时间的发热量为参数，对应冷却器的冷却能力进行选型，则选冷却器的型号为EKM-724-O-CN-UH，冷却能力为31.7KW/h。

3 液压泵站的结构设计

该滚装船跳板控制的液压泵站的结构设计包括液压泵组装置、液压控制回路、液压油箱和液压泵站的布局四个方面的内容。液压泵组装置包括液压泵、电机、钟形罩及联轴器等，液压泵和电机通过钟形罩和联轴器连接在一起，按照一定的顺序组装即可，比较简单。这里重点介绍其它三部分内容。

3.1 液压控制回路- 液压集成阀块

液压控制回路采用液压集成阀块型式连接。

该液压泵站的液压控制元件均采用螺纹插装阀。为了简化布局，将液压控制回路设计成液压集成阀块，将液压阀集中安装在专用的阀块上，不仅利于集中管理，而且还可以减少元件间的连接管路，提高液压泵站的可靠性。当液压泵站改变工况需要增减元件时，组装迅速方便。液压元件之间没有管道连接，消除了因油管、管接头磨损或是连接不当等引起的泄漏、振动和噪声。整个泵站配置灵活、外观整齐，标准化、通用化和集成化程度较高。

该液压泵站将如下图2-4 三部分设计为液压集成阀块，高压控制块，远程控制块，回油过滤集成阀块。

图2 高压控制块

图3 远程控制块

图4 回油过滤集成阀块

3.2 液压油箱

油箱最主要的作用是储存油液，此外还起着散热、分离油液中的气泡、沉淀杂质等作用[3]。油箱的容积设计和计算原则是要能够满足液压泵站的流量需求。该液压泵站为开式泵，开式泵需要的油箱容积通常按照所有开式液压泵从油箱中吸取的最大理论流量计算，按经验公式确定此部分油箱容量。

开式泵需要的油箱容量经验公式为：

式（1）中，q 为液压泵站中所有开式液压泵1 分钟内最大排量的总和，a 为经验系数，见表1[3]。

表1 经验系数a 的推荐值

此处，经验系数a 取5。泵站中所有开式泵需要的油箱容积为78x3x5=1170L。该滚装船跳板控制的液压泵站油箱容积取为1200L。

油箱采用焊接结构，顶板上设有空气滤清器，液位液温计，回油过滤器集成阀块，侧壁安装冷却器、远程控制块，温度计，箱底有两条凹槽，设置放油装置。

3.3 液压泵站的布局

该泵站共有4 组泵组，3 组控制跳板的带压力切断变量柱塞泵组，1 组循环冷却泵组。泵组数量较多，为使结构紧凑，采用上置式泵站与下置式泵站相结合的布局，将1 组冷却泵组放在油箱上面，3 组控制跳板的带压力切断变量柱塞泵组放置在油箱下面。如下图5。

图5 液压泵站的布局

4 液压泵的测试

4.1 液压泵站的耐压测试

液压泵站在组装完成，进行冲洗后，需进行耐压测试。测试压力一般应符合：小于16Mpa 时，1.5 倍的工作压力；16～31.5Mpa 时，1.25 倍的工作压力；大于31.5Mpa 时，1.15 倍工作压力。该泵站工作压力为25Mpa，25X1.15=28.75Mpa，选取29Mpa 作为测试压力。

测试时，将溢流阀调压弹簧调至最松状态，逐级增加压力，每增加一级压力，稳定压力2-3min。当压力增加到测试压力后，保持压力10min。然后将压力降低到工作压力，对泵站进行检查。结果显示，泵站上的所有焊缝、接合面和密封处没有漏油，管道没有发生永久变形，系统没有异响。

4.2 液压泵站的功能测试

接通电源，开启主泵带压力切断的变量柱塞泵，空运转10min，记录此时的压力和流量。

然后逐渐增加压力，直至压力达到系统要求的工作压力值，记录此时的流量。

同理，测试冷却泵的空载压力、流量，工作压力下的流量。

测试结果表明，主泵带压力切断的变量柱塞泵及冷却泵齿轮泵的工作压力和流量满足要求，变量柱塞泵调节装置灵活、安全可靠，各结合面处无漏油，运行平稳，无异响。

设置溢流阀的压力，为安全起见，通常泵站调试结束后，将主溢流阀压力设置在26Mpa，远程控制阀设值在5Mpa。调节方法如下：先将主溢流阀及远程控制阀旋至最紧，然后逐渐旋松主溢流阀，直至压力减至26MPa；再逐渐旋松远程控制阀，直至压力降至5MPa。

5 结论

本文采用带压力切断的变量柱塞泵作为滚装船跳板控制动力元件，实现了滚装船跳板开启和关闭的恒张力控制，确保了滚装船跳板工作的稳定性。该液压泵站采用液压集成阀块设计，精简了管道、简化了结构、方便了安装。选用上置式泵站与下置式泵站相结合的布局，1 组冷却液压泵置于油箱内立式安装，使其噪声低且便于收集漏油，3 组控制跳板的压力切断变量柱塞泵组，使整个泵站结构紧凑。最后，测试验证，该泵站压力流量满足要求，泵站运行平稳。