回转臂架式装船机俯仰油缸更换工艺

李振朋，赵华建，张玉光，张文鑫，张泗森

（国投曹妃甸港口有限公司，河北唐山 063210）

1 项目背景

某港续建工程配置的装船机在2012年投入使用，设计额定能力为6500 t/h，瞬时最大能力为7250 t/h。SL8装船机是一台回转臂架装船机，其臂架的俯仰动作由2根大型液压缸驱动。SL8是使用频率最高的装船机，其作业量占到续建工程装船量的40%以上。在设备专项检查过程中，发现其中1根俯仰油缸有泄漏油情况，且通过详细多次的测压和观察，确定液压缸内部有泄压的情况，臂架伸到前端时有缓慢下沉情况，在作业过程中存在撞击船舶的巨大风险，急需更换。

2 原因分析

在深入分析臂架俯仰机构的原理后发现，如果俯仰液压系统有泄漏情况，那么油缸就无法使臂架保持在固定的俯仰位置[1]。详细检查装船机俯仰液压系统的外接管路和各阀块均无泄漏，因此判断系统内泄是导致臂架下沉的主要原因。

为了确定是管路上的液压锁内泄还是油缸内泄，使用压力表进行测量。将2个压力表接在油缸测压点6H（无杆腔）和6I（有杆腔）上，在液压锁之前（图1）。让臂架做俯仰动作，下俯过程中测得6H点压强为7 MPa，6I点压强为15 MPa；下俯停止后，立即将截止阀53A关死（以便单独检测油缸A），6I点压强从15 MPa以较慢的速度（1 MPa/min）下降到9 MPa并保持稳定，6H点压强由7 MPa上涨到9 MPa并保持稳定，所以判断是油缸A内泄。

图1 俯仰液压系统油缸部分工作原理

为确定是1根油缸还是2根油缸内泄，需要继续按上述方式检测，判断油缸B无内泄。由于两油缸的无杆腔由1个油管连接，单根油缸内泄后，另1根油缸也起不到支撑臂架的作用，所以臂架会下沉。

3 油缸更换工艺方案的安全性验证

找出了臂架下沉的原因和内泄的油缸，为彻底解决问题，需要更换内泄的油缸。俯仰油缸最短长度超过9.5 m，重量约13 t，安装在装船机的顶部位置，距地面约为45 m左右，施工空间狭窄，更换难度和风险都很大；且臂架尾部配重较大，担心贸然拆下油缸后，会影响整机钢结构稳定性。

联系装船机主机厂，更换油缸要40万左右的方案费和维修费，且吊车设备需要港方提供，更换1根油缸的费用会达到60万左右。联系外部专业维修队伍，但没人敢于接受，因为这种安装在高空的大型油缸更换在国内同类港口中尚属首次，没有成熟的维修经验可以借鉴参考。

为了保障设备安全和生产的顺利开展，制定出符合现场实际的更换工艺方案，并且安全顺利地将损坏的油缸换下。通过查阅厂家提供的液压系统说明书和相应的竣工图纸，发现装船机臂架设计有单缸俯仰模式，因此可以确定拆除一根油缸不会对整机的稳定性和安全性造成影响，结合竣工图纸中的维修拉杆设计，可以定性地确认装船机在臂架缩到后极限时尾部配重质量大，臂架整体有上升的趋势。

为了确保在拆除1根油缸后维修拉杆能提供有效保护，进行计算。根据现场实测油缸压强，在臂架缩到后限位时做臂架俯仰动作，臂架俯仰向下时测得油缸有杆腔压力19 MPa，无杆腔压力9 MPa，停止后压力分别为15 MPa和7 MPa，有杆腔面积为786 cm2，无杆腔面积为1590 cm2。

根据压力计算公式F=PS可以得到油缸对外界提供的力的公式为：F油缸=2（F无杆-F有杆）；其中F无杆=P无杆S无杆，F有杆=P有杆S有杆。当F油缸为正值时，油缸对摆动架（即臂架配重）提供推力，支撑配重；当F油缸为负值时，油缸对摆动架提供拉力，拉住配重，防止配重下落、臂架上升。

将测得的油缸压力数值和油缸面积带入上述公式，计算得出F油缸=-125 kN（动作时）、F油缸=-132 kN（停止时）。计算数据与定性分析一致，说明在臂架归零状态时，尾部配重比臂架重。

为确保安全，选取数值大的进行安全性验证。按照安装图纸中维修拉杆与俯仰油缸的尺寸图可以查阅到：维修拉杆对配重的力臂是油缸对配重力臂的1.875倍。油缸对配重的拉力为132 kN，可以推导出当俯仰油缸拆除后，修拉杆所受到的拉力为70.4 kN，分到每根拉杆上的拉力为35.2 kN。

分析维修拉杆的设计形式和连接方式，找出了维修拉杆的薄弱点，分别为拉杆耳板和拉杆销轴：拉杆耳板受到拉力而断裂，销轴受到剪切力而剪断。图纸上面没有标注耳板的尺寸，现场实测其厚度为10 mm，最窄处为200 mm，单个耳板截面积为2000 mm2，总截面积为4000 mm2；销轴直径D=88 mm，截面积为6079 mm2。根据应力计算公式P=F/S可以计算出：拉应力P拉=8.8 MPa，剪应力P剪=5.79 MPa。

维修拉杆和销轴的材料为SS400，对应国标Q235钢材,查阅其屈服强度不低于235 MPa，剪切许用应力为0.6～0.8倍屈服强度，取最小值为141 MPa，均远大于上述计算出的数值，证明维修拉杆的安全性足够。

4 油缸更换工艺方案的制定

通过验算和图纸资料确定了维修的安全性，参考已有的取料机俯仰油缸更换方案制定出如下的工艺方案，并邀请公司内部专家和外部专家进行了详细的论证。

（1）将维修拉杆松下后调整臂架俯仰角度将拉杆与底座连接好，两侧拉杆均连接好后，升臂架至拉杆平直且不受力的状态，利用维修拉杆为臂架提供额外保护，提高维修过程的安全系数。

（2）关闭油缸B的上下截至阀43D和44D，关闭油缸B与油缸A无杆腔联通的截止阀53B，确保油缸B独立起到支撑臂架和配重的作用。

（3）如图2所示，将油缸A阀块上的截止阀47A、49A打开，使得上下腔互相联通并接通油箱，使油缸中的压力油回归油箱，使得油缸A对上下铰点的作用力为零，即确保安全又有利于铰点轴的拆卸。

图2 油缸阀块上截止阀位置

（4）为更换油缸安装适合的维修平台，拆卸内泄油缸后安装新油缸，将油缸无杆腔端销轴装入底座，接好之前拆除的管路和限位开关，就地操作油缸做伸缩动作，为新油缸冲油排气，然后用手动泵调整有杆腔端位置，以便顺利安装完油缸。

（5）新油缸安装完成后，解开维修拉杆，打开关闭的截止阀43D、44D和53A，关闭截止阀47A、49A后，让装船机臂架在正常范围内做俯仰动作，彻底排净油液中的空气。检查油箱油位，及时进行补充，全面检测液压系统参数，如油缸压力、泵的排量、泵的声响和振动等，确保一切正常。

5 现场施工

油缸更换工艺方案已制定，前期计算、实验等准备工作已完成，与生产业务部沟通协调SL8停机时间事项也有了答复，停机日期确定，工期预计8 d。装船机俯仰油缸更换步骤如下：

（1）将大机停到最东侧210泊位位置，并将大臂放平，连接维修拉杆并安装油缸的维修平台和防护栏。

（2）关闭完好油缸B上相应的截止阀、打开待换油缸A上的截止阀后，将油缸A的上铰点销轴拆出、使缸杆缩到底部，用300 t吊车和10 t手拉葫芦等将油缸吊装住，开始拆卸下端铰点销轴。

（3）油缸下销轴拆出后，拆除手拉葫芦等辅助工具，并清理吊装区域的人员及杂物，将油缸从钢结构缝隙中吊出，妥善放置在地面上，并将新油缸吊入原位。

（4）重新挂装手拉葫芦，将油缸下铰点调整到底座支架处，安装好下销轴，然后松开吊车吊钩，靠手拉葫芦调整角度同时启动液压泵，使油缸上铰点进入到上底座处，停止液压泵，靠手动泵微调，将上销轴安装好。

（5）新油缸安装好后，将维修平台拆除并解开维修拉杆，联系人员收拾好维修工具并撤到安全区域后，联系装船机在作业角度时做臂架俯仰动作，彻底排净油液中的空气，同时补充了两桶液压油，防止缺油。

为保证本次俯仰油缸更换工作安全有序进行，公司领导多次到场检查指导工作，部门负责人全程跟进，多名技术员和安全人员在现场盯控安全、技术细节，根据现场情况灵活调整维修工序，确保油缸更换工作安全高效。俯仰油缸更换的工艺方案科学合理，部门高度重视，维修队伍安全施工，顺利将新油缸安装到位并调试完毕，在预定的时间内顺利完成了维修工作。

6 结语

此次装船机俯仰油缸的更换工作使用了300 t吊车吊装油缸，吊装高度在60 m以上，难度和风险极大，是国内首次在高空更换这种大型油缸，增强了公司的维修技术能力，为公司积累了相应的技术底蕴，也为同类型港口提供了成熟的技术经验。