1、装船机溜筒液压系统故障的排查与解决摘要：移动伸缩式装船机主要的执行机构是由行走机构、俯仰机构、伸缩机构、悬皮机构、尾车机构、溜筒机构等几部分组成。其中，装船机溜筒机构的液压站系统是装船机的核心部位，它的性能好坏直接影响到装船作业的质量，从而影响到整个港口的装船服务水平。神华天津煤炭码头有限责任公司两台装船机相继出现过系统压力不足的故障，此问题曾经长时间影响着现场的生产作业安全及作业效率。经过对故障的研究、分析、试验，我们最终找到问题的根源，并予以实施解决。此故障的排查、解决过程以及提出的优化建议，会对同类设备的设计、制造、运维提供一些经验教训。 关键词：装船机溜筒液压系统柱塞式变量泵 压力控制
2、管路 中图分类号： U653 文献标识码： A 1 研究对象 神华天津煤码头公司共有 3 台移动伸缩式装船机，编号分别为SL1、SL2、SL3，每台装船机的设计能力为 6000t/h。该装船机是由德国蒂森克虏伯集团公司设计制作，2006 年投入运营使用。装船机主要的执行机构是由行走机构、俯仰机构、伸缩机构、悬皮机构、尾车机构、溜筒机构等几部分组成。其中，装船机溜筒机构是各机构中最重要、最复杂的部分，它的作用是将码头皮带机转接到悬皮上的煤炭经过溜筒机构装入到指定的船舱内，同时通过溜筒机构上的抛料弯头的摆动来将煤炭抛洒到船舱的各个角落以顺利完成平舱作业。溜筒机构共有 3 个执行动作：溜筒摆动、回转
3、，抛料弯头的摆动。溜筒平台上设置了一套液压系统来实现 3 个动作的驱动。 2 存在的问题 神华天津煤码头公司 3 台装船机是由德国蒂森克虏伯集团公司设计制作，其中溜筒液压系统是由德国海德克公司设计、制造，系统正常工作压力应为 180bar，但在 2010 年年初 SL1、SL2 两台装船机相继出现了溜筒液压系统压力偏低故障。在故障期间系统压力仅为 52bar，直接导致了溜筒摆动速度缓慢，抛料弯头不能摆动，降低了生产作业效率，尤其是给结船期间的平舱作业带来了很大的障碍。 3 解决思路 图 1 装船机溜筒液压站系统 分析该液压系统原理及布置，根据排除法，按照阀体泵体管路三步走的顺序进行系统分析、排
4、查。系统原理见图 1。 (1)由于一般液压系统的故障多出现在阀体本身，所以首先从阀体故障开始分析。按照阀体出现故障的可能性分析如下： 当溜筒做摆动、抛料弯头摆动等动作时，系统压力始终是 52bar不变，这说明此液压系统压力不能正常建立起来。故首先，最有可能导致系统压力偏低的故障原因是系统的溢流阀（图中 240.5 阀）损坏。如果其损坏，则系统压力不能正常建立起来。经过对相关文献资料的查找，我们对溢流阀的故障问题有了初步的认识。溢流阀是压力控制元件。它的主要功能有两个：借助于溢去多余的油液流往油箱来维持液压系统的压力恒定，起调压作用。例如用在变量泵系统中。只在压力超过某一预调压力值时，才打开溢流
5、，使系统压力不再升高，防止系统压力超载，起安全保护作用。例如用在变量泵液压系统中。起安全阀的作用。常用的溢流阀有直动式和先导式两种，直动式用于低压，先导式用于中、高压。直动式直接利用弹簧力与进油口的液压力相平衡来进行压力控制，因而弹簧较硬，调节力矩大，不能用于中、高压。先导式溢流阀在结构上可分为两部分，下部分是主滑阀部分，上部分是先导调压部分。这种阀的特点是利用主滑阀上下两端的压力差来使主阀阀芯移动，从而进行压力控制的。采用这种结构，使用压力高，压力超调量小，在同样压力下，手柄的调节力矩下得多。当拧紧调压螺钉或手柄，从泄荷状态转为调压状态时，本应压力随之上升，但出现故障故障时，压力升得很慢，甚
6、至一点也上不去。即使上升也滞后一段较长时间。分析调压状态的情况可知，从卸压状态变为调压状态的瞬间，主阀芯紧靠阀盖，而主阀完全开启溢流。当升压调节时，主阀芯上腔压力增高，当压力上升到打开先导调压阀时，溢流阀进入调压升压状态，主阀芯与阀座（或阀体）保持一个微小开口，溢流阀主阀芯从卸荷位置下落到调压所需开度所经历的时间，即为溢流阀的回升滞后时间。此段时间长，压力上升缓慢。影响滞后时间的因素很多，主要与溢流阀本身的主阀芯行程距离和阀芯的关闭速度有关。而关闭速度又决定于主阀芯阻尼孔流过的先导流量和主阀芯直径的大小。先导流量又与阻尼孔的孔径与空孔长有关。 如果不是系统的溢流阀损坏，则按照液压系统主油路排查
7、，共有三个，溜筒摆动、溜筒回转、抛料弯头摆动回路中，各有一个三位四通换向阀（图中 390 阀、330 阀、270 阀） ，它们的中位分别为 y、o、y 型。这两种形式理论上都能够起到锁定的作用，但是如果换向阀功能损坏，也有可能导致系统泄压，故系统中的三个换向阀的损坏也可能导致系统压力偏低。按照系统主油路继续排查，同理，我们认为回转制动器及回转油路的减压阀的损坏（图中 340 阀、320 阀） ，也有可能造成系统的压力偏低。 (2)如果非阀体故障，我们就开始从泵体故障入手。 该系统的液压泵为力士乐 A10VSO18DRG/31R-PPA12N00 型柱塞式变量泵，此泵是靠系统载荷自动将泵体内斜盘
8、进行调整，从而调整泵体的输出压力和流量。泵体输出额定压力为 160bar，额定流量为 24L/min。 如果泵体内部功能损坏，也会直接导致系统压力偏低。 斜盘式轴向柱塞泵由传动轴带动缸体旋转，斜盘和配油盘是固定不动的。柱塞均布于缸体内，柱塞的头部靠机械装置或在低压油作用下紧压在斜盘上。当传动轴旋转时，柱塞一方面随缸体转动，另一方面，在缸体内作往复运动。显然，柱塞相对缸体左移时工作容腔是压油状态，油液经配油盘的吸油口吸入；柱塞相对缸体右移时工作容腔是压油状态，油液从配油盘的压油口压出。缸体每转一周，每个柱塞完成吸、压油一次。 油泵的出油量和输出压力可以通过 DF、DR 两套控制阀来调整配油盘的倾
9、斜角度来实时调整。所以，如果可以改变斜角的大小，就能改变泵的排量和压力，此时即为变量轴向柱塞泵。 由此可见，分析出泵体损坏的可能原因为：当柱塞在缸体孔内运动时，由于泵体内部收到的压力不均很容易造成柱塞和缸体孔内壁的磨损和滑伤。液压油受到污染存在杂质时，杂质即会将柱塞卡死在缸体内，并在各种力的作用下，造成滑靴破坏。如果有污染严重，高速运转过程中，配油盘很容易造成磨损。 (3)如果不是阀体和泵体的故障，那么我们就从该液压系统的硬管、软管及相关接头入手，如果它们破损、渗漏的话，也能直接导致系统压力偏低。 总之，按照阀体泵体管路的顺序进行分析、排查，解决问题便是水到渠成。 4 解决方案及实施效果 4.
10、1 从阀体故障开始排查 (1)排查系统溢流阀有无泄漏情况，并更换系统的溢流阀（图中240.5 阀） ，更换后进行调整。更换调整后，系统压力仍为 52bar。 (2)排查系统换向阀有无泄漏情况，并更换三个三位四通换向阀（图中 390 阀、330 阀、270 阀） 。更换后，系统压力仍为 52bar。 (3)排查系统两减压阀有无泄漏情况，更换两个减压阀（图中 340 阀、320 阀） ，并按照设计参数进行设定。更换、调整后，系统压力仍为52bar。 经过以上三步，基本排除了阀体故障。 4.2 阀体故障排除后，对泵体进行排查 公司联系了北京力士乐厂家，对 SL1、SL2 两台泵体进行回厂检测，调整。
11、在检测过程中，有针对性的对泵体的柱塞和缸体孔内壁的磨损情况进行了检测，没有超出规定范围；没有出现柱塞卡死，滑靴破坏等现象；斜盘和配油盘完好无磨损。 按照系统设计，调整了泵体的输出额定压力为 160bar，额定流量为24L/min。并将调整后的变量泵重新安装到了装船机溜筒液压站上，启动系统后，系统压力仍为 52bar。故排除了泵体故障。 4.3 排除阀体、泵体故障后，对系统管路进行排查 由于溜筒液压系统支配着溜筒的 3 个动作，所以其管路布置较复杂，管路数量较多。 (1)对液压站到执行机构的所有外部软管、硬管及接头进行检查，无渗、漏油情况。 (2)对液压站本体外部连接管路进行排查，无渗、漏油情况
12、。 (3)检查泵体与液压系统连接的软管及接头。由于此变量泵为油浸式布置，所以其连接管路均在油箱内部。 拆除连接法兰，将泵体及管路取出后，经过仔细检查，发现了一根连接液压泵系统的压力控制管路（X 口）破损，直接导致系统压力只能维持在 52bar 左右，故导致溜筒的抛料弯头上下摆动不灵敏且不能摆动到位，使得溜筒不能正常动作。随后我们对其进行了更换，重新送电调试后系统压力恢复正常，装船机溜筒各项动作也随之正常。 5 故障原因分析 神华天津煤码头公司装船机溜筒驱动使用的液压泵是力士乐的产品，型号为：A10VSO18DRG/31R-PPA12N00 。该产品为柱塞式变量泵，输出压力峰值可以达到 315b
13、ar。根据前面第 3 部分分析的柱塞式变量泵的工作原理，可以判断此泵是靠系统负载自动实现泵体内斜盘的调整，从而调整泵体的输出压力和流量。 泵体有 S、B、X、L、L1 五个接口，其中，S 口为吸油口，油泵通过该口将系统动力油液吸入泵体内；B 口为出油口，油泵通过该口将系统动力油液输入到执行机构，达到驱动的目的。L 口为冷却油路接口，主要作用用于冷却液压系统的油液，使油液温度保持正常状态。X 口为控制油路接口，连接至系统控制阀快上，按照系统的负载，通过泵体内的 DF、DR控制阀调整配油盘的倾斜角度，以实时调整系统流量。当液压系统启动后，油液通过各电磁阀直接留回油箱，系统压力为 0。当溜筒动作时，
14、系统压力按照系统溢流阀的设定值（180bar）建立起来，并通过系统负载输出压力。但当溜筒做回转、摆动、抛料弯头摆动的情况下，系统压力始终为 52bar，系统压力不能正常建立。在这种情况下，可以排除各分支油路的内卸故障，需要对建立系统压力的部分进行排查，首先将“M31+X-Y1”电磁阀强制，启动系统，检测系统能否正常建立起 180bar的压力。最终检测结果仍然是 52bar，同时前面分析过液压泵经过检测也是完好无损的，所以我们开始怀疑故障点可能发生在泵体 X 口和建立系统压力部分的连接管路上。于是我们将泵体及管路取出后，经过仔细检查，我们终于发现了一根连接液压泵系统的压力控制管路（X 口）破损（
15、如附图 4 所示） ，直接导致系统压力只能维持在 52bar 左右，使得溜筒不能正常动作。 经过几年来设备的保养维修记录的查找，以及现场故障的排查分析，最终发现在 2006 年调试 SL1、SL2 期间，溜筒液压泵体的轴端骨架封出现过多次破损漏油的情况，其破损原因主要是由于泵腔内压力大于轴端骨架封设定的压力允许值，当泵腔内压力足够大时就会直接将骨架封损坏。发现该问题后，专业厂商在泵体的 L1 口外接了一套 1.5bar 的溢流阀，使得泵腔内的压力一直保持在 1.5bar 的范围内，从而保证了泵体轴端骨架封的密封性能和安全性能。 力士乐泵体一般布置形式有 4 种（见图 2） ，其中左上图为油浸式
16、泵体布置方式，该布置方式将泵体完全浸在液压油箱内，使得整体液压系统布置非常紧凑，大大节省了布置空间。但是该方式的缺点是每次维修、更换泵体均需要拆除上端连接的驱动电机及法兰盘，并将泵体及连接油管从邮箱内取出，给维修更换造成了很大的障碍。正由于此原因，在调试改造 SL1、SL2 溜筒液压泵时，出现问题的油管即：连接液压泵系统的压力控制管路（X 口）在拆装泵体时被碰伤，通过几年的运行，随着油管的老化，碰伤处开始渗漏，最终导致了上述发生的故障，而 SL3 的调试期较前两台机稍晚一些，泵体直接使用的改造后的产品，故没有出现过内卸故障。 图 24 种泵体的布置方式 6 结束语 通过对此故障的分析、查找、试
17、验，我们发现目前国内外的专业煤炭码头装船机的溜筒液压驱动布置方式均采用现有的内浸式，内浸式液压泵的布置方案在装船机溜筒机构上的应用存在着较大的缺陷，给设备的运维带来了很大的障碍，据了解同行业港口在装船机设备上也出现过类似的问题。从现场实际看，溜筒液压系统的所以我们建议同行业港口对于同类型的设备进行优化改进，具体优化方案见图 3。 各部件名称： 1-驱动电机；2-柱塞式变量泵；3-软连接法兰；4-手动阀；5-手动阀电磁检测装置；6-液压油箱 图 3 优化原理图 优化方案原理：该优化方案是将原油浸式液压泵的布置方式改进为外部连接形式。图 3 中，液压泵体的 S、B、X、L、L1 五个接口的连接仍然
18、与原方案一直。其中，S 口为吸油口，油泵通过该口将系统动力油液吸入泵体内；B 口为出油口，油泵通过该口将系统动力油液输入到执行机构，达到驱动的目的。L 口为冷却油路接口，主要作用用于冷却液压系统的油液，使油液温度保持正常状态。X 口为控制油路接口，连接至系统控制阀快上，按照系统的负载，通过泵体内的 DFR 控制阀调整配油盘的倾斜角度，以实时调整系统流量。 其中，驱动电机 1 与液压泵体 2 放置在液压站外部，并固定在整体液压站支架上。泵体与液压油箱利用软连接法兰 3 进行连接，以防止泵在启动运行中振动损伤油路及连接部位。在吸油管至邮箱中间还设置了手动阀 4 和手动阀电磁检测装置 5，手动阀 4
19、 主要用于当邮箱更换液压油液或者有其他检修工作的情况下，关闭手动阀 4 可以防止系统油液回流，起到保护作用，手动阀电磁检测装置 5 用于检测手动阀 4 的打开、关闭状态，当手动阀 4 处于打开状态时，装置 5 反馈给系统 PLC 信号，满足液压系统启动的就绪条件，此时液压系统可以启动；若手动阀 5 处于关闭状态，则装置 5 反馈给 PLC 的信号为系统没有就绪，则此时出于设备安全的角度考虑，该液压系统不能正常启动。 总之，通过对装船机溜筒液压系统故障的排查与解决，神华天津煤码头公司 SL1、SL2 两台装船机溜筒液压系统压力已经恢复正常值，装船机恢复了以往的作业功能，大大提升了码头的作业效率和服务质量。通过对故障多次分析、研究、试验，大大地提高了技术人员的理论分析能力、实际解决能力和问题解决能力，从根本原理上找到了故障的诱因，从而可以有效地避免类似问题的再次发生。同时，该两台装船机出现的故障在同行业港口中也非常具有代表性，所以，溜筒液压系统优化方案的提出也具有较大的推广意义，可以为专业化的煤炭码头设备提供有效的技术参考。 参考文献： 机械设计手册 液压传动与控制手册 液压设计手册
