港作拖船组合锚绞机液压系统原理及故障分析

李文钊

(神华黄骅港务有限责任公司，河北 沧州 061113)

组合锚绞机是港作全回转拖船上的重要作业设备，主要用于收绞缆索和拖曳作业[1]。组合锚绞机缆绳卷筒的正反转和制动动作均采用液压控制方式。由于拖船组合锚绞机作业频繁，同时海上环境恶劣，对液压系统的科学维护和故障处理的需求日益迫切。

1 液压控制系统原理分析

1.1 组合锚绞机液压系统主要组成及技术参数

某港作拖船配备的液压组合锚绞机型号为TJKOYO-H-39.2-AW26/44.1-TR110，其主要技术参数见表1。

表1 液压系统主要技术参数

1.2 液压系统执行元件

弹簧缸为组合锚绞机制动机构的执行元件，在拖曳作业中提供足够的制动力，其结构如图1所示。弹簧缸的工作压力5 MPa，缸径250 mm，活塞杆径56 mm，行程150 mm，密封采用日本“NOK”密封件。弹簧技术参数见表2。

表2 弹簧技术参数

图1 弹簧缸结构示意图

1.3 组合锚绞机液压系统工作原理

组合锚绞机的液压系统由液压泵站、机旁阀组、卷筒液压驱动器和弹簧缸等组成，协同完成组合锚绞机主轴正反转动、制动钢带打开和液压绞盘正反转动作，其工作原理如图2所示。

图2 组合锚绞机液压系统原理图

锚绞机收放缆的工作原理：主轴左转放缆时，电动机驱动变量液压泵运转，将液压油从油箱泵入系统。液压油首先进入单向阀，该阀起到防止系统油压过高，回流损伤液压泵的作用。之后经安全溢流阀后系统油压调定到15.6 MPa。之后经过高压截止阀进入比例换向组合阀，该阀为中位机能M型三位四通比例阀和三位三通换向阀组合而成，两阀联锁动作。不工作时，中位机能起到液压驱动器锁紧，泵卸荷的作用。左转时换向阀处在左位，之后液压油达到外控溢流阀的调定压力，从而导通液压驱动器回油油路。然后液压油进入安全阀，该阀与卷筒液压驱动器并联起到双向超负荷泄压的作用，尤其是能避免在拖曳中制动钢带失效导致液压驱动器超负荷转动时产生高压冲击。最后液压油进入液压驱动器使其左转。主轴在右转收缆时，比例换向组合阀处于右位，其它与左转时相同。

卷筒制动工作原理[2]：锚绞机绳筒的制动通过2段弧形钢带铰接后由弹簧缸拉紧来实现，采用液压打开弹簧复位的方式。制动钢带打开时，液压泵泵油，经单向阀和安全溢流阀后，15.6 MPa的液压油分为两路，一路为主动作油路，另一路为控制油路。主动作油路经过高压截止阀后进入弹簧缸减压阀，油压减至5 MPa，之后进入外控两位三通换向阀的P口。控制油路则进入减压阀，油压减至2.9 MPa后，进入电磁换向阀左位，之后再进入比例换向组合阀的E口。电磁换向阀的作用是在得电时右位通，控制油路被截断，弹簧缸无法打开，制动钢带锁死；而正常工作时控制油路通过比例换向组合阀控制，与锚绞机主轴的转动形成连锁，当锚绞机绳筒正转或反转时，组合阀的三位三通阀部分都会将控制油路导通至两位三通阀，从而使通至P口的主油路液压油进入弹簧缸的右腔，推动活塞向左移动。

液压绞盘的动作原理：绞盘的液压工作原理与锚绞机主轴转动的原理相似，区别在于其比例换向阀与锚绞机主轴的比例换向阀串联，在锚绞机主轴的比例换向阀处于中位机能，泵卸荷时才能使用液压绞盘。另外，由于绞盘的额定负载较小，在卷筒液压驱动器上未设置安全阀。

2 液压系统典型故障实例分析

2.1 振动和噪声

组合锚绞机的液压站设置在拖船机舱，由于机舱主柴油机、空压机和各种水泵等设备众多，运转过程中产生的振动较大，所以要对液压泵及其管路及时做好防振措施，避免引起共振损坏设备。另外，由于拖船作业时受海上风浪影响，组合锚绞机液压系统经常处于晃动状态，此时要特别检查液压站油箱液位，避免泵吸入空气产生噪声等危害。此外，液压泵站与执行机构间高压管路较长且穿越多个舱壁，要特别关注管路法兰的工作状态，避免因船体振动造成法兰连接处出现渗漏。

2.2 液压元件锈蚀

组合锚绞机位于拖船艏甲板，其机旁操作控制站一般在附近位置露天布置。拖船航行中海水涌上甲板会直接侵蚀阀件和管路，缩短使用寿命。因此要定期维护保养，减缓液压元件锈蚀速度，发现设备缺陷及时处置，避免产生更大故障。

某拖船组合锚绞机在使用过程中弹簧缸出现底部端盖渗油现象，经拆检发现O型圈失效，同时密封槽在O型圈和金属接触面发生腐蚀。经技术人员现场分析，液压缸长期海上室外运行，海水或雨水通过缸体与端盖的装配间隙渗入槽内，从而发生间隙腐蚀。另外密封槽内润滑脂失效时发生的油水分离也加剧了腐蚀情况，若逐步发展成较大深坑，将会导致无法密封。为解决该问题，技术人员决定通过车床加工增大密封槽与底部端盖装配缝隙的距离，并在装配接触面涂抹密封胶的方式增强水密性，防止海水或雨水渗入。

2.3 卷筒液压驱动器泄漏和外壳破裂故障

某拖船锚绞机运转时轴端发生外部泄漏。拆检发现，卷筒液压驱动器轴端密封圈损坏。经分析，设备已稳定运行5年以上，从未做过拆检，排除装配不当造成损坏。故障距拖船坞修完成日期较短，而坞修时船体和甲板部分喷砂除锈可能造成砂石进入液压驱动器轴封，从而造成磨损。

某拖船在协助货船离港作业中，出现液压驱动器外壳破裂故障。经分析，货船带好缆绳后，锚绞机在拖船后退过程中放缆，若拖船后退与放缆的速度不匹配，会出现卷筒制动带未及时刹紧或者制动力不够，导致卷缆筒打滑现象，进而带动液压驱动器转动，此时液压驱动器的进回油管处于封闭状态，液压驱动器内部会出现瞬态高压冲击。当油压高于液压驱动器外壳强度时，外壳就会破裂。

2.4 弹簧缸弹簧断裂

某拖船锚绞机在使用中发现弹簧缸活塞杆位置较之前高出约10 mm，未完全复位。现场检查弹簧缸动作情况，未见明显异常，排除液压系统故障。弹簧缸拆检后发现，弹簧断裂成3段，弹簧座压溃。此故障较少见，该锚绞机弹簧缸使用5年，而同类设备一般可稳定运行15年以上，排除疲劳断裂的可能。维修过程中发现，损坏弹簧的中心距比图纸中的设计值小，导致其内圈压在凸台外缘，无法入座。这导致弹簧座凸台在使用中被压溃，进而弹簧倾斜，在液压作用下受力不均从而断裂。

2.5 溢流阀芯卡阻

某拖船锚绞机在协助货船离泊作业过程中出现无法绞缆的故障。现场检查锚绞机发现，锚绞机放缆时动作正常，但绞缆时弹簧缸活塞杆伸出不到位，从而无法打开制动器。制动器打开由比例换向组合阀控制，当操作手柄离开中位时通过机械联锁导通弹簧缸控制油路。由于制动器在放缆动作时能正常打开，排除组合阀和制动器控制油路故障。查看液压泵出口压力发现，当放缆时最大压力达10 MPa，但绞缆时只有2 MPa。分析原理图发现，当外控溢流阀阀芯卡阻后，会造成卷筒液压驱动器R口至比例换向组合阀B口始终导通。该状态下，比例换向阀左位导通时，锚绞机正常放缆，但右位导通时液压油直接回流至油箱，系统压力为回油背压2 MPa。而在制动器控制油路中设定工作压力为2.9 MPa，大于此时液压系统的压力，从而导致弹簧缸无法打开。

2.6 制动带无法打开

某拖船作业时发生锚绞机无动作故障。经检查，发现驾驶台遥控时现场比例换向组合阀的手柄能正常动作，但是弹簧缸和缆绳卷筒均无任何动作，液压泵出口压力达10 MPa。初步判断锚绞机远程遥控系统能够正常控制手柄动作，卷筒不动作是由于制动器未打开造成的。分析液压系统原理图，逐一排查制动控制油路阀件，最终确定外控两位三通换向阀阻尼孔堵塞，导致阀无法动作，清洗装复后工作正常。