压力开关在船舶克令吊液压系统中的应用

压力开关在船舶克令吊液压系统中的应用

李锋，吴光明

南通中远海运川崎船舶工程有限公司 江苏省  南通市  226005

摘  要：电动液压式克令吊体积小、重量轻、操作平稳，广泛应用于现代灵便型散货船。考虑到装载效率和装载安全，其对额定提升速度及过载保护均有严格要求。文章对某型6.4万吨散货船克令吊额定提升速度不足和过载保护失效的原因进行了分析，根据故障原因提出在克令吊液压系统中设置压力开关的方案，利用压力开关改变溢流阀的泄压曲线，在特定位置截断流量，实现过载保护功能。阐述了压力开关的设置方法。解决了克令吊额定提升速度和过载保护失效的问题，保证了克令吊的装载效率和装载安全。

关键词：散货船；克令吊；液压系统；压力开关

中图分类号:  U664.5     文献标志码:  B  

0引 言

6.4万吨散货船是由南通中远海运川崎船舶工程有限公司为保持公司在散货船建造市场的竞争优势，新开发的一款灵便型货船。刚一推出市场，便得到了来自南京，日本，德国等国内外船东的亲睐。成为南通中远海运川崎的拳头产品。

该轮为单机单浆船，直船艏，方艉，居住舱室，驾驶室及机舱位于尾部。全船设有5个货仓，适于装载各种包装货和散货。装备4台甲板克令吊。总布置图见图1。

                   图1  6.4万吨散货船总布置图

甲板克令吊是现代船舶的重要设备，使船舶可以不依赖码头设备进行货物装卸作业，特别是可以在开阔水面上进行装卸和过驳作业，在灵便型散货船上应用广泛。吊机质量的好坏，影响着船舶的使用寿命，货物的安全。本轮采用的电动液压式克令吊，采用钢丝绳变幅。装备开式液压系统，即油泵从油箱中吸油由一台马达带动三个液压泵，分别驱动起升、变幅和回转机构的液压马达，具有操作平稳、重量轻、体积小、空钩高速和重载慢速的特性和优点。吊机典型布置及结构见图2。

                  图 2   吊机典型布置及结构

1故障分析及处理

岸壁试验是新造轮在试航交付之前，对各设备性能进行动态验收的试验。克令吊岸壁试验一般包括空载运转试验，额定载荷运转试验，过载保护试验等。该轮克令吊岸壁试验时，船东监造发现额定载荷30.5t时的提升速度达不到额定速度18.5m/min，调试人员通过调整泄压阀设定压力，使提升速度达到额定速度，但在之后的过载试验中，吊机过载保护失效，将超过额定载荷0.5t的31t重块提升起来。调试人员发现，若想吊机过载保护有效，又需要将泄压阀设定压力调低。至此，提升速度和过载保护功能成为矛盾，无法同时实现。提升速度事关装卸货效率，过载保护事关设备和货物安全，因此必须同时满足，要求我们从设计根源上解决问题。

调查发现，本轮采用的吊机液压系统为一个闭式回路，由一台马达带动三个液压泵，分别驱动起升、变幅和回转机构的液压马达。又分为泵单元、提升单元、回转单元、变幅单元、刹车单元和保护单元六部分。吊机保护单元液压系统图见图3.

图 3   吊机保护单元液压系统图

起升回路通过图3中的4号安全阀进行保护。在液压系统中，控制工作液体压力的阀称为压力控制阀。它利用作用于阀芯上的液压力和弹簧力相平衡的原理进行工作。按功能和用途又可分为溢流阀、减压阀、顺序阀和压力继电器等。溢流阀在液压系统中主要有两个功用，一是起到溢流稳压作用，保持液压系统的压力恒定；二是起限压保护作用，防止液压系统过载，通常也称为安全阀。由此可见，安全阀是压力控制阀的一种，其作用原理和特性离不开压力控制阀的原理和特性。所以本船吊机安全阀设定压力为20.6MPa，在此理论压力下，可以保证提升速度达到18.5m/min，同时无法提起31t重的载荷。但是实际测量发现，上记4号安全阀实际上从17 .6MPa左右就开始卸压。流量随之减少，导致提升马达转速减少，提升速度无法达到额定值18.5m/min。而将安全阀设定值调高到21.5MPa后，虽然提升速度达到了，但由于压力较大，此时吊机甚至可以提升35t的载荷。

进一步调查发现，上记现象是这种安全阀的固有特征，称之为Override特性，即安全阀实际开始卸压的压力值小于压力设定值，这之间大约有2. 5MPa的差值。以本轮克令吊安全阀设定值20.6MPa为例，安全阀实际上从17 .6MPa左右就开始卸压。安全阀Override特性表见图4.

图 4   安全阀Override特性表

从图4可以看出，在设定压力20.6MPa时，由于安全阀实际从17.6 MPa左右就开始卸压，导致理论提升速度仅有11m/min左右，远低于设计的额定提升速度18.5m/min。若想达到额定提升速度，则需将泄压阀调至21.5MPa，此时吊机可以吊起35t的载荷，起不到过载保护的作用，会对设备结构强度造成损伤。

这种缺陷的造成是由安全阀本身的特性决定的，因为其精度不够。为了改善这种缺陷，可以提高安全阀的精度，将安全阀的卸压压力区间减小，实现在一定的设定值下，既保证30.5 t X 18.5m/min，又实现较小的过载无法提升。但短时间内开发一种新安全阀的方案不太现实，于是多方查找，发现可以在其上回路进油管侧加设压力开关的方法，用压力开关将设定值21.5MPa的曲线截断，实现过载保护功能。过载保护功能示意图见图5。

图 5   过载保护功能示意图

根据图5可知，将安全阀压力设定在21.5MPa，可以保证吊机的提升速度达到18.5m/min，当压力继续上升时，安全阀开始溢流，此时提升速度下降，但提升重量不断增加，到达预定压力时，压力开关启动电磁阀，电磁阀同作用于安全阀进行卸压，将压力曲线截断，使吊机无法提升更大的载荷，起到过载保护的作用。

2压力开关设计方案

压力开关并非在一个压力点即时作用，也有一个压力区间值。以设定值19MPa为例，压力开关大约会在18.8 ~ 19.2 MPa压力区间作用。同时，压力开关设有计时器，计时器的值可以手动设定。如果计时器设定在∞，这表示压力开关永远不会作用。以设定在1s为例，回路中的压力值达到19.2MPa并且持续1s，压力开关才会启动，然后电磁阀作用于安全阀进行卸压。卸压后，当回路中压力值小于18.8MPa后，压力开关瞬间恢复关闭。

因此，可以通过起吊额定载荷30.5t做各种动作（起升、变幅、回转等)，基于压力表读出在此过程中压力的平均值和最大值，在最大压力值基础上加一定的余量作为压力开关的设定值。

每一个吊重，在起吊过程中对应的压力曲线是不同的。通过试验可以得到，30.5t 的吊重对应的压力值为18.5士0.2MPa。但实际上在起吊的初始阶段，30.5t吊重的压力会在瞬间(约0 . 6 s )超过19.2MPa，之后渐渐趋于稳定，保持在18.5MPa左右；而31t吊重在刚起吊时压力值大于19.2MPa的时间则大于1s。因此可以利用不同吊重(30.5t和31t) 起吊时压力第一个峰值持续时间的不同将压力开关计时器设置在1s，这样在30.5t载荷时，压力开关不会启动，吊重超过31t时，压力开关就会起启动。同时实现额定提升速度和过载保护的功能。 

3压力开关安装方案

通过大量的试验，我们发现由于液压系统本身固有的特性(精度约为2%)，因此过载保护值只能限制在0.5t，即31t无法起吊。否则无法保证压力开关的稳定工作。而我们通过强度计算和过载试验验证，目前吊机结构设计和液压设计完全可以承受31t的载荷，将过载保护值设定在31t，不会对克令吊产生危害。 于是决定将克令吊提升单元内原单独的安全阀替换为带压力开关和电磁阀控制的安全阀单元。

4使用效果

克令吊液压单元增加压力开关后，使用效果如下：

（1）安装完成后，额定提升速度达到18.5m/min，满足额定提升速度要求；

（2）额定提升速度达标的情况下，在31t载荷时吊机无法提升，满足过载保护要求。

（3）空载运行、回转、变幅等各项操作平稳可靠。

实践证明，增加压力开关的思路和实际安装改造方案是准确有效的。

5 结 语

在试验船成功实践后，已将压力开关在克令吊液压系统中的应用作为标准设计推广。在克令吊液压系统中应用压力开关，加工安装方便，成本不高，但顺利解决了吊机额定提升速度不足和过载保护失效的问题，避免了对后续船舶营运效率和安全的影响。是一次成功的改进。船舶舾装设计种类繁杂，经常会遇到各种问题，需要设计人员开拓思路，不断改进，促进舾装设计的不断发展。

参 考 文 献

[1] 李锋,周学军.20.9万吨散货船主要外舾装设计[J]，江苏科技信息，2015(3):58-60.

[2] 中国船舶工业总公司，船舶设计实用手册（第三版）[M]，国防工业出版社. 2013