陈 敏

（秦皇岛港股份有限公司第二港务分公司，河北秦皇岛 066000）

0 引言

堆料机是散料码头非常重要的自动装卸设备，主要作用是将散料堆放在堆场内，方便取料机进行取料作业。秦皇岛港煤一期堆料机1983 年建造，其液压系统设计理念陈旧，安全性能也不完善，无法满足现代化安全运行的要求，对其进行技术升级势在必行。

1 立项背景

秦皇岛港煤一期堆料机液压系统由泵—油缸和泵—马达两个子系统组成，分别实现堆料机大臂俯仰动作和大臂回转动作。经过30 多年运行，系统各元件磨损严重，内泄变大，系统效率降低；各连接部位密封圈老化失去弹性，油液渗漏较大。此外，原理设计也存在以下功能性缺陷。

（1）液压缸下腔缺少截止阀，增加上游管路及阀组的维修工作难度。

（2）缺少滤芯堵塞报警提示、温控器和系统压力控制器，以及低油位报警等保护功能。液压系统安全稳定性存在一定隐患。

（3）缺少对液压缸管路爆裂、马达超载的相关保护功能。

2 技术方案

本次改造的液压系统保留了原装液压缸和液压马达，重新设计液压系统驱动单元和控制单元，增加多项保护措施，以实现液压系统的高效低耗稳定运行。改造分为以下实施步骤。

2.1 液压系统设计

根据堆料机作业工况的要求，同时为增强新系统的故障报警功能，增设温度传感器和液位传感器，增加液压缸油压检测系统。改造后液压系统分为泵站动力单元、液压缸控制单元和液压马达控制单元。

2.2 液压系统元件选型

根据堆料机俯仰油缸的最大举升力和最大伸缩速度，初步设定系统的最大工作压力为10 MPa，最大流量为100 L/min。根据这些参数，参阅力士乐和贺德克相关样本，对元件进行选型。

2.2.1 液压泵选型

改造在保留原始液压缸的基础上进行。液压缸内径D=22 cm，活塞杆直径15 cm。可得液压缸无杆腔和有杆腔有效工作面积分别为A1=（πD2）/4=（π×252）/4=490.6 cm2，A2=π（D2-d2）/4=π×（252-182）/4=236.3 cm2。俯仰上升阶段的流量为q=vA1=2×490.6=2×10×490.6×10-2=98.12 L/min。俯仰下降阶段的流量为q=vA2=2×236.3=2×10×236.3×10-2=47.26 L/min。油源向液压缸输入的最大流量为98.12 L/min。

根据改造前对液压缸工作压力的测量，俯仰上升阶段工作压力最大值p1=7 MPa，俯仰下降阶段工作压力最大值p2=15 MPa。在系统动态过程中，由于过渡过程时的压力超调或周期性压力脉动，使系统的动态压力远远超过静态压力。因此选择液压泵时，额定压力应比系统最高压力高20%～60%。取进油路的压力损失Σ△p=0.5 MPa。则泵的最高压力pp=1.6（p2+Σ△p）=1.6（15+0.5）=24.8 MPa。

根据泵最大流量qp=108 L/min，最大压力pp=24.8 MPa，选择A10VSO71DR31RPPA12N00，轴向柱塞变量泵。该泵排量V=71 cm3，公称压力31 MPa，适宜转速范围200～3000 r/min。若选择4 级电机，则流量q=Vn=71×1440×10-3=102.2 L。压力、流量与系统相匹配。

2.2.2 电机选型

选择4 级电机后，需要进一步确定电机功率。电机功率、流量、压力以及效率满足关系式pp=ppqp/ηp。

（1）俯仰上升阶段电机功率。上升阶段，工作压力pp=p1+Σ△p=11.5 MPa，流量qp=98.12 L/min，液压泵总效率ηp=0.8，代入计算得pp1=（7.5×106×98.12×10-3）/60×0.85=14.43 kW。

（2）俯仰下降阶段电机功率。下降阶段，工作压力pp=p2+Σ△p=15.5 MPa，流量qp=47.26 L/min，液压泵总效率ηp=0.85，代入计算得pp2=（15.5×106×47.26×10-3）/60×0.85=14.36 kW。

综上所述，选择转速1460 r/min，功率15 kW 的电机。

2.2.3 控制阀和过滤器的选型根据所拟定的液压系统原理图，计算分析液压泵的工作压力和通过各阀的实际流量，选出各阀规格。

2.2.4 油箱容积的确定

液压系统的油箱容积一般取液压泵额定流量的5～7 倍，则油箱容积V≥7×98.12 L=686.8 L。

2.3 液压系统工作过程

2.3.1 俯仰动作

（1）大臂上升动作。油泵电机启动后，主回路电磁溢流阀电磁铁（1DT）得电，俯仰电磁换向阀电磁铁（2DT）端得电后大臂上升。

图1 油压检测装置

（2）大臂下降动作。油泵电机启动后，主回路电磁溢流阀电磁铁（1DT）得电，俯仰电磁换向阀电磁铁（3DT）端得电后大臂下降。

（3）大臂锁定。油泵电机启动后，主回路电磁溢流阀、俯仰电磁换向阀电磁铁均失电后大臂锁定。

2.3.2 回转动作

（1）大臂顺时针转。油泵电机启动后，主回路电磁溢流阀电磁铁（1DT）得电，回转回路电磁溢流阀电磁铁（6DT）得电后刹车油缸松开，回转电磁换向阀电磁铁（4DT）端得电后大臂顺时针转。

（2）大臂逆时针转。油泵电机启动后，主回路电磁溢流阀电磁铁（1DT）得电，回转回路电磁溢流阀电磁铁（6DT）得电后刹车油缸松开，回转电磁换向阀电磁铁（5DT）端得电后大臂逆时针转。

（3）大臂不转。油泵电机启动后，主回路电磁溢流阀电磁铁（1DT）失电，回转回路电磁溢流阀电磁铁（6DT）失电后刹车油缸抱死，回转电磁换向阀电磁铁（5DT）端失电大臂不转。

电磁铁启动顺序见表1，其中，“+”表示电磁铁得电，“-”表示电磁铁失电。

表1 液压系统电磁铁动作顺序

3 应用情况

改造后的液压系统，其与旧液压系统相比，具有以下优点。

（1）简化了俯仰油缸底部油路连接，省去了原来分散的小阀块连接，将阀件全部集成在泵站阀块，减少了渗油点和沿程压力损失。

（2）在俯仰油缸下腔接入防爆阀，降低了因管道爆裂引起的大臂坠落风险。

（3）在俯仰油缸下腔设置截止阀，方便维修人员更换油管，同时避免了旧系统更换油管出现的大臂坠落和喷油现象。

（4）在集成阀块上设置了测量油缸上下腔压力的测压接头，有利于后续可能出现的故障诊断，后续增加了油缸压力实时监测系统。

（5）将吸油过滤改为回油过滤，安装压差发讯器，降低了泵的吸入压力，可对油液堵塞及时报警，保证了油液的及时更换。

（6）将叶片定量泵改为柱塞变量泵，提高了泵的质量和性能，同时避免了系统的溢流损失，起到节能作用。

（7）在马达刹车油缸打开与马达启动顺序方面，用压力传感器取代原来的顺序阀，便于PLC 控制，同时提高系统运行可靠性。

（8）在马达进出口两腔分别加装溢流阀，避免了大臂回转运行过程中可能出现的瞬间高压对马达的冲击，起到安全保护作用。

（9）在俯仰油缸上下两腔分别安装压力传感器，通过油压检测装置将两腔压力及时传回到司机室操作台，方便司机及时了解油缸状况，也为整个液压站故障诊断提供方便，如图1所示。

4 实施效果

煤一期堆料机液压系统改造完成至今，已运行一年多时间。设备液压站动力单元，俯仰、回转动作单元，油温、液位和油压等检测单元工作稳定，设备故障率明显降低，整个液压系统运行高效、可靠。此次堆料机液压系统改造有以下创新点。

（1）泵站增设了温度传感器和液位传感器，合理设置油温、油位控制范围，通过传感器的报警，及时发现故障。

（2）新系统将液压锁与节流阀的叠加位置对调，使液压锁的控制油直接通过换向阀的Y 型中位机能泄压，避免了原系统因节流阀憋压导致的液压锁控制油泄压不彻底，有效锁死了大臂。

（3）安装液压缸油压检测系统，实现在司机室内监控液压缸各腔压力，及时发现设备异常，通过SIM 卡可实现远程监控。

5 结语

此次改造在满足堆料机液压系统俯仰回转最基本功能外，将动力匹配改为恒压变量泵—溢流阀形式，实现了节能控制；增设油温、油位、油压等检测装置，实现了远程监控；油缸加装防爆阀、马达加装溢流阀，实现了安全运行。这些功能的完善保证了堆料机液压系统的高效低耗稳定运行，为以后液压系统优化设计提供借鉴。