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摘 要:液压系统是该轮全船工程机械设备的核心动力,也是保障船舶安全航行和疏浚的重要系统。本文主要详细介绍液压系统电控部分的原理构成及典型故障树分析。
关键词:液压系统构成;原理;典型故障分析
0 引言
液压传动技术是以液体(主要是矿物油,并假设几乎不可坑被压缩)为工作介质,通过液压泵/马达,液压阀、液压缸、液压附件等各种元件和控制检测手段,实现能量的转换、传递和控制的技术,是重要的基础技术,也是实现现代传动和控制的关键技术之一。液压传动系统的组成部件包括:动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件[1]。
液压系统的优点之一:传动容易实现自动化,易于对液体压力、流量或流动方向进行调节或控制,如与电气控制、电子控制或者气动控制的功能结合。随着液压技术的发展,利用电信号对液压油的流向、压力、流量进行远距离控制的比例控制阀在船舶液压设备中普遍使用[2]。
1 该轮液压系统简介
主液压系统由左舷液压泵(A、B、C)、右舷液压泵(H、G、F)两个液压站构成,两个液压站各自负责相应的设备。在特定情况下,可通过替代功能,激活各自泵站内液压泵的互相替代;在应急操作模式下,可实现左舷液压C泵替代右舷液压。
液压控制系统的电气原理采用可编逻辑控制器+以太网形式,实现液压系统与其他系统之间的通信连接和液压设备的遥控操作。
疏浚数据服务器:液压系统操作控制核心,①整个液压系统和电控系统如疏浚闸阀、高压冲水蝶阀、大泥门、小泥门、预泄泥门、波浪补偿器、溢流堰、耙管绞车、锚机、系泊绞车、艏吹接头绞车、耙管等进行监视、遥控控制、状态指示。②疏浚系统的自动报表、历史趋势图、诊断、记录等功能。③过程数据显示及自动控制功能,如:耙臂位置显示、溢流堰自动控制(吃水控制)、自动低密度排放等。
艉液压PLC:液压系统主要控制元件,负责液压系统的指令接收和处理,包括各液压泵的遥控启动、停止、液压泵功能替代和液压泵压力、流量的比例调节;液压系统安全运行监视例如油位、油温等;液压系统执行元件如油缸、油马达的方向控制;液压控制中的逻辑判断:整个液压系统牵涉的疏浚工程设备很多,各设备间亦存在连锁和优先权限划分。原则上一个液压泵负责单一的设备,但是当需要更大的液压流量时,可以增加投入的泵的数量。同一时间内,整个系统可以进行多个操作。但是如果两个设备在同一个管路上或者共用一个液压泵,则不能进行同时操作,因此对于所需压力低的设备将会首先动作。如果不同的用户需要同时动作,那么就需要这些设备的供油泵不是同一台液压泵,并且要求管路连接也是独立的。如果确实需要多个用户共用一台液压泵,液压泵的输出流量将根据所有用户的需求进行叠加。但是不能超过液压泵所能提供的最大流量。在这种情况下,压力的设定将选择所有用户中最高的压力设定[3]。
液压泵:作为液压系统的动力元件,根据不同设备所需的不同压力、流量执行液压PLC的使能信号输出。液压泵的运行状态由艉液压PLC发送到服务器,服务器再通过全船计算机网络传送到PMS PLC。
2 典型的故障分析
日常施工过程中,液压系统也会发生各类的故障,本文就“小泥门无法正常步进动作”举例,进行相关故障分析。
故障现象:右舷液压F、G泵驱动的12扇右小泥门在SCADA中发出步进动作5%时,小泥门打开开度无法保证准确。
故障分析:依据原理图2,分段分区域排查。①泵浦:液压泵是否正常启动,加载卸载是否正常。②设备控制:疏浚控制系统发出指令后,针对同一设备,液压PLC给液压放大卡的给定信号是否一致;液压放大卡输出至电磁阀信号是否一致;电磁阀线圈阻值是否一致;液压泵产生的压力是否正常。③逻辑控制:针对不同设备,液压PLC给定放大卡的信号是否产生变化;液压放大卡输出至电磁阀的信号是否随给定变化而变化;液压泵压力是否发生变化。④反馈:小泥门在液压动作正常情况下,反馈至PLC的行程指示信号是否正常。
故障测试:下列表所示为几个主要测试结果。
表1 液压泵加载卸载状况
B | C | F | G | |
液压泵停止后带载启动情况 | 103bar | 3 | 0 | 200bar |
液压泵加载停止后压力下降情况 | 110bar | 4 | 3 | 210bar |
表1得到的结论,G泵自身存在零位飘移问题,无法正常卸载,对问题产生一定的影响。
表2 压力和流量比例阀线圈电阻的测量
压力(Ω) | 流量(Ω) | |
B泵 | 6.3 | 45.8/45.7 |
C泵 | 5.8 | 43.6 |
F泵 | 6.2 | 43.5 |
G泵 | 6.7 | 45.7/44.5 |
表2得到的结论:压力、流量电磁阀线圈阻值基本正常,不是导致问题的主要原因。
表3 相同液压泵不同设备对比
小泥门 | 闸阀 | 弯管/中间管 | 泵的压力 | ||
PLC给放大卡电流 | F泵压力 | 10.33mA | 16.71mA | 18.93mA | 206Bar |
G泵压力 | 10.38mA | 16.79mA | 18.07mA | 225Bar | |
F泵流量 | 6.17mA | 12.42mA | 4.41mA | ||
G泵流量 | 6.14/6.16mA | 7.89/7.93mA | 6.61/6.65mA | ||
放大卡给比例阀电流 | F泵压力 | 1.39A | 2.05A | 2.28A | |
G泵压力 | 1.23A | 1.96A | 2.11A | ||
F泵流量 | 266mA | 328mA | 244mA | ||
G泵流量 | 224/235mA | 247/259mA | 229/241mA |
表3得到的结论:经过测试对比发现对应不同设备PLC的输出是有变化的;PLC的输出变化对应的放大卡输出也随之变化;放大卡电流的变化并未使得液压泵的压力没有随之变化,导致液压泵使能时压力很高且压力不变。由此分析,泵及泵体上的阀件可能存在问题。
后经过对同一侧每一扇小泥门的控制结果之间对比,同一侧同一扇小泥门打开与步进对比,不同侧的小泥门之间控制结果对比,可以确认PLC对外输出的压力和流量调节信号稳定,有细微差别;液压放大卡对外输出稳定。由此,可排除液压控制PLC、放大卡的问题。
故障总结:右边小泥门步进动作不正常并非一个点的问题,而是由多个环节产生的一个综合故障。液压泵自身零位不准,液压泵压力、流量比例调节阀卡堵,是本次故障产生的主要因素。
4 结论
本船液压系统已使用十五年,部分工程机械设备平时不常用,部分工程机械不间断在用,问题的发生与平时的管、用、养、修有很大的关系。因此,若要保证设备功能正常,需定期对系统做出以下工作:
①记录并保存流量、压力在不同设备,相同设备不同工况下,PLC给放大卡信号的准确数值,例如:左耙头低速上升、高速上升、低速下降、高速下降时PLC给放大卡的流量和压力信号。
②工程机械控制对各设备的压力和流量要求。例如小泥门动作时的准确压力、流量。
③液压泵的台架实验,校准零位。保证液压泵的正常启动、加载和卸载,及对信号反应的准确性。
④得到PCD放大卡输出的压力信号0-2500mA,流量信号0-800mA各阶段的压力值和流量值,例如每10mA对应的压力值以及每5mA对应的流量值(或者更加细化)。
有上述标准,再去调整放大卡的放大曲线,得到PCD放大卡细化的使能信号输入对应输出的压力信号值和流量信号值。PLC、放大卡、液压泵站保持标准后,如发现不正常的现象即为外部设备所致,无需调节上述设备。
参考文献:
[1]陈海泉.船舶辅机[M].大连:大连海事大学出版社:2010.7:99,100.
[2]潘新祥.蒋福伟.船舶辅机[M].大连:大连海事大学出版社;北京:人民交通出版社,2009.4:68.
[3]IHC.OPERATING MANUAL TSHD XINHAILONG[M].Netherlands:[s.n.],2002: 26,150-152.