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摘要：液壓系統(tǒng)因其執(zhí)行元件和動(dòng)力原件可分開布置，易大范圍實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，擁有相同體積的情況下易獲得較大的輸出力或扭矩、易實(shí)現(xiàn)直線和往復(fù)運(yùn)動(dòng)、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，在船舶設(shè)備中有較為廣泛的應(yīng)用，諸如液壓舵機(jī)、液壓錨絞設(shè)備、液壓閥門等都是較為常見的應(yīng)用案例。近年來，隨著我國在海洋工程領(lǐng)域的快速發(fā)展，液壓系統(tǒng)在海工裝備中越來越重要，且出現(xiàn)了2個(gè)明顯的趨勢，即精細(xì)化和大型化。精細(xì)化主要表現(xiàn)在液壓與電控系統(tǒng)相結(jié)合，利用高精度傳感器，高精度比例閥、換向閥，優(yōu)秀的控制算法實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的精準(zhǔn)線性控制。大型化主要體現(xiàn)在液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性，液壓驅(qū)動(dòng)原件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大型化、高壓化。隨著精細(xì)化與大型化的深入發(fā)展，對系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求也越來越高。

關(guān)鍵詞：船舶；液壓系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；油液污染

0引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，液壓油污染帶來的故障占液壓系統(tǒng)故障的70%以上，而精細(xì)化和大型化又增加了系統(tǒng)對污染物的敏感度，這給液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造帶來了新的考驗(yàn)[1]。本文以國內(nèi)某風(fēng)電安裝船最新的液壓升降系統(tǒng)為例，淺談液壓系統(tǒng)污染的來源、危害以及預(yù)防措施。

1某風(fēng)電安裝船液壓升降系統(tǒng)簡介

某風(fēng)電安裝船采用液壓插銷式連續(xù)升降系統(tǒng)。該系統(tǒng)較為復(fù)雜，配有4個(gè)樁腿及4套液壓站，油箱總?cè)莘e超過80000L，每套液壓站驅(qū)動(dòng)16個(gè)大型升降油缸，16個(gè)升降油缸被油缸耳環(huán)連接到上下2個(gè)環(huán)梁，環(huán)梁又與船體固定在一起。工作時(shí)，由升降油缸驅(qū)動(dòng)上下環(huán)梁帶動(dòng)4個(gè)樁腿或船舶上下運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)船舶的連續(xù)升降。單個(gè)樁腿的最大輸出壓力為9600T，系統(tǒng)高壓部分工作壓力為26MPa，設(shè)計(jì)壓力30MPa。

2液壓系統(tǒng)污染物的來源與危害
經(jīng)過長時(shí)間的實(shí)踐積累，現(xiàn)在普遍認(rèn)為造成液壓系統(tǒng)污染的來源主要有：1）制造過程中的內(nèi)部殘留，如金屬碎屑、殘?jiān)?、加工毛刺等?）外部侵入，系統(tǒng)在投入使用后，污染物通過如活塞桿、泵軸密封、油箱呼吸器等其他密封不良位置侵入系統(tǒng)或因維修保養(yǎng)不當(dāng)導(dǎo)致了污染物侵入；3）系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生，這既包括系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的磨粒，也包括油液反應(yīng)生成的酸性物質(zhì)、絮狀沉積物等。污染物的危害主要由污染物性質(zhì)決定。固體污染物進(jìn)入系統(tǒng)后，較大的顆粒會(huì)阻塞濾器，若阻塞發(fā)生在液壓泵吸口，會(huì)造成液壓泵吸空，引起系統(tǒng)異常震動(dòng)，氣蝕，若阻塞發(fā)生在回油濾器，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)背壓升高，回油不暢，系統(tǒng)動(dòng)作遲滯、錯(cuò)誤。較細(xì)的顆粒則會(huì)阻塞換向閥、阻尼孔，造成系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，細(xì)顆粒也會(huì)加速系統(tǒng)內(nèi)摩擦副的磨損，破壞密封，加大內(nèi)漏?？諝膺M(jìn)入系統(tǒng)后，最主要的問題來自2個(gè)方面：1）空氣在液壓系統(tǒng)高壓、低壓的變化中時(shí)而溶解入油中，時(shí)而從油液中析出，從而產(chǎn)生震動(dòng)、噪聲，造成液壓元件氣蝕，甚至失靈。2）改變液壓油性質(zhì)。一般認(rèn)為，油液是不可壓縮的。而相較于油液而言，空氣的可壓縮率極大，約為油液的一萬倍。有試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)油液中混入1%的空氣后，其彈性模量即降低到純油的35%。當(dāng)混入的空氣超過2%時(shí)，油液開始變渾濁，各方面性能顯著降低。水分進(jìn)入系統(tǒng)后：①會(huì)直接降低液壓油的粘度。②水分與油液中物質(zhì)反應(yīng)生產(chǎn)酸性絮狀物質(zhì)，與金屬部件反應(yīng)，產(chǎn)生鐵銹，顯著增加系統(tǒng)故障率。③大量水分可直接導(dǎo)致油液乳化，使整個(gè)液壓系統(tǒng)失效。水污染的危害在三者中最大，不單表現(xiàn)在其危害性上，還表現(xiàn)在相較固體顆粒與氣體，水很難從油液中分離、清除出來。發(fā)生污染后往往需要徹底更換所有液壓油，成本巨大[2]。

3液壓系統(tǒng)污染的預(yù)防措施

液壓系統(tǒng)污染的預(yù)防本身是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，而且船舶液壓系統(tǒng)有其特殊性，相較于陸地，海上的作業(yè)環(huán)境惡劣，液壓系統(tǒng)長期暴露在高鹽、高濕的環(huán)境中，各部件更容易受到污染物的侵入，海上缺少岸基支持，液壓油及零部件在船上更換也較為困難。因此，船舶液壓系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、施工時(shí)更應(yīng)從多個(gè)角度重點(diǎn)考慮系統(tǒng)防污染的問題。

3.1重視中間管系

液壓系統(tǒng)中，如液壓動(dòng)力源、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等主要部件

一般采購成品件，該船液壓升降系統(tǒng)也不例外。這些部件在廠家生產(chǎn)線批量制作，只要能夠通過船東出廠驗(yàn)收（FAT），通常能夠保證質(zhì)量，但液壓泵站、閥箱、升降油缸等設(shè)備之間的液壓管路均是由船廠現(xiàn)場制作，無法像成品件一樣有良好的加工環(huán)境，容易成為液壓系統(tǒng)污染的重要來源，該船升降系統(tǒng)液壓管系總長度約2134m，怎樣保證如此長的液壓管線不對整個(gè)系統(tǒng)造成污染至關(guān)重要。1）管路系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)對材料提出明確要求。不同材料的強(qiáng)度和對腐蝕的耐受程度大不相同。如果該液壓系統(tǒng)對清潔度的要求較高，那么選用焊接性能良好、強(qiáng)度高、耐腐蝕的材料制作中間管系十分必要。該船升降系統(tǒng)所有中間管系、法蘭、過度接頭等均采用022cr17ni12mo2材料（不銹鋼316L），相較于傳統(tǒng)碳鋼材料，其在強(qiáng)度、抗氣蝕、耐銹蝕方面有著明顯的優(yōu)勢，能夠最大可能消除管路氣蝕、銹蝕對系統(tǒng)的影響。2）嚴(yán)格控制施工工藝，良好的施工工藝是管路質(zhì)量的保證。①重視內(nèi)壁焊接質(zhì)量，所有焊口均采用氬弧焊。管材焊接不僅要確保全焊透且通過壓力測試，還要控制內(nèi)部余高不能過高，不要出現(xiàn)焊渣、飛濺、焊瘤等情況，因其在系統(tǒng)油的長期沖刷下，容易產(chǎn)生顆粒脫落，直接影響系統(tǒng)安全，且內(nèi)壁焊接不平滑也容易導(dǎo)致液壓油出現(xiàn)湍流，造成液壓油擾動(dòng)，形成氣泡，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。②嚴(yán)格控制定型彎頭使用數(shù)量，因管路與定型彎頭相接的2條焊縫通常不易檢查，難以控制焊接質(zhì)量，所以該船升降系統(tǒng)管路要求在保證強(qiáng)度的前提下，DN150以下的管路均采用彎管工藝，避免產(chǎn)生多余焊縫，盡量減少風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

3.2優(yōu)化系統(tǒng)油箱

油箱是液壓系統(tǒng)的重要組成部分，也是容易造成污染物侵入和沉積的地方，其設(shè)計(jì)不僅應(yīng)考慮容量、散熱、透氣、補(bǔ)油等常規(guī)要求，還應(yīng)在如何防止內(nèi)部產(chǎn)生銹渣、如何防止空氣及懸浮污染物侵入，如何合理沉降、分離雜質(zhì)等方面進(jìn)行優(yōu)化。1）該船升降系統(tǒng)油箱材料也選擇了不銹鋼316L，杜絕了油箱生銹產(chǎn)生內(nèi)部污染的可能。2）相較于傳統(tǒng)油箱與空氣直接接觸式的“呼吸”系統(tǒng)，該升降系統(tǒng)采用了配有皮囊式“呼吸”隔離裝置的半封閉式油箱，以隔絕外部空氣，有效降低了空氣中的雜質(zhì)、水汽等侵入液壓系統(tǒng)的可能性。3）油箱上若有其他開孔全部帶有隔斷開關(guān)且全部具備除濕功能。4）油箱內(nèi)合理的設(shè)置了隔板、將油箱分成了4個(gè)空間，通過優(yōu)化布置吸油口、回油口、分區(qū)隔板和除沫網(wǎng)，使得液壓油在油箱內(nèi)形成合理的流通油道，既有利于油液降溫，也保證了系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的雜質(zhì)能夠得到有效沉降，并可以通過放殘口排出。5）在適當(dāng)位置布置了強(qiáng)磁體，對于金屬磨損產(chǎn)生的碎屑進(jìn)行吸附。

3.3重視液壓油的冷卻

通常液壓油在40℃以下時(shí)，如果與氧氣接觸不多，則氧化很慢。但若油溫在55℃以上時(shí)，油液中細(xì)微污染物與油液中添加劑的反應(yīng)就會(huì)變得活躍，氧化加速，而氧化產(chǎn)物又會(huì)繼續(xù)催化反應(yīng)，造成惡性循環(huán)。所以將液壓油溫度控制在合理范圍內(nèi)是保證系統(tǒng)不生成內(nèi)在污染物的關(guān)鍵。在船舶自重、可變載荷一定的情況下，該船液壓升降系統(tǒng)工作的發(fā)熱量也是一定的，控制油溫最直接有效的方式是保證冷卻器的冷卻效果。相較于部分同類型系統(tǒng)采用風(fēng)冷式冷卻方式，該船液壓升降系統(tǒng)采取水冷的方式。且考慮到液壓泵站均布置在船舶機(jī)艙，周圍熱源較多，故冷卻器設(shè)計(jì)的環(huán)境溫度輸入條件提升到了50℃。冷卻器采用板式冷卻器，材料為不銹鋼，厚度不小于0.5mm，冷卻介質(zhì)采用淡水，這樣既保證了冷卻效果，又降低了冷卻器受腐蝕從而污染系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。冷卻器換熱量按理論計(jì)算換熱量的1.5倍進(jìn)行選型，留足了余量空間，確保了即使隨設(shè)備使用，換熱能力下降或在部分臟堵的情況下，依然有良好的冷卻效果。冷卻器設(shè)有有效的旁通保護(hù)回路，在系統(tǒng)誤動(dòng)作、油液沖擊、長期侵蝕、沉積物堵塞等異常情況下保證不會(huì)發(fā)生油水混合事故。除了常規(guī)的就地溫度表、壓力表以外，冷卻器油出口帶有溫度傳感器，水進(jìn)口帶有比例閥，通過控制比例閥開度可實(shí)現(xiàn)對液壓油溫度的精確控制。冷卻水進(jìn)口處設(shè)有容污機(jī)構(gòu)，便于清洗維護(hù)，并設(shè)有壓差傳感器，壓差報(bào)警信號與液壓油溫度信號一并接入了全船監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)。除了對冷卻器進(jìn)行重點(diǎn)考慮，整個(gè)冷卻系統(tǒng)的管路及泵組也做了冗余設(shè)計(jì)，這樣即使船舶連續(xù)升降過程中冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)了單點(diǎn)故障，也不影響冷卻效果，不會(huì)因冷卻系統(tǒng)故障而影響液壓系統(tǒng)使用和作業(yè)安全。需要指出的是，液壓油的溫度并不是越低越好，該升降系統(tǒng)采用的是L-HM46抗磨液壓油。在油溫低于30℃時(shí)，粘度會(huì)有明顯的增加，容易造成流動(dòng)阻力增加和泵吸入真空，而且低溫也容易造成濕氣混入液壓油。故冷卻的目的不是一味追求低溫，而是讓油溫保證在合理的范圍內(nèi)，系統(tǒng)啟動(dòng)前若油溫過低，對液壓油的加熱是靠泵站油箱內(nèi)置加熱器完成的。

3.4對于重點(diǎn)部件進(jìn)行特殊處理

因功能需要，部分液壓原件可能會(huì)暴露在非潔凈的環(huán)境中，最常見的是活塞式液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如何使這些機(jī)構(gòu)不將污染物帶入液壓系統(tǒng)也是防污染的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。以該船液壓升降系統(tǒng)為例，其升降油缸屬于關(guān)鍵部件，與環(huán)梁一起起到支撐船舶的作用，其油缸活塞受力很大，行程較長，在伸出狀態(tài)將暴露在高溫、高濕、高鹽的環(huán)境中，極易受到污染，當(dāng)活塞桿收回油缸內(nèi)時(shí)污染物則有可能被帶入液壓系統(tǒng)。除了常規(guī)的選擇高品質(zhì)的密封、重視裝配工藝以外，該套升降系統(tǒng)活塞桿材料選用的是34CrNi1Mo，保證了足夠的強(qiáng)度，并在外層采用陶瓷噴涂工藝，涂層厚度不小于300μm，孔隙率不高于2%，顯微硬度在800~1000HV，結(jié)合強(qiáng)度不低于37MPa，該涂層極大降低了海上高鹽水汽對活塞的腐蝕作用，且抗磨能力較強(qiáng)，避免了活塞桿因腐蝕或磨損產(chǎn)生金屬碎屑，對該升降系統(tǒng)減少固體顆粒雜質(zhì)的產(chǎn)生起了關(guān)鍵作用。

3.5系統(tǒng)中加入水分監(jiān)測及分離裝置

水是對液壓系統(tǒng)破壞力較大且難以分離的污染物。一旦油液乳化，往往不可逆，一次性更換系統(tǒng)內(nèi)所有液壓油不但成本巨大，而且在海上缺少岸基支持，更換難度大，也容易造成環(huán)境污染。故對液壓系統(tǒng)中的水分進(jìn)行監(jiān)測，幫助船舶輪機(jī)員提早發(fā)現(xiàn)問題，及早采取措施是船舶液壓系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢。該船液壓升降系統(tǒng)就配備了水分傳感器，可實(shí)現(xiàn)對液壓油中水含量的有效監(jiān)控，該傳感器既可以輸出連續(xù)的模擬量信號又可以在含水量達(dá)到預(yù)定值（0.1%）時(shí)發(fā)出報(bào)警信號至全船監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)。除了配有水分傳感器以外，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)又引入了液壓油脫水裝置，從油箱單獨(dú)分出1個(gè)支路連接至液壓油脫水裝置、進(jìn)行循環(huán)分離。該裝置可較好地聚集、分離油液中的水分，并可做到定時(shí)自動(dòng)排水。這樣既不影響主油路的流量、壓力，又能將液壓油中的水分含量降至最低，延長了液壓油的使用時(shí)間，提高了系統(tǒng)的安全性。

4結(jié)語

首先，要想真正做好液壓系統(tǒng)的防污染工作需要每個(gè)環(huán)節(jié)都嚴(yán)加把控。設(shè)備裝配是否得當(dāng)，系統(tǒng)串油是否達(dá)標(biāo)，備品備件的防護(hù)和儲存是否規(guī)范，是否按操作規(guī)程使用設(shè)備，維護(hù)保養(yǎng)是否到位，人員技術(shù)能力是否過關(guān)等都是船舶液壓系統(tǒng)清潔度的影響因素，各個(gè)方面都沒有短板，才能最大限度地保證系統(tǒng)清潔。其次，以該液壓升降系統(tǒng)為例，防污染要求的提高，必然帶來系統(tǒng)制作成本的增加，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不應(yīng)一味追求絕對的清潔，而是要綜合考慮系統(tǒng)的制造和使用成本、人員操作便利性、系統(tǒng)安全性等。應(yīng)該持續(xù)跟蹤和收集類似液壓升降系統(tǒng)的使用情況，分析對比系統(tǒng)配置、故障率、液壓油更換率等，找出投入產(chǎn)出的最優(yōu)結(jié)合點(diǎn)，為其他船舶液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊啟正.工程機(jī)械液壓傳動(dòng)系統(tǒng)故障原因及預(yù)防措施研究[J].河北農(nóng)機(jī),2021,(07):92-93.

[2]李毓洲,仇明,張永康,等.超大型風(fēng)電安裝船液壓升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件有限元分析[J].船海工程,2020,49(04):77-81+85.

作者:鄭鈞 單位:交通運(yùn)輸部煙臺打撈局