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摘要：液壓系統(tǒng)因其執(zhí)行元件和動力原件可分開布置，易大范圍實現(xiàn)無極調速，擁有相同體積的情況下易獲得較大的輸出力或扭矩、易實現(xiàn)直線和往復運動、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，在船舶設備中有較為廣泛的應用，諸如液壓舵機、液壓錨絞設備、液壓閥門等都是較為常見的應用案例。近年來，隨著我國在海洋工程領域的快速發(fā)展，液壓系統(tǒng)在海工裝備中越來越重要，且出現(xiàn)了2個明顯的趨勢，即精細化和大型化。精細化主要表現(xiàn)在液壓與電控系統(tǒng)相結合，利用高精度傳感器，高精度比例閥、換向閥，優(yōu)秀的控制算法實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的精準線性控制。大型化主要體現(xiàn)在液壓系統(tǒng)的復雜性，液壓驅動原件和執(zhí)行機構的大型化、高壓化。隨著精細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。

關鍵詞：船舶；液壓系統(tǒng)；系統(tǒng)設計；油液污染

0引言

據統(tǒng)計，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)的設計、制造帶來了新的考驗[1]。本文以國內某風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、危害以及預防措施。

1某風電安裝船液壓升降系統(tǒng)簡介

某風電安裝船采用液壓插銷式連續(xù)升降系統(tǒng)。該系統(tǒng)較為復雜，配有4個樁腿及4套液壓站，油箱總容積超過80000L，每套液壓站驅動16個大型升降油缸，16個升降油缸被油缸耳環(huán)連接到上下2個環(huán)梁，環(huán)梁又與船體固定在一起。工作時，由升降油缸驅動上下環(huán)梁帶動4個樁腿或船舶上下運動，以實現(xiàn)船舶的連續(xù)升降。單個樁腿的最大輸出壓力為9600T，系統(tǒng)高壓部分工作壓力為26MPa，設計壓力30MPa。

2液壓系統(tǒng)污染物的來源與危害
經過長時間的實踐積累，現(xiàn)在普遍認為造成液壓系統(tǒng)污染的來源主要有：1）制造過程中的內部殘留，如金屬碎屑、殘渣、加工毛刺等；2）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)不當導致了污染物侵入；3）系統(tǒng)內部產生，這既包括系統(tǒng)運行時產生的磨粒，也包括油液反應生成的酸性物質、絮狀沉積物等。污染物的危害主要由污染物性質決定。固體污染物進入系統(tǒng)后，較大的顆粒會阻塞濾器，若阻塞發(fā)生在液壓泵吸口，會造成液壓泵吸空，引起系統(tǒng)異常震動，氣蝕，若阻塞發(fā)生在回油濾器，則會導致系統(tǒng)背壓升高，回油不暢，系統(tǒng)動作遲滯、錯誤。較細的顆粒則會阻塞換向閥、阻尼孔，造成系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，細顆粒也會加速系統(tǒng)內摩擦副的磨損，破壞密封，加大內漏。空氣進入系統(tǒng)后，最主要的問題來自2個方面：1）空氣在液壓系統(tǒng)高壓、低壓的變化中時而溶解入油中，時而從油液中析出，從而產生震動、噪聲，造成液壓元件氣蝕，甚至失靈。2）改變液壓油性質。一般認為，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。有試驗數(shù)據顯示，當油液中混入1%的空氣后，其彈性模量即降低到純油的35%。當混入的空氣超過2%時，油液開始變渾濁，各方面性能顯著降低。水分進入系統(tǒng)后：①會直接降低液壓油的粘度。②水分與油液中物質反應生產酸性絮狀物質，與金屬部件反應，產生鐵銹，顯著增加系統(tǒng)故障率。③大量水分可直接導致油液乳化，使整個液壓系統(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)污染的預防措施

液壓系統(tǒng)污染的預防本身是一項系統(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)在設計、施工時更應從多個角度重點考慮系統(tǒng)防污染的問題。

3.1重視中間管系

液壓系統(tǒng)中，如液壓動力源、執(zhí)行機構等主要部件

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線批量制作，只要能夠通過船東出廠驗收（FAT），通常能夠保證質量，但液壓泵站、閥箱、升降油缸等設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系統(tǒng)造成污染至關重要。1）管路系統(tǒng)在設計時對材料提出明確要求。不同材料的強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）嚴格控制施工工藝，良好的施工工藝是管路質量的保證。①重視內壁焊接質量，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，容易產生顆粒脫落，直接影響系統(tǒng)安全，且內壁焊接不平滑也容易導致液壓油出現(xiàn)湍流，造成液壓油擾動，形成氣泡，導致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。②嚴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，難以控制焊接質量，所以該船升降系統(tǒng)管路要求在保證強度的前提下，DN150以下的管路均采用彎管工藝，避免產生多余焊縫，盡量減少風險點。

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，其設計不僅應考慮容量、散熱、透氣、補油等常規(guī)要求，還應在如何防止內部產生銹渣、如何防止空氣及懸浮污染物侵入，如何合理沉降、分離雜質等方面進行優(yōu)化。1）該船升降系統(tǒng)油箱材料也選擇了不銹鋼316L，杜絕了油箱生銹產生內部污染的可能。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、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且全部具備除濕功能。4）油箱內合理的設置了隔板、將油箱分成了4個空間，通過優(yōu)化布置吸油口、回油口、分區(qū)隔板和除沫網，使得液壓油在油箱內形成合理的流通油道，既有利于油液降溫，也保證了系統(tǒng)內產生的雜質能夠得到有效沉降，并可以通過放殘口排出。5）在適當位置布置了強磁體，對于金屬磨損產生的碎屑進行吸附。

3.3重視液壓油的冷卻

通常液壓油在40℃以下時，如果與氧氣接觸不多，則氧化很慢。但若油溫在55℃以上時，油液中細微污染物與油液中添加劑的反應就會變得活躍，氧化加速，而氧化產物又會繼續(xù)催化反應，造成惡性循環(huán)。所以將液壓油溫度控制在合理范圍內是保證系統(tǒng)不生成內在污染物的關鍵。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艙，周圍熱源較多，故冷卻器設計的環(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)的風險。冷卻器換熱量按理論計算換熱量的1.5倍進行選型，留足了余量空間，確保了即使隨設備使用，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。冷卻器設有有效的旁通保護回路，在系統(tǒng)誤動作、油液沖擊、長期侵蝕、沉積物堵塞等異常情況下保證不會發(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，水進口帶有比例閥，通過控制比例閥開度可實現(xiàn)對液壓油溫度的精確控制。冷卻水進口處設有容污機構，便于清洗維護，并設有壓差傳感器，壓差報警信號與液壓油溫度信號一并接入了全船監(jiān)測報警系統(tǒng)。除了對冷卻器進行重點考慮，整個冷卻系統(tǒng)的管路及泵組也做了冗余設計，這樣即使船舶連續(xù)升降過程中冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)了單點故障，也不影響冷卻效果，不會因冷卻系統(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，粘度會有明顯的增加，容易造成流動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，系統(tǒng)啟動前若油溫過低，對液壓油的加熱是靠泵站油箱內置加熱器完成的。

3.4對于重點部件進行特殊處理

因功能需要，部分液壓原件可能會暴露在非潔凈的環(huán)境中，最常見的是活塞式液壓執(zhí)行機構，如何使這些機構不將污染物帶入液壓系統(tǒng)也是防污染的設計重點。以該船液壓升降系統(tǒng)為例，其升降油缸屬于關鍵部件，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，當活塞桿收回油缸內時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，結合強度不低于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，避免了活塞桿因腐蝕或磨損產生金屬碎屑，對該升降系統(tǒng)減少固體顆粒雜質的產生起了關鍵作用。

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)中的水分進行監(jiān)測，幫助船舶輪機員提早發(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到預定值（0.1%）時發(fā)出報警信號至全船監(jiān)測報警系統(tǒng)。除了配有水分傳感器以外，系統(tǒng)在設計時又引入了液壓油脫水裝置，從油箱單獨分出1個支路連接至液壓油脫水裝置、進行循環(huán)分離。該裝置可較好地聚集、分離油液中的水分，并可做到定時自動排水。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間，提高了系統(tǒng)的安全性。

4結語

首先，要想真正做好液壓系統(tǒng)的防污染工作需要每個環(huán)節(jié)都嚴加把控。設備裝配是否得當，系統(tǒng)串油是否達標，備品備件的防護和儲存是否規(guī)范，是否按操作規(guī)程使用設備，維護保養(yǎng)是否到位，人員技術能力是否過關等都是船舶液壓系統(tǒng)清潔度的影響因素，各個方面都沒有短板，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)的設計不應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，找出投入產出的最優(yōu)結合點，為其他船舶液壓系統(tǒng)的設計積累經驗。

參考文獻：

[1]楊啟正.工程機械液壓傳動系統(tǒng)故障原因及預防措施研究[J].河北農機,2021,(07):92-93.

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

作者:鄭鈞 單位:交通運輸部煙臺打撈局