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现代大型船舶，对用于主推进装置的柴油机（下文简称“主机”）进行吊缸检修时，一般使用气动增压泵来拆装缸盖的液压螺栓等。根据主机维护说明书【主机型号：MAN B&W 7G80ME-C9.5】的要求，拆装液压螺栓的油压高达2200bar。这么高的液压力，是由特地配置的专用液压工具---气液增压泵来提供。 某轮最近在对主机№4缸进行吊缸维护时，发现气动增压泵的出口油压只能升压到1200bar，与说明书中要求的2200bar相差甚远，导致缸盖液压螺帽根本拆不下来，给维修工作造成极大麻烦与困难。在对该气动增压泵拆解后发现是因增压柱塞的V型密封和其密封支撑环（back-up ring）磨损老化漏油所致。因船上没有相关备品，只有临时采用尺寸相符的O-Ring代替予以勉强维持使用。在对其进行拆解维修时，发现该气动增压泵的工作原理完全与物理学中压强公式【P=F/S】的物理意义相符合。图一是某轮标配的气液增压泵外形系统图及其损坏的V型柱塞密封。
一：气液增压泵的工作原理与技术参数 1：气液增压泵的工作原理 气液增压泵，就是以低压气体为驱动力来提升液体压力高达数百倍的一种泵浦。在船上，通常是以机舱日用的压力仅为7.0bar的压缩空气作为动力源，由气控阀组件控制，来推动大面积的活塞自动地作往复运动；且也带动与其同轴的小面积活塞作往复运动，经油缸上吸排单向阀开关动作相配合，完成低压液体的吸入与高压液体的排出。增压比决定了泵浦的最大输出油液压力。请参图二。 说明：图二右侧图片摘录于2023.02.13船舶讲武堂《19种泵的工作原理》一文。
2：气液增压泵的技术参数 重量：32 Kg ； 尺寸：490*430*480 mm ； 油箱容量 ：约 8.0 升； 泵工作速度：约 450 次循环/每分钟@输入空气压力：0.7 Mpa； 最大流量（不考虑压力）：约 0.35 M3/每分钟@输入空气压力：0.7 Mpa； 输出油压 ：最大 350 Mpa（输入空气压力 0.7 Mpa)； 输出油压 ：最大 300 Mpa（输入空气压力 0.6 Mpa）； 二：压强的物理定义与公式 1：压强的定义 物理学中压强的定义：是指物体单位面积上受到的压力，符号为P（Pressure）。压强用来表示压力产生的效果，压强越大，压力的作用效果越明显。 2：压强公式 压强的计算公式是：P=F/S，压强的单位是帕斯卡（简称帕），符号是Pa。 3：压强的调控方法： 增大压强的方法有：在受力面积不变的情况下增加压力或在压力不变的情况下减小受力面积。 减小压强的方法有：在受力面积不变的情况下减小压力或在压力不变的情况下增大受力面积。 三：压强的物理意义在气液增压泵结构上的实际体现 在拆解修理船上的气液增压泵时，用游标卡尺测量其气动活塞的直径是149.0mm；而油液增压柱塞的直径是6.6mm，难以避免测量误差。请参图二。 1：计算在气液增压泵大活塞上产生的压缩空气驱动力 根据气液增压泵工作原理可知，其大直径的活塞是由机舱日用压缩空气驱动，压缩空气压力最高为7.0bar。【1bar = 10牛顿/cm2 = 1.01972kgf/cm2 】。 这里P气 = 7.0bar =70牛顿/cm2 ， S1 = πr2 = 3.14 x (149÷10÷2）2 = 174.27785cm2 ≈ 174.28cm2。 在气动活塞上产生的空气驱动力设为F1，将压强公式变换成求力式，并将上述参数值代入求力算式，可得： F1= P气x S1= 70牛顿/cm2 x 174.28cm2 = 12199.6牛顿。 2：计算输出油液的压强 根据气液增压泵的结构可知，空气驱动活塞（大活塞）和油液增压柱塞（小活塞）同轴连接，在空气活塞上产生的力机械性地传递到油液增压柱塞上，由此可以计算出油液提升的输出油压。 油液增压柱塞（小活塞）的测量直径是6.6mm， 依据面积公式：S2 = πr2 = 3.14 x (6.6÷10÷2）2 = 0.341946cm2 ≈ 0.342cm2。 根据压强公式：P = F/S，则将上述计算值代入可得： P油 = F/S = 12199.6/ 0.342 = 35671.34 牛顿/cm2 。 再根据单位换算式：1MPa = 10bar; 1bar = 10牛顿/cm2 = 1.01972kgf/cm2 。 则P油 = 35671.34 ÷ 10 ÷ 10 = 356.71MPa 。 此计算结果与上述该型气液升压泵技术参数中的最大输出油压基本相符。 3：计算气液增压泵上空气驱动活塞与油液增压柱塞的面积比 根据该型气液增压泵技术参数以及压强公式来计算空气驱动活塞与油液增压柱塞的面积比。 （1）：据在该泵技术参数中的表述，输出油压 ：最大 350 Mpa（输入空气压力 0.7 Mpa)； 根据压强公式及力平衡关系列式如下： 将 P气 x S气 = P 油x S油 变换为两活塞面积比算式，并将相关技术参数值代入，则有 S气 /S油 = P 油 / P气 = 350/0.7 = 500; （2）：另据在该泵技术参数中的表述，输出油压 ：最大 300 Mpa（输入空气压力 0.6Mpa)； 根据压强公式以及力平衡关系列式如下： 将 P气 x S气 = P 油x S油 变换为两活塞面积比算式，并将相关技术参数值代入，则有 S气 /S油 = P 油 / P气 = 300/0.6 = 500; （3）：根据在拆装维修时所测量的两活塞的直径来计算其面积比。 在拆解修理船上的气液增压泵时，用游标卡尺测量其气动活塞的直径是149.0mm；而油液增压柱塞的直径是6.6mm。 S气 /S油 = πR2气 / πr2油 = (74.5/3.3)2 = 509.4 > 500 ； 对比上述（1）、（2）、（3）算式结果，可知，根据两活塞直径的测量值所计算的面积比略大于根据技术参数所计算的两活塞面积比，据此，是否可将此作为参考依据，来判断活塞制造加工精度是否符合标准？测量环节误差大小？使用环节磨损多少？值得商榷。 4：根据两活塞面积比计算压缩空气的调节压力 据上述，已知技术参数能计算出两活塞的面积比为500，则可根据压强公式与力平衡式计算出缸盖液压螺栓需要2200bar的油压力所对应的压缩空气压力是多少，计算过程如下： 将 P气 x S气 = P 油x S油 变换为 P气 =（ P 油x S油 ）/ S气 ,并代入上述参数值，可得 P气 =（ P 油x S油 ）/ S气 = 2200 / 500 = 4.4bar； 由此可见，在机舱吊缸检修作业中，使用气液增压泵拆装液压螺栓时，为达到说明书规定的油压力2200bar,则压缩空气的压力至少要高于4.4bar。 从气液增压泵系统图上可知，该泵配有压缩空气输入调压阀。根据上述计算，也可明了该泵配有压缩空气输入调压阀的原因，以及相关操作程序。这也是理论上对压强的调控方法在工程设备上的具体体现。 5：从两活塞间的力平衡来理解该泵工作特性 该泵在实际工作中，具有“自动循环保压”的工作特性。即当出口油压力升高时，泵会减速运行，并对空气驱动活塞产生一定阻力；当两活塞间的力平衡时，泵会自动停止运行。此时空气活塞端的压力与增压柱塞上液压力达到平稳，活塞保持静止，此时能量消耗最低，无油温之困扰，各部件停止工作；当油液出口压力降低或气体驱动压力增加时，气液增压泵会自动启动运行。 在实际操作中，我们可以根据所需提升油压计算出压缩空气的调节压力，据此就可对泵上的压力调节阀（图一中③）进行设定，然后气液增压泵就会进行“自动循环保压”的工作模式。诚然，这是在泵浦各零件无损坏的情况下能实现的自动操作。 四：总结 1：设备的技术参数是符合设计要求的制造标准和运行范围。在实际工作中，设备的技术参数是其运行状态正常与否的判断依据，可见其重要性。 2：通过上文对一个简单物理公式的分析，既能明白所学理论知识在工作中的实际应用；又能了解船舶机舱中所用设备的工作原理，更便于理解设备的操作程序及结构与性能。 3：根据主机液压螺栓的拆装要求，气液增压泵的出口油压需提升到2200bar，属于高压设备，使用时合理调节驱动空气压力，避免误操作而造成爆管溅射受伤事故。 因专业理论不强与技术水平浅薄，难免出现差错，敬请批评指正！ 本文作者：张献宝轮机长 2023-6-22 |
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