王　寧，張　浩

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司,天津 300452)

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海上平臺(tái)吊機(jī)液壓系統(tǒng)升級(jí)改造

王寧，張浩

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司,天津 300452)

為改善HSB-1550型海上平臺(tái)吊機(jī)操作性能，應(yīng)用液壓負(fù)載敏感控制技術(shù)，在不改變?cè)O(shè)備各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)上，對(duì)原吊機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，提出負(fù)載敏感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，介紹柱塞變量泵、液控多路換向閥的選取原則及過(guò)程。試驗(yàn)測(cè)試表明，改造后的系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

海上平臺(tái)吊機(jī)；液壓系統(tǒng)；升級(jí)；負(fù)載敏感

實(shí)現(xiàn)海上平臺(tái)吊機(jī)的液壓比例控制、遠(yuǎn)程控制并應(yīng)用負(fù)載敏感控制技術(shù)，可以改善吊機(jī)的控制性能，減輕駕駛員的疲勞程度，并減少設(shè)備的能耗?；谝陨纤悸?，將一臺(tái)海上平臺(tái)吊機(jī)的手動(dòng)控制液壓系統(tǒng)升級(jí)改造為液壓比例遠(yuǎn)程控制液壓系統(tǒng)，并利用柱塞變量泵和液控多路換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載敏感技術(shù)在吊機(jī)上的成功應(yīng)用。

1　系統(tǒng)介紹

HSB-1550型海上平臺(tái)吊機(jī)的液壓系統(tǒng)主要由4部分組成：動(dòng)力元件、控制元件、執(zhí)行元件和附件。電動(dòng)機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器與1個(gè)四聯(lián)齒輪泵相連接，組成了動(dòng)力元件；

3個(gè)手動(dòng)換向閥和若干溢流閥、節(jié)流閥等組成了控制元件；執(zhí)行元件包括1個(gè)變幅液壓缸、2個(gè)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)和1個(gè)起升液壓馬達(dá)；其余附件包括液壓油箱、濾清器、散熱器及液壓管路等元件。

起升液壓馬達(dá)由四聯(lián)齒輪泵中的第一級(jí)和第二級(jí)聯(lián)合供油，以達(dá)到需求的流量；變幅液壓缸和回轉(zhuǎn)馬達(dá)分別由四聯(lián)齒輪泵中的第三級(jí)和第四級(jí)單獨(dú)供油。變幅系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和起升系統(tǒng)分別由1個(gè)手動(dòng)換向閥來(lái)控制液流的方向和大小，以實(shí)現(xiàn)控制吊機(jī)各個(gè)動(dòng)作的方向和速度；高壓油液做功完成后，轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪河鸵悍祷赜拖洌型窘?jīng)過(guò)散熱器和過(guò)濾器以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的降溫、過(guò)濾。

該液壓系統(tǒng)中的手動(dòng)換向閥直接導(dǎo)致吊機(jī)操作性能較差，各動(dòng)作切換以及微動(dòng)操作均難以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡，操作者在工作時(shí)也容易疲勞。齒輪泵的使用則降低了液壓系統(tǒng)的使用效率，在高壓工況方面也難以滿足極端情況的需要。

2　液壓系統(tǒng)升級(jí)設(shè)計(jì)

2.1液壓系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)吊機(jī)各動(dòng)作的液壓比例控制，在不改變?cè)O(shè)備各液壓執(zhí)行元件的基礎(chǔ)上，將動(dòng)力裝置和控制元件進(jìn)行整體升級(jí)，相應(yīng)的附件如油箱、濾清器、散熱器等根據(jù)匹配關(guān)系，選型計(jì)算后亦進(jìn)行更換。吊機(jī)屬于關(guān)鍵特種設(shè)備，為了增加其安全性，尤其是吊機(jī)的限位保護(hù)、超重保護(hù)等功能，則設(shè)計(jì)采用安裝在液壓控制管路上的電磁換向閥替換原來(lái)主管路上直動(dòng)式的溢流閥[1]。

升級(jí)的液壓操作手柄，采用遞進(jìn)式靈敏控制，僅需較小的操作力(15～30 N)即可完成吊機(jī)的操控，并且操作十分穩(wěn)定、輕松。手柄部位設(shè)計(jì)符人機(jī)工程學(xué)，配以各種電氣觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，改善了吊機(jī)的操作性能。

2.2液壓負(fù)載敏感技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

海上平臺(tái)吊機(jī)的工作環(huán)境非常惡劣，作業(yè)工況相對(duì)復(fù)雜，負(fù)載變化非常大，給吊機(jī)的正常操作提出了更高的要求。尤其在復(fù)雜環(huán)境下的微動(dòng)操作，對(duì)1臺(tái)海上吊機(jī)的使用有著十分重要的影響。原設(shè)備采用的手動(dòng)換向閥和齒輪泵組成的定量節(jié)流系統(tǒng)，在面對(duì)惡劣環(huán)境時(shí)微動(dòng)性能差、各動(dòng)作相互影響。而利用液壓負(fù)載敏感控制技術(shù)，不但可以解決以上兩個(gè)問(wèn)題，而且還可以使液壓泵的流量根據(jù)需求進(jìn)行變化，產(chǎn)生的能量全部應(yīng)用于負(fù)載上，沒(méi)有額外的壓力和流量損失，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約[2]。

2.3負(fù)載敏感液壓泵的選用

負(fù)載敏感液壓泵是一種軸向柱塞變量泵，其液壓回路系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1　負(fù)載敏感液壓泵原理

該泵由負(fù)載敏感閥對(duì)負(fù)載敏感泵進(jìn)行控制，可以按照系統(tǒng)的實(shí)際需求輸出流量，從而降低能耗[3]。在原動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之前，整個(gè)液壓系統(tǒng)中沒(méi)有壓力，負(fù)載敏感泵的斜盤(pán)僅在復(fù)位彈簧的彈簧力作用下處于最大擺角位置。

當(dāng)原動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，如果吊機(jī)液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件沒(méi)有流量需求，則負(fù)載敏感泵的斜盤(pán)在液壓油的壓力作用下克服復(fù)位彈簧力，僅需幾十ms的時(shí)間即可達(dá)到調(diào)節(jié)閥芯的平衡狀態(tài)，此時(shí)液壓泵出口壓力一直保持在1.8～2.5 MPa[4]。

當(dāng)?shù)鯔C(jī)需要?jiǎng)幼鲿r(shí)，扳動(dòng)液控操作手柄，通過(guò)壓力的控制使得負(fù)載敏感閥的節(jié)流口平穩(wěn)開(kāi)啟，表明液壓系統(tǒng)此時(shí)需要流量進(jìn)行做功，則負(fù)載敏感泵的負(fù)載敏感控制機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)不同的流量需求，自動(dòng)地改變液壓泵的斜盤(pán)角度，進(jìn)而改變泵的排量以達(dá)到控制輸出流量的目的，節(jié)流口兩端的壓差會(huì)維持在預(yù)先設(shè)定的固定壓力。

當(dāng)?shù)鯔C(jī)不工作時(shí)，液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件不需要流量，此時(shí)負(fù)載敏感閥芯被泵的輸出壓力推到左端，泵輸出的流量進(jìn)入變量伺服缸的右側(cè)大腔，增大右側(cè)推力，使泵的斜盤(pán)擺角變小，直到壓力與變量缸左側(cè)小腔中的復(fù)位彈簧在Δp左右時(shí)達(dá)到平衡，形成儲(chǔ)備壓力(當(dāng)有流量需求時(shí)，儲(chǔ)備壓力可以更快地推動(dòng)變量缸，提高主泵的響應(yīng)速度，使主泵斜盤(pán)擺角快速增大)。此時(shí)主泵的排量非常微小，主要補(bǔ)充液壓泵的內(nèi)部泄漏量。

傳感節(jié)流孔通常為單獨(dú)安裝的負(fù)載敏感換向閥，也成為多路換向閥，該換向閥閥芯的位置決定了傳感節(jié)流閥的打開(kāi)面積也就是主泵的流量[5]。負(fù)載敏感的控制原理是通過(guò)比較多路換向閥入口和出口的壓力，并保持閥的前后壓降恒定，從而使泵的流量維持恒定[6]。當(dāng)壓差Δp增大時(shí)，液壓泵斜盤(pán)向Vg min方向擺動(dòng)；Δp減小時(shí)，泵斜盤(pán)向Vg max擺動(dòng)，直到閥內(nèi)傳感節(jié)流孔兩端壓差恢復(fù)到設(shè)定值為止。

Δp的設(shè)定范圍一般在1.8～2.5 MPa之間，液壓系統(tǒng)待機(jī)工作(液壓泵出口堵住)時(shí)的待命壓力比Δp設(shè)定值略高，壓力切斷功能內(nèi)置于泵的控制裝置中。根據(jù)流體力學(xué)中流量的計(jì)算公式可知，為了保證節(jié)流孔前后壓差Δp維持恒定，除了節(jié)流口過(guò)流面積A外的其他值均為恒定值，通過(guò)節(jié)流口到負(fù)載的流量q與A呈比例關(guān)系，即A值越大，負(fù)載所需的流量就越大，液壓泵的斜盤(pán)擺角就越大，最終提供系統(tǒng)流量q就越多[7]。

負(fù)載敏感液壓泵的最大優(yōu)勢(shì)就在于，液壓泵的流量與安裝在泵出口和執(zhí)行元件之間的多路換向閥的通流面積有關(guān)，系統(tǒng)流量在功率曲線和壓力切斷曲線之下的整個(gè)控制范圍內(nèi)，其與負(fù)載壓力沒(méi)有關(guān)系，在系統(tǒng)中沒(méi)有多余的流量輸出，同時(shí)還有穩(wěn)定的操控性能。

2.4負(fù)載敏感多路閥的選用

多路換向閥是整個(gè)液壓系統(tǒng)動(dòng)作的主控制閥，其油路是吊機(jī)液壓系統(tǒng)中的主油路，液壓泵是通過(guò)多路換向閥來(lái)改變各個(gè)執(zhí)行元件的供油流量和方向的，進(jìn)而決定了吊機(jī)的工作特性。

典型的負(fù)載敏感多路換向閥的剖視圖見(jiàn)圖2，所有相關(guān)的壓力補(bǔ)償閥都互相連接而且用相同的壓力差操縱，其中最高的負(fù)載壓力適用于所有壓力補(bǔ)償器。當(dāng)多動(dòng)作系統(tǒng)不協(xié)調(diào)，即按要求的速度操作所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需流量大于泵的最大流量時(shí)，其通過(guò)所有壓力補(bǔ)償閥產(chǎn)生的壓力差來(lái)實(shí)現(xiàn)，所有動(dòng)作功能的速度均勻減小，這樣能防止液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生停滯的現(xiàn)象。

1-行程限制塊；2-二次壓力釋放閥；3-負(fù)載保持閥；4-壓力補(bǔ)償閥；5-先導(dǎo)梭閥；6-控制閥桿；7-輸入測(cè)流口p→A；8-輸入測(cè)流口p→B；9-輸出測(cè)流口B→T；10-輸出測(cè)流口A→T；11-通道pc→A；12-通道pc→B；13-壓力補(bǔ)償控制閥桿；14-壓縮彈簧圖2　負(fù)載敏感多路閥

2.4.1待機(jī)工況

在控制閥中位(a、b口無(wú)先導(dǎo)壓力)時(shí)，從液壓泵到P′口通道的連接被閥芯完全封閉，負(fù)載保持單向閥和壓力補(bǔ)償閥同時(shí)關(guān)閉。在這個(gè)位置時(shí)，P′口通道內(nèi)和負(fù)載保持閥下游的壓力通過(guò)閥芯的間隙減少到回油箱壓力。由于控制閥芯的重疊，密封長(zhǎng)度使執(zhí)行機(jī)構(gòu)接口在殼體中封閉，執(zhí)行機(jī)構(gòu)因此保持在這個(gè)位置。該壓力補(bǔ)償閥安排在控制閥芯測(cè)流口的下游，其包含一個(gè)控制閥芯13和一個(gè)能限定穩(wěn)固初始位置的微壓縮彈簧14。圖3顯示了典型負(fù)載敏感多路閥的特性曲線。

圖3　負(fù)載敏感多路閥特性

2.4.2最高負(fù)載工況

先導(dǎo)控制油源的壓力，通過(guò)操作手柄的控制使得控制閥芯6克服彈簧力，隨壓力的變化按相應(yīng)比例地移動(dòng)。A口的先導(dǎo)壓力推著閥芯克服B側(cè)控制蓋內(nèi)的彈簧力向右移動(dòng)?？刂崎y芯的測(cè)流輸入節(jié)流口7打開(kāi)了從泵來(lái)的P口與P′通道的連接，該壓力使得壓力補(bǔ)償閥13打開(kāi)并且被施加到單向閥3上。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)A口壓力Pc通過(guò)控制閥芯的11通道使左邊的單向閥3關(guān)閉。當(dāng)P′壓力升至高于Pc時(shí)，單向閥打開(kāi)，液壓泵和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的通道打開(kāi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)始動(dòng)作[8]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)排出的油從B口通過(guò)輸出測(cè)流節(jié)流口9流回到油箱，只要執(zhí)行機(jī)構(gòu)口的壓力低于設(shè)定壓力，二次壓力安全閥2就保持關(guān)閉。在外負(fù)荷作用力造成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象的情況下，與A口連接的過(guò)載閥(壓力釋放閥)的補(bǔ)油錐閥芯打開(kāi)，進(jìn)行補(bǔ)油，防止吸空。

在單獨(dú)動(dòng)作情況下或當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)載壓力Pc在系統(tǒng)中處于最高時(shí)，通過(guò)來(lái)自P′通道的壓力補(bǔ)償閥的內(nèi)孔產(chǎn)生負(fù)載傳感(LS)壓力，并且反饋到泵控制器和帶有較低負(fù)載壓力的壓力補(bǔ)償閥部件。

從負(fù)載保持閥上游，P′通道提供的LS信號(hào)，確保達(dá)到需要的工作壓力，執(zhí)行機(jī)構(gòu)端口才打開(kāi)，這可以防止由于LS供給從執(zhí)行機(jī)構(gòu)油路中分流油液而導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)短暫下降。壓力補(bǔ)償閥完全打開(kāi)后，P′通道與執(zhí)行機(jī)構(gòu)Pc接口連接而沒(méi)有壓降。

2.4.3液壓泵最高流量工況

當(dāng)液壓系統(tǒng)達(dá)到最高流量需求時(shí)，經(jīng)由測(cè)流節(jié)流口需求的流量小于或等于泵的流量，此時(shí)：

(1)

Δp節(jié)流口基本上與泵的流量控制器上設(shè)定的Δp負(fù)載敏感控制器相一致，由于從泵到測(cè)流口的補(bǔ)油路上會(huì)有壓力損失，故2個(gè)Δp值會(huì)有輕微差異。典型的例子即是海上吊機(jī)在變幅、回轉(zhuǎn)和起升3個(gè)動(dòng)作同時(shí)作業(yè)時(shí)，起升回路中更高的負(fù)載壓力使得回轉(zhuǎn)和變幅部分的壓力補(bǔ)償閥中的節(jié)流口通流面積減少，在這種控制狀態(tài)下，壓力補(bǔ)償閥的控制端產(chǎn)生一個(gè)從P′通道到執(zhí)行機(jī)構(gòu)端口Pc的壓降，與通過(guò)測(cè)流節(jié)流口7的Δp是相同的。因此，吊機(jī)的各動(dòng)作速度與負(fù)載的大小沒(méi)有關(guān)系。

2.4.4系統(tǒng)流量超過(guò)泵流量工況

當(dāng)液壓系統(tǒng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的流量總和超過(guò)液壓泵的最大流量時(shí)，由打開(kāi)著的測(cè)流節(jié)流孔通流面積總和決定的油量將超過(guò)泵的最大流量，壓力控制器不再能通過(guò)進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng)泵的斜盤(pán)來(lái)提供所需的系統(tǒng)流量。此時(shí)：

(2)

在這種狀態(tài)下，泵的排量是由功率控制器決定的。在負(fù)載敏感系統(tǒng)中，所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分的Δp測(cè)流節(jié)流口保持相同，但不是一個(gè)恒定值。根據(jù)流量差值的大小，其值可能在設(shè)定值Δp壓力左右變化，在這個(gè)范圍內(nèi)，負(fù)載敏感系統(tǒng)按比例相應(yīng)地分配流量。

正是這個(gè)原因，即使在泵流量不足的情況下，負(fù)載敏感系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載壓力最高的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也將不會(huì)陷入停頓狀態(tài)，而是所有工作中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度根據(jù)開(kāi)啟的通流面積按比例相應(yīng)減小[9]。

2.5其他液壓附件的選用

在海上吊機(jī)液壓系統(tǒng)中，除了液壓泵、控制閥和馬達(dá)等主要元件外，液壓油箱、散熱器、濾清器等附件的正確選用對(duì)液壓系統(tǒng)的正常使用也有著非常重要的作用。該系統(tǒng)液壓附件包括蓄能器、散熱器、加熱器、過(guò)濾器以及液壓管路等元件，在設(shè)計(jì)選用時(shí)均要根據(jù)系統(tǒng)本身的額定壓力、額定流量以及特殊工況等因素進(jìn)行合理安排，這也是液壓系統(tǒng)正常工作的重要保證[10]。

3　結(jié)束語(yǔ)

該套升級(jí)改造設(shè)計(jì)方案，已經(jīng)在BZ28-1南北平臺(tái)吊機(jī)上成功應(yīng)用，使用效果良好。通過(guò)理論設(shè)計(jì)與實(shí)踐分析，可以看出該海上吊機(jī)液壓系統(tǒng)升級(jí)技術(shù)具有以下特點(diǎn)。

1)通過(guò)操作手柄的調(diào)節(jié)，控制了多路換向閥的閥芯開(kāi)口度，而負(fù)載敏感液壓泵能夠根據(jù)固定的微小壓差來(lái)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)斜盤(pán)角度，并輸出和負(fù)載速度相匹配的流量，整個(gè)過(guò)程與負(fù)載的大小沒(méi)有關(guān)系。

2)多路換向閥與變量泵的組合應(yīng)用，使得整個(gè)系統(tǒng)流量控制特性非常好，流量控制精準(zhǔn)并且穩(wěn)定，可輕易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、限位控制，并且在惡劣的工況下沒(méi)有沖擊。

負(fù)載敏感技術(shù)的成功應(yīng)用，不但提高了吊機(jī)的操作性能、改善了操作環(huán)境，而且使得整個(gè)液壓系統(tǒng)的功率損失有所下降，提高了工作效率，相信在海上平臺(tái)吊機(jī)上會(huì)應(yīng)用越來(lái)越廣。

結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)項(xiàng)目開(kāi)展的關(guān)于海上平臺(tái)吊機(jī)液壓系統(tǒng)升級(jí)的研究，所提出的用于多執(zhí)行器的負(fù)載敏感系統(tǒng)，在海上平臺(tái)吊機(jī)負(fù)載敏感系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。結(jié)合此研究成果，后續(xù)將對(duì)不同結(jié)構(gòu)的吊機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，以達(dá)到對(duì)吊機(jī)最大化的優(yōu)化，保證平臺(tái)安全生產(chǎn)。

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Upgrading of the Hydraulic System for the Offshore Platform Crane

WANG Ning, ZHANG Hao

(CNOOC Ener-tech Equipment Technology Co. Ltd., Tianjin 300452, China)

To improve the HSB-1550-type offshore platform crane operating performance targets, without changing the original equipment on the basis of various functions, the hydraulic load sensing control technology is applied to upgrade the original crane hydraulic system. The design plan of the load-sensing system is declared, the selection principles and process of the piston pump and the pilot multi-valve are elaborated. The test results show that the upgraded hydraulic system for the offshore platform crane has stable performance.

offshore platform crane; hydraulic system; upgrading; load-sensing

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.031

2015-07-27

2015-11-03

王寧(1984-)，男，學(xué)士，工程師

U664.4

A

1671-7953(2016)01-0151-04

研究方向:海上平臺(tái)起重機(jī)設(shè)計(jì)與改造技術(shù)

E-mail:wangning0324@163.com