摘" " 要：負(fù)載敏感變量泵能夠按照負(fù)載需求控制泵輸出的壓力和流量，無(wú)負(fù)載時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)，具有節(jié)能、效率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在海洋鉆井平臺(tái)裝備中得到廣泛應(yīng)用，如吊機(jī)、JJC液壓站等。以海洋鉆井平臺(tái)吊機(jī)力士樂(lè)A10負(fù)載敏感軸向柱塞變量泵為例，介紹變量泵的組成結(jié)構(gòu)及閥塊功能，分析柱塞泵的工作原理、調(diào)節(jié)方法，利用AMEsim液壓仿真軟件對(duì)負(fù)載敏感變量泵進(jìn)行建模、仿真，分析并驗(yàn)證海洋鉆井平臺(tái)吊機(jī)常見(jiàn)的液壓操作控制系統(tǒng)無(wú)壓力、吊機(jī)不工作、吊機(jī)主鉤運(yùn)行速度慢、吊機(jī)副鉤或主鉤吊不動(dòng)負(fù)載等故障，并給出相應(yīng)的解決方法。

關(guān)鍵詞：負(fù)載敏感變量泵；工作原理；調(diào)節(jié)方法；AMEsim建模；仿真；故障解決

Application of load sensitive variable pump in offshore drilling platform

LIU Wei， QI Funing， LI Huiyan， GUO Xinjin

Drilling Branch of China Petroleum Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：Load sensitive variable pumps can control the pressure and flow rate of pump output according to load requirements， and can stay in standby mode when there is no load. With advantages such as energy saving， high efficiency， and long service life， they are widely used in offshore drilling platform equipment， such as cranes and JJC hydraulic stations. Taking the offshore platform crane′s Rexroth A10 load sensitive axial piston variable pump as an example， this paper introduces the composition structure and manifold block function of the variable pump， and analyzes the working principle and adjustment method of the piston pump. Then， AMEsim hydraulic simulation software is used for load sensitive variable pump modeling and simulation. At last， common faults of offshore cranes， including no pressure in the hydraulic operation control system， crane failure， slow operation of the crane′s main hook， and load lifting failure of the auxiliary or main hook， are analyzed and verified and resolutions are given.

Keywords：load sensitive variable pump; working principle; adjustment method; AMEsim modeling; simulation; fault resolution

負(fù)載敏感系統(tǒng)是一種能夠感受系統(tǒng)壓力、流量需求，且提供所需的流量和壓力的液壓回路，負(fù)載敏感變量泵的輸出壓力和流量完全根據(jù)負(fù)載的要求而變化[1-2]。實(shí)現(xiàn)負(fù)載敏感控制的完整裝置由如下元件組成：系統(tǒng)不工作時(shí)，負(fù)載敏感閥使其能夠在低壓狀態(tài)下保持待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)時(shí)，負(fù)載敏感閥感受系統(tǒng)的流量需求，并在系統(tǒng)工況變化時(shí)根據(jù)流量需求提供可調(diào)的流量，同時(shí)液壓泵也能感受并響應(yīng)液壓系統(tǒng)的壓力需求，多數(shù)液壓系統(tǒng)并非在恒定的壓力下工作，當(dāng)外部載荷變化時(shí)，液壓系統(tǒng)的工作壓力是不同的；當(dāng)液壓系統(tǒng)未工作且處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，控制閥必須切斷作動(dòng)油缸（或馬達(dá)）與液壓泵之間的壓力信號(hào)，系統(tǒng)未工作時(shí)，液壓泵自動(dòng)轉(zhuǎn)入低壓等待狀態(tài)，當(dāng)控制閥工作時(shí)，先從作動(dòng)油缸（或馬達(dá)）得到壓力需求，并將壓力信號(hào)傳遞給液壓泵，使泵開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)壓力做出響應(yīng)，系統(tǒng)所需的流量是由滑閥的開(kāi)度控制的，系統(tǒng)的流量需求通過(guò)信號(hào)道、控制閥反饋給液壓泵。這種負(fù)載感應(yīng)式柱塞泵與負(fù)載敏感控制閥的組合，使整個(gè)液壓系統(tǒng)具有根據(jù)載荷情況提供工作所需的壓力、流量的特性[3]。本文以華南吊機(jī)為例進(jìn)行介紹。

1" " A10軸向柱塞負(fù)載敏感變量泵的結(jié)構(gòu)與液壓原理

1.1" " 結(jié)構(gòu)

華南吊機(jī)采用A10系列軸向柱塞負(fù)載敏感變量泵，最大工作壓力280 bar（1 bar=0.1 MPa），最大工作流量200 L/min，主要用于開(kāi)式液壓回路中，性能穩(wěn)定可靠，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載敏感、恒壓控制，可設(shè)定最大流量和最小流量，當(dāng)系統(tǒng)壓力低于恒壓功能設(shè)定的壓力時(shí)，負(fù)載傳感功能工作。該柱塞泵由泵體、控制斜盤(pán)、復(fù)位活塞、復(fù)位彈簧、變量活塞、負(fù)載敏感閥和恒壓閥等原件組成，其中負(fù)載敏感閥用于控制調(diào)節(jié)泵的輸出流量，恒壓閥用于限制泵的最大輸出壓力。

1.2" " 液壓原理

負(fù)載敏感變量泵的液壓原理如圖1所示。

2" " A10軸向柱塞負(fù)載敏感變量泵的工作原理

2.1" " 負(fù)載敏感變量泵處于低壓待命狀態(tài)

低壓待命工作狀態(tài)下，負(fù)載敏感變量泵的低壓待命工作流程如圖2所示。

液壓油作用于負(fù)載敏感閥左端的壓力P克服彈簧的預(yù)緊力P彈，使閥芯向右移動(dòng)，負(fù)載敏感閥工作在左位，液壓油通過(guò)變量活塞無(wú)桿腔，油液壓力推動(dòng)變量活塞與斜盤(pán)傾角逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使流量接近于0，負(fù)載敏感變量泵只提供足以補(bǔ)償內(nèi)部泄漏的流量，以維持作用于負(fù)載敏感閥的滑閥右端P彈的等待壓力。

2.2" " 負(fù)載敏感變量泵處于負(fù)載狀態(tài)

當(dāng)負(fù)載敏感變量泵處于負(fù)載狀態(tài)，P作用于負(fù)載敏感閥左側(cè)，PLS控制油路作用于負(fù)載敏感閥的右側(cè)，PLS壓力取決于負(fù)載，由于閥件節(jié)流作用會(huì)產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致PLS lt; P，動(dòng)態(tài)壓差△P=P- PLS。

當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，△P增加，動(dòng)態(tài)壓差的變化被負(fù)載敏感閥檢測(cè)到，滑閥會(huì)右移一段距離，此時(shí)壓力油與控制活塞無(wú)桿腔連通，在壓力油的作用下，控制活塞左移，負(fù)載敏感變量泵的斜盤(pán)傾角變小，流量變小，直到動(dòng)態(tài)壓力△P=P彈，閥芯受力平衡，負(fù)載敏感變量泵的斜盤(pán)傾角保持穩(wěn)定。

當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，△P減小，動(dòng)態(tài)壓差的變化被負(fù)載敏感閥檢測(cè)到，滑閥會(huì)左移一段距離，此時(shí)控制活塞無(wú)桿腔與油箱連通，復(fù)位活塞左移，負(fù)載敏感變量泵的斜盤(pán)傾角變大，流量變大，直到動(dòng)態(tài)壓力△P=P彈，閥芯受力平衡，負(fù)載敏感變量泵的斜盤(pán)傾角保持穩(wěn)定。

2.3" " 負(fù)載敏感變量泵處于最大負(fù)載或過(guò)載狀態(tài)

負(fù)載敏感變量泵處于最大負(fù)載或過(guò)載狀態(tài)時(shí)，變量泵最大負(fù)載工作流程如圖3所示。

當(dāng)變量泵處于最大負(fù)載或過(guò)載狀態(tài)時(shí)，泵出口到負(fù)載的管路無(wú)油液流動(dòng)，處于靜壓平衡狀態(tài)，因此作用于負(fù)載閥左右兩端的壓力P=PLS，負(fù)載敏感閥閥芯推至左端失去調(diào)節(jié)作用，此時(shí)變量泵出口處于封閉狀態(tài)，泵持續(xù)輸出的流量導(dǎo)致壓力迅速升至恒壓閥設(shè)定的壓力，使滑閥右移，恒壓閥處于左位，高壓油通過(guò)該閥作用于變量活塞無(wú)桿腔，推動(dòng)斜盤(pán)轉(zhuǎn)至流量近乎為0的位置，變量泵停止供油，僅提供保持高壓狀態(tài)的系統(tǒng)泄漏量[3]。

3" "A10軸向柱塞負(fù)載敏感變量泵的調(diào)節(jié)方法

3.1" " 流量調(diào)節(jié)

變量泵負(fù)載敏感閥的調(diào)節(jié)方法：LS口泄壓回油箱，關(guān)閉柱塞泵出口，通過(guò)調(diào)節(jié)流量控制閥的調(diào)整螺釘，使壓力達(dá)到需要的壓力，一般為14～20 bar。

3.2" " 最大工作壓力調(diào)節(jié)

變量泵的最大工作壓力由恒壓閥進(jìn)行限制，恒壓閥的調(diào)節(jié)步驟：關(guān)閉負(fù)載反饋閥，關(guān)閉柱塞泵出口，檢查并調(diào)節(jié)恒壓閥至需要壓力，泵最大工作壓力不超過(guò)額定工作壓力280 bar。

3.3" " 負(fù)載敏感變量泵用作恒壓變量泵

可將負(fù)載敏感變量泵由負(fù)載敏感模式調(diào)整成恒壓變量泵模式，調(diào)節(jié)方法：將負(fù)載敏感閥的調(diào)節(jié)螺釘擰至最底部，此時(shí)負(fù)載敏感閥將失去作用，將恒壓閥壓力調(diào)節(jié)到負(fù)載所需壓力，此時(shí)柱塞泵可用作恒壓變量泵使用。

4" " 負(fù)載敏感變量泵的AMEsim建模仿真

4.1" " AMEsim軟件介紹

AMEsim為多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)的建模仿真平臺(tái)，已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天、車(chē)輛、船舶、工程機(jī)械等多學(xué)科領(lǐng)域，成為包括流體、機(jī)械、熱分析、電氣、電磁以及控制等復(fù)雜系統(tǒng)建模和仿真優(yōu)選平臺(tái)[4]。AMEsim具有豐富的機(jī)械庫(kù)、信號(hào)控制庫(kù)、液壓庫(kù)（包括管道模型）、液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)、液阻庫(kù)、熱液壓庫(kù)（包括管道模型）等，可用于液壓仿真設(shè)計(jì)，庫(kù)中的模型和子模型是基于物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)解析表達(dá)式，可以通過(guò)AMEsim求解器來(lái)計(jì)算，不同應(yīng)用庫(kù)的完全兼容，省去了大量額外的編程。采用AMEsim進(jìn)行液壓仿真故障，可以方便地將機(jī)、電、液耦合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)物理模型轉(zhuǎn)換為可視化、模式化的仿真模型，可實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)故障的動(dòng)態(tài)仿真，為故障的診斷和預(yù)測(cè)提供直觀可靠的依據(jù)[5-6]。

4.2" " 負(fù)載敏感變量泵的建模

AMEsim具有圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，可快速進(jìn)行工程系統(tǒng)建模、仿真和動(dòng)態(tài)性能分析[7]。本文利用AMEsim液壓仿真軟件，對(duì)負(fù)載敏感變量泵進(jìn)行建模、仿真，模型中需使用機(jī)械庫(kù)、信號(hào)控制庫(kù)、液壓庫(kù)（包括管道模型）、液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)等。利用液壓模型分析吊機(jī)在日常工作中遇到的復(fù)雜故障，通過(guò)仿真判斷故障的根源，并提出解決方案。負(fù)載敏感變量泵的液壓模型如圖4所示。

4.3" " 負(fù)載敏感變量泵的仿真

4.3.1" " 負(fù)載敏感變量泵性能的仿真分析

負(fù)載敏感變量泵仿真模型各參數(shù)設(shè)置如下：電機(jī)速度1 500 r/min，變量泵流量100 mL/r，變量泵速度1 000 r/min；負(fù)載敏感閥活塞直徑10 mm，彈簧無(wú)壓縮量時(shí)彈力57 N，彈簧剛度50 N/mm；壓力切斷閥活塞直徑10 mm，彈簧無(wú)壓縮量時(shí)彈力200 N，彈簧剛度500 N/mm；設(shè)置的負(fù)載壓力為300 bar，節(jié)流閥1設(shè)定節(jié)流孔徑為10 mm；仿真時(shí)間t最大值為15 s，t=0～10 s時(shí)負(fù)載信號(hào)給定0～300 1，t=10～15 s時(shí)負(fù)載信號(hào)給定為0 1。得出仿真結(jié)果，變量泵的出口壓力曲線、出口流量曲線分別如圖5、圖6所示。

根據(jù)負(fù)載敏感變量泵的仿真結(jié)果，分析變量泵的性能：負(fù)載敏感閥壓力為20 bar，負(fù)載敏感泵的輸出壓力比負(fù)載壓力大20 bar，負(fù)載敏感變量泵根據(jù)泵的輸出壓力與負(fù)載壓力間的差值，控制泵的輸出流量。由變量泵出口壓力和流量曲線可知：t=0～6.3 s時(shí)，負(fù)載的變化通過(guò)信號(hào)反饋給泵，使泵的控制活塞自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)負(fù)載的壓力和流量需求，隨著負(fù)載的增加，變量泵的出口流量和壓力逐漸增加；t=6.3 s時(shí)，泵輸出最大壓力，最大壓力由壓力切斷閥設(shè)定，壓力設(shè)定為216 bar；t=6.3～15 s時(shí)控制斜盤(pán)角度最小，變量泵以最小流量工作。負(fù)載敏感變量泵的功率損失很小，并且可以滿(mǎn)足液壓系統(tǒng)的多個(gè)回路、多個(gè)負(fù)載的壓力和流量需求，具有良好的控制操作方式，簡(jiǎn)單可靠[8]。

4.3.2" " 節(jié)流閥1孔徑大小對(duì)變量泵壓力和流量的影響

1）節(jié)流閥1節(jié)流孔徑減小。負(fù)載敏感變量泵仿真模型各參數(shù)設(shè)置如下：變量泵流量100 mL/r，液壓泵速度1 000 r/min；負(fù)載敏感閥活塞直徑為10 mm，彈簧無(wú)壓縮量時(shí)彈力為57 N，彈簧剛度為50 N/mm；壓力切斷閥活塞直徑為10 mm，彈簧無(wú)壓縮量時(shí)彈力為200 N，彈簧剛度為500 N/mm；負(fù)載閥設(shè)置壓力300 bar，節(jié)流閥1節(jié)流孔徑設(shè)置為2 mm；仿真時(shí)間為5 s，負(fù)載信號(hào)給定0～300 1。得出變量泵的出口壓力曲線、出口流量曲線分別如圖7、圖8所示。

對(duì)比圖5和圖7發(fā)現(xiàn)，將節(jié)流閥1的節(jié)流孔徑變小，泵輸出壓力無(wú)變化；對(duì)比圖6和圖8泵的輸出流量發(fā)現(xiàn)，泵的輸出流量降低。由此可見(jiàn)，為實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)正常運(yùn)行，要保持液壓油的清潔，以確保節(jié)流閥1正常工作。

2）節(jié)流閥1節(jié)流孔徑為0。負(fù)載敏感變量泵仿真模型各參數(shù)設(shè)置如下：變量泵流量100 mL/r，液壓泵速度1 000 r/min；負(fù)載敏感閥的活塞直徑10 mm，彈簧無(wú)壓縮量時(shí)的彈力57 N，彈簧剛度50 N/mm；壓力切斷閥活塞直徑10 mm，彈簧無(wú)壓縮量時(shí)彈力200 N，彈簧剛度500 N/mm；負(fù)載閥設(shè)置壓力300 bar，節(jié)流閥1節(jié)流孔徑設(shè)置為0 mm；仿真時(shí)間為5 s，負(fù)載信號(hào)給定0～300 1。得出變量泵的出口壓力曲線、出口流量曲線分別如圖9、圖10所示。

從圖中可以看出，將節(jié)流閥1的節(jié)流孔徑設(shè)置為0，變量泵出口無(wú)系統(tǒng)壓力輸出，變量泵無(wú)流量輸出。由此可見(jiàn)，要保持液壓油的清潔，確保節(jié)流閥1正常工作，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常工作，同時(shí)要保證連接負(fù)載到負(fù)載敏感閥的液壓膠管工作正常且無(wú)滲漏。

4.3.3" " 壓力切斷閥剛度對(duì)變量泵壓力和流量的影響

降低壓力切斷閥彈簧的剛度，分析負(fù)載敏感變量泵的性能變化。負(fù)載敏感變量泵仿真模型各參數(shù)設(shè)置如下：變量泵流量100 mL/r，液壓泵速度1 000 r/min；負(fù)載敏感閥活塞直徑10 mm，彈簧無(wú)壓縮量時(shí)彈力57 N，彈簧剛度50 N/mm；壓力切斷閥活塞直徑10 mm，彈簧無(wú)壓縮量時(shí)彈力200 N，彈簧剛度130 N/mm；負(fù)載閥設(shè)置壓力300 bar，節(jié)流閥1節(jié)流孔徑設(shè)置為10 mm；仿真時(shí)間為5 s，負(fù)載信號(hào)給定0～300 1。得出變量泵的出口壓力曲線如圖11所示。

從圖11可以看出，將壓力切斷閥的彈簧剛度設(shè)定為130 N/mm，泵的輸出壓力降低至75 bar。由此可見(jiàn)，因負(fù)載敏感變量泵的輸出壓力過(guò)低，液壓系統(tǒng)將無(wú)法滿(mǎn)足負(fù)載需求，因此液壓系統(tǒng)正常工作的前提條件之一是正確設(shè)置壓力切斷閥的壓力，且不應(yīng)超過(guò)泵的最大工作壓力，可通過(guò)對(duì)壓力切斷彈簧力進(jìn)行設(shè)定來(lái)設(shè)置變量泵的最大工作壓力。

5" " 常見(jiàn)故障及解決方法

5.1" " 液壓操作控制系統(tǒng)無(wú)壓力和吊機(jī)不工作

1）由上述負(fù)載敏感變量泵的工作原理以及仿真結(jié)果可知，變量泵正常工作的前提是有負(fù)載反饋，當(dāng)變量泵出現(xiàn)不工作的情況時(shí)，應(yīng)首先排查負(fù)載反饋LS口是否打開(kāi)、LS口是否有泄漏，以及節(jié)流孔是否堵塞，當(dāng)LS口關(guān)閉或泄漏時(shí)變量泵將不工作。

2）當(dāng)LS反饋回路正常時(shí)，排查負(fù)載反饋閥，檢查閥芯是否被卡住，通過(guò)清洗、重新調(diào)節(jié)負(fù)載反饋閥可恢復(fù)其正常工作能力。

5.2" " 吊機(jī)主鉤運(yùn)行速度慢

吊機(jī)主鉤絞車(chē)采用雙馬達(dá)，所需流量大。當(dāng)主鉤運(yùn)行速度出現(xiàn)變慢現(xiàn)象時(shí)，因流量決定負(fù)載的速度，說(shuō)明變量泵的流量降低，檢查節(jié)流閥1的節(jié)流孔，當(dāng)節(jié)流孔發(fā)生堵塞導(dǎo)致節(jié)流孔徑減小時(shí)會(huì)使△P增加，則出現(xiàn)變量泵流量降低，此時(shí)應(yīng)檢查并清洗節(jié)流孔。

5.3" " 吊機(jī)副鉤或主鉤吊不動(dòng)負(fù)載

當(dāng)?shù)鯔C(jī)進(jìn)行吊重或吊重實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)副鉤或主鉤吊不動(dòng)負(fù)載時(shí)，因負(fù)載決定壓力，說(shuō)明系統(tǒng)工作壓力低于負(fù)載工作壓力，此時(shí)應(yīng)檢查多路閥的安全閥是否發(fā)生溢流，當(dāng)安全閥設(shè)置壓力正常時(shí)，說(shuō)明變量泵恒壓閥設(shè)置壓力低，根據(jù)前述調(diào)節(jié)方法對(duì)恒壓閥的彈簧進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至副鉤或主鉤能吊動(dòng)負(fù)載，需注意不要超過(guò)負(fù)載敏感變量泵的最大工作壓力（280 bar）。

6" " 結(jié)束語(yǔ)

負(fù)載敏感變量泵在海洋鉆井平臺(tái)上有著廣泛的應(yīng)用，本文從A10軸向柱塞負(fù)載敏感變量泵的結(jié)構(gòu)、工作原理及調(diào)節(jié)方法出發(fā)，建立了負(fù)載敏感變量泵的AMEsim仿真模型，利用仿真模型分析了各個(gè)液壓元件的工作狀態(tài)對(duì)變量泵的影響，仿真結(jié)果驗(yàn)證了負(fù)載敏感變量泵在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)的故障和解決方法，對(duì)于掌握變量泵的正常工作狀態(tài)和解決同類(lèi)型變量泵故障有著重要的參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：

劉" " 偉（1986—），男，天津人，工程師，2008年畢業(yè)于天津大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，目前主要從事裝備管理工作。Email：liuw.cpoe@cnpc.com.cn

編輯：林" " 鮮