海上平臺吊機液壓系統升級改造

王　寧，張　浩

(中海油能源發展裝備技術有限公司,天津 300452)

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海上平臺吊機液壓系統升級改造

王寧，張浩

(中海油能源發展裝備技術有限公司,天津 300452)

為改善HSB-1550型海上平臺吊機操作性能，應用液壓負載敏感控制技術，在不改變原設備各項功能的基礎上，對原吊機液壓系統進行升級改造，提出負載敏感系統的設計方案，介紹柱塞變量泵、液控多路換向閥的選取原則及過程。試驗測試表明，改造后的系統性能穩定。

海上平臺吊機；液壓系統；升級；負載敏感

實現海上平臺吊機的液壓比例控制、遠程控制并應用負載敏感控制技術，可以改善吊機的控制性能，減輕駕駛員的疲勞程度，并減少設備的能耗。基于以上思路，將一臺海上平臺吊機的手動控制液壓系統升級改造為液壓比例遠程控制液壓系統，并利用柱塞變量泵和液控多路換向閥來實現負載敏感技術在吊機上的成功應用。

1　系統介紹

HSB-1550型海上平臺吊機的液壓系統主要由4部分組成：動力元件、控制元件、執行元件和附件。電動機通過彈性聯軸器與1個四聯齒輪泵相連接，組成了動力元件；

3個手動換向閥和若干溢流閥、節流閥等組成了控制元件；執行元件包括1個變幅液壓缸、2個回轉液壓馬達和1個起升液壓馬達；其余附件包括液壓油箱、濾清器、散熱器及液壓管路等元件。

起升液壓馬達由四聯齒輪泵中的第一級和第二級聯合供油，以達到需求的流量；變幅液壓缸和回轉馬達分別由四聯齒輪泵中的第三級和第四級單獨供油。變幅系統、回轉系統和起升系統分別由1個手動換向閥來控制液流的方向和大小，以實現控制吊機各個動作的方向和速度；高壓油液做功完成后，轉變為低壓油液返回油箱，中途經過散熱器和過濾器以實現對液壓系統的降溫、過濾。

該液壓系統中的手動換向閥直接導致吊機操作性能較差，各動作切換以及微動操作均難以實現平穩過渡，操作者在工作時也容易疲勞。齒輪泵的使用則降低了液壓系統的使用效率，在高壓工況方面也難以滿足極端情況的需要。

2　液壓系統升級設計

2.1液壓系統的總體設計

為了實現吊機各動作的液壓比例控制，在不改變原設備各液壓執行元件的基礎上，將動力裝置和控制元件進行整體升級，相應的附件如油箱、濾清器、散熱器等根據匹配關系，選型計算后亦進行更換。吊機屬于關鍵特種設備，為了增加其安全性，尤其是吊機的限位保護、超重保護等功能，則設計采用安裝在液壓控制管路上的電磁換向閥替換原來主管路上直動式的溢流閥[1]。

升級的液壓操作手柄，采用遞進式靈敏控制，僅需較小的操作力(15～30 N)即可完成吊機的操控，并且操作十分穩定、輕松。手柄部位設計符人機工程學，配以各種電氣觸點開關，實現了遠程控制，改善了吊機的操作性能。

2.2液壓負載敏感技術的應用設計

海上平臺吊機的工作環境非常惡劣，作業工況相對復雜，負載變化非常大，給吊機的正常操作提出了更高的要求。尤其在復雜環境下的微動操作，對1臺海上吊機的使用有著十分重要的影響。原設備采用的手動換向閥和齒輪泵組成的定量節流系統，在面對惡劣環境時微動性能差、各動作相互影響。而利用液壓負載敏感控制技術，不但可以解決以上兩個問題，而且還可以使液壓泵的流量根據需求進行變化，產生的能量全部應用于負載上，沒有額外的壓力和流量損失，進而實現能源的節約[2]。

2.3負載敏感液壓泵的選用

負載敏感液壓泵是一種軸向柱塞變量泵，其液壓回路系統見圖1。

圖1　負載敏感液壓泵原理

該泵由負載敏感閥對負載敏感泵進行控制，可以按照系統的實際需求輸出流量，從而降低能耗[3]。在原動機啟動之前，整個液壓系統中沒有壓力，負載敏感泵的斜盤僅在復位彈簧的彈簧力作用下處于最大擺角位置。

當原動機啟動后，如果吊機液壓系統執行元件沒有流量需求，則負載敏感泵的斜盤在液壓油的壓力作用下克服復位彈簧力，僅需幾十ms的時間即可達到調節閥芯的平衡狀態，此時液壓泵出口壓力一直保持在1.8～2.5 MPa[4]。

當吊機需要動作時，扳動液控操作手柄，通過壓力的控制使得負載敏感閥的節流口平穩開啟，表明液壓系統此時需要流量進行做功，則負載敏感泵的負載敏感控制機構會根據不同的流量需求，自動地改變液壓泵的斜盤角度，進而改變泵的排量以達到控制輸出流量的目的，節流口兩端的壓差會維持在預先設定的固定壓力。

當吊機不工作時，液壓系統執行元件不需要流量，此時負載敏感閥芯被泵的輸出壓力推到左端，泵輸出的流量進入變量伺服缸的右側大腔，增大右側推力，使泵的斜盤擺角變小，直到壓力與變量缸左側小腔中的復位彈簧在Δp左右時達到平衡，形成儲備壓力(當有流量需求時，儲備壓力可以更快地推動變量缸，提高主泵的響應速度，使主泵斜盤擺角快速增大)。此時主泵的排量非常微小，主要補充液壓泵的內部泄漏量。

傳感節流孔通常為單獨安裝的負載敏感換向閥，也成為多路換向閥，該換向閥閥芯的位置決定了傳感節流閥的打開面積也就是主泵的流量[5]。負載敏感的控制原理是通過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]。當壓差Δp增大時，液壓泵斜盤向Vg min方向擺動；Δp減小時，泵斜盤向Vg max擺動，直到閥內傳感節流孔兩端壓差恢復到設定值為止。

Δp的設定范圍一般在1.8～2.5 MPa之間，液壓系統待機工作(液壓泵出口堵住)時的待命壓力比Δp設定值略高，壓力切斷功能內置于泵的控制裝置中。根據流體力學中流量的計算公式可知，為了保證節流孔前后壓差Δp維持恒定，除了節流口過流面積A外的其他值均為恒定值，通過節流口到負載的流量q與A呈比例關系，即A值越大，負載所需的流量就越大，液壓泵的斜盤擺角就越大，最終提供系統流量q就越多[7]。

負載敏感液壓泵的最大優勢就在于，液壓泵的流量與安裝在泵出口和執行元件之間的多路換向閥的通流面積有關，系統流量在功率曲線和壓力切斷曲線之下的整個控制范圍內，其與負載壓力沒有關系，在系統中沒有多余的流量輸出，同時還有穩定的操控性能。

2.4負載敏感多路閥的選用

多路換向閥是整個液壓系統動作的主控制閥，其油路是吊機液壓系統中的主油路，液壓泵是通過多路換向閥來改變各個執行元件的供油流量和方向的，進而決定了吊機的工作特性。

典型的負載敏感多路換向閥的剖視圖見圖2，所有相關的壓力補償閥都互相連接而且用相同的壓力差操縱，其中最高的負載壓力適用于所有壓力補償器。當多動作系統不協調，即按要求的速度操作所有執行機構所需流量大于泵的最大流量時，其通過所有壓力補償閥產生的壓力差來實現，所有動作功能的速度均勻減小，這樣能防止液壓執行機構產生停滯的現象。

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

2.4.1待機工況

在控制閥中位(a、b口無先導壓力)時，從液壓泵到P′口通道的連接被閥芯完全封閉，負載保持單向閥和壓力補償閥同時關閉。在這個位置時，P′口通道內和負載保持閥下游的壓力通過閥芯的間隙減少到回油箱壓力。由于控制閥芯的重疊，密封長度使執行機構接口在殼體中封閉，執行機構因此保持在這個位置。該壓力補償閥安排在控制閥芯測流口的下游，其包含一個控制閥芯13和一個能限定穩固初始位置的微壓縮彈簧14。圖3顯示了典型負載敏感多路閥的特性曲線。

圖3　負載敏感多路閥特性

2.4.2最高負載工況

先導控制油源的壓力，通過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比例地移動。A口的先導壓力推著閥芯克服B側控制蓋內的彈簧力向右移動。控制閥芯的測流輸入節流口7打開了從泵來的P口與P′通道的連接，該壓力使得壓力補償閥13打開并且被施加到單向閥3上。

執行機構A口壓力Pc通過控制閥芯的11通道使左邊的單向閥3關閉。當P′壓力升至高于Pc時，單向閥打開，液壓泵和執行機構之間的通道打開，執行機構開始動作[8]。執行機構內排出的油從B口通過輸出測流節流口9流回到油箱，只要執行機構口的壓力低于設定壓力，二次壓力安全閥2就保持關閉。在外負荷作用力造成的執行機構產生氣穴現象的情況下，與A口連接的過載閥(壓力釋放閥)的補油錐閥芯打開，進行補油，防止吸空。

在單獨動作情況下或當執行機構的負載壓力Pc在系統中處于最高時，通過來自P′通道的壓力補償閥的內孔產生負載傳感(LS)壓力，并且反饋到泵控制器和帶有較低負載壓力的壓力補償閥部件。

從負載保持閥上游，P′通道提供的LS信號，確保達到需要的工作壓力，執行機構端口才打開，這可以防止由于LS供給從執行機構油路中分流油液而導致執行機構短暫下降。壓力補償閥完全打開后，P′通道與執行機構Pc接口連接而沒有壓降。

2.4.3液壓泵最高流量工況

當液壓系統達到最高流量需求時，經由測流節流口需求的流量小于或等于泵的流量，此時：

(1)

Δp節流口基本上與泵的流量控制器上設定的Δp負載敏感控制器相一致，由于從泵到測流口的補油路上會有壓力損失，故2個Δp值會有輕微差異。典型的例子即是海上吊機在變幅、回轉和起升3個動作同時作業時，起升回路中更高的負載壓力使得回轉和變幅部分的壓力補償閥中的節流口通流面積減少，在這種控制狀態下，壓力補償閥的控制端產生一個從P′通道到執行機構端口Pc的壓降，與通過測流節流口7的Δp是相同的。因此，吊機的各動作速度與負載的大小沒有關系。

2.4.4系統流量超過泵流量工況

當液壓系統各執行機構所需的流量總和超過液壓泵的最大流量時，由打開著的測流節流孔通流面積總和決定的油量將超過泵的最大流量，壓力控制器不再能通過進一步轉動泵的斜盤來提供所需的系統流量。此時：

(2)

在這種狀態下，泵的排量是由功率控制器決定的。在負載敏感系統中，所有執行機構部分的Δp測流節流口保持相同，但不是一個恒定值。根據流量差值的大小，其值可能在設定值Δp壓力左右變化，在這個范圍內，負載敏感系統按比例相應地分配流量。

正是這個原因，即使在泵流量不足的情況下，負載敏感系統內負載壓力最高的執行機構也將不會陷入停頓狀態，而是所有工作中的執行機構的速度根據開啟的通流面積按比例相應減小[9]。

2.5其他液壓附件的選用

在海上吊機液壓系統中，除了液壓泵、控制閥和馬達等主要元件外，液壓油箱、散熱器、濾清器等附件的正確選用對液壓系統的正常使用也有著非常重要的作用。該系統液壓附件包括蓄能器、散熱器、加熱器、過濾器以及液壓管路等元件，在設計選用時均要根據系統本身的額定壓力、額定流量以及特殊工況等因素進行合理安排，這也是液壓系統正常工作的重要保證[10]。

3　結束語

該套升級改造設計方案，已經在BZ28-1南北平臺吊機上成功應用，使用效果良好。通過理論設計與實踐分析，可以看出該海上吊機液壓系統升級技術具有以下特點。

1)通過操作手柄的調節，控制了多路換向閥的閥芯開口度，而負載敏感液壓泵能夠根據固定的微小壓差來進行自動調節斜盤角度，并輸出和負載速度相匹配的流量，整個過程與負載的大小沒有關系。

2)多路換向閥與變量泵的組合應用，使得整個系統流量控制特性非常好，流量控制精準并且穩定，可輕易實現遠程控制、限位控制，并且在惡劣的工況下沒有沖擊。

負載敏感技術的成功應用，不但提高了吊機的操作性能、改善了操作環境，而且使得整個液壓系統的功率損失有所下降，提高了工作效率，相信在海上平臺吊機上會應用越來越廣。

結合實際設計項目開展的關于海上平臺吊機液壓系統升級的研究，所提出的用于多執行器的負載敏感系統，在海上平臺吊機負載敏感系統應用領域有一定的實際應用意義。結合此研究成果，后續將對不同結構的吊機進行進一步的優化，以達到對吊機最大化的優化，保證平臺安全生產。

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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，學士，工程師

U664.4

A

1671-7953(2016)01-0151-04

研究方向:海上平臺起重機設計與改造技術

E-mail:wangning0324@163.com