某平臺主推進器液壓系統高溫問題的分析與處理

摘" " 要：本文針對某平臺主推進器液壓系統液壓油高溫問題，開展液壓系統特性及問題分析和原因排查，并在原有設備基礎上，提出了對原有系統改進影響較小的解決方案，有效地解決了問題。對船舶液壓系統的設計和調試具有一定的參考意義。

關鍵詞：液壓系統；高溫；危害；原因分析

中圖分類號：U664.5" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Analysis and Solution of High Temperature Problem in Hydraulic System of the Platform Main Propeller

QIU Hewei1，" QIU Wei2，" HUANG Junjie3，" CAO Hui1

（1. China Merchants Marine Equipment Research Institute Co.，Ltd.， Shenzhen 518067， China;" 2. China Merchants Heavy Industry （Jiangsu） Co.， LTD.， Haimen 226100， China;" 3.Youlian Dockyards （Shekou） Co.， LTD.， Shenzhen 518054， China）

Abstract： This paper aims at the hydraulic oil high temperature problem of hydraulic system of the main propeller of a platform，and conducts the characteristics and problems analysis of the hydraulic system amp; cause investigation， and on the basis of the original equipment， puts forward one solution that is less impact on the improvement of the original system. This solution has effectively solved the problem. It has certain reference significance to the design and commissioning of the marine hydraulic system.

Key words： hydraulic system;" high temperature;" hazard;" fault analysis

1" " 引言

CMHI159項目是我司建造的一艘自升式服務平臺，為四根三角桁架腿的方形船體，采用電液式升降系統實現平臺的升降。它裝備有兩個船尾推進裝置和一個可伸縮的船首推進裝置用于航行和操縱。平臺液壓系統包含液壓設備和樁腿升降裝置，由新加坡AMERIN公司負責液壓系統設計和整體供貨。該液壓系統是一個并聯多用戶的綜合系統，包含4個HPU撬塊。每個撬塊由5臺電機和柱塞泵組合而成，兩個HPU撬塊位于機艙左舷，另外兩個HPU撬塊位于右舷，分別給樁腿升降系統、系泊絞車系統以及艏艉液壓推進器提供液壓動力。

2" " 液壓系統的分類

按油液的循環方式，液壓系統可以分為開式循環系統和閉式循環系統[2]。

開式循環系統是指液壓主泵從HPU油柜抽吸油液，通過各種控制閥門給各液壓用戶提供液壓動力以驅動設備運行，各液壓用戶的回油經換向閥門直接回到HPU油柜。這種開式循環系統結構相對簡單，由于液壓油是從油柜出去最后回到油柜，所以此時HPU油柜起到液壓油散熱、沉淀雜質的作用。但缺點是液壓油與空氣直接接觸，空氣會進入油液介質中，導致管路上需要安裝背壓閥，會導致部分能量損耗。

在開式循環系統中，采用的液壓泵為定量泵或單向變量泵，對泵的自吸能力要求較高。液壓設備換向運行操作需要利用換向閥。但是換向閥換向時，除了產生液壓沖擊外，運動部件的慣性能將轉變為熱能，也會讓液壓油的溫度有所升高[2]，見圖1。

閉式循環系統是指在系統中液壓主泵的進油管直接與液壓用戶設備的回油管相連，液壓油是在循環系統的管路中進行封閉式循環。閉式系統結構較為緊湊，與空氣接觸機會較少，空氣不易滲入系統，所以傳動的平穩性好[1]。

閉式循環系統用的液壓泵（動力元件）通常為雙向變量斜盤式軸向柱塞泵，所以系統無需換向閥來改變液壓馬達的轉速和旋轉方向，而是通過調節變量泵斜盤的角度來改變泵的流量及液壓油的流向。變量泵可以安穩轉變液體流動方向，因而系統穩定性好。

由于閉式循環系統工作完的液壓油不回HPU油柜， 相對開式系統，閉式系統的液壓油的散熱和過濾清潔的條件稍差，且通常需要安裝一個小容量的補液泵進行系統中的液壓油泄漏補償和散熱冷卻[1]，因此這種系統實際上是一個半閉式系統，見圖2。兩種循環系統優缺點對比如表1所示。

3" " "高溫對液壓系統的危害

隨著液壓技術的應用范圍越來越廣，液壓裝置朝著高精度、高壓、小模塊化發展，使得液壓系統對使用環境的要求越來越來嚴苛。液壓系統各種故障中出現最多的是液壓系統高溫故障，液壓系統出現發熱現象如不能及時處理，就會對系統產生極為不利的影響。液壓系統高溫帶來的危害有以下幾點：

1）高溫使液壓油黏度變小。黏度太低，導致液壓油泵泄漏增大，效率下降．甚至導致液壓油泵不能正常工作；

2）高溫油液黏度下降使油膜不穩定。液壓運動部件摩擦面之間的潤滑是需要液壓油膜來保持，高溫會讓該油膜產生一定化學反應而分解，嚴重時甚至使油膜損壞，增大液壓泵、缸、閥等液壓元件內部的摩擦力，產生更多的熱量，形成惡性循環；

3）液壓油在使用過程不可避免的接觸水分和空氣，在使用中會發生氧化，而高溫會加速液壓油的氧化作用。液壓油氧化后會產生瀝青質、酸類和膠質、酮類等物質，使液壓油清潔度降低，使用壽命縮短，如果液壓油的氧化程度較為嚴重，則會導致液壓油失去效用，不能使用；

4）雖然大部分有色金屬的抗腐蝕性較好，但是液壓油高溫變質之后酸性增強，還是會對加大對部分有色金屬和鋼的腐蝕，產生化學腐蝕物，使部件損壞；

5）通常情況下高溫會使液態介質中的空氣析出形成氣泡，那么油液的高溫環境會使介質中的水分氣化，形成蒸汽揮發而產生大量的氣泡。而氣泡則會損壞油液潤滑油膜，這樣使有相對運動的部件的摩擦面失去潤滑保護而發生磨損甚至燒結，對液壓元件的靈敏度產生影響，嚴重情況下油液介質不再滿足液壓系統使用要求；

6）液壓系統中存在不少的橡膠材質的密封件，高溫液壓油會使橡膠性質改變。橡膠遇到高溫會變軟化、老化，甚至溶解，整體性能變差，嚴重的可能密封失效；

7）高溫使液壓油介質膨脹，使液壓系統在管路和壓力容器中的油液壓力上升，增加了安全風險。

4" "CMHI159平臺推進器液壓系統高溫問題案例及分析

4.1" "問題描述

本平臺在航行試驗階段中，在尾部主推進器60%負荷航速5 kn狀態下進行測速試驗，每次試驗時間約為1 h，試驗多次并記錄相關數據。

根據記錄的溫度數據發現，4個HPU撬塊的液壓油柜的油溫隨著試驗次數達到第5次時，油溫逐漸增加至85～95 ℃，觸發液壓系統的溫度傳感器的高溫報警信號，同時在推進器油馬達出口、HPU供油泵出口測量油液溫度皆超過90 ℃。根據推進器廠家資料要求，推進器油馬達的油液運行溫度不能超過74 ℃。液壓油高溫造成液壓系統對周圍環境產生極不安全的因素，也影響推進器油馬達運行功率，同時長時間高溫對油液的特性也有影響。故在當時條件下，每次航速試驗過程中當液壓油溫度超過80 ℃之后需停車，待油箱油溫冷卻到50 ℃以下才能再次進行下次的測速試驗。航行試驗過程中液壓油溫度屢屢超過推進器要求的74 ℃臨界值，船東要求船廠作出分析及給出解決方案。

4.2" "原因分析

在進行航速試驗時，該液壓系統的其他執行元件處于停機狀態，僅尾部推進器需要此液壓系統驅動，所以在此僅需對驅動尾部推進器這一局部回路進行分析。

1）液壓系統原理圖解讀

左右兩舷的HPU撬塊單元分別對應左右2個尾部推進器，以下描述均為單個尾部推進器的液壓系統。如原理圖圖3所示，該液壓系統分為2個獨立的液壓循環系統：

一個是為主推進器油馬達提供動力的閉式液壓循環系統，油液從HPU撬塊主泵經6\"管路送達到推進器油馬達，液壓油在驅動油馬達之后經過6\"回油管回到HPU主泵形成一個完整的閉式回路；推進器油馬達的泄油通過2\"回油管路經過液壓油冷卻器回到HPU油柜，同時還單獨設置一臺沖洗泵從HPU油柜經2\"管路輸送油液去往推進器油馬達，起到補充該閉式系統中因泄漏導致的油液缺失，該泵的回油管和前述的主推進器馬達殼泄油回油管合并成一路經過冷卻器回到HPU油柜，這樣對該閉式回路的液壓油起到冷卻和過濾的作用。

另一個是為舵機油馬達提供動力的開式液壓循環系統，HPU油柜的液壓油經舵機專用主泵，通過1\"管路輸送到液壓換向控制閥組到舵機油馬達，然后液壓油經過回油管回到液壓換向控制閥組，經過液壓油冷卻器最后回到HPU油柜，形成完整的開式液壓循環系統，同時舵機油馬達殼泄油通過1\"管路經液壓油冷卻器后回到HPU油柜。

2）問題排查

（1）首先排除管路堵塞問題，在調試之前整個液壓管路系統經過投油試壓試驗并報檢合格。

（2）液壓系統產生熱量來源分析。從圖3可知，在僅有主推進器運行的工況下，該液壓系統經過冷卻器的液壓油分為以下幾路（單臺推進器）：

①主推進器油馬達殼泄油管，流量為35 GPM，經過液壓油冷卻器帶走部分熱量回到HPU油柜；

②舵機油馬達殼泄油管流量和舵機油馬達開式液壓系統的回油流量總共為30+5=35 GPM，經過液壓油冷卻器帶走部分熱量回到HPU油柜；

③HPU液壓主泵殼泄放管路，流量為112 GPM。在HPU液壓主泵廠家資料中明確要求這一路泵殼泄油管路要接冷卻器再回到HPU油柜，但是經現場實際勘察，這根泵殼泄油管并沒有經過冷卻器而是直接回到HPU油柜，在這種情況下，這部分液壓油的熱量通過液壓油柜散熱到艙室周圍環境中，只能通過艙室通風帶走熱量，但目前HPU艙室的通風換熱風量是基于HPU撬塊廠家提供的液壓油柜散熱量10 kW/臺、主液壓泵電機散熱量為額定功率的6%等參數前提下設計的，主液壓泵泵殼泄漏的這部分液壓油的散熱量并未算入其中。因此，主泵泵殼泄漏的液壓油的熱量不能及時被交換帶走直接導致HPU油柜熱量聚集，油溫持續上升而產生高溫報警。分析認為這是液壓油溫度持續升高的主要原因。

5" " "處理方案

為解決HPU撬塊液壓主泵泵殼泄油回路熱量釋放問題，首先考慮利用原來的3臺風冷冷卻器，把主泵泵殼泄油管路改造接到風冷冷卻器進口，經過冷卻器冷卻后再回到油柜。根據OK-EL8S冷卻器流量-換熱量的曲線（見圖4），其最大流量300 LPM（79.2GPM）對應的換熱量為約55 kW，三臺冷卻器總的最大換熱量是165 kW。

液壓油溫升按22 ℃計算，對應的回油柜的液壓油總流量按上述可知為305+35+112=182 GPM，推進器液壓系統總的散熱量約為447 kW。系統的447 kW的總熱交換量需求遠遠大于三臺原船風冷冷卻器的換熱能力，所以這個利用原風冷冷卻器進行管路改造的方案是行不通的。

其次，在三臺風冷冷卻器改造的基礎上增加板式熱交換器（海水冷卻），利用海水總用泵流量來交換帶走HPU液壓主泵殼泄放管路的部分熱量。HPU總的散熱量447 kW扣除三臺風冷冷卻器帶走的165 kW，還需要交換剩余的447-165=282 kW熱量。因此，可在左右兩組HPU各增加一個285 kW換熱量的板式冷卻器。經計算，原船總用泵137 m3/h流量可滿足兩臺板冷使用。板冷可以布置在原HPU間，不需要配電，是對原船其他相關系統影響最小的改造。

經過計算和與廠家溝通計算，最終確定主推進器液壓系統改進的方案。

6" " "結語

經過碼頭調試，并且在印尼進一步的航速試航中，在相同航速和試驗時間下，推進器、HPU油柜、冷卻器處的油溫下降到臨界溫度要求范圍內，至此，主推進器液壓油高溫的問題得到有效解決，從而保障了液壓系統和主推進器良好運行和船舶的安全航行。以此作為參考，我們也會對后續建造的類似項目液壓系統的設計給予更多的關注。

參考文獻

[1]胡軍馳.液壓傳動閉式系統優缺點及防護[J]．流體傳動與控制，

2011（2）：58-60.

[2]朱新才.液壓傳動與控制[M]．重慶：重慶大學出版社， 1996.