負載敏感變量泵在海洋鉆井平臺的應用

摘" " 要：負載敏感變量泵能夠按照負載需求控制泵輸出的壓力和流量，無負載時處于待機狀態，具有節能、效率高、使用壽命長等優點，在海洋鉆井平臺裝備中得到廣泛應用，如吊機、JJC液壓站等。以海洋鉆井平臺吊機力士樂A10負載敏感軸向柱塞變量泵為例，介紹變量泵的組成結構及閥塊功能，分析柱塞泵的工作原理、調節方法，利用AMEsim液壓仿真軟件對負載敏感變量泵進行建模、仿真，分析并驗證海洋鉆井平臺吊機常見的液壓操作控制系統無壓力、吊機不工作、吊機主鉤運行速度慢、吊機副鉤或主鉤吊不動負載等故障，并給出相應的解決方法。

關鍵詞：負載敏感變量泵；工作原理；調節方法；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

負載敏感系統是一種能夠感受系統壓力、流量需求，且提供所需的流量和壓力的液壓回路，負載敏感變量泵的輸出壓力和流量完全根據負載的要求而變化[1-2]。實現負載敏感控制的完整裝置由如下元件組成：系統不工作時，負載敏感閥使其能夠在低壓狀態下保持待機狀態；當系統轉入工作狀態時，負載敏感閥感受系統的流量需求，并在系統工況變化時根據流量需求提供可調的流量，同時液壓泵也能感受并響應液壓系統的壓力需求，多數液壓系統并非在恒定的壓力下工作，當外部載荷變化時，液壓系統的工作壓力是不同的；當液壓系統未工作且處于待機狀態時，控制閥必須切斷作動油缸（或馬達）與液壓泵之間的壓力信號，系統未工作時，液壓泵自動轉入低壓等待狀態，當控制閥工作時，先從作動油缸（或馬達）得到壓力需求，并將壓力信號傳遞給液壓泵，使泵開始對系統壓力做出響應，系統所需的流量是由滑閥的開度控制的，系統的流量需求通過信號道、控制閥反饋給液壓泵。這種負載感應式柱塞泵與負載敏感控制閥的組合，使整個液壓系統具有根據載荷情況提供工作所需的壓力、流量的特性[3]。本文以華南吊機為例進行介紹。

1" " A10軸向柱塞負載敏感變量泵的結構與液壓原理

1.1" " 結構

華南吊機采用A10系列軸向柱塞負載敏感變量泵，最大工作壓力280 bar（1 bar=0.1 MPa），最大工作流量200 L/min，主要用于開式液壓回路中，性能穩定可靠，可實現負載敏感、恒壓控制，可設定最大流量和最小流量，當系統壓力低于恒壓功能設定的壓力時，負載傳感功能工作。該柱塞泵由泵體、控制斜盤、復位活塞、復位彈簧、變量活塞、負載敏感閥和恒壓閥等原件組成，其中負載敏感閥用于控制調節泵的輸出流量，恒壓閥用于限制泵的最大輸出壓力。

1.2" " 液壓原理

負載敏感變量泵的液壓原理如圖1所示。

2" " A10軸向柱塞負載敏感變量泵的工作原理

2.1" " 負載敏感變量泵處于低壓待命狀態

低壓待命工作狀態下，負載敏感變量泵的低壓待命工作流程如圖2所示。

液壓油作用于負載敏感閥左端的壓力P克服彈簧的預緊力P彈，使閥芯向右移動，負載敏感閥工作在左位，液壓油通過變量活塞無桿腔，油液壓力推動變量活塞與斜盤傾角逆時針轉動，使流量接近于0，負載敏感變量泵只提供足以補償內部泄漏的流量，以維持作用于負載敏感閥的滑閥右端P彈的等待壓力。

2.2" " 負載敏感變量泵處于負載狀態

當負載敏感變量泵處于負載狀態，P作用于負載敏感閥左側，PLS控制油路作用于負載敏感閥的右側，PLS壓力取決于負載，由于閥件節流作用會產生壓降，導致PLS lt; P，動態壓差△P=P- PLS。

當負載減小時，△P增加，動態壓差的變化被負載敏感閥檢測到，滑閥會右移一段距離，此時壓力油與控制活塞無桿腔連通，在壓力油的作用下，控制活塞左移，負載敏感變量泵的斜盤傾角變小，流量變小，直到動態壓力△P=P彈，閥芯受力平衡，負載敏感變量泵的斜盤傾角保持穩定。

當負載增大時，△P減小，動態壓差的變化被負載敏感閥檢測到，滑閥會左移一段距離，此時控制活塞無桿腔與油箱連通，復位活塞左移，負載敏感變量泵的斜盤傾角變大，流量變大，直到動態壓力△P=P彈，閥芯受力平衡，負載敏感變量泵的斜盤傾角保持穩定。

2.3" " 負載敏感變量泵處于最大負載或過載狀態

負載敏感變量泵處于最大負載或過載狀態時，變量泵最大負載工作流程如圖3所示。

當變量泵處于最大負載或過載狀態時，泵出口到負載的管路無油液流動，處于靜壓平衡狀態，因此作用于負載閥左右兩端的壓力P=PLS，負載敏感閥閥芯推至左端失去調節作用，此時變量泵出口處于封閉狀態，泵持續輸出的流量導致壓力迅速升至恒壓閥設定的壓力，使滑閥右移，恒壓閥處于左位，高壓油通過該閥作用于變量活塞無桿腔，推動斜盤轉至流量近乎為0的位置，變量泵停止供油，僅提供保持高壓狀態的系統泄漏量[3]。

3" "A10軸向柱塞負載敏感變量泵的調節方法

3.1" " 流量調節

變量泵負載敏感閥的調節方法：LS口泄壓回油箱，關閉柱塞泵出口，通過調節流量控制閥的調整螺釘，使壓力達到需要的壓力，一般為14～20 bar。

3.2" " 最大工作壓力調節

變量泵的最大工作壓力由恒壓閥進行限制，恒壓閥的調節步驟：關閉負載反饋閥，關閉柱塞泵出口，檢查并調節恒壓閥至需要壓力，泵最大工作壓力不超過額定工作壓力280 bar。

3.3" " 負載敏感變量泵用作恒壓變量泵

可將負載敏感變量泵由負載敏感模式調整成恒壓變量泵模式，調節方法：將負載敏感閥的調節螺釘擰至最底部，此時負載敏感閥將失去作用，將恒壓閥壓力調節到負載所需壓力，此時柱塞泵可用作恒壓變量泵使用。

4" " 負載敏感變量泵的AMEsim建模仿真

4.1" " AMEsim軟件介紹

AMEsim為多學科領域復雜系統的建模仿真平臺，已經成功應用于航空航天、車輛、船舶、工程機械等多學科領域，成為包括流體、機械、熱分析、電氣、電磁以及控制等復雜系統建模和仿真優選平臺[4]。AMEsim具有豐富的機械庫、信號控制庫、液壓庫（包括管道模型）、液壓元件設計庫、液阻庫、熱液壓庫（包括管道模型）等，可用于液壓仿真設計，庫中的模型和子模型是基于物理現象的數學解析表達式，可以通過AMEsim求解器來計算，不同應用庫的完全兼容，省去了大量額外的編程。采用AMEsim進行液壓仿真故障，可以方便地將機、電、液耦合系統的數學物理模型轉換為可視化、模式化的仿真模型，可實現液壓系統故障的動態仿真，為故障的診斷和預測提供直觀可靠的依據[5-6]。

4.2" " 負載敏感變量泵的建模

AMEsim具有圖形化開發環境，可快速進行工程系統建模、仿真和動態性能分析[7]。本文利用AMEsim液壓仿真軟件，對負載敏感變量泵進行建模、仿真，模型中需使用機械庫、信號控制庫、液壓庫（包括管道模型）、液壓元件設計庫等。利用液壓模型分析吊機在日常工作中遇到的復雜故障，通過仿真判斷故障的根源，并提出解決方案。負載敏感變量泵的液壓模型如圖4所示。

4.3" " 負載敏感變量泵的仿真

4.3.1" " 負載敏感變量泵性能的仿真分析

負載敏感變量泵仿真模型各參數設置如下：電機速度1 500 r/min，變量泵流量100 mL/r，變量泵速度1 000 r/min；負載敏感閥活塞直徑10 mm，彈簧無壓縮量時彈力57 N，彈簧剛度50 N/mm；壓力切斷閥活塞直徑10 mm，彈簧無壓縮量時彈力200 N，彈簧剛度500 N/mm；設置的負載壓力為300 bar，節流閥1設定節流孔徑為10 mm；仿真時間t最大值為15 s，t=0～10 s時負載信號給定0～300 1，t=10～15 s時負載信號給定為0 1。得出仿真結果，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。

根據負載敏感變量泵的仿真結果，分析變量泵的性能：負載敏感閥壓力為20 bar，負載敏感泵的輸出壓力比負載壓力大20 bar，負載敏感變量泵根據泵的輸出壓力與負載壓力間的差值，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，負載的變化通過信號反饋給泵，使泵的控制活塞自動進行調整，以適應負載的壓力和流量需求，隨著負載的增加，變量泵的出口流量和壓力逐漸增加；t=6.3 s時，泵輸出最大壓力，最大壓力由壓力切斷閥設定，壓力設定為216 bar；t=6.3～15 s時控制斜盤角度最小，變量泵以最小流量工作。負載敏感變量泵的功率損失很小，并且可以滿足液壓系統的多個回路、多個負載的壓力和流量需求，具有良好的控制操作方式，簡單可靠[8]。

4.3.2" " 節流閥1孔徑大小對變量泵壓力和流量的影響

1）節流閥1節流孔徑減小。負載敏感變量泵仿真模型各參數設置如下：變量泵流量100 mL/r，液壓泵速度1 000 r/min；負載敏感閥活塞直徑為10 mm，彈簧無壓縮量時彈力為57 N，彈簧剛度為50 N/mm；壓力切斷閥活塞直徑為10 mm，彈簧無壓縮量時彈力為200 N，彈簧剛度為500 N/mm；負載閥設置壓力300 bar，節流閥1節流孔徑設置為2 mm；仿真時間為5 s，負載信號給定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。

對比圖5和圖7發現，將節流閥1的節流孔徑變小，泵輸出壓力無變化；對比圖6和圖8泵的輸出流量發現，泵的輸出流量降低。由此可見，為實現液壓系統正常運行，要保持液壓油的清潔，以確保節流閥1正常工作。

2）節流閥1節流孔徑為0。負載敏感變量泵仿真模型各參數設置如下：變量泵流量100 mL/r，液壓泵速度1 000 r/min；負載敏感閥的活塞直徑10 mm，彈簧無壓縮量時的彈力57 N，彈簧剛度50 N/mm；壓力切斷閥活塞直徑10 mm，彈簧無壓縮量時彈力200 N，彈簧剛度500 N/mm；負載閥設置壓力300 bar，節流閥1節流孔徑設置為0 mm；仿真時間為5 s，負載信號給定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，將節流閥1的節流孔徑設置為0，變量泵出口無系統壓力輸出，變量泵無流量輸出。由此可見，要保持液壓油的清潔，確保節流閥1正常工作，才能實現系統正常工作，同時要保證連接負載到負載敏感閥的液壓膠管工作正常且無滲漏。

4.3.3" " 壓力切斷閥剛度對變量泵壓力和流量的影響

降低壓力切斷閥彈簧的剛度，分析負載敏感變量泵的性能變化。負載敏感變量泵仿真模型各參數設置如下：變量泵流量100 mL/r，液壓泵速度1 000 r/min；負載敏感閥活塞直徑10 mm，彈簧無壓縮量時彈力57 N，彈簧剛度50 N/mm；壓力切斷閥活塞直徑10 mm，彈簧無壓縮量時彈力200 N，彈簧剛度130 N/mm；負載閥設置壓力300 bar，節流閥1節流孔徑設置為10 mm；仿真時間為5 s，負載信號給定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定為130 N/mm，泵的輸出壓力降低至75 bar。由此可見，因負載敏感變量泵的輸出壓力過低，液壓系統將無法滿足負載需求，因此液壓系統正常工作的前提條件之一是正確設置壓力切斷閥的壓力，且不應超過泵的最大工作壓力，可通過對壓力切斷彈簧力進行設定來設置變量泵的最大工作壓力。

5" " 常見故障及解決方法

5.1" " 液壓操作控制系統無壓力和吊機不工作

1）由上述負載敏感變量泵的工作原理以及仿真結果可知，變量泵正常工作的前提是有負載反饋，當變量泵出現不工作的情況時，應首先排查負載反饋LS口是否打開、LS口是否有泄漏，以及節流孔是否堵塞，當LS口關閉或泄漏時變量泵將不工作。

2）當LS反饋回路正常時，排查負載反饋閥，檢查閥芯是否被卡住，通過清洗、重新調節負載反饋閥可恢復其正常工作能力。

5.2" " 吊機主鉤運行速度慢

吊機主鉤絞車采用雙馬達，所需流量大。當主鉤運行速度出現變慢現象時，因流量決定負載的速度，說明變量泵的流量降低，檢查節流閥1的節流孔，當節流孔發生堵塞導致節流孔徑減小時會使△P增加，則出現變量泵流量降低，此時應檢查并清洗節流孔。

5.3" " 吊機副鉤或主鉤吊不動負載

當吊機進行吊重或吊重實驗過程中出現副鉤或主鉤吊不動負載時，因負載決定壓力，說明系統工作壓力低于負載工作壓力，此時應檢查多路閥的安全閥是否發生溢流，當安全閥設置壓力正常時，說明變量泵恒壓閥設置壓力低，根據前述調節方法對恒壓閥的彈簧進行調節，直至副鉤或主鉤能吊動負載，需注意不要超過負載敏感變量泵的最大工作壓力（280 bar）。

6" " 結束語

負載敏感變量泵在海洋鉆井平臺上有著廣泛的應用，本文從A10軸向柱塞負載敏感變量泵的結構、工作原理及調節方法出發，建立了負載敏感變量泵的AMEsim仿真模型，利用仿真模型分析了各個液壓元件的工作狀態對變量泵的影響，仿真結果驗證了負載敏感變量泵在實際應用中經常出現的故障和解決方法，對于掌握變量泵的正常工作狀態和解決同類型變量泵故障有著重要的參考價值。

參考文獻

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作者簡介：

劉" " 偉（1986—），男，天津人，工程師，2008年畢業于天津大學機械設計制造及其自動化專業，目前主要從事裝備管理工作。Email：liuw.cpoe@cnpc.com.cn

編輯：林" " 鮮