海上平台吊机液压系统升级改造

王　宁，张　浩

(中海油能源发展装备技术有限公司,天津 300452)



海上平台吊机液压系统升级改造

王宁，张浩

(中海油能源发展装备技术有限公司,天津 300452)

为改善HSB-1550型海上平台吊机操作性能，应用液压负载敏感控制技术，在不改变原设备各项功能的基础上，对原吊机液压系统进行升级改造，提出负载敏感系统的设计方案，介绍柱塞变量泵、液控多路换向阀的选取原则及过程。试验测试表明，改造后的系统性能稳定。

海上平台吊机；液压系统；升级；负载敏感

实现海上平台吊机的液压比例控制、远程控制并应用负载敏感控制技术，可以改善吊机的控制性能，减轻驾驶员的疲劳程度，并减少设备的能耗。基于以上思路，将一台海上平台吊机的手动控制液压系统升级改造为液压比例远程控制液压系统，并利用柱塞变量泵和液控多路换向阀来实现负载敏感技术在吊机上的成功应用。

1　系统介绍

HSB-1550型海上平台吊机的液压系统主要由4部分组成：动力元件、控制元件、执行元件和附件。电动机通过弹性联轴器与1个四联齿轮泵相连接，组成了动力元件；

3个手动换向阀和若干溢流阀、节流阀等组成了控制元件；执行元件包括1个变幅液压缸、2个回转液压马达和1个起升液压马达；其余附件包括液压油箱、滤清器、散热器及液压管路等元件。

起升液压马达由四联齿轮泵中的第一级和第二级联合供油，以达到需求的流量；变幅液压缸和回转马达分别由四联齿轮泵中的第三级和第四级单独供油。变幅系统、回转系统和起升系统分别由1个手动换向阀来控制液流的方向和大小，以实现控制吊机各个动作的方向和速度；高压油液做功完成后，转变为低压油液返回油箱，中途经过散热器和过滤器以实现对液压系统的降温、过滤。

该液压系统中的手动换向阀直接导致吊机操作性能较差，各动作切换以及微动操作均难以实现平稳过渡，操作者在工作时也容易疲劳。齿轮泵的使用则降低了液压系统的使用效率，在高压工况方面也难以满足极端情况的需要。

2　液压系统升级设计

2.1液压系统的总体设计

为了实现吊机各动作的液压比例控制，在不改变原设备各液压执行元件的基础上，将动力装置和控制元件进行整体升级，相应的附件如油箱、滤清器、散热器等根据匹配关系，选型计算后亦进行更换。吊机属于关键特种设备，为了增加其安全性，尤其是吊机的限位保护、超重保护等功能，则设计采用安装在液压控制管路上的电磁换向阀替换原来主管路上直动式的溢流阀[1]。

升级的液压操作手柄，采用递进式灵敏控制，仅需较小的操作力(15～30 N)即可完成吊机的操控，并且操作十分稳定、轻松。手柄部位设计符人机工程学，配以各种电气触点开关，实现了远程控制，改善了吊机的操作性能。

2.2液压负载敏感技术的应用设计

海上平台吊机的工作环境非常恶劣，作业工况相对复杂，负载变化非常大，给吊机的正常操作提出了更高的要求。尤其在复杂环境下的微动操作，对1台海上吊机的使用有着十分重要的影响。原设备采用的手动换向阀和齿轮泵组成的定量节流系统，在面对恶劣环境时微动性能差、各动作相互影响。而利用液压负载敏感控制技术，不但可以解决以上两个问题，而且还可以使液压泵的流量根据需求进行变化，产生的能量全部应用于负载上，没有额外的压力和流量损失，进而实现能源的节约[2]。

2.3负载敏感液压泵的选用

负载敏感液压泵是一种轴向柱塞变量泵，其液压回路系统见图1。

图1　负载敏感液压泵原理

该泵由负载敏感阀对负载敏感泵进行控制，可以按照系统的实际需求输出流量，从而降低能耗[3]。在原动机启动之前，整个液压系统中没有压力，负载敏感泵的斜盘仅在复位弹簧的弹簧力作用下处于最大摆角位置。

当原动机启动后，如果吊机液压系统执行元件没有流量需求，则负载敏感泵的斜盘在液压油的压力作用下克服复位弹簧力，仅需几十ms的时间即可达到调节阀芯的平衡状态，此时液压泵出口压力一直保持在1.8～2.5 MPa[4]。

当吊机需要动作时，扳动液控操作手柄，通过压力的控制使得负载敏感阀的节流口平稳开启，表明液压系统此时需要流量进行做功，则负载敏感泵的负载敏感控制机构会根据不同的流量需求，自动地改变液压泵的斜盘角度，进而改变泵的排量以达到控制输出流量的目的，节流口两端的压差会维持在预先设定的固定压力。

当吊机不工作时，液压系统执行元件不需要流量，此时负载敏感阀芯被泵的输出压力推到左端，泵输出的流量进入变量伺服缸的右侧大腔，增大右侧推力，使泵的斜盘摆角变小，直到压力与变量缸左侧小腔中的复位弹簧在Δp左右时达到平衡，形成储备压力(当有流量需求时，储备压力可以更快地推动变量缸，提高主泵的响应速度，使主泵斜盘摆角快速增大)。此时主泵的排量非常微小，主要补充液压泵的内部泄漏量。

传感节流孔通常为单独安装的负载敏感换向阀，也成为多路换向阀，该换向阀阀芯的位置决定了传感节流阀的打开面积也就是主泵的流量[5]。负载敏感的控制原理是通过比较多路换向阀入口和出口的压力，并保持阀的前后压降恒定，从而使泵的流量维持恒定[6]。当压差Δp增大时，液压泵斜盘向Vg min方向摆动；Δp减小时，泵斜盘向Vg max摆动，直到阀内传感节流孔两端压差恢复到设定值为止。

Δp的设定范围一般在1.8～2.5 MPa之间，液压系统待机工作(液压泵出口堵住)时的待命压力比Δp设定值略高，压力切断功能内置于泵的控制装置中。根据流体力学中流量的计算公式可知，为了保证节流孔前后压差Δp维持恒定，除了节流口过流面积A外的其他值均为恒定值，通过节流口到负载的流量q与A呈比例关系，即A值越大，负载所需的流量就越大，液压泵的斜盘摆角就越大，最终提供系统流量q就越多[7]。

负载敏感液压泵的最大优势就在于，液压泵的流量与安装在泵出口和执行元件之间的多路换向阀的通流面积有关，系统流量在功率曲线和压力切断曲线之下的整个控制范围内，其与负载压力没有关系，在系统中没有多余的流量输出，同时还有稳定的操控性能。

2.4负载敏感多路阀的选用

多路换向阀是整个液压系统动作的主控制阀，其油路是吊机液压系统中的主油路，液压泵是通过多路换向阀来改变各个执行元件的供油流量和方向的，进而决定了吊机的工作特性。

典型的负载敏感多路换向阀的剖视图见图2，所有相关的压力补偿阀都互相连接而且用相同的压力差操纵，其中最高的负载压力适用于所有压力补偿器。当多动作系统不协调，即按要求的速度操作所有执行机构所需流量大于泵的最大流量时，其通过所有压力补偿阀产生的压力差来实现，所有动作功能的速度均匀减小，这样能防止液压执行机构产生停滞的现象。

1-行程限制块；2-二次压力释放阀；3-负载保持阀；4-压力补偿阀；5-先导梭阀；6-控制阀杆；7-输入测流口p→A；8-输入测流口p→B；9-输出测流口B→T；10-输出测流口A→T；11-通道pc→A；12-通道pc→B；13-压力补偿控制阀杆；14-压缩弹簧图2　负载敏感多路阀

2.4.1待机工况

在控制阀中位(a、b口无先导压力)时，从液压泵到P′口通道的连接被阀芯完全封闭，负载保持单向阀和压力补偿阀同时关闭。在这个位置时，P′口通道内和负载保持阀下游的压力通过阀芯的间隙减少到回油箱压力。由于控制阀芯的重叠，密封长度使执行机构接口在壳体中封闭，执行机构因此保持在这个位置。该压力补偿阀安排在控制阀芯测流口的下游，其包含一个控制阀芯13和一个能限定稳固初始位置的微压缩弹簧14。图3显示了典型负载敏感多路阀的特性曲线。

图3　负载敏感多路阀特性

2.4.2最高负载工况

先导控制油源的压力，通过操作手柄的控制使得控制阀芯6克服弹簧力，随压力的变化按相应比例地移动。A口的先导压力推着阀芯克服B侧控制盖内的弹簧力向右移动。控制阀芯的测流输入节流口7打开了从泵来的P口与P′通道的连接，该压力使得压力补偿阀13打开并且被施加到单向阀3上。

执行机构A口压力Pc通过控制阀芯的11通道使左边的单向阀3关闭。当P′压力升至高于Pc时，单向阀打开，液压泵和执行机构之间的通道打开，执行机构开始动作[8]。执行机构内排出的油从B口通过输出测流节流口9流回到油箱，只要执行机构口的压力低于设定压力，二次压力安全阀2就保持关闭。在外负荷作用力造成的执行机构产生气穴现象的情况下，与A口连接的过载阀(压力释放阀)的补油锥阀芯打开，进行补油，防止吸空。

在单独动作情况下或当执行机构的负载压力Pc在系统中处于最高时，通过来自P′通道的压力补偿阀的内孔产生负载传感(LS)压力，并且反馈到泵控制器和带有较低负载压力的压力补偿阀部件。

从负载保持阀上游，P′通道提供的LS信号，确保达到需要的工作压力，执行机构端口才打开，这可以防止由于LS供给从执行机构油路中分流油液而导致执行机构短暂下降。压力补偿阀完全打开后，P′通道与执行机构Pc接口连接而没有压降。

2.4.3液压泵最高流量工况

当液压系统达到最高流量需求时，经由测流节流口需求的流量小于或等于泵的流量，此时：

(1)

Δp节流口基本上与泵的流量控制器上设定的Δp负载敏感控制器相一致，由于从泵到测流口的补油路上会有压力损失，故2个Δp值会有轻微差异。典型的例子即是海上吊机在变幅、回转和起升3个动作同时作业时，起升回路中更高的负载压力使得回转和变幅部分的压力补偿阀中的节流口通流面积减少，在这种控制状态下，压力补偿阀的控制端产生一个从P′通道到执行机构端口Pc的压降，与通过测流节流口7的Δp是相同的。因此，吊机的各动作速度与负载的大小没有关系。

2.4.4系统流量超过泵流量工况

当液压系统各执行机构所需的流量总和超过液压泵的最大流量时，由打开着的测流节流孔通流面积总和决定的油量将超过泵的最大流量，压力控制器不再能通过进一步转动泵的斜盘来提供所需的系统流量。此时：

(2)

在这种状态下，泵的排量是由功率控制器决定的。在负载敏感系统中，所有执行机构部分的Δp测流节流口保持相同，但不是一个恒定值。根据流量差值的大小，其值可能在设定值Δp压力左右变化，在这个范围内，负载敏感系统按比例相应地分配流量。

正是这个原因，即使在泵流量不足的情况下，负载敏感系统内负载压力最高的执行机构也将不会陷入停顿状态，而是所有工作中的执行机构的速度根据开启的通流面积按比例相应减小[9]。

2.5其他液压附件的选用

在海上吊机液压系统中，除了液压泵、控制阀和马达等主要元件外，液压油箱、散热器、滤清器等附件的正确选用对液压系统的正常使用也有着非常重要的作用。该系统液压附件包括蓄能器、散热器、加热器、过滤器以及液压管路等元件，在设计选用时均要根据系统本身的额定压力、额定流量以及特殊工况等因素进行合理安排，这也是液压系统正常工作的重要保证[10]。

3　结束语

该套升级改造设计方案，已经在BZ28-1南北平台吊机上成功应用，使用效果良好。通过理论设计与实践分析，可以看出该海上吊机液压系统升级技术具有以下特点。

1)通过操作手柄的调节，控制了多路换向阀的阀芯开口度，而负载敏感液压泵能够根据固定的微小压差来进行自动调节斜盘角度，并输出和负载速度相匹配的流量，整个过程与负载的大小没有关系。

2)多路换向阀与变量泵的组合应用，使得整个系统流量控制特性非常好，流量控制精准并且稳定，可轻易实现远程控制、限位控制，并且在恶劣的工况下没有冲击。

负载敏感技术的成功应用，不但提高了吊机的操作性能、改善了操作环境，而且使得整个液压系统的功率损失有所下降，提高了工作效率，相信在海上平台吊机上会应用越来越广。

结合实际设计项目开展的关于海上平台吊机液压系统升级的研究，所提出的用于多执行器的负载敏感系统，在海上平台吊机负载敏感系统应用领域有一定的实际应用意义。结合此研究成果，后续将对不同结构的吊机进行进一步的优化，以达到对吊机最大化的优化，保证平台安全生产。

[1] 中国船级社.船舶与海上设施起重设备规范[S].北京：人民交通出版社，2007.

[2] 童跃帜.负载反馈液压系统在工程机械中的应用[J].筑路机械与施工机械化，2001，93(18)：26-27.

[3] 雷天觉.新编液压工程手册[M].北京：北京理工大学出版社，1998.

[4] 宋学义.袖珍液压气动手册[M].北京：机械工业出版社，1995.

[5] 穆胜军，郑路，谭静轩.浅析生产储油平台吊机功能扩展[J].船海工程，2014,43(5)：51-52.

[6] 曹宝忠.负载敏感液压系统抗流量饱和控制技术研究[D].大连:大连理工大学,2009.

[7] 纪云峰，陈欠根，张新海.负载传感系统及其应用[J].装备制造技术，2003(4)：10-12.

[8] 李新献.海洋吊机液压原理及常见故障分析[R].梧州：中船华南船舶机械有限公司,2011.

[9]秦大同，谢里阳.现代机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2011.

[10] 董军涛，范志强，佟全喜.吊机液压系统典型故障的维修和改进[J].船海工程，2014,43(5)：73-75.

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

王宁(1984-)，男，学士，工程师

U664.4

A

1671-7953(2016)01-0151-04

研究方向:海上平台起重机设计与改造技术

E-mail:wangning0324@163.com