缓释浮式生产储油轮长吊臂吊机回转冲击的具体措施

王文鑫，罗如岗，曹玉林

（中海石油（中国）有限公司秦皇岛32-6作业公司， 天津 300450）

我国渤海某海上油田的浮式生产储油轮配置有塔式桁架悬臂海洋吊机，其吊臂总长超过50m。在吊臂回转动作启动、停止和双联动瞬间，由于惯性力的影响造成吊臂回转冲击、抖动剧烈。频繁的抖动造成齿轮箱往复受力，引起齿轮箱地脚螺栓和内部螺栓松动甚至断裂，极限工况还会导致齿轮箱内部传动部件疲劳受损，引发较为严重的安全和生产事故。

1 回转冲击根源分析

该型吊机的回转系统由两个回转齿轮箱、两个液压驱动马达和回转液压系统构成，液压系统设计图见图1。从图1可知，液压主回路由双向平衡阀S02导入，通过两个定量液压马达S01同步驱动回转齿轮箱，实现吊臂360°回转动作。此液压系统设计有BR口刹车油路、S06液控换向阀、平衡阀内置梭阀共同实现回转释放和刹车功能。在原设计时，为避免因刹车油缸过快复位的急刹车效应，设计有S04单向节流阀实现刹车油缸限速回流以及S03蓄能器延缓刹车油缸复位。

经理论推演和实际参数测量，从液压系统上分析导致吊臂回转冲击抖动的主要原因有以下几种：

（1）回转主控多路阀换向或阀芯复位过快，造成回转主回路循环瞬间中断，主回路形成液压锁闭现象，在吊臂惯性力驱使下，造成马达液压油路形成冲击油压，马达液压锁闭加剧了吊臂根部停止动作而头部惯性往复运动的抖动现象。通过安装主回路测压法兰，测量停止瞬间的主回路冲击油压交替达到21MPa，验证了液压锁闭和油压冲击现象的存在，并可以推断为造成吊臂往复抖动的主因。

图1 优化前的回转液压系统图

（2）虽然设计有刹车延时关闭的S04单向节流阀和蓄能器S03，但依然没有达到刹车缓慢关闭的效果。通过全部关闭S04单向阀保持刹车常开，测试发现对回转抖动有一定的改善，证明设计的回转刹车依然有刹车回位迅速加剧吊臂抖动的问题。

（3）回转多路阀的压力补偿油压不稳定，供油泵斜盘动作紊乱，造成系统压力波动，从而出现吊装时双联动回转抖动现象。此现象可通过双联动瞬间主液压回路油压波动验证。

上述液压锁闭和刹车复位过快，产生巨大的反向扭矩阻止回转齿轮箱继续转动，吊臂顶部由于回转惯性力产生的能量得不到释放，只能施加到回转齿轮箱地脚螺栓和内部结构件上，通过摩擦发热或者结构件变形等能量转换过程来消耗吊臂的动能，在此过程中表现出吊臂抖动剧烈以及齿轮箱构件频繁故障的现象。

2 缓释回转冲击的具体措施

2.1 增设连通液压马达进回油路的逻辑阀，缓解马达停止瞬间的液压锁闭现象

设计思路：增设可根据回转动作自动控制的逻辑阀和节流阀模块，引入主换向阀控制油路的先导油压作为逻辑阀通断的控制信号。在回转动作过程中，主控先导油路关闭逻辑联通阀；当回转动作停止时，逻辑阀内弹簧复位，连通马达进出口油路，实现马达内部油路连通，降低马达反向力矩，消除液压锁闭现象。同时，液压油从马达高压口通过节流阀进入低压口，节流阀前后压差泄压发热，吊臂惯性力产生的能量直接转化成液压系统的热量，无需通过回转机构的反复摩擦和变形来转化惯性能力。

具体设计见图2，通过增设马达A、B口联通逻辑阀G04，降低换向阀回中位时，吊臂旋转惯性带动马达旋转引起的A、B口内部冲击油压，在满足吊机回转操控性的前提下，尽量导通A、B口，让马达内部能自转一个微小时段，降低冲击油压高值。逻辑阀通断的先导油液来自回转主换向阀的液控管线，即回转启动瞬间，逻辑阀关闭A、B联通口，只有在操控手柄回复中位时，逻辑联通阀在内部弹簧恢复力作用下，导通A、B口。

在增设A、B口联通逻辑阀同时，为了调节A、B口通流量，设置节流阀G05，用于调整停止瞬间马达自转速度，防止回转自转时间过长，影响操控安全。下图中的SC口来自于换向阀梭阀Z02出口，见下文的图2-2。

图2 优化后的回转液压图

2.2 增设先导节流阀，延缓主换向阀复位速度

设计思路：增设回转主换向阀先导油路单向节流阀，以节流的形式，控制液控换向阀主阀芯两侧油缸回油速度。当回转控制手柄复位中位后，由于控制油路增设的节流口效应，减缓了主阀芯先导油缸回油速度，实现回转停止瞬间主油路的延时关闭。最终达到回转吊臂停止瞬间，回转机构对吊臂的反向力的作用时间延长、减小冲击力、减小液压锁闭效应的目的。

具体设计见图3，设计固定单向节流阀组件Z03，分别安装在回转主换向阀H1的左右先导油路上，节流阀要求孔径一致，避免双向动作不统一。节流阀选取非可调式节流孔。设计三种规格的节流孔径，分别为0.4mm、0.6mm、0.8mm，根据测试综合效果选择合适孔径的节流孔。此外，应用梭阀Z02油路SC，实现双向油路控制图2中新增逻辑阀G04，达到左右旋转动作启动瞬间逻辑阀都能迅速关闭的目的。

图3 回转主换向阀增设先导节流阀设计图

2.3 增设刹车油路调速阀，实现刹车油路压力可调可视化

图2中，在原设计的回转刹车油路上，增设调压阀G02和测压点G03/1，实现回转刹车油路压力可调可视。调速阀通过调定不同的压力，实现刹车油缸缓慢回油，并可以通过测压点监控回油压力变化，用以调整最佳刹车复位效果。取消原蓄能器设计，蓄能延迟功能由调速阀替代。

2.4 增设主油泵变量系统控制延时调整节流阀

设计主油泵斜盘控制系统的负载感应油路流量可调。实现方式为在主换向阀的LS口增设一个单向可调流量阀，实现斜盘调整回位速度的延迟。主要目的是避免双联动变单动作时，主油泵斜盘角度调整过快，造成油路油压波动，导致回转系统在运行和停止时的不平稳供油。

3 液压系统优化措施应用

在实际处理该型吊机回转冲击问题时，选用了增设逻辑阀、多路阀先导油路的固定节流阀的措施组合应用，经过现场实际调试过程，得到如下调试效果，见表1。

表1 优化措施安装调试步骤

综合使用效果：多位吊机专职操作人员实际测试，一致认为该型长吊臂吊机的操控得到了非常好的改善。回转马达A、B口冲击油压由早期的21MPa降低到10MPa，吊臂和回转平台的回往复抖动次数由四次以上，变为基本消失，回转动作非常平稳。经过为期近一年时间的测试，因抖动导致回转齿轮箱地脚螺栓松动和齿轮箱故障再未发生。

4 总结

本文通过对浮式生产储油轮常见长吊臂吊机因惯性力导致的回转冲击问题进行研究，分析了回转冲击在液压系统方面产生的根源，并根据液压系统上存在的问题，提出了应用逻辑阀消除液压锁闭、节流阀延缓主换向阀复位等优化措施。通过实践改造，并测试调试效果，验证了措施应用的良好实际效果。该系列液压系统优化措施，为解决同工况下的海洋石油吊机回转冲击问题提供了参考，也为海洋吊机制造厂家提供了液压系统设计优化的思路。

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