可移動式海上平臺吊機液壓試驗臺研制*

王 寧，張 浩，李明月

海上平臺吊機在海洋石油開采過程中，對于平臺的支持與服務(wù)起著關(guān)鍵性的作用，在平臺上也被列為關(guān)鍵特種設(shè)備之一，其一旦出現(xiàn)故障，就會給平臺造成直接和間接的經(jīng)濟損失，若導致作業(yè)停產(chǎn)或出現(xiàn)安全事故則后果更加嚴重。因此，高效的吊機維修保養(yǎng)工作在整個平臺生產(chǎn)維護環(huán)節(jié)占據(jù)著非常重要的地位[1]。

由于海上平臺不能及時地得到陸地支持，在海上吊機維保工作中，需要一臺高效的、可以現(xiàn)場檢測的液壓試驗臺，用來對液壓泵、液壓馬達以及液壓缸等元件的維修檢測和預防檢測，以提高吊機液壓系統(tǒng)的可靠性、安全性，并降低維修成本、提高維修效率[2]。

陸地傳統(tǒng)的液壓試驗臺一般位于固定的實驗室內(nèi)，不具備移動式作業(yè)的能力，而且功能單一，缺乏綜合測試的功能[3]。而隨著自動控制、計算機技術(shù)、測量技術(shù)以及電液比例控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，本研究將多項技術(shù)集成應(yīng)用，并考慮了海上平臺特殊的應(yīng)用環(huán)境，基于模塊化分布設(shè)計的理念，最終提出適用于海上各平臺可以移動使用的吊機液壓系統(tǒng)綜合試驗臺[4-5]。

1 模塊化分布設(shè)計

該試驗臺的總功率為385 kW，考慮到多數(shù)平臺無法提供大功率的電能，本試驗臺選用的主動力源為柴油機，輔助控制油源使用電動機提供動力。試驗臺的總重量達到19噸，而多數(shù)平臺的吊機額定載荷為15噸，為了實現(xiàn)可移動性，引入了模塊化分布設(shè)計理念。將整個試驗臺被分割成2個模塊，分別是動力艙模塊和控制艙模塊，單個重量約為10噸，可以很好的解決海上吊裝的問題。

1.1 動力艙模塊

動力艙模塊主要功能是提供穩(wěn)定的液壓動力油源進行液壓泵、馬達試驗，內(nèi)部包含柴油機、液壓主油箱、液壓泵和馬達試驗臺架，以及試驗加載控制閥組等部件。內(nèi)部整體布局如圖1所示。

圖1 動力艙模塊內(nèi)部布局圖

柴油機的型號為卡特彼勒（CAT）3406-C型，具備電子調(diào)速功能，能夠?qū)崿F(xiàn)柴油機旁和遠程控制的雙重控制，遠程控制盤引入到另一個控制艙模塊內(nèi)，便于集中控制。動力艙內(nèi)同時配備了柴油燃油箱，具備加油口、液位計等附件，容積設(shè)計為60 L，能夠滿足柴油機持續(xù)工作5個小時，在海上能提供較好的續(xù)航能力。

液壓主油箱的設(shè)計容量為2 200 L，以滿足大流量的試驗需求，同時為了克服海上高溫高濕的惡劣環(huán)境，油箱材質(zhì)選用304不銹鋼，焊接完成后進行酸洗處理。主油箱具備加油口、放油閥、電子液位計、電子溫度計、加熱器、過濾器等附件，內(nèi)部有過濾油液氣泡的隔板裝置，側(cè)面設(shè)計有2個人孔，用于人員進入內(nèi)部清潔及施工。

動力艙模塊內(nèi)還配備了監(jiān)控攝像頭，分布在動力源模塊內(nèi)的關(guān)鍵位置，在試驗狀態(tài)時能夠?qū)崟r圖像傳輸?shù)娇刂婆撃K的顯示面板上，方便操作人員的查看。

試驗主泵選用的力士樂比例變量泵A4VO250，排量250 mL/r，最大流量450 L/min，額定壓力35 MPa，最高壓力40 MPa，可通過電控比例調(diào)節(jié)排量，用來為試驗系統(tǒng)提供主要壓力油源。電動液壓泵和主油箱等集成安裝在一個橇塊上。

先導控制油源由一個變量柱塞泵提供，額定流量0～40 L/min可調(diào)，額定壓力28 MPa，峰值壓力35 MPa，電機功率15 kW。輔助輸送泵組的功能是將動力艙主油箱的液壓油輸送到控制艙模塊中的副油箱，額定流量120 L/min，最高工作壓力2 MPa，電機功率4 kW。

試驗臺架上安裝有液壓泵、馬達試驗方向控制集成閥組、加載壓力控制集成閥組、液壓缸試驗控制集成閥組等。同時，通過試驗臺架的調(diào)整，可安裝被試變量泵、定量泵、定量馬達、變量馬達以及被試液壓缸等被試元件。

1.2 控制艙模塊

在控制艙模塊中，集成了試驗控制系統(tǒng)和輔助液壓系統(tǒng)，其主要功能是對液壓試驗進行操作控制和監(jiān)控。同時，控制艙模塊也為試驗主系統(tǒng)提供穩(wěn)定的低壓輔助油源，滿足試驗加載系統(tǒng)的需求，也針對液壓油進行循環(huán)過濾、冷卻與加熱?？刂婆撃K總體布局如圖2所示。

圖2 控制艙模塊總體布局圖

輔助系統(tǒng)包括試驗副油箱、低壓輔助油源電機泵組、輔助輸送電機泵組、過濾冷卻加熱泵組、油冷機組、監(jiān)控攝像頭、測試傳感器以及其他附件。電氣控制系統(tǒng)包括操作控制臺、計算機工作臺、視頻監(jiān)控臺、空調(diào)等部件。低壓輔助油源由兩臺定量泵組并聯(lián)供油，向動力艙模塊中的加載泵供油，最大供油流量320 L/min。

輔助輸送泵組向動力艙模塊中的主油箱輸送經(jīng)過加熱或冷卻的油液，最大流量120 L/min，最高工作壓力2 MPa，電機功率4 kW。過濾冷卻加熱泵組進行循環(huán)過濾，低溫時對油液加熱升溫，油液高溫時對油液進行冷卻，冷卻采用制冷機組強制制冷。

電氣控制系統(tǒng)與輔助液壓系統(tǒng)隔離，控制室安裝電氣控制操作臺，計算機工作臺，視頻監(jiān)控顯示器。電氣控制操作臺安裝觸摸屏，顯示各個試驗必需的試驗參數(shù)，對試驗狀態(tài)進行實時動態(tài)顯示，操作臺面上有各種控制按鈕，進行電機的啟停，控制閥的操作，設(shè)置應(yīng)急按鈕、報警燈等。

計算機工作臺固定安裝工控機和顯示器，工控機（PC）為數(shù)據(jù)處理及計算單元，可以對試驗參數(shù)進行設(shè)置，記錄保存試驗參數(shù)并進行分析計算，打印輸出試驗報表。視頻監(jiān)控顯示器用以顯示動力源模塊內(nèi)的工作情況，實時監(jiān)控，多個攝像頭可以全部顯示和單獨切換顯示，有相應(yīng)的控制按鈕。

顯示控制面板的顯示器采用液晶顯示器，顯示界面美觀、能夠?qū)υ囼灎顟B(tài)進行實時動態(tài)顯示，流程圖美觀易懂。儀表面板要求布置合理、美觀實用，各狀態(tài)指示明顯、報警系統(tǒng)顏色鮮明，應(yīng)急按鈕位置合理。面板上有單獨的監(jiān)控顯示器，用以顯示動力源模塊內(nèi)的工作情況實時監(jiān)控，多個攝像頭可以全部顯示和單獨切換顯示，有相應(yīng)的控制按鈕。

在控制系統(tǒng)當中，系統(tǒng)配備CAT計算機輔助測試系統(tǒng)，控制系統(tǒng)以可編程（PLC）為數(shù)據(jù)采集和控制核心，以工控機（PC）為數(shù)據(jù)處理及計算單元，結(jié)合執(zhí)行電氣元件、測試器件而構(gòu)成。采用組態(tài)軟件及PLC可編程軟件，可以設(shè)定和控制各試驗裝置的壓力、流量、溫度等主要參數(shù)，有故障診斷及故障報警系統(tǒng)。應(yīng)用該試驗裝置時，用戶只需要根據(jù)功能選擇好試驗項目，并設(shè)定試驗合格參數(shù)，在工人安裝好被試元件且點擊測試按鈕之后，試驗臺就能夠按照預設(shè)的試驗方法進行試驗，并且自動分析元件的合格與否，同時對元件的試驗數(shù)據(jù)以及過程進行儲存與實時顯示[6-11]。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1 液壓系統(tǒng)總體組成

根據(jù)該液壓試驗臺所要實現(xiàn)的各項功能，試驗的液壓系統(tǒng)由液壓泵組和多個子系統(tǒng)組成，包括液壓缸試驗子系統(tǒng)、液壓泵和馬達試驗子系統(tǒng)、加載控制子系統(tǒng)、先導油源和輔助供油子系統(tǒng)、過濾冷卻和加熱子系統(tǒng)、液壓泵、油箱等組成，如圖3所示。

其中主、輔液壓油箱用來儲存液壓油，主動力源及壓力控制子系統(tǒng)為試驗提供高壓、大流量的壓力油，先導油源子系統(tǒng)為液控閥、液控變量系統(tǒng)提供控制油源，輔助供油子系統(tǒng)為液壓馬達試驗提供輔助油，過濾、冷卻和加熱子系統(tǒng)獨立于試驗主系統(tǒng)，為主系統(tǒng)提供溫度、清潔度達標的油液。

圖3 液壓系統(tǒng)總體布局

2.2 液壓泵和馬達試驗子系統(tǒng)

液壓泵和馬達試驗子系統(tǒng)主要完成液壓泵和馬達的測試試驗，試驗項目包括跑合試驗、排量試驗、效率試驗、超載性能試驗和沖擊試驗，液壓原理如圖4所示。

圖4 液壓泵和馬達試驗子系統(tǒng)

主油源液壓泵通過彈性聯(lián)軸器與柴油機飛輪相連，組成主油源液壓泵組（1），為整個試驗系統(tǒng)提供主要的液壓動力來源。通過布置在主液壓泵出口的壓力表（2），可以在試驗時觀察主系統(tǒng)的壓力值，同時通過壓力傳感器（3.1）和溫度傳感器（4.1）的信號轉(zhuǎn)換，可以將主系統(tǒng)的壓力、溫度值實施傳輸?shù)絇LC模塊內(nèi)，通過計算和轉(zhuǎn)換，將結(jié)果顯示在控制系統(tǒng)的屏幕上。電磁比例溢流閥（5）作為試驗主系統(tǒng)的安全溢流閥，可以在控制艙的操作面板上，通過旋鈕來調(diào)節(jié)壓力設(shè)定值。為了防止試驗系統(tǒng)對主液壓泵產(chǎn)生沖擊，在泵的出口位置布置了單向閥（6）。試驗系統(tǒng)的正向和反向旋轉(zhuǎn)是依靠電磁換向閥（7）來完成的。液壓泵和馬達可以同時安裝在多功能試驗臺架上，但出于安全考慮和設(shè)置上的原因，液壓泵和馬達不能同時進行試驗，這兩種元件的試驗切換是由截止閥（8）來完成。

被試液壓馬達（9）的輸出軸，通過聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀（11.1）與加載液壓泵（12）相連接，加載液壓泵的B口和C口分別與加載控制系統(tǒng)的B、C口相連。通過加載控制子系統(tǒng)對加載液壓泵的作用，被試液壓馬達會接收到外來的扭轉(zhuǎn)負載，這個負載通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀的信號轉(zhuǎn)換，可以傳遞到控制艙的整個控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)，為試驗數(shù)據(jù)的讀取和控制提供基礎(chǔ)。

在液壓泵試驗系統(tǒng)中，主動液壓馬達（10）提供試驗需要的扭矩和轉(zhuǎn)速，并通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀（11.2）傳遞到被試液壓泵（13），而被試液壓泵的出口A與加載控制子系統(tǒng)的A口直接相連。溫度傳感器（4.2）和壓力傳感器（3.2）用來檢測被試液壓泵的吸油參數(shù)，并將測得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。

2.3 液壓缸試驗子系統(tǒng)

液壓缸試驗子系統(tǒng)用來完成液壓缸的各項試驗，主要包括啟動壓力特性試驗、耐壓試驗、泄漏試驗等。

該子系統(tǒng)擁有2個油源，其中主系統(tǒng)油源（2）是為大直徑、大行程的液壓缸提供所需的大流量油源，能夠在液壓缸試驗時快速響應(yīng)，節(jié)約等待時間；輔系統(tǒng)油源（3）是為耐壓試驗提供高壓小流量持續(xù)的油源，節(jié)約能源的同時也會降低噪音，并且在一些僅做液壓缸耐壓試驗的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)快速試驗，液壓原理圖如5所示。

邏輯閥（4）用來阻止主試驗系統(tǒng)對液壓泵油源的反向沖擊，同時能防止兩個油源互相受到影響。通過調(diào)節(jié)控制面板上的電流旋鈕，能夠控制電比例溢流閥（8）的開啟壓力，也就限定了主系統(tǒng)的試驗壓力。溫度傳感器（7）將進入試驗系統(tǒng)的油液溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，壓力表（6）能夠?qū)⒃囼灉y量點處的壓力顯示在試驗臺架上，便于現(xiàn)場直觀的讀出數(shù)據(jù)。電磁換向閥（12）用來控制液壓缸的伸縮運動方向，同時為了平衡自重的影響，系統(tǒng)中設(shè)置了液控單向閥（13），使得試驗動作更加平穩(wěn)。在被試液壓缸的進出油口分別布置了壓力傳感器（15），可以直接將液壓缸的試驗壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，同時為了進行雙重校核，在傳感器位置也設(shè)計有壓力表。

圖5 液壓缸試驗子系統(tǒng)

當進行液壓缸快速動作時，所需的流量比較大，則返回的油液通過單向閥（11），再經(jīng)過回油濾器（6）返回油箱。當液壓缸進行泄漏試壓時，給電磁換向閥（9）得電，泄漏的油液則通過電磁換向閥（9）之后到達高精度流量計（10），經(jīng)過測量后直接返回油箱。

2.4 加載控制子系統(tǒng)

該液壓試驗臺的液壓泵和馬達加載功能由加載控制子系統(tǒng)來完成，包括液壓泵和馬達的效率試驗、超載性能試驗和沖擊試驗，液壓原理如圖6所示。

圖6 加載控制子系統(tǒng)

為了防止被試液壓馬達在試驗時產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，輔助補油油源（1）負責為被試液壓馬達提供恒壓補油，并通過邏輯閥組（4）的控制后，能夠適應(yīng)滿足的正反轉(zhuǎn)補油需求。補油的壓力由溢流閥（9.1）進行設(shè)定，并通過壓力傳感器（2.1）的測量、轉(zhuǎn)換傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，同時可在布置于試驗臺架上的壓力表（3.1）直接讀取該壓力值。溫度傳感器（8.1）和（8.2）分別測量電磁比例溢流閥（7）前后的溫度，用以測量馬達油液做工前后的溫差。

液壓泵和馬達負載壓力由電磁比例溢流閥（7）控制，該閥可通過控制面板上相應(yīng)的電子旋鈕來遠程操控，負載壓力的實時讀數(shù)可通過壓力表（3.2）直接讀取，并通過壓力傳感器（2.2）的測量后傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。在作試驗時，將液壓泵和馬達試驗子系統(tǒng)的A、B、C口分別接于加載控制子系統(tǒng)相應(yīng)的接口上。利用電磁閥（6）來遠程控制液控閥（5）的開啟和關(guān)閉，以此實現(xiàn)液壓泵和馬達的沖擊試驗。

3 試驗臺的應(yīng)用

經(jīng)過研制，本可移動式液壓試驗臺實現(xiàn)了各項預定功能，各部件分別布置在動力艙和控制艙兩個模塊內(nèi)，兩個模塊的尺寸和重量均符合20GP標準集裝箱，滿足了從陸地到海上平臺以及海上平臺之間可移動式作業(yè)的要求，整套液壓試驗臺如圖7所示。

圖7 液壓綜合測試裝置密封艙實物圖

該液壓試驗臺的各項技術(shù)指標如表1所示，能夠完全覆蓋海上各型號吊機液壓元件的試驗要求。

表1 液壓試驗臺技術(shù)指標

使用本可移動式液壓試驗臺在JZ25-1S平臺開展了實際應(yīng)用，針對1臺額定轉(zhuǎn)速為 2 000 r/min，額定壓力32 MPa，排量160 ml/r，最低許用轉(zhuǎn)速800 r/min的定量柱塞馬達進行了各項試驗，分別包括跑合試驗、排量試驗、容積效率試驗、總效率試驗、超載性能試驗等，其中超載性能試驗的試驗報告如圖8所示，從圖8中可以看出，該試驗臺生成的各項測試數(shù)據(jù)和曲線，能夠完全滿足要求。

圖8 定量柱塞泵排量試驗試驗報告圖

4 結(jié)論

本論文所闡述的液壓試驗臺的可移動式設(shè)計，相比以往固定式的試驗臺，具有更廣闊的適用范圍。同時相比其他單一項目的試驗臺，該液壓試驗臺是一套集成了液壓、電氣、檢測等多項專業(yè)技術(shù)的綜合性試驗裝置，能夠?qū)σ簤罕?、馬達以及液壓缸進行準確測試，具備數(shù)據(jù)自動存儲與處理，圖形顯示與報告打印功能。

同時，該液壓試驗臺的多項設(shè)計是針對于海上平臺特殊作業(yè)環(huán)境而開展的，充分考慮了試驗設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性，相比一般陸地試驗臺要更加可靠、高效、安全。

通過對該液壓試驗臺的研制，不但擁有了一套針對海上吊機關(guān)鍵液壓元件移動測試的專用設(shè)備，而且能使設(shè)備使用者掌握液壓泵、馬達以及液壓缸的測試技術(shù)，具備在維修現(xiàn)場進行獨立測試的能力，改善了現(xiàn)有維保手段，提升了設(shè)備維保的技術(shù)服務(wù)水平。同時，減少了液壓元件維修返廠試驗的工作，極大地提高了設(shè)備維修與檢測的效率，減少了因液壓元件故障而造成的經(jīng)濟損失。

本論文結(jié)合實際應(yīng)用開展了液壓試驗臺的設(shè)計研究，并提出了可移動式作業(yè)及綜合性試驗的設(shè)計理念，這項研究在海上平臺關(guān)鍵設(shè)備維護保養(yǎng)領(lǐng)域有一定的學術(shù)價值和實際應(yīng)用意義。在此研究成果基礎(chǔ)上，將根據(jù)海上吊機關(guān)鍵液壓閥類的試驗需求，進一步完善和優(yōu)化現(xiàn)有的設(shè)計，以達到液壓試驗臺的更廣泛的應(yīng)用。

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