海上平臺(tái)起重機(jī)變幅液壓缸平衡回路研究*

王 寧

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452）

0 引言

海上平臺(tái)起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱海上吊機(jī)）的變幅形式分為兩種，分別是箱體式吊臂液壓缸變幅和桁架式吊臂鋼絲繩變幅。由于占用空間小、維護(hù)成本低的原因，利用液壓缸的變幅形式在目前得到了非常廣泛的應(yīng)用。變幅液壓缸平衡回路的作用是為了防止因受垂直負(fù)載力和自身重力的作用而吊臂自行下落，或者吊臂下放時(shí)出現(xiàn)超速或失控等現(xiàn)象的發(fā)生。變幅液壓缸平衡原理主要是通過(guò)在回路上設(shè)置適當(dāng)?shù)淖枇?，產(chǎn)生一定的背壓來(lái)使液壓缸平穩(wěn)下降，對(duì)于保證液壓系統(tǒng)的安全性、海上吊機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)等方面起著非常重要的作用[1]。然而，由于海上吊機(jī)接觸人群少，使用數(shù)量少，在一些液壓工程手冊(cè)等資料中，僅對(duì)變幅平衡回路的基本原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單描述，并沒(méi)有針對(duì)海上吊機(jī)這種高壓大流量變幅液壓缸平衡回路進(jìn)行專門分析。

本文首先解析了其他液壓設(shè)備的典型液壓缸平衡回路，從工作原理和應(yīng)用效果做了深入的對(duì)比，指出了這些普通平衡回路的各自特點(diǎn)。文章結(jié)合海上吊機(jī)的特殊工況需求，通過(guò)對(duì)普通平衡回路的合理優(yōu)化和完善，尤其針對(duì)在大負(fù)載液壓缸下行動(dòng)作時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)型的海上吊機(jī)變幅液壓缸平衡回路，以及一種新型平衡閥組的設(shè)計(jì)，期望對(duì)設(shè)計(jì)者有所幫助。

1 普通平衡回路的解析

一般教科書及工具手冊(cè)中主要介紹了兩種變幅平衡回路，一種是內(nèi)控式順序閥回路，另一種是外控式平衡閥回路。結(jié)合海上吊機(jī)的實(shí)際使用工況，通過(guò)對(duì)兩種變幅平衡回路的深入探討，可以對(duì)兩種回路的特點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確分析。

內(nèi)控式順序閥回路，也稱為自控式平衡閥回路，其主要是由一個(gè)內(nèi)控式順序閥和一個(gè)單向閥并列組合形成平衡閥而實(shí)現(xiàn)的，詳見(jiàn)原理圖1（a）內(nèi)控式順序閥回路。這種平衡閥的開(kāi)啟壓力是通過(guò)螺紋旋桿進(jìn)行調(diào)節(jié)的，首先計(jì)算出吊機(jī)自重對(duì)液壓缸下腔產(chǎn)生的壓力與額定載荷對(duì)液壓缸下腔產(chǎn)生的壓力之和，即為P2，然后設(shè)定平衡閥的開(kāi)啟壓力Pk的值略大于P2，當(dāng)液壓缸上腔壓力P1=0時(shí)，吊機(jī)自重和負(fù)載的總和所產(chǎn)生的液壓缸下腔壓力P2無(wú)法達(dá)到平衡閥的開(kāi)啟壓力Pk，此時(shí)液壓缸不會(huì)自行下落，起到了平衡的作用。當(dāng)活塞作下行運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于順序閥的作用，回油腔會(huì)有一定的持續(xù)背壓，故變幅下降運(yùn)動(dòng)保持平穩(wěn)。這種平衡回路，在吊機(jī)變幅下降時(shí)，需要給液壓缸上腔提供持續(xù)的高壓油，以使平衡閥達(dá)到開(kāi)啟壓力[2]。但由于海上平臺(tái)吊機(jī)是變負(fù)載工況，當(dāng)空載運(yùn)行時(shí)，由于沒(méi)有載荷的重力勢(shì)能參與平衡，故由吊機(jī)自身系統(tǒng)提供打開(kāi)平衡閥的功率則隨之大幅增加，并且隨著負(fù)載變化而變化，這不但在操作上難以控制，而且功率損失也非常嚴(yán)重，因此不適宜在海上平臺(tái)吊機(jī)上使用。

外控式平衡閥回路，如圖1（b）外控式平衡閥回路所示，其平衡閥的開(kāi)啟壓力可以設(shè)置得很小。在活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，外控式平衡閥并非由下腔回油背壓打開(kāi)，而是被進(jìn)油路上的控制油打開(kāi)，而且是一個(gè)恒定的開(kāi)啟油壓，不受負(fù)載大小的影響，故平衡閥打開(kāi)所需的功率是一個(gè)恒定值，因此在實(shí)現(xiàn)了平順控制變幅下降動(dòng)作的同時(shí)，功率損失也有所減小。但這種外控式平衡閥沒(méi)有調(diào)節(jié)流量的作用，當(dāng)外控壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，平衡閥瞬間打開(kāi)，液壓缸活塞也會(huì)隨之瞬間下落，吊機(jī)自重和負(fù)載也一同下降，啟動(dòng)比較突然；同時(shí)，由于下落速度過(guò)快，液壓缸上腔的油液會(huì)出現(xiàn)供油不足的情況，此時(shí)就會(huì)導(dǎo)致上腔壓力瞬間下降，間接導(dǎo)致外控壓力降低，直至低于平衡閥的開(kāi)啟壓力，變幅下降動(dòng)作又會(huì)瞬間停止。而吊機(jī)自重加上負(fù)載的總重量高達(dá)約50 t，在瞬間啟動(dòng)又停止的反復(fù)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生非常大的沖擊載荷，會(huì)對(duì)海上吊機(jī)結(jié)構(gòu)以及平臺(tái)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常大的危害[3]。

圖1 各平衡回路原理圖

2 海上吊機(jī)變幅液壓缸動(dòng)作分析

海上吊機(jī)變幅液壓缸承載著吊臂自重和負(fù)載重量之和，是海上吊機(jī)非常重要的結(jié)構(gòu)件和液壓元件，因重量較大，對(duì)其平穩(wěn)運(yùn)行尤其是下降的平穩(wěn)性提出了非常高的要求。從能量轉(zhuǎn)換的角度進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)變幅液壓缸平衡回路就是要將吊機(jī)自重和載荷共同產(chǎn)生的重力勢(shì)能吸收并轉(zhuǎn)化為熱能的形式釋放出來(lái)。因海上吊機(jī)維修困難，并且使用情況惡劣，加之對(duì)平穩(wěn)運(yùn)行的需求，這就要求設(shè)計(jì)的變幅平衡回路工作可靠、平穩(wěn)性能好。海上吊機(jī)在運(yùn)行時(shí)，變幅動(dòng)作非常頻繁，但根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向可以分為變幅起升、變幅懸停和變幅下降。在海上吊機(jī)的變幅起升動(dòng)作時(shí)，液壓系統(tǒng)一般均處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，此處不做過(guò)多討論。在變幅下降和變幅懸停時(shí)，可以檢驗(yàn)平衡回路是否穩(wěn)定和可靠，尤其在變幅下降過(guò)程中最容易出現(xiàn)抖動(dòng)和動(dòng)作不穩(wěn)定等情況的發(fā)生。

在石油平臺(tái)進(jìn)行鉆井、修井等作業(yè)時(shí)，要求海上吊機(jī)配合吊裝鉆桿，其中包括變幅懸停的動(dòng)作比較多，這就要求吊機(jī)變幅懸停的位置精度要高，同時(shí)容易進(jìn)行微調(diào)控制。在變幅懸停時(shí)，圖1（a）和圖1（b）所示的2種原理圖中控制變幅液壓缸懸停的主要是順序閥，而這種普通的順序閥是一種滑閥結(jié)構(gòu)，無(wú)法避免存在細(xì)小的泄漏量，隨著懸停時(shí)間的增加，液壓缸下腔的油液不斷泄漏，導(dǎo)致吊臂懸停的位置不斷下降，同時(shí)負(fù)載的大小也會(huì)影響懸停下降的速度，這種情況就會(huì)影響海上的生產(chǎn)作業(yè)，無(wú)法滿足海上平臺(tái)吊機(jī)的實(shí)際使用要求。

在變幅下降動(dòng)作時(shí)，也就是液壓缸回縮，負(fù)載和吊臂下降的動(dòng)作。因海上吊機(jī)的吊臂和負(fù)載總重量可達(dá)50 t，若是產(chǎn)生抖動(dòng)或不穩(wěn)定的情況，會(huì)對(duì)吊機(jī)本身和平臺(tái)結(jié)構(gòu)造成較大的沖擊載荷，影響安全使用，所以要保證變幅下降動(dòng)作要高度平穩(wěn)，也就是保證變幅液壓缸在有負(fù)載的情況下，通過(guò)平衡回路控制，達(dá)到穩(wěn)定回縮。在負(fù)載和吊機(jī)自重的重力影響下，會(huì)有一個(gè)持續(xù)的垂直向下的力，平衡回路要將這部分重力抵消掉，達(dá)到力量平衡。如公式（1）所示，無(wú)桿腔內(nèi)的壓力P2要與負(fù)載和吊機(jī)自重產(chǎn)生的壓力相平衡。

在海上吊機(jī)的使用工況中，負(fù)載G是一個(gè)不斷變化的值，不僅隨著吊載貨物不同重量不一樣，在變幅角度不斷變化過(guò)程中，變幅液壓缸受到的負(fù)載也是不斷變化的。若采用圖1（a）所示的平衡回路，則由公式（1）可知，當(dāng)G較大時(shí)，由于P2是恒定的，則液壓缸有桿腔壓力P1就可以很小，甚至趨于0，此時(shí)變幅系統(tǒng)的效率比較高，能量損失較小。當(dāng)G較小時(shí)，為了打開(kāi)平衡閥P2，必須使P1增大才能使變幅下降動(dòng)作運(yùn)行，這是P1產(chǎn)生的都是無(wú)效功耗，系統(tǒng)效率大大降低，能量損失非常大，因此這種平衡回路不適合海上吊機(jī)使用。

要達(dá)到變幅動(dòng)作平穩(wěn)運(yùn)行，在流量匹配方面也要滿足流量連續(xù)方程的要求，如公式（2）所示。在變幅液壓缸下降動(dòng)作時(shí)，有桿腔和無(wú)桿腔的作用面積不一樣，因此在保證速度相同的情況下，兩腔的流量要滿足公式要求。

而圖1（b）所示的這種平衡回路，其使用的平衡閥雖然由外部油源進(jìn)行控制，但這種平衡閥沒(méi)有流量調(diào)節(jié)的作用，也就是當(dāng)外控壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，平衡閥瞬間打開(kāi)，液壓缸無(wú)桿腔油液會(huì)瞬間釋放，導(dǎo)致Q2瞬間增大。而Q1在短時(shí)間內(nèi)難以補(bǔ)償Q2所增加的部分，由公式（2）可知，連續(xù)流量方程被打破，導(dǎo)致吊機(jī)變幅下降動(dòng)作不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)頭的現(xiàn)象，這在海上吊機(jī)使用中是嚴(yán)格禁止的。

綜合上述兩種平衡回路的對(duì)比分析，并結(jié)合海上吊機(jī)的使用工況需求，本文提出了一種新型的變幅平衡閥組，原理如圖1（c）新型平衡回路所示。這種平衡閥組包含了一個(gè)經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的平衡閥和一個(gè)裝在上腔油路上的順序閥。增加的順序閥使得油缸上腔壓力p1與平衡閥開(kāi)啟壓力p3無(wú)關(guān)或者不會(huì)直接反饋，從而可以通過(guò)調(diào)節(jié)讓p1很小或者趨近于0。該閥組中的平衡閥芯是選用某公司特殊設(shè)計(jì)的閥芯，其密封形式采用的是錐面密封，并且在平衡閥特性上具有節(jié)流調(diào)節(jié)的能力，可自動(dòng)控制節(jié)流的開(kāi)口面積，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 新型平衡閥芯

在系統(tǒng)中設(shè)定單向順序閥開(kāi)啟壓力p3稍低于平衡閥開(kāi)啟壓力，當(dāng)變幅下降時(shí)，順序閥首先達(dá)到開(kāi)啟壓力而打開(kāi)，壓力油進(jìn)入油缸上腔，此時(shí)供油壓力再稍微增加，就可開(kāi)啟變幅平衡閥，油缸開(kāi)始下降；當(dāng)油缸有加速下降趨勢(shì)時(shí)，油缸上腔壓力p1會(huì)降低，但由于有順序閥的控制，該壓力波動(dòng)不會(huì)直接反饋到平衡閥的開(kāi)啟控制口上，并且順序閥的開(kāi)啟壓力僅僅稍低于平衡閥的開(kāi)啟壓力，只要下降回路提供很小的連續(xù)流量，就可以防止油缸加速下滑時(shí)因上腔流量不足而出現(xiàn)的“點(diǎn)頭”現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了普通平衡回路的特點(diǎn)，并結(jié)合海上吊機(jī)對(duì)變幅液壓缸平衡回路的實(shí)際需求，提出了一種適合于海上平臺(tái)起重機(jī)的變幅液壓缸平衡回路和新型平衡閥組，使得海上吊機(jī)的變幅懸停動(dòng)作鎖止性能大大提高。在變幅下降動(dòng)作時(shí)，因新型平衡閥的自調(diào)節(jié)性，使得變幅下降動(dòng)作非常平穩(wěn)并且容易實(shí)現(xiàn)微動(dòng)調(diào)節(jié)與控制。該設(shè)計(jì)已經(jīng)成功在SZ36-1E/G海上平臺(tái)吊機(jī)中得到應(yīng)用，使用效果較好，故該新型平衡閥組可滿足海上吊機(jī)的變幅液壓缸平衡回路的需求，為其他類似設(shè)備也可提供借鑒。

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［1］張雅琴，張祝新.對(duì)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中平衡回路問(wèn)題研究［J］.機(jī)械工程師，2006（2）：84-85.

［2］姚平喜，張曉俊.液壓平衡回路辨析［J］.液壓與氣動(dòng)，2005（1）：74-75.

［3］麻井偉.負(fù)載敏感平衡閥的研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2007.

［4］李興奎，吳志勇.液壓平衡回路應(yīng)用探討［J］.建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2006（8）：89-90.

［5］周海強(qiáng)，周志強(qiáng).液壓平衡回路設(shè)計(jì)［J］.流體傳動(dòng)與控制，2014（6）：36-37.

［6］宋學(xué)義.袖珍液壓氣動(dòng)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［7］雷天覺(jué).新編液壓工程手冊(cè)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.