液壓齒條式升降系統(tǒng)故障分析研究

張 磊，王 耀，朱曉林，蔣勇剛，陳江英

(1.中船黃埔文沖船舶有限公司,廣東 廣州 511462； 2.中國船級社 廣州分社,廣東 廣州 511462)

自升式海洋平臺(tái)包括船體、樁腿和升降系統(tǒng)。在這3部分中，升降系統(tǒng)安裝在船體和各個(gè)樁腿之間，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，帶動(dòng)減速齒輪箱上的爬山齒輪，使船體沿著樁腿進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)，完成平臺(tái)或樁腿的升降操作。在自升式平臺(tái)中，升降系統(tǒng)是最為重要的設(shè)備，其可操作性、安全性、舉升能力，會(huì)關(guān)系到平臺(tái)的使用安全和作業(yè)效率[1]。升降系統(tǒng)大體可分為2個(gè)類別，液壓齒輪齒條式和電動(dòng)齒輪齒條式。升降系統(tǒng)配合的樁腿也分為桁架式樁腿和圓柱式樁腿[2]。本文依托某型居住平臺(tái)液壓齒輪齒條式升降系統(tǒng)全程升降試驗(yàn)中的故障問題，對系統(tǒng)配置、液壓管路、控制程序進(jìn)行分析，找出故障原因，并進(jìn)行優(yōu)化。

1 系統(tǒng)特點(diǎn)

本文依托的液壓齒輪齒條式升降系統(tǒng)主要由齒輪、齒條、減速器等組成。驅(qū)動(dòng)方法為通過液壓拖著減速箱，將力矩傳遞給爬升齒輪，沿著樁腿上的齒條完成船體升降的任務(wù)。齒條垂直焊接到殼體式樁腿的筒體上,圓柱式樁腿爬升齒輪則是通過安裝架(π型版)固定在固樁架上，齒條與爬升齒輪嚙合，再由電動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)經(jīng)減速器帶動(dòng)齒條，產(chǎn)生低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩的爬升力，完成平臺(tái)的垂直升降。圖 1 為圓柱殼體式升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖[3]。

圖1 圓柱殼體式升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2 故障現(xiàn)象和分析

升降系統(tǒng)的性能由3個(gè)方面決定，一是液壓升降系統(tǒng)配置；二是液壓剎車管路設(shè)計(jì)；三是控制程序的邏輯性。升降系統(tǒng)在升降過程中的故障也主要來自這3個(gè)方面。

2.1 故障現(xiàn)象

全程升降中的故障有：①升降過程中，齒輪箱異位，剎車片部分?jǐn)嗔押瓦^度磨損，但系統(tǒng)未給出報(bào)警。②升降過程中樁腿出現(xiàn)瞬間下滑，導(dǎo)致部分電動(dòng)機(jī)損壞。③升降過程中，樁腿頂部齒條出現(xiàn)損壞。損壞的剎車片與損壞的液壓系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)見圖2、圖3。

圖2 損壞的剎車片

圖3 損壞的液壓系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)

2.2 故障分析

回顧升降系統(tǒng)全程試驗(yàn)中的故障現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為剎車片快速磨損、斷裂，液壓系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)損壞。故障現(xiàn)象只是結(jié)果，根本原因可以根據(jù)現(xiàn)象分析和邏輯判斷向上追溯。

剎車片快速磨損、斷裂的直接原因是發(fā)生動(dòng)態(tài)制動(dòng)(半聯(lián)動(dòng))，向上推導(dǎo)的原因是剎車動(dòng)作與升降動(dòng)作不同步、不協(xié)調(diào)。其根本原因是：①軟件原因，控制系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)有誤。②硬件原因，一是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷，管路排氣閥數(shù)量少，設(shè)置不合理，導(dǎo)致管路受空氣影響；二是剎車片質(zhì)量問題。

電動(dòng)機(jī)損壞的直接原因是超速或超負(fù)荷，導(dǎo)致在超速(飛車)、降平臺(tái)時(shí)電動(dòng)機(jī)失油，平臺(tái)無制動(dòng)，緊急下降。系統(tǒng)流量及壓力未超負(fù)荷，進(jìn)一步分析原因是主油路供油遲滯，延時(shí)設(shè)置不當(dāng)，缺乏靜態(tài)補(bǔ)油。由此，可以得出其根本原因是：①軟件原因，控制系統(tǒng)延時(shí)參數(shù)不正確；②硬件原因，液壓原理缺陷，無相應(yīng)補(bǔ)油功能的管路。

所以其故障原因主要在如下幾個(gè)方面。

1)液壓升降系統(tǒng)配置。升降系統(tǒng)選用了可變量電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)不同工況下的升降速度，樁腿不入泥時(shí)使用大流量檔位，帶負(fù)荷升降時(shí)采用小流量檔位，在每個(gè)電動(dòng)機(jī)上設(shè)置電磁換向閥來選擇高低流量。為了防止個(gè)別電磁換向閥故障失效導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)負(fù)荷不均，必須增加有關(guān)的報(bào)警點(diǎn)。這就使得系統(tǒng)為了獲得某些功能而設(shè)計(jì)得過于復(fù)雜，由于可變量較多，控制難度大，導(dǎo)致系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障。

2)液壓剎車管路設(shè)計(jì)。升降系統(tǒng)剎車由單獨(dú)總管供油，公共報(bào)警點(diǎn)不監(jiān)測每臺(tái)剎車的油壓。剎車總管壓力達(dá)到額定值時(shí)，默認(rèn)所有剎車全開。在某些剎車出現(xiàn)故障時(shí)，如過度磨損、卡死，系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)控報(bào)警和連鎖，只能通過就地觀察才能發(fā)現(xiàn)故障。

因管路特性差異，剎車管路為封閉管，通常能更快建立和失去壓力。啟動(dòng)升降時(shí)，升降動(dòng)作將會(huì)存在很短時(shí)間的遲滯。反過來，剎車開啟稍晚，將承受低速?zèng)_擊；停止升降時(shí)，主比例閥操縱桿回中后，剎車管路立即斷油閉合，這時(shí)升降動(dòng)作完全停止，對剎車造成短暫沖擊。在同步動(dòng)作條件下，如果某些剎車逐漸磨損，將會(huì)出現(xiàn)動(dòng)作遲滯，各剎車開啟時(shí)間差異越來越大，甚至個(gè)別剎車卡死無法打開，造成其他動(dòng)力單元拖拽故障單元的情況。

3)控制程序的邏輯性?？刂瞥绦?qū)σ簤合到y(tǒng)的連鎖保護(hù)不完善，每次升降故障及設(shè)備損壞前，均無報(bào)警提示，甚至設(shè)備已經(jīng)損壞了，仍無報(bào)警提示。液壓系統(tǒng)和控制程序的協(xié)調(diào)性差，控制邏輯和延時(shí)設(shè)計(jì)較為混亂。

總之，升降系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)中的故障，是多種原因綜合作用的結(jié)果，必須逐項(xiàng)進(jìn)行科學(xué)的分析，才能制定出有效的整改措施。

3 優(yōu)化方案分析

因平臺(tái)升降系統(tǒng)進(jìn)行升降操作時(shí)出現(xiàn)不正常狀況，應(yīng)對液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行徹底的整改。

3.1 液壓和控制系統(tǒng)存在的問題

1)控制系統(tǒng)和程序問題分析。原系統(tǒng)在控制邏輯上存在嚴(yán)重的理解偏差，保護(hù)功能設(shè)計(jì)不完善，安全余度不足，需進(jìn)行程序修改。為在有限時(shí)間內(nèi)徹底解決問題，應(yīng)對程序進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

2)液壓系統(tǒng)問題分析。 ①原設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)對動(dòng)作原理和順序及動(dòng)作實(shí)現(xiàn)方式理解有誤，后期采取的補(bǔ)救措施過于雜亂，不但沒有解決實(shí)質(zhì)問題，而且還降低了系統(tǒng)的可靠性，需進(jìn)行整改，這部分工作包括增、減一些現(xiàn)有回路，包括用于排氣、補(bǔ)油等用途的后加回路，以優(yōu)化系統(tǒng)。②原液壓系統(tǒng)缺乏一些基本的系統(tǒng)保護(hù)裝置，導(dǎo)致液壓元器件在沖擊載荷下極易損壞，多次損壞液壓系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)、剎車及齒輪齒條等，這部分整改內(nèi)容包括重新加工液壓系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)口閥塊，增加新的安全保護(hù)閥。③原系統(tǒng)的背壓設(shè)計(jì)和選型不合理，極易造成液壓升降單元的載荷不同步，應(yīng)一并修改。④原系統(tǒng)的變量控制方案存在隱患，過多的變量點(diǎn)和變量原件導(dǎo)致控制繁復(fù)和誤差疊加，應(yīng)一并修改優(yōu)化[4]。

3.2 實(shí)施方法

1)控制系統(tǒng)和程序問題部分。依然沿用原有電器控制系統(tǒng)，重新裝入新的控制程序。新的控制程序編制后先進(jìn)行模擬運(yùn)行調(diào)試，待液壓系統(tǒng)整改完畢，再進(jìn)行聯(lián)機(jī)實(shí)調(diào)。

2)液壓系統(tǒng)部分。原供貨商應(yīng)保證原有設(shè)備器材的完好性，已經(jīng)損壞的液壓系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)、剎車裝置等零件應(yīng)更換完畢。設(shè)計(jì)制造新的閥塊，采購、配裝新的插裝閥等。重新調(diào)整原有液壓系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)配置，修改原管路系統(tǒng)。

3)剎車部分。剎車控制獨(dú)立。更改控制程序，實(shí)現(xiàn)樁腿位移編碼器和比例閥的閉環(huán)位移控制。剎車開啟時(shí)，主油路供油之間的延時(shí)調(diào)整至合理值，將緊急下降時(shí)間控制在1 s內(nèi)[5]。