海上平臺(tái)吊機(jī)液壓泵及馬達(dá)檢測(cè)裝置可行性分析

李明月，張 浩，許 巍，侯曉偉，洪天龍，王天舟

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452）

0 引言

液壓泵是液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，也稱動(dòng)力元件，能將原動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等）輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，用以驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件[1]。液壓馬達(dá)是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，能將輸入的液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出，液壓馬達(dá)的輸出是連續(xù)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中使用的液壓泵均為容積式液壓泵，按結(jié)構(gòu)可分為齒輪泵、葉片泵和柱塞泵（包括軸向柱塞泵和徑向柱塞泵）。容積式液壓泵（泵每轉(zhuǎn)輸出的液體量）是由其工作腔的可變?nèi)莘e決定的，與泵輸出的壓力大小無(wú)關(guān)，壓力僅通過(guò)泄漏量影響其流量。液壓泵所能輸出的最大壓力，取決于其工作腔的密封性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及構(gòu)成零件的強(qiáng)度。在實(shí)際工作中，液壓泵輸出的壓力取決于外界的載荷（也即系統(tǒng)中的阻力）。在液壓傳動(dòng)中所用的馬達(dá)也都是容積式元件，液壓馬達(dá)也有定量式和變量式之分[2]。

液壓馬達(dá)在結(jié)構(gòu)和分類(lèi)上基本和液壓泵相同，因此，大多數(shù)液壓泵，在理論上都可以用作液壓馬達(dá)。本文以液壓泵為例，分析便攜式液壓泵及馬達(dá)檢測(cè)裝置的可行性。該檢測(cè)裝置能測(cè)量流量和壓力，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比來(lái)確定液壓泵及馬達(dá)是否出現(xiàn)故障、是否需要進(jìn)行維修。

1 液壓泵主要性能參數(shù)

1.1 排量

排量指泵軸轉(zhuǎn)一周排出的液體體積，理論上泵的排量只取決于其工作機(jī)構(gòu)的幾何尺寸。液壓泵有定排量泵與變排量泵2種，簡(jiǎn)稱定量泵與變量泵。前者排量恒定，后者排量可變(通過(guò)變量機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn))[3]。

1.2 理論流量和實(shí)際流量

泵的理論流量Q0是指在不考慮泄漏及液體壓縮性的情況下，單位時(shí)間（1 min）內(nèi)輸出的液體體積。其等于泵的排量與單位時(shí)間轉(zhuǎn)速n的乘積，即：

Q0=qn

液壓泵在將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗軙r(shí)，會(huì)有一定的能量損失。例如，機(jī)械運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦引起的機(jī)械損失；泵的泄露造成的流量損失等。泵的實(shí)際流量Q要小于理論流量Q0。

1.3 容積效率、機(jī)械效率與總效率

液壓泵的容積效率ηv等于實(shí)際流量和理論流量的比值，即：

式中：ΔQ為泵的泄漏量。

由于存在機(jī)械損耗，泵的輸入功率Nλ（即電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率）必然大于泵的理論輸出功率N0，其機(jī)械效率ηm為：

式中：Mλ為輸入泵的實(shí)際轉(zhuǎn)矩；M0為泵的理論轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)液壓泵每轉(zhuǎn)的機(jī)械功應(yīng)等于液壓泵每轉(zhuǎn)輸出的液壓功的原理MOω=pQ可得：

式中： p為泵的工作壓力[3]。

液壓泵的總效率η為：

1.4 工作壓力、額定壓力與最高壓力

液壓泵的工作壓力是指泵工作時(shí)輸出油液的壓力，只與負(fù)載（包括外負(fù)載、管路阻力、各控制閥的壓力損失等）大小有關(guān)。負(fù)載大，工作壓力高；負(fù)載小，工作壓力低。即工作壓力是由負(fù)載決定的實(shí)際運(yùn)行壓力。

液壓泵的額定壓力是指泵連續(xù)運(yùn)行允許達(dá)到的最大工作壓力。其受本身零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和泄漏所限制。

液壓泵的最高壓力是指按試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的超過(guò)額定壓力的短暫運(yùn)行工作壓力。

2 常見(jiàn)故障分析

軸向柱塞泵在海上平臺(tái)吊機(jī)應(yīng)用廣泛，柱塞泵的故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響海上平臺(tái)吊機(jī)的正常使用，常見(jiàn)的故障形式如下。

2.1 輸出流量不夠

（1）吸油管接頭不緊、密封不嚴(yán)及焊接處未焊牢。這樣難以在泵內(nèi)形成必要的真空度，泵內(nèi)吸油腔與外界大氣壓接近相等，無(wú)法將壓力油壓入泵內(nèi)。

（2）柱塞泵的定心彈簧折斷，使柱塞泵回程不夠或不能回程，導(dǎo)致缸體和配油盤(pán)之間失去頂緊力而不能頂緊，存在間隙而喪失密封性能。

（3）緊固螺絲未擰緊，缸體徑向力引起缸體扭斜，在缸體與配油盤(pán)之間產(chǎn)生間隙，造成內(nèi)泄漏增大。

（4）柱塞與缸體孔之間的滑動(dòng)配合面磨損或拉傷，使柱塞與缸體孔之間的配合間隙增大，造成壓力油通過(guò)此間隙進(jìn)入內(nèi)體內(nèi)空腔，造成內(nèi)泄漏增大[4]。

2.2 壓力低

（1）電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速低，導(dǎo)致泵輸出流量小，不能克服負(fù)載流量的需要，影響負(fù)載壓力的提高。

（2）液壓系統(tǒng)其他元件的故障，如閥塊未調(diào)整好、閥芯卡死、壓力表及壓力表開(kāi)關(guān)等故障。

（3）變量斜盤(pán)傾角過(guò)小，使輸出壓力及流量小。

2.3 泵噪聲大、壓力波動(dòng)大

（1）泵密封不良。密封不良使泵吸入空氣，造成噪聲大、壓力波動(dòng)大。

（2）活塞運(yùn)動(dòng)不靈敏。如果是偶然性的，大多是因?yàn)橛鸵褐泻屑?xì)小雜物顆粒，造成活塞卡滯；如果是經(jīng)常性的，則可能是配合件磨損或拉傷。

（3）氣穴現(xiàn)象。

3 裝置特點(diǎn)

常見(jiàn)的液壓泵故障，僅通過(guò)目測(cè)或簡(jiǎn)單測(cè)量就能判斷具體的故障原因，但配合件的磨損或拉傷不能直接判斷，需進(jìn)行拆解或使用專(zhuān)用工具進(jìn)行測(cè)量。大部分配合件的磨損或拉傷現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致內(nèi)泄漏增大，進(jìn)而引起噪聲增大和壓力波動(dòng)[5]。因此，通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)泄漏量的變化能判斷液壓泵是否出現(xiàn)故障。該便攜式檢測(cè)裝置有如下特點(diǎn)。

（1）針對(duì)性強(qiáng)。裝置的設(shè)計(jì)以適應(yīng)海上平臺(tái)吊機(jī)的工況為基礎(chǔ)。海上平臺(tái)吊機(jī)液壓系統(tǒng)中僅安裝壓力表，沒(méi)有流量測(cè)量元件，針對(duì)這一現(xiàn)象，該裝置配有壓力傳感器及流量傳感器，將傳感器接入系統(tǒng)中采集信號(hào)并通過(guò)分析、處理，直接顯示在裝置的顯示屏上，能直接讀取數(shù)據(jù)[6]。

（2）便攜式。該裝置由內(nèi)含顯示屏、PLC、電源、斷路器、AI模塊的電氣箱及傳感器組成，同時(shí)根據(jù)不同吊機(jī)的不同規(guī)格液壓管線，設(shè)計(jì)不同的變徑接頭，能將傳感器直接接入系統(tǒng)中而不影響吊機(jī)的正常使用。各個(gè)部件小型化，實(shí)現(xiàn)便攜式。

（3）通用性強(qiáng)。由于配備多種不同規(guī)格的變徑接頭，該裝置能接入大部分吊機(jī)液壓系統(tǒng)中，基本能實(shí)現(xiàn)渤海地區(qū)海上平臺(tái)吊機(jī)壓力及流量的測(cè)量。

（4）故障報(bào)警。該裝置PLC中寫(xiě)入常見(jiàn)液壓泵、馬達(dá)的壓力流量匹配關(guān)系及允許內(nèi)泄漏量。測(cè)量時(shí)，如果裝置判斷內(nèi)泄漏量過(guò)大，顯示屏?xí)霈F(xiàn)報(bào)警信號(hào)，提示維修人員測(cè)量的液壓泵、馬達(dá)可能出現(xiàn)故障，需進(jìn)一步進(jìn)行拆檢維修[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

海上平臺(tái)吊機(jī)是海上平臺(tái)的一類(lèi)特種設(shè)備，其性能的好壞直接影響平臺(tái)的生產(chǎn)及生活。該裝置適應(yīng)海上平臺(tái)吊機(jī)的工況，雖然測(cè)量數(shù)據(jù)及功能有限，但原理可行[8]。后續(xù)可通過(guò)實(shí)際應(yīng)用及優(yōu)化升級(jí)，在保證可靠性的情況下，增加其他功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海上平臺(tái)吊機(jī)液壓泵及馬達(dá)的預(yù)防性拆檢維護(hù)保養(yǎng)工作，保證海上平臺(tái)吊機(jī)的本質(zhì)安全。