王文鑫，羅如崗，曹玉林

（中海石油（中國(guó)）有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司， 天津 300450）

我國(guó)渤海某海上油田的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪配置有塔式桁架懸臂海洋吊機(jī)，其吊臂總長(zhǎng)超過(guò)50m。在吊臂回轉(zhuǎn)動(dòng)作啟動(dòng)、停止和雙聯(lián)動(dòng)瞬間，由于慣性力的影響造成吊臂回轉(zhuǎn)沖擊、抖動(dòng)劇烈。頻繁的抖動(dòng)造成齒輪箱往復(fù)受力，引起齒輪箱地腳螺栓和內(nèi)部螺栓松動(dòng)甚至斷裂，極限工況還會(huì)導(dǎo)致齒輪箱內(nèi)部傳動(dòng)部件疲勞受損，引發(fā)較為嚴(yán)重的安全和生產(chǎn)事故。

1 回轉(zhuǎn)沖擊根源分析

該型吊機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由兩個(gè)回轉(zhuǎn)齒輪箱、兩個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)構(gòu)成，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1。從圖1可知，液壓主回路由雙向平衡閥S02導(dǎo)入，通過(guò)兩個(gè)定量液壓馬達(dá)S01同步驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)齒輪箱，實(shí)現(xiàn)吊臂360°回轉(zhuǎn)動(dòng)作。此液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)有BR口剎車(chē)油路、S06液控?fù)Q向閥、平衡閥內(nèi)置梭閥共同實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)釋放和剎車(chē)功能。在原設(shè)計(jì)時(shí)，為避免因剎車(chē)油缸過(guò)快復(fù)位的急剎車(chē)效應(yīng)，設(shè)計(jì)有S04單向節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)剎車(chē)油缸限速回流以及S03蓄能器延緩剎車(chē)油缸復(fù)位。

經(jīng)理論推演和實(shí)際參數(shù)測(cè)量，從液壓系統(tǒng)上分析導(dǎo)致吊臂回轉(zhuǎn)沖擊抖動(dòng)的主要原因有以下幾種：

（1）回轉(zhuǎn)主控多路閥換向或閥芯復(fù)位過(guò)快，造成回轉(zhuǎn)主回路循環(huán)瞬間中斷，主回路形成液壓鎖閉現(xiàn)象，在吊臂慣性力驅(qū)使下，造成馬達(dá)液壓油路形成沖擊油壓，馬達(dá)液壓鎖閉加劇了吊臂根部停止動(dòng)作而頭部慣性往復(fù)運(yùn)動(dòng)的抖動(dòng)現(xiàn)象。通過(guò)安裝主回路測(cè)壓法蘭，測(cè)量停止瞬間的主回路沖擊油壓交替達(dá)到21MPa，驗(yàn)證了液壓鎖閉和油壓沖擊現(xiàn)象的存在，并可以推斷為造成吊臂往復(fù)抖動(dòng)的主因。

圖1 優(yōu)化前的回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)圖

（2）雖然設(shè)計(jì)有剎車(chē)延時(shí)關(guān)閉的S04單向節(jié)流閥和蓄能器S03，但依然沒(méi)有達(dá)到剎車(chē)緩慢關(guān)閉的效果。通過(guò)全部關(guān)閉S04單向閥保持剎車(chē)常開(kāi)，測(cè)試發(fā)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)抖動(dòng)有一定的改善，證明設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)剎車(chē)依然有剎車(chē)回位迅速加劇吊臂抖動(dòng)的問(wèn)題。

（3）回轉(zhuǎn)多路閥的壓力補(bǔ)償油壓不穩(wěn)定，供油泵斜盤(pán)動(dòng)作紊亂，造成系統(tǒng)壓力波動(dòng)，從而出現(xiàn)吊裝時(shí)雙聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)抖動(dòng)現(xiàn)象。此現(xiàn)象可通過(guò)雙聯(lián)動(dòng)瞬間主液壓回路油壓波動(dòng)驗(yàn)證。

上述液壓鎖閉和剎車(chē)復(fù)位過(guò)快，產(chǎn)生巨大的反向扭矩阻止回轉(zhuǎn)齒輪箱繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，吊臂頂部由于回轉(zhuǎn)慣性力產(chǎn)生的能量得不到釋放，只能施加到回轉(zhuǎn)齒輪箱地腳螺栓和內(nèi)部結(jié)構(gòu)件上，通過(guò)摩擦發(fā)熱或者結(jié)構(gòu)件變形等能量轉(zhuǎn)換過(guò)程來(lái)消耗吊臂的動(dòng)能，在此過(guò)程中表現(xiàn)出吊臂抖動(dòng)劇烈以及齒輪箱構(gòu)件頻繁故障的現(xiàn)象。

2 緩釋回轉(zhuǎn)沖擊的具體措施

2.1 增設(shè)連通液壓馬達(dá)進(jìn)回油路的邏輯閥，緩解馬達(dá)停止瞬間的液壓鎖閉現(xiàn)象

設(shè)計(jì)思路：增設(shè)可根據(jù)回轉(zhuǎn)動(dòng)作自動(dòng)控制的邏輯閥和節(jié)流閥模塊，引入主換向閥控制油路的先導(dǎo)油壓作為邏輯閥通斷的控制信號(hào)。在回轉(zhuǎn)動(dòng)作過(guò)程中，主控先導(dǎo)油路關(guān)閉邏輯聯(lián)通閥；當(dāng)回轉(zhuǎn)動(dòng)作停止時(shí)，邏輯閥內(nèi)彈簧復(fù)位，連通馬達(dá)進(jìn)出口油路，實(shí)現(xiàn)馬達(dá)內(nèi)部油路連通，降低馬達(dá)反向力矩，消除液壓鎖閉現(xiàn)象。同時(shí)，液壓油從馬達(dá)高壓口通過(guò)節(jié)流閥進(jìn)入低壓口，節(jié)流閥前后壓差泄壓發(fā)熱，吊臂慣性力產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)化成液壓系統(tǒng)的熱量，無(wú)需通過(guò)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的反復(fù)摩擦和變形來(lái)轉(zhuǎn)化慣性能力。

具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2，通過(guò)增設(shè)馬達(dá)A、B口聯(lián)通邏輯閥G04，降低換向閥回中位時(shí)，吊臂旋轉(zhuǎn)慣性帶動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)引起的A、B口內(nèi)部沖擊油壓，在滿足吊機(jī)回轉(zhuǎn)操控性的前提下，盡量導(dǎo)通A、B口，讓馬達(dá)內(nèi)部能自轉(zhuǎn)一個(gè)微小時(shí)段，降低沖擊油壓高值。邏輯閥通斷的先導(dǎo)油液來(lái)自回轉(zhuǎn)主換向閥的液控管線，即回轉(zhuǎn)啟動(dòng)瞬間，邏輯閥關(guān)閉A、B聯(lián)通口，只有在操控手柄回復(fù)中位時(shí)，邏輯聯(lián)通閥在內(nèi)部彈簧恢復(fù)力作用下，導(dǎo)通A、B口。

在增設(shè)A、B口聯(lián)通邏輯閥同時(shí)，為了調(diào)節(jié)A、B口通流量，設(shè)置節(jié)流閥G05，用于調(diào)整停止瞬間馬達(dá)自轉(zhuǎn)速度，防止回轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響操控安全。下圖中的SC口來(lái)自于換向閥梭閥Z02出口，見(jiàn)下文的圖2-2。

圖2 優(yōu)化后的回轉(zhuǎn)液壓圖

2.2 增設(shè)先導(dǎo)節(jié)流閥，延緩主換向閥復(fù)位速度

設(shè)計(jì)思路：增設(shè)回轉(zhuǎn)主換向閥先導(dǎo)油路單向節(jié)流閥，以節(jié)流的形式，控制液控?fù)Q向閥主閥芯兩側(cè)油缸回油速度。當(dāng)回轉(zhuǎn)控制手柄復(fù)位中位后，由于控制油路增設(shè)的節(jié)流口效應(yīng)，減緩了主閥芯先導(dǎo)油缸回油速度，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)停止瞬間主油路的延時(shí)關(guān)閉。最終達(dá)到回轉(zhuǎn)吊臂停止瞬間，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)吊臂的反向力的作用時(shí)間延長(zhǎng)、減小沖擊力、減小液壓鎖閉效應(yīng)的目的。

具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3，設(shè)計(jì)固定單向節(jié)流閥組件Z03，分別安裝在回轉(zhuǎn)主換向閥H1的左右先導(dǎo)油路上，節(jié)流閥要求孔徑一致，避免雙向動(dòng)作不統(tǒng)一。節(jié)流閥選取非可調(diào)式節(jié)流孔。設(shè)計(jì)三種規(guī)格的節(jié)流孔徑，分別為0.4mm、0.6mm、0.8mm，根據(jù)測(cè)試綜合效果選擇合適孔徑的節(jié)流孔。此外，應(yīng)用梭閥Z02油路SC，實(shí)現(xiàn)雙向油路控制圖2中新增邏輯閥G04，達(dá)到左右旋轉(zhuǎn)動(dòng)作啟動(dòng)瞬間邏輯閥都能迅速關(guān)閉的目的。

圖3 回轉(zhuǎn)主換向閥增設(shè)先導(dǎo)節(jié)流閥設(shè)計(jì)圖

2.3 增設(shè)剎車(chē)油路調(diào)速閥，實(shí)現(xiàn)剎車(chē)油路壓力可調(diào)可視化

圖2中，在原設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)剎車(chē)油路上，增設(shè)調(diào)壓閥G02和測(cè)壓點(diǎn)G03/1，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)剎車(chē)油路壓力可調(diào)可視。調(diào)速閥通過(guò)調(diào)定不同的壓力，實(shí)現(xiàn)剎車(chē)油缸緩慢回油，并可以通過(guò)測(cè)壓點(diǎn)監(jiān)控回油壓力變化，用以調(diào)整最佳剎車(chē)復(fù)位效果。取消原蓄能器設(shè)計(jì)，蓄能延遲功能由調(diào)速閥替代。

2.4 增設(shè)主油泵變量系統(tǒng)控制延時(shí)調(diào)整節(jié)流閥

設(shè)計(jì)主油泵斜盤(pán)控制系統(tǒng)的負(fù)載感應(yīng)油路流量可調(diào)。實(shí)現(xiàn)方式為在主換向閥的LS口增設(shè)一個(gè)單向可調(diào)流量閥，實(shí)現(xiàn)斜盤(pán)調(diào)整回位速度的延遲。主要目的是避免雙聯(lián)動(dòng)變單動(dòng)作時(shí)，主油泵斜盤(pán)角度調(diào)整過(guò)快，造成油路油壓波動(dòng)，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在運(yùn)行和停止時(shí)的不平穩(wěn)供油。

3 液壓系統(tǒng)優(yōu)化措施應(yīng)用

在實(shí)際處理該型吊機(jī)回轉(zhuǎn)沖擊問(wèn)題時(shí)，選用了增設(shè)邏輯閥、多路閥先導(dǎo)油路的固定節(jié)流閥的措施組合應(yīng)用，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)試過(guò)程，得到如下調(diào)試效果，見(jiàn)表1。

表1 優(yōu)化措施安裝調(diào)試步驟

綜合使用效果：多位吊機(jī)專職操作人員實(shí)際測(cè)試，一致認(rèn)為該型長(zhǎng)吊臂吊機(jī)的操控得到了非常好的改善?；剞D(zhuǎn)馬達(dá)A、B口沖擊油壓由早期的21MPa降低到10MPa，吊臂和回轉(zhuǎn)平臺(tái)的回往復(fù)抖動(dòng)次數(shù)由四次以上，變?yōu)榛鞠?，回轉(zhuǎn)動(dòng)作非常平穩(wěn)。經(jīng)過(guò)為期近一年時(shí)間的測(cè)試，因抖動(dòng)導(dǎo)致回轉(zhuǎn)齒輪箱地腳螺栓松動(dòng)和齒輪箱故障再未發(fā)生。

4 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪常見(jiàn)長(zhǎng)吊臂吊機(jī)因慣性力導(dǎo)致的回轉(zhuǎn)沖擊問(wèn)題進(jìn)行研究，分析了回轉(zhuǎn)沖擊在液壓系統(tǒng)方面產(chǎn)生的根源，并根據(jù)液壓系統(tǒng)上存在的問(wèn)題，提出了應(yīng)用邏輯閥消除液壓鎖閉、節(jié)流閥延緩主換向閥復(fù)位等優(yōu)化措施。通過(guò)實(shí)踐改造，并測(cè)試調(diào)試效果，驗(yàn)證了措施應(yīng)用的良好實(shí)際效果。該系列液壓系統(tǒng)優(yōu)化措施，為解決同工況下的海洋石油吊機(jī)回轉(zhuǎn)沖擊問(wèn)題提供了參考，也為海洋吊機(jī)制造廠家提供了液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的思路。

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