海上平台起重机变幅液压缸平衡回路研究*

王 宁

（中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452）

0 引言

海上平台起重机（以下简称海上吊机）的变幅形式分为两种，分别是箱体式吊臂液压缸变幅和桁架式吊臂钢丝绳变幅。由于占用空间小、维护成本低的原因，利用液压缸的变幅形式在目前得到了非常广泛的应用。变幅液压缸平衡回路的作用是为了防止因受垂直负载力和自身重力的作用而吊臂自行下落，或者吊臂下放时出现超速或失控等现象的发生。变幅液压缸平衡原理主要是通过在回路上设置适当的阻力，产生一定的背压来使液压缸平稳下降，对于保证液压系统的安全性、海上吊机正常运转等方面起着非常重要的作用[1]。然而，由于海上吊机接触人群少，使用数量少，在一些液压工程手册等资料中，仅对变幅平衡回路的基本原理进行了简单描述，并没有针对海上吊机这种高压大流量变幅液压缸平衡回路进行专门分析。

本文首先解析了其他液压设备的典型液压缸平衡回路，从工作原理和应用效果做了深入的对比，指出了这些普通平衡回路的各自特点。文章结合海上吊机的特殊工况需求，通过对普通平衡回路的合理优化和完善，尤其针对在大负载液压缸下行动作时出现的问题，提出了一种改进型的海上吊机变幅液压缸平衡回路，以及一种新型平衡阀组的设计，期望对设计者有所帮助。

1 普通平衡回路的解析

一般教科书及工具手册中主要介绍了两种变幅平衡回路，一种是内控式顺序阀回路，另一种是外控式平衡阀回路。结合海上吊机的实际使用工况，通过对两种变幅平衡回路的深入探讨，可以对两种回路的特点进行准确分析。

内控式顺序阀回路，也称为自控式平衡阀回路，其主要是由一个内控式顺序阀和一个单向阀并列组合形成平衡阀而实现的，详见原理图1（a）内控式顺序阀回路。这种平衡阀的开启压力是通过螺纹旋杆进行调节的，首先计算出吊机自重对液压缸下腔产生的压力与额定载荷对液压缸下腔产生的压力之和，即为P2，然后设定平衡阀的开启压力Pk的值略大于P2，当液压缸上腔压力P1=0时，吊机自重和负载的总和所产生的液压缸下腔压力P2无法达到平衡阀的开启压力Pk，此时液压缸不会自行下落，起到了平衡的作用。当活塞作下行运动时，由于顺序阀的作用，回油腔会有一定的持续背压，故变幅下降运动保持平稳。这种平衡回路，在吊机变幅下降时，需要给液压缸上腔提供持续的高压油，以使平衡阀达到开启压力[2]。但由于海上平台吊机是变负载工况，当空载运行时，由于没有载荷的重力势能参与平衡，故由吊机自身系统提供打开平衡阀的功率则随之大幅增加，并且随着负载变化而变化，这不但在操作上难以控制，而且功率损失也非常严重，因此不适宜在海上平台吊机上使用。

外控式平衡阀回路，如图1（b）外控式平衡阀回路所示，其平衡阀的开启压力可以设置得很小。在活塞向下运动时，外控式平衡阀并非由下腔回油背压打开，而是被进油路上的控制油打开，而且是一个恒定的开启油压，不受负载大小的影响，故平衡阀打开所需的功率是一个恒定值，因此在实现了平顺控制变幅下降动作的同时，功率损失也有所减小。但这种外控式平衡阀没有调节流量的作用，当外控压力达到设定值时，平衡阀瞬间打开，液压缸活塞也会随之瞬间下落，吊机自重和负载也一同下降，启动比较突然；同时，由于下落速度过快，液压缸上腔的油液会出现供油不足的情况，此时就会导致上腔压力瞬间下降，间接导致外控压力降低，直至低于平衡阀的开启压力，变幅下降动作又会瞬间停止。而吊机自重加上负载的总重量高达约50 t，在瞬间启动又停止的反复过程中，会产生非常大的冲击载荷，会对海上吊机结构以及平台导管架结构产生非常大的危害[3]。

图1 各平衡回路原理图

2 海上吊机变幅液压缸动作分析

海上吊机变幅液压缸承载着吊臂自重和负载重量之和，是海上吊机非常重要的结构件和液压元件，因重量较大，对其平稳运行尤其是下降的平稳性提出了非常高的要求。从能量转换的角度进行分析，可以发现变幅液压缸平衡回路就是要将吊机自重和载荷共同产生的重力势能吸收并转化为热能的形式释放出来。因海上吊机维修困难，并且使用情况恶劣，加之对平稳运行的需求，这就要求设计的变幅平衡回路工作可靠、平稳性能好。海上吊机在运行时，变幅动作非常频繁，但根据运动方向可以分为变幅起升、变幅悬停和变幅下降。在海上吊机的变幅起升动作时，液压系统一般均处于稳定的工作状态，此处不做过多讨论。在变幅下降和变幅悬停时，可以检验平衡回路是否稳定和可靠，尤其在变幅下降过程中最容易出现抖动和动作不稳定等情况的发生。

在石油平台进行钻井、修井等作业时，要求海上吊机配合吊装钻杆，其中包括变幅悬停的动作比较多，这就要求吊机变幅悬停的位置精度要高，同时容易进行微调控制。在变幅悬停时，图1（a）和图1（b）所示的2种原理图中控制变幅液压缸悬停的主要是顺序阀，而这种普通的顺序阀是一种滑阀结构，无法避免存在细小的泄漏量，随着悬停时间的增加，液压缸下腔的油液不断泄漏，导致吊臂悬停的位置不断下降，同时负载的大小也会影响悬停下降的速度，这种情况就会影响海上的生产作业，无法满足海上平台吊机的实际使用要求。

在变幅下降动作时，也就是液压缸回缩，负载和吊臂下降的动作。因海上吊机的吊臂和负载总重量可达50 t，若是产生抖动或不稳定的情况，会对吊机本身和平台结构造成较大的冲击载荷，影响安全使用，所以要保证变幅下降动作要高度平稳，也就是保证变幅液压缸在有负载的情况下，通过平衡回路控制，达到稳定回缩。在负载和吊机自重的重力影响下，会有一个持续的垂直向下的力，平衡回路要将这部分重力抵消掉，达到力量平衡。如公式（1）所示，无杆腔内的压力P2要与负载和吊机自重产生的压力相平衡。

在海上吊机的使用工况中，负载G是一个不断变化的值，不仅随着吊载货物不同重量不一样，在变幅角度不断变化过程中，变幅液压缸受到的负载也是不断变化的。若采用图1（a）所示的平衡回路，则由公式（1）可知，当G较大时，由于P2是恒定的，则液压缸有杆腔压力P1就可以很小，甚至趋于0，此时变幅系统的效率比较高，能量损失较小。当G较小时，为了打开平衡阀P2，必须使P1增大才能使变幅下降动作运行，这是P1产生的都是无效功耗，系统效率大大降低，能量损失非常大，因此这种平衡回路不适合海上吊机使用。

要达到变幅动作平稳运行，在流量匹配方面也要满足流量连续方程的要求，如公式（2）所示。在变幅液压缸下降动作时，有杆腔和无杆腔的作用面积不一样，因此在保证速度相同的情况下，两腔的流量要满足公式要求。

而图1（b）所示的这种平衡回路，其使用的平衡阀虽然由外部油源进行控制，但这种平衡阀没有流量调节的作用，也就是当外控压力达到设定值时，平衡阀瞬间打开，液压缸无杆腔油液会瞬间释放，导致Q2瞬间增大。而Q1在短时间内难以补偿Q2所增加的部分，由公式（2）可知，连续流量方程被打破，导致吊机变幅下降动作不稳定，会出现点头的现象，这在海上吊机使用中是严格禁止的。

综合上述两种平衡回路的对比分析，并结合海上吊机的使用工况需求，本文提出了一种新型的变幅平衡阀组，原理如图1（c）新型平衡回路所示。这种平衡阀组包含了一个经过特殊设计的平衡阀和一个装在上腔油路上的顺序阀。增加的顺序阀使得油缸上腔压力p1与平衡阀开启压力p3无关或者不会直接反馈，从而可以通过调节让p1很小或者趋近于0。该阀组中的平衡阀芯是选用某公司特殊设计的阀芯，其密封形式采用的是锥面密封，并且在平衡阀特性上具有节流调节的能力，可自动控制节流的开口面积，其结构形式如图2所示。

图2 新型平衡阀芯

在系统中设定单向顺序阀开启压力p3稍低于平衡阀开启压力，当变幅下降时，顺序阀首先达到开启压力而打开，压力油进入油缸上腔，此时供油压力再稍微增加，就可开启变幅平衡阀，油缸开始下降；当油缸有加速下降趋势时，油缸上腔压力p1会降低，但由于有顺序阀的控制，该压力波动不会直接反馈到平衡阀的开启控制口上，并且顺序阀的开启压力仅仅稍低于平衡阀的开启压力，只要下降回路提供很小的连续流量，就可以防止油缸加速下滑时因上腔流量不足而出现的“点头”现象。

3 结语

本文分析了普通平衡回路的特点，并结合海上吊机对变幅液压缸平衡回路的实际需求，提出了一种适合于海上平台起重机的变幅液压缸平衡回路和新型平衡阀组，使得海上吊机的变幅悬停动作锁止性能大大提高。在变幅下降动作时，因新型平衡阀的自调节性，使得变幅下降动作非常平稳并且容易实现微动调节与控制。该设计已经成功在SZ36-1E/G海上平台吊机中得到应用，使用效果较好，故该新型平衡阀组可满足海上吊机的变幅液压缸平衡回路的需求，为其他类似设备也可提供借鉴。

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［1］张雅琴，张祝新.对液压系统设计中平衡回路问题研究［J］.机械工程师，2006（2）：84-85.

［2］姚平喜，张晓俊.液压平衡回路辨析［J］.液压与气动，2005（1）：74-75.

［3］麻井伟.负载敏感平衡阀的研究［D］.太原：太原理工大学，2007.

［4］李兴奎，吴志勇.液压平衡回路应用探讨［J］.建设机械技术与管理，2006（8）：89-90.

［5］周海强，周志强.液压平衡回路设计［J］.流体传动与控制，2014（6）：36-37.

［6］宋学义.袖珍液压气动手册［M］.北京：机械工业出版社，1995.

［7］雷天觉.新编液压工程手册［M］.北京：北京理工大学出版社，1998.