比例多路换向阀在钻井平台设备上的应用

摘" " 要：比例多路换向阀具有良好的性能，在石油机械中的应用非常广泛，钻井平台上的铁钻工、吊机、悬臂梁滑移装置、液压驱动绞车等设备均使用比例多路换向阀进行控制。对比例多路换向阀在铁钻工、吊机和悬臂梁滑移装置上的应用和工作原理进行了详细介绍；重点分析了吊机比例多路换向阀阀芯卡阻案例和液压绞车比例多路换向阀附带的溢流阀故障案例，阐述故障分析过程、给出的解决办法及故障排除情况；此外，还介绍了比例多路换向阀的其他常见故障和排除方法；最后，提出预防和减少比例多路换向阀发生故障的措施。

关键词：比例多路换向阀；应用案例；故障分析

Application of proportional directional spool valves on drilling platform"equipment

WANG Jian， PANG Yong， SHEN Xinrui， WU Jiawei

Drilling Branch of CNPC Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：With ideal performance， proportional directional spool valves are widely used in petroleum machinery. The valves are applied for controlof drilling platform equipment such as iron roughneck， crane， cantilever skidding system， hydraulic winch， etc. This paper introduced the application and working principle of the valves on iron roughneck， crane， and cantilevers kidding systems. Then， analysis was carried out on cases of the valve′s spool jamming， and fault of the valve′s relief valve on the hydraulic winch. The fault analysis process， solution， and troubleshooting results were also illustrated. Besides， other common faults and troubleshooting methods of the valve were introduced. Finally， measures to prevent and reduce the valve′s failure were given.

Keywords：proportional directional spool valve; application case; fault analysis

比例多路换向阀在石油机械设备上应用广泛，作为液压系统中最核心的控制元件之一，整个液压系统的控制性能及执行机构的动态特性均受多路换向阀的直接影响。同时，多路换向阀还决定着液压设备的稳定性、可靠性和安全性，对设备性能的发挥起着至关重要的作用。

比例多路换向阀是液压系统中直接控制执行机构的液压控制元件或者是在一个集成阀中起主要控制作用的阀，属于一种集成了比例功能的小型换向阀系统，其可以直接控制多个执行机构的运动。多路换向阀归纳起来分为整体式和多片式两类。整体式多路换向阀是将各联换向阀和一些辅助阀连成一体；多片式多路换向阀是将每联换向阀做成一片再用螺栓连接起来。多路换向阀至少包含两个相互独立的主换向阀，同时还以插装或直连的方式集成了流量调节、压力控制、液压补偿等附加功能，最多可以叠加12联的阀片进行控制。所以，即使液压控制执行机构由较多的设备组成，控制系统也能做到体积小、管路少、压力损失少、操控方便[1]。

1" " 比例多路换向阀简介

1.1" " 结构

比例多路换向阀的结构与传统多路换向阀的结构大致相似，在保留手动操作的同时，在另一端增加了比例电磁铁（或液压比例驱动模块或气动比例驱动模块），并集成了更多的螺纹插装阀，如图1所示。比例多路换向阀可分为泵侧阀块、基本阀块、驱动阀块、端板、遥控单元和电子附件6部分，又可细分为泵侧阀块、换向阀块、手柄、阀芯、端板、定位装置或盖板、比例电磁铁、遥控单元、电子附件等[2-3]。

1）泵侧阀块。连接液压泵和油箱的阀块，一般由进出油口、内置溢流阀、压力表接口、流量控制阀、泄压阀和卸荷阀等组成。

2）基本阀块。这是比例多路换向阀的主体部分，由A油口、B油口、换向阀块、可互换的阀芯、二通负载敏感流量控制阀、缓冲阀、补油阀、负载敏感限压阀等组成。

3）驱动阀块。这是阀门的驱动部分以及定位装置，有多种驱动形式可供选择，如开关电驱动、比例电磁铁驱动、液压驱动、手动驱动、液压驱动+手动驱动等。

4）端板。比例多路换向阀侧边基本阀块的终端块，把侧边基本阀块的叠加油口堵住或相互导通，有的带有附加的LS进口以及回油接口。

5）遥控单元。远端控制比例多路换向阀的电操作手柄和液控操作手柄，操作力小。电操作手柄的形式有很多种，一个手柄可以控制多个阀，可以是开关型，也可以是比例型。液控操作手柄品种较少，有单联和双联型，最多可以控制两个阀。

6）电子附件。可供选择的电子附件类型有流量调节单元、速度控制单元、闭环速度控制单元、警报逻辑电路、闭环位置控制单元等。

1.2" " "工作原理

以图2所示的比例多路换向阀为例，当比例电磁铁得到某一电压值（或电流值）时，电路驱动电磁铁1和电磁阀2（或电磁阀3、电磁阀4），压力油使主阀芯动作，同时位移传感器C检测阀芯的位置，并反馈到比较器与电压值（或电流值）进行比较，形成闭环控制，从而使阀芯获得准确的位置，阀的输出流量与输入电压（或电流）成线性比例关系，实现比例功能。输入电压（或电流）的给定可以通过PLC、遥控手柄等来实现[2-3]。当比例多路换向阀采用液压比例驱动模块或气动比例驱动模块时，可以用遥控液压减压阀或气压减压阀来控制，以实现比例控制。同时，该阀还保留手动操作功能，手动功能不仅可以实现开关控制和换向控制，还能实现比例控制。

有的比例多路换向阀的原理是通过输入电压（或电流）的大小来控制比例电磁输出力的大小，克服弹簧力后阀芯得到一个固定位置，以此来实现比例多路换向阀输出流量的比例控制，但该种阀的比例特性较差。

2" " 比例多路换向阀应用案例

比例多路换向阀在钻井平台设备上有着广泛的应用，如NOV设备（铁钻工、折臂吊、BOP吊机、液压绞车等）、甲板吊机、悬臂梁滑移装置等都使用比例多路换向阀进行控制，应确保正常实现各项功能。

2.1" " 在NOV设备中的应用

比例多路换向阀在铁钻工、折臂吊、BOP吊机、液压绞车等NOV设备中均有应用，以ST-100铁钻工为例，设置比例多路换向阀（见图3），采用液压驱动+手动驱动的形式，分别控制铁钻工整体的升降、旋转和伸缩臂的伸缩动作。

当在远程控制台操作设备时，控制液压油经过相应控制电磁阀作用到比例多路换向阀上，推动阀芯向相应的方向动作，主油路导通后进行动作。当手动操作时，首先动作先导阀操作杆，然后动作多路阀操作杆，进行相应动作，改变多路阀操作杆的幅度时，动作的速度也一同改变。液压驱动和手动驱动停止时，阀芯在弹簧作用下自动回中，油路断开，动作停止。

2.2" " 在甲板吊机中的应用

以某公司配置最多的华南吊机为例，吊机的变幅起降、主钩起降、副钩起降和回转均由比例多路换向阀控制，比例多路换向阀采用液压驱动的形式。当操作吊机相应的手柄时，控制液压油作用到比例多路换向阀上，推动阀芯向相应的方向动作，主油路导通，进行相应动作。手柄的幅度发生变化时，相应动作的速度一同变化。停止操作时，阀芯在弹簧作用下自动回中，油路断开，相应动作停止。阀块上设置调压阀，预调到设计压力，如压力设定过小，吊机无法达到额定起重量，如压力设定过大，可能会对设备造成损坏。

2.3" " 在悬臂梁滑移装置中的应用

以广东精铟JY-Y85悬臂梁滑移装置为例，采用手动驱动形式的比例多路换向阀（见图4）控制悬臂梁的伸出和回收。当手动操作时，操作相应动作的多路阀操作杆，进行相应动作，改变多路阀操作杆的幅度时，相应动作的速度也一同改变。当操作多路阀操作杆时，操作杆会保持相应的位置，不会自动回中，如要停止相应动作，需要手动操作操作杆，使多路阀的阀芯回中。

3" " 比例多路换向阀常见故障及解决方法

3.1" " 阀芯卡阻

3.1.1" " 故障现象

吊车司机在正常操作吊机右回转与起升副钩的联动过程中，停止起升副钩操作，手柄已回至中位（副钩停止位），但此时副钩未停止，依然在无操作的情况下自动起升。吊车司机尝试下放操作，但仍然不能停止副钩的自动上升动作，限位也未能起到保护作用。吊机司机最终采取按下柴油机急停按钮的方式切断吊机的动力源，才避免了事故的发生。

3.1.2" " 故障分析

吊机副钩液压机构原理见图5、图6，副钩起升和下降由吊机右侧控制手柄进行操作，不同的操作对应不同的阀位，分别为起升位、下放位和停止位。当副钩手柄至起升位置时，CW3控制油路形成通路，然后在油压的作用下将副钩多路阀阀芯推至起升工作位置，此时副钩滚筒为起升动作；当副钩手柄至下降位置时，CW4控制油路形成通路，然后在油压的作用下将副钩多路阀阀芯推至下降工作位置，此时副钩滚筒为下降动作；当手柄回到中位时，CW3、CW4无压力，多路阀阀芯应该处于中位（停止位）。

根据故障现象，无论操作副钩起升、下降还是停止，副钩均上升，说明多路阀阀芯一直处于副钩上升位置。经现场检查，操作手柄在副钩下降和停止位置时，CW3外无控制液压油。确定造成副钩一直起升的原因为多路阀的阀芯在副钩上升位置卡住。此种情况下，即使副钩上限位起作用，也不能阻止副钩的上升。通过吊机急停原理分析，在多路阀阀芯卡住的情况下，即使按下吊机控制面板的急停按钮，也不能停止柴油机和动力源，多路阀的阀芯也不能回到中位；如果按下柴油机的急停按钮，将会切断动力源，停止副钩上升。经过现场拆检，研磨处理副钩多路阀阀芯，使阀芯实现动作灵活，重新安装后恢复了正常操作。

3.2" " 比例多路换向阀附带的溢流阀故障

3.2.1" " 故障现象

某平台钻台5 t液压绞车起升操作时动作正常，但下放操作时无动作。

3.2.2" " 故障分析

液压绞车无动作可能的原因有机械故障、限位设置、马达问题、齿轮箱故障、刹车故障、液压问题等。该液压绞车起升操作时动作正常，下放操作时无动作，由此分析机械故障、马达问题、齿轮箱故障的可能性很小；起升操作时动作正常，说明在压力足够的情况下，打开刹车也是没有问题的，极有可能是限位设置和液压问题。

首先调节液压绞车的下限位设置，仍未能解决问题，故将重点放在液压问题上，根据液压原理图分析，可能的原因主要包括：系统安全阀故障、比例多路换向阀处溢流阀设置不对、刹车油压太小而无法打开刹车、Load holding valve压力设置过大而不能形成回路等。而起升操作时动力正常，说明系统安全阀完好，且压力设置也在正常范围内。接下来用测压表测量测压点MPLS处的压力，当手柄推向起升时，压力显示为163 bar（1 bar=0.1 MPa），说明LSA阀设置正常。当手柄推向下放时，压力表显示为50 bar，与LSB阀的设置值（160 bar）有较大出入，由于压力太小而无法打开Load holding valve，从而无法形成液压回路，导致下放操作时无动作。调节LSB阀，而无论怎么调节，测压点MPLS处测得的压力均为50 bar，判断LSB阀损坏，更换LSB阀后设备恢复正常。

4" " 比例多路换向阀其他常见故障及排除方法

在液压系统动力设备和系统阀组磨损之前采取主动维护，维护与维修相比是主动与被动、事前与事后的关系。故主动维护不但为设备的可靠运行提供保障，同时可大幅度降低维修成本，延长维修周期乃至设备的使用寿命[4]。实践表明，液压元件或系统失效、损坏等问题多数是由于污染、维护不足和油液选用不当造成的。为了保证液压系统处于良好的性能状态，并延长其使用寿命，应对其合理使用，并重视对其进行日常检查和维护。比例多路换向阀是多个换向阀的叠加和在换向阀的基础上增加其他控制方式，所以普通换向阀产生的各种故障也会发生在多路阀中，前者故障排除方法也适用于后者，下面介绍比例多路换向阀阀其他常见故障的分析及排除方法。

4.1" " 比例电磁铁故障

由于电磁阀线圈松动或插头掉落导致阀没有电流或电磁线圈烧坏。插头掉落需要固定插头。使用万用表测量电磁线圈电阻，如果开路则是线圈烧毁，主要原因可能是线圈受潮或者外部雨水进入，还可能因使用的复位弹簧不是原配件，其弹力大并反作用于线圈，吸力不足造成线圈烧毁。紧急处理时可以手动按压阀芯手动按钮，使阀芯动作。

4.2" " 漏油

泄漏的类型分为内泄漏与外泄漏两种。外泄漏是指分片式结构阀体之间的泄漏，内泄漏是指因为阀杆与阀体之间磨损间隙过大、锥阀与阀座接触不良、阀杆与阀体之间的“O”形密封圈老化或损坏而出现的泄漏。多路换向阀阀杆复位弹簧安装在阀杆的下端，无论阀杆在上位还是在下位时都能使弹簧受到压缩，在无外力作用时，由于弹簧的弹力使阀杆迅速恢复到原来的位置，如果阀杆不能复位，沟槽与油道相通，则会产生内泄漏[5]。多路换向阀内泄漏会导致液压系统故障，出现执行件不能正常动作的情况，需要根据现场情况逐一排查和维修。

4.3" " 出现高频振动和噪音

出现高频振动和噪音的主要原因是：液压油液中混入大量空气或者液压油液脏堵；电磁线圈接触不好造成阀组似通非通；溢流阀阻尼孔堵塞、锥阀与阀座接触不良、单向阀关闭不严；内插阀密封损坏、部件损坏进入系统造成阀块堵塞。该故障需要拆除阀块逐一排查。

4.4" " 滑阀动作不灵活

滑阀动作不灵活的主要原因是：复位弹簧或弹跳弹簧损坏；轴用弹性挡圈损坏；防尘密封圈过紧；阀芯与阀体孔配合间隙不适当，或因阀芯与阀体几何精度差，或污物卡入配合间隙。该故障将造成阀芯移动不灵活，操纵力大。

5" " 结束语

液压机械种类繁杂，其液压系统及元件各有特定的用途和使用要求，为了减少故障发生次数及消除故障隐患，发挥其效能，应及时了解和掌握整个设备及系统的运行状况，加强各零部件及系统的预防性检查。在设备使用过程中，元器件常发生一些故障，如比例多路换向阀阀芯卡阻，如应急处理不当，可能会造成严重后果，需要对阀芯和阀组进行检查，视情况进行更换。同时要保证设备液压油的油质，定期化验，定期更换液压油滤芯，定期清洗油箱和管道，减小液压元件的磨损，避免影响液压系统的正常运行。

参考文献

[1]" 朱小明.比例多路换向阀及其应用[J].现代零部件，2005（12）：49-51.

[2]" 朱小明.比例多路换向阀在工程机械中的应用[J].建筑机械，2006（7）：87-90.

[3]" 黄志坚.电液比例控制及应用实例[M].北京：化学工业出版社，2015.

[4]" 李兵，赵鹏举，屈永宏.牙轮钻机液压系统的污染及维护[J].中国科技纵横，2014（16）：63.

[5]" 鲁伟，杨坤成.CPCD60型叉车多路换向阀漏油故障的排除[J].工程机械与维修，2003（4）：118.

作者简介：

王" " 建（1985—），男，天津人，工程师，2009年毕业于中国石油大学（北京）机械设计制造及其自动化专业，现从事设备管理、维修及钻井平台拖航、压载工作。Email：470706822@qq.com

编辑：杨秀兰