負載敏感控制在石油鉆機液壓系統(tǒng)上的應(yīng)用

摘要：文章通過對負載敏感變量泵與電控比例多路閥組成的負載敏感控制系統(tǒng)工作原理的介紹，闡述了負載敏感控制的諸多優(yōu)點，相對于石油鉆機常規(guī)液壓系統(tǒng)使用的定量柱塞泵加手動多路換向閥或者定量柱塞泵加電液換向閥來說，其在節(jié)能降耗、管路布置簡潔性、可控性方面均具有較大優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：負載敏感控制；負載敏感變量泵；電控比例多路閥；節(jié)能降耗

中圖分類號：TH137 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）32-0091-02

隨著技術(shù)的發(fā)展，石油鉆機控制系統(tǒng)逐漸趨向于自動化與智能化，安全、節(jié)能環(huán)保也成為時代的主題。為跟進石油鉆機自動化的發(fā)展趨勢，負載敏感變量泵加電控比例多路閥組成的負載敏感控制系統(tǒng)在石油鉆機液壓系統(tǒng)上的應(yīng)用也在逐步推廣。與石油鉆機液壓系統(tǒng)常用的定量柱塞泵加手動多路換向閥或者定量柱塞泵加電液換向閥的組合相比，負載敏感控制系統(tǒng)在節(jié)能降耗、高溫環(huán)境適應(yīng)性、管路布置簡潔性、可控性方面優(yōu)勢明顯。

1 石油鉆機常規(guī)液壓系統(tǒng)的特點

石油鉆機液壓系統(tǒng)除了為設(shè)備安裝提供支持外，鉆井作業(yè)過程中還要為貓頭油缸、液壓旋轉(zhuǎn)貓頭、液壓大鉗等井口工具提供動力。這些井口工具的使用具有的顯著特點是：機具間歇式工作、工作時間短，待機時間長，因此要求液壓站在待機時能耗要低、發(fā)熱量要小、帶載荷工作時又能提供足夠的功率。目前常見的液壓系統(tǒng)主要有以下兩種：

1.1 定量柱塞泵加手動多路換向閥控制系統(tǒng)

1.單向閥；2.高壓進濾器；3.手動多路閥；4.貓頭油缸Ⅰ；5.貓頭油缸Ⅱ；6.旋轉(zhuǎn)貓頭；7.液壓大鉗

圖1

在該液壓系統(tǒng)中，油泵采用定量柱塞泵，控制閥采用手動多路換向閥。在系統(tǒng)不工作時，油泵空載待機，泵出的液壓油經(jīng)過手動多路閥流回油箱；當手動多路換向閥中某一片閥動作時，閥組中位泄油通道被切斷，液壓油流向閥片輸出口，從而驅(qū)動井口工具工作，原理圖如下：

由于采用定量泵，因此待機狀態(tài)下的能耗取決于待機壓力，而待機壓力則主要由油液流經(jīng)單向閥、高壓過濾器、手動多路閥時產(chǎn)生的壓力損失及管路沿程阻尼決定，該壓力一般都低于0.8MPa，故該系統(tǒng)具有待機壓力低、能耗小且結(jié)構(gòu)簡單、故障率低等優(yōu)點；缺點是手動多路換向閥不能實現(xiàn)遠程控制，也不能實現(xiàn)自動化操作，且閥組必須安裝在司鉆控制房內(nèi)，使得司鉆控制房內(nèi)管線很多，拆接管線和維修不是很方便。

1.2 定量柱塞泵加電液換向閥控制系統(tǒng)

為了克服手動多路換向閥不能實現(xiàn)自動化操作等缺點，現(xiàn)大多采用定量柱塞泵加電液換向閥方式，其系統(tǒng)原理圖如下圖2所示：

1.單向閥；2.高壓進濾器；3.手動多路閥；4.貓頭油缸Ⅰ；5.貓頭油缸Ⅱ；6.旋轉(zhuǎn)貓頭；7.液壓大鉗

圖2

在該系統(tǒng)中電液換向閥（件3）以串聯(lián)方式就近布置在執(zhí)行元件附件，不需要進司鉆房，操作則由司鉆房內(nèi)的電控開關(guān)來控制。相對于手動多路換向閥系統(tǒng)其管路變得簡潔易維護。但同時又出現(xiàn)另外的問題，為了保證電液換向閥具有足夠的先導控制壓力，必須在閥組最后出口處添加預壓閥，以華德液壓生產(chǎn)電液換向閥為例，預壓閥開啟0.45MPa，隨著流量的增加壓力損失也會加大，因此相對手動多路閥來說，其待機壓力損失較高，待機能耗也要高一些。就電液換向閥本身來說，由于電磁鐵為開關(guān)控制，故執(zhí)行元件工作速度不可調(diào)，不便于微小調(diào)整動作操作。

2 負載敏感控制系統(tǒng)的工作原理

負載敏感控制的主要液壓元器件是負載敏感變量泵及電控比例多路閥，其工作原理圖如圖3所示：

圖3

石油鉆機液壓系統(tǒng)為保證可靠性，選用的電控比例多路閥均具雙重控制功能，即電控加手動，正常作業(yè)用電控，電控出現(xiàn)故障后使用手動應(yīng)急，該電控比例多路閥的電控操作器件為電位計手柄或者PLC控制信號，兩種方式都可無極輸出電控信號，電控信號經(jīng)放大器放大后驅(qū)動比例電磁鐵，最終達到控制執(zhí)行元件的方向和速度的目的；每一片比例閥上都集成了一個定差減壓閥（件6）和一個梭閥（件7），定差減壓閥控制閥片進出油口壓差使其保持恒定，使得閥片的流量只與閥的開口度有關(guān)，與負載無關(guān)；梭閥用于比例閥動作時將壓力信號經(jīng)Ls反饋給油泵。

如圖3所示，負載敏感變量泵除了油泵本體（圖中件1）和變量機構(gòu)（圖中件2）外，還集成安裝有兩個負載傳感閥，一個是負責系統(tǒng)壓力控制防止系統(tǒng)超壓的超壓保護閥（件3），另一個是根據(jù)電控比例多路閥上Ls口反饋的壓力實時調(diào)節(jié)泵排量的負載壓力反饋閥（件4），X口為外部反饋壓力信號輸入口；油泵剛啟動時，在變量機構(gòu)彈簧力的作用下，油泵處于最大排量位置并以最大流量輸出，輸出的液壓油在油泵P出油口分了兩支控制油路，一路由St口進入油泵活塞變量機構(gòu)彈簧腔，另一路經(jīng)M口分別進入超壓保護閥的P1口和閥芯左端以及負載壓力反饋閥的P2口及閥芯左端；當電控比例閥沒有動作時，多路閥的負載反饋口Ls無壓力輸出，即油泵反饋輸入口X也沒有壓力；油泵在運轉(zhuǎn)過程中，由于輸出的油液無處卸載致使系統(tǒng)壓力快速升高，當壓力高于負載壓力反饋閥X端彈簧的設(shè)定壓力時，負載壓力反饋閥打開，高壓油經(jīng)過P2口和超壓保護閥后進入活塞變量機構(gòu)右腔，克服活塞變量機構(gòu)左端彈簧力及油壓后推動變量活塞機構(gòu)運動來減小泵排量，直到無流量輸出。此時系統(tǒng)壓力決定于負載壓力反饋閥X端彈簧剛度，理論上該彈簧剛度越小越好，但實際考慮輸出主管路壓力損失和電控比例多路閥減壓損失因素一般約為4MPa。當操作電控比列閥動作時，電控比例多路閥閥片輸出口的壓力由內(nèi)置梭閥（件7）匯集到Ls口，最后反饋到油泵反饋輸入口X口，在反饋壓力與彈簧的作用下負載壓力反饋閥逐步關(guān)閉，油泵排量開始增加，油泵輸出口的壓力也開始升高，當高到負載壓力反饋閥閥芯兩端平衡時，油泵排量停止增加，使得油泵做到按需輸出。

當負載壓力高于超壓保護閥設(shè)定壓力時，超壓保護閥被打開，系統(tǒng)壓力經(jīng)P1口導入變量活塞機構(gòu)右腔，使油泵排量減小直至為零。

從以上工作原理我們可以看出：待機時系統(tǒng)壓力約為4MPa，流量幾乎為零，待機能耗低；調(diào)整電控比例多路閥的開度可以控制機具工作速度，而油泵根據(jù)不同開度產(chǎn)生的不同的壓力反饋來調(diào)節(jié)油泵流量與之適應(yīng)，減少了溢流損失；負載超載時，油泵處于高壓零排量工況，也沒有溢流損失。

因此負載敏感控制系統(tǒng)在任何工況下都具有節(jié)能的特性，且沒有溢流導致的系統(tǒng)發(fā)熱問題，克服了常規(guī)液壓系統(tǒng)的許多缺點，很好地滿足待機能耗低、系統(tǒng)發(fā)熱小、管路簡潔、維修方便、可控性強等現(xiàn)實需求，我廠在2007年出口伊朗的BE550鉆機上嘗試采用了負載敏感控制液壓系統(tǒng)，該鉆機在伊朗阿瓦茲地區(qū)高達50℃的環(huán)境溫度，且沒有配備散熱器的情況下將油溫控制在70℃以下，較好地滿足了液壓系統(tǒng)對高溫環(huán)境的適應(yīng)性；該系統(tǒng)的缺點主要是采購成本較高，但相對于整部鉆機造價其所占比列非常小，因而還是具有推廣價值的。

3 結(jié)語

基于對以上各種系統(tǒng)的解析，負載敏感控制具有以下優(yōu)勢：采用電控解決了閥體進司鉆房帶來的管線多，拆接管線和維修不便的問題；采用比例控制，可控性強，執(zhí)行機構(gòu)速度可調(diào)無極調(diào)節(jié)；全工況能源利用率高，系統(tǒng)發(fā)熱小，能適應(yīng)相對較高的環(huán)境溫度。

參考文獻

[1] 成大先.機械設(shè)計手冊（第四版）[M].北京：北京化學工業(yè)出版社.

[2] HAWE.PSL和PSV型負載敏感比例多路閥功能原理說明[S].

作者簡介：黃家文（1975—），中石化石油工程機械有限公司第四機械廠工程師，研究方向：石油鉆修設(shè)備液壓與氣動系統(tǒng)設(shè)計。