负载敏感控制在石油钻机液压系统上的应用
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摘要：文章通过对负载敏感变量泵与电控比例多路阀组成的负载敏感控制系统工作原理的介绍，阐述了负载敏感控制的诸多优点，相对于石油钻机常规液压系统使用的定量柱塞泵加手动多路换向阀或者定量柱塞泵加电液换向阀来说，其在节能降耗、管路布置简洁性、可控性方面均具有较大优势。
关键词：负载敏感控制；负载敏感变量泵；电控比例多路阀；节能降耗
中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）32-0091-02
随着技术的发展，石油钻机控制系统逐渐趋向于自动化与智能化，安全、节能环保也成为时代的主题。为跟进石油钻机自动化的发展趋势，负载敏感变量泵加电控比例多路阀组成的负载敏感控制系统在石油钻机液压系统上的应用也在逐步推广。与石油钻机液压系统常用的定量柱塞泵加手动多路换向阀或者定量柱塞泵加电液换向阀的组合相比，负载敏感控制系统在节能降耗、高温环境适应性、管路布置简洁性、可控性方面优势明显。
1 石油钻机常规液压系统的特点
石油钻机液压系统除了为设备安装提供支持外，钻井作业过程中还要为猫头油缸、液压旋转猫头、液压大钳等井口工具提供动力。这些井口工具的使用具有的显著特点是：机具间歇式工作、工作时间短，待机时间长，因此要求液压站在待机时能耗要低、发热量要小、带载荷工作时又能提供足够的功率。目前常见的液压系统主要有以下两种：
1.1 定量柱塞泵加手动多路换向阀控制系统
1.单向阀；2.高压进滤器；3.手动多路阀；4.猫头油缸Ⅰ；5.猫头油缸Ⅱ；6.旋转猫头；7.液压大钳
图1
在该液压系统中，油泵采用定量柱塞泵，控制阀采用手动多路换向阀。在系统不工作时，油泵空载待机，泵出的液压油经过手动多路阀流回油箱；当手动多路换向阀中某一片阀动作时，阀组中位泄油通道被切断，液压油流向阀片输出口，从而驱动井口工具工作，原理图如下：
由于采用定量泵，因此待机状态下的能耗取决于待机压力，而待机压力则主要由油液流经单向阀、高压过滤器、手动多路阀时产生的压力损失及管路沿程阻尼决定，该压力一般都低于0.8MPa，故该系统具有待机压力低、能耗小且结构简单、故障率低等优点；缺点是手动多路换向阀不能实现远程控制，也不能实现自动化操作，且阀组必须安装在司钻控制房内，使得司钻控制房内管线很多，拆接管线和维修不是很方便。
1.2 定量柱塞泵加电液换向阀控制系统
为了克服手动多路换向阀不能实现自动化操作等缺点，现大多采用定量柱塞泵加电液换向阀方式，其系统原理图如下图2所示：
1.单向阀；2.高压进滤器；3.手动多路阀；4.猫头油缸Ⅰ；5.猫头油缸Ⅱ；6.旋转猫头；7.液压大钳
图2
在该系统中电液换向阀（件3）以串联方式就近布置在执行元件附件，不需要进司钻房，操作则由司钻房内的电控开关来控制。相对于手动多路换向阀系统其管路变得简洁易维护。但同时又出现另外的问题，为了保证电液换向阀具有足够的先导控制压力，必须在阀组最后出口处添加预压阀，以华德液压生产电液换向阀为例，预压阀开启0.45MPa，随着流量的增加压力损失也会加大，因此相对手动多路阀来说，其待机压力损失较高，待机能耗也要高一些。就电液换向阀本身来说，由于电磁铁为开关控制，故执行元件工作速度不可调，不便于微小调整动作操作。
2 负载敏感控制系统的工作原理
负载敏感控制的主要液压元器件是负载敏感变量泵及电控比例多路阀，其工作原理图如图3所示：
图3
石油钻机液压系统为保证可靠性，选用的电控比例多路阀均具双重控制功能，即电控加手动，正常作业用电控，电控出现故障后使用手动应急，该电控比例多路阀的电控操作器件为电位计手柄或者PLC控制信号，两种方式都可无极输出电控信号，电控信号经放大器放大后驱动比例电磁铁，最终达到控制执行元件的方向和速度的目的；每一片比例阀上都集成了一个定差减压阀（件6）和一个梭阀（件7），定差减压阀控制阀片进出油口压差使其保持恒定，使得阀片的流量只与阀的开口度有关，与负载无关；梭阀用于比例阀动作时将压力信号经Ls反馈给油泵。
如图3所示，负载敏感变量泵除了油泵本体（图中件1）和变量机构（图中件2）外，还集成安装有两个负载传感阀，一个是负责系统压力控制防止系统超压的超压保护阀（件3），另一个是根据电控比例多路阀上Ls口反馈的压力实时调节泵排量的负载压力反馈阀（件4），X口为外部反馈压力信号输入口；油泵刚启动时，在变量机构弹簧力的作用下，油泵处于最大排量位置并以最大流量输出，输出的液压油在油泵P出油口分了两支控制油路，一路由St口进入油泵活塞变量机构弹簧腔，另一路经M口分别进入超压保护阀的P1口和阀芯左端以及负载压力反馈阀的P2口及阀芯左端；当电控比例阀没有动作时，多路阀的负载反馈口Ls无压力输出，即油泵反馈输入口X也没有压力；油泵在运转过程中，由于输出的油液无处卸载致使系统压力快速升高，当压力高于负载压力反馈阀X端弹簧的设定压力时，负载压力反馈阀打开，高压油经过P2口和超压保护阀后进入活塞变量机构右腔，克服活塞变量机构左端弹簧力及油压后推动变量活塞机构运动来减小泵排量，直到无流量输出。此时系统压力决定于负载压力反馈阀X端弹簧刚度，理论上该弹簧刚度越小越好，但实际考虑输出主管路压力损失和电控比例多路阀减压损失因素一般约为4MPa。当操作电控比列阀动作时，电控比例多路阀阀片输出口的压力由内置梭阀（件7）汇集到Ls口，最后反馈到油泵反馈输入口X口，在反馈压力与弹簧的作用下负载压力反馈阀逐步关闭，油泵排量开始增加，油泵输出口的压力也开始升高，当高到负载压力反馈阀阀芯两端平衡时，油泵排量停止增加，使得油泵做到按需输出。
当负载压力高于超压保护阀设定压力时，超压保护阀被打开，系统压力经P1口导入变量活塞机构右腔，使油泵排量减小直至为零。
从以上工作原理我们可以看出：待机时系统压力约为4MPa，流量几乎为零，待机能耗低；调整电控比例多路阀的开度可以控制机具工作速度，而油泵根据不同开度产生的不同的压力反馈来调节油泵流量与之适应，减少了溢流损失；负载超载时，油泵处于高压零排量工况，也没有溢流损失。
因此负载敏感控制系统在任何工况下都具有节能的特性，且没有溢流导致的系统发热问题，克服了常规液压系统的许多缺点，很好地满足待机能耗低、系统发热小、管路简洁、维修方便、可控性强等现实需求，我厂在2007年出口伊朗的BE550钻机上尝试采用了负载敏感控制液压系统，该钻机在伊朗阿瓦兹地区高达50℃的环境温度，且没有配备散热器的情况下将油温控制在70℃以下，较好地满足了液压系统对高温环境的适应性；该系统的缺点主要是采购成本较高，但相对于整部钻机造价其所占比列非常小，因而还是具有推广价值的。
3 结语
基于对以上各种系统的解析，负载敏感控制具有以下优势：采用电控解决了阀体进司钻房带来的管线多，拆接管线和维修不便的问题；采用比例控制，可控性强，执行机构速度可调无极调节；全工况能源利用率高，系统发热小，能适应相对较高的环境温度。
参考文献
[1] 成大先.机械设计手册（第四版）[M].北京：北京化学工业出版社.
[2] HAWE.PSL和PSV型负载敏感比例多路阀功能原理说明[S].
作者简介：黄家文（1975―），中石化石油工程机械有限公司第四机械厂工程师，研究方向：石油钻修设备液压与气动系统设计。