海上平臺吊機液壓泵及馬達檢測裝置可行性分析

李明月，張 浩，許 巍，侯曉偉，洪天龍，王天舟

（中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452）

0 引言

液壓泵是液壓系統的動力源，也稱動力元件，能將原動機（電動機、內燃機等）輸入的機械能轉化為液壓能，用以驅動液壓系統中的執行元件[1]。液壓馬達是液壓系統的執行元件，能將輸入的液壓能轉化為機械能輸出，液壓馬達的輸出是連續的回轉運動。在液壓傳動系統中使用的液壓泵均為容積式液壓泵，按結構可分為齒輪泵、葉片泵和柱塞泵（包括軸向柱塞泵和徑向柱塞泵）。容積式液壓泵（泵每轉輸出的液體量）是由其工作腔的可變容積決定的，與泵輸出的壓力大小無關，壓力僅通過泄漏量影響其流量。液壓泵所能輸出的最大壓力，取決于其工作腔的密封性能、結構特點及構成零件的強度。在實際工作中，液壓泵輸出的壓力取決于外界的載荷（也即系統中的阻力）。在液壓傳動中所用的馬達也都是容積式元件，液壓馬達也有定量式和變量式之分[2]。

液壓馬達在結構和分類上基本和液壓泵相同，因此，大多數液壓泵，在理論上都可以用作液壓馬達。本文以液壓泵為例，分析便攜式液壓泵及馬達檢測裝置的可行性。該檢測裝置能測量流量和壓力，通過與標準值的對比來確定液壓泵及馬達是否出現故障、是否需要進行維修。

1 液壓泵主要性能參數

1.1 排量

排量指泵軸轉一周排出的液體體積，理論上泵的排量只取決于其工作機構的幾何尺寸。液壓泵有定排量泵與變排量泵2種，簡稱定量泵與變量泵。前者排量恒定，后者排量可變(通過變量機構實現)[3]。

1.2 理論流量和實際流量

泵的理論流量Q0是指在不考慮泄漏及液體壓縮性的情況下，單位時間（1 min）內輸出的液體體積。其等于泵的排量與單位時間轉速n的乘積，即：

Q0=qn

液壓泵在將機械能轉變為液壓能時，會有一定的能量損失。例如，機械運動副之間的摩擦引起的機械損失；泵的泄露造成的流量損失等。泵的實際流量Q要小于理論流量Q0。

1.3 容積效率、機械效率與總效率

液壓泵的容積效率ηv等于實際流量和理論流量的比值，即：

式中：ΔQ為泵的泄漏量。

由于存在機械損耗，泵的輸入功率Nλ（即電機或發動機的驅動功率）必然大于泵的理論輸出功率N0，其機械效率ηm為：

式中：Mλ為輸入泵的實際轉矩；M0為泵的理論轉矩。

根據液壓泵每轉的機械功應等于液壓泵每轉輸出的液壓功的原理MOω=pQ可得：

式中： p為泵的工作壓力[3]。

液壓泵的總效率η為：

1.4 工作壓力、額定壓力與最高壓力

液壓泵的工作壓力是指泵工作時輸出油液的壓力，只與負載（包括外負載、管路阻力、各控制閥的壓力損失等）大小有關。負載大，工作壓力高；負載小，工作壓力低。即工作壓力是由負載決定的實際運行壓力。

液壓泵的額定壓力是指泵連續運行允許達到的最大工作壓力。其受本身零件結構強度和泄漏所限制。

液壓泵的最高壓力是指按試驗標準規定的超過額定壓力的短暫運行工作壓力。

2 常見故障分析

軸向柱塞泵在海上平臺吊機應用廣泛，柱塞泵的故障頻發，嚴重影響海上平臺吊機的正常使用，常見的故障形式如下。

2.1 輸出流量不夠

（1）吸油管接頭不緊、密封不嚴及焊接處未焊牢。這樣難以在泵內形成必要的真空度，泵內吸油腔與外界大氣壓接近相等，無法將壓力油壓入泵內。

（2）柱塞泵的定心彈簧折斷，使柱塞泵回程不夠或不能回程，導致缸體和配油盤之間失去頂緊力而不能頂緊，存在間隙而喪失密封性能。

（3）緊固螺絲未擰緊，缸體徑向力引起缸體扭斜，在缸體與配油盤之間產生間隙，造成內泄漏增大。

（4）柱塞與缸體孔之間的滑動配合面磨損或拉傷，使柱塞與缸體孔之間的配合間隙增大，造成壓力油通過此間隙進入內體內空腔，造成內泄漏增大[4]。

2.2 壓力低

（1）電機或發動機的轉速低，導致泵輸出流量小，不能克服負載流量的需要，影響負載壓力的提高。

（2）液壓系統其他元件的故障，如閥塊未調整好、閥芯卡死、壓力表及壓力表開關等故障。

（3）變量斜盤傾角過小，使輸出壓力及流量小。

2.3 泵噪聲大、壓力波動大

（1）泵密封不良。密封不良使泵吸入空氣，造成噪聲大、壓力波動大。

（2）活塞運動不靈敏。如果是偶然性的，大多是因為油液中含有細小雜物顆粒，造成活塞卡滯；如果是經常性的，則可能是配合件磨損或拉傷。

（3）氣穴現象。

3 裝置特點

常見的液壓泵故障，僅通過目測或簡單測量就能判斷具體的故障原因，但配合件的磨損或拉傷不能直接判斷，需進行拆解或使用專用工具進行測量。大部分配合件的磨損或拉傷現象都會導致內泄漏增大，進而引起噪聲增大和壓力波動[5]。因此，通過測量內泄漏量的變化能判斷液壓泵是否出現故障。該便攜式檢測裝置有如下特點。

（1）針對性強。裝置的設計以適應海上平臺吊機的工況為基礎。海上平臺吊機液壓系統中僅安裝壓力表，沒有流量測量元件，針對這一現象，該裝置配有壓力傳感器及流量傳感器，將傳感器接入系統中采集信號并通過分析、處理，直接顯示在裝置的顯示屏上，能直接讀取數據[6]。

（2）便攜式。該裝置由內含顯示屏、PLC、電源、斷路器、AI模塊的電氣箱及傳感器組成，同時根據不同吊機的不同規格液壓管線，設計不同的變徑接頭，能將傳感器直接接入系統中而不影響吊機的正常使用。各個部件小型化，實現便攜式。

（3）通用性強。由于配備多種不同規格的變徑接頭，該裝置能接入大部分吊機液壓系統中，基本能實現渤海地區海上平臺吊機壓力及流量的測量。

（4）故障報警。該裝置PLC中寫入常見液壓泵、馬達的壓力流量匹配關系及允許內泄漏量。測量時，如果裝置判斷內泄漏量過大，顯示屏會出現報警信號，提示維修人員測量的液壓泵、馬達可能出現故障，需進一步進行拆檢維修[7]。

4 結束語

海上平臺吊機是海上平臺的一類特種設備，其性能的好壞直接影響平臺的生產及生活。該裝置適應海上平臺吊機的工況，雖然測量數據及功能有限，但原理可行[8]。后續可通過實際應用及優化升級，在保證可靠性的情況下，增加其他功能，從而實現對海上平臺吊機液壓泵及馬達的預防性拆檢維護保養工作，保證海上平臺吊機的本質安全。