老舊起重機液壓系統升級改造

趙杰瑛

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524000）

0 引言

平臺起重機通過電機、變速箱驅動兩臺液壓泵，液壓泵為液壓系統提供動力源，通過液壓系統驅動起重機實現各項動作。液壓系統由于受限當年技術液壓泵采用的是定量齒輪泵，同時液壓系統整體設計不是很合理，在實際運行中齒輪泵存在干磨問題，一旦出現磨損造成液壓油系統受到污染，則更進一步導致液壓泵、液壓閥件故障頻發。綜合歷史故障統計情況，大部分故障是從液壓泵磨損開始，進一步導致液壓泵損壞、液壓油污染、液壓閥件不能正常動作。為了徹底解決問題，在對起重機液壓系統進行充分分析的基礎上，對液壓系統進行改造升級。

1 舊起重機液壓系統存在的問題分析

經振動檢測公司對起重機液壓齒輪泵一年離線數據振動數據分析（圖1）：齒輪泵中間過橋花鍵軸極易磨損，更換頻率較為頻繁。因起重機的工作環境所致，齒輪存在瞬間啟動，齒輪配合間隙較小，長此以往 齒輪容易斷和材料疲勞，特別是在起重機冷態下運行，潤滑單元尚未跟上的情況下，加速了齒輪的損壞。振動檢測根據數據分析建議，對泵側潤滑方式進行改造，有條件時可以對起重機驅動控制進行改造，避免瞬間啟動對齒輪的沖擊，或者調整泵的類型，以徹底解決頻繁維修的問題。對以往損壞液壓泵進行解體分析，發現一般泵內齒輪、軸套、密封環、泵體損壞嚴重，泵損壞的情況與振動分析報告分析情況一致。

圖1 原齒輪液壓泵振動分析

通過系統分析，認為舊起重機故障頻發的原因有3 個。

（1）電機油泵組安裝在液壓油箱上面，而油泵組使用的是齒輪泵，齒輪泵無殼體泄油，停機時齒輪泵內的液壓油將從吸油口自然流回液壓油箱，無法保留一定量的液壓油在齒輪泵內部，而再次起機時齒輪泵將存在一小段時間的干磨問題，隨著使用時間和啟停次數的增加磨損加劇，直到齒輪泵損壞報廢。

（2）分動齒輪箱使用年限長，齒輪磨損、間隙增大，導致分動齒輪箱與液壓泵配合間隙存在偏差，導致液壓泵運行過程中存在偏磨而損壞。

（3）齒輪泵本身的特性，泵軸受不平衡力、磨損嚴重、內泄漏大，效率低，一旦出現磨損泵就加快損壞。

2 升級改造方案

在對液壓系統問題充分分析基礎上，對其進行改造。根據存在的3 個問題，從如下6 個方面進行舊系統改造。

2.1 優選變量柱塞泵替代定量齒輪泵

分析齒輪泵頻繁損壞的原因之一是由于齒輪泵本身的特性，泵軸受不平衡力，磨損嚴重，內泄漏大，效率低。圖2 中，右側是壓油腔，左側是吸油腔，兩腔的壓力是不平衡的；另外壓油腔因齒頂泄漏，其壓力為遞減。兩不均衡壓力作用于齒輪和軸承徑向不平衡壓力，油壓越高，該力越大，加速軸承磨損，降低軸承壽命，使軸彎曲，加大齒頂與軸孔磨損，根據公式F=ma 泵體所受的不平衡力越大，加速度越大，額定位移越大。因此新換型柱塞泵采用液壓靜力平衡的最佳油膜厚度設計，使缸體與配油盤、滑靴與變量頭之間處于純液體摩擦下運轉，具有結構簡單、體積小、噪聲低、效率高、壽命長和有自吸能力等優點。

2.2 高位回油設計，避免泵內干摩擦

由于原泵組安裝在液壓油箱上面，而原電機油泵組使用的是齒輪泵，齒輪泵無殼體泄油，當再次起機時齒輪泵將存在一小段時間的干磨，隨著使用時間和啟停次數的增加磨損加劇，直到齒輪泵損壞報廢。

圖2 液壓齒輪泵結構示意

新泵組在安裝時預先將泵體及吸油管路中充滿清潔的液壓油，故設計在泵殼體最高位作為回油口，增加機組停機時回油的阻力，使得停機后仍然有大量的油液留在泵腔內，確保泵在整個工作過程中殼體內總是充滿液壓油，避免了泵內干摩擦的可能。

2.3 設計換型分動齒輪箱

原分動齒輪箱使用年限長，齒輪磨損，間隙增大，導致分動齒輪箱與液壓泵配合間隙存在偏差，輸入軸因配合間隙大進而導致液壓泵運行過程中存在偏磨而損壞。為解決該問題，優選與新型式液壓泵及原電機相匹配的分動齒輪箱，合理分配。

2.4 泵出口阻尼器設計消除“脈動”

由于結構等原因，液壓泵產生的流量是周期性脈動的，由此可引起液壓系統壓力產生周期性的脈動。這將在系統中產生周期性的壓力波，導致系統中各元件作周期性的振動、爬行、噪聲甚至損壞。

為了消除液壓系統的流量脈動，在泵出口設計增加一個阻尼器，用來吸收液壓泵的壓力脈動或系統中的液壓沖擊壓力。

2.5 采用剛性減振器，減少電機懸空振動

電機振動會加速電動機軸承磨損，使軸承的正常使用壽命大大縮短。并且振動使電機端部綁線松動，造成端部繞組產生相互磨擦，絕緣電阻降低，絕緣壽命縮短，嚴重時造成絕緣擊穿。基于新分動齒輪箱與新液壓泵改造的基礎上，原電機高度需整體升高100 mm，這樣電機底座處于懸空狀態。由于該電機的功率較大，很容易造成處于懸空狀態下的電機工作時產生較大的振動。為了改善電機的懸空振動，設計時在電機與底座之間增加了剛性減震器，有效降低了電機懸空產生的振動。

2.6 自主設計、加工電機與分動齒輪箱過渡安裝隔板與聯軸器

由于新舊分動齒輪箱端面與原有的電機端面不配套，無法直接安裝，因此需通過測繪重新設計、加工中間過渡安裝板與聯軸器，使齒輪箱與電機配合更好。

3 改造升級前后性能測試

按照改造方案對舊起重機液壓系統進行了6 個方面的改造，改造后對起重機進行了嚴格的空載和帶載測試，并將改造后與改造前的各種參數進行比較，發現參數基本達到了改造要求，并且起重機在液壓系統升級后各種速度明顯提高，系統的穩定性和操作性也有明顯提升。圖3 是測試的各種參數。

完成對液壓系統系列改造升級后，使得新變量柱塞泵液壓泵在啟動前就能充滿油液，避免干摩擦運行。經過測試，改造前后各項參數基本一致或優于改造前，經過近一年的運行，發現起重機可靠性大幅提高，徹底解決了液壓系統頻繁損壞的問題。

圖3 測試的各種參數

4 升級改造后效益

根據以往維修記錄統計，該起重機液壓系統故障平均每年3 次，備件費包括齒輪液壓泵、液壓閥件、液壓油等每年的維修費用約25 萬元，同時人力成本約10 萬元，因此每臺起重機每年可節約故障維修費用約35 萬元。本次單臺起重機改造費用約30 萬元，而改造后該油田3 臺起重機每年可節省費用約105 萬元，并且可以大幅降低維修人員的工作量，因此針對老舊液壓系統的升級改造經濟效益良好。

這一改造不僅提高了起重機運行效率，零備件使用壽命，也保證了起重機運行的安全性和穩定性，有效降低了設備的維修費用提高了可靠性，為解決老舊設備延長壽命提供了一種新的思路。目前海上平臺老舊起重機液壓系統升級改造具有良好的應用前景，可以在海上平臺進行推廣。