比例多路換向閥在鉆井平臺設備上的應用

摘" " 要：比例多路換向閥具有良好的性能，在石油機械中的應用非常廣泛，鉆井平臺上的鐵鉆工、吊機、懸臂梁滑移裝置、液壓驅動絞車等設備均使用比例多路換向閥進行控制。對比例多路換向閥在鐵鉆工、吊機和懸臂梁滑移裝置上的應用和工作原理進行了詳細介紹；重點分析了吊機比例多路換向閥閥芯卡阻案例和液壓絞車比例多路換向閥附帶的溢流閥故障案例，闡述故障分析過程、給出的解決辦法及故障排除情況；此外，還介紹了比例多路換向閥的其他常見故障和排除方法；最后，提出預防和減少比例多路換向閥發生故障的措施。

關鍵詞：比例多路換向閥；應用案例；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

比例多路換向閥在石油機械設備上應用廣泛，作為液壓系統中最核心的控制元件之一，整個液壓系統的控制性能及執行機構的動態特性均受多路換向閥的直接影響。同時，多路換向閥還決定著液壓設備的穩定性、可靠性和安全性，對設備性能的發揮起著至關重要的作用。

比例多路換向閥是液壓系統中直接控制執行機構的液壓控制元件或者是在一個集成閥中起主要控制作用的閥，屬于一種集成了比例功能的小型換向閥系統，其可以直接控制多個執行機構的運動。多路換向閥歸納起來分為整體式和多片式兩類。整體式多路換向閥是將各聯換向閥和一些輔助閥連成一體；多片式多路換向閥是將每聯換向閥做成一片再用螺栓連接起來。多路換向閥至少包含兩個相互獨立的主換向閥，同時還以插裝或直連的方式集成了流量調節、壓力控制、液壓補償等附加功能，最多可以疊加12聯的閥片進行控制。所以，即使液壓控制執行機構由較多的設備組成，控制系統也能做到體積小、管路少、壓力損失少、操控方便[1]。

1" " 比例多路換向閥簡介

1.1" " 結構

比例多路換向閥的結構與傳統多路換向閥的結構大致相似，在保留手動操作的同時，在另一端增加了比例電磁鐵（或液壓比例驅動模塊或氣動比例驅動模塊），并集成了更多的螺紋插裝閥，如圖1所示。比例多路換向閥可分為泵側閥塊、基本閥塊、驅動閥塊、端板、遙控單元和電子附件6部分，又可細分為泵側閥塊、換向閥塊、手柄、閥芯、端板、定位裝置或蓋板、比例電磁鐵、遙控單元、電子附件等[2-3]。

1）泵側閥塊。連接液壓泵和油箱的閥塊，一般由進出油口、內置溢流閥、壓力表接口、流量控制閥、泄壓閥和卸荷閥等組成。

2）基本閥塊。這是比例多路換向閥的主體部分，由A油口、B油口、換向閥塊、可互換的閥芯、二通負載敏感流量控制閥、緩沖閥、補油閥、負載敏感限壓閥等組成。

3）驅動閥塊。這是閥門的驅動部分以及定位裝置，有多種驅動形式可供選擇，如開關電驅動、比例電磁鐵驅動、液壓驅動、手動驅動、液壓驅動+手動驅動等。

4）端板。比例多路換向閥側邊基本閥塊的終端塊，把側邊基本閥塊的疊加油口堵住或相互導通，有的帶有附加的LS進口以及回油接口。

5）遙控單元。遠端控制比例多路換向閥的電操作手柄和液控操作手柄，操作力小。電操作手柄的形式有很多種，一個手柄可以控制多個閥，可以是開關型，也可以是比例型。液控操作手柄品種較少，有單聯和雙聯型，最多可以控制兩個閥。

6）電子附件。可供選擇的電子附件類型有流量調節單元、速度控制單元、閉環速度控制單元、警報邏輯電路、閉環位置控制單元等。

1.2" " "工作原理

以圖2所示的比例多路換向閥為例，當比例電磁鐵得到某一電壓值（或電流值）時，電路驅動電磁鐵1和電磁閥2（或電磁閥3、電磁閥4），壓力油使主閥芯動作，同時位移傳感器C檢測閥芯的位置，并反饋到比較器與電壓值（或電流值）進行比較，形成閉環控制，從而使閥芯獲得準確的位置，閥的輸出流量與輸入電壓（或電流）成線性比例關系，實現比例功能。輸入電壓（或電流）的給定可以通過PLC、遙控手柄等來實現[2-3]。當比例多路換向閥采用液壓比例驅動模塊或氣動比例驅動模塊時，可以用遙控液壓減壓閥或氣壓減壓閥來控制，以實現比例控制。同時，該閥還保留手動操作功能，手動功能不僅可以實現開關控制和換向控制，還能實現比例控制。

有的比例多路換向閥的原理是通過輸入電壓（或電流）的大小來控制比例電磁輸出力的大小，克服彈簧力后閥芯得到一個固定位置，以此來實現比例多路換向閥輸出流量的比例控制，但該種閥的比例特性較差。

2" " 比例多路換向閥應用案例

比例多路換向閥在鉆井平臺設備上有著廣泛的應用，如NOV設備（鐵鉆工、折臂吊、BOP吊機、液壓絞車等）、甲板吊機、懸臂梁滑移裝置等都使用比例多路換向閥進行控制，應確保正常實現各項功能。

2.1" " 在NOV設備中的應用

比例多路換向閥在鐵鉆工、折臂吊、BOP吊機、液壓絞車等NOV設備中均有應用，以ST-100鐵鉆工為例，設置比例多路換向閥（見圖3），采用液壓驅動+手動驅動的形式，分別控制鐵鉆工整體的升降、旋轉和伸縮臂的伸縮動作。

當在遠程控制臺操作設備時，控制液壓油經過相應控制電磁閥作用到比例多路換向閥上，推動閥芯向相應的方向動作，主油路導通后進行動作。當手動操作時，首先動作先導閥操作桿，然后動作多路閥操作桿，進行相應動作，改變多路閥操作桿的幅度時，動作的速度也一同改變。液壓驅動和手動驅動停止時，閥芯在彈簧作用下自動回中，油路斷開，動作停止。

2.2" " 在甲板吊機中的應用

以某公司配置最多的華南吊機為例，吊機的變幅起降、主鉤起降、副鉤起降和回轉均由比例多路換向閥控制，比例多路換向閥采用液壓驅動的形式。當操作吊機相應的手柄時，控制液壓油作用到比例多路換向閥上，推動閥芯向相應的方向動作，主油路導通，進行相應動作。手柄的幅度發生變化時，相應動作的速度一同變化。停止操作時，閥芯在彈簧作用下自動回中，油路斷開，相應動作停止。閥塊上設置調壓閥，預調到設計壓力，如壓力設定過小，吊機無法達到額定起重量，如壓力設定過大，可能會對設備造成損壞。

2.3" " 在懸臂梁滑移裝置中的應用

以廣東精銦JY-Y85懸臂梁滑移裝置為例，采用手動驅動形式的比例多路換向閥（見圖4）控制懸臂梁的伸出和回收。當手動操作時，操作相應動作的多路閥操作桿，進行相應動作，改變多路閥操作桿的幅度時，相應動作的速度也一同改變。當操作多路閥操作桿時，操作桿會保持相應的位置，不會自動回中，如要停止相應動作，需要手動操作操作桿，使多路閥的閥芯回中。

3" " 比例多路換向閥常見故障及解決方法

3.1" " 閥芯卡阻

3.1.1" " 故障現象

吊車司機在正常操作吊機右回轉與起升副鉤的聯動過程中，停止起升副鉤操作，手柄已回至中位（副鉤停止位），但此時副鉤未停止，依然在無操作的情況下自動起升。吊車司機嘗試下放操作，但仍然不能停止副鉤的自動上升動作，限位也未能起到保護作用。吊機司機最終采取按下柴油機急停按鈕的方式切斷吊機的動力源，才避免了事故的發生。

3.1.2" " 故障分析

吊機副鉤液壓機構原理見圖5、圖6，副鉤起升和下降由吊機右側控制手柄進行操作，不同的操作對應不同的閥位，分別為起升位、下放位和停止位。當副鉤手柄至起升位置時，CW3控制油路形成通路，然后在油壓的作用下將副鉤多路閥閥芯推至起升工作位置，此時副鉤滾筒為起升動作；當副鉤手柄至下降位置時，CW4控制油路形成通路，然后在油壓的作用下將副鉤多路閥閥芯推至下降工作位置，此時副鉤滾筒為下降動作；當手柄回到中位時，CW3、CW4無壓力，多路閥閥芯應該處于中位（停止位）。

根據故障現象，無論操作副鉤起升、下降還是停止，副鉤均上升，說明多路閥閥芯一直處于副鉤上升位置。經現場檢查，操作手柄在副鉤下降和停止位置時，CW3外無控制液壓油。確定造成副鉤一直起升的原因為多路閥的閥芯在副鉤上升位置卡住。此種情況下，即使副鉤上限位起作用，也不能阻止副鉤的上升。通過吊機急停原理分析，在多路閥閥芯卡住的情況下，即使按下吊機控制面板的急停按鈕，也不能停止柴油機和動力源，多路閥的閥芯也不能回到中位；如果按下柴油機的急停按鈕，將會切斷動力源，停止副鉤上升。經過現場拆檢，研磨處理副鉤多路閥閥芯，使閥芯實現動作靈活，重新安裝后恢復了正常操作。

3.2" " 比例多路換向閥附帶的溢流閥故障

3.2.1" " 故障現象

某平臺鉆臺5 t液壓絞車起升操作時動作正常，但下放操作時無動作。

3.2.2" " 故障分析

液壓絞車無動作可能的原因有機械故障、限位設置、馬達問題、齒輪箱故障、剎車故障、液壓問題等。該液壓絞車起升操作時動作正常，下放操作時無動作，由此分析機械故障、馬達問題、齒輪箱故障的可能性很小；起升操作時動作正常，說明在壓力足夠的情況下，打開剎車也是沒有問題的，極有可能是限位設置和液壓問題。

首先調節液壓絞車的下限位設置，仍未能解決問題，故將重點放在液壓問題上，根據液壓原理圖分析，可能的原因主要包括：系統安全閥故障、比例多路換向閥處溢流閥設置不對、剎車油壓太小而無法打開剎車、Load holding valve壓力設置過大而不能形成回路等。而起升操作時動力正常，說明系統安全閥完好，且壓力設置也在正常范圍內。接下來用測壓表測量測壓點MPLS處的壓力，當手柄推向起升時，壓力顯示為163 bar（1 bar=0.1 MPa），說明LSA閥設置正常。當手柄推向下放時，壓力表顯示為50 bar，與LSB閥的設置值（160 bar）有較大出入，由于壓力太小而無法打開Load holding valve，從而無法形成液壓回路，導致下放操作時無動作。調節LSB閥，而無論怎么調節，測壓點MPLS處測得的壓力均為50 bar，判斷LSB閥損壞，更換LSB閥后設備恢復正常。

4" " 比例多路換向閥其他常見故障及排除方法

在液壓系統動力設備和系統閥組磨損之前采取主動維護，維護與維修相比是主動與被動、事前與事后的關系。故主動維護不但為設備的可靠運行提供保障，同時可大幅度降低維修成本，延長維修周期乃至設備的使用壽命[4]。實踐表明，液壓元件或系統失效、損壞等問題多數是由于污染、維護不足和油液選用不當造成的。為了保證液壓系統處于良好的性能狀態，并延長其使用壽命，應對其合理使用，并重視對其進行日常檢查和維護。比例多路換向閥是多個換向閥的疊加和在換向閥的基礎上增加其他控制方式，所以普通換向閥產生的各種故障也會發生在多路閥中，前者故障排除方法也適用于后者，下面介紹比例多路換向閥閥其他常見故障的分析及排除方法。

4.1" " 比例電磁鐵故障

由于電磁閥線圈松動或插頭掉落導致閥沒有電流或電磁線圈燒壞。插頭掉落需要固定插頭。使用萬用表測量電磁線圈電阻，如果開路則是線圈燒毀，主要原因可能是線圈受潮或者外部雨水進入，還可能因使用的復位彈簧不是原配件，其彈力大并反作用于線圈，吸力不足造成線圈燒毀。緊急處理時可以手動按壓閥芯手動按鈕，使閥芯動作。

4.2" " 漏油

泄漏的類型分為內泄漏與外泄漏兩種。外泄漏是指分片式結構閥體之間的泄漏，內泄漏是指因為閥桿與閥體之間磨損間隙過大、錐閥與閥座接觸不良、閥桿與閥體之間的“O”形密封圈老化或損壞而出現的泄漏。多路換向閥閥桿復位彈簧安裝在閥桿的下端，無論閥桿在上位還是在下位時都能使彈簧受到壓縮，在無外力作用時，由于彈簧的彈力使閥桿迅速恢復到原來的位置，如果閥桿不能復位，溝槽與油道相通，則會產生內泄漏[5]。多路換向閥內泄漏會導致液壓系統故障，出現執行件不能正常動作的情況，需要根據現場情況逐一排查和維修。

4.3" " 出現高頻振動和噪音

出現高頻振動和噪音的主要原因是：液壓油液中混入大量空氣或者液壓油液臟堵；電磁線圈接觸不好造成閥組似通非通；溢流閥阻尼孔堵塞、錐閥與閥座接觸不良、單向閥關閉不嚴；內插閥密封損壞、部件損壞進入系統造成閥塊堵塞。該故障需要拆除閥塊逐一排查。

4.4" " 滑閥動作不靈活

滑閥動作不靈活的主要原因是：復位彈簧或彈跳彈簧損壞；軸用彈性擋圈損壞；防塵密封圈過緊；閥芯與閥體孔配合間隙不適當，或因閥芯與閥體幾何精度差，或污物卡入配合間隙。該故障將造成閥芯移動不靈活，操縱力大。

5" " 結束語

液壓機械種類繁雜，其液壓系統及元件各有特定的用途和使用要求，為了減少故障發生次數及消除故障隱患，發揮其效能，應及時了解和掌握整個設備及系統的運行狀況，加強各零部件及系統的預防性檢查。在設備使用過程中，元器件常發生一些故障，如比例多路換向閥閥芯卡阻，如應急處理不當，可能會造成嚴重后果，需要對閥芯和閥組進行檢查，視情況進行更換。同時要保證設備液壓油的油質，定期化驗，定期更換液壓油濾芯，定期清洗油箱和管道，減小液壓元件的磨損，避免影響液壓系統的正常運行。

參考文獻

[1]" 朱小明.比例多路換向閥及其應用[J].現代零部件，2005（12）：49-51.

[2]" 朱小明.比例多路換向閥在工程機械中的應用[J].建筑機械，2006（7）：87-90.

[3]" 黃志堅.電液比例控制及應用實例[M].北京：化學工業出版社，2015.

[4]" 李兵，趙鵬舉，屈永宏.牙輪鉆機液壓系統的污染及維護[J].中國科技縱橫，2014（16）：63.

[5]" 魯偉，楊坤成.CPCD60型叉車多路換向閥漏油故障的排除[J].工程機械與維修，2003（4）：118.

作者簡介：

王" " 建（1985—），男，天津人，工程師，2009年畢業于中國石油大學（北京）機械設計制造及其自動化專業，現從事設備管理、維修及鉆井平臺拖航、壓載工作。Email：470706822@qq.com

編輯：楊秀蘭