張 磊，王 耀，朱曉林，蔣勇剛，陳江英

(1.中船黃埔文沖船舶有限公司,廣東 廣州 511462； 2.中國船級社 廣州分社,廣東 廣州 511462)

自升式海洋平臺包括船體、樁腿和升降系統(tǒng)。在這3部分中，升降系統(tǒng)安裝在船體和各個樁腿之間，由電動機驅動液壓系統(tǒng)，帶動減速齒輪箱上的爬山齒輪，使船體沿著樁腿進行升降運動，完成平臺或樁腿的升降操作。在自升式平臺中，升降系統(tǒng)是最為重要的設備，其可操作性、安全性、舉升能力，會關系到平臺的使用安全和作業(yè)效率[1]。升降系統(tǒng)大體可分為2個類別，液壓齒輪齒條式和電動齒輪齒條式。升降系統(tǒng)配合的樁腿也分為桁架式樁腿和圓柱式樁腿[2]。本文依托某型居住平臺液壓齒輪齒條式升降系統(tǒng)全程升降試驗中的故障問題，對系統(tǒng)配置、液壓管路、控制程序進行分析，找出故障原因，并進行優(yōu)化。

1 系統(tǒng)特點

本文依托的液壓齒輪齒條式升降系統(tǒng)主要由齒輪、齒條、減速器等組成。驅動方法為通過液壓拖著減速箱，將力矩傳遞給爬升齒輪，沿著樁腿上的齒條完成船體升降的任務。齒條垂直焊接到殼體式樁腿的筒體上,圓柱式樁腿爬升齒輪則是通過安裝架(π型版)固定在固樁架上，齒條與爬升齒輪嚙合，再由電動機和液壓系統(tǒng)經(jīng)減速器帶動齒條，產(chǎn)生低轉速、高轉矩的爬升力，完成平臺的垂直升降。圖 1 為圓柱殼體式升降機構結構示意圖[3]。

圖1 圓柱殼體式升降機構結構示意圖

2 故障現(xiàn)象和分析

升降系統(tǒng)的性能由3個方面決定，一是液壓升降系統(tǒng)配置；二是液壓剎車管路設計；三是控制程序的邏輯性。升降系統(tǒng)在升降過程中的故障也主要來自這3個方面。

2.1 故障現(xiàn)象

全程升降中的故障有：①升降過程中，齒輪箱異位，剎車片部分斷裂和過度磨損，但系統(tǒng)未給出報警。②升降過程中樁腿出現(xiàn)瞬間下滑，導致部分電動機損壞。③升降過程中，樁腿頂部齒條出現(xiàn)損壞。損壞的剎車片與損壞的液壓系統(tǒng)電動機見圖2、圖3。

圖2 損壞的剎車片

圖3 損壞的液壓系統(tǒng)電動機

2.2 故障分析

回顧升降系統(tǒng)全程試驗中的故障現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為剎車片快速磨損、斷裂，液壓系統(tǒng)電動機損壞。故障現(xiàn)象只是結果，根本原因可以根據(jù)現(xiàn)象分析和邏輯判斷向上追溯。

剎車片快速磨損、斷裂的直接原因是發(fā)生動態(tài)制動(半聯(lián)動)，向上推導的原因是剎車動作與升降動作不同步、不協(xié)調。其根本原因是：①軟件原因，控制系統(tǒng)設定參數(shù)有誤。②硬件原因，一是液壓系統(tǒng)設計缺陷，管路排氣閥數(shù)量少，設置不合理，導致管路受空氣影響；二是剎車片質量問題。

電動機損壞的直接原因是超速或超負荷，導致在超速(飛車)、降平臺時電動機失油，平臺無制動，緊急下降。系統(tǒng)流量及壓力未超負荷，進一步分析原因是主油路供油遲滯，延時設置不當，缺乏靜態(tài)補油。由此，可以得出其根本原因是：①軟件原因，控制系統(tǒng)延時參數(shù)不正確；②硬件原因，液壓原理缺陷，無相應補油功能的管路。

所以其故障原因主要在如下幾個方面。

1)液壓升降系統(tǒng)配置。升降系統(tǒng)選用了可變量電動機來實現(xiàn)不同工況下的升降速度，樁腿不入泥時使用大流量檔位，帶負荷升降時采用小流量檔位，在每個電動機上設置電磁換向閥來選擇高低流量。為了防止個別電磁換向閥故障失效導致電動機負荷不均，必須增加有關的報警點。這就使得系統(tǒng)為了獲得某些功能而設計得過于復雜，由于可變量較多，控制難度大，導致系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障。

2)液壓剎車管路設計。升降系統(tǒng)剎車由單獨總管供油，公共報警點不監(jiān)測每臺剎車的油壓。剎車總管壓力達到額定值時，默認所有剎車全開。在某些剎車出現(xiàn)故障時，如過度磨損、卡死，系統(tǒng)無法實現(xiàn)有效的監(jiān)控報警和連鎖，只能通過就地觀察才能發(fā)現(xiàn)故障。

因管路特性差異，剎車管路為封閉管，通常能更快建立和失去壓力。啟動升降時，升降動作將會存在很短時間的遲滯。反過來，剎車開啟稍晚，將承受低速沖擊；停止升降時，主比例閥操縱桿回中后，剎車管路立即斷油閉合，這時升降動作完全停止，對剎車造成短暫沖擊。在同步動作條件下，如果某些剎車逐漸磨損，將會出現(xiàn)動作遲滯，各剎車開啟時間差異越來越大，甚至個別剎車卡死無法打開，造成其他動力單元拖拽故障單元的情況。

3)控制程序的邏輯性?？刂瞥绦驅σ簤合到y(tǒng)的連鎖保護不完善，每次升降故障及設備損壞前，均無報警提示，甚至設備已經(jīng)損壞了，仍無報警提示。液壓系統(tǒng)和控制程序的協(xié)調性差，控制邏輯和延時設計較為混亂。

總之，升降系統(tǒng)調試試驗中的故障，是多種原因綜合作用的結果，必須逐項進行科學的分析，才能制定出有效的整改措施。

3 優(yōu)化方案分析

因平臺升降系統(tǒng)進行升降操作時出現(xiàn)不正常狀況，應對液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行徹底的整改。

3.1 液壓和控制系統(tǒng)存在的問題

1)控制系統(tǒng)和程序問題分析。原系統(tǒng)在控制邏輯上存在嚴重的理解偏差，保護功能設計不完善，安全余度不足，需進行程序修改。為在有限時間內徹底解決問題，應對程序進行重新設計。

2)液壓系統(tǒng)問題分析。 ①原設計液壓系統(tǒng)對動作原理和順序及動作實現(xiàn)方式理解有誤，后期采取的補救措施過于雜亂，不但沒有解決實質問題，而且還降低了系統(tǒng)的可靠性，需進行整改，這部分工作包括增、減一些現(xiàn)有回路，包括用于排氣、補油等用途的后加回路，以優(yōu)化系統(tǒng)。②原液壓系統(tǒng)缺乏一些基本的系統(tǒng)保護裝置，導致液壓元器件在沖擊載荷下極易損壞，多次損壞液壓系統(tǒng)電動機、剎車及齒輪齒條等，這部分整改內容包括重新加工液壓系統(tǒng)電動機進口閥塊，增加新的安全保護閥。③原系統(tǒng)的背壓設計和選型不合理，極易造成液壓升降單元的載荷不同步，應一并修改。④原系統(tǒng)的變量控制方案存在隱患，過多的變量點和變量原件導致控制繁復和誤差疊加，應一并修改優(yōu)化[4]。

3.2 實施方法

1)控制系統(tǒng)和程序問題部分。依然沿用原有電器控制系統(tǒng)，重新裝入新的控制程序。新的控制程序編制后先進行模擬運行調試，待液壓系統(tǒng)整改完畢，再進行聯(lián)機實調。

2)液壓系統(tǒng)部分。原供貨商應保證原有設備器材的完好性，已經(jīng)損壞的液壓系統(tǒng)電動機、剎車裝置等零件應更換完畢。設計制造新的閥塊，采購、配裝新的插裝閥等。重新調整原有液壓系統(tǒng)電動機配置，修改原管路系統(tǒng)。

3)剎車部分。剎車控制獨立。更改控制程序，實現(xiàn)樁腿位移編碼器和比例閥的閉環(huán)位移控制。剎車開啟時，主油路供油之間的延時調整至合理值，將緊急下降時間控制在1 s內[5]。