自升式海洋鉆井平臺(tái)鎖緊裝置液壓系統(tǒng)

車 暢,陳定方,梅 杰,劉 哲

(武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所,湖北 武漢 430068)

所有的海上平臺(tái)都必須將環(huán)境、重力和運(yùn)行時(shí)的載荷在平臺(tái)與支腿之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換.有些平臺(tái)在所有的情況下都是依賴起升的齒輪來實(shí)現(xiàn)這一功能,但是大部分卻是只在起升時(shí)依賴齒輪,而其他多數(shù)時(shí)間是依靠鎖緊裝置來實(shí)現(xiàn)這一功能的[1].

1 鎖緊裝置的基本組成

鎖緊裝置主要由液壓裝置和復(fù)位裝置構(gòu)成[2].

1.1 液壓裝置

液壓系統(tǒng)在鎖緊裝置中是一個(gè)動(dòng)力元件,它是執(zhí)行裝置,是非常重要的部分[3].

此設(shè)計(jì)中主要采用的活塞缸,按作用分為推動(dòng)液壓缸和夾緊液壓缸.當(dāng)推動(dòng)液壓缸推動(dòng)卡爪與齒條接觸時(shí),有可能對(duì)不準(zhǔn),所以它的兩端是鉸接的,使卡爪與齒條接觸時(shí)能夠準(zhǔn)確嚙合,不對(duì)液壓裝置產(chǎn)生擠壓.

夾緊液壓缸的頭部和夾緊楔塊連接.在卡爪與齒條牢牢卡住后,夾緊液壓缸推動(dòng)楔塊夾緊卡爪,將整個(gè)平臺(tái)的重量施加在卡爪上,以固定平臺(tái).夾緊液壓缸與楔塊是將平臺(tái)與卡爪聯(lián)系起來的一個(gè)紐帶,其運(yùn)動(dòng)過程如圖1所示.

1.2 復(fù)位裝置

卡爪要求與樁腿齒條完全嚙合,在液壓缸推動(dòng)其與樁腿齒條嚙合后,其位置會(huì)相對(duì)嚙合前有所偏移.在將其拉出的時(shí)候要將卡爪恢復(fù)到原來的位置,就必須設(shè)置一個(gè)裝置將其歸位,這就是復(fù)位裝置[2].

圖1 夾緊液壓缸與楔塊的運(yùn)動(dòng)過程

水平滑動(dòng)導(dǎo)軌固定在一側(cè)的蓋板上,使卡爪能沿軌道水平運(yùn)動(dòng).卡爪上固定一個(gè)中滑塊,如果鎖緊時(shí)齒條沒有完全嚙合,由于推動(dòng)液壓缸的兩端是鉸接的,卡爪便可以沿著豎直導(dǎo)軌上下移動(dòng),以此實(shí)現(xiàn)調(diào)整對(duì)位的功能.豎直導(dǎo)軌和上下滑塊相連,同時(shí)對(duì)復(fù)位彈簧起到了導(dǎo)向的作用.當(dāng)卡爪退出嚙合時(shí),在復(fù)位彈簧的作用下,卡爪恢復(fù)到嚙合前的位置.復(fù)位裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 復(fù)位裝置安裝位置及結(jié)構(gòu)

2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

此海洋鉆井平臺(tái)每樁升降的鎖緊裝置有3組液壓系統(tǒng),每組液壓系統(tǒng)有2個(gè)動(dòng)作——推動(dòng)液壓缸組成的推動(dòng)動(dòng)作和夾緊液壓缸組成的夾緊動(dòng)作.每個(gè)動(dòng)作有4個(gè)液壓缸,所以8個(gè)液壓缸服務(wù)一組系統(tǒng).由于機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要保持穩(wěn)定,使每個(gè)卡齒平均受力,降低不必要的危險(xiǎn),必須在工作時(shí)讓這12個(gè)推動(dòng)液壓缸一起運(yùn)動(dòng);然后再讓12個(gè)夾緊液壓缸一起運(yùn)動(dòng).本設(shè)計(jì)只考慮一組液壓系統(tǒng).

綜合以上的各個(gè)液壓系統(tǒng)回路,基本確定本次設(shè)計(jì)的液壓原理圖如圖3所示.

圖3 液壓系統(tǒng)原理

圖3中,液壓油經(jīng)吸油過濾器、液壓泵、高壓過濾器、單向閥進(jìn)入電磁換向閥10,此時(shí)DT1得電,液壓油進(jìn)入電磁換向閥16.1和比例方向閥17.1、17.2 、17.3,DT3、DT5 、DT7、DT9 得電,4 個(gè)推動(dòng)液壓缸開始同步運(yùn)動(dòng),完成推動(dòng)動(dòng)作,其中節(jié)流閥節(jié)流調(diào)速,保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性;隨著推動(dòng)液壓缸推動(dòng)卡爪與齒條嚙合,系統(tǒng)的壓力會(huì)不斷增大,當(dāng)增大到順序閥11.1的調(diào)定壓力時(shí),閥門打開,液壓油進(jìn)入電磁換向閥 16.2和比例方向閥 17.4、17.5、17.6,DT11、DT13、DT15、DT17 得電,4 個(gè)夾緊液壓缸開始同步運(yùn)動(dòng),推動(dòng)楔塊夾緊,蓄能器和液壓鎖實(shí)現(xiàn)保壓,平衡閥19.1、19.3保證因?yàn)橹亓υ蛟斐傻倪\(yùn)動(dòng)不平穩(wěn);當(dāng)夾緊動(dòng)作完成后,液壓缸要退回來時(shí),DT2得電,DT12、DT14、DT16、DT18也得電,4 個(gè)夾緊液壓缸完成同步退回動(dòng)作,平衡閥19.2、19.4保證因?yàn)橹亓υ蛟斐傻倪\(yùn)動(dòng)不平穩(wěn);當(dāng)運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)時(shí),液壓油會(huì)退回來,系統(tǒng)壓力會(huì)升高到順序閥11.2 的調(diào)定壓力,閥門打開 ,DT4、DT6、DT8、DT10得電,4個(gè)推動(dòng)液壓缸完成同步退回動(dòng)作,單向節(jié)流閥在出油口節(jié)流調(diào)速,保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性.其中小型直動(dòng)式溢流閥的緩沖回路是為了保證系統(tǒng)工作的安全性,比例方向閥的同步回路是為了保證液壓缸的同步運(yùn)動(dòng)[4].

3 鎖緊裝置的建模仿真

為了更形象地描述液壓缸的運(yùn)動(dòng),也為了試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的鎖緊裝置是否合理,本文采用Solidworks軟件和3D Studio Max軟件對(duì)鎖緊裝置的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真.

3.1 鎖緊裝置零件的建模

在Solidworks2007的軟件環(huán)境下建立模型的基本步驟如下:1)根據(jù)查閱資料估計(jì)各個(gè)零件的尺寸,按新建—零件—草繪—拉伸(剪切)—旋轉(zhuǎn)—選擇新平面—草繪—成型;2)將設(shè)計(jì)出的零件按相關(guān)約束進(jìn)行裝配至裝配體形成.

3.2 鎖緊裝置的動(dòng)畫仿真

由于鎖緊裝置的某些運(yùn)動(dòng)在 Solidworks2007軟件的環(huán)境下無法實(shí)現(xiàn),因此在本設(shè)計(jì)中采用3D Studio Max軟件來實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)動(dòng).

在本設(shè)計(jì)中鎖緊裝置的運(yùn)動(dòng)主要包括4個(gè)過程:1)推動(dòng)液壓缸推動(dòng)卡爪與齒條嚙合;2)夾緊液壓缸推動(dòng)楔塊與卡爪夾緊;3)夾緊液壓缸推動(dòng)楔塊與卡爪分離;4)推動(dòng)液壓缸推動(dòng)卡爪與齒條分離,即回到原始位置(圖4顯示的是鎖緊裝置鎖緊的時(shí)刻).

圖4 鎖緊裝置鎖緊

4 結(jié)束語(yǔ)

鎖緊裝置系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)不是十分復(fù)雜,但是在惡劣的環(huán)境、頻繁的工作狀態(tài)下,與海洋鉆井平臺(tái)安全性、穩(wěn)定性、高效性密切相關(guān).本文設(shè)計(jì)的鎖緊裝置在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化了平臺(tái),不僅更安全而且節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本,仿真完善了設(shè)計(jì)的不足,達(dá)到了預(yù)期目的.

[1]李克向.鉆井手冊(cè)(甲方)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1990.

[2]佚名.美國(guó)鉆井手冊(cè)[M].陳理中譯.北京:石油工業(yè)出版社,1980.

[3]李壯云.液壓元件與系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[4]明仁雄,萬(wàn)會(huì)雄.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2003.