90m自升式海上平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)仿真分析

金豁然，李德堂，胡星辰，魏 卓，楊尊儒

（1. 浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316022；2. 浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 舟山 316022）

設(shè)計(jì)與研究

90m自升式海上平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)仿真分析

金豁然1，2，李德堂1，2，胡星辰1，2，魏 卓1，2，楊尊儒1，2

（1. 浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316022；2. 浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 舟山 316022）

利用AMEsim軟件對(duì)90m自升式海上平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)建模。通過(guò)給定模擬信號(hào)，針對(duì)平臺(tái)安全需求，對(duì)平臺(tái)額定、預(yù)壓和提升齒輪失效升降工況進(jìn)行仿真，重點(diǎn)分析了液壓系統(tǒng)中馬達(dá)的性能。仿真結(jié)果表明：在預(yù)壓工況和單只提升齒輪失效工況下，液壓系統(tǒng)運(yùn)行安全平穩(wěn)，各馬達(dá)的性能均能滿足要求，擁有足夠的扭矩和轉(zhuǎn)速，能夠安全可靠地驅(qū)動(dòng)提升齒輪同步動(dòng)作，帶動(dòng)平臺(tái)主體或樁腿工作，驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

海上平臺(tái)；AMEsim軟件；液壓升降；提升齒輪失效；預(yù)壓載

0　引言

海洋中蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，海洋石油開(kāi)發(fā)已是當(dāng)今世界的熱點(diǎn)。油氣資源的勘探大部分都需要依靠海上平臺(tái)，而自升式海上鉆井平臺(tái)是目前應(yīng)用最廣泛的移動(dòng)式鉆井設(shè)施［1］。我國(guó)的自升式海上平臺(tái)大多依靠進(jìn)口，特別是作為自升式平臺(tái)中核心部分的升降系統(tǒng)，幾乎被國(guó)外生產(chǎn)廠家壟斷，關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)掌握在國(guó)外廠商手里，嚴(yán)重制約著我國(guó)海洋油氣的規(guī)模開(kāi)發(fā)［2，3］。海上平臺(tái)所處的海洋環(huán)境十分復(fù)雜和惡劣，海洋重大事故時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約70%的事故均由升降系統(tǒng)引起，后果嚴(yán)重的會(huì)造成整個(gè)平臺(tái)傾覆。因此，對(duì)自升式海上平臺(tái)升降系統(tǒng)的仿真分析在其參數(shù)優(yōu)化及故障防范方面顯得尤為重要。

升降系統(tǒng)的升降裝置安裝在樁腿和平臺(tái)主體之間，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)升降裝置使樁腿與主體之間相對(duì)上下運(yùn)動(dòng)，完成平臺(tái)或樁腿的升降操作。自升式鉆井平臺(tái)的升降系統(tǒng)最常用的兩類(lèi)：齒輪齒條式和液壓油缸頂升式［4］。其中齒輪齒條式升降具有可連續(xù)升降、速度快、操作靈活、平臺(tái)消耗成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此自升式海上平臺(tái)多采用齒輪齒條升降方式［5］。

1　90m海上平臺(tái)簡(jiǎn)介

90m動(dòng)力定位自升式海上平臺(tái)主要由平臺(tái)主體、樁腿、升降系統(tǒng)、修井系統(tǒng)等組成。平臺(tái)主體由4根圓柱形樁腿支撐，是一座專(zhuān)為近海工程提供鉆修井、完井、測(cè)井等輔助服務(wù)和海上油田作業(yè)的自升自航式多功能平臺(tái)，適合于5～60m水深的海域作業(yè)。平臺(tái)配有雙舵槳系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自航功能，可在油田區(qū)域內(nèi)靈活作業(yè)。船體總長(zhǎng)78.8m，滿載吃水3.0m，型長(zhǎng)63.6m，型寬40m，型深5.8m，采用齒輪齒條式液壓升降系統(tǒng)。海洋平臺(tái)的三維模型見(jiàn)圖1，樁腿升降裝置見(jiàn)圖2。

圖1　90m海上平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型

圖2　樁腿升降裝置

2　升降系統(tǒng)組成及液壓系統(tǒng)工作原理

2.1 升降系統(tǒng)組成

90m海上平臺(tái)升降系統(tǒng)為電動(dòng)液壓式升降系統(tǒng)，采用齒輪齒條升降方式，單樁配有14個(gè)提升齒輪，通過(guò)安裝框架與船體連接。每個(gè)樁腿上設(shè)有2根齒條，每道齒條上配備有7個(gè)提升齒輪，單樁腿升降系統(tǒng)中共有14個(gè)馬達(dá)油路并聯(lián)，14個(gè)液壓馬達(dá)經(jīng)減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)提升齒輪同步動(dòng)作執(zhí)行平臺(tái)主體或樁腿的升降，升降系統(tǒng)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　升降系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 液壓系統(tǒng)工作原理

90m自升式海上平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)、單向定量泵、溢流閥、單向閥、二位二通電磁換向閥、平衡閥組、液壓馬達(dá)、制動(dòng)器、減速器等，工作原理見(jiàn)圖3。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有5個(gè)二位二通電磁換向閥，在給定信號(hào)的情況下，通過(guò)電磁閥通斷控制系統(tǒng)液壓油的流向，實(shí)現(xiàn)馬達(dá)正反旋轉(zhuǎn)。運(yùn)行過(guò)程：閥7、閥8通過(guò)電磁開(kāi)啟，此時(shí)液壓油經(jīng)單向定量泵打出，通過(guò)閥8流經(jīng)平衡閥，進(jìn)入液壓馬達(dá)推動(dòng)其正向轉(zhuǎn)動(dòng)，流出的油液通過(guò)閥7回流到油箱，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)主體的上升操作；同樣，閥6、閥9開(kāi)啟，閥7、閥8關(guān)閉時(shí)，液壓馬達(dá)會(huì)執(zhí)行反向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)主體的下降操作。

液壓回路中的溢流閥3具有提供負(fù)荷保護(hù)和壓力調(diào)定的作用：當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，溢流閥打開(kāi)進(jìn)行卸荷，輸出油液返回油箱。當(dāng)閥5關(guān)閉時(shí)，平臺(tái)處于鎖定狀態(tài)，油液通過(guò)溢流閥回油箱。另外，平衡閥用于鎖定樁腿和平臺(tái)，避免平臺(tái)突然墜落。當(dāng)平臺(tái)達(dá)到指定位置時(shí)，系統(tǒng)中有電磁換向閥來(lái)執(zhí)行卸荷功能，此時(shí)鎖緊裝置將平臺(tái)主體固定，使平臺(tái)能夠在海上順利完成海洋油氣的勘探工作。

圖3　液壓升降系統(tǒng)原理

3　仿真建模

3.1 構(gòu)建草圖

AMEsim軟件有4個(gè)工作模式，用戶可以搭建草圖，修改元件子模型，設(shè)置子模型的參數(shù)，進(jìn)行仿真。在Sketch mode（草圖模式）下，AMEsim軟件中自帶的HCD庫(kù)、Mechanical庫(kù)以及Signal、control庫(kù)等可建立仿真模型。根據(jù)圖3，建立 AMEsim軟件的仿真回路（見(jiàn)圖4）。每個(gè)樁腿上設(shè)有2根對(duì)稱(chēng)的齒條，每根齒條上配備有7個(gè)相同的液壓馬達(dá)回路，由于這些油路是并聯(lián)關(guān)系，因此只對(duì)7個(gè)馬達(dá)油路進(jìn)行建模。

將液壓系統(tǒng)仿真回路中的7個(gè)液壓馬達(dá)從左至右進(jìn)行編號(hào)，分別記為液壓馬達(dá)1，2，…，7，相對(duì)應(yīng)的7個(gè)扭矩信號(hào)源分別記為信號(hào)1，2，…，7。

3.2 子模型的選擇

當(dāng)搭建完成系統(tǒng)后，進(jìn)入Submodel mode，給系統(tǒng)元件選擇子模型。如果在草圖模式中出現(xiàn)建模錯(cuò)誤，或者回路沒(méi)有完成，則系統(tǒng)不能進(jìn)入Submodel mode［6］。本文在子模型模式下，運(yùn)用Premier mode為液壓系統(tǒng)中各個(gè)元件選擇數(shù)學(xué)模型。

3.3 元件參數(shù)設(shè)置

Parameter mode是運(yùn)行仿真之前最為重要的一步，在該模式下，需要根據(jù)實(shí)際情況自行調(diào)整各元件的參數(shù)。系統(tǒng)中各元件的參數(shù)設(shè)置十分關(guān)鍵，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的正確性和穩(wěn)定程度。參數(shù)設(shè)置不合理，會(huì)直接導(dǎo)致仿真的間斷。根據(jù)平臺(tái)的技術(shù)參數(shù)，仿真參數(shù)的設(shè)置見(jiàn)表2，其他參數(shù)保持默認(rèn)。

圖4　液壓升降系統(tǒng)仿真回路

表2　系統(tǒng)仿真參數(shù)的設(shè)置

3.4 仿真模式設(shè)置

切換到simulation mode，點(diǎn)擊set the run parameters圖標(biāo)，運(yùn)行run parameters 將final time 設(shè)置為20s，print interval設(shè)置為0.01s，此時(shí)系統(tǒng)將會(huì)運(yùn)行1個(gè)周期。執(zhí)行start a simulation命令，系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行仿真，直至液壓升降系統(tǒng)仿真成功，整個(gè)仿真過(guò)程結(jié)束。

4　仿真分析

4.1 研究對(duì)象

由于系統(tǒng)中液壓馬達(dá)的扭矩和轉(zhuǎn)速對(duì)整個(gè)平臺(tái)的升降有著直接關(guān)系，因此主要針對(duì)這兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。根據(jù)parameter mode（參數(shù)模式）中參數(shù)的設(shè)置，系統(tǒng)20s運(yùn)行1個(gè)周期，在此過(guò)程中，液壓油會(huì)推動(dòng)液壓馬達(dá)執(zhí)行正、反旋轉(zhuǎn)，時(shí)間均為10s。

4.2 額定升降工況

自升式海上平臺(tái)一般在承受船體自身重量和部分可變載荷情況下進(jìn)行升降作業(yè)。進(jìn)入仿真模式，運(yùn)行仿真。在同一個(gè)繪圖中同時(shí)對(duì)液壓馬達(dá)1，2，…，7七個(gè)液壓馬達(dá)的性能進(jìn)行分析，扭矩和轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果分別見(jiàn)圖5、6。

圖5　液壓馬達(dá)扭矩

圖6　液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速

由于與齒條相嚙合的每一個(gè)提升齒輪都是獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，因此各提升齒輪間的載荷均勻性顯得尤為重要。如果載荷分配不均勻，在升降過(guò)程中，可能會(huì)超出提升齒輪所承受的強(qiáng)度，造成提升齒輪斷裂。

由圖5、6可知，液壓馬達(dá)1，2，…，7的扭矩和轉(zhuǎn)速特性曲線基本重合，同步性表現(xiàn)優(yōu)良，提升齒輪和齒板受力比較均勻，提升齒輪的強(qiáng)度得以保證；分析得出，在平臺(tái)主體的升降過(guò)程中，所有馬達(dá)具有相同的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。扭矩和轉(zhuǎn)速均在啟動(dòng)和轉(zhuǎn)向瞬間出現(xiàn)較大的波動(dòng)，但馬達(dá)很快進(jìn)入動(dòng)平衡狀態(tài)，波動(dòng)時(shí)間極短，不會(huì)對(duì)馬達(dá)造成沖突破壞，系統(tǒng)安全平穩(wěn)性表現(xiàn)優(yōu)良。

4.3 預(yù)壓升降分析

自升式海上平臺(tái)預(yù)壓狀態(tài)升降時(shí)，對(duì)升降系統(tǒng)的升降能力要求會(huì)提高［7］。液壓馬達(dá)承受的旋轉(zhuǎn)負(fù)荷會(huì)增加，該工況下，對(duì)扭矩信號(hào)源進(jìn)行重新設(shè)置，見(jiàn)表3。

表3　扭矩信號(hào)源參數(shù)設(shè)置

平臺(tái)帶載荷升降情況下，液壓馬達(dá)扭矩和轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果見(jiàn)圖7、8。

圖7　帶荷載馬達(dá)扭矩

圖8　帶荷載馬達(dá)轉(zhuǎn)速

分析圖7、8可知，預(yù)壓載工況下，平臺(tái)升降時(shí)，液壓馬達(dá)的扭矩會(huì)增加，速度變化較小。

4.4 提升齒輪失效升降分析

自升式海上平臺(tái)在升降過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)單只提升齒輪發(fā)生斷裂現(xiàn)象，特別是緊急情況下能不能繼續(xù)升降，剩余的提升齒輪能不能滿足安全升降要求，這些都需要進(jìn)行仿真來(lái)驗(yàn)證。該工況下，設(shè)定液壓馬達(dá)motor7對(duì)應(yīng)的提升齒輪失效，這時(shí)motor7不承受平臺(tái)升降所需的扭轉(zhuǎn)負(fù)荷，但驅(qū)動(dòng)平臺(tái)升降所需的總扭矩不變。

在Parameter mode下對(duì)扭矩信號(hào)源重新設(shè)置，具體設(shè)置見(jiàn)表4，其他參數(shù)均保持不變。

表4　扭矩信號(hào)源參數(shù)設(shè)置

重新切換到simulation mode，運(yùn)行set the run parameters圖標(biāo)，運(yùn)行仿真并繪制液壓馬達(dá)的扭矩和轉(zhuǎn)速特性曲線見(jiàn)圖9、10。

圖9　提升齒輪失效后馬達(dá)扭矩

圖10　提升齒輪失效后馬達(dá)轉(zhuǎn)速

由圖9與圖10的對(duì)比分析可知，提升齒輪失效前，7個(gè)液壓馬達(dá)運(yùn)行正常，且同步性表現(xiàn)良好；驅(qū)動(dòng)失效發(fā)生時(shí)，失效端液壓馬達(dá)的扭矩→0，其他 6個(gè)液壓馬達(dá)扭矩增大，并且失效瞬間，扭矩波動(dòng)十分劇烈，同樣持續(xù)時(shí)間較短，馬達(dá)的性能不受影響。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)負(fù)荷的總能力保持不變，可以滿足平臺(tái)應(yīng)急情況下完成升降操作的需求。

由圖10分析得，發(fā)生齒輪失效后，馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度由正常工況下的178.49r/min下降到86.34r/min。在單只提升齒輪失效情況下，平臺(tái)升降速度減小非常明顯，但能夠繼續(xù)控制平臺(tái)升降，使平臺(tái)升降到安全位置，再進(jìn)行安全檢修。

4.5 仿真結(jié)果對(duì)比

液壓升降系統(tǒng)馬達(dá)仿真結(jié)果見(jiàn)表 5，仿真結(jié)果對(duì)平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析以及參數(shù)優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。

表5　液壓馬達(dá)的仿真結(jié)果

5　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)90m海上平臺(tái)的液壓升降系統(tǒng)，使用AMEsim軟件對(duì)其進(jìn)行了建模，對(duì)多個(gè)升降工況進(jìn)行了仿真分析，得出如下結(jié)論：

1） 使用AMEsim軟件能夠模擬和仿真海上平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)提升齒輪失效和帶荷載的應(yīng)急升降工況，并且能夠直觀反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；

2） 只要參數(shù)設(shè)置合理，系統(tǒng)運(yùn)行能安全平穩(wěn)，液壓系統(tǒng)馬達(dá)輸出的扭矩、轉(zhuǎn)速都會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，且同步性表現(xiàn)良好；

3） 馬達(dá)的輸出量在啟動(dòng)和換向過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，但持續(xù)時(shí)間短，不影響其使用性能；

4） 在單只提升齒輪失效工況和帶荷載升降工況下，液壓系統(tǒng)仍運(yùn)行穩(wěn)定，平臺(tái)能夠完成應(yīng)急升降的任務(wù)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。同時(shí)，仿真分析有利于保障海上平臺(tái)升降系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)作。

［1］ 羅宏志，蒙占彬. 國(guó)內(nèi)深水自升式鉆井平臺(tái)發(fā)展概況［J］. 中國(guó)海洋平臺(tái)，2010，25 （4）: 4-7.

［2］ 傅?；? “港海一”號(hào)自升式鉆井平臺(tái)升樁機(jī)構(gòu)控制臺(tái)系統(tǒng)［J］. 船舶，2012 （2）: 52-55.

［3］ 齊繼陽(yáng)，竺長(zhǎng)安. 制造系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀和未來(lái)［J］. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，24 （1）: 56-59.

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［7］ 孫永泰. 自升式海洋平臺(tái)齒輪齒條升降系統(tǒng)的研究［J］. 石油機(jī)械，2004，32 （10）: 23-27.

Simulation and Analysis of 90m Jack-up Platform Hydraulic Jacking System

JIN Huo-ran1，2，LI De-tang1，2，HU Xing-chen1，2，WEI Zhuo1，2，YANG Zun-rui1，2
（1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan，Zhejiang 316022；2. Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province，Zhoushan，Zhejiang 316022）

AMEsim software is used in the modeling of the 90m jack-up platform hydraulic jacking system. With the specified simulation signals，the rated jacking，the pre-loading and the lifting gear failure conditions are simulated to ensure the safety of the platform，where emphasis is laid on the analysis of the motor performance in the hydraulic system. The simulation results show that the hydraulic system can maintain safe and stable operation，and all the motor performance can meet the requirements with enough torque and revolution in case the pre-loading and the single lifting gear fails，so it is able to safely and reliably driving the lifting gears in synchronized motion，making the platform or legs work，and thus validating the design rationality of the system.

offshore platform； AMEsim； hydraulic lift； lifting gear failure； pre-loading

U674.38+1

A

2095-4069 （2016） 03-0010-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.03.002

2015-07-28

2014年國(guó)家海洋經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展區(qū)域示范項(xiàng)目；舟山市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014C41013）

金豁然，男，碩士研究生，1990年生。研究方向?yàn)橐簤汉痛芭c海洋工程。