海上齒輪齒條閉式液壓升降系統(tǒng)設(shè)計與仿真

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)重點實驗室，浙江舟山　316022）

海上齒輪齒條閉式液壓升降系統(tǒng)設(shè)計與仿真

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)重點實驗室，浙江舟山316022）

升降系統(tǒng)作為自升式海洋平臺的核心部分，幾乎被國外廠家壟斷，嚴(yán)重制約著我國海洋油氣的規(guī)模開發(fā)。為擺脫國外技術(shù)的束縛，文中基于90m自升式海洋平臺的開式液壓升降系統(tǒng)，設(shè)計了一套國內(nèi)空缺的齒輪齒條閉式液壓升降系統(tǒng)，給出該升降系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用AMESim軟件對系統(tǒng)的升船工況進(jìn)行仿真分析。數(shù)學(xué)模型與仿真結(jié)果表明：該閉式液壓升降系統(tǒng)的操作性能和提升能力滿足設(shè)計要求，系統(tǒng)運行安全平穩(wěn)，從而驗證了該系統(tǒng)設(shè)計合理性。

海洋平臺；液壓升降；閉式系統(tǒng)設(shè)計；齒輪齒條；AMEsim

自升式平臺是一種海上活動式鉆井裝備，目前是我國海洋油氣勘探中使用最多的一種平臺，由于其作業(yè)穩(wěn)定性好和定位能力強，在大陸架海域的油氣開發(fā)中占據(jù)及其重要的地位［1］。在自升式平臺中，升降系統(tǒng)是拖航、預(yù)壓載、鉆井和風(fēng)暴自存等工況下，保證平臺安全最為重要的部分，其設(shè)計對平臺的升降安全和造價高低起著至關(guān)重要的作用［2］。一旦出現(xiàn)問題，會直接影響到海上鉆探任務(wù)的完成［3］。升降系統(tǒng)影響到海洋油氣資源開發(fā)，是國家能源穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)安全的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。在自升式平臺的建造成本中，升降系統(tǒng)約占平臺總價的30%，由于技術(shù)瓶頸，致使很難實現(xiàn)整體平臺的總包，國內(nèi)相關(guān)建造單位只能承擔(dān)船體建造、設(shè)備的安裝等工作，因此利潤相當(dāng)有限。我國在海洋平臺升降系統(tǒng)的研究起步較晚，到目前為止也基本很少見有國產(chǎn)品牌。上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司自主研發(fā)了插銷式液壓升降系統(tǒng)，該系統(tǒng)升降能力和同步性較好，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平［4］。武漢船用機械有限公司自主研發(fā)了齒輪齒條式液壓升降系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用開式循環(huán)方式，已實際應(yīng)用到多條自升式海洋平臺中。值得注意的是齒輪齒條閉式液壓升降系統(tǒng)，國產(chǎn)品牌尚未出現(xiàn)。閉式系統(tǒng)具有效率高、油箱容積小，結(jié)構(gòu)緊湊等特點，適用于外負(fù)載慣性較大的機構(gòu)。由于自升式海洋平臺須嚴(yán)格控制船重和提升能力，目前多數(shù)國外公司在海上自升式平臺上基本都采用閉式系統(tǒng)，所以對閉式液壓升降系統(tǒng)研究的重要性不言而喻。

液壓升降系統(tǒng)最常用的可分為兩類：齒輪齒條式和液壓油缸頂升式［5］。齒輪齒條式升降速度快，可連續(xù)升降，能夠?qū)崿F(xiàn)無級變速；控制簡單，操作性能良好，可直接依靠齒輪齒條微動將平臺調(diào)平，適用于移動比較頻繁的平臺［6］。鑒于上述優(yōu)點，本文針對齒輪齒條式液壓升降系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。

1　90m自升式海洋平臺簡介及升降系統(tǒng)

90m自升式海洋工程平臺是一艘液壓齒輪齒條升降的四樁腿自升式作業(yè)平臺，鋼質(zhì)自航，主要由平臺主體、樁腿、升降系統(tǒng)三大部分組成。平臺的主要任務(wù)是對水深5～60m范圍內(nèi)的油、氣、水井進(jìn)行修井作業(yè)。90m動力定位自升式海洋工程平臺3D效果如圖1所示。

平臺采用電動開式液壓升降系統(tǒng)，使用齒輪齒條升降方式。每條樁腿有一個固樁架來連接船體與樁腿，每個固樁架內(nèi)有兩個安裝架，樁腿左、右對稱各布置各一個，單個安裝架上豎直排列有7個液壓升降單元，單樁共14個。每個液壓升降單元由平衡閥組、液壓馬達(dá)、減速器和制動器等組成。液壓升降單元外形如圖2所示，升降能力見表1。

圖1　90m自升式海洋工程平臺3D模型Fig.1　The three-dimensional model of 90 meters jack-up offshoreplatform

圖2　液壓升降單元Fig.2　The hydraulic lifting unit

表1　液壓升降單元的能力Tab.1　The parameters of the hydraulic lifting unit

2　閉式液壓升降系統(tǒng)設(shè)計

液壓泵站系統(tǒng)如圖3所示：

設(shè)計采用閉式液壓系統(tǒng)，油箱容積小，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于外負(fù)載慣性較大的機構(gòu)。系統(tǒng)主要由主電機、雙向變量斜盤式泵、補油泵、制動泵、各類閥組、液壓升降單元等組成。通過操縱主泵的變量機構(gòu)，改變斜盤擺動的角度和方向，來變換系統(tǒng)液壓油的流量和流向，實現(xiàn)液壓馬達(dá)變速和正反旋轉(zhuǎn)。斜盤擺角可為零，使泵的排量輸出為零，無流量輸出，這樣可以減少空載時的功率損耗和液壓系統(tǒng)發(fā)熱，降低能耗。

液壓升降單元系統(tǒng)如圖4所示：

液壓升降單元采用低速大扭矩液壓馬達(dá)，拖動減速器經(jīng)爬升齒輪輸出更大扭矩，支撐住整個平臺主體。在平臺重力作用下，馬達(dá)會不斷漏油，一旦液壓馬達(dá)至平衡閥組的油液漏空，此時平衡閥組失去鎖緊功能，可能發(fā)生無法控制的“滑樁”現(xiàn)象，造成嚴(yán)重的后果［7］。為避免此類情況發(fā)生，系統(tǒng)中設(shè)計了制動器和樁腿控制閥組，與平衡閥組一起形成“平臺的三重保護(hù)”，保證平臺安全。制動油路單獨設(shè)計，由制動電機泵組提供動力，減少制動器受其它油路的干擾。主升降回路中設(shè)有樁腿控制閥組，能夠迅速阻斷油路，避免因制動器、平衡閥組出現(xiàn)故障而導(dǎo)致船體或樁腿異常下降，同時，當(dāng)液壓升降單元鎖緊力不足時，也可代替升降單元提供鎖緊力，使船體和樁腿間不產(chǎn)生相對位移。

圖3　泵站系統(tǒng)圖Fig.3　The system drawing of the pump station

圖4　液壓升降單元系統(tǒng)圖Fig.4　The system drawing of the hydraulic lifting unit

3　數(shù)學(xué)模型

額定和預(yù)壓載工況下單只爬升齒輪的爬升能力分別為100 t和140 t，齒輪的分度圓半徑r為0.246m，減速器減速比i為318，減速器機械效率η為90%，則額定工況和預(yù)壓載工況時，單只液壓馬達(dá)的最大所需輸出扭矩用公式（1）給出，即：

將參數(shù)帶入式（1）得：額定工況T1=856 Nm，預(yù)壓載工況T2=1 198 Nm

液壓馬達(dá)的排量須以馬達(dá)要求的最大輸出扭矩計算，分析工況可知，預(yù)壓載時，液壓馬達(dá)的輸出扭矩最大，單只液壓馬達(dá)的排量用公式（2）給出，即：

式（2）中P為初選工作壓力，為25 MPa；ηv為液壓馬達(dá)容積效率，為98%；ηm為馬達(dá)機械效率，為92%。參數(shù)帶入式（2）得：單只液壓馬達(dá)的排量Vm=334 ml/r，則液壓馬達(dá)選型參數(shù)為Va=347 ml/r

額定和預(yù)壓載工況下，升降系統(tǒng)主回路的壓力由公式（3）給出，即：

將參數(shù)帶入式（3）中得：額定升船工況時系統(tǒng)的工作壓力P1=16.8 MPa。

額定工況下液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速用公式（4）給出，即：

式（4）中，θ是船體升降的最大速度，為0.5m/min，帶入?yún)?shù)得：單只馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為U=102.9 r/min。

每個液壓馬達(dá)所需的流量用公式（5）給出，即：

將參數(shù)帶入式（5）中得：每個液壓馬達(dá)所需的流量Qm=36.4 L/min。

圖5　升降系統(tǒng)液壓部分仿真模型Fig.5　The simulation model of the hydraulic lifting system

4　液壓仿真及結(jié)果分析

4.1仿真模型建立

文中使用AMESim進(jìn)行液壓系統(tǒng)的仿真分析。在AMESim環(huán)境中，系統(tǒng)中自帶庫、號控制庫、機械庫，啟動Sketch模式，進(jìn)行液壓系統(tǒng)的建模，建模過程中可以忽略系統(tǒng)管道的影響［8］，仿真模型如圖5所示。

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)建模錯誤，或者回路沒有完成，則系統(tǒng)不能進(jìn)入Submodel mode［9］。

元件參數(shù)的選擇十分關(guān)鍵，參數(shù)選擇合適如否直接關(guān)系到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，甚至?xí)霈F(xiàn)仿真過程中斷的可能［10］。參考上圖仿真模型中的元件，其參數(shù)設(shè)置如表所示。表格中沒有提到的元件參數(shù)保持默認(rèn)值。

表2　系統(tǒng)仿真參數(shù)的設(shè)置Tab.2　The parameter choice of the system simulation

模型中利用液壓元件質(zhì)量塊模擬單樁所承受的重量，施加在14個液壓升降單元的爬升齒輪上，來仿真真實升降工況。參數(shù)設(shè)置完成后，進(jìn)入Simulation模式，對液壓升降系統(tǒng)進(jìn)行時域分析，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性與合理性.設(shè)置仿真時長為10 s，時間間隔0.01 s，啟動Start a simulation開始液壓仿真。

圖6　主液壓泵模型及性能曲線Fig.6　The model and performance curve of the main hydraulic pump

4.2仿真結(jié)果分析

升降系統(tǒng)主泵參數(shù)如下：排量：280 mL/r，額定壓力：250 bar；補油泵排量：44 mL/r，補油壓力20 bar最終仿真所建立的液壓泵模型及性能曲線如圖6所示。

額定升船工況，液壓升降系統(tǒng)升船控制過程如圖7所示。

升船過程：0 s時樁腿制動閥組得電開啟，主回路達(dá)到設(shè)定值時壓力繼電器發(fā)訊，平衡閥組開啟；2 s時制動閥組得電，制動回路達(dá)到設(shè)定值時壓力繼電器發(fā)訊，制動器開啟；3 s時操作手柄輸出動力，實現(xiàn)無極變速，4 s時達(dá)到額定升船速度；6～9 s時操作手柄自動復(fù)位，9 s時泵控制信號減小至0，工程船停止。

因14個液壓升降單元是并聯(lián)在主回路中，正常運行時，且為鋼性同步，各個升降單元的性能參數(shù)相同，對仿真模型中液壓升降單元2進(jìn)行分析，提取仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖可以看出：在手柄操作前期，系統(tǒng)出現(xiàn)了波動，但是波動時間極短，很快就達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，對系統(tǒng)的影響可以忽略。液壓馬達(dá)高、底壓側(cè)的壓力分別為149.16 bar和9.945 46 bar；馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為101.985 r/min；馬達(dá)的輸出扭矩為768.839 Nm，減速機的輸出扭矩為244 983 Nm，制動器的扭矩為0 Nm（處于開啟狀態(tài)）；減速機的轉(zhuǎn)速為0.321 r/ min，工程船的運行速度為0.008 390 1m/s，此時工程船的升船速度換算結(jié)果為0.503m/min，達(dá)到設(shè)計要求。仿真過程中未考慮能量損失和容積效率的影響，因此仿真結(jié)果與數(shù)學(xué)模型計算出現(xiàn)了一定的偏差，偏差較小，不影響仿真對整個系統(tǒng)設(shè)計原理的驗證。

圖7　升船控制過程Fig.7　The controlling process of jackup the platform

圖8　仿真特性曲線Fig.8　The simulation performance curve of the hydraulic lifting unit 2

5　結(jié)束語

利用AMESim成功仿真了設(shè)計的閉式液壓升降系統(tǒng)，從模型中直接提取了額定升船工況時系統(tǒng)的運行特性曲線，仿真結(jié)果和數(shù)學(xué)模型驗證了該液壓升降系統(tǒng)原理的可行性。本文針對齒輪齒條閉式液壓升降系統(tǒng)的研究，可推廣到其它自升式海洋平臺，為海洋平臺閉式液壓升降系統(tǒng)的研究和優(yōu)化提供幫助，具有一定的應(yīng)用價值。

文章只對升船工況進(jìn)行了仿真分析，預(yù)壓載、升樁工況只需重新設(shè)置質(zhì)量塊的大小，即可進(jìn)行仿真模擬，在這里不作陳述。降船、降樁工況時船體或樁腿的重力勢能會轉(zhuǎn)變成主電機泵組向電網(wǎng)反饋的電能，此處的仿真模型需要進(jìn)一步研究。

在接下來的研究中，將建立一個實物模型，檢驗液壓升降系統(tǒng)的液壓原理和電氣控制原理，對運行參數(shù)進(jìn)行測試，進(jìn)一步驗證該液壓升降系統(tǒng)設(shè)計的合理性和安全性，為此系統(tǒng)的應(yīng)用積累數(shù)據(jù)。

［1］汪張?zhí)?，趙建亭.我國自升式鉆井平臺的發(fā)展與前景［J］.中國海洋平臺，2008，23（4）：8-13.

［2］孟祥偉.自升式平臺支撐升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

［3］尹慧敏.對國外進(jìn)口海上平臺液壓升降系統(tǒng)維修及更換的初步探討［J］.裝備制造技術(shù)，2014（10）：31-33.

［4］國船.振華重工完成國內(nèi)最先進(jìn)液壓升降系統(tǒng)試驗［J］.軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2015（19）：32.

［5］孫東昌，潘斌.海洋自升式移動平臺設(shè)計與研究［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2008.

［6］郭洪升.“中油海5”自升式鉆井平臺總體研究設(shè)計［J］.船舶，2009（3）：1-5.

［7］蔡文彥，詹永麒.液壓傳動系統(tǒng)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1990.

［8］劉緒儒，黃連忠，林煜翔.基于AMESim船舶風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真分析［J］.液壓氣動與密封，2013，33（4）：30-34.

［9］惠紀(jì)莊，紀(jì)真，鄒亞科.基于AMESim的鉆井泵液壓系統(tǒng)動態(tài)特性仿真［J］.石油機械，2009，37（8）：21-23；47.

［10］孫永泰.自升式海洋平臺齒輪齒條升降系統(tǒng)的研究［J］.石油機械，2004，32（10）：23-26.

Design and Simulation of Gear Rack Type Closed Hydraulic Lifting System at Sea

JIN Huo-ran1，2，LI De-tang1，2，HU Xing-chen1，2，et al
（1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022；2.Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province，Zhoushan316022，China）

As the core part of the jack-up platform，the lifting system is almost monopolized by foreign manufacturers，seriously restricts the ocean oil and gas exploration in China.To favor domestic offshore platform hydraulic lifting system of research and development，this paper is based on 90 meters jack-up offshore platform，a closed hydraulic lifting system，not at home，is designed.This paper analysis lifting-up ship condition，gives mathematical model of the platform of closed hydraulic lifting system，and applies AMESim software to simulate the hydraulic lifting system.The mathematical model and simulation results show that the hoisting capacity and stability of operation of the hydraulic lifting system meet the demand of design principle，system runs safety and smooth，it has verified the rationality of the design of the system.

offshore platform；hydraulic lifting；closed system；gear and rack；AMEsim

U674.381

A

1008-830X（2016）02-0160-05

2016-01-10

國家海洋經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展區(qū)域示范項目財建（［2013］710號）；浙江省自然科學(xué)基金（LY14E090003；Y5100180）；舟山市科技計劃項目（2014C41013）

金豁然（1990-），男，湖北荊州人，碩士研究生，研究方向：液壓和船舶與海洋工程.E-mail：904671293@qq.com

李德堂（1965-），男，山東萊州人，教授級高級工程師，研究方向：船舶與海洋工程及海洋新能源開發(fā).E-mail：Lidetang2008@163.com