基于AMESim的90 m自升式海洋平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)平衡回路的仿真分析

魏 卓，李德堂，胡星辰，金豁然，呂 沁，唐文濤

（浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，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）

基于AMESim的90 m自升式海洋平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)平衡回路的仿真分析

魏 卓，李德堂，胡星辰，金豁然，呂 沁，唐文濤

（浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，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）

針對(duì)自升式海洋平臺(tái)的液壓升級(jí)系統(tǒng)在升降過程中會(huì)出現(xiàn)的，因平衡回路故障導(dǎo)致樁腿超速失鎖下滑，平臺(tái)受到很大沖擊穩(wěn)定性被破壞甚至傾覆的現(xiàn)象，本文根據(jù)90 m自升式海洋平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，利用amesim仿真軟件建立了液壓平衡回路的仿真模型，通過給定模擬信號(hào)，對(duì)平臺(tái)升降時(shí)不同負(fù)載狀態(tài)下平衡回路的穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真分析，并與一般的單向順序閥平衡回路進(jìn)行了比較，得出平衡回路反應(yīng)迅速，能夠保證升降系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，且對(duì)回路的沖擊有緩沖穩(wěn)定的作用。對(duì)平衡回路的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有一定的參考價(jià)值。

海洋平臺(tái)；AMESim；平衡回路；順序閥

90 m海洋平臺(tái)的升降系統(tǒng)有舉重上行、承載靜止和負(fù)載下降三個(gè)基本工況，平衡回路主要在承載靜止和負(fù)載下降階段起作用。因此，平衡回路需要滿足在靜止時(shí)保證系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)被鎖緊，在下降時(shí)避免其超速下降，使速度穩(wěn)定可控。平衡回路也是一種特殊的鎖緊回路，高速重載且對(duì)速度穩(wěn)定性有一定要求的系統(tǒng)，一定要采用平衡閥作為閉鎖元件使用，不能為了追求低成本而采用雙向液壓鎖[3]。若平衡回路故障，升降系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)由于自重而自行下落，或者負(fù)載下降時(shí)超速失鎖，對(duì)系統(tǒng)造成極大的沖擊和振動(dòng)，極大的影響平臺(tái)的工作質(zhì)量和安全[4]。因此，對(duì)于液壓升降系統(tǒng)平衡回路的仿真分析很有必要。

1 升降系統(tǒng)組成和工作原理

本文升降系統(tǒng)的仿真分析基于90 m海洋工程平臺(tái)工程項(xiàng)目。90 m動(dòng)力定位自升式海洋工程平臺(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5～60 m水深的海域作業(yè)。平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖1所示。

圖1 90 m自升式海洋平臺(tái)Fig.1 90 m jack up offshore platform

90 m海洋平臺(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)爬升裝置，通過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)小齒輪，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)小齒輪同步動(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)見表1。

表1 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of the system

90 m動(dòng)力定位自升式海洋平臺(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，工作原理如圖2所示。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)行過程：閥7、閥8通過電磁開啟，此時(shí)液壓油經(jīng)單向定量泵打出，通過閥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汽油的勘探工作。

圖2 液壓升降系統(tǒng)原理圖Fig.2 Hydraulic lifting system schematic

2 AMESim的仿真模型建立

AMESim為多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)。用戶可以在這個(gè)單一平臺(tái)上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析，也可以在這個(gè)平臺(tái)上研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。AMESim處于不斷的快速發(fā)展中，現(xiàn)有的應(yīng)用庫(kù)有：機(jī)械庫(kù)、信號(hào)控制庫(kù)、液壓庫(kù)（包括管道模型）、液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)（HCD）、動(dòng)力傳動(dòng)庫(kù)、液阻庫(kù)、注油庫(kù)（如潤(rùn)滑系統(tǒng)）、氣動(dòng)庫(kù)（包括管道模型）、電磁庫(kù)、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)庫(kù)、冷卻系統(tǒng)庫(kù)、熱庫(kù)、熱液壓庫(kù)（包括管道模型）、熱氣動(dòng)庫(kù)、熱液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)（THCD）、二相庫(kù)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)庫(kù)[5-6]。

按照液壓升降系統(tǒng)的原理圖（圖2），利用仿真軟件AMESim建立液壓升降系統(tǒng)的仿真回路[7]，其主要由液壓應(yīng)用庫(kù)中的HYD庫(kù)中的液壓元件模型塊組成，如圖3所示。其仿真參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 系統(tǒng)仿真參數(shù)的設(shè)置Tab.2 System simulation parameters setting

圖3 液壓回路的仿真模型Fig.3 Simulation model of hydraulic circuit

圖3中5號(hào)馬達(dá)油路為內(nèi)外控結(jié)合單向順序閥的平衡回路，與其他一般單向順序閥的平衡回路作對(duì)比。

3 仿真結(jié)果的分析

利用AMESim軟件仿真分析的結(jié)果如圖4～8所示。由圖4～7分析可知：

（1）分析液壓馬達(dá)輸出端的扭矩，可知內(nèi)外控結(jié)合單向順序閥的平衡回路的扭矩曲線初始時(shí)波動(dòng)相對(duì)較小，扭矩更加穩(wěn)定。兩者的扭矩曲線都比較穩(wěn)定，在加載后的0.6 s左右就能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)回路的沖擊反應(yīng)迅速，且能起到很好的穩(wěn)定作用。

（2）分析液壓馬達(dá)軸的旋轉(zhuǎn)加速度，可知在初始階段，內(nèi)外控單向順序閥的平衡回路的加速度曲線更加平穩(wěn)，其他時(shí)刻兩者基本一致。

（3）分析液壓馬達(dá)的輸出流量速率，可知一般單向順序閥的輸出流量波動(dòng)較大，而內(nèi)外控順序閥的波動(dòng)很小，相對(duì)更加穩(wěn)定。

圖4 扭矩的信號(hào)源Fig.4 Torque signal source

圖5 液壓馬達(dá)輸出端的扭矩Fig.5 Torque at the output end of the hydraulic motor

圖6 液壓馬達(dá)軸的旋轉(zhuǎn)加速度Fig.6 Rotary acceleration of hydraulic motor shaft

圖7 液壓馬達(dá)的輸出流量速率Fig.7 Output flow rate of hydraulic motor

由圖8可知，負(fù)載變化時(shí)兩種回路的扭矩曲線波動(dòng)都比較穩(wěn)定，內(nèi)外控結(jié)合單向順序閥的平衡回路相對(duì)波動(dòng)更加平緩，應(yīng)對(duì)平臺(tái)的沖擊有更好的緩沖作用。

圖8 負(fù)載變化時(shí)兩種回路的扭矩曲線Fig.8 Torque curve of two kinds of loops when load changes

4 結(jié)論

文章介紹了90 m自升式海洋平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，利用AMESim仿真軟件建立了液壓平衡回路的仿真模型。通過仿真分析得出：相比一般的單向順序閥平衡回路，該液壓升降系統(tǒng)的內(nèi)外控結(jié)合單向閥的平衡回路反應(yīng)迅速，能夠保證升降系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，且對(duì)回路的沖擊有緩沖穩(wěn)定的作用。其結(jié)果對(duì)于海洋平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)平衡回路的優(yōu)化起到較好的參考作用。

[1]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):23-26.

[2]吳振芳，厲 軍.平衡閥和雙向液壓鎖的正確選用[J].建筑機(jī)械，2007(13):89-90.

[3]孫永泰.海洋平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)仿真研究[J].海洋工程,2008,26(1):93-97.

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

[5]蘇秀平.液壓平衡回路的發(fā)展與應(yīng)用[J].礦山機(jī)械,2010(20):49-53.

[6]付永領(lǐng),齊海濤.AMESim系統(tǒng)建模和仿真實(shí)例教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011．

[7]苑兆騰,郭津津,陳盼盼,等.基于AMESim的螺紋插裝式平衡閥動(dòng)態(tài)特征的仿真分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2007(9):53-57.

The Simulation and Analysis of the Counterbalance Circuit of 90 m Offshore Platform Hydraulic Lifting System based on AMESim

WEI Zhuo,LI De-tang,HU Xing-chen,et al
(School of Naval Architecture and Mechanical-Electrical Engineering of Zhejiang Ocean University,Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province,Zhoushan 316022)

This paper introduces the structure principle of the hydraulic lift system of the 90 m jack up offshore platform,the simulation model of hydraulic balance circuit is established through AMESim simulation software.Through the simulation of the signal is given,the stability of the equilibrium loop of the platform is simulated.Then analysis it and compare with the general one way valve counterbalance circuit.Simulation results show that:the reaction is quick,and it can ensure the safe and stable operation of the lifting system.It has certain reference value for the design and optimization of the balance circuit.

offshore platform;AMESim;the counterbalance circuit;one-way sequence valve

U674.381

A

1008-830X(2016)04-0342-04

2016-05-03

國(guó)家海洋經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展區(qū)域示范項(xiàng)目財(cái)建（[2013]710號(hào)）；舟山市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014C41013）；浙江省自然科學(xué)基金（LY14E090003；Y5100180）

魏卓（1992-），男，湖北天門人，碩士研究生，研究方向：船舶與海洋工程及海洋新能源開發(fā).E-mail:645049818@qq.com

李德堂（1965-），男，山東萊州人，教授級(jí)高級(jí)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