天车升沉补偿装置数值模拟仿真

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中图分 类号 ：TH137 文献标 志码 ：A doi：10.3969/j.isn.1005-7854.2013.03.025NUMERICAL SIMULAT10N OF THE CR0WN.BLOCK HEAVECOMPENSAT10N DEVICEQ u Ying-feng ZHANG Yan-ting MA Jiang.tao LV Qiu-yun(1.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beqing 1 00 1 60，China；2.Colege of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，Shandong，China)ABSTRACT：A mathematical model is established by the Solidworks and Adams software system in order to deter。

mine the technical parameters of crown·block heave compensation deviceS key components. The crown-blockheave compensation device is simulated dynamically.The motion characteristics of crown-block，rocker arm ，andcompensation cylinder are analyzed and the correctness of heave compensation device model is verified.The keycompensation efficiency factors of the passive，semi-active heave compensation model are analyzed. The studyshows that the compensation efficiency of semi·active heave compensation model is beter than passive compensationmode1.The heave compensation device efficiency increases with increasing wave amplitude and volume of accumu-lator。

KEY W ORDS：compensating cylinder；heave compensation；compensation eficiency；crown-block；Adams由于海浪作用 ，钻井船在深海钻井作业时会产生升沉 、艏摇 、横摇 、纵摇 、横荡 、纵荡六个 自由度的运动 ，为了保证正常的钻井作业，防止升沉运动对钻压的稳定性产生不利影响、降低效率与恶劣海况下造成的事故，需要在浮式钻井船上配备-套升收稿 日期 ：2013-03-22基金项目：国家 自然科学基金资助项目(50875262)作者简介：渠迎锋，硕士，助理工程师。

升沉补偿装置有天车升沉补偿装置、钢丝绳升沉补偿装置、游车大钩升沉补偿装置与绞车升沉补偿装置等多种形式 。天车升沉补偿装置具有占用空间孝补偿率高等优点，得到了广泛应用 。

本文根据天车升沉补偿装置的工作原理，基于Solidworks软件与 Adams软件 ，建立 了天 车升沉补偿装置的三维模型，对天车升沉补偿装置的模型进矿 冶行了动力模型分析。通过仿真分析得到了天车升沉补偿装置模型的补偿效率与其影响因素之问的关系 ，为天车升沉补偿 系统的设计开发提供 了重要的技术支持。

1 天车升沉补偿装置工作原理天车升沉 补偿 装置主要 由天车 、游车 、亿装置、补偿液压缸系统、钢丝绳系统等组成，当浮式钻井船随海浪 由最低 临界位置 向最高 临界位 置运动时 ，天车沿着天车轨道向下运动，补偿缸 回缩 ，蓄能器体积减小，气压增大，储存能量。当浮式钻井船随海浪由最高临界位置 向最低 临界位置运动时 ，与天车随海浪上升过程正好相反。亿装置-端与井架相连 ，另-端与天车相连，亿装置随着天车上下运动而来 回亿 ，减少了钢丝绳的缠绕次数 ，提高 了钢丝绳的寿命。

2 被动天车补偿装置仿真分析2.1 软件介绍目前 Adams软件是 虚拟样机分析软件 中应用最广泛 的软件之- ，涉及到计算方法、软件工程 、复杂系统的运动、动力学关系等多门学科 ，用数字化模型代替实物样机实验。通过建立系统 的模 型，利用先进的求解方法分析系统的工作性能与动态特性，及时发现设计缺陷 ，为设计工作提供理论依据。

在 Adams软件 中，可对模 型进 行编辑、添加 约束、计算、运动与动力分析、参数化设计、液压传动、控制系统等功能。本文运用 Adams的运动 与动力学分析、液压传动 、仿 真计 算功能对模型 的运 动状态 、力学分析、补偿效果等方面进行 了分析 。

2.2 被动模型的建立基于 Solidworks软件、Adams软件，根据被动补偿系统的工作原理 ，建立模型如图 1所示。天车、摇臂上臂 、摇臂下臂 、天车滑轮 、摇臂摆轮 、井架 、补偿液压缸 、钻柱钻压、参照标尺 、系统载荷等组成 了补偿系统模型。

在 Adams软件中，基于基本的节流孔模型建立了元件流量模型，节流孑L模型是-个分段 的流量模型，为了平滑的过渡紊流与层流区域，紊流模型-般应用于压力较高的状态 ，式 (1)的经验公式适用于临界压力状态以下 。

1q G(P -Pz) ( )式中：q为流量；P。、P 分别为节流阀进口油压、出口天系统负载钻压弹簧图 1 天车升沉补偿装 置模型Fig.1 Crown block heave compensation device model油压；R为液阻；G为液导。

从式 1中可看出，模型的主要特点足线性化 ，建立液压模型时只需输入必要的参数即可。被动型天车升沉补偿装置的 2个补偿缸无杆腔直接与蓄能器连接，当补偿缸活塞杆随天车向下运动过程 中，补偿缸无杆腔体积减小，蓄能器气体部分体积减小，储存能量 ；当补偿缸活塞杆随天车向运动过程 中，补偿缸无杆腔体积增大 ，蓄能器气体部分体积增大 ，释放能量。被动补偿模型液压系统简图如图2所示。

图 2 被动补偿液压 系统简 图Fig.2 Schematic ilustration of the passivecompensation hydraulic system2.3 被动模型仿真分析2.3.1 被动模型补偿效率分析船体位移曲线参数幅值 A为 3.81 m、周期 t为12 S，模型中天车起始位置为平衡位置 ，补偿缸蓄能器体积为 15 m ，蓄能器在天车起始位置时压力为17 MPa，模型补偿效率如图 3所示。

由图 3可得 出，当船体沿着正弦函数向上运动时，天车沿着井架向下运动；当船体沿着正弦函数向下运动时 ，天车沿着井架向上运动；当两个摇臂夹角正好为 90。时，天车受钢丝绳的力为 0 N，大钩位移曲线经过补偿作用后 ，出现 了曲线的波动现象。经过补偿后游车大钩位移曲线的幅值呈现明显下降趋渠迎锋等：天车升沉补偿装置数值模拟仿真431。

，//、.// 、、、√/ 7时I司/图 3 被 动升沉补偿效 果Fig.3 Passive heave compensation effect势，大钩位移曲线的最高点为 1.2797 m、最低点为- 1.2553 m，此时，模型的补偿效率为 7 。

，ASl，1.2797 1.2553l - -AS2-m ax- - 66.732% (2)式中，叼 为天车升沉补偿装置的补偿效率，AS。

为补偿后大钩 的最大位 移，AS 为船体 的最大升沉位移 。

2.3.2 被动模型的补偿效率与海浪幅值 的关系根据上述方 法，将 海浪 幅值 分别 设置 为 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 m 时，可 以得 到不同海浪幅值时的补偿效率关系曲线，当海浪位移曲线幅值从 0.5 m至3.81 m增大过程中，补偿后大钩的位移逐渐增大，被动天车升沉补偿装置的补偿效率与海浪幅值的关系曲线如图4所示。

解越副拇浪I瞒值 A/m图 4 被动模型 补偿 效率与海浪幅值的关 系曲线Fig，4 Relationship curve of passive model betweencompensation efficiency and wave amplitude从图4中海浪幅值与模型补偿效率之间的关系曲线可以看出，随着海浪幅值的增大，模型的补偿效率逐渐增大，当海浪的幅值增大到3 m时，随着幅值的增大，补偿效率曲线趋近-条直线，模型补偿效率几乎不在增大，海浪幅值在-定范围内直接影响模型的补偿效率。

2.3.3 被动模型的补偿效率与蓄能器体积的关系在被动升沉补偿系统中，蓄能器的体积是直接影响模型补偿效率的重要参数之-，为了分析蓄能器的体积与模型的补偿效率之间的关系，在被动天车升沉补偿装置模型的液压系统中分别将蓄能器的体积设置为 10、12.5、15、17.5、20 、22.5、25 m ，可以得出不同的蓄能器体积对应的补偿后模型的大钩位移 曲线及补偿率的关系曲线 。

补偿缸蓄能器的体积增大时，补偿后大钩位移曲线的滞后现象得到改善，说明蓄能器体积对其工作性能的影响比较明显。随着蓄能器体积的不断增大 ，补偿后模型的大钩位移得到了-定程度的改善 ，但是，由于海洋平台的空间是有限的，无限的增大蓄能器的体积是不现实的，因此，选择合适的蓄能器体积是非常关键的。补偿缸蓄能器的体积与模型补偿效率之间的关系曲线如图5所示。

斛裁趟副翻5蓄能器体积 V/m0图 5 补偿 缸蓄能器体积 与被 动模型补偿效率 的关 系曲线Fig，.5 Relationship curve of passive modelbetween efficiency and Compensatingcylinder accumulator volume由图 5可以看 出，随着补偿缸蓄能器体积 的增大，系统的补偿效率逐渐增大；补偿缸蓄能器体积的增大与补偿效率之间并不是比例关系，两者的关系为上升的曲线，当补偿缸蓄能器的体积增大到-定程度时，系统补偿效率曲线 的斜率逐渐变校综合考虑海洋平台的空间、系统的补偿效率 、经济成本等因素，-般取蓄能器体积为 15 m 。

3 半主动天车补偿装置仿真分析3.1 半主动天车补偿装置模型建立由于被动补偿装置存在补偿效率低、补偿精度低且存在滞后的现象，主动型升沉补偿装置存在能耗高的弊端，故应用受到了-定程度的限制，半主动升沉补偿系统结合了两者的优点，得到了推广应用。

半主动天车升沉补偿系统主要有被动补偿部分 、主矿 冶动补偿部分两部分组成 。半主动型天车升沉补偿系统主要有三位四通电磁换向阀、液压马达、蓄能器 、液压泵、油箱 、管线、接头等元件组成的。半主动补偿装置液压系统如图 6所示。在平衡状态时 ，三位 四通电磁换 向阀处于 中位 ，当天车从最低临界位置向最高临界位置运动时 ，三位四通 电磁换向阀阀芯移位 ，液压泵通过 电磁换 向阀向补偿液压缸无杆腔供油，补偿液压缸有杆腔与油箱连接 ，推动补偿缸活塞向上移动，补偿缸伸出，补偿缸蓄能器气体部分体积增大，释放能量，补偿钻井船随海浪作用向下的位移。当天车从最低临界位置向最高临界位置运动时 ，电磁换 向阀阀芯运动情况 、补偿缸运动状态 、蓄能器工作状态正好与之相反。

图 6 半主动液压 系统简图Fig.6 Schematic illustration of the semi-activecompensation hydraulic system3.2 半主动模型仿真分析3.2.1 半主动模型补偿效率分析船体位移曲线参数幅值 A为3.81 ITI、周期 为12 s，模型中天车起始位置为平衡位置 ，补偿缸蓄能器体积为 15 in ，蓄能器在天车起始位置时压力为17 MPa，定量泵的流量为 0.0399685 In /s，模型补偿效果如图 7所示 。

由图7可以看出，经过补偿后游车大钩位移曲线的幅值呈现明显下降趋势，大钩位移曲线的最高点为0.4848 In、最低点为 -0.4602 In，此时，天车升沉补偿装置的补偿效率为ASl 0. 4948 0.46027/2 - -AS2-m ax- - - 87.47% (3)3.2.2 半主动模型补偿率与海浪幅值的关系根据上述方法，将海浪幅值分别设置为 0.5、43·2。

罢 l馨-1- 2- 3- 4//-、、、- //时uJ，A图 7 半主动升沉补偿效果Fig.7 Semi-active heave compensation effect1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 In时，可 以得 出半 主动天车升沉补偿装置 的大钩位移关系曲线 ，当海浪位移曲线幅值从 2 In至 3.81 in增大过程中，补偿后大钩的位移逐渐增大。半主动模型补偿效率与海浪幅值的关系曲线如图 8所示。

蝌越，r，v-图 8 半主动模型补偿 效率 与海 浪幅值关 系曲线Fig.8 Relationship curve of semi-active model betweencompensation efi ciency and wave amplitude由图 8可以看出，随着海浪幅值的增大 ，模型的补偿效率逐渐增大 ，补偿 效率 曲线斜率逐渐减小 。

半主动模型的补偿效率为 82% ～88% ，被动补偿模型的补偿效率为 62% ～67% ，半主动模型的补偿效率明显比被动模型补偿效率高。

3.2.3 半主动模型 的补偿效率 与蓄能器体积 的关系为了分析蓄能器的体积与半主动模型的补偿效率之间的关系，在半主动天车升沉补偿装置模型的液压系统中分别将蓄能器的体积设置为 10、12.5、15、17.5、20、22.5、25 ITI ，可以得出不同的蓄能器体积对应的补偿后模型的大钩位移曲线。补偿缸蓄能器的体积增大时 ，补偿后大钩位移曲线 的滞后现象得到改善，说明蓄能器体积对其工作性能的影响比较明显。半主动模型补偿缸蓄能器的体积j模型补偿效率之间的关系曲线如图 9所示 。

由图 9可以看出，当蓄能器体积增大时，系统的渠迎锋等 ：天车升沉补偿装置数值模拟仿真9590蓬8580较 7570裂656055蓄能器体积 V/m图9 半主动模型补偿效率与蓄能器体积的关系曲线Fig.9 Relationship curve of semi-active model betweencompensation hook displacement eficiency andaccumulator volume补偿效率逐渐增大。当蓄能器体积为 10 in 时，补偿效率较低 ，随着蓄能器体积增大，补偿效率曲线的斜率逐渐减小，当补偿缸蓄能器的体积增大到-定程度时，系统补偿效率曲线的斜率逐渐减校半主动模型的补偿效率为75% ～90%，被动补偿模型的补偿效率为 57% ～68%，半主动模型的补偿效率明显比被动模型补偿效率高。综合考虑海洋平台的空间、系统的补偿效率、经济成本等因素，-般取蓄能器体积为 15 13 。

4 结论1)天车升沉补偿装置是半潜式海洋平台或浮式钻井船重要的设备之-，根据其工作原理建立了天车升沉补偿装置的数学模型。

2)对天车升沉补偿装置的模型进行了运动仿真，分析了天车 、摇臂装置、补偿缸 的运动特性 ，验证了天车升沉补偿装置模 型的正确性。研究表 明，经过被动补偿后，大钩位移的变化曲线有了良好的改善，补偿效率达到67.05%，半主动型天车升沉补偿装置的补偿效率比被动型的效率高，补偿效率达到87.47%，半主动模型的补偿效率明显比被动模型补偿效率高。

3)对被动型、半主动型天车升沉补偿装置模型的影响补偿效率的因素进行了分析。研究表明，蓄能器的体积、海浪幅值是影响模型补偿效率的关键因素，在-定范围内，随着海浪幅值、蓄能器体积的增大，补偿效率增大。为补偿系统进-步的研究提供了重要的技术支持。