深水勘察船基盘被动升沉补偿系统的设计研究

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Passive heave compensation system for base plateused in deep-water exploration shipYANG Yan-gui ，LU Min-xun ，CHEN Zhi-xin ，XU Zhi-qiang ，ZHANG Haibo。

(1.School of Machinery and Energy Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering，M inistry of Agriculture，Shanghai 200092，China；3.Beijing BOMCO-MH Offshore Petroleum Engineering Technology Co.，Ltd.，Beijing 100176，China)Abstract：This paper focused on the passive heave compensation system for base plate used in thedeep-water exploration ship.The passive heave compensation system for base plate was utilizedto keep the tension in the wire rope within certain range when the deep-water exploration shipwas heaving with the sea wave.The scheme and the working principle of passive heave compensa-tion system for base plate were presented.The mathematic models on the passive heave compen-sation system were constructed. The tension of the wire rope pulling the study unit was ana-lyzed.The main parameters including the ratio value of the pulley group，the diameter of thecompensation cylinder，the stroke of the compensation cylinder and the total volume of the accu-mulator in the passive heave compensation system were analyzed and expressed.Finally accordingto the design conditions of the specific heave motion of the deep-water exploration ship，the spe-cific operation water depth and design requirements of the tension of the wire rope pulling baseplate in the passive heave compensation system ，the specific main parameters of passive heavecompensation were calculated and the tension of the wire rope pulling base plate was simulatedthrough some known parameters.The simulation result verifies the tension meets the design re-quirements.This provides an important theoretical guidance for actual designing of passive heavecompensation device for base plate used in deep-water exploration ship。

Key words：base plate；passive heave compensation system；compensation hydraulic cylinder；accumulator收稿 日期 ：2012-08-29。

作者简介：羊衍贵(1976-)，男，四川绵阳人，博士生，从事液压传动及控制、升沉补偿研究，E-mail：yang97den###163.com 工 程 设 计 学 报 第 2O卷深水勘察船进行深海油气勘察作业时，勘察船上的两基盘绞车通过 2根钢丝绳把基盘降放到海底来定位钻头.由于受海浪影响，勘察船随着波浪产生升沉运动 ，从而影响牵引基盘钢丝绳的拉力.如果钢丝绳上拉力过小，钢丝绳在深水中很容易被水流冲击 ，钢丝绳间会相互缠绕 ，影响基盘的正呈收 ；如果钢丝绳上拉力过大，钢丝绳会带动基盘产生相应的上升运动 ，影响基盘定位.因此 ，需要通过升沉补偿系统使钢丝绳保持-定的拉紧力来拉紧基盘但又不拉动基盘。

基盘升沉补偿系统 ，国内外鲜有报道.升沉补偿系统研究多应用于海洋工程中的石油钻井平 台和大型海洋船舶作业 中，如大型海洋起 重机、起 吊装置等.美国的 Varco公司、挪威的 Hydralifi公司在 20世纪 70年代就致力于升沉补偿系统的研究 ，F.R。

Driscol等 研究 了安装 于主船体和 中间仓 的 2种被动式升沉补偿系统，并对其进行了数字模拟，Andreas Huster等 对海 底 营救 装置 的加 载缓充装置(被动升沉补偿系统)进行了设计和测试.国内的中国石油大学 白鹿l3 对钻柱液压升沉补偿系统进行了研究，中南大学机电工程学院的吕东、汤晓燕、刘少军等 j和广东工业 大学 的 肖体兵7 对深海采矿装置升沉补偿系统进行了研究.另外，国内外学者对其相关领域，例如：水下机器人释放回收设备、疏浚设备和海上补给设备上的各种类型的升沉(波浪)补偿系统 ，都进行了大量的研究工作 ，这些工作对基盘升沉补偿系统的研究具有良好的借鉴作用。

补偿方案有主动补偿和被动补偿两大类 ，主动补偿是应用专用能源来进行补偿作业，如使用专用泵源，通过伺服阀、比例阀或电磁阀进行控制来完成补偿 ，被动补偿是利用海浪升沉能量的储存和释放 ，作为补偿能源来进行被动补偿，无需专门能源，节约能量.本文选择被动升沉补偿进行研究。

1 基盘被动升沉补偿系统方案和工作原理如图 1所示 ，深水勘察船基盘被动升沉补偿系统 由基盘绞 车的卷筒 1，1 、蓄能器 2，2 、定滑 轮3，3 、补偿液压缸 4，4 和基盘 5组成.补偿液压缸由1个柱塞缸和倍率为m(m- 2n，n- l，2，3，)的滑轮组组成. 1个定滑轮组成的定滑轮组安装厶在缸体底端， 个定滑轮组成的滑轮组安装在柱塞厶顶端，与柱塞形成动滑轮组.6倍倍率 的补偿液压缸实物如图 2所示。

基盘被动升沉补偿系统的工作原理为口 ：基盘1，1 -基 盘绞车卷筒 ；2，2 -蓄能器 ；3，3L 定滑轮 ；4，4 -补偿液压缸 ；5-基盘。

图 1 基盘被动升沉补偿 系统Fig.1 System of passive heave compensation for baseplate图 2 6倍倍率补偿液压缸Fig.2 Compensation cylinder with 6 times ratio下放到海底 ，基盘绞车卷筒 1，1 制动，在海浪使勘察船上升时 ，钢丝绳拉伸，通过滑轮组压缩补偿液压缸的柱塞使其缩回，将缸大腔的液压油压进蓄能器储油，整个升程是蓄能器储能过程；勘察船下降时，钢丝绳有放松趋向，此时，蓄能器向液压缸输出液压油，使柱塞外伸，通过钢丝绳滑轮组，予以补偿，并使钢丝绳保持-定的拉力.蓄能器以波浪的周 期循环过程进行储油和释放油 ，完成被动补偿作业。

2 基盘被动升沉补偿系统数学模型的建立分析单边补偿系统 (另外-边补偿 系统完全相同)，以左补偿液压缸的柱塞、柱塞上的动滑轮组、滑轮轴 以及支撑动滑轮组的支座共同作 为分析部件。

升沉补偿过程分为勘察船上升、勘察船下降两种工况，来研究运动部件的数学模型。

P，cyA y- F Uul r/ - 。bj C。bi， (1)式 中： ～ 为液压缸中液压油的压力 ，Pa；A 为柱塞第 2期 羊衍贵，等：深水勘察船基盘被动升沉补偿系统的设计研究的面积，In ；F叭h 为勘察船上升工况时钢丝绳对液压缸的拉力，N；Tm为液压缸的机械效率； 。bi为部件的质量，m。 - ×m m 为滑轮组的倍率，m 为滑轮的质量，m 。 为支撑滑轮且与柱塞相连的部件包括支座和滑轮轴的质量，m 为柱塞质量； 。 为部件的加速度，z。bj为部件的位移，m，X obj ：- 三 ，.z为勘察船的升沉运动方程，设为 z-Al sin ( )。

p ，qA y - F pud- m。bjz。bj， (2)式 中：F。 ， 为勘察船下降工况时钢丝绳对液压缸的拉力 ，N。

如图 1所示 ，钢丝绳上的力T 为T F Fg- Fb ， (3)式中：F为钢丝绳对基盘 的拉力 ，F 。 ≤ F≤ F ，N；F 为滑轮 1以下钢丝绳 的重力 ，F - L7 g；L为滑轮 1到基盘间的钢丝绳的长度 ，13.；y 为钢丝绳单重 ，kg/m；g为重力加速度 ，g- 9.8 m/s ；Fb为滑 轮 1以 下 钢 丝 绳 在 海 水 中 的 浮 力 ，F -孕 Lyg；d为钢丝绳外径，m；y为海水的密度，)，-1 030 kg/m。。

T 拉柱塞向下运动 ，并拉动液压缸上的滑轮逆时针旋转 ，液压缸上各段钢丝绳的力为 ：T1- T - Fj， (4)T斗l- T 呀- FJ ( - 1，2，，in- 1)， (5)式中：田为滑轮的效率；Fj为滑轮转动惯量产生的力，Fj- 百mj "，mJ为单个滑轮的质量，kg。

丁 -FJ( ( -1) ( -2) ( -3)矿-t-2 - 矿 )-k1 T -kzFj， (6)式中：k - ，k。- ( - 1) ( -1 - ”2)72( -3)矿2Tin- - 。

柱塞向上运动，并拉动液压缸上的滑轮顺时针旋转，液压缸上各段钢丝绳的力为：T1- T 7 Fj ， (7)Til- T -t-Fj ( - 1， ，m - 1). (8)‰ - T FJ(mr/ (m-1) ( -2) 。 2矿- )- k sT k4Fj， (9)式中：愚。- ， - 17 (m-1)矿zl - 竹( -2)矿。2矿 矿 。

3 基盘被动升沉补偿系统的主参数分析设计3.1 滑轮组的倍率补偿液压缸的补偿行程 s 与滑轮组的倍率m关系式为- (m - 2 ， - 1，2，3， ). (10)o 确定滑轮组倍率时，应综合考虑液压缸补偿行程 的范围。

3.2 补偿液压缸由式(1)得，补偿液压缸的缸径为D -由于加速度值35。bj很小，F -优。 z。bj较小略去，按 F 和系统的最高工作压力 P 来确定补偿液压缸直径(12)由于液压缸的缸径为标准值，因此把D 与液压缸内径系列 (GB/T2348-1993)的标准 内径值进行比较 ，选择-个大于且最接近 D 的标准的 内径 D作为补偿液压缸的缸径。

液压缸面积A - T D . (13)液压缸的行程S - S， 2ZXAL- -2A- I. 2AA1 ， (14)fn 式中△A 是为防止由于勘察船升沉振幅的突然增加使柱塞碰到液压缸的缸体而多取的行程值。

根据计算的液压缸面积和行程进行液压缸的设计 ，得分析部件 的质量 m曲；。

3.3 蓄能器忽略蓄能器柱塞的重量和其摩擦力，并忽略蓄能器和液压缸之间的管道中液压油的压力损失，则液压缸中液压油的压力 P，与蓄能器中的氮气压工 程 设 计 学 报 第 2O卷力 P 相等 ，即P - P . (15)由式(1)、(6)、(15)得 蓄能器 中的压力最 大值P 为. (16)由式(2)、(9)、(15)得蓄能器 中的压力最小值P 为P . 。- ± ! ! A 蓄 能器 的充 气压力 为P0- 0.95p i ， 。

蓄能器总容积 V。 为v. ： - -[( ) ( Pmax，ac)4 钢丝绳对基盘的拉力分析(17)(18)(19)(2O)4.1 液压缸 中液压油压力 P。Il ，将蓄 能器和补偿 液压缸从补偿系统 中独立 出来 ，如图 3所示。

图 3 补 偿 系统 简 化 图Fig.3 Simplified figure of compensation system液压缸的中位与勘察船运动位移的中位重合，则液压缸的中位为零点，运动部件向上为正，最大值为 S，向下为负，最小值为- 。

柱塞从零点到z位置，液压缸中液压油体积变化为△ j- A。 z。 . (21)柱塞在 液压缸 中位时 ，蓄 能器 中氮气 的体 积V 。 为。d.a - 。 - 昙A . (22)勘察船上升到最高点，蓄能器 中氮气压力为P ，氮气的体积为。

- V 。dIa - A。 . (23)由热力学波义耳定律，柱塞在液压缸中位时，蓄能器中氮气压力P 为Pmax，c( ) 。

柱塞在z位置，蓄能器中氮气的体积V 为V - V d， AV 1. (25)再根据热力学波义耳定律 ，柱塞在 z位置 ，蓄能器中氮气压力 P～ 为‰-Pmld，( ) ～ gmid， ac ) .(26)由式(15)有柱塞在 32位置 ，液压缸中液压油的压力为. z ， z 。a， (： ： ： ) 。

(27)4.2 钢丝绳对基盘的拉力由式(1)、(6)、(22)、(27)整理得 ，勘察船上升工况时钢丝绳对基盘的拉力为F， ， 1 - 。j 。. - - - - - - - . - - . - - - ---- ---- - ： ---- --- ..----- ----- --------------------- -J-r/ink1 等 -F Fl (28)由式(2)、(9)、(22)、(27)整理得 ，勘察船下降工况时钢丝绳对基盘的拉力为F - f-m obj-X objk - k 2 - F Fb 。

3 3g 。 ” 5 具体算例设计5.1 设计条件1)船的升沉运动方程为z-ALSin(绎)-3sin( -3sin( 。

9 2 - ( 4 第 2期 羊衍贵 ，等：深水勘察船基盘被动升沉补偿系统的设计研究2)勘察船作业水深为 3 000 m，即 L-3 000 rn。

5.2 设计要求勘察船作业时，保证钢丝绳对基盘的拉力为1.96×10 N≤F≤4.9×10 N。

5.3 设计参数取值1)钢 丝 绳 规 格：d- 32 mm，单 重 y -5.156 kg/m。

2)痊轮组倍率m-6，单个滑轮质量m -59kg，滑轮效率 7-0.99。

3)取液压缸 的机械效率 ‰-98 ，系统最高压力 P -18 MPa，△AL-0.3 m。

5.4 主参数计算结果1)液压缸参数为：D -266 1Tim，取 D-280mm，A -0.061 6 m ，S -1 m，S-1.6 m.设计的分析部件的质量 m。b -680.83 kg。

2)蓄能器参数：P -16 252 589 Pa，P 。 -15 128 639 Pa，Po- 0.95p 。 . - 14 372 207 Pa，△V- 0.061 6 m。，V - 1.280 55 ITI。。

5.5 钢丝绳对基盘的拉力仿真分析根据算例的设计参数和计算所得 的参数，用Simulink对所设计补偿 系统 中的钢丝绳对基盘 的拉力 F进行仿真，图4为仿真结果图。

厂 // ，/ /、 、 O 5图 4Fig.4l0 1 5 20 25 30 35，/s钢 丝绳对基盘的拉力仿真Simulation results for tension从图 4可知 ，钢丝绳对基盘 的拉力 F在勘察船的-个升沉周期 中的变化过程 为：上升工况 ，F从3.7×10 N逐渐上升到 4.9×10 N，上升到最高点后，F从 4.9×10 N跳跃下降到3.07×10 N，下降工况 中，F从 3.07×10 N 逐渐下降到 1.96×10N，下降到最低点后，F从 1.96×10 N跳跃上升到3.7×1O N，再进行上升工况的力的变化 ，如此 F进人具有上述变化规律的下-个循环周期.F的拉力范围为 1.96×10 N≤F≤4.9×10 N，正是设计所要求的拉力值。

6 结 语本文构建了-种带滑轮组的液压缸和蓄能器组成的基盘被动升沉补偿方 案.提出了勘察船在上升工况 、下降工况两个阶段的数学模型 ，并对补偿系统中的滑轮组倍率 、液压缸直径 、液压缸行程和蓄能器总容积这 4个主参数进行 了分析设计.文章还通过- 个具体的算例，根据实际设计条件和钢丝绳对基盘拉力的设计要求，设计计算了基盘被动升沉补偿系统 的主参数 ，并仿真分析了钢丝绳对基盘的拉力。

由此验证 了所设计的基盘被动升沉补偿系统达到了设计要求。