深水吊裝絞車滑輪組升沉補償裝置設計

呂 博，段夢蘭，周思柱，劉秀麗，姜宇飛

（1.長江大學機械工程學院，湖北荊州 434023；2.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京 102249；3.復旦大學力學與工程科學系，上海 200433）

深水吊裝絞車滑輪組升沉補償裝置設計

呂 博1，段夢蘭2，周思柱1，劉秀麗3，姜宇飛2

（1.長江大學機械工程學院，湖北荊州 434023；2.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京 102249；3.復旦大學力學與工程科學系，上海 200433）

設計了一種用于深水安裝作業的滑輪組升沉補償裝置，采用滑輪組與復合液壓缸相結合的機械結構來實現對吊裝載荷的升沉補償，并對其主要結構進行了詳細的參數計算。采用有限元分析方法進行了不同工況下的強度校核；采用動力學仿真方法進行了動態響應的分析，驗證了該滑輪組升沉補償裝置的合理性。

升沉補償；復合液壓缸；有限元分析；動力學仿真

在海上進行石油設備的吊裝作業時，由于波浪等因素的存在，吊裝設備無法與船體實現同步運動。為了使吊裝設備盡可能保持穩定，升沉補償技術應運而生，且被各個國家廣泛應用于海上作業，是深水油氣田開發的重要組成部分［1］。目前，國內對此項技術的研究尚處于起步階段，嚴重制約了我國深水油氣資源的開發，因此對深水補償裝置的研究具有十分重要的意義［1-2］。

本文利用甲板上的絞車系統，設計一種與其配套使用的滑輪組升沉補償裝置，從而實現對吊裝設備的升沉補償，同時節省甲板空間，降低海上作業成本。

1 結構設計

1.1 滑輪組補償裝置整體結構

滑輪組升沉補償裝置在安裝船體甲板上的位置如圖1所示?；喗M升沉補償裝置水平放置在絞車滾筒與A型架之間，纜繩橫向纏繞。

圖1 安裝船體甲板上的滑輪組升沉補償裝置

滑輪組補償裝置整體結構如圖2所示?；喗M補償裝置主要由復合液壓缸、滑輪支架和滑輪3部分組成。為防止纏繞在定滑輪和動滑輪上的鋼絲繩發生交錯，纏繞在一起，定滑輪和動滑輪之間呈一定傾角。補償裝置的執行機構采用液壓缸系統，液壓缸活塞桿一端與動滑輪通過法蘭連接在一起形成動滑輪固定裝置，液壓缸底部與定滑輪焊接在一起形成定滑輪固定裝置，絞車上的鋼絲繩纏繞在動滑輪和定滑輪上，通過活塞桿的伸縮帶動動滑輪做往復運動，調節纜繩的下放長度，完成升沉補償動作。

圖2 滑輪組升沉補償裝置整體結構

1.2 復合液壓缸的結構

復合液壓缸的結構如圖3～4所示。復合液壓缸主要由外缸筒、外缸筒缸底、外缸筒端蓋、柱塞缸、活塞桿、活塞密封圈、中隔圈、活塞桿密封圈和防塵圈組成。其中外缸筒上開有油孔b和油孔c，用于向外缸內腔供油和排油；外缸筒缸底焊接在外缸筒上，并內嵌柱塞缸，外缸筒缸底開有油孔a，用于向柱塞缸供油和排油；外缸筒端蓋通過均勻分布的8個螺釘固定在外缸筒上，同時端蓋開有導向槽，用于安裝導向套，以確保活塞桿進行直線運動，外缸筒端蓋還裝有活塞桿密封圈和防塵圈，起到密封和防塵作用；活塞桿是空心結構，有活塞桿內腔，活塞與外缸筒內壁通過密封圈密封；中隔圈位于活塞左側的外缸內腔，起到限定行程作用［3-4］。

圖3 復合液壓缸的整體結構

圖4 復合液壓缸的內部結構

1.3 滑輪組的結構

滑輪組主要由支架、滑輪、支架螺柱和深溝球軸承組成，如圖5所示。其中滑輪通過深溝球軸承固定在支架上，支架的Y型結構通過2個螺柱連接起來，起到加固作用。

圖5 滑輪組的結構

2 工作原理

滑輪組升沉補償裝置的工作原理如圖6所示。

1） 當負載隨著船體下沉時，液壓油從油孔a輸入外缸無桿腔，由于柱塞的直徑較小，可以將活塞快速推出，此時外缸無桿腔產生部分真空，從油孔b進入低壓油以補充油量，外缸有桿腔中的油從油孔c排出，活塞向外伸出，外缸有桿腔油壓升高，以此壓力為信號控制油路，完成船體下沉時的補償工作。

2） 當負載隨著船體上浮時，液壓油從油孔c進入外缸有桿腔，活塞收縮，活塞桿內腔和外缸無桿腔的液壓油分別從油孔a和油孔b排出，完成船體上浮時的補償工作［5］。

圖6 絞車滑輪組補償裝置的工作原理

3 參數設計

3.1 缸筒的參數設計

已知補償系統最大載荷為G＝1.848×107N，升降補償系統的補償力為－1 700～1 700 k N，液壓系統工作壓力為p＝30 MPa。復合液壓缸主動補償腔的工作面積根據式（1）計算可得：

由升沉補償系統原理可知，復合液壓缸進出油液作用面積相等［6］，復合液壓缸外缸有桿腔的有效工作面積和內缸柱塞的面積相等，同為AA，復合液壓缸活塞缸的外徑是D ，D＝d＋2×δ，δ2≥

式中：d2為復合液壓缸活塞缸的內徑；D2為復合液壓缸活塞缸的外徑。

代入參數，計算可得：D2＝917.2 mm，進行圓整，取D2＝920 mm。

因為δ2≥0.16d2，所以d2≤696.97 mm進行圓整，取d2＝690 mm。

同理計算可得，復合液壓缸外缸的壁厚厚度為δ1＝151 mm，則復合液壓缸外缸外徑D1＝1 262 mm。

復合液壓缸缸筒參數如表1所示：

表1 復合液壓缸缸筒參數

3.2 柱塞桿穩定性校核

復合液壓缸內缸柱塞的安裝距LB與液壓缸的行程Sc相等，LB＝Sc＝4.05 m，已知液壓缸內缸柱塞直徑d＝266 mm，此時LB≥（10－15）d，需進行壓桿穩定性的校核。由于柱塞屬于細長桿，因此采用歐拉公式進行驗算：

已知復合液壓缸的主動補償的最大值載荷是1.7×106N，即柱塞的最大工作載荷是FL＝1.7× 106N＜3.5×107N，因此柱塞在工作過程不會發生失穩［7］。

4 靜態強度校核與動態仿真模擬

4.1 有限元分析

首先將復合液壓缸三維模型導入ABAQUS中，建立靜態仿真模型，如圖7所示。

圖7 復合液壓缸靜態仿真模型

然后對復合液壓缸采用局部網格細化的方式劃分網格，危險部位用單元密集化的方式劃分網格［8］。網格劃分情況如圖8所示。

圖8 復合液壓缸劃分網格

由于復合液壓缸所受的載荷為軸向載荷，因此邊界條件的設定如下：

1） 液壓缸外筒壁及左側滑輪旋轉軸設為固定約束。

2） 對左右滑輪旋轉軸與側翼結構接觸面施加綁定約束。

3） 對右側滑輪旋轉軸中部外表面采用分布式耦合到參考點2，在參考點2上施加1個向右的最大危險荷載，即F＝1 700 k N。

4） 對左右缸體與左右側翼結構之間同樣采用綁定約束。

此時在液壓缸A、B、C腔，分別施加不同工況下的壓力即可進行相應的應力計算。

圖9 對復合液壓缸施加約束

4.1.1 工況一

液壓缸活塞桿保持初始位置不動，只承擔載荷，無需補償的工況。復合液壓缸整體靜態強度校核結果如圖10所示。外缸筒應力如圖11所示，活塞缸筒應力如圖12所示，缸底支架應力如圖13所示。

圖10 復合液壓缸整體應力

圖11 外缸筒應力

圖12 活塞缸筒應力

圖13 缸底支架應力

由圖10可知，最大應力發生在活塞缸筒上，應力值為127.8 MPa，低于許用應力177.5 MPa，（材料為45號優質碳素鋼，屈服極限為355 MPa，安全系數取2），因此整體結構滿足強度要求。

4.1.2 工況二

液壓缸活塞桿向主動腔運動，既承擔載荷，又進行補償。復合液壓缸整體靜態強渡校核結果如圖14所示。外缸筒應力如圖15所示，活塞缸筒應力如圖16所示，缸底支架應力如圖17所示。

圖14 復合液壓缸整體應力

圖15 外缸筒應力

圖16 活塞缸筒應力

圖17 缸底支架應力

由圖14可知，最大應力出現在活塞缸筒上，應力值為226.7 MPa，低于許用應力236.7 MPa，（材料為45號優質碳素鋼，屈服極限為355 MPa，安全系數取1.5），因此整體結構滿足強度要求。

4.1.3 工況三

液壓缸活塞桿向被動腔運動，既承擔載荷，又進行補償的工況。復合液壓缸整體靜態強渡校核結果如圖18所示。外缸筒應力如圖19所示，活塞缸筒應力如圖20所示，缸底支架應力如圖21所示。

圖18 復合液壓缸整體應力

圖19 外缸筒應力

圖20 活塞缸筒應力

圖21 缸底支架應力

由圖18所示，最大應力出現在活塞缸筒上，應力值為195.8 MPa，低于許用應力236.7 MPa，（材料為45號優質碳素鋼，屈服極限為355 MPa，安全系數取1.5），因此整體結構滿足強度要求。

因此復合液壓缸形式的升沉補償裝置能夠滿足實際工況下的靜態強度要求。

4.2 動力學分析

首先將復合液壓缸三維模型導入ADAMS中，建立運動仿真模型［9］，如圖22所示。

圖22 復合液壓缸運動仿真模型

然后選取船體上升時，活塞桿收縮的情況下，復合液壓缸的動態響應進行動力學分析，分析結果如圖23所示。

圖23 動力學仿真結果

主要得到3個運動參量：復合液壓缸補償力F、活塞桿收縮速度v、活塞桿收縮加速度a?？梢钥闯鰪秃弦簤焊椎难a償力基本維持在1.699 4×106N，與理論計算中確定的補償力1 700 k N基本相等，說明了此種結構的復合液壓缸通過活塞桿的動態伸縮能夠滿足本文的升沉補償要求。

復合液壓缸活塞桿的運動速度基本保持勻速20 mm／s，加速度基本為零，波動幅度不超過±3.0×10－11mm／s2，活塞桿運動平穩，沒有較多的沖擊和爬行現象，復合液壓缸動態響應比較理想。

因此復合液壓缸形式的升沉補償裝置能夠滿足實際工況下的動態升沉補償要求。

5 結論

1） 本文介紹了深水絞車滑輪組升沉補償裝置的工作原理，并從升沉補償裝置的實際工況出發，對其進行了結構設計和參數計算，最后借助有限元分析軟件ABAQUS和動力學仿真軟件ADAMS對所設計的深水絞車滑輪組升沉補償裝置進行靜態強度校核和動態運動學分析。

2） 采用復合液壓缸形式的深水絞車滑輪組升沉補償裝置結構合理，能夠滿足對吊裝載荷的升沉補償。

3） 深水絞車滑輪組升沉補償裝置的靜態強度和動態穩定性均滿足實際工況下的要求。

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Winch and Sheave Block Heave Compensator Design for Deepwater Installation

A block and tackle heave compensation device for deepwater installation is presented in this paper，with the use of composite cylinder and block and tackle to achieve heave compensation for the lifting loads，meantime，calculates main structural parameters of this set-up.Finite element analysis method is used to check the strength in different working conditions.Also，dynamic simulation is used to analyze the dynamic response of this set-up.The results of simulation verify the reasonableness of the block and tackle heave compensation device.

heave compensation；compound hydraulic cylinder；finite element analysis；dynamic simulation

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.011

1001-3482（2014）10-0052-06

2014-04-17

呂 博（1988-），女，遼寧營口人，碩士研究生，研究方向為海洋石油裝備，E-mail：xiaoyujqbaobei＠163.com。