新型半主動倍增程式升沉補償裝置設計與仿真分析

徐　濤　劉清友,2　代　娟　黎　偉

1.西南石油大學,成都,6105002.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室,成都,6105003.中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦,遂寧,629000

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新型半主動倍增程式升沉補償裝置設計與仿真分析

徐濤1劉清友1,2代娟3黎偉1

1.西南石油大學,成都,6105002.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室,成都,6105003.中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦,遂寧,629000

摘要：結合半主動式升沉補償裝置的補償原理，設計了帶有雙驅動齒輪-雙齒面直齒條機構的倍增程式機械驅動游車大鉤升沉補償系統，并對其工作原理和補償過程進行了分析，再結合AMESim仿真軟件建立起了升沉補償液壓缸、大鉤載荷、氣液蓄能器和驅動齒輪-直齒條等系統組件的倍增程式補償數學模型。仿真結果表明：新型升沉補償系統的整體補償效率可達到95.6%，補償效果較好，系統能耗曲線因補償電機的持續運轉呈現連續上升趨勢。補償系統中隨驅動齒輪半徑增加，大鉤升沉位移逐漸減小使補償效果提高，而對系統能耗影響較小；隨比例系數增加，大鉤升沉位移和系統能耗曲線呈現先增加后趨于緩慢的趨勢；隨平臺升沉周期增加，補償效果變好，系統能耗降低；隨大鉤載荷增加，系統能耗呈線性增加。

關鍵詞：半主動式；游車大鉤；升沉補償；設計

Design and Simulation Analysis of New Semi-active and Multiplication Process Heave Compensation Device

Xu Tao1Liu Qingyou1,2Dai Juan3Li Wei1

1.Southwest Petroleum University,Chengdu,610500

2.State Key Laboratory of Oil and Gas Geology and Exploration,Chengdu,610500

3.Middle Sichuan Gas Fields of Southwest Oil & Gas Field Company,Petro China,Suining,Sichuan,629000

Abatract:Combined with the compensation principles of semi-active heave compensation device, a multiplication process traveling block hook heave compensation system was designed,which was driven by double driven gear-two tooth face straight rack mechanism, and its working principles and compensation process were analyzed. Then coupled with the AMESim simulation software the compensation mathematical models of system components were establish such as heave compensation hydraulic cylinder, hook load, gas liquid accumulator and driven gear-straight rack. The simulation results show that: the whole compensation efficiency of new heave compensation system can reach 95.6% and the compensation effect is good, the system energy consumption curve shows a trend of rising because the compensation motor running. With the increases of radius of driven gear in the compensation system, the hook heave displacement decreases gradually and the compensation effect is improved, and have the smaller influences on the system’s energy consumption. With the proportion coefficient increases, the curves of the hook heave displacement and system energy consumption show a trend of increases firstly and then tends to slow. With the increase of platform heave cycle, the compensation effect becomes good and system energy consumption reduces; with the increase of hook load, the system energy consumption increases linearly.

Key words:semi-active;traveling block hook; heave compensation; design

0引言

深水油氣鉆探過程中，海洋環境載荷，使浮式鉆井平臺產生復雜的六自由度運動，其中，平臺的升沉運動對鉆井作業影響最大，需要增設升沉補償裝置對該運動進行有效補償，以保證鉆井作業的高效進行[1]。現階段半主動式的游車大鉤升沉補償裝置由于補償效率高和技術成熟，已在深水鉆探作業中得到廣泛應用，目前國外已有相關成熟產品。

近些年來升沉補償裝置的相關技術發展迅速，美國NOV公司[2]生產了鉤載272噸級的游車升沉補償裝置；美國MHWirth公司[3]研制了用于半潛式鉆井船的主動補償式天車升沉補償裝置，其將主動升沉補償液缸與井架頂部天車進行機械連接以保證最小載荷和相對運動變化；德國的Bosch Rexroth公司[4]基于二次控制驅動技術和成熟的液壓泵和馬達產品，研發了負載在200噸級的三類主動式升沉補償系統。姜浩等[5]通過對基于蓄能器的半主動式升沉補償裝置進行數學建模和仿真分析，發現該類裝置收斂速度快，補償性能穩定；黃魯蒙等[6]采用差動行星齒輪系作為傳動機構，實現絞車的半主動升沉補償與自動送鉆運動的解耦控制，并提出外環大鉤位移閉環與內環電機轉速閉環的雙層控制方案，有利于降低能耗和提高補償效率。張萌等[7]結合達朗伯原理和鉆柱運動規律，對并聯形式和串聯形式下的半主動式鉆柱升沉補償裝置力學模型和補償機理進行分析，得出在不同工況和控制目標條件下，兩者各有特點的結論。

本文以游車大鉤升沉補償裝置作為研究對象，提出一種機械驅動補償的倍增程半主動式升沉補償裝置，在對其補償原理進行分析的基礎上，結合AMESim軟件建立新型補償系統數學模型，并就影響升沉補償效果的不同因素進行仿真分析。

1新型半主動升沉補償裝置結構設計

1.1半主動式升沉補償裝置補償原理

深水鉆井過程中，按照不同類型的補償能量來源方式，鉆柱升沉補償裝置可分為被動式、半主動式和主動式三類，其中，半主動式升沉補償裝置主要先利用被動存儲能量進行運動補償，再輸入外界主動能量對被動補償過程進行有效補充，達到對鉆柱升沉運動進行補償的目的。半主動式升沉補償裝置集合了被動式和主動式升沉補償裝置的優勢，具有補償效率高和系統整體能耗低的特點，在深水鉆井現場應用較廣泛，成為今后該類裝置的主要發展方向。

半主動式升沉補償裝置補償原理如圖1所示。在鉆井平臺處于未發生升沉運動的初始狀態時，升沉補償裝置中的主動補償缸活塞、被動補償缸活塞和氣液蓄能器活塞都處于液壓缸的中間平衡位置，此時補償系統沒有能量的額外消耗。

1.變量泵　2.控制器　3.位移比較器　4.復合缸活塞桿5.主動補償缸活塞　6.主動補償缸　7.被動補償缸8.氣液蓄能器活塞　9.氣液蓄能器　10.位移傳感器11.被動補償缸活塞　12.被動補償缸活塞桿　13.大鉤14.鉆井鋼絲繩　15.鋼絲繩導向輪圖1　半主動式升沉補償裝置補償原理圖

當鉆井平臺隨外界風浪作用處于上升過程時，大鉤懸重增加，大鉤通過鉆井鋼絲繩和鋼絲繩導向輪，對被動補償缸活塞桿產生向下的壓力，使被動補償缸活塞下降并推動氣液蓄能器活塞上升，氣液蓄能器中氣體被壓縮，該運動過程可對平臺的上升運動進行有限補償。當補償能力不足以達到補償效果時，用于監測被動補償缸活塞的位移傳感器會通過位移比較器將活塞的運動位移與既定補償位移進行比較后，傳輸給控制器并啟動變量泵向主動補償缸的下腔體注入液壓油，通過復合活塞桿推動氣液蓄能器活塞進一步向上運動，帶動大鉤向下運動對鉆井平臺的上升位移進行有效補償。

當鉆井平臺遇外載處于下降過程時，大鉤懸重減小使得被動補償缸活塞上升，氣液蓄能器中儲存的能量被釋放并使氣液蓄能器活塞下降，抵消鉆井平臺一部分下降位移以實現被動補償功能。當被動補償能力不足以達到位移補償目標時，位移傳感器將測定的被動補償缸活塞運動位移信號，通過位移比較器與既定補償位移進行比較后，傳輸給控制器并啟動變量泵向主動補償缸的上腔體注入液壓油，使復合活塞桿帶動氣液蓄能器活塞向下運動，主動推動補償缸活塞向上移動，對平臺的下降位移進行有效補償。

1.2新型半主動式升沉補償裝置結構設計

以目前使用較廣泛的游車大鉤升沉補償裝置作為研究對象，通過補償裝置的改進設計來對鉆柱升沉運動位移進行有效補償，使半主動式升沉補償裝置具備的較高補償效率和精度目標。

圖2所示為半主動式游車大鉤升沉補償裝置，以大鉤所懸掛鉆柱的升沉運動位移作為主要控制信號，采用雙驅動齒輪-雙齒面直齒條的機械驅動機構代替現有的液壓驅動式，并將齒輪齒條驅動端安裝在游車上框架處，可實現倍增程式的鉆柱升沉補償，有效減短直齒條的長度，便于補償裝置在游車大鉤處的安裝和使用。

1.框架　2.大鉤　3.游車下框架　4.升沉補償液壓缸5.游車上框架　6.鏈條　7.動滑輪　8.液壓缸活塞桿9.直齒條　10.安裝板　11.補償電機　12.驅動齒輪13.鋼絲繩　14.蓄能器圖2　半主動式升沉補償裝置結構示意圖

該新型升沉補償裝置采用補償電機帶動驅動齒輪-雙齒面直齒條機構運動，實現對游車上框架和液壓缸活塞桿的控制。當浮式鉆井平臺受風浪作用處于上升狀態時，大鉤載荷隨之增加，與大鉤相連接的游車下框架通過鏈條和動滑輪，使作用在液壓缸活塞桿向下的載荷增大，升沉補償液壓缸無桿腔的壓力增大，蓄能器中的氣體被壓縮并存儲能量；升沉補償液壓缸活塞處的位移傳感器將活塞位移信號傳輸到控制器，由控制器控制補償電機運轉，帶動兩個驅動齒輪旋轉，使直齒條連同游車上框架向上運動，液壓缸活塞桿相對于缸體向下移動，通過鏈條連接的游車下框架連同大鉤向下運動，從而實現平臺處于上升運動時對大鉤運動位移的有效補償。

當浮式鉆井平臺受風浪作用處于下沉狀態時，大鉤載荷隨之減小，作用在補償液壓缸活塞桿上的載荷減小，升沉補償液壓缸無桿腔壓力減小，蓄能器中的氣體膨脹并釋放能量，氣體壓力繼續減小；活塞處的位移傳感器將位移信號傳遞到控制器，升沉補償液壓缸活塞處的控制器發出指令控制補償電機運轉，帶動驅動齒輪反向旋轉，使直齒條直線上升，液壓缸活塞桿相對于缸體向下移動，游車下框架與大鉤向上運動，從而實現平臺處于下沉運動時對大鉤位移的補償。

新型半主動式游車大鉤升沉補償裝置如圖3所示，該設計保留了升沉補償液壓缸無桿腔對游車的被動補償功能，同時采用補償電機直接帶動兩個驅動齒輪使雙齒面直齒條運動，從而實現倍增程式的主動補償。與液壓驅動的半主動式升沉補償系統相比，該機械驅動系統的反應時間更短，補償精度更高，并能減小復雜液壓系統產生泄露的危險。

圖3　新型半主動式升沉補償裝置三維圖

2新型半主動式升沉補償系統仿真分析

2.1新型半主動式升沉補償裝置數學模型

使用AMESim軟件[8]建立新型半主動式游車大鉤升沉補償系統的仿真模型前，需先建立補償系統中升沉補償液壓缸、大鉤載荷、氣液蓄能器、驅動齒輪-雙齒面直齒條等系統組件的數學模型。

新型半主動式游車大鉤升沉補償裝置中，驅動齒輪-雙齒面直齒條機構的補償電機驅動端安裝在游車上框架處。當鉆井平臺遇外界風浪載荷作用時，平臺處于上升過程的位移為x1時，升沉補償液壓缸中活塞和大鉤位移也為x1，但由于游車大鉤升沉補償裝置的作用使得液壓缸中活塞相對液壓缸缸體向下運動的位移為x0，液壓缸活塞的絕對運動位移為xh，因此活塞相對液壓缸體缸體的位移為

x0=x1-xh

(1)

升沉補償裝置中液壓缸活塞桿與補償電機驅動端實現倒置布置，從而實現了游車對大鉤的倍增程式位移補償，即大鉤運動位移為活塞運動位移的2倍。大鉤相對于補償缸缸體向下的運動位移為2x0，則大鉤絕對運動位移x2為

x2=x1-2x0=2xh-x1

(2)

對于升沉補償液壓缸中流體流量連續性方程和液壓缸活塞面上的運動平衡方程[9]分別為

(3)

(4)

式中，qL為流入液壓缸無桿腔的流量；K為油液體積彈性模量；Vc為液壓缸無桿腔體積；vb為液壓缸活塞運動速度；Ab為活塞無桿腔面積；λb為液壓缸泄漏系數；pL為液壓缸無桿腔壓力；Mh為液壓缸活塞和活塞桿、活塞桿上動滑輪、驅動齒輪和齒輪安裝板視為剛性部件的總質量；k1為液氣彈簧剛性系數；c1為黏性阻力系數；F1為活塞所受摩擦力；F2為鏈條作用在活塞面上的作用力；F3為直齒條對驅動齒輪的反作用力。

依據已有研究成果，對于新型倍增程式游車大鉤升沉補償系統，大鉤載荷的動力學模型[10-11]可確定為

(5)

式中，m1為鉆柱相當質量與大鉤、頂驅和游車下框質量之和；k2為彈簧剛性系數；c2為泥漿黏性阻力系數。

氣液蓄能器處于平衡位置時氣體的體積和壓力分別為Vx0和px0，在隨鉆井平臺做升沉運動過程中，蓄能器中活塞產生的位移為x3，蓄能器活塞的面積為Ax，變化后蓄能器氣體體積Vx為

Vx=Vx0-Axx3

(6)

假定蓄能器中空氣處于絕熱條件下且不考慮油液的壓縮性，根據氣體狀態方程可知，氣液蓄能器工作壓力的變化Δpx為

(7)

由式(1)和式(2)可得

x0=(x1-x2)/2

(8)

在對驅動齒輪-直齒條運動進行分析時，假定驅動齒輪、直齒條和傳動軸皆為剛體，驅動齒輪與直齒條機構在運動過程中僅傳遞驅動力和運動，忽略齒輪齒條的運動變形量。由于直齒條與游車下框架固定連接，兩者的運動規律保持一致，驅動齒輪由補償電機帶動，依據補償電機的拖動條件可知：

(9)

式中，m為齒輪質量；r為齒輪半徑；T為補償電機的電磁轉矩，T=9550P/n；P為補償電機額定功率，kW；n為補償電機額定轉速，r/min。

2.2新型半主動式升沉補償裝置仿真模型

利用AMESim軟件建立新型半主動式游車大鉤升沉補償裝置的仿真模型，如圖4所示。仿真模型中，A部分為系統能耗計算部分，B部分為補償電機的調速部分，C部分為鉆柱模型計算部分，D部分為兩個升沉補償液壓缸模型部分。仿真模型中1為驅動齒輪為直齒條機構，2為電機級對數，3為系統單位轉換常數。當鉆井平臺發生升沉運動時，升沉補償液壓缸上的位移傳感器檢測出液壓缸和缸中活塞的絕對速度，經過換算得到大鉤運動位移，再將大鉤位移輸入到PID控制器，并由控制器輸出控制信號到補償電機來控制兩個驅動齒輪的運轉，通過驅動齒輪帶動與直齒條相連接的游車上框架，實現機械驅動液壓缸活塞的上下移動，從而實現對鉆柱升沉運動的主動式有效補償。

圖4　新型半主動式升沉補償裝置仿真模型

仿真過程中，設鉆井平臺的升沉高度為4.5 m，升沉周期為12 s，氣液蓄能器的體積為10 m3，PID控制器的比例系數為50，浮式鉆井平臺升沉運動位移xp與大鉤升沉位移xg隨時間變化規律如圖5所示。從大鉤升沉位移隨時間的變化規律可以看出，經過補償后，大鉤的升沉位移為0.2 m，整體補償效率達到95.6%，具有很好的補償效果，由于系統中存在被動式升沉補償液壓缸等液壓系統，故存在2 s左右的時間延遲，但與純液壓式升沉補償系統相比已有較大的改善。系統能耗Q變化規律如圖6所示，60 s的仿真時間周期內系統總能耗為2860 kJ，由于補償電機在平臺升沉運動過程中都處于實時運轉狀態并向外輸出能量，因此系統能耗曲線呈連續上升趨勢。

圖5　升沉運動位移隨時間變化規律

圖6　系統能耗隨時間變化關系圖

2.3仿真結果分析

在圖4所建立的系統仿真模型基礎上，針對新型半主動倍增程式游車大鉤升沉補償分別開展了不同驅動齒輪半徑r、比例系數(PID控制器中比例控制系數xP)和大鉤載荷F條件下大鉤升沉位移xg和系統整體能耗Q的仿真分析，分析結果如圖7～圖10所示。

圖7中，隨著驅動齒輪半徑r的增大，大鉤升沉位移xg逐漸減小；同時驅動齒輪半徑r的增大使系統能耗Q在小范圍內有所降低。仿真過程中，驅動齒輪半徑增加66.67%，大鉤升沉位移下降40.3%，系統能耗下降1.04%，故齒輪半徑的變化對系統能耗變化產生的影響較小，能耗降低的幅度有限，而對大鉤升沉位移影響較大，增大齒輪半徑，能有效提高升沉補償效果。

圖7　齒輪半徑與大鉤升沉位移和系統能耗關系圖

圖8中，隨著比例系數的增大，大鉤升沉位移xg和系統能耗Q減小。但在比例系數從10增加到20時，大鉤升沉位移和系統能耗分別下降49.06%和12.57%，下降幅度較大，補償效果較好；當比例系數從20增加到50時，大鉤升沉位移和系統能耗分別下降39.94%和1.51%，系統能耗變化極小，故隨著比例系數的繼續增大，升沉補償效果難以進一步提高。

圖8　比例系數與大鉤升沉位移和系統能耗關系圖

圖9中，平臺處于4.5 m這一升沉運動高度時，一個周期內隨著時間增加，大鉤升沉位移xg減小，系統能耗Q也快速減小。對比圖6可發現，在60 s仿真時間周期內，隨著周期數目增加，又使系統能耗增加，所以隨單個周期內時間的減小，系統能耗會增加。

圖9　時間與大鉤升沉位移和系統能耗關系圖

圖10中，隨著大鉤載荷F的增大，系統能耗Q逐漸增大，兩者之間近似成線性比例關系，當大鉤載荷是原來的2.67倍時，系統能耗是原來的3.54倍。改變大鉤載荷，系統的補償效果不發生變化，大鉤載荷只影響系統的整體能耗。

圖10　大鉤載荷-系統能耗關系圖

3結論

(1)結合半主動式升沉補償裝置的補償原理，設計出帶有雙驅動齒輪-雙齒面直齒條機構的倍增程式機械驅動游車大鉤升沉補償系統，并在對其工作原理和補償過程進行分析的基礎上，得到裝置的三維結構圖。

(2)結合AMESim軟件對新型半主動式游車大鉤升沉補償系統進行仿真分析，建立了升沉補償液壓缸、大鉤載荷、氣液蓄能器和驅動齒輪-直齒條等系統組件的倍增程式補償數學模型。

(3)新型升沉補償系統的整體補償效率可達到95.6%，補償效果較好，系統能耗曲線因補償電機的持續運轉而呈現連續上升趨勢。

(4)補償系統中隨驅動齒輪半徑增加，大鉤升沉位移逐漸減小并使補償效果提高，而對系統能耗影響較小；隨比例系數增加，大鉤升沉位移和系統能耗趨勢呈現先增加后趨于緩慢的趨勢；隨平臺升沉周期增加，補償效果變好，系統能耗降低；隨大鉤載荷增加，系統能耗呈線性增加。

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(編輯袁興玲)

作者簡介：徐濤，男，1989年生。西南石油大學機電工程學院碩士研究生。主要研究方向為油氣裝備現代設計與仿真研究。發表論文10余篇。劉清友，男，1965年生。油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室研究員，西南石油大學機電工程學院教授、博士研究生導師。代娟，女，1983年生。中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦工程師。黎偉，男，1983年生。西南石油大學機電工程學院講師、博士。

中圖分類號：TE92

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.05.016

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51274171)；西南石油大學研究生創新基金資助項目(CXJJ2015016)

收稿日期：2015-04-30