基于AMESim的顶驱液压系统设计及数字化仿真.pdf

设计与制造 2 0 1 2 年 第5 期 总 第1 2 1 期 机械 研究与应用 基 于 AME S i m 的顶驱液压 系统设计及数字化仿真 朱伟明 ， 韩荻 1 ． 海军驻上海 江南造船 集团 有限责任公 司代表 室， 上海2 0 1 9 l 3 2 ． 天津大学 机械工程学院 ， 天津3 0 0 0 7 2 摘要 根 据顶驱液压 系统工作要 求 ， 设计 了液压 系统的控制回路 图。根 据顶驱液 压 系统设计 结果 ， 建立项驱液 压 系 统 A ME S i m仿真模型 。根据顶驱液压 系统 工作要 求， 对所设 计的 液压 系统 的 7个 动作进行 仿真分析 ， 得 到 7 个动作的工作数据。验证设计结果 ， 为液压 系统搭建提供 了理论基础。 关键词 顶驱 ； 液压 系统 ； A ME S i m； 仿 真 中图分类号 T H 1 2 2 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 2 0 5 0 0 7 2 0 3 De s i g n a nd s i mul a t i o n o n hy d r a ul i c s y s t e m o f t o p dr i v e ba s e d o n AM ESi m s o f t wa r e Zh u W e i mi n g ．Ha n Di 1 ． R e p r e s e n t a t i v e o f fi c e o f n a v y i n S h a n g h a i J i a n g n a n s h i p y a r d G r o u p C o ． ， L t d ， S h a n g h a i 2 0 1 9 1 3 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g ，T i a n u n i v e r s i t y ，T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e h y d r a u l i c s y s t e m c o n t r o l c i r c u i t d i a g r a m o f t o p d r i v e i s d e s i g n e d a c c o r d i n g t o j o b r e q u i r e me n t s ．Ac c o r d i n g t t t h e d e s i g n o f h y d r a u l i c s y s t e m，t h e AME S i m s i mu l a t i o n mo d e l i s e s t a b l i s h e d ．Af t e r s i mu l a t i n g t h e wh o l e w o r k c o n d i t i o n a c c o mi n g t o j o b r e q u i r e m e n t s ， a c t i o n d a t a o f t h e s e v e n m o v e m e n t s a r e o b t a i n e d ．T h e r e s e a r c h p r o v i d e s a g u i d i n g t o t h e d e s i g n o f h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e t o p d r i v e ． Ke y wo r d s t o p d r i v e ；h y d r a u l i c s y s t e m；A MES i m ；s i mu l a t i o n 1 引 言 顶驱液压系统是顶驱 的重要组成 ， 其主要作用是 辅助顶驱完成接单根 、 立根 ， 对电机主轴进行制动 ， 及 时封堵油路 防止井喷 ， 承担顶驱重 力避免丝扣磨损 等 。通过液压系统的工作可有效减少工人劳动强 度 ， 同时 能够及 时有效 的减少 井喷 事故 的损失 。 对系统进行软件仿真可有效缩短设计周期 ， 降低试验 成本 ， 减少试验引发的危险事故 ， 同时可及 时掌握系 统的动态工作特性 ， 通过对仿真数据 的分析评价， 则 为液压系统及整机的优化提供理论依据 ， 进一步提高 液压系统和整个机械装置的工作可靠性 。 2 顶驱 液压 系统设计 根据顶驱装置对液压系统设计 的环境要求 、 动作 顺序要求和具体设计参数要求 ， 选用液压马达作为旋 转 回路的执行机构， 选用液压缸作为倾斜 回路 、 背钳 回路 、 锁紧回路 、 平衡 回路 、 刹车 回路、 内防喷器 回路 的执行机构。基于 7个液压动作的具体要求 ， 完成压 力 、 流量 和方 向的调控 方式设计。将 各 回路有机组 合 ， 去掉冗余元件 、 增加必要阀门和相关辅助配合元 件 ， 搭建顶驱液压系统完整的系统图如图 1所示。在 此基础上 ， 通过对各个动作的受力特性分析 ， 确定相 应的液压执行机构 的计算载荷力 。由常用机械系统 工作压力表初步选定系统 的工作压力 和 7个动作 回 路的工作压力 ， 基于此选取合适缸径 比， 完成液压缸 活塞和活塞杆直径计算 ， 从液压手册选取接近的标准 数据 ， 确定执行机构的参数。根据设计手册即可完成 电机 、 泵 、 阀、 蓄能器 、 液压油管 、 油箱等常用标准件的 计算选型 ， 搭建实际液压系统 。 图 1 顶驱液压系统原理图 3 仿真软件建模及分析 AME S i m 即Ad v a n c e d Mo d e l i n g E n v i r o n me n t o f S i mu l a t i o n 高级建模仿真环境 ， 是 1 9 9 5年 由法 国 I M A G I N E公司基于键合 图理论 开发 的软件。主要应 用于机械及液压系统建模 、 仿 真和动力学分析 ， 因其 能够为流体动力 、 热传动 、 系统控制提供较好的仿真 环境 ， 现已在汽车的燃油喷射 、 悬挂系统 、 A B S制动控 制 、 工程机械的传动 、 液压 管路 、 润滑控制 ； 航空航天 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 2 3 作者 简介 朱伟 明 1 9 7 2 一 ， 男 ， 浙江余姚 人， 工 程师 ， 主要从事装备监造及装 备质量监督和管理上作 。 72 机械 研究与应 用 2 0 1 2 年 第5 期 总 第1 2 1 期 设计与制造 的机翼 回路控等多个领域广泛应用 。为有效进行 仿真 ， 根据仿真系统特性 ， 对 顶驱液压 系统进行 了必 要简化 。搭建的顶驱液压系统仿真模型如 图2所示 。 图2 顶驱液压系统 A ME S i m模型 3 ． 1 倾斜装置仿真分析结果 通过仿真数据看 出， 柱塞泵能在 1 S内迅速达到 工作压力 ， 且稳定维持在 1 3 ． 9 MP a的工作压力上 ， 由 此也证明倾斜油缸设计尺寸的合理性 。通 过柱塞泵 的流量 曲线 ， 反映柱塞泵2 8 m L的排量在 1 5 0 0 r ／ m i n 图 3 液压泵压力 图 未接触负载工作环境 ， 能够瞬时达 到最大流量 4 2 L ／ mi n ， 在接触液压缸时 ， 瞬问降低流量 ， 然后维持在工 作流量 1 0 L ／ mi n 。仿真分析结果如图 3 、 4所示。 3 ． 2 背钳装置仿真分析结果 此仿真过程 为背钳夹 紧钻杆过程。与倾 斜装 置 动作相似 ， 柱塞泵均能够在 0 ． 2 s内迅速达到工作压 力 ， 且稳定 的维持在 1 3 MP a的出口压力 ， 出 口流量在 经过 4 2 L ／ m i n的瞬时流量后 ， 减小 到工作 流量 2 0 L ／ mi n并稳定工作。仿真分析结果如图 5 、 6所示 。 3 ． 3 旋转装置仿真分析结果 因旋转头在使用 中停顿位置需根据钻杆位置发 生变 化 ， 需 旋转 3 6 0 。 ， 故本仿真 过程仅模 拟旋转 头 1 0 s中的工作过程 。通过仿真结果可看 出， 因启动力 矩较大 ， 尽管柱塞 泵能够能够提高 到最大 出 口压力 1 4 MP a ， 其出口流量并未迅速达到稳定值 ， 直到 4 s时 出口流量才稳定到 1 5 L ／ mi n 。仿真分析结果如图 7、 8 所示 X 嘲 图 4 液 压泵 流量图 图 5 液压泵压力 图 图6 液压泵流量图 图7 液压泵压力图 图8 液压泵流量图 3 ． 4 I B OP装置仿真分析结果 本仿真过程模拟 了活塞 回缩以锁紧球阀 ， 以及伸 出打开球阀实现待命工作状态两个工作过程 。通过 仿真图像可得 I B O P能够迅速 回缩 ， 柱塞泵 出口压力 进过一次波动后稳定 在 1 3 M P a ， 出 口流量在 0 ． 2 s时 稳定在 5 L ／ mi n的工作状态 ， 经过减压阀减压后活塞 缸实际工作压力为 3 ． 5 MP a ， 人 口流量与柱塞泵出 口 流量相同。仿真分析结果如图 9 、 1 0所示 。 3 ． 5 锁紧装置仿真分析结果 因回路负载有限 ， 柱塞泵出 口压力为 1 4 MP a ， 需 经减压阀减压 ， 以防止高压冲击造成齿轮端 面损伤 ， 经过减压阀后出口压力降为 3 MP a ， 因两位 四通换 向 阀造成 0 ． 1 5 MP a的压力损失 ， 故 活塞缸的入 口压力 为 2 ． 8 5 MP a 。若需调整速度 ， 可通过调速阀实现速度 的调整。仿真分析结果如图 1 1 、 1 2所示。 3 ． 6 刹车装置仿真分析结果 通过液压泵压力 图可 以看 出， 在 0 ． 0 5 s内活塞缸 出口压力迅速上升 ， 流量也随活塞位移也随之达到最 大 ， 但因弹簧弹性力作用 ， 活塞 出现短暂 回缩。0 ． 3 s 时活塞经过 四次往复运动后 ， 活塞停 止运动 ， 达到最 大值 0 ． 0 2 m， 即活塞完全伸出夹紧刹车盘 。通过仿真 验证 了刹 车 回路 能 够在 0 ． 3 s内达 到最 大 作用 力 ． 7 3 ． 设计与制造 2 0 1 2 年 第5 期 总 第1 2 1 期 机械研究与应用 1 0 M P a 夹紧刹车盘 ， 其保持时间可根据实际工作需要 调整。仿真分析结果如图 1 3 、 l 4所示。 p 41 m p l 3 n w r t te “p m u p o u t le t p o r t z [L ／ m 酬 n a x 髓 1 咐 ．0【 ． 】 ’ 。 轴 帖 x 嘲 抽 图 9 液压泵压力 图 图 l 0 液压泵流量 图 。。 ’。 f 。 。 图 1 1 液压泵压 力图 。oo 。 2 o 。 聃m } 6 o 。8 o ’ ∞ 图 1 2 液压 泵流量图 图 1 3 液 压泵压 力图 图 1 4 液压泵 流量 图 3 ． 7 平衡装置仿真分析结果 仿真过程为蓄能器 冲压和蓄能器工作及蓄能器 释放压力三个过程。其 中前 2 0 s 为蓄能器 冲压过程 ， 工作 1 8 s为蓄能器 冲压 ， 其 出口压力在 1 S内迅速提 高到减压阀工作压 力。2 0～ 3 5 S 为顶驱被游车提 起 的仿真阶段 ， 蓄能器入 口流量也随压力的增加逐渐 减小 ， 该过程运动平稳 ， 对提高顶驱 的结构稳定性具 有重要意义， 3 0 s 时活塞完全伸出活塞缸。此时蓄能 器压力达到最大值 1 5 ． 8 M P a 。此 时通过蓄能器 的压 力支撑整个顶驱 的重量。3 5～5 O S 为蓄能器释放 压力过程仿真结果 ， 蓄能器释放 内部压力逐渐回到工 作压力 1 1 MP a 。4 2 s 时活塞完全缩 回， 蓄能器 回到待 命工作状态。仿真分析结果如图 1 5 、 1 6所示 。 图 1 5 蓄能器压力 图 4 结论 本文结合工程实际需要设计顶驱液压系统 ， 在此 74 基础上建立液压系统 A ME S i m模型。通过仿 真得到 液压系统 7个主要动作 的运动特性。通过仿真数据 ， 验证了所设计的液压系统能满足设计要求。可确认 设计方案具有可行性 ， 可对实际系统进行逐个打压试 验和整机测试 ， 以缩短工期 ， 提高设计效率 。 2 0 3 O 柏 X mtl 鼙 I 图 1 6 蓄能器流量图 参考文献 [ 1 ] 陈朝达． 顶部驱动钻井装 置[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 0 ， 2 9 3 1 5． [ 2 ] 杨海学 ， 张兆文． 液 压技术 在石油 钻机上 的应用 现状及 发展建 议 [ J ] ． 石油机械， 2 0 0 4， 8 3 2 7 2 7 4 ． [ 3 ] A n o n ．S o f t w a r e f o r fl u i d p o w e r t e c h n o l o g y [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l j o u r o a l o f f o u l i d p o w e r ， 2 0 0 5 ， 6 1 6 5 7 0 ． [ 4 ] 韩荻． 基于 A ME S i m的顶驱液压系统 设计及数字化仿真 [ 【 ] ． 天津 天津大学 ， 2 0 1 1 ． [ 5 ] 付永领． A ME S i m系统建模 和仿真 从入 门到精通 [ M] ． 北 京 北 京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 6