液压插销升降补偿系统研究.pdf

d o i l O ．3 9 6 9 ． is s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ．2 0 1 6 ． 0 9 。0 1 5 液压插销升降补偿系统研究 罗序平 ， 黄志坚 广东工业大学 机电工程学院， 广东 广州 5 1 0 0 0 6 摘要 该文主要介绍某环梁升降钻井平台桩腿液压缸补偿的概况 ， 分别描述了环梁升降钻井平台概况、 液压插销升降补偿系统原 理 、 设备的配置和控制系统， 该补偿系统送中国船级社 c C S 审核并通过， 其实际应用在某环梁升降钻井平台的桩腿液压系统上 ， 经 过实际的海上运行证明， 该系统补偿可靠、 安全性高、 操作简单。 关键词 环梁升降钻井平台概况 ； 补偿系统原理； 设备的配置； 控制系统 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 6 0 9 0 0 4 7 0 3 Re s e a r c h o n Hy d r a u l i c Bo l t Li f t i n g Co mp e n s a t i o n S y s t e m L U OX u - p i n g , HU A NGZ h i -fia n S c h o o l o f E l e c t r o me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Gu a n g d o n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , Gu a n g z h o u 5 1 0 0 0 6 ， C h i n a Abs t r a c t T h i s p a p e r ma i n l y i n t r o d u c e s t h e g e n e r a l s i t u a t i o n o f the r i n g b e a m l i f t i n g d r i l l i n g p l a t f o r m l e g h y d r a u l i c c y l ind e r c o mp e n s a t i o n ． De s c ri b e t h e r i n g b e a m l i fting p l a t f o r m， h y d r a u l i c b o l t l i f t i n g c o mp e n s a t i o n s y s t e m p ri n c i p l e ， e q u i p me n t c o n f i g u r a ti o n a n d c o n t r o l s y s t e m． T h e c o mp e n s a t i o n s y s t e m i s s e n t t o the C h i n a C l a s s i fi c a t i o n S o c i e t y c cs to r e v i e w a n d p ass ， a n d i t s p r a c ti c a l a p p l i c a t i o n in t h e p i l e l e g la y - d r a ul i c s y s t e m o f a r i n g b e am l i fti n g p l a t f o r m． Aft e r the a c t u a l s e a o p e rat i o n p r o v e s tha t the c o mp s a tio n s y s t e m i s r e l i a b l e ， s a f e ， e a s y t o o p 。 e r a t e ． Ke y wo r d s r i n g be a m l i ft i n g p l a t f o r m； c o mp e n s a t i o n s y s t e m p r i n c i p l e ； e q u i p me n t c o n fig u r a t i o n ； c o n t x o l s y s t e m O 前言 由于我国对海洋 自然资源的开采起步比较晚， 故 相应的开采设备和技术相对比较落后。在升降补偿技 术方面， 国内技术水平与国外先进水平之间还存在较 大差距。升降补偿技术在海洋工程应用领域 ， 外国公 司研制生产的补偿器已经能够在较大的作业水深、 较 恶劣的海洋环境以及大的负载力条件下工作 ， 且补偿 平稳 ， 安全性高。而国内虽然也研究开发了一些升降 补偿器 ， 但均达不到实际工程的作业要求 ， 而且精度 低， 响应时间慢， 因而国内海洋作业采用的升降补偿器 还主要是依赖于外国进口。研制我国自主的补偿器迫 在眉睫。 1 环梁升降钻井平台概况 该环梁升降钻井平台满足中国船级社 c c s “ 海上 移动平 台人级与建造规范” 和“ 海上移动平台安全规 则” 。图1 为该环梁升降钻井平台桩腿上环梁、 液压缸、 轭和插销的相对位置的示意图。 该平台为液压环梁插销式。平台具有四个桩腿， 每个桩腿上有4 个轭 ， 每个轭由3 个液压缸牵引。平 收稿日期 2 0 1 6 0 7 0 5 作者简介 罗序平 1 9 9 1 一 ， 男， 江西九江人。 硕士研究生， 研究方向为液 压系统设计与开发。 图 1桩 腿示意图 台的升降是通过控制套在桩腿四周的固定环梁上的液 压缸和插销的交替配合 相对的两个轭同时运动， 运动 时轭上的插销插入桩腿内提桩或放桩， 此时静止的轭 上的插销拔出， 当提升或下放一定距离后， 静止轭上的 插销插入桩腿 ， 运动结束的轭上的插销拔出， 进行下一 次循环 实现并完成插桩、 预压、 平台提升、 固桩、 平台 下降和拔桩等一系列动作。当平台抬离海面时， 整个 平台通过甲板面上的4个固桩架弹性地悬挂在 4 根桩 腿之上。由于受到风、 浪、 流、 潮等各种恶劣环境的影 响， 平台难免会产生较明显的倾斜和上下升沉运动， 经 查阅相关资料可知， 可以将海浪看作简谐波浪， 海上平 台的升沉运动近似于简谐运动。如果把简谐运动作为 4 7 液 压 气 鼋 与 密 封 ／2 0 1 6年 第 09期 平台在升沉方向的近似运动， 已知海浪周期为 ， 海浪 波高为 ， 平台升沉位移与海浪波高之比 ， 则有下 面关系式 ， s in f 孕 1 c。s c 2 一 Sl |n n l 等 3 一 l 【lj ＼ ’ ／ 、～ 式中厂- 平 台的升沉位移 ， m； t r平 台的升沉速度 ， n d s ； ， l 一 比例系数。 值的大小只要取决于平台的结构、 类型、 尺寸以 及波浪的周期和波高等因素。值与波浪的周期和波高 的值成正比， 与平台的重量和体积成反 比。由上式可 定量分析平台受风浪的影响。 2 补偿系统原理 补偿装置的液压系统原理图如图2 所示 ， 此种补偿 器是基于电液比例技术的一种被动式补偿器， 其主要 包括补偿液压缸 ， 蓄能器， 电磁换向阀， 控制系统 ， 变量 泵， 以及传感器等组成。 图 2 液压 系统原理 图 液压插销升降补偿系统工作原理是 当液压缸无杆腔受压时， 无杆腔压力增大， 若压力 小于蓄能器上溢流阀的设定值时， 无杆腔内的液压油 通过液压开关进入高压蓄能器 ， 若压力大于蓄能器上 溢流阀的设定值时， 液压油通过蓄能器上的溢流阀排 到油箱； 有杆腔容积相对增大， 形成真空 ， 有杆腔蓄能 器 内的液压油对有杆腔进行补充 。 当液压缸有杆腔受压时， 有杆腔压力增大 ， 若压力 小于蓄能器上溢流阀的设定值时， 有杆腔内的液压油 通过液压开关进入高压蓄能器 ， 若压力大于蓄能器上 4 8 溢流阀的设定值时， 液压油通过蓄能器上的溢流阀排 到油箱 ； 无杆腔容积相对增大， 形成真空， 无杆腔蓄能 器 内的液压油对无杆腔进行补充 。 此补偿系统响应速度快、 控制简单， 基本可以防止 液压缸爆裂等危害。 3 设备的配置 液压插销升降补偿系统主要有液压缸、 蓄能器、 变 量泵、 电机、 换向阀、 截止阀、 单向阀等。各元件之间通 过必要的不锈刚管、 软管等连接在一起， 由控制系统完 成所需 的功能。 3 ． 1液压缸 液压缸后耳环通过销轴悬挂在环梁上， 液压缸前 耳环通过销轴与轭连接。每个液压缸的有杆腔和无杆 抢由阀及液压软管将其与蓄能器连接在一起。每个轭 上 的3 个液压缸的有杆 腔和无杆腔分别共用一个蓄能 器， 每个液压缸的主要参数如下 缸径 3 4 0 mm； 杆径 1 5 0 mm； 行程 l O 0 0 m m； 设计压力 1 5 0 MP a 。 每个液压缸的有杆腔和无杆腔都装有压力传感器 和二位二通电磁换向阀。当平台完成升降， 由于风浪 等因素的影响使液压缸有杆腔或无杆腔压力增大或减 小时， 压力传感器输出信号 ， 控制二位二通电磁阀的 开启 。 3 ． 2 蓄能器 蓄能器采用皮囊式 ， 其由液压部分和气体部分构 成， 皮囊用作气体密封隔离件， 气体采用氮气作为可压 缩介质。皮囊周围的油液与液压回路想通 ， 因此压力 升高时气体被压缩， 油液被吸入皮囊式蓄能器。压力 下降时， 气体膨胀， 从而把油液压人系统回路。每个皮 囊式蓄能器的体积为5 0 L ， 允许工作压力为3 3 0 b a r 。每 组蓄能器配有一个比例压力变送器 ， 用于测量蓄能器 内静压。将此数据转换成电信号， 控制变量泵的开启， 当压力低 于设定值时 ， 变量泵开启 ， 对蓄能器进行 补充。 3 ． 3 变量泵 变量泵采用径向变量柱塞泵 ， 其除了手动启动和 停止外， 还可以通过蓄能器 比例压力变送器提供的信 号控制器开启。其主要参数如下 排量 7 1 c m ； 转速 2 2 0 0 r ／ rai n ； 工作压力 2 1 M P a 。 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 9 ． 2 01 6 d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ． 0 9 ． 0 1 6 基于工程机械液压缸用缓冲装置的分析与研究 江 华， 樊耀华， 唐晓鹏 ， 林 强 徐州徐工液压件有限公司技术中心， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 4 摘 要 液压传动是现代工程机械中广泛应用的一种传动方式， 而液压缸是液压传动系统中最重要的执行元件之一。当液压缸承受较 大的载荷做高速运动至行程末端时， 往往会产生剧烈的机械碰撞 ， 从而产生很大的机械冲击与振动， 为防止或减轻这种机械冲击与振 动， 一般采用缓冲装置 ， 可在一定程度上起到缓冲作用。该文首先对工程机械液压缸采用缓冲装置的原因进行阐述， 重点讨论缓冲原 理与常用缓冲形式 ， 并对其进行对 比分析， 为液压缸缓冲装置的设计与选型提供一定的参考意见。 关键词 工程机械； 液压传动； 液压缸 ； 缓冲装置 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 6 0 9 - 0 0 4 9 - 0 4 An a l y s i s Re s e a r c h o n Cu s h i o n i n g De v i c e o f E n g i n e e r i n g M a c h i n e r y Hy d r a u l i c Cy l i n d e r J I A NGHu a , F A N Y a o h u a , T A NGX i a o -p e n g , L I NQi a n g X u z h o u XC MG Hy d r a u l i c s C o ． ， L t d ． ， X u z h o u 2 2 1 0 0 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Mo d e m c o n s t r u c t i o n ma c h i n e r y h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n i s wi d e l y u s e d i n a t r a n s mi s s i o n mo d e ， a n d i s o n e o f t h e h y d r a u l i c c y l i n - d e r a c t u a t o r h y d r a u l i c s ys t e m i s t h e mo s t i mp o r t a n t ． Wh e n the h y d r a u l i c c y l i n d e r t o wi ths t a n d g r e a t e r l o a d s t o d o h i g h - s p e e d mo v e me n t t o e n d o f s tro k e o f t e n h a v e s e v e r e me c h an i c a l c o l l i s i o n ， r e s u l t i n g i n a l a r g e me c h a n i c a l s h o c k and v i b r a t i o n ， i n o r d e r t o p r e v e n t o r mi t i g a t e s u c h me c h ani c a l s h o c k and v i b r a t i o n , the g e n e r a l b u ffe r d e v i c e ， c u s h i o n ma y t o s o me e x t e n t ． F i r s t l y , the r e a s o n f o r c o n s t r u c t i o n ma c h i n e ry h y d r a u - l i e c y l i n d e r c u s h i o n i n g d e v i c e u s i n g e l a b o r a t e ， f o c u s i n g o n p r i n c i p l e s a n d c o mmo n b u ffe r i n the for m o f a b u ffe r , an d i t s an a l y s i s an d t o m p a r i s o n ， t o p r o vid e s o me g u i d a n c e and a d vic e for the d e s i g n a n d s e l e c t i o n o f the r e f e r e n c e c y l i n d e r c u s hio n i n g d e v i c e ． Ke y wo r d s c o n s t r u c tio n ma c h ine r y； h y d r a u l i c t r ans mi s s i o n； h y dra u l i c c y l i n d e r ； c u s h i o nin g d e vic e 0 前言 对工程机械而言， 液压缸是其液压传动系统中最 收稿日期 2 0 1 6 0 3 2 2 作者筒介 江华 1 9 8 4 - ， 男 ， 江苏徐州人， 工程师 ， 学士 ， 主要从事工程 机械液压缸设计及工艺方面的技术研究。 重要的执行元件， 它将液压能转变成机械能， 产生往复 直线运动， 以实现预定的某些特定的性能指标。 随着液压缸在工程机械液压传动系统中普遍采用 及工程机械 自身的快速发展 ， 液压缸的主要作用已不 仅仅局限于实现简单的静载荷传动中直线或回转运 动 ， 现如今正朝着运动速度更快与载荷变化更频繁的 4 控制系统 补偿装置的控制系统主要是在平台结束升降时， 控制补偿系统中各电磁阀的启闭， 及时将高压排出， 对 低压腔进行压力补偿 。时时监控蓄能器内的压力 ， 当 蓄能器内的压力低于设定值， 控制变量泵对蓄能器进 行补充。同时 ， 系统实时检测系统的压力、 油箱 内液 位、 油温和过滤器的状态并对系统的故障进行诊断、 报 警 、 处理 。 5 结语 此套被动液压插销升降补偿系统吸取多套补偿系 统的优点 ， 每个轭上3 d - 液压缸的有杆腔和无杆腔各安 装了一个蓄能器独立进行补偿 ， 各蓄能器分别配置独 立的柱塞泵进行补偿 ， 补偿方式更加可靠， 补偿效率更 高。可为同类的补偿系统的设计和使用提供参考。 参考文献 赵建亭 ， 薛颖 ， 潘云 ， 程峰． 浮式钻井装置隔水管张紧系统研 究[ J ] ． 上海造船， 2 0 1 0 ， 4 1 - 5 ． 汤磊． 升沉补偿器的关键技术研究[ D 】 ． 哈尔滨 哈尔滨工程大 学。 2 0 1 2 3 - 7 ． 赵亚楠 ， 郝军， 汪莉 ， 王辉， 高嵩， 王立权． 自 升式风电安装船 桩腿及升降系统现状与发展[ J ] ． 船舶工程， 2 0 1 0 ， 1 1 - 4 ． 陈牡丹． 自 升式风电安装平台升降装置的控制[ J ] ． 海洋工程 装备与技术， 2 0 1 4 ， 1 1 5 6 1 5 9 ． 程龙． 自升式海上钻井平台液压升降系统解析[ J ] ． 石油和化 工设备， 2 0 1 2 ， 1 5 3 2 3 4 ． 粱晓玲． 海上自升式钻井平台升降控制系统设计与研究[ D ] ． 大连 大连海事大学， 2 0 1 0 ， 1 5 1 4 ． 黄志坚． 液压故障诊断的思路一化整为零和层层深入[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 9 ， 3 6 0 6 2 ． 4 9 Ⅲ 嘲 嘲 嗍