金豁然，李德堂，胡星辰，魏 卓，楊尊儒

（1. 浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316022；2. 浙江省近海海洋工程技術(shù)重點實驗室，浙江 舟山 316022）

設(shè)計與研究

90m自升式海上平臺液壓升降系統(tǒng)仿真分析

金豁然1，2，李德堂1，2，胡星辰1，2，魏 卓1，2，楊尊儒1，2

（1. 浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316022；2. 浙江省近海海洋工程技術(shù)重點實驗室，浙江 舟山 316022）

利用AMEsim軟件對90m自升式海上平臺液壓升降系統(tǒng)建模。通過給定模擬信號，針對平臺安全需求，對平臺額定、預(yù)壓和提升齒輪失效升降工況進行仿真，重點分析了液壓系統(tǒng)中馬達的性能。仿真結(jié)果表明：在預(yù)壓工況和單只提升齒輪失效工況下，液壓系統(tǒng)運行安全平穩(wěn)，各馬達的性能均能滿足要求，擁有足夠的扭矩和轉(zhuǎn)速，能夠安全可靠地驅(qū)動提升齒輪同步動作，帶動平臺主體或樁腿工作，驗證了該系統(tǒng)設(shè)計的合理性。

海上平臺；AMEsim軟件；液壓升降；提升齒輪失效；預(yù)壓載

0　引言

海洋中蘊藏著豐富的油氣資源，海洋石油開發(fā)已是當(dāng)今世界的熱點。油氣資源的勘探大部分都需要依靠海上平臺，而自升式海上鉆井平臺是目前應(yīng)用最廣泛的移動式鉆井設(shè)施［1］。我國的自升式海上平臺大多依靠進口，特別是作為自升式平臺中核心部分的升降系統(tǒng)，幾乎被國外生產(chǎn)廠家壟斷，關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)掌握在國外廠商手里，嚴(yán)重制約著我國海洋油氣的規(guī)模開發(fā)［2，3］。海上平臺所處的海洋環(huán)境十分復(fù)雜和惡劣，海洋重大事故時有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，約70%的事故均由升降系統(tǒng)引起，后果嚴(yán)重的會造成整個平臺傾覆。因此，對自升式海上平臺升降系統(tǒng)的仿真分析在其參數(shù)優(yōu)化及故障防范方面顯得尤為重要。

升降系統(tǒng)的升降裝置安裝在樁腿和平臺主體之間，系統(tǒng)驅(qū)動升降裝置使樁腿與主體之間相對上下運動，完成平臺或樁腿的升降操作。自升式鉆井平臺的升降系統(tǒng)最常用的兩類：齒輪齒條式和液壓油缸頂升式［4］。其中齒輪齒條式升降具有可連續(xù)升降、速度快、操作靈活、平臺消耗成本低等優(yōu)點，因此自升式海上平臺多采用齒輪齒條升降方式［5］。

1　90m海上平臺簡介

90m動力定位自升式海上平臺主要由平臺主體、樁腿、升降系統(tǒng)、修井系統(tǒng)等組成。平臺主體由4根圓柱形樁腿支撐，是一座專為近海工程提供鉆修井、完井、測井等輔助服務(wù)和海上油田作業(yè)的自升自航式多功能平臺，適合于5～60m水深的海域作業(yè)。平臺配有雙舵槳系統(tǒng)，可實現(xiàn)自航功能，可在油田區(qū)域內(nèi)靈活作業(yè)。船體總長78.8m，滿載吃水3.0m，型長63.6m，型寬40m，型深5.8m，采用齒輪齒條式液壓升降系統(tǒng)。海洋平臺的三維模型見圖1，樁腿升降裝置見圖2。

圖1　90m海上平臺結(jié)構(gòu)模型

圖2　樁腿升降裝置

2　升降系統(tǒng)組成及液壓系統(tǒng)工作原理

2.1 升降系統(tǒng)組成

90m海上平臺升降系統(tǒng)為電動液壓式升降系統(tǒng)，采用齒輪齒條升降方式，單樁配有14個提升齒輪，通過安裝框架與船體連接。每個樁腿上設(shè)有2根齒條，每道齒條上配備有7個提升齒輪，單樁腿升降系統(tǒng)中共有14個馬達油路并聯(lián)，14個液壓馬達經(jīng)減速機構(gòu)帶動提升齒輪同步動作執(zhí)行平臺主體或樁腿的升降，升降系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1。

表1　升降系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 液壓系統(tǒng)工作原理

90m自升式海上平臺液壓升降系統(tǒng)主要包括電動機、單向定量泵、溢流閥、單向閥、二位二通電磁換向閥、平衡閥組、液壓馬達、制動器、減速器等，工作原理見圖3。系統(tǒng)設(shè)計有5個二位二通電磁換向閥，在給定信號的情況下，通過電磁閥通斷控制系統(tǒng)液壓油的流向，實現(xiàn)馬達正反旋轉(zhuǎn)。運行過程：閥7、閥8通過電磁開啟，此時液壓油經(jīng)單向定量泵打出，通過閥8流經(jīng)平衡閥，進入液壓馬達推動其正向轉(zhuǎn)動，流出的油液通過閥7回流到油箱，實現(xiàn)平臺主體的上升操作；同樣，閥6、閥9開啟，閥7、閥8關(guān)閉時，液壓馬達會執(zhí)行反向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)平臺主體的下降操作。

液壓回路中的溢流閥3具有提供負荷保護和壓力調(diào)定的作用：當(dāng)壓力達到設(shè)定值時，溢流閥打開進行卸荷，輸出油液返回油箱。當(dāng)閥5關(guān)閉時，平臺處于鎖定狀態(tài)，油液通過溢流閥回油箱。另外，平衡閥用于鎖定樁腿和平臺，避免平臺突然墜落。當(dāng)平臺達到指定位置時，系統(tǒng)中有電磁換向閥來執(zhí)行卸荷功能，此時鎖緊裝置將平臺主體固定，使平臺能夠在海上順利完成海洋油氣的勘探工作。

圖3　液壓升降系統(tǒng)原理

3　仿真建模

3.1 構(gòu)建草圖

AMEsim軟件有4個工作模式，用戶可以搭建草圖，修改元件子模型，設(shè)置子模型的參數(shù)，進行仿真。在Sketch mode（草圖模式）下，AMEsim軟件中自帶的HCD庫、Mechanical庫以及Signal、control庫等可建立仿真模型。根據(jù)圖3，建立 AMEsim軟件的仿真回路（見圖4）。每個樁腿上設(shè)有2根對稱的齒條，每根齒條上配備有7個相同的液壓馬達回路，由于這些油路是并聯(lián)關(guān)系，因此只對7個馬達油路進行建模。

將液壓系統(tǒng)仿真回路中的7個液壓馬達從左至右進行編號，分別記為液壓馬達1，2，…，7，相對應(yīng)的7個扭矩信號源分別記為信號1，2，…，7。

3.2 子模型的選擇

當(dāng)搭建完成系統(tǒng)后，進入Submodel mode，給系統(tǒng)元件選擇子模型。如果在草圖模式中出現(xiàn)建模錯誤，或者回路沒有完成，則系統(tǒng)不能進入Submodel mode［6］。本文在子模型模式下，運用Premier mode為液壓系統(tǒng)中各個元件選擇數(shù)學(xué)模型。

3.3 元件參數(shù)設(shè)置

Parameter mode是運行仿真之前最為重要的一步，在該模式下，需要根據(jù)實際情況自行調(diào)整各元件的參數(shù)。系統(tǒng)中各元件的參數(shù)設(shè)置十分關(guān)鍵，直接影響到整個系統(tǒng)的正確性和穩(wěn)定程度。參數(shù)設(shè)置不合理，會直接導(dǎo)致仿真的間斷。根據(jù)平臺的技術(shù)參數(shù)，仿真參數(shù)的設(shè)置見表2，其他參數(shù)保持默認。

圖4　液壓升降系統(tǒng)仿真回路

表2　系統(tǒng)仿真參數(shù)的設(shè)置

3.4 仿真模式設(shè)置

切換到simulation mode，點擊set the run parameters圖標(biāo)，運行run parameters 將final time 設(shè)置為20s，print interval設(shè)置為0.01s，此時系統(tǒng)將會運行1個周期。執(zhí)行start a simulation命令，系統(tǒng)開始進行仿真，直至液壓升降系統(tǒng)仿真成功，整個仿真過程結(jié)束。

4　仿真分析

4.1 研究對象

由于系統(tǒng)中液壓馬達的扭矩和轉(zhuǎn)速對整個平臺的升降有著直接關(guān)系，因此主要針對這兩個數(shù)據(jù)進行分析研究。根據(jù)parameter mode（參數(shù)模式）中參數(shù)的設(shè)置，系統(tǒng)20s運行1個周期，在此過程中，液壓油會推動液壓馬達執(zhí)行正、反旋轉(zhuǎn)，時間均為10s。

4.2 額定升降工況

自升式海上平臺一般在承受船體自身重量和部分可變載荷情況下進行升降作業(yè)。進入仿真模式，運行仿真。在同一個繪圖中同時對液壓馬達1，2，…，7七個液壓馬達的性能進行分析，扭矩和轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果分別見圖5、6。

圖5　液壓馬達扭矩

圖6　液壓馬達轉(zhuǎn)速

由于與齒條相嚙合的每一個提升齒輪都是獨立轉(zhuǎn)動，因此各提升齒輪間的載荷均勻性顯得尤為重要。如果載荷分配不均勻，在升降過程中，可能會超出提升齒輪所承受的強度，造成提升齒輪斷裂。

由圖5、6可知，液壓馬達1，2，…，7的扭矩和轉(zhuǎn)速特性曲線基本重合，同步性表現(xiàn)優(yōu)良，提升齒輪和齒板受力比較均勻，提升齒輪的強度得以保證；分析得出，在平臺主體的升降過程中，所有馬達具有相同的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。扭矩和轉(zhuǎn)速均在啟動和轉(zhuǎn)向瞬間出現(xiàn)較大的波動，但馬達很快進入動平衡狀態(tài)，波動時間極短，不會對馬達造成沖突破壞，系統(tǒng)安全平穩(wěn)性表現(xiàn)優(yōu)良。

4.3 預(yù)壓升降分析

自升式海上平臺預(yù)壓狀態(tài)升降時，對升降系統(tǒng)的升降能力要求會提高［7］。液壓馬達承受的旋轉(zhuǎn)負荷會增加，該工況下，對扭矩信號源進行重新設(shè)置，見表3。

表3　扭矩信號源參數(shù)設(shè)置

平臺帶載荷升降情況下，液壓馬達扭矩和轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果見圖7、8。

圖7　帶荷載馬達扭矩

圖8　帶荷載馬達轉(zhuǎn)速

分析圖7、8可知，預(yù)壓載工況下，平臺升降時，液壓馬達的扭矩會增加，速度變化較小。

4.4 提升齒輪失效升降分析

自升式海上平臺在升降過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)單只提升齒輪發(fā)生斷裂現(xiàn)象，特別是緊急情況下能不能繼續(xù)升降，剩余的提升齒輪能不能滿足安全升降要求，這些都需要進行仿真來驗證。該工況下，設(shè)定液壓馬達motor7對應(yīng)的提升齒輪失效，這時motor7不承受平臺升降所需的扭轉(zhuǎn)負荷，但驅(qū)動平臺升降所需的總扭矩不變。

在Parameter mode下對扭矩信號源重新設(shè)置，具體設(shè)置見表4，其他參數(shù)均保持不變。

表4　扭矩信號源參數(shù)設(shè)置

重新切換到simulation mode，運行set the run parameters圖標(biāo)，運行仿真并繪制液壓馬達的扭矩和轉(zhuǎn)速特性曲線見圖9、10。

圖9　提升齒輪失效后馬達扭矩

圖10　提升齒輪失效后馬達轉(zhuǎn)速

由圖9與圖10的對比分析可知，提升齒輪失效前，7個液壓馬達運行正常，且同步性表現(xiàn)良好；驅(qū)動失效發(fā)生時，失效端液壓馬達的扭矩→0，其他 6個液壓馬達扭矩增大，并且失效瞬間，扭矩波動十分劇烈，同樣持續(xù)時間較短，馬達的性能不受影響。馬達驅(qū)動旋轉(zhuǎn)負荷的總能力保持不變，可以滿足平臺應(yīng)急情況下完成升降操作的需求。

由圖10分析得，發(fā)生齒輪失效后，馬達的旋轉(zhuǎn)速度由正常工況下的178.49r/min下降到86.34r/min。在單只提升齒輪失效情況下，平臺升降速度減小非常明顯，但能夠繼續(xù)控制平臺升降，使平臺升降到安全位置，再進行安全檢修。

4.5 仿真結(jié)果對比

液壓升降系統(tǒng)馬達仿真結(jié)果見表 5，仿真結(jié)果對平臺液壓升降系統(tǒng)的設(shè)計、分析以及參數(shù)優(yōu)化具有一定的參考價值。

表5　液壓馬達的仿真結(jié)果

5　結(jié)語

針對90m海上平臺的液壓升降系統(tǒng)，使用AMEsim軟件對其進行了建模，對多個升降工況進行了仿真分析，得出如下結(jié)論：

1） 使用AMEsim軟件能夠模擬和仿真海上平臺液壓升降系統(tǒng)提升齒輪失效和帶荷載的應(yīng)急升降工況，并且能夠直觀反映系統(tǒng)的動態(tài)特性；

2） 只要參數(shù)設(shè)置合理，系統(tǒng)運行能安全平穩(wěn)，液壓系統(tǒng)馬達輸出的扭矩、轉(zhuǎn)速都會處于穩(wěn)定狀態(tài)，且同步性表現(xiàn)良好；

3） 馬達的輸出量在啟動和換向過程中會出現(xiàn)較大的波動，但持續(xù)時間短，不影響其使用性能；

4） 在單只提升齒輪失效工況和帶荷載升降工況下，液壓系統(tǒng)仍運行穩(wěn)定，平臺能夠完成應(yīng)急升降的任務(wù)，驗證了該系統(tǒng)設(shè)計的合理性。同時，仿真分析有利于保障海上平臺升降系統(tǒng)安全平穩(wěn)運作。

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Simulation and Analysis of 90m Jack-up Platform Hydraulic Jacking System

JIN Huo-ran1，2，LI De-tang1，2，HU Xing-chen1，2，WEI Zhuo1，2，YANG Zun-rui1，2
（1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan，Zhejiang 316022；2. Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province，Zhoushan，Zhejiang 316022）

AMEsim software is used in the modeling of the 90m jack-up platform hydraulic jacking system. With the specified simulation signals，the rated jacking，the pre-loading and the lifting gear failure conditions are simulated to ensure the safety of the platform，where emphasis is laid on the analysis of the motor performance in the hydraulic system. The simulation results show that the hydraulic system can maintain safe and stable operation，and all the motor performance can meet the requirements with enough torque and revolution in case the pre-loading and the single lifting gear fails，so it is able to safely and reliably driving the lifting gears in synchronized motion，making the platform or legs work，and thus validating the design rationality of the system.

offshore platform； AMEsim； hydraulic lift； lifting gear failure； pre-loading

U674.38+1

A

2095-4069 （2016） 03-0010-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.03.002

2015-07-28

2014年國家海洋經(jīng)濟創(chuàng)新發(fā)展區(qū)域示范項目；舟山市科技計劃項目（2014C41013）

金豁然，男，碩士研究生，1990年生。研究方向為液壓和船舶與海洋工程。