自升式海洋鉆井平臺鎖緊裝置液壓系統

車 暢,陳定方,梅 杰,劉 哲

(武漢理工大學智能制造與控制研究所,湖北 武漢 430068)

所有的海上平臺都必須將環境、重力和運行時的載荷在平臺與支腿之間進行轉換.有些平臺在所有的情況下都是依賴起升的齒輪來實現這一功能,但是大部分卻是只在起升時依賴齒輪,而其他多數時間是依靠鎖緊裝置來實現這一功能的[1].

1 鎖緊裝置的基本組成

鎖緊裝置主要由液壓裝置和復位裝置構成[2].

1.1 液壓裝置

液壓系統在鎖緊裝置中是一個動力元件,它是執行裝置,是非常重要的部分[3].

此設計中主要采用的活塞缸,按作用分為推動液壓缸和夾緊液壓缸.當推動液壓缸推動卡爪與齒條接觸時,有可能對不準,所以它的兩端是鉸接的,使卡爪與齒條接觸時能夠準確嚙合,不對液壓裝置產生擠壓.

夾緊液壓缸的頭部和夾緊楔塊連接.在卡爪與齒條牢牢卡住后,夾緊液壓缸推動楔塊夾緊卡爪,將整個平臺的重量施加在卡爪上,以固定平臺.夾緊液壓缸與楔塊是將平臺與卡爪聯系起來的一個紐帶,其運動過程如圖1所示.

1.2 復位裝置

卡爪要求與樁腿齒條完全嚙合,在液壓缸推動其與樁腿齒條嚙合后,其位置會相對嚙合前有所偏移.在將其拉出的時候要將卡爪恢復到原來的位置,就必須設置一個裝置將其歸位,這就是復位裝置[2].

圖1 夾緊液壓缸與楔塊的運動過程

水平滑動導軌固定在一側的蓋板上,使卡爪能沿軌道水平運動.卡爪上固定一個中滑塊,如果鎖緊時齒條沒有完全嚙合,由于推動液壓缸的兩端是鉸接的,卡爪便可以沿著豎直導軌上下移動,以此實現調整對位的功能.豎直導軌和上下滑塊相連,同時對復位彈簧起到了導向的作用.當卡爪退出嚙合時,在復位彈簧的作用下,卡爪恢復到嚙合前的位置.復位裝置結構如圖2所示.

圖2 復位裝置安裝位置及結構

2 液壓系統的設計

此海洋鉆井平臺每樁升降的鎖緊裝置有3組液壓系統,每組液壓系統有2個動作——推動液壓缸組成的推動動作和夾緊液壓缸組成的夾緊動作.每個動作有4個液壓缸,所以8個液壓缸服務一組系統.由于機構的運動要保持穩定,使每個卡齒平均受力,降低不必要的危險,必須在工作時讓這12個推動液壓缸一起運動;然后再讓12個夾緊液壓缸一起運動.本設計只考慮一組液壓系統.

綜合以上的各個液壓系統回路,基本確定本次設計的液壓原理圖如圖3所示.

圖3 液壓系統原理

圖3中,液壓油經吸油過濾器、液壓泵、高壓過濾器、單向閥進入電磁換向閥10,此時DT1得電,液壓油進入電磁換向閥16.1和比例方向閥17.1、17.2 、17.3,DT3、DT5 、DT7、DT9 得電,4 個推動液壓缸開始同步運動,完成推動動作,其中節流閥節流調速,保證運動的平穩性;隨著推動液壓缸推動卡爪與齒條嚙合,系統的壓力會不斷增大,當增大到順序閥11.1的調定壓力時,閥門打開,液壓油進入電磁換向閥 16.2和比例方向閥 17.4、17.5、17.6,DT11、DT13、DT15、DT17 得電,4 個夾緊液壓缸開始同步運動,推動楔塊夾緊,蓄能器和液壓鎖實現保壓,平衡閥19.1、19.3保證因為重力原因造成的運動不平穩;當夾緊動作完成后,液壓缸要退回來時,DT2得電,DT12、DT14、DT16、DT18也得電,4 個夾緊液壓缸完成同步退回動作,平衡閥19.2、19.4保證因為重力原因造成的運動不平穩;當運動到終點時,液壓油會退回來,系統壓力會升高到順序閥11.2 的調定壓力,閥門打開 ,DT4、DT6、DT8、DT10得電,4個推動液壓缸完成同步退回動作,單向節流閥在出油口節流調速,保證運動的平穩性.其中小型直動式溢流閥的緩沖回路是為了保證系統工作的安全性,比例方向閥的同步回路是為了保證液壓缸的同步運動[4].

3 鎖緊裝置的建模仿真

為了更形象地描述液壓缸的運動,也為了試驗所設計的鎖緊裝置是否合理,本文采用Solidworks軟件和3D Studio Max軟件對鎖緊裝置的運動進行仿真.

3.1 鎖緊裝置零件的建模

在Solidworks2007的軟件環境下建立模型的基本步驟如下:1)根據查閱資料估計各個零件的尺寸,按新建—零件—草繪—拉伸(剪切)—旋轉—選擇新平面—草繪—成型;2)將設計出的零件按相關約束進行裝配至裝配體形成.

3.2 鎖緊裝置的動畫仿真

由于鎖緊裝置的某些運動在 Solidworks2007軟件的環境下無法實現,因此在本設計中采用3D Studio Max軟件來實現這一運動.

在本設計中鎖緊裝置的運動主要包括4個過程:1)推動液壓缸推動卡爪與齒條嚙合;2)夾緊液壓缸推動楔塊與卡爪夾緊;3)夾緊液壓缸推動楔塊與卡爪分離;4)推動液壓缸推動卡爪與齒條分離,即回到原始位置(圖4顯示的是鎖緊裝置鎖緊的時刻).

圖4 鎖緊裝置鎖緊

4 結束語

鎖緊裝置系統本身的設計不是十分復雜,但是在惡劣的環境、頻繁的工作狀態下,與海洋鉆井平臺安全性、穩定性、高效性密切相關.本文設計的鎖緊裝置在結構上簡化了平臺,不僅更安全而且節約經濟成本,仿真完善了設計的不足,達到了預期目的.

[1]李克向.鉆井手冊(甲方)[M].北京:石油工業出版社,1990.

[2]佚名.美國鉆井手冊[M].陳理中譯.北京:石油工業出版社,1980.

[3]李壯云.液壓元件與系統[M].北京:機械工業出版社,2005.

[4]明仁雄,萬會雄.液壓與氣壓傳動[M].北京:國防工業出版社,2003.