一种天车补偿装置锁定导向系统结构设计方法专利检索-二系悬挂机车车辆专利检索查询-专利查询网

一种天车补偿装置锁定导向系统结构设计方法

阅读：182发布：2023-03-11

专利汇可以提供一种天车补偿装置锁定导向系统结构设计方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种天车升沉补偿装置锁定导向系统结构设计方法，包括以下步骤：S1、整体方案设计，包括以下子步骤：S1‑1、锁定液压回路设计总体方案，分别设计液压缸、具备液控单向阀的液压锁定回路、三位四通换向阀、内控内泄直动型顺序阀以及单向变量液压泵；S1‑2、导向装置设计总体方案；S2、液压支撑缸参数设计；S3、液压系统回路设计；S4、液压回路仿真分析；S5、导向装置设计与强度分析。本发明的优点在于：由液压系统回路设计方法和导向装置设计方法两大部分，增强改进了液压系统回路和导向装置，避免了深水钻井作业过程中补偿系统由于环境冲击载荷造成的活塞窜动等稳定性问题，提升了天车升沉补偿装置的稳定性和补偿效率。，下面是一种天车补偿装置锁定导向系统结构设计方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种天车升沉补偿装置锁定导向系统结构设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、整体方案设计；
S2、液压支撑缸参数设计；
S3、液压系统回路设计；
S4、液压回路仿真分析；
S5、导向装置设计与强度分析；
步骤S1中，整体方案设计包括以下子步骤：
S1-1、锁定液压回路设计总体方案：分别设计液压缸、具备液控单向阀的液压锁定回路、三位四通换向阀、内控内泄直动型顺序阀以及单向变量液压泵；
S1-2、导向装置设计总体方案：采用导向轮与类似工字钢结构的直线导轨相互配合的形式；
步骤S2中，液压支撑缸参数设计包括以下子步骤：
S2-1、液压回路原理设计：根据步骤S1中整体方案设计，结合采用齿轮齿条机械驱动式的主动补偿方式特点，设计双液压支撑系统原理图，考虑浮动天车在海洋钻井作业过程中所形成的负载极大，使用液压支撑缸在齿轮齿条主动机械补偿过程提供液压推力，保证运动补偿系统的正常工作，然后进行双液压支撑装置设计；
S2-2、液压支撑缸结构参数设计：通过对液压缸进行受力平衡方程可得到液压支撑缸无杆腔所受压力为液压支撑缸有杆腔内压力和浮动天车负载之和，该力用于天车升沉补偿装置的运动补偿过程中；
S2-3、气液储能器结构参数设计：通过设计的液压支撑缸缸体内径可得到液压支撑缸内无杆腔面积；当天车升沉补偿装置处于锁定平衡状态时，即液压支撑缸承载起浮动天车悬挂静载荷，则可计算得到一组液压支撑缸缸内无杆腔的初始压力；通过初始压力、两组液压支撑缸的无杆腔内液压介质体积之和以及气体状态方程可得到储气罐体积；设计当液压支撑缸中活塞杆完全伸出时，气液蓄能器释放所存储能量全部用来提供被动支撑力，得到机械驱动机构的主动驱动力；考虑浮式平台最大升沉运动可得到液压系统最大流量及油管内径；
S2-4、刚度及阻尼设计：通过气液蓄能器中气体对活塞的压力等于被压缩气体的弹性恢复力，可得到蓄能器中气液弹簧刚度系数，同时通过计算液压缸中液体的粘性阻尼力所引起压力损失，可得到液压支撑缸内液体粘性阻力系数。
2.根据权利要求1所述的一种天车升沉补偿装置锁定导向系统结构设计方法，其特征在于：步骤S3中，液压系统回路设计包括以下子步骤：
S3-1、液压支撑缸中液压系统回路总体设计：采用三位四通电液比例换向阀作为连接液压支撑缸有杆腔压力和单向变量液压泵出口压力的控制阀；
S3-2、液压锁定回路设计：液压系统回路中的二位二通液压先导控制换向阀处设置两组组合式液压锁定/减速阀，此两组组合式液压锁定/减速阀组合能够使得浮动天车及其所悬挂负载在升沉补偿路径中的任意位置被锁定。
3.根据权利要求2所述的一种天车升沉补偿装置锁定导向系统结构设计方法，其特征在于：步骤S4中，液压回路仿真分析具体包括以下步骤：利用工程系统仿真建模环境，并根据S2-2～S2-4中所设计的模型参数建立液压回系统仿真模型并求解，根据仿真结果分析经液压支撑缸提供被动支撑力补偿后的浮动天车运动参数随时间变化规律；若运动位移范围小于浮式钻井平台最大升沉运动幅值，则计算出补偿效率并进行步骤S5；若运动位移范围等于或大于浮式钻井平台最大升沉运动幅值，则返回重新设计计算S2-2～S2-4中的参数以增大液压支撑缸提供的被动支撑力。
4.根据权利要求1所述的一种天车升沉补偿装置锁定导向系统结构设计方法，其特征在于：步骤S5中，导向装置设计与强度分析包括以下子步骤：
S5-1、导向结构功能对比与选择：结合天车升沉补偿装置在运动过程中对导向装置的功能和结构要求采用导向轮与类似工字钢结构的直线导轨相互配合的形式和对称布置设计导向装置，并且选择轮轨导向装置作为天车升沉补偿装置导向装置设计的初始结构方案；
S5-2、导向装置详细结构设计：根据对滚轮和轨道的设计标准要求，考虑所选择浮动天车的轴向长度、液压支撑缸活塞杆的外径、安装框架立柱的尺寸设计以及浮式钻井平台顶部钻井井架的高度限制等因素影响，对导向装置进行结构设计，分别设计计算包括轨高、轨宽、头宽、头高、腰高、底高、腰厚和导向轮尺寸以及匹配参数在内的导向轮、导轨基本尺寸参数；
S5-3、导向装置力学分析与仿真研究：选取一组导向轮和工字型直线导轨作为研究对象，建立起力学分析模型，然后根据力学分析模型建立导向装置三维模型并进行有限元仿真分析，根据仿真结构分析不同位置处主应变和米塞斯应力及其应变响应规律，进行导向装置中导轨响应仿真研究，分析导轨与导向轮接触区域不同位置处主应变和米塞斯应力以及应变响应规律。

说明书全文

一种天车补偿装置锁定导向系统结构设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及深水钻井作业技术领域，特别是一种天车升沉补偿装置锁定导向系统结构设计方法。

背景技术

[0002] 升沉补偿装置是海洋作业，特别是深水钻井作业中不可或缺的装置系统。我国对升沉补偿相关技术的研究和应用起步较晚，升沉补偿装置及其配套系统的研究体系还未完善，目前国内暂时还没有相关厂家能生产出满足现场使用要求的升沉补偿装置及其配套产品，导致我国已拥有的深水半潜式平台或钻井船上所使用的升沉补偿系统，都需要从国外高价进口并负担巨大的维护成本。随着我国石油勘探开发逐渐向深海海域进行战略转移，对相应钻采装备的使用和技术要求也越来越高，迫使我国加大对自主海洋石油装备的研发力度，近几年来，国内高校和石油装备制造厂家针对升沉补偿系统展开了相关课题研究，并取得了一定的技术成果。随着我国迈向深海的步伐日益加快，升沉补偿系统的研究仍是我国海洋石油装备必须要解决的技术难点问题。因此，深入研究和设计制造出具有自主知识产权的深水浮式钻井平台专用升沉补偿系统，已成为海洋油气钻采技术的重中之重。

[0003] 在天车升沉补偿运动过程中，有些钻井作业需要浮动天车被锁定在某一固定高度位置，便于作业过程中的上、卸扣等操作流程的进行，但浮动天车往往可能会因为锁定停止后因外界因素产生窜动而出现稳定性问题；同时，浮动天车在升沉补偿运动过程中，由于动力端采用了机械驱动方式，会使位于钻井井架顶端内的浮动天车产生摇摆，不利于运动补偿过程的平稳进行，因此需要改进天车补偿装置中原有的液压缸并增设导向装置。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种天车升沉补偿装置锁定导向系统结构设计方法，该方法由液压系统回路设计方法和导向装置设计方法两大部分，通过设计带液压锁定回路的液压系统和机械驱动浮动天车式对称工字钢导向系统对现有导向系统进行增强改进，提升了天车升沉补偿装置的稳定性和补偿效率。

[0005] 本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种天车升沉补偿装置锁定导向系统结构设计方法，包括以下步骤：

[0006] S1、整体方案设计；

[0007] S2、液压支撑缸参数设计；

[0008] S3、液压系统回路设计；

[0009] S4、液压回路仿真分析；

[0010] S5、导向装置设计与强度分析。

[0011] 步骤S1中，整体方案设计包括以下子步骤：

[0012] S1-1、锁定液压回路设计总体方案：分别设计液压缸、具备液控单向阀的液压锁定回路、三位四通换向阀、内控内泄直动型顺序阀以及单向变量液压泵；

[0013] S1-2、导向装置设计总体方案：采用导向轮与类似工字钢结构的直线导轨相互配合的形式。

[0014] 步骤S2中，液压支撑缸参数设计包括以下子步骤：

[0015] S2-1、液压回路原理设计：根据步骤S1中整体方案设计，结合采用齿轮齿条机械驱动式的主动补偿方式特点，设计双液压支撑系统原理图，考虑浮动天车在海洋钻井作业过程中所形成的负载极大，使用液压支撑缸在齿轮齿条主动机械补偿过程提供液压推力，保证运动补偿系统的正常工作，然后进行双液压支撑装置设计；

[0016] S2-2、液压支撑缸结构参数设计：通过对液压缸进行受力平衡方程可得到液压支撑缸无杆腔所受压力为液压支撑缸有杆腔内压力和浮动天车负载之和，该力用于天车升沉补偿装置的运动补偿过程中；

[0017] S2-3、气液储能器结构参数设计：通过设计的液压支撑缸缸体内径可得到液压支撑缸内无杆腔面积；当天车升沉补偿装置处于锁定平衡状态时，即液压支撑缸承载起浮动天车悬挂静载荷，则可计算得到一组液压支撑缸缸内无杆腔的初始压力；通过初始压力、两组液压支撑缸的无杆腔内液压介质体积之和以及气体状态方程可得到储气罐体积；设计当液压支撑缸中活塞杆完全伸出时，气液蓄能器释放所存储能量全部用来提供被动支撑力，得到机械驱动机构的主动驱动力；考虑浮式平台最大升沉运动可得到液压系统最大流量及油管内径；

[0018] S2-4、刚度及阻尼设计：通过气液蓄能器中气体对活塞的压力等于被压缩气体的弹性恢复力，可得到蓄能器中气液弹簧刚度系数，同时通过计算液压缸中液体的粘性阻尼力所引起压力损失，可得到液压支撑缸内液体粘性阻力系数。

[0019] 步骤S3中，液压系统回路设计包括以下子步骤：

[0020] S3-1、液压支撑缸中液压系统回路总体设计：采用三位四通电液比例换向阀作为连接液压支撑缸有杆腔压力和单向变量液压泵出口压力的控制阀，相比较仅采用泵控方式的液压回路，由于在天车升沉补偿装置的运动补偿过程中，液压泵有时会出现入口进油压力大于出口液压支撑缸有杆腔内液压油压力的情况，使得液压泵的工作工况转变为带动电动机处于发电状态的液压马达工况，此过程中会将一部分能量消耗在电动机电阻发热上，降低了系统能量利用率和电动机的可靠性；然后分别将浮动天车负载、液压支撑缸、液压支撑缸无杆腔压力计、液压支撑缸有杆腔压力计、二通盖板式插装阀一、二位二通液压先导控制换向阀、三位四通电液比例换向阀、二通盖板式插装阀二、二位二通电磁换向阀、电动机、背压阀、截止阀、蓄能器、单向变量液压泵、直动型溢流阀、液压油箱按照对两组液压支撑缸的有杆腔调节采用泵控加阀控的控制方式设计液压支撑缸液压系统回路；

[0021] S3-2、液压锁定回路设计：液压系统回路中的二位二通液压先导控制换向阀处设置两组组合式液压锁定/减速阀，此两组组合式液压锁定/减速阀组合能够使得浮动天车及其所悬挂负载在升沉补偿路径中的任意位置被锁定。

[0022] 步骤S4中，液压回路仿真分析具体包括以下步骤：利用工程系统仿真建模环境，并根据根据S2-2～S2-4中所设计的模型参数建立液压回系统仿真模型并求解，根据仿真结果分析经液压支撑缸提供被动支撑力补偿后的浮动天车运动参数随时间变化规律；若运动位移范围小于浮式钻井平台最大升沉运动幅值，则计算出补偿效率并进行步骤S5；若运动位移范围等于或大于浮式钻井平台最大升沉运动幅值，则返回重新设计计算S2-2～S2-4中的参数以增大液压支撑缸提供的被动支撑力。

[0023] 步骤S5中，导向装置设计与强度分析包括以下子步骤：

[0024] S5-1、导向结构功能对比与选择：结合天车升沉补偿装置在运动过程中对导向装置的功能和结构要求采用导向轮与类似工字钢结构的直线导轨相互配合的形式和对称布置设计导向装置，并且选择轮轨导向装置作为天车升沉补偿装置导向装置设计的初始结构方案；

[0025] S5-2、导向装置详细结构设计：根据对滚轮和轨道的设计标准要求，考虑所选择浮动天车的轴向长度、液压支撑缸活塞杆的外径、安装框架立柱的尺寸设计以及浮式钻井平台顶部钻井井架的高度限制等因素影响，对导向装置进行结构设计，分别设计计算包括轨高、轨宽、头宽、头高、腰高、底高、腰厚等和导向轮尺寸以及匹配参数在内的导向轮、导轨基本尺寸参数；

[0026] S5-3、导向装置力学分析与仿真研究：选取一组导向轮和工字型直线导轨作为研究对象，建立起力学分析模型，然后根据力学分析模型建立导向装置三维模型并进行有限元仿真分析，根据仿真结构分析不同位置处主应变和米塞斯应力及其应变响应规律，进行导向装置中导轨响应仿真研究，分析导轨与导向轮接触区域不同位置处主应变和米塞斯应力以及应变响应规律。

[0027] 本发明具有以下优点：

[0028] 1、本发明考虑到浮动天车在海洋钻井作业过程中所形成的负载极大，设计了有能够缓冲载荷和紧急锁定功能的液压缸支撑装置，保证了运动补偿系统的正常工作，避免因外界环境的扰动而造成活塞的窜动以及补偿系统可能会出现的因为冲击载荷以及造成的支撑稳定性等问题。

[0029] 2、本发明可以根据不同天车升沉补偿系统工作环境设计不同结构参数的液压支撑系统，提高了天车升沉补偿系统的适应性。

[0030] 3、本发明引入液压回路仿真分析析和导向装置力学分析和仿真研究，明确了支撑力随时间变化参数并验证了液压回路的强度和导向装置的结构强度，提高了锁定导向机构设计结果的可靠性。从而达到提高天车补偿装置的补偿效率和可靠性的目的。附图说明

[0031] 图1 为本发明原理示意图。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

[0033] 如图1所示，一种天车升沉补偿装置锁定导向系统结构设计方法，包括以下步骤：

[0034] S1、整体方案设计；

[0035] S2、液压支撑缸参数设计；

[0036] S3、液压系统回路设计；

[0037] S4、液压回路仿真分析；

[0038] S5、导向装置设计与强度分析。

[0039] 步骤S1中，整体方案设计包括以下子步骤：

[0040] S1-1、锁定液压回路设计总体方案：分别设计液压缸、具备液控单向阀的液压锁定回路、三位四通换向阀、内控内泄直动型顺序阀以及单向变量液压泵；

[0041] S1-2、导向装置设计总体方案：采用导向轮与类似工字钢结构的直线导轨相互配合的形式。

[0042] 步骤S2中，液压支撑缸参数设计包括以下子步骤：

[0043] S2-1、液压回路原理设计：根据步骤S1中整体方案设计，结合采用齿轮齿条机械驱动式的主动补偿方式特点，设计双液压支撑系统原理图，考虑浮动天车在海洋钻井作业过程中所形成的负载极大，使用液压支撑缸在齿轮齿条主动机械补偿过程提供液压推力，保证运动补偿系统的正常工作，然后进行双液压支撑装置设计；

[0044] S2-2、液压支撑缸结构参数设计：通过对液压缸进行受力平衡方程可得到液压支撑缸无杆腔所受压力为液压支撑缸有杆腔内压力和浮动天车负载之和，该力用于天车升沉补偿装置的运动补偿过程中；

[0045] S2-3、气液储能器结构参数设计：通过设计的液压支撑缸缸体内径可得到液压支撑缸内无杆腔面积；当天车升沉补偿装置处于锁定平衡状态时，即液压支撑缸承载起浮动天车悬挂静载荷，则可计算得到一组液压支撑缸缸内无杆腔的初始压力；通过初始压力、两组液压支撑缸的无杆腔内液压介质体积之和以及气体状态方程可得到储气罐体积；设计当液压支撑缸中活塞杆完全伸出时，气液蓄能器释放所存储能量全部用来提供被动支撑力，得到机械驱动机构的主动驱动力；考虑浮式平台最大升沉运动可得到液压系统最大流量及油管内径；

[0046] S2-4、刚度及阻尼设计：通过气液蓄能器中气体对活塞的压力等于被压缩气体的弹性恢复力，可得到蓄能器中气液弹簧刚度系数，同时通过计算液压缸中液体的粘性阻尼力所引起压力损失，可得到液压支撑缸内液体粘性阻力系数。

[0047] 步骤S3中，液压系统回路设计包括以下子步骤：

[0048] S3-1、液压支撑缸中液压系统回路总体设计：采用三位四通电液比例换向阀作为连接液压支撑缸有杆腔压力和单向变量液压泵出口压力的控制阀，相比较仅采用泵控方式的液压回路，由于在天车升沉补偿装置的运动补偿过程中，液压泵有时会出现入口进油压力大于出口液压支撑缸有杆腔内液压油压力的情况，使得液压泵的工作工况转变为带动电动机处于发电状态的液压马达工况，此过程中会将一部分能量消耗在电动机电阻发热上，降低了系统能量利用率和电动机的可靠性；然后分别将浮动天车负载、液压支撑缸、液压支撑缸无杆腔压力计、液压支撑缸有杆腔压力计、二通盖板式插装阀一、二位二通液压先导控制换向阀、三位四通电液比例换向阀、二通盖板式插装阀二、二位二通电磁换向阀、电动机、背压阀、截止阀、蓄能器、单向变量液压泵、直动型溢流阀、液压油箱按照对两组液压支撑缸的有杆腔调节采用泵控加阀控的控制方式设计液压支撑缸液压系统回路；

[0049] S3-2、液压锁定回路设计：液压系统回路中的二位二通液压先导控制换向阀处设置两组组合式液压锁定/减速阀，此两组组合式液压锁定/减速阀组合能够使得浮动天车及其所悬挂负载在升沉补偿路径中的任意位置被锁定。

[0050] 步骤S4中，液压回路仿真分析具体包括以下步骤：利用工程系统仿真建模环境，并根据根据S2-2～S2-4中所设计的模型参数建立液压回系统仿真模型并求解，根据仿真结果分析经液压支撑缸提供被动支撑力补偿后的浮动天车运动参数随时间变化规律；若运动位移范围小于浮式钻井平台最大升沉运动幅值，则计算出补偿效率并进行步骤S5；若运动位移范围等于或大于浮式钻井平台最大升沉运动幅值，则返回重新设计计算S2-2～S2-4中的参数以增大液压支撑缸提供的被动支撑力。

[0051] 步骤S5中，导向装置设计与强度分析包括以下子步骤：

[0052] S5-1、导向结构功能对比与选择：结合天车升沉补偿装置在运动过程中对导向装置的功能和结构要求采用导向轮与类似工字钢结构的直线导轨相互配合的形式和对称布置设计导向装置，并且选择轮轨导向装置作为天车升沉补偿装置导向装置设计的初始结构方案；

[0053] S5-2、导向装置详细结构设计：根据《机械设计手册》中对滚轮和轨道的设计标准要求，考虑所选择浮动天车的轴向长度、液压支撑缸活塞杆的外径、安装框架立柱的尺寸设计以及浮式钻井平台顶部钻井井架的高度限制等因素影响，对导向装置进行结构设计，分别设计计算包括轨高、轨宽、头宽、头高、腰高、底高、腰厚等和导向轮尺寸以及匹配参数在内的导向轮、导轨基本尺寸参数；

[0054] S5-3、导向装置力学分析与仿真研究：选取一组导向轮和工字型直线导轨作为研究对象，建立起力学分析模型，然后根据力学分析模型建立导向装置三维模型并进行有限元仿真分析，根据仿真结构分析不同位置处主应变和米塞斯应力及其应变响应规律，进行导向装置中导轨响应仿真研究，分析导轨与导向轮接触区域不同位置处主应变和米塞斯应力以及应变响应规律。

[0055] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

标题	发布/更新时间	阅读量
米轨动车组转向架二系空簧超外侧悬挂机构	2020-05-12	918
一种多转向架轨道车辆二系四支点悬挂结构	2020-05-12	99
一种高速列车二系悬挂半自动控制装置	2020-05-12	800
一种二系悬挂空气弹簧系统故障的在线诊断方法和装置	2020-05-12	427
一种用于100%低地板有轨电车的二系高圆簧悬挂装置	2020-05-12	127
城轨车辆二系悬挂空气弹簧装置	2020-05-11	268
一种轨道车辆准零刚度二系悬挂系统	2020-05-11	466
一种用于机车二系悬挂的应急弹簧	2020-05-11	926
二系悬挂空气弹簧装置	2020-05-11	371
二系弹性悬挂装置	2020-05-11	574

一种天车补偿装置锁定导向系统结构设计方法

一种天车补偿装置锁定导向系统结构设计方法

技术领域

背景技术

发明内容

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：