90m自升式海上平台液压升降系统仿真分析

金豁然，李德堂，胡星辰，魏 卓，杨尊儒

（1. 浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江 舟山 316022；2. 浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江 舟山 316022）

设计与研究

90m自升式海上平台液压升降系统仿真分析

金豁然1，2，李德堂1，2，胡星辰1，2，魏 卓1，2，杨尊儒1，2

（1. 浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江 舟山 316022；2. 浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江 舟山 316022）

利用AMEsim软件对90m自升式海上平台液压升降系统建模。通过给定模拟信号，针对平台安全需求，对平台额定、预压和提升齿轮失效升降工况进行仿真，重点分析了液压系统中马达的性能。仿真结果表明：在预压工况和单只提升齿轮失效工况下，液压系统运行安全平稳，各马达的性能均能满足要求，拥有足够的扭矩和转速，能够安全可靠地驱动提升齿轮同步动作，带动平台主体或桩腿工作，验证了该系统设计的合理性。

海上平台；AMEsim软件；液压升降；提升齿轮失效；预压载

0　引言

海洋中蕴藏着丰富的油气资源，海洋石油开发已是当今世界的热点。油气资源的勘探大部分都需要依靠海上平台，而自升式海上钻井平台是目前应用最广泛的移动式钻井设施［1］。我国的自升式海上平台大多依靠进口，特别是作为自升式平台中核心部分的升降系统，几乎被国外生产厂家垄断，关键设备和技术掌握在国外厂商手里，严重制约着我国海洋油气的规模开发［2，3］。海上平台所处的海洋环境十分复杂和恶劣，海洋重大事故时有发生。据统计，约70%的事故均由升降系统引起，后果严重的会造成整个平台倾覆。因此，对自升式海上平台升降系统的仿真分析在其参数优化及故障防范方面显得尤为重要。

升降系统的升降装置安装在桩腿和平台主体之间，系统驱动升降装置使桩腿与主体之间相对上下运动，完成平台或桩腿的升降操作。自升式钻井平台的升降系统最常用的两类：齿轮齿条式和液压油缸顶升式［4］。其中齿轮齿条式升降具有可连续升降、速度快、操作灵活、平台消耗成本低等优点，因此自升式海上平台多采用齿轮齿条升降方式［5］。

1　90m海上平台简介

90m动力定位自升式海上平台主要由平台主体、桩腿、升降系统、修井系统等组成。平台主体由4根圆柱形桩腿支撑，是一座专为近海工程提供钻修井、完井、测井等辅助服务和海上油田作业的自升自航式多功能平台，适合于5～60m水深的海域作业。平台配有双舵桨系统，可实现自航功能，可在油田区域内灵活作业。船体总长78.8m，满载吃水3.0m，型长63.6m，型宽40m，型深5.8m，采用齿轮齿条式液压升降系统。海洋平台的三维模型见图1，桩腿升降装置见图2。

图1　90m海上平台结构模型

图2　桩腿升降装置

2　升降系统组成及液压系统工作原理

2.1 升降系统组成

90m海上平台升降系统为电动液压式升降系统，采用齿轮齿条升降方式，单桩配有14个提升齿轮，通过安装框架与船体连接。每个桩腿上设有2根齿条，每道齿条上配备有7个提升齿轮，单桩腿升降系统中共有14个马达油路并联，14个液压马达经减速机构带动提升齿轮同步动作执行平台主体或桩腿的升降，升降系统的主要参数见表1。

表1　升降系统主要技术参数

2.2 液压系统工作原理

90m自升式海上平台液压升降系统主要包括电动机、单向定量泵、溢流阀、单向阀、二位二通电磁换向阀、平衡阀组、液压马达、制动器、减速器等，工作原理见图3。系统设计有5个二位二通电磁换向阀，在给定信号的情况下，通过电磁阀通断控制系统液压油的流向，实现马达正反旋转。运行过程：阀7、阀8通过电磁开启，此时液压油经单向定量泵打出，通过阀8流经平衡阀，进入液压马达推动其正向转动，流出的油液通过阀7回流到油箱，实现平台主体的上升操作；同样，阀6、阀9开启，阀7、阀8关闭时，液压马达会执行反向旋转，实现平台主体的下降操作。

液压回路中的溢流阀3具有提供负荷保护和压力调定的作用：当压力达到设定值时，溢流阀打开进行卸荷，输出油液返回油箱。当阀5关闭时，平台处于锁定状态，油液通过溢流阀回油箱。另外，平衡阀用于锁定桩腿和平台，避免平台突然坠落。当平台达到指定位置时，系统中有电磁换向阀来执行卸荷功能，此时锁紧装置将平台主体固定，使平台能够在海上顺利完成海洋油气的勘探工作。

图3　液压升降系统原理

3　仿真建模

3.1 构建草图

AMEsim软件有4个工作模式，用户可以搭建草图，修改元件子模型，设置子模型的参数，进行仿真。在Sketch mode（草图模式）下，AMEsim软件中自带的HCD库、Mechanical库以及Signal、control库等可建立仿真模型。根据图3，建立 AMEsim软件的仿真回路（见图4）。每个桩腿上设有2根对称的齿条，每根齿条上配备有7个相同的液压马达回路，由于这些油路是并联关系，因此只对7个马达油路进行建模。

将液压系统仿真回路中的7个液压马达从左至右进行编号，分别记为液压马达1，2，…，7，相对应的7个扭矩信号源分别记为信号1，2，…，7。

3.2 子模型的选择

当搭建完成系统后，进入Submodel mode，给系统元件选择子模型。如果在草图模式中出现建模错误，或者回路没有完成，则系统不能进入Submodel mode［6］。本文在子模型模式下，运用Premier mode为液压系统中各个元件选择数学模型。

3.3 元件参数设置

Parameter mode是运行仿真之前最为重要的一步，在该模式下，需要根据实际情况自行调整各元件的参数。系统中各元件的参数设置十分关键，直接影响到整个系统的正确性和稳定程度。参数设置不合理，会直接导致仿真的间断。根据平台的技术参数，仿真参数的设置见表2，其他参数保持默认。

图4　液压升降系统仿真回路

表2　系统仿真参数的设置

3.4 仿真模式设置

切换到simulation mode，点击set the run parameters图标，运行run parameters 将final time 设置为20s，print interval设置为0.01s，此时系统将会运行1个周期。执行start a simulation命令，系统开始进行仿真，直至液压升降系统仿真成功，整个仿真过程结束。

4　仿真分析

4.1 研究对象

由于系统中液压马达的扭矩和转速对整个平台的升降有着直接关系，因此主要针对这两个数据进行分析研究。根据parameter mode（参数模式）中参数的设置，系统20s运行1个周期，在此过程中，液压油会推动液压马达执行正、反旋转，时间均为10s。

4.2 额定升降工况

自升式海上平台一般在承受船体自身重量和部分可变载荷情况下进行升降作业。进入仿真模式，运行仿真。在同一个绘图中同时对液压马达1，2，…，7七个液压马达的性能进行分析，扭矩和转速的仿真结果分别见图5、6。

图5　液压马达扭矩

图6　液压马达转速

由于与齿条相啮合的每一个提升齿轮都是独立转动，因此各提升齿轮间的载荷均匀性显得尤为重要。如果载荷分配不均匀，在升降过程中，可能会超出提升齿轮所承受的强度，造成提升齿轮断裂。

由图5、6可知，液压马达1，2，…，7的扭矩和转速特性曲线基本重合，同步性表现优良，提升齿轮和齿板受力比较均匀，提升齿轮的强度得以保证；分析得出，在平台主体的升降过程中，所有马达具有相同的转向和转速。扭矩和转速均在启动和转向瞬间出现较大的波动，但马达很快进入动平衡状态，波动时间极短，不会对马达造成冲突破坏，系统安全平稳性表现优良。

4.3 预压升降分析

自升式海上平台预压状态升降时，对升降系统的升降能力要求会提高［7］。液压马达承受的旋转负荷会增加，该工况下，对扭矩信号源进行重新设置，见表3。

表3　扭矩信号源参数设置

平台带载荷升降情况下，液压马达扭矩和转速的仿真结果见图7、8。

图7　带荷载马达扭矩

图8　带荷载马达转速

分析图7、8可知，预压载工况下，平台升降时，液压马达的扭矩会增加，速度变化较小。

4.4 提升齿轮失效升降分析

自升式海上平台在升降过程中，经常会出现单只提升齿轮发生断裂现象，特别是紧急情况下能不能继续升降，剩余的提升齿轮能不能满足安全升降要求，这些都需要进行仿真来验证。该工况下，设定液压马达motor7对应的提升齿轮失效，这时motor7不承受平台升降所需的扭转负荷，但驱动平台升降所需的总扭矩不变。

在Parameter mode下对扭矩信号源重新设置，具体设置见表4，其他参数均保持不变。

表4　扭矩信号源参数设置

重新切换到simulation mode，运行set the run parameters图标，运行仿真并绘制液压马达的扭矩和转速特性曲线见图9、10。

图9　提升齿轮失效后马达扭矩

图10　提升齿轮失效后马达转速

由图9与图10的对比分析可知，提升齿轮失效前，7个液压马达运行正常，且同步性表现良好；驱动失效发生时，失效端液压马达的扭矩→0，其他 6个液压马达扭矩增大，并且失效瞬间，扭矩波动十分剧烈，同样持续时间较短，马达的性能不受影响。马达驱动旋转负荷的总能力保持不变，可以满足平台应急情况下完成升降操作的需求。

由图10分析得，发生齿轮失效后，马达的旋转速度由正常工况下的178.49r/min下降到86.34r/min。在单只提升齿轮失效情况下，平台升降速度减小非常明显，但能够继续控制平台升降，使平台升降到安全位置，再进行安全检修。

4.5 仿真结果对比

液压升降系统马达仿真结果见表 5，仿真结果对平台液压升降系统的设计、分析以及参数优化具有一定的参考价值。

表5　液压马达的仿真结果

5　结语

针对90m海上平台的液压升降系统，使用AMEsim软件对其进行了建模，对多个升降工况进行了仿真分析，得出如下结论：

1） 使用AMEsim软件能够模拟和仿真海上平台液压升降系统提升齿轮失效和带荷载的应急升降工况，并且能够直观反映系统的动态特性；

2） 只要参数设置合理，系统运行能安全平稳，液压系统马达输出的扭矩、转速都会处于稳定状态，且同步性表现良好；

3） 马达的输出量在启动和换向过程中会出现较大的波动，但持续时间短，不影响其使用性能；

4） 在单只提升齿轮失效工况和带荷载升降工况下，液压系统仍运行稳定，平台能够完成应急升降的任务，验证了该系统设计的合理性。同时，仿真分析有利于保障海上平台升降系统安全平稳运作。

［1］ 罗宏志，蒙占彬. 国内深水自升式钻井平台发展概况［J］. 中国海洋平台，2010，25 （4）: 4-7.

［2］ 傅裕虎. “港海一”号自升式钻井平台升桩机构控制台系统［J］. 船舶，2012 （2）: 52-55.

［3］ 齐继阳，竺长安. 制造系统控制结构的现状和未来［J］. 江苏科技大学学报（自然科学版），2010，24 （1）: 56-59.

［4］ 孙东昌，潘斌. 海洋自升式移动平台设计与研究［M］. 上海：上海交通大学出版社，2008.

［5］ 孙永泰. 海洋平台液压升降系统仿真研究［J］. 海洋工程，2008，26 （1）: 93-94.

［6］ 惠纪庄，纪真，邹亚科. 基于AMESim的钻井泵液压系统动态特性仿真［J］. 石油机械，2009，37 （8）: 21-23.

［7］ 孙永泰. 自升式海洋平台齿轮齿条升降系统的研究［J］. 石油机械，2004，32 （10）: 23-27.

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年国家海洋经济创新发展区域示范项目；舟山市科技计划项目（2014C41013）

金豁然，男，硕士研究生，1990年生。研究方向为液压和船舶与海洋工程。