基于AMESim的90 m自升式海洋平台液压升降系统平衡回路的仿真分析

魏 卓，李德堂，胡星辰，金豁然，吕 沁，唐文涛

（浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山 316022）

基于AMESim的90 m自升式海洋平台液压升降系统平衡回路的仿真分析

魏 卓，李德堂，胡星辰，金豁然，吕 沁，唐文涛

（浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山 316022）

针对自升式海洋平台的液压升级系统在升降过程中会出现的，因平衡回路故障导致桩腿超速失锁下滑，平台受到很大冲击稳定性被破坏甚至倾覆的现象，本文根据90 m自升式海洋平台液压升降系统的结构原理，利用amesim仿真软件建立了液压平衡回路的仿真模型，通过给定模拟信号，对平台升降时不同负载状态下平衡回路的稳定性进行了仿真分析，并与一般的单向顺序阀平衡回路进行了比较，得出平衡回路反应迅速，能够保证升降系统安全稳定的运行，且对回路的冲击有缓冲稳定的作用。对平衡回路的设计和优化有一定的参考价值。

海洋平台；AMESim；平衡回路；顺序阀

90 m海洋平台的升降系统有举重上行、承载静止和负载下降三个基本工况，平衡回路主要在承载静止和负载下降阶段起作用。因此，平衡回路需要满足在静止时保证系统的执行机构被锁紧，在下降时避免其超速下降，使速度稳定可控。平衡回路也是一种特殊的锁紧回路，高速重载且对速度稳定性有一定要求的系统，一定要采用平衡阀作为闭锁元件使用，不能为了追求低成本而采用双向液压锁[3]。若平衡回路故障，升降系统的执行机构会由于自重而自行下落，或者负载下降时超速失锁，对系统造成极大的冲击和振动，极大的影响平台的工作质量和安全[4]。因此，对于液压升降系统平衡回路的仿真分析很有必要。

1 升降系统组成和工作原理

本文升降系统的仿真分析基于90 m海洋工程平台工程项目。90 m动力定位自升式海洋工程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5～60 m水深的海域作业。平台现场图如图1所示。

图1 90 m自升式海洋平台Fig.1 90 m jack up offshore platform

90 m海洋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个爬升装置，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个小齿轮，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小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 系统主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of the system

90 m动力定位自升式海洋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，工作原理如图2所示。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汽油的勘探工作。

图2 液压升降系统原理图Fig.2 Hydraulic lifting system schematic

2 AMESim的仿真模型建立

AMESim为多学科领域复杂系统建模仿真平台。用户可以在这个单一平台上建立复杂的多学科领域的系统模型，并在此基础上进行仿真计算和深入分析，也可以在这个平台上研究任何元件或系统的稳态和动态性能。AMESim处于不断的快速发展中，现有的应用库有：机械库、信号控制库、液压库（包括管道模型）、液压元件设计库（HCD）、动力传动库、液阻库、注油库（如润滑系统）、气动库（包括管道模型）、电磁库、电机及驱动库、冷却系统库、热库、热液压库（包括管道模型）、热气动库、热液压元件设计库（THCD）、二相库、空气调节系统库[5-6]。

按照液压升降系统的原理图（图2），利用仿真软件AMESim建立液压升降系统的仿真回路[7]，其主要由液压应用库中的HYD库中的液压元件模型块组成，如图3所示。其仿真参数设置见表2。

表2 系统仿真参数的设置Tab.2 System simulation parameters setting

图3 液压回路的仿真模型Fig.3 Simulation model of hydraulic circuit

图3中5号马达油路为内外控结合单向顺序阀的平衡回路，与其他一般单向顺序阀的平衡回路作对比。

3 仿真结果的分析

利用AMESim软件仿真分析的结果如图4～8所示。由图4～7分析可知：

（1）分析液压马达输出端的扭矩，可知内外控结合单向顺序阀的平衡回路的扭矩曲线初始时波动相对较小，扭矩更加稳定。两者的扭矩曲线都比较稳定，在加载后的0.6 s左右就能达到稳定状态，对回路的冲击反应迅速，且能起到很好的稳定作用。

（2）分析液压马达轴的旋转加速度，可知在初始阶段，内外控单向顺序阀的平衡回路的加速度曲线更加平稳，其他时刻两者基本一致。

（3）分析液压马达的输出流量速率，可知一般单向顺序阀的输出流量波动较大，而内外控顺序阀的波动很小，相对更加稳定。

图4 扭矩的信号源Fig.4 Torque signal source

图5 液压马达输出端的扭矩Fig.5 Torque at the output end of the hydraulic motor

图6 液压马达轴的旋转加速度Fig.6 Rotary acceleration of hydraulic motor shaft

图7 液压马达的输出流量速率Fig.7 Output flow rate of hydraulic motor

由图8可知，负载变化时两种回路的扭矩曲线波动都比较稳定，内外控结合单向顺序阀的平衡回路相对波动更加平缓，应对平台的冲击有更好的缓冲作用。

图8 负载变化时两种回路的扭矩曲线Fig.8 Torque curve of two kinds of loops when load changes

4 结论

文章介绍了90 m自升式海洋平台液压升降系统的结构原理，利用AMESim仿真软件建立了液压平衡回路的仿真模型。通过仿真分析得出：相比一般的单向顺序阀平衡回路，该液压升降系统的内外控结合单向阀的平衡回路反应迅速，能够保证升降系统安全稳定的运行，且对回路的冲击有缓冲稳定的作用。其结果对于海洋平台液压升降系统平衡回路的优化起到较好的参考作用。

[1]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):23-26.

[2]吴振芳，厉 军.平衡阀和双向液压锁的正确选用[J].建筑机械，2007(13):89-90.

[3]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):93-97.

[4]孟祥伟.自升式平台支撑升降系统结构设计研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2011.

[5]苏秀平.液压平衡回路的发展与应用[J].矿山机械,2010(20):49-53.

[6]付永领,齐海涛.AMESim系统建模和仿真实例教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011．

[7]苑兆腾,郭津津,陈盼盼,等.基于AMESim的螺纹插装式平衡阀动态特征的仿真分析[J].起重运输机械,2007(9):53-57.

The Simulation and Analysis of the Counterbalance Circuit of 90 m Offshore Platform Hydraulic Lifting System based on AMESim

WEI Zhuo,LI De-tang,HU Xing-chen,et al
(School of Naval Architecture and Mechanical-Electrical Engineering of Zhejiang Ocean University,Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province,Zhoushan 316022)

This paper introduces the structure principle of the hydraulic lift system of the 90 m jack up offshore platform,the simulation model of hydraulic balance circuit is established through AMESim simulation software.Through the simulation of the signal is given,the stability of the equilibrium loop of the platform is simulated.Then analysis it and compare with the general one way valve counterbalance circuit.Simulation results show that:the reaction is quick,and it can ensure the safe and stable operation of the lifting system.It has certain reference value for the design and optimization of the balance circuit.

offshore platform;AMESim;the counterbalance circuit;one-way sequence valve

U674.381

A

1008-830X(2016)04-0342-04

2016-05-03

国家海洋经济创新发展区域示范项目财建（[2013]710号）；舟山市科技计划项目（2014C41013）；浙江省自然科学基金（LY14E090003；Y5100180）

魏卓（1992-），男，湖北天门人，硕士研究生，研究方向：船舶与海洋工程及海洋新能源开发.E-mail:645049818@qq.com

李德堂（1965-），男，山东莱州人，教授级高级工程师，研究方向：船舶与海洋工程及海洋新能源开发.E-mail:Lidetang2008@163.com