（机械工程专业论文）基于amesim的顶驱液压系统设计及数字化仿真.pdf

摘要 本文主要完成顶部驱动钻井设备液压系统的设计及仿真，其主要作用是辅助 顶驱完成接单根、立根，对电机主轴进行制动，及时封堵油路防止并喷，承担顶 驱重力等。研究取得如下成果： ( 1 ) 根据顶驱液压系统工作要求，设计了液压系统的控制回路图。针对 具体动作的受力和速度要求，计算活塞缸的尺寸、液压马达排量、各执行元件的 工作压力和流量，完成液压泵、电机的选型，以及蓄能器和叠加阀等相关液压附 件的设计。在此基础上完成p l c 电控系统的选型和设计。 ( 2 ) 根据顶驱用斜盘式轴向柱塞泵的内部结构及部件工作原理，建立了 轴向柱塞泵的数学模型，推导了单个柱塞运动模型，设计了基于a m e s i m 的部 件及整体仿真模型。通过模型仿真，确定调压阀的预紧力是影响最大出口压力的 主要因素，确定顶驱用斜盘式轴向柱塞泵工作时，调压阀预紧力的数值。 ( 3 ) 根据项驱液压系统设计结果，建立顶驱液压系统a m e s i m 仿真模型。 根据顶驱液压系统工作要求，对所设计的液压系统的七个动作进行仿真验证，得 到七个动作的工作数据。 上述研究成果不仅对顶驱液压系统搭建有指导意义，也为顶驱设备的数字化 制造奠定了基础。 舅蝴：顶驱，液压系统，轴向柱塞泵，l m e s i m ，仿真 a b s t r a ct i nt h i sp a p e r , t h eh y d r a u l i cs y s t e mo ft o pd r i v ei sd e s i g n e da n ds i m u l a t e d t h e m a i nr o l eo ft h es y s t e ma r ea s s i s t i n gt h et o pd r i v et om a k ec o n t e n t i o n ，b r a k i n gt h e s p i n d l e o fm o t o r , p l u g g i n go i lc i r c u i ta n dt a k i n gt h ew e i g h to ft o pd r i v e t h e f o l l o w i n gw o r kh a s b e e nc o m p l e t e d ： ( 1 ) t h eh y d r a u l i cs y s t e mc o n t r o l c i r c u i td i a g r a mo ft o pd r i v ei sd e s i g n e d a c c o r d i n gt oj o br e q u i r e m e n t s t h es i z eo f t _ h ep i s t o nc y l i n d e ra n dt h ed i s p l a c e m e n to f h y d r a u l i cm o t o ra r ec a l c u l a t e db a s e do nt h ef o r c ea n ds p e e dr e q u i r e m e n t s t h e h y d r a u l i cp u m p ，m o t o r , a c c u m u l a t o r , l a pv a l u e sa n do t h e rr e l a t e d a c c e s s o r i e sa r e d e s i g n e da n ds e l e c t e d t h ep r o g r a mo fp l cc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d b a s e do nt h e c a l c u l a t i o na n ds e l e c t i o n ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fs w a s 唧l a t ea x i a lp i s t o n p u m pu s e di nt o pd r i v e ，t h em a t h e m a t i c sm o d e lo fs w a s h l l a t ea x i a lp i s t o np u m p i se s t a b l i s h e d , t h em a t h e m a t i c sk i n e m a t i c sm o d e lo fap i s t o ni sd e r i v e d ，t h ea m e s i m m o d e l so ft h em a i np a r t sa n dt h ew h o l ep u m pa r es e tu p a f t e rp a r a m e t e r ss e t t i n ga n d m o d e l ss i m u l a t i n gb a s eo na m e s i mm o d e l ，t h ep r e l o a do fp r e s s u r er e g u l a t i n gv a l v e i sc o n s i d e r e dt ob et h em a i nf a c t o rt h a ti m p a c to u t l e tp r e s s u r e t h ep r e l o a do fp r e s s u r e r e g u l a t i n gv a l v ei sd e t e r m i n e df o rh y d r a u l i cs y s t e mo ft o pd r i v e ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ed e s i g no fh y d r a u l i cs y s t e m ，t h ea m e s i m s i m u l a t i o nm o d e l i se s t a b l i s h e d a f t e rs i m u l a t e dt h e w h o l ew o r kc o n d i t i o n a c c o r d i n g t o j o b r e q u i r e m e n t s ，a c t i o nd a t ao f t h es e v e nm o v e m e n t sa r eo b t a i n e d t h ea b o v er e s e a r c hn o to n l yp r o v i d eag u i d i n gt ot h ed e s i g no fh y d r a u l i cs y s t e m o fm et o pd r i v e ，b u ta l s oe s t a b l i s haf o u n d a t i o nf o rt h ed i g i t a lm a n u f a c t u r i n go ft o p f 1 一v e k e yw o r d s ：t o pd r i v e ，h y d r a u l i cs y s t e m ，s w a s h p l a t ea x i a lp i s t o n p u m p ，a m e s i m ，s i m u l a t i o n i i 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 石油作为现代工业的血液，对国民经济的发展具有十分重要的意义。顶驱作 为2 0 世纪8 0 年代刚兴起的钻井设备，现已成为钻井的主力。广阔的市场前景， 使顶驱越来越得到各国石油勘探开采设备商的重视。同时由于其在石油开采效率 和安全性上的有效改进，部分国家已在招投标中明确规定，若钻机不采用顶驱装 置，将不予中树1 l 。 顶驱除依靠电机驱动钻柱旋转，实现钻进动作外，顶驱本身还有许多与钻进 相关的动作，如从多个位置夹取钻杆、井喷紧急处理动作等直线运动或旋转运动。 若采用电机驱动，不仅对顶驱本体结构要求较高，而且多处安装电机对安全生产 也构成威胁。气压传动在原理上与液压传动相似，尽管气压传动可采用安全介质， 保证生产安全，但从生产效率和可靠性考虑，特别是气体可压缩性较大方面考虑， 不如液压稳定、可靠。从生产成本角度综合考虑，当前对顶驱旋转钻进的辅助动 作多采用液压传动 2 】。 1 2 国内外研究的现状 1 2 1 顶驱基本介绍 顶部驱动钻井系统( t o pd r i v ed r i l l i n gs y s t e m ，以下简称顶驱) 是将钻井驱动 装置的动力源由传统的转盘处转移到钻机上部的水龙头处，从井架空间的上部， 由电机经减速装置驱动钻柱旋转，同时沿着井架内的导轨运动，实现接立根或单 根、上卸扣、钻柱旋转钻进、倒划眼、循环钻井液等钻井操作的机械装置【3 j 。 如下图所示，典型顶驱机械结构主要由钻杆上卸扣总成、水龙头钻井马达 总成和导向滑车总成三部分组成。钻杆上卸扣总成主要由旋转头、吊环倾斜装置、 内防喷器( i b o p ) 、背钳组成，辅助顶驱完成钻杆更换、险隋应急处理等动作。 水龙头一钻井电动机总成主要由钻井电动机、刹车装置、减速箱、平衡装置、整 体式水龙头组成，顶驱钻进所需的钻井动力经减速箱输出到钻杆，实现旋转钻进 和制动以及钻井液的循环等动作。导向滑车总成由导轨、游车、提升绳索等组成， 实现顶驱的提升和下降动作【4 ，5 j 。 第一章绪论 吊杆 图1 - 1 典型项驱结构 钻 杆 上 卸 扣 总 成 石油天然气钻井勘探技术主要经历了机械顿钻法和旋转钻井法两个阶段。 1 9 0 1 年美国发明并将转盘旋转钻井法应用于石油工程领域，与传统的靠重力击 碎岩石、捞取碎屑的机械顿钻钻井法相比，尽管转盘旋转钻井法提高了工作效率， 但依旧存在问题。如只能用长度为9 6 米的单根旋转钻进，工作效率仍有提高空 间；起下钻时无法及时循环旋转，当遇到岩屑沉积或复杂地形时，容易卡钻 6 】。 1 9 8 2 年美国发明顶驱旋转钻井装置，次年新产品钻出一口深度3 2 0 0 米、斜度为 3 2 度的井后，顶驱装置迅速发展。与转盘装置相比，顶驱装置具有以下优剧7 】： ( 1 ) 缩短钻柱换接时间。转盘旋转钻进装置使用9 6 m 长钻杆，在被转盘旋 转的同时通过补方芯实现送进，顶驱则可以使用长度达2 8 m 的立根，缩短钻柱 换接时间。通常钻柱换接一次约用时1 0 分钟，每钻进3 0 0 m ，即可节约4 小时左 右的时间，极大提高工作效率【8 j 。 ( 2 ) 提高安全生产率。顶驱在减少钻柱换接时间时，倾斜装置还可与立根排 放器配合使用，迅速完成上卸扣动作，提高生产自动化程度，减少生产事故，保 证钻井操作员工安全。 ( 3 ) 减少卡钻发生。传统钻柱换接时，需要钻柱通过砂桥和缩径点，与水龙 装 头 箱 衡 车 达 龙 速 平 刹 马 水 减 厂，j、lllli 水龙头阽井马达总或 第一章绪论 头对接等操作，耗时较多，容易造成钻井岩屑淤积，顶驱换接时用时较短，可有 效减少卡钻事故。如发生卡钻事故，也可在任意高度与管子处理装置对接，开泵 循环钻井液。 ( 4 ) 有效应对井喷事故。起下钻时水龙头无需拆卸，仍在顶驱本体上。如遇 井喷事故，司钻可以通过内防喷器快速实现钻柱和水龙头的联通及时处置井喷事 故，减少钻井损失。与传统钻井机械在钻柱卸扣时，水龙头内的钻井液均自然流 出相比，顶驱内防喷器则通过截流阀保留钻井液，保持工作现场卫生。 图1 - 2 转盘式钻井现场和顶驱钻井现场 1 2 2 顶驱国内外发展现状 顶驱白1 9 8 2 发明并应用后，经过近3 0 年发展，国际主要顶驱生产厂商已有 美国和挪威发展到加拿大、英国以及法国等 9 。其中美国n a t i o n a lo i l v e l lv a r c o ( n o v ) 公司和b o w e n 公司，加拿大t e s c o 公司c a n r i g 公司，以及法国a c b 公 司和挪威m a r i t i m eh y d r a u l i c 公司是代表性企业。 美国n a t i o n a lo i l v e l lv a r c o ( n o v ) 的产品是当前世界上应用最广泛的产品之 一 1 0 - 1 3 。自1 9 8 2 年由其开发出水平放置直流电机型顶驱t d s 1 后，当年既研发 出当前通用的马达竖放型二代产品t d s 一2 ，但两者均未投入实际生产。直到1 9 8 3 年才开发出应用于实际生产的减速比为5 3 3 ：1 的t d s 3 型顶驱钻井系统，并制 定了行业标准，促进了顶驱行业的有序发展。随后开发了两速比( 高速比7 9 5 ：1 ， 低速比5 0 8 ：1 ) 的t d s 一4 型顶驱、临时性产品t d s 一5 型顶驱、具有大扭矩的 t d s 3 h 和t d s 一4 h 型顶驱。进入9 0 年代随着整体式水龙头的应用，据有跨时 代意义的t d s 3 s 和t d s 4 s 型整体式顶驱推向市场，而随着石油勘探开采深度 第一章绪论 的增加，具有更大驱动力矩的双马达驱动型顶驱t d s 6 s 得以开发研制。随着交 流顶驱技术发展，t d s 9 s a 型顶驱和提升能力为2 5 0 t 的轻便型t d s 1 0 s a 顶驱 投入市场。当前，该公司的主打产品是提升能力为5 0 0 t 的t d s 一1 1 s a 型顶驱。 由于其具有轻便、体积小( 系统高度5 4 m ) 、易于组装；液压系统内置于顶驱本 体上，压损较小；变频系统故障率低等特点，广泛应用于陆地中小型钻井平台上。 挪威m a r i t i m eh y d r a u l i c 公司作为早期项驱主要生产商，其产品在海洋钻井 平台上具有很大市场份额。p t d 一3 5 0 、p t d 一5 0 0 、d d m 6 5 0 h y ( 7 5 0 ) 等5 种型号产 品创新性采用了全液压驱动，与传统钻井相比，可实现多台钻机并排安装，结构 更加紧凑，工作无火花，在天然气矿井或伴生天然气较多的矿井，得到广泛应用。 d d m 5 0 0 d c d d m 6 5 0 l d c 等3 种型号采用直流可控硅电驱动型顶驱，在大型钻 井平台上得到广泛应用。 加拿大c a n r i g 公司主要产品主要是直流驱动型项驱，该公司产品在直流电 源断电情况下，可使用后备液压马达，有效防止因停钻引起的卡钻事故。具有钻 井深度达到9 0 0 0 m 的1 1 6 5 e 型直流可控硅电驱动顶驱，以及6 0 2 7 e 等多种型号 顶驱，现已成为北美主要陆上油田钻井服务商【1 4 1 。 图1 3v a r c o 公司、m h 公司、c a n r i g 公司和宝鸡石油机械公司顶驱产品 2 0 世纪8 0 年代末期，我国开始开始顶驱装置的研发。1 9 9 5 年由陕西宝鸡石 油机械厂、石油勘探开发科学研究院机械所联合研制生产出钻井深度达到6 0 0 0 m 的d q 一6 0 d 型顶驱，标志着我国钻机生产能力进入新的阶段，我国也成为继美国、 加拿大、法国、挪威之后第五个具有顶驱生产能力的国家 15 1 。 目前，我国已经形成了宝鸡石油机械厂、宝鸡石油机械厂、辽宁天意石油装 备有限公司三大主要顶驱生产研发厂商。宝鸡石油机械厂先后开发了 4 -螺灏霞嘲蔷别门铡叼q 第一章绪论 d q 7 0 d 4 5 0 0 d b 交流变频型顶驱、d q 3 0 y 型全液压顶驱等多种型号顶驱，2 0 1 0 年7 月研发钻探深度达9 0 0 0 米超深井的交流变频型顶驱，更是填补国内空白【1 6 1 。 辽宁天意顶驱研制了d q 4 0 l h t y - l a 、d q 一7 0 l h t y ( 5 0 0 t ) 等多款应用于低温 海洋环境的顶驱，其中d q 3 0 l h t y - z 直流顶驱更是填补小型钻机无配套顶驱的 空白，最新产品d q x 4 0 型顶驱更广泛应用于斜直井的钻探 1 7 1 。北京石油机械 厂主要开发了d q l 2 0 b s c 、d q 9 0 b s c 等型号顶驱，2 0 0 9 年其产品率先通过中国 船级社的认证，可有效进入国内外海洋钻井装备市场。 顶驱的研究主要集中于顶驱的仿真分析。如华中科技大学肖文生采用三维造 型软件进行了虚拟样机设计，并对减速箱和导轨等典型零件完成了动力学分析 引。中国石油大学王永勤应用故障树理论对顶驱进行可靠性分析，指出了设备 中的薄弱环节【19 】；中国石油大学刘振东对全液压顶驱控制及模拟样机进行研究， 设计了自动送钻控制算法 2 0 】：华中科技大学钟毅芳对顶驱进行了p r o d u c td a t e m a n a g e m e n t 研究，并应用其提出的顶驱三维参数化建模方法，建立了顶驱组件 模型和模型库，完成顶驱零部件数据库设计【2 1 。中国石油大学韩兵奇对顶驱驱 动动力系统进行研究，论证了基于三轴式行星内齿轮的传动方式利于顶驱的工作 口2 | 。机械科学研究总院李云鹏对低温环境下项驱装置进行研究，分析并确定了 传动部分、回转头的材料及其其生产加工工艺，并对零件进行了有限元分析和实 验验证【23 1 。吉林大学刘宇东通过对影响钻进的因素进行分析，根据机械振动理 论，确定了顶驱系统主要动力学参数，在此基础上建立多功能全液压顶驱虚拟样 机，并对顶驱系统虚拟样机进行了的动力学仿真分析【2 4 1 。西南石油大学何志敏 则针对d s 8 型顶驱设计了相应的模拟器，针对常遇的2 4 种钻井问题进行软件 程序设计，并通过实际应得到验证【2 5 1 。 总结顶驱发展状况可得，未来顶驱驱动力将以交流变频电机为主，同时全液 压驱动型顶驱也具有一定市场。顶驱应用也将逐渐向超大和小型、易拆装两个方 向发展，同时随着超深、特深、超低温型钻井的勘探，对顶驱钻探深度、工作温 度也提出新的要求。当前国内对顶驱装置还处在初级研发阶段，产品以仿制为主 则，核心部件还需进口，需要加大研发力度，摆脱当前以仿制为主的状况。 1 2 3 液压传动及仿真研究 液压传动技术是指以液压油或其他液体作为工作介质的流体传动技术【2 引。 液体传动的基础原理是流体在密闭容器中可以传递力和功率，即由法国科学家帕 斯卡在1 6 5 0 年提出的帕斯卡原理。随后由牛顿提出的粘性流体内摩擦定律和流 体力学的伯努利方程及连续性方程，共同组成了液压传动技术发展的理论基础。 作为现代液压技术投入工程应用的里程碑事件，即英国人约瑟夫应用帕斯卡原理 第一章绪论 发明水压机，已过去近三百年，但由于生产技术和需求的不力，液压传动技术一 直没有实质性进展。直到二战时期，由于军事部门的需求，能够提供大功率和快 速准确动作的液压传动技术才得到快速发展，这期间的典型应用就是磨床和液压 六角车床以及军事产品坦克或舰艇上的炮塔转向器。战后随着生产加工技术以及 控制理论的发展，液压技术逐渐应用到航天、航空、汽车、重型机械等国民经济 的多个领域。我国液压工业主要从上世纪5 0 年代开始发展，从最初的机床和液 压设备开始，经过引进消化和再研发，逐渐能够生产各种液压元件。随着改革开 放的深入，国内与美国、日本、德国等公司的交流合作，特别是与r e x r o t h 公司 的合作，国内在液压泵生产方面有重大进步。但国产液压机械在可靠性和使用寿 命方面依然有很大改进空间。 系统仿真是以信息技术、系统科学、相似原理及相关应用领域技术为基础， 利用计算机和相关实验器材，对系统模型进行动静态特性研究的综合性技术。作 为系统仿真的一个重要分支，液压系统仿真为液压系统设计、控制以及优化提供 了有效地技术手段。当前由于液压装置占机械装置总造价逐渐达到2 0 3 0 ， 甚至高达5 0 【2 丌，因此对通过计算机仿真技术对液压系统进行设计和仿真具有 十分重要的意义。如果设计人员在液压系统设计的初始阶段，就可对整个系统进 行动静态特性考虑，针对仿真中的问题有针对性的改进，不仅能够有效缩短设计 周期，还能够减小实验的成本甚至防止事故发生。 对液压系统建模是仿真的前提。2 0 世纪5 0 年代，h a n p u n ( 1 9 5 3 年) 和 n i g h e t i n g a l e ( 1 9 5 7 年) 分别通过传递函数法，对液压伺服的频率响应特性和稳定性 进行了研究。该方法对单输入单输出系统具有重要意义，但对多输入多输出系统， 无法有效表达。同时由于使用近似处理，模型也不能如实反映系统的全部性能。 但由于其在建模难度和分析快速性上的优势，今天在某些领域依然在使用【2 引。 1 9 5 9 年，由m i t 的h e n r yp a i n t e r 提出了功率键合图法( p o w e rb o n dg r a p h ) ，主要 是根据能量守恒定律和相似性原理，将多个领域中的功率变量及相互关系用统一 变量以图形的形式表现出来。典型特点是可实现数学描述和图形描述的统一、图 形描述与系统物理结构的统一，全面准确的反映物理系统的动态特性和变化规 律，便于理解物理意义和模型的检查分析。同时其用模块化设计思路，也利于模 型的修改和调用 2 9 - 3 0 】。液压大系统建模法是由o k l a h o m as t a t eu n i v e r s i t y 流体动 力研究中心的d r f i t c h 和d r h o n g 提出及展开研究的，因当时该校有多名中国访 问学者，在我国自然科学基金的支持下，归国人员在兰州理工大学建立研发团队， 在相关领域有一定建树。该法以液压元件的作用和功能为依据，建立液压元件的 子模型，通过系统拓扑结构分析、节点拓扑条件约束和相关边界条件将子模型有 机组合为液压系统大模型，通过参数辨识求解系统未知量。与传统方法相比，大 第一章绪论 系统建模法除具有直观、易于标准化的特点外，还有利于降低模型阶数，提高仿 真的精度，现在该法在液压系统的动态特性分析方面有广泛应用【3 。 随着液压建模理论的发展，液压系统软件仿真技术也逐渐发展起来【3 2 1 。第 一个应用于液压技术领域的仿真软件是1 9 7 3 年由美国o k l a h o m as t a t e u n i v e r s i t y 的c k s i m t h 等研制的的h y d s i m ，该软件主要是根据液压元件能量端口模型建 模1 33 i 1 9 7 4 年液压仿真软件d s h 由德国亚琛工业大学的b a c h e 教授团队研制成 功，尽管该软件在新元件描述和系统降阶上存在困难，但其在解决非线性问题方 面做了初步探讨。随后，基于功率键合图理论的液压仿真软件h a s p 由英国b a t h 大学的b r o w n 教授等研制成功，该软件在运作原理上十分清晰但对用户的入 门要求较高。这两款软件均建立了典型元件模型库，对液压仿真软件的实用化有 重要意义【34 | 。瑞典l i n kp i n gu n i v e r s i t y 推出了液压仿真软件h o p s a n 。作为针 对微型机研发的软件，十分适合液压系统的仿真。以上的各种仿真软件各具特色， 但在程序结构和建模基本原理上都没有超过d s h 和h a s p ”】。 随着电子技术的发展，液压仿真软件有了新的突破。1 9 9 2 年b a t h s p 作为 h a s p 的升级版本由b a t h 大学推出，新版本界面更加人性化，增加了原理图编 辑模块，算法使用自选算法的积分器，具有处理非线性数据的能力，但编辑过程 较粗糙，与商用化有一定距离【3 6 1 。1 9 9 4 年，采用w i n d o w s 界面的d s h + 由亚 琛工业大学改造完成，尽管新软件使用c + + 语言重新编写，但保留了原软件的模 型库丰富等优点，同时还可与m a t l a b 、a d a m s 链接，算法上加入了神经网络 算法，可通过自动搜索实现对控制器的优化和参数值的最优处理 37 l 。商业性的 仿真软件也快速发展，典型的有法国i m a g i n e 公司的a m e s i m ，美国b o e i n g 公司的e a s y 5 ，以及m a t h t o o l s 公司的m a t l a b 和m e c h a n i c a ld y n a m i c s 公司的 a d a m s 。m a t l a b 并不是专用的液压仿真软件，但用户可以根据实际需要创建 相应的数学模型，利用s i m u l i n k 强大的数学分析能力和可与众多软件链接的能 力，进行液压分析。尽管其可结合v i r t u a lr e a l i t y 实现三维动画功能，但用户自身 建模，对用户的数学需要求较高，故模型的有效性值得商榷【3 8 1 。a d a m s 主要是 应用于机械系统动力学仿真，但其具有h y d r a l i c s 模块，用户可建立液压回路和 机械系统之问的力学联系，从而实现整个机械装置的动静态特性分析，实现机械 大系统的仿真【3 9 。e a s y 5 是可以应用于液压、气动、热力、电磁、机械、动力 机械等多个领域的动态分析仿真软件，其针对常用的物理元件，均已编制对应的 子程序，用户仅需根据实际物理元件修改对应的参数，即可建立液压系统仿真模 型。针对液压仿真中常见的液压油的压缩性及其受温度和压力影响引起的系统性 能变化、管路弯曲对系统的影响等均给予了解答。该软件经过b o e i n g 等公司检 验，具有很强的工程实用性【加】。a m e s i m 是通用的动态特性仿真和分析的图形 第一章绪论 化应用软件，由于其具有机械库、电磁库、液压元件设计库等多个标准设计元件 库，因此其在机电系统、动力传动、冷却系统等多个领域中均有应用。由于其液 压元件模型采用i s 0 标准图形表示，用户无需掌握仿真基本原理，只需根据需 要从元件库中选取或自行搭建液压元件，即可完成建模，并且其可通过图表展现 控制数据。经过多年发展，已在液压仿真应用领域得到广泛应用【4 1 1 。 我国液压仿真技术起始于2 0 世纪七八十年代，主要集中在浙江大学、大连 理工大学、华中科技大学和原航天航空部下属研究所等，多以引进消化吸收为主。 如1 9 8 1 年，浙江大学基于从亚琛大学引进的d s h ，开发出仿真软件s i m u l z d 仿真软件，主要增加了管道仿真等液压模块，通过算法改进，实现变步长龙格库 塔算法【4 2 1 。大连理工大学采用功率键合图建模，研发了用b a s i c 语言编写s i m 1 液压仿真软件，实现了键合图向系统状态方程的自动转换。基于c + + 语言的 s i m 一2 于1 9 9 7 年开发出来，通过数据结构的重新组织，实现结点类处理( 4 3 1 。华 中科技大学通过利用v i s u a lc + + 编写程序，集合f o x p r o 和a u t o c a d 实现数 据库的管理和原理图的绘制，开发出c h i s p 这一能够实现液压系统建模和仿真 的软件 州。尽管国内其他单位也有相关研究，但在液压系统仿真软件方面，我 国依然和国外有相当大的差距。 总结液压系统仿真发展的历程，针对当前液压系统的主要应用领域及其需 求，液压仿真技术将主要沿以下几个方向发展： ( 1 ) 提高仿真精度。随着机械系统的复杂化，新的元件和工作状态的出现， 仿真模型、仿真算法的速度和精度均对液压仿真软件提出了更高要求。 ( 2 ) 仿真过程的网络化。基于当前网络技术的发展，协同仿真、故障诊断、 实时仿真等技术，也对液压系统仿真提出网络化要求。 ( 3 ) 仿真参数优化。针对复杂液压系统，液体动力系数设定、阀口流量系数 等的变化均可导致仿真结果的不同。为更贴近真实情况，需要对其进行进一步测 定。通过人工智能和专家库技术可与液压仿真系统结合，实现仿真系统的优化。 r 4 1 仿真多媒体化。液压仿真软件应用面向对象技术，己实现了界面的图形 化，但液压动态特性的表达，依然抽象复杂，通过与多媒体技术的结合可有效解 决这一问题。 1 3 本课题主要研究内容 本文结合天津瑞灵石油设备有限公司与我校合作项目，设计顶部驱动钻井装 置的液压系统，并对其进行仿真。全文内容的安排如下： 第一章本课题工程背景和实际意义概述。综述项驱钻井装置国内外发展状 况，液压仿真技术的国内外发展状况。提出本文的主要研究内容。 第一章绪论 第二章根据顶部驱动钻井装置液压系统设计的要求，确定液压系统各执行 回路的控制方式，拟定液压系统的整体回路。通过对执行机构受力计算分析，确 定执行机构的工作压力和工作流量，活塞缸尺寸及马达参数，选取相关液压附件 的型号。在此基础上运用p l c 对控制系统进行编程设计。 第三章本章主要对液压系统所选轴向柱塞泵进行研究。通过对柱塞泵结构 以及恒压控制原理的分析，建立柱塞泵的数学模型和传递函数框图，明确调控原 理。然后针对柱塞泵物理结构建立a m e s i m 模型，明确出口压力调压值。 第四章本章主要是通过液压仿真软件a m e s i m ，对液压系统七个动作的工 作情况进行仿真，确定执行机构的响应时间、活塞运动速度、马达转速、稳定工 作压力、稳定工作流量等数据。 第五章本章主要总结全文工作，提出工作展望。 第二章顶驱液压系统设计 91己i吉 1jl 口 第二章顶驱液压系统设计 顶驱液压系统是顶驱的重要组成，其主要作用是辅助顶驱完成接单根、立根， 对电机主轴进行制动，及时封堵油路防止井喷，承担顶驱重力避免丝扣磨损等。 通过液压系统的工作可有效减少工人劳动强度，同时能够及时有效的减少井喷事 故的损失。 本章主要是根据顶部驱动钻井装置液压系统设计的要求，确定背钳装置、旋 转装置、锁紧装置、平衡装置、刹车装置、i b o p 装置、倾斜装置七个液压动作 的执行回路的，然后拟定液压系统的整体回路。通过对七个执行机构受力分析， 确定执行机构的工作压力和工作流量，计算活塞缸尺寸及马达参数。选取相关液 压附件的型号。最后对电气控制系统进p l c 编程设计。 2 2 顶驱液压设计要求和基本参数 2 2 1 顶驱液压设计要求 ( 1 ) 钻井环境要求 1 ) 能够满足石油钻井机械的外部环境要求，即在大温差、大沙尘、高温高湿 等情况下也能安全工作； 2 ) 能够满足石油钻井机械系统本身负载多变，工况比较复杂，防爆、防腐蚀、 防火等特殊的工作条件： ( 2 ) 钻井动作要求 1 ) 夹取或释放钻杆时，吊环前后倾运动平稳，无抖动，在作业过程中不可回 缩，并可停留在任意位置； 2 ) 在遇到井喷、井涌事件时，内防喷器能够迅速关闭泥浆通道： 3 ) 平衡装置能够支撑顶驱本体和一根立根的重量，防止顶驱上卸扣期间磨损 丝扣； 4 ) 背钳能够有效夹住钻杆，顺利完成钻杆的上卸扣动作，不可打滑： 5 ) 旋转头能够作顺逆时针旋转，在顶驱钻进时不可有相对运动； 6 ) k u 车装置能够对电机主轴进行有效制动，防止扭矩反释放。 1 0 第二章项驱液压系统设计 2 2 2 顶驱液压系统设计的基本参数 倾斜装置前倾角度 倾斜装置后倾角度 倾斜装置最大动作时间 顶驱装置主体重量( 含一根立根) 液压刹车盘作用力 旋转头最大回转速度 旋转头连续旋转角度 6 0 o 3 0 o 3 0 s 1 4 t 8 0 0 0 n 1 0 r m i n 3 6 0 。 2 3 制定液压系统工作方案、拟定液压系统原理图 2 3 1 液压系统工作方案 ( 1 ) 确定执行机构。顶驱液压机构中除旋转头双向回转之外，其余动作均为 直线往复运动。旋转头为全回转机构，可通过液压马达经减速装置减速增扭之后 驱动旋转头回转。根据顶驱旋转头动作工作频率不高、动作平稳等特点，通过控 制马达进出油口即可实现对马达的控制，无需外加制动装置。通过在旁路使用溢 流阀，可对马达工作进行保护。 根据旋转头转速和齿数，选择双向马达驱动旋转头。通过液压缸实现其他结 构的直线往复运动。 ( 2 ) 倾斜动作回路。顶驱倾斜装置是位于顶驱旋转头下部的一组机械装置， 主要由倾斜油缸和吊杆组成，它主要是通过液压油缸的伸缩，实现吊杆及其连带 的吊环、吊卡做前倾6 0 度伸向鼠洞卡抱待接立根或单根的接头，后摆3 0 度实现 在钻井时吊卡脱离接触钻具。从平衡受力以及顶驱内部空间结构考虑，选取双液 压缸并联动作，采用换向阀控制。为防止倾斜装置在回到铅直位置时速度过快， 在回路中使用了溢流阀以对液压油缸施加背压使下降速度控制在合适范围。并在 回路中使用单向阀防止窜动以及其他可能的回流现象。 为了便于井架工排放钻具、准确夹取立根或单根，在进油路和回油路分别并 联了一个回路，由换向阀控制，以实现吊杆位置的手动调节。 ( 3 ) 背钳动作回路。背钳又称抓握器，由一组夹紧钳、导向体和扭矩架等部 分结构组成。主要是满足顶驱在任意位置装卸钻具时，由夹紧钳夹紧钻杆上端粗 径部分，方便电机上卸扣，从而保证工人和设备的安全。同时，将电机上卸扣产 生的反向扭矩经过钳体和与之相连的扭矩架传递到顶驱主体，再通过顶驱主体施 加至l i 导轨e 。 第二章 项驱液压系统设计 其中夹紧钳的动作是由液压缸伸缩实现的。液压缸的运动方向通过换向阀控 制。 ( 4 ) 锁紧动作回路。锁紧装置主要通过液压缸动作，推动与之相关联的定位 销插入大齿圈上的销孔，将大齿圈卡住，进而实现旋转头的锁定，保证施工安全。 该装置运动方向通过换向阀控制，通过节流阀调节液压缸的伸缩速度。 ( 5 ) i b o p 动作回路。内防喷器是全尺寸、内开口、球型安全阀。它由液压控 制的上部内防喷器和手动的下部内防喷器两部分。液压控制的上部内防喷器是顶 驱上、卸扣装置的组成部分。在顶驱上、卸扣时，液压缸缩回拉动与之相连的花 键轴和扭矩扳手上齿相互啮合形成扭矩，封锁动力水龙头，防止钻井循环液泄露。 下部手动内防喷器与上部液控内防喷器的工作型式相同，主要是为了防止井喷时 液体的喷溅。 根据生产需要，上部液控内防喷器为常开工作状态，即仅在事故发生时关闭 以防止泥浆喷涌。其运动方向由换向阀控制。为防止生产过程中突然断电，造成 生产事故，在回路中使用使用了双向液控锁。 ( 6 ) 回转头动作回路。回转头装置是位于顶驱齿轮箱下部的一组独立于主轴 运动的装置。它上面悬挂着倾斜装置、内防喷器装置、倾斜机构、背钳装置以及 吊环吊卡等为起下钻服务的机构，为便于到鼠洞中抓取单根、立根钻井时后摆等 作业要求，这些机构均可随回转头做顺、逆时针两个方向回转。 根据其作为回转装置的要求，选择摆线马达作为驱动装置。通过换向阀控制 旋转方向。在进油路中安装节流阀，实现对旋转速度的控制。同时为防止过载， 在油路中串联溢流阀防止过载，以免马达过载。 ( 7 ) 刹车动作回路。刹车装置主要是在钻进作业时，由司钻根据不同井段最 优钻压的不同，调节刹车装置的制动力矩，使钻进压力合适，延长钻头使用寿命。 为防止钻进速度过快，减小惯性冲击，避免出现溜钻造成钻头撞击，也需要用刹 车装置调控送钻速度适合生产需要。当出现憋钻时，可以刹住电机主轴防止回转。 液压盘式刹车装置通过液压缸伸出与刹车片接触，靠摩擦制动。液压动作通过换 向阀实现活塞杆的伸出，通过弹簧作用使液压缸复位。节流阀调节运动速度。 ( 8 ) 平衡动作回路。平衡装置主要是在顶驱上卸扣时承担项驱和立根质量， 防止螺纹损坏，同时提供减震冲程，使公、母扣接头快速分离。顶驱平衡系统仅 消耗极少的液压能，通常选用蓄能器来补油保压。通过液压缸提供减压冲程。为 避免影响其他回路，在进油路使减压阀配合单向阀使用，保证供油压力。 2 3 2 拟定液压系统图 在确定液压基本组成回路及相关执行元件后，需要将其有机组合，去掉冗余 1 2 第二章顶驱液压系统设计 元件、增加必要阀门和相关辅助配合元件，以构成顶驱液压系统完整的系统图。 液压系统图如图2 - 1 所示。 2 4 液压执行元件载荷立及力矩计算 2 4 1 各液压缸的载荷力计算 背钳动作、刹车动作，均为瞬时动作，起动、制动时主要受到本身及联动部 件的惯性力c 和导轨的摩擦力f ，；工作时则需要装置保持相应的工作压力， 以实现夹紧钻杆、主电机刹住的目的，故选择工作时作用力，作为计算载荷力f 1 f w = f p 锁紧动作、i b o p 动作，均为瞬时动作，起动、制动时主要受到本身及联动 部件的惯性力只和导轨的摩擦力f ，稳态工作时，则不受其他力影响，选择启 动时载荷力作为计算载荷力。 f 。= f o + f f 倾斜动作，起动、制动时受到本身及联动部件的惯性力和导轨的摩擦力。匀 速运动时主要受到导轨的摩擦力，在整个运动过程中均受到立根的重力p 影响。 上升过程为阻力负载，下降过程为超越负载。计算时考虑最大载荷力： f 。r = f o + f | + f g 取液压缸的机械效率为0 9 ，经计算各液压缸的最大外载荷力如表2 1 。 2 4 2 旋转头转矩载荷计算 以液压马达为执行机构的装置，在起动、制动时受到回转头及附属装置和立 根的惯性力矩乃、工作载荷力矩瓦和摩擦力矩弓，匀速运动时主要受到工作载 荷力矩和摩擦力矩。计算时以最大力矩，即起动时的工况。 t = ( 乃+ 乃+ 瓦) o 9 5 取马达机械效率为0 9 5 ，经计算其载荷转矩为6 0 0 n m 2 5 液压系统各主要参数确定 2 5 1 初选系统工作压力 当前国内外顶驱液压系统一般采用变量系统，顶驱液压系统的工作压力最高 约为1 5 m p a ，属于中低压系统。变量泵可以通过变量机构的动作实现出口流量 第章顶驱液压系统漫计 平衡回路 丢j 车回菇 衰转回路 i 芏p 回路 背钳叵陉轼紧回路 废耕回路 图2 1 顶驱液压系统原理图 4 第二章 项驱液压系统设计 的改变，获得合适范围的无级调速，能够满足项驱液压系统快速动作的工作要求。 目前顶驱装置主要采用斜盘式轴向柱塞泵，体积小、重量轻易于安装和维护；可 在维持工作压力状态下，零流量输出，体积效率高；最大出口压力可达到2 8 m p a ， 可根据需要调整出口压力；具有低噪音、可靠性、长寿命的特点。 根据以上分析和生产需要，选用单个变量泵即可满足工作需要，参考计算的 载荷力和转矩结果，以及常用机械系统工作压力表初步选定系统的工作压力为 1 4 m p a 。 2 5 2 液压缸主要结构尺寸计算 液压缸活塞和活塞杆直径计算，主要考虑液压缸承受最大的载荷力、背压和 缸径比，可通过工作压力选取合适缸径比。计算数据再从液压手册选取接近的标 准数据即可。本章以倾斜装置为例说明计算，其他尺寸见表格。其中盘式液压刹 车装置为外购标准件，故省略其计算。 。2 二毛南。、4 x 1 0 0 0 0 0 网2 。- 。9 9 7 m 查液压手册，选取d = o 1 m 。根据工作压力，查液压手册选取d d = 0 7 。 则活塞杆直径d = 0 7 d = o 0 7 m ，查表选取d = o 0 7 m 。 表2 1 各执行元件的受力及计算 执行元件工况载荷背压初选压力缸径 缸径 杆径 f ( ) p l ( m p a )p o ( m p a ) 比 d ( r a m )d ( m m ) 倾斜装置起动 2 0 0 0 0 031 4o 71 0 07 0 平衡装置稳态工作 1 3 0 0 0 001 1o 71 2 59 0 背钳装置夹紧钻杆1 8 0 0 0 0 0 70 71 8 01 2 5 i b o p 装置起动2 0 0 0 0040 78 05 6 锁紧装置起动 6 0 0 00 30 5 5 0 2 5 2 5 3 液压马达排量计算 根据最大转矩即旋转头旋转启动时的转矩和工作压力计算液压马达排量如： q ：2 n t ：2 z r 了x6 0 0 = 0 3 7 7 1 0 ，m ，z 3 ，r ，= 一= 一x _ r 1 口1 0 1 0 0 第二章顶驱液压系统设计 2 5 4 各执行元件的实际工作压力和工作流量 根据已求的液压缸结构尺寸、液压马达的排量和运动速度要求，计算倾斜装 置的最大工作压力和流量如下： ：竺旦!丝!：132mpapma x 2 _ f 。1 q = a o v = 0 0 1 术o 0 1 5 7 = 9 4 l m i n 依据相同公式，可计算其余液压执行元件的实际最大工作压力和实际最大工 作流量如表2 2 。 表2 2 液压执行元件实际最大工作压力和流量 执行工况载荷背压工作压力运动速度 作用面积流量 元件 f ( ) p l ( m p a )p 。( m p a )v ( m s )a o ( 历2 )q f ( m i n ) 倾斜起动 2 0 0 0 0 031 3 20 0 10 0 1 5 79 4 装置 平衡稳态 1 3 0 0 0 0 01 10 0 40 0 1 1 87 1 装置工作 背钳夹紧 1 8 0 0 0 0070 0 10 0 2 5 41 5 装置 钻杆 m o p起动2 0 0 0 003 50 0 20 0 0 6 3 56 装置 锁紧 起动6 0 0 0030 0 1 0 0 0 1 9 61 2 装置 2 6 液压元件选择 2 6 1 液压泵选择 液压泵最高工作压力计算由公式 p = 气。+ p 确定，上式中最大压力。为顶驱倾斜装置工作时的入口压力为1 3 2 m p a ，凹 为液压泵到执行装置之间的沿程压力损失和局部压力损失总和，在液压回路中经 过一个单向阀、一个减压阀，取y 胛为o 8 m p a ，则液压泵的工作压力为p 为 第二章顶驱液压系统设计 1 4 m p a 。 液压泵最高工作流量计算由公式 p k ( q 瑚，) 确定，由系统工作状态可得，系统最大流量发生在倾斜装置和回转头同时工作时， 即q 一= 2 4 2 l m i n ，取泄露系数k 为1 1 ，得到液压泵流量q 为q = 2 7 l m i n 。 根据计算出的液压泵最大工作压力和流量，考虑生产成本、结构尺寸等因素， 选择麦塔雷斯公司的m a