CN105203301B - 一种天车主被动联合升沉补偿试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种天车主被动联合升沉补偿试验装置，它包括升沉补偿试验平台、运动支撑平台、运动模拟底座三部分。所述升沉补偿试验平台包括自下而上固连的天车架平台、框架、支撑架和连接架，浮动天车可通过天车体两侧的导向轮沿着导轨上下滑动；补偿缸的缸体分别通过主动补偿缸连接板和被动补偿缸连接板固定在天车架平台上；所述运动支撑平台由运动支撑台架和支撑平台底座固接组成，运动支撑台架与天车架平台固连；所述运动模拟底座包括固连在一起的运动底座上架和运动底座下架，运动底座下架中间设置有油缸固定架。本发明作为原型样机，能在较逼真模拟海浪升沉情况下，对影响天车型钻柱升沉补偿系统补偿效率和能耗的各项因素进行试验验证。

Description

一种天车主被动联合升沉补偿试验装置

技术领域

本发明涉及一种天车主被动联合升沉补偿试验装置，属于海洋钻井领域。

背景技术

近年来，随着中国经济的快速发展，特别是石油化工行业和汽车行业的发展，石油、天然气的供应日益不足。再加上陆上石油资源逐渐枯竭，对海洋石油开采，特别是深海石油的开采，已成为必然趋势。

深海石油钻井开发过程中，海上钻井船或浮式钻井平台在外界风浪、海流作用下，将产生升沉、纵荡、横荡、平摇、横摇、艏摇六个自由度的运动。其中升沉会使得钻柱随浮式钻井平台进行升沉运动，导致钻头与井底之间的钻压发生变化，降低效率，增加成本，影响钻井作业的顺利进行。在恶劣的海况下，钻头甚至会提离井底，引发钻井事故。因此需要配备升沉补偿装置，以减少升沉运动对钻井作业的影响。

目前，浮式海洋钻井平台升沉补偿装置主要分为死绳升沉补偿装置、快绳升沉补偿装置、游动滑车型升沉补偿装置和天车升沉补偿装置。其中，死/快绳升沉补偿装置对钢丝绳的磨损太大，补偿系统反应速度慢、补偿精度不高；游车型升沉补偿装置占用甲板面积大，液缸密封多，液体管路长，摩擦损失大；天车升沉补偿装置虽然也有设备重心高、维修保养不方便等缺点，但是其占用甲板面积小，管线短，密封少，补偿装置的钢丝绳与滑轮间没有相对运动，钢丝绳的寿命不受影响，是目前应用最广泛、技术可靠度较高的一种升沉补偿装置。

按照动力供应方式，液压式升沉补偿系统又可分为主动式、被动式和半主动式(主被动联合补偿)。主动式升沉补偿系统的补偿精度高，有良好的补偿效果和适应性，但是需要消耗大量的能量；被动式升沉补偿系统几乎不消耗动力，不需要提供能量，但是补偿精度低，存在较大滞后；半主动式升沉补偿系统结合了前两者的优点，但是需要增加中间能量转换设备，系统结构较为复杂。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种天车主被动联合升沉补偿试验装置，以满足对海洋浮式钻井相关研究的需要。

为满足上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明一种天车主被动联合升沉补偿试验装置，包括升沉补偿试验平台、运动支撑平台、运动模拟底座三部分。

所述升沉补偿试验平台包括自下而上固连的天车架平台、框架、支撑架和连接架，连接架和天车架平台之间，并排设置有2对导轨；导轨的上端通过螺栓与连接架固连在一起，导轨的下端通过螺栓与天车架平台固连在一起，浮动天车可通过天车体两侧的导向轮沿着导轨上下滑动；天车体上部固连有滑轮固定架，天车滑轮组设置在滑轮固定架内，天车滑轮组与游车滑轮组通过钢丝绳连接在一起；被动补偿缸位于天车架平台中心轴上，两个主动补偿缸对称分布于被动补偿缸两侧，补偿缸的缸体分别通过主动补偿缸连接板和被动补偿缸连接板固定在天车架平台上；活塞杆通过耳环分别与天车体下方的主动补偿缸连接座和被动补偿缸连接座通过销轴连接在一起。

所述运动支撑平台由运动支撑台架和支撑平台底座固接组成，运动支撑台架与天车架平台固连；支撑平台底座一侧设置有死绳固定端，另一侧设置有钢丝绳绞车，支撑平台底座四个角上开有4个孔，用于连接导向柱；支撑平台底座上设置有波浪缸连接座，波浪模拟缸的活塞杆通过螺栓与波浪缸连接座固连在一起；支撑平台底座中间为开口设计，用于通过加载缸的活塞杆，加载缸的活塞杆与固连在游车滑轮组的滑轮固定架下部的加载缸连接座通过销轴固接在一起。

所述运动模拟底座包括固连在一起的运动底座上架和运动底座下架，运动底座下架中间设置有油缸固定架；油缸固定架上固连有3对油缸销座，2个波浪模拟缸与1个加载缸通过螺栓与油缸销座固连在一起；波浪模拟缸对称分布在加载缸两侧，运动底座下架对应于支撑平台底座上四个角的开孔处，设置有4个导向柱。

天车体两侧还设置有连杆固定架，连杆的一端通过销轴与连杆固定架连接在一起，连杆可绕销轴转动；连杆的另一端通过销轴与摇杆的一端和摇臂导向轮连接在一起，连杆、摇杆、摇臂导向轮均可绕销轴转动；摇杆上设置有张紧轮，张紧轮的凹槽中心线与固定座导向轮以及摇臂导向轮的凹槽中心线位于同一直线上；摇杆的另一端通过销轴与固定座导向轮和滑轮固定座连接在一起，摇杆和固定座导向轮可绕销轴转动；两个固定座导向轮并不位于同一水平面上，其凹槽中心平面分别与天车滑轮组两端的滑轮凹槽的中心平面位于同一水平面。

钢丝绳一端固定在死绳固定端上，依次经死绳固定端侧的固定座导向轮、张紧轮、摇臂导向轮绕到天车滑轮组上，然后通过顺穿法将天车滑轮组与游车滑轮组连接起来，再从天车滑轮组上绕出，再依次经摇臂导向轮、张紧轮、固定座导向轮绕到钢丝绳绞车上。

本发明具有的有益效果是：1、本发明所使用的补偿液缸总成，采用了垂直三缸结构，被动补偿缸承受大部分载荷，主动补偿缸承受小部分载荷并用于克服摩擦、提高补偿速度和精度，采用这种补偿方式，较只用主动补偿方式的能耗小，较只用被动补偿方式的补偿精度高；2、本发明所使用的运动模拟底座，能根据输入的运动信号，改变运动模式，可真实模拟平台在海上的升沉运动情况；3、本发明天车升沉补偿试验装置由钢结构组装而成，可以根据实验需要进行组装拆装，进而开展不同液压回路布置下的，对天车升沉补偿系统的补偿效果的研究；4、本发明天车升沉补偿试验装置作为原型样机，是按照实际工况成比例缩小后设计而成的，能在较逼真模拟海浪升沉的情况下，对影响天车型钻柱升沉补偿系统补偿效率和能耗的各项因素进行试验验证。

附图说明

图1是本发明一种天车主被动联合升沉补偿试验装置的结构示意图。

图2是图1的侧视图。

图中：1.连接架、2.支撑架、3.框架、4.导轨、5.滑轮固定架、6.天车滑轮组、7.连杆固定架、8.导向轮、9.天车体、10.主动补偿缸连接座、11.被动补偿缸连接座、12.游车滑轮组、13.加载缸连接座、14.天车架平台、15.被动补偿缸、16.主动补偿缸、17.被动补偿缸连接板、18.主动补偿缸连接板、19.导向柱、20.运动支撑台架、21.支撑平台底座、22.钢丝绳绞车、23.波浪缸连接座、24.运动底座上架、25.运动底座下架、26.油缸销座、27.波浪模拟缸、28.加载缸、29.油缸固定架、30.滑轮固定座、31.固定座导向轮、32.摇杆、33.张紧轮、34.摇臂导向轮、35.连杆、36.扶梯、37.安全防护装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1、图2所示，本发明一种天车主被动联合升沉补偿试验装置，主要由升沉补偿试验平台、运动支撑平台、运动模拟底座三部分。

所述升沉补偿试验平台包括自下而上固连的天车架平台14、框架3、支撑架2和连接架1，连接架1和天车架平台14之间，并排设置有2对导轨4，导轨4的上端通过螺栓与连接架1固连在一起，导轨4的下端通过螺栓与天车架平台14固连在一起，浮动天车可通过天车体9两侧的导向轮8沿着导轨4上下滑动，天车体9上部固连有滑轮固定架5，天车滑轮组6设置在滑轮固定架5内，天车滑轮组6与游车滑轮组12通过钢丝绳连接在一起，被动补偿缸15位于天车架平台14中心轴上，两个主动补偿缸16对称分布于被动补偿缸15两侧，补偿缸的缸体分别通过主动补偿缸连接板18和被动补偿缸连接板17固定在天车架平台14上，活塞杆通过耳环分别与天车体9下方的主动补偿缸连接座10和被动补偿缸连接座11通过销轴连接在一起。

天车体9两侧还设置有连杆固定架7，连杆35的一端通过销轴与连杆固定架7连接在一起，连杆35可绕销轴转动；连杆35的另一端通过销轴与摇杆32的一端和摇臂导向轮34连接在一起，连杆35、摇杆32、摇臂导向轮34均可绕销轴转动；摇杆32上设置有张紧轮33，张紧轮33的凹槽中心线与固定座导向轮31以及摇臂导向轮34的凹槽中心线位于同一直线上；摇杆32的另一端通过销轴与固定座导向轮31和滑轮固定座30连接在一起，摇杆32和固定座导向轮31可绕销轴转动；两个固定座导向轮31并不位于同一水平面上，其凹槽中心平面分别与天车滑轮组6两端的滑轮凹槽的中心平面位于同一水平面。

所述运动支撑平台由运动支撑台架20和支撑平台底座21固接组成，运动支撑台架20与天车架平台14固连；支撑平台底座21一侧设置有死绳固定端，另一侧设置有钢丝绳绞车22，支撑平台底座21四个角上开有4个孔，用于连接导向柱19；支撑平台底座21上设置有波浪缸连接座23，波浪模拟缸27的活塞杆通过螺栓与波浪缸连接座23固连在一起；支撑平台底座21中间为开口设计，用于通过加载缸28的活塞杆，加载缸28的活塞杆与固连在游车滑轮组12的滑轮固定架5下部的加载缸连接座13通过销轴固接在一起。

运动模拟底座包括固连在一起的运动底座上架24和运动底座下架25。运动底座下架25中间设置有油缸固定架29，油缸固定架29上固连有3对油缸销座26；2个波浪模拟缸27与1个加载缸28通过螺栓与油缸销座26固连在一起，波浪模拟缸27对称分布在加载缸28两侧；运动底座下架25对应于支撑平台底座21上四个角的开孔处，设置有4个导向柱19。

钢丝绳一端固定在死绳固定端上，依次经死绳固定端侧的固定座导向轮31、张紧轮33、摇臂导向轮34绕到天车滑轮组6上，然后通过顺穿法将天车滑轮组6与游车滑轮组12连接起来，再从天车滑轮组6上绕出，再依次经摇臂导向轮34、张紧轮33、固定座导向轮31绕到钢丝绳绞车上。

本发明天车升沉补偿试验装置的工作过程如下：

试验开始后，波浪模拟缸27带动运动支撑平台和升沉补偿试验平台上下运动，加载缸28模拟的大钩载荷作用在游车滑轮组12上，当升沉补偿试验平台上升时，浮动天车相对于天车导轨架向下运动，被动补偿缸15内气体被压缩，补偿上升的位移并储存能量，同时主动补偿缸16在控制系统作用下，使活塞向下运动来补偿上升的位移；当升沉补偿试验平台下降时，浮动天车相对于天车导轨架向上运动，被动补偿缸15内的气体膨胀，补偿下降的位移并释放能量，同时主动补偿缸16在控制系统作用下，使活塞向上运动来补偿下降的位移。

Claims (3)

1.一种天车主被动联合升沉补偿试验装置，包括升沉补偿试验平台、运动支撑平台、运动模拟底座三部分，其特征在于，所述升沉补偿试验平台包括自下而上固连的天车架平台(14)、框架(3)、支撑架(2)和连接架(1)，连接架(1)和天车架平台(14)之间，并排设置有2对导轨(4)；导轨(4)的上端通过螺栓与连接架(1)固连在一起，导轨(4)的下端通过螺栓与天车架平台(14)固连在一起；浮动天车可通过天车体(9)两侧的导向轮(8)沿着导轨(4)上下滑动，天车体(9)上部固连有滑轮固定架(5)；天车滑轮组(6)设置在滑轮固定架(5)内，天车滑轮组(6)与游车滑轮组(12)通过钢丝绳连接在一起，被动补偿缸(15)位于天车架平台(14)中心轴上；两个主动补偿缸(16)对称分布于被动补偿缸(15)两侧，补偿缸的缸体分别通过主动补偿缸连接板(18)和被动补偿缸连接板(17)固定在天车架平台(14)上；活塞杆通过耳环分别与天车体(9)下方的主动补偿缸连接座(10)和被动补偿缸连接座(11)通过销轴连接在一起；所述运动支撑平台由运动支撑台架(20)和支撑平台底座(21)固接组成，运动支撑台架(20)与天车架平台(14)固连；支撑平台底座(21)一侧设置有死绳固定端，另一侧设置有钢丝绳绞车(22)；支撑平台底座(21)四个角上开有4个孔，用于连接导向柱(19)，支撑平台底座(21)上设置有波浪缸连接座(23)；波浪模拟缸(27)的活塞杆通过螺栓与波浪缸连接座(23)固连在一起，支撑平台底座(21)中间为开口设计，用于通过加载缸(28)的活塞杆；加载缸(28)的活塞杆与固连在游车滑轮组(12)的滑轮固定架(5)下部的加载缸连接座(13)通过销轴固接在一起；所述运动模拟底座包括固连在一起的运动底座上架(24)和运动底座下架(25)，运动底座下架(25)中间设置有油缸固定架(29)；油缸固定架(29)上固连有3对油缸销座(26)，2个波浪模拟缸(27)与1个加载缸(28)通过螺栓与油缸销座(26)固连在一起；波浪模拟缸(27)对称分布在加载缸(28)两侧，运动底座下架(25)对应于支撑平台底座(21)上四个角的开孔处，设置有4个导向柱(19)。

2.根据权利要求1所述的一种天车主被动联合升沉补偿试验装置，其特征在于：天车体(9)两侧还设置有连杆固定架(7)，连杆(35)的一端通过销轴与连杆固定架(7)连接在一起，连杆(35)可绕销轴转动；连杆(35)的另一端通过销轴与摇杆(32)的一端和摇臂导向轮(34)连接在一起，连杆(35)、摇杆(32)、摇臂导向轮(34)均可绕销轴转动；摇杆(32)上设置有张紧轮(33)，张紧轮(33)的凹槽中心线与固定座导向轮(31)以及摇臂导向轮(34)的凹槽中心线位于同一直线上；摇杆(32)的另一端通过销轴与固定座导向轮(31)和滑轮固定座(30)连接在一起，摇杆(32)和固定座导向轮(31)可绕销轴转动；两个固定座导向轮(31)并不位于同一水平面上，其凹槽中心平面分别与天车滑轮组(6)两端的滑轮凹槽的中心平面位于同一水平面。

3.根据权利要求1所述的一种天车主被动联合升沉补偿试验装置，其特征在于：钢丝绳一端固定在死绳固定端上，依次经死绳固定端侧的固定座导向轮(31)、张紧轮(33)、摇臂导向轮(34)绕到天车滑轮组(6)上，然后通过顺穿穿法将天车滑轮组(6)与游车滑轮组(12)连接起来，再从天车滑轮组(6)上绕出，再依次经摇臂导向轮(34)、张紧轮(33)、固定座导向轮(31)绕到钢丝绳绞车上。