第２２卷第３期　２０１３年９月　矿　冶　ＭＩＮ１ＮＧ＆ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ　Ｖｏ１．２２，Ｎｏ．３　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２０１３　

文章编号：１００５．７８５４（２０１３）０３－０１０５－０５　

天车升沉补偿装置数值模拟仿真　

渠迎锋　张彦廷　马江涛　吕秋云　

（１．北京矿冶研究总院，北京１００１６０；２．中国石油大学机电工程学院，山东青岛２６６５５５）　

摘　要：为了确定天车升沉补偿装置关键部件补偿缸、液压马达等技术参数，基于Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件与　Ａｄａｍｓ软件，建立了天车升沉补偿装置的数学模型，对天车升沉补偿装置模型进行了运动仿真，分析了　天车、摇臂装置、补偿缸的运动特性，验证了天车升沉补偿装置模型的正确性。分析了被动型、半主动型　天车升沉补偿装置模型的补偿效率与影响补偿效率的关键因素。研究表明，半主动型天车升沉补偿装　置的补偿效率明显比被动型好，在一定范围内，天车升沉补偿装置的补偿效率随着海浪幅值的增大而增　大，随着蓄能器体积的增大而增大。　关键词：补偿缸；升沉补偿；补偿效率；天车；Ａｄａｍｓ　中图分类号：ＴＨ１３７　文献标志码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－７８５４．２０１３．０３．０２５　

ＮＵＭＥＲＩＣＡＬ　ＳＩＭＵＬＡＴ１０Ｎ　ＯＦ　ＴＨＥ　ＣＲ０ＷＮ．ＢＬＯＣＫ　ＨＥＡＶＥ　

ＣＯＭＰＥＮＳＡＴ１０Ｎ　ＤＥＶＩＣＥ　

Ｑ　ｕ　Ｙｉｎｇ－ｆｅｎｇ　ＺＨＡＮＧ　Ｙａｎ—ｔｉｎｇ　ＭＡ　Ｊｉａｎｇ．ｔａｏ　ＬＶ　Ｑｉｕ—ｙｕｎ　（１．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ｂｅｑｉｎｇ　１　００　１　６０，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，　Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６５５５，Ｓｈａｎｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）　

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ａ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ　ａｎｄ　Ａｄａｍｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒ．　

ｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｃｒｏｗｎ・ｂｌｏｃｋ　ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ’Ｓ　ｋｅｙ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｔｈｅ　ｃｒｏｗｎ—ｂｌｏｃｋ　

ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ　ｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｃｒｏｗｎ—ｂｌｏｃｋ，ｒｏｃｋｅｒ　ａｒｍ，ａｎｄ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ｏｆ　ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｓｓｉｖｅ，ｓｅｍｉ—ａｃｔｉｖｅ　ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　

ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｓｅｍｉ・ａｃｔｉｖｅ　ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ　ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｗａｖｅ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ａｎｄ　ｖｏｌｕｍｅ　ｏｆ　ａｃｃｕｍｕ—　

ｌａｔｏｒ．　

ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ；ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｃｒｏｗｎ—ｂｌｏｃｋ；Ａｄａｍｓ　

由于海浪作用，钻井船在深海钻井作业时会产　生升沉、艏摇、横摇、纵摇、横荡、纵荡六个自由度的　

运动　，为了保证正常的钻井作业，防止升沉运动　对钻压的稳定性产生不利影响、降低效率与恶劣海　

况下造成的事故，需要在浮式钻井船上配备一套升　

收稿日期：２０１３－０３－２２　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０８７５２６２）　作者简介：渠迎锋，硕士，助理工程师。　沉补偿装置　。　升沉补偿装置有天车升沉补偿装置、钢丝绳升　

沉补偿装置、游车大钩升沉补偿装置与绞车升沉补　偿装置等多种形式　。天车升沉补偿装置具有占　

用空间小、补偿率高等优点，得到了广泛应用　。　本文根据天车升沉补偿装置的工作原理，基于　

Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件与Ａｄａｍｓ软件，建立了天车升沉补　

偿装置的三维模型，对天车升沉补偿装置的模型进　矿　冶　

行了动力模型分析。通过仿真分析得到了天车升沉　

补偿装置模型的补偿效率与其影响因素之问的关　系，为天车升沉补偿系统的设计开发提供了重要的　

技术支持。　

１　天车升沉补偿装置工作原理　

天车升沉补偿装置主要由天车、游车、摇摆装　

置、补偿液压缸系统、钢丝绳系统等组成，当浮式钻　井船随海浪由最低临界位置向最高临界位置运动　时，天车沿着天车轨道向下运动，补偿缸回缩，蓄能　

器体积减小，气压增大，储存能量。当浮式钻井船随　海浪由最高临界位置向最低临界位置运动时，与天　

车随海浪上升过程正好相反。摇摆装置一端与井架　相连，另一端与天车相连，摇摆装置随着天车上下运　动而来回摇摆，减少了钢丝绳的缠绕次数，提高了钢　

丝绳的寿命。　

２被动天车补偿装置仿真分析　

２．１软件介绍　目前Ａｄａｍｓ软件是虚拟样机分析软件中应用　最广泛的软件之一，涉及到计算方法、软件工程、复　

杂系统的运动、动力学关系等多门学科，用数字化模　型代替实物样机实验。通过建立系统的模型，利用　

先进的求解方法分析系统的工作性能与动态特性，　及时发现设计缺陷，为设计工作提供理论依据。　

在Ａｄａｍｓ软件中，可对模型进行编辑、添加约　束、计算、运动与动力分析、参数化设计、液压传动、　

控制系统等功能。本文运用Ａｄａｍｓ的运动与动力　学分析、液压传动、仿真计算功能对模型的运动状　

态、力学分析、补偿效果等方面进行了分析　。　２．２被动模型的建立　基于Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件、Ａｄａｍｓ软件，根据被动补　偿系统的工作原理，建立模型如图１所示。天车、摇　

臂上臂、摇臂下臂、天车滑轮、摇臂摆轮、井架、补偿　液压缸、钻柱钻压、参照标尺、系统载荷等组成了补　

偿系统模型。　在Ａｄａｍｓ软件中，基于基本的节流孔模型建立　

了元件流量模型，节流孑Ｌ模型是一个分段的流量模　型，为了平滑的过渡紊流与层流区域，紊流模型一般　应用于压力较高的状态，式（１）的经验公式适用于　

临界压力状态以下　。　１　ｑ　Ｇ（Ｐ　一Ｐｚ）　（　）　

式中：ｑ为流量；Ｐ。、Ｐ　分别为节流阀进口油压、出口　天　

系统负载　

钻压弹簧　

图１　天车升沉补偿装置模型　Ｆｉｇ．１　Ｃｒｏｗｎ　ｂｌｏｃｋ　ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ　ｍｏｄｅｌ　

油压；Ｒ为液阻；Ｇ为液导。　从式１中可看出，模型的主要特点足线性化，建　立液压模型时只需输入必要的参数即可。被动型天　

车升沉补偿装置的２个补偿缸无杆腔直接与蓄能器　连接，当补偿缸活塞杆随天车向下运动过程中，补偿　

缸无杆腔体积减小，蓄能器气体部分体积减小，储存　能量；当补偿缸活塞杆随天车向＿卜运动过程中，补偿　

缸无杆腔体积增大，蓄能器气体部分体积增大，释放　能量。被动补偿模型液压系统简图如图２所示。　

图２被动补偿液压系统简图　Ｆｉｇ．２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　

２．３被动模型仿真分析　２．３．１　被动模型补偿效率分析　

船体位移曲线参数幅值Ａ为３．８１　ｍ、周期ｔ为　１２　Ｓ，模型中天车起始位置为平衡位置，补偿缸蓄能　

器体积为１５　ｍ　，蓄能器在天车起始位置时压力为　１７　ＭＰａ，模型补偿效率如图３所示。　

由图３可得出，当船体沿着正弦函数向上运动　时，天车沿着井架向下运动；当船体沿着正弦函数向　

下运动时，天车沿着井架向上运动；当两个摇臂夹角　正好为９０。时，天车受钢丝绳的力为０　Ｎ，大钩位移　

曲线经过补偿作用后，出现了曲线的波动现象。经　

过补偿后游车大钩位移曲线的幅值呈现明显下降趋　渠迎锋等：天车升沉补偿装置数值模拟仿真　

４　３　

１．　；（）　擢：　‘　

一３．　－４．　，　／／、＼

＼　＼＼　．／／　、、、、＼、√／　７　

时Ｉ司￡／　图３被动升沉补偿效果　Ｆｉｇ．３　Ｐａｓｓｉｖｅ　ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ　

势，大钩位移曲线的最高点为１．２７９７　ｍ、最低点为　

一１．２５５３　ｍ，此时，模型的补偿效率为７７　。　

，　ＡＳｌ…　，　１．２７９７＋１．２５５３　ｌ　一—ＡＳ２—ｍａｘ　一—　

６６．７３２％　（２）　式中，叼　为天车升沉补偿装置的补偿效率，ＡＳ。…　为补偿后大钩的最大位移，ＡＳ　…为船体的最大升　沉位移。　

２．３．２被动模型的补偿效率与海浪幅值的关系　根据上述方法，将海浪幅值分别设置为０．５、　

１．０、１．５、２．０、２．５、３．０、３．５　ｍ时，可以得到不同海　

浪幅值时的补偿效率关系曲线，当海浪位移曲线幅　值从０．５　ｍ至３．８１　ｍ增大过程中，补偿后大钩的位　

移逐渐增大，被动天车升沉补偿装置的补偿效率与　海浪幅值的关系曲线如图４所示。　

解　越　副　

拇浪Ｉ瞒值Ａ／ｍ　

图４　被动模型补偿效率与海浪幅值的关系曲线　Ｆｉｇ，４　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｍｏｄｅｌ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｗａｖｅ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　

从图４中海浪幅值与模型补偿效率之间的关系　曲线可以看出，随着海浪幅值的增大，模型的补偿效　

率逐渐增大，当海浪的幅值增大到３　ｍ时，随着幅值　的增大，补偿效率曲线趋近一条直线，模型补偿效率　

几乎不在增大，海浪幅值在一定范围内直接影响模　型的补偿效率。　

２．３．３　被动模型的补偿效率与蓄能器体积的关系　在被动升沉补偿系统中，蓄能器的体积是直接　影响模型补偿效率的重要参数之一，为了分析蓄能　

器的体积与模型的补偿效率之间的关系，在被动天　车升沉补偿装置模型的液压系统中分别将蓄能器的　体积设置为１０、１２．５、１５、１７．５、２０、２２．５、２５　ｍ　，　

可以得出不同的蓄能器体积对应的补偿后模型的大　钩位移曲线及补偿率的关系曲线。　

补偿缸蓄能器的体积增大时，补偿后大钩位移　曲线的滞后现象得到改善，说明蓄能器体积对其工　

作性能的影响比较明显。随着蓄能器体积的不断增　大，补偿后模型的大钩位移得到了一定程度的改善，　

但是，由于海洋平台的空间是有限的，无限的增大蓄　能器的体积是不现实的，因此，选择合适的蓄能器体　

积是非常关键的。补偿缸蓄能器的体积与模型补偿　

效率之间的关系曲线如图５所示。　

斛　裁　趟　副　｛翻５　

蓄能器体积Ｖ／ｍ０　

图５　补偿缸蓄能器体积与被动模型　补偿效率的关系曲线　Ｆｉｇ，．５　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｍｏｄｅｌ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ　ｖｏｌｕｍｅ　

由图５可以看出，随着补偿缸蓄能器体积的增　大，系统的补偿效率逐渐增大；补偿缸蓄能器体积的　

增大与补偿效率之间并不是比例关系，两者的关系　

为上升的曲线，当补偿缸蓄能器的体积增大到一定　程度时，系统补偿效率曲线的斜率逐渐变小。综合　考虑海洋平台的空间、系统的补偿效率、经济成本等　

因素，一般取蓄能器体积为１５　ｍ　。　

３　半主动天车补偿装置仿真分析　

３．１　半主动天车补偿装置模型建立　

由于被动补偿装置存在补偿效率低、补偿精度　

低且存在滞后的现象，主动型升沉补偿装置存在能　

耗高的弊端，故应用受到了一定程度的限制，半主动　

升沉补偿系统结合了两者的优点，得到了推广应用。　

半主动天车升沉补偿系统主要有被动补偿部分、主