升沉补偿实验台虚拟样机设计及系统节能研究

【摘要】：深海石油开发一般采用半潜式海洋平台或浮式钻井船等浮式钻井装置进行钻井作业。由于海浪的作用,钻井平台会产生升沉运动,并带动钻柱一起运动,从而导致钻压不稳定,缩短钻头的使用寿命,甚至被迫停工,增加钻井的成本。为了更好地研究升沉补偿系统并进行系统节能方面的研究,有必要开展升沉补偿系统的实验研究工作。 为了更好地对已经建立的钻柱升沉补偿试验台进行研究,将试验台的三维模型导入系统动力学分析软件ADAMS中,经过对固定构件合理的合并、对仿真中无用构件的删除,并添加合适的运动副之后,建立了钻柱升沉补偿试验台的虚拟样机模型。 结合半主动补偿阀控控制的原理,在ADAMS中建立了液压系统图,并且根据试验台的结构参数确定了其中的参数;根据试验过程中试验台的控制参数,确定了各个液压元件的参数,经过仿真,对比仿真结果与试验结果,确定了试验台虚拟样机模型的正确性,并且在这一前提下,针对影响被动补偿效果的因素,如补偿缸蓄能器的体积、气囊压力,负载缸蓄能器的体积、气囊压力等进行了被动补偿的仿真,确定了其对被动补偿的补偿效果和补偿效率的影响;在半主动补偿中,确定了各个参数如补偿缸蓄能器的体积、气囊压力,负载缸蓄能器的体积、气囊压力,定量泵的流量,液压阀控制函数中比例系数等对补偿效果和补偿效率的影响;并且确定了以上各个参数发生变化对系统能耗的影响,为试验台控制参数的选取提供了参考;在模型中,通过仿真模拟进行了实际试验台无法进行的试验,比如钻杆脱断的工况、负载缸蓄能器故障工况等,通过量化的表达确定了在相关工况下给试验台带来损害。 在半主动补偿泵控加阀控的仿真中,利用试验曲线和仿真曲线比较对仿真模型进行了验证,并且利用试验数据做出曲线图对两种控制方式进行了比较。 【关键词】：升沉补偿 半主动式 复合缸 虚拟样机技术 ADAMS
【学位授予单位】：中国石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TE952
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 课题的提出及研究目的和意义9-11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.3 研究目标内容和解决的关键问题13-14
• 1.3.1 研究目标13
• 1.3.2 研究内容13-14
• 1.3.3 拟解决的关键问题14
• 1.4 本文采取的研究方案、技术路线及可行性分析14-16
• 1.4.1 研究方案、技术路线14
• 1.4.2 可行性分析14-16
• 第二章 虚拟样机仿真模型的建立16-45
• 2.1 虚拟样机技术和试验台简介16-20
• 2.1.1 ADAMS 简介16-17
• 2.1.2 ADAMS 的数学理论基础17
• 2.1.3 虚拟样机技术简介17-19
• 2.1.4 试验台简介19-20
• 2.2 试验台几何实体建模20-31
• 2.2.1 软件基本设置20-23
• 2.2.2 导入试验台模型23-24
• 2.2.3 合并模型构件24-25
• 2.2.4 编辑模型构件25-30
• 2.2.5 试验台的工作原理30-31
• 2.3 试验台虚拟样机建模31-45
• 2.3.1 添加运动副31-36
• 2.3.2 添加驱动36-37
• 2.3.3 仿真液压系统的建立37-40
• 2.3.4 被动补偿系统参数的确定40-43
• 2.3.5 主动补偿系统参数的确定43-45
• 第三章 虚拟样机模型的验证及补偿效果对比分析45-71
• 3.1 虚拟样机模型的验证45-51
• 3.1.1 创建设计变量45-47
• 3.1.2 仿真参数的设置47
• 3.1.3 虚拟样机模型的验证47-51
• 3.2 被动式升沉补偿系统的仿真51-62
• 3.2.1 蓄能器的数学模型51-54
• 3.2.2 被动补偿曲线的对比54-62
• 3.3 半主动式升沉补偿系统的仿真62-71
• 第四章 系统能耗的仿真研究71-78
• 4.1 系统能耗的确定方法71-72
• 4.2 补偿缸蓄能器对系统能耗的影响72-74
• 4.2.1 补偿缸蓄能器的体积对系统能耗的影响72-73
• 4.2.2 补偿缸蓄能器气囊压力对系统能耗的影响73-74
• 4.3 负载缸蓄能器对系统能耗的影响74-75
• 4.3.1 负载缸蓄能器体积对系统能耗的影响74-75
• 4.3.2 负载缸蓄能器气囊压力对系统能耗的影响75
• 4.4 主动控制液压回路参数对系统能耗的影响75-78
• 4.4.1 定量泵的流量变化对系统能耗的影响75-76
• 4.4.2 液压阀控制函数比例系数对系统能耗的影响76-78
• 第五章 特殊工况的仿真研究78-86
• 5.1 钻具事故的仿真78-81
• 5.1.1 常见的钻具事故78
• 5.1.2 对钻柱脱断的仿真78-81
• 5.2 试验台负载缸蓄能器故障的仿真81-86
• 第六章 泵控加阀控的仿真及两种控制方法的比较86-92
• 6.1 变量泵的参数设置86
• 6.2 泵控加阀控的仿真86-88
• 6.3 两种控制方法的仿真结果与试验结果的对比88-90
• 6.4 两种控制方法试验结果的对比90-92
• 结论92-94
• 参考文献94-96
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果96-97
• 致谢97

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