车 畅,陈定方,梅 杰,刘 哲

(武汉理工大学智能制造与控制研究所,湖北 武汉 430068)

所有的海上平台都必须将环境、重力和运行时的载荷在平台与支腿之间进行转换.有些平台在所有的情况下都是依赖起升的齿轮来实现这一功能,但是大部分却是只在起升时依赖齿轮,而其他多数时间是依靠锁紧装置来实现这一功能的[1].

1 锁紧装置的基本组成

锁紧装置主要由液压装置和复位装置构成[2].

1.1 液压装置

液压系统在锁紧装置中是一个动力元件,它是执行装置,是非常重要的部分[3].

此设计中主要采用的活塞缸,按作用分为推动液压缸和夹紧液压缸.当推动液压缸推动卡爪与齿条接触时,有可能对不准,所以它的两端是铰接的,使卡爪与齿条接触时能够准确啮合,不对液压装置产生挤压.

夹紧液压缸的头部和夹紧楔块连接.在卡爪与齿条牢牢卡住后,夹紧液压缸推动楔块夹紧卡爪,将整个平台的重量施加在卡爪上,以固定平台.夹紧液压缸与楔块是将平台与卡爪联系起来的一个纽带,其运动过程如图1所示.

1.2 复位装置

卡爪要求与桩腿齿条完全啮合,在液压缸推动其与桩腿齿条啮合后,其位置会相对啮合前有所偏移.在将其拉出的时候要将卡爪恢复到原来的位置,就必须设置一个装置将其归位,这就是复位装置[2].

图1 夹紧液压缸与楔块的运动过程

水平滑动导轨固定在一侧的盖板上,使卡爪能沿轨道水平运动.卡爪上固定一个中滑块,如果锁紧时齿条没有完全啮合,由于推动液压缸的两端是铰接的,卡爪便可以沿着竖直导轨上下移动,以此实现调整对位的功能.竖直导轨和上下滑块相连,同时对复位弹簧起到了导向的作用.当卡爪退出啮合时,在复位弹簧的作用下,卡爪恢复到啮合前的位置.复位装置结构如图2所示.

图2 复位装置安装位置及结构

2 液压系统的设计

此海洋钻井平台每桩升降的锁紧装置有3组液压系统,每组液压系统有2个动作——推动液压缸组成的推动动作和夹紧液压缸组成的夹紧动作.每个动作有4个液压缸,所以8个液压缸服务一组系统.由于机构的运动要保持稳定,使每个卡齿平均受力,降低不必要的危险,必须在工作时让这12个推动液压缸一起运动;然后再让12个夹紧液压缸一起运动.本设计只考虑一组液压系统.

综合以上的各个液压系统回路,基本确定本次设计的液压原理图如图3所示.

图3 液压系统原理

图3中,液压油经吸油过滤器、液压泵、高压过滤器、单向阀进入电磁换向阀10,此时DT1得电,液压油进入电磁换向阀16.1和比例方向阀17.1、17.2 、17.3,DT3、DT5 、DT7、DT9 得电,4 个推动液压缸开始同步运动,完成推动动作,其中节流阀节流调速,保证运动的平稳性;随着推动液压缸推动卡爪与齿条啮合,系统的压力会不断增大,当增大到顺序阀11.1的调定压力时,阀门打开,液压油进入电磁换向阀 16.2和比例方向阀 17.4、17.5、17.6,DT11、DT13、DT15、DT17 得电,4 个夹紧液压缸开始同步运动,推动楔块夹紧,蓄能器和液压锁实现保压,平衡阀19.1、19.3保证因为重力原因造成的运动不平稳;当夹紧动作完成后,液压缸要退回来时,DT2得电,DT12、DT14、DT16、DT18也得电,4 个夹紧液压缸完成同步退回动作,平衡阀19.2、19.4保证因为重力原因造成的运动不平稳;当运动到终点时,液压油会退回来,系统压力会升高到顺序阀11.2 的调定压力,阀门打开 ,DT4、DT6、DT8、DT10得电,4个推动液压缸完成同步退回动作,单向节流阀在出油口节流调速,保证运动的平稳性.其中小型直动式溢流阀的缓冲回路是为了保证系统工作的安全性,比例方向阀的同步回路是为了保证液压缸的同步运动[4].

3 锁紧装置的建模仿真

为了更形象地描述液压缸的运动,也为了试验所设计的锁紧装置是否合理,本文采用Solidworks软件和3D Studio Max软件对锁紧装置的运动进行仿真.

3.1 锁紧装置零件的建模

在Solidworks2007的软件环境下建立模型的基本步骤如下:1)根据查阅资料估计各个零件的尺寸,按新建—零件—草绘—拉伸(剪切)—旋转—选择新平面—草绘—成型;2)将设计出的零件按相关约束进行装配至装配体形成.

3.2 锁紧装置的动画仿真

由于锁紧装置的某些运动在 Solidworks2007软件的环境下无法实现,因此在本设计中采用3D Studio Max软件来实现这一运动.

在本设计中锁紧装置的运动主要包括4个过程:1)推动液压缸推动卡爪与齿条啮合;2)夹紧液压缸推动楔块与卡爪夹紧;3)夹紧液压缸推动楔块与卡爪分离;4)推动液压缸推动卡爪与齿条分离,即回到原始位置(图4显示的是锁紧装置锁紧的时刻).

图4 锁紧装置锁紧

4 结束语

锁紧装置系统本身的设计不是十分复杂,但是在恶劣的环境、频繁的工作状态下,与海洋钻井平台安全性、稳定性、高效性密切相关.本文设计的锁紧装置在结构上简化了平台,不仅更安全而且节约经济成本,仿真完善了设计的不足,达到了预期目的.

[1]李克向.钻井手册(甲方)[M].北京:石油工业出版社,1990.

[2]佚名.美国钻井手册[M].陈理中译.北京:石油工业出版社,1980.

[3]李壮云.液压元件与系统[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4]明仁雄,万会雄.液压与气压传动[M].北京:国防工业出版社,2003.