深水吊装升沉补偿液压系统建模与优化

深水吊装升沉补偿液压系统建模与优化

卢韬

中海油田服务股份有限公司湛江分公司海洋石油981广东湛江524057

摘要：在深海提升作业中，由于风浪的共同作用，安装载体的起伏运动容易引起起重设备，起重装置的垂直波动受到严重影响，严重影响了起重设备的安全。水下起重生产。为确保水下作业的安全性和可靠性，设计并了主动升沉补偿的液压系统。并且指出了一种双液压回路升沉的一种有效的补偿系统，其中涉及到了升降回路以及补偿回路这样的两个低速和高扭矩液压马达其主要是被用在对行星绞车进行驱动。使其能够对升沉补偿功能给予实现。通过对于理论进行的分析，还设置了补偿回路的相关数学模型，并通过Matlab/Simulink去完成了建模以及仿真的要求。仿真所获得的结果显示，液压其自身的阻尼比相对较小，这是使得液压系统自身无法保持稳定的主要因素，同时也是其自身响应并不是很快的核心原因。动态压力反馈装置并联连接在补偿回路液压马达的入口以及出口之间，其主要的目的就是为了能够使得液压系统其自身的动态响应特性以及稳定性得到提升。其自身保持响应的需要保持在0.35S，振荡的补偿效果也相对要好一些，运行自身的稳定性比较的稳定，同时还能够对系统性能的要求给予满足。

关键词：深水吊装；主动升沉补偿；液压；建模；优化

随着世界海上石油和天然气开发继续向深海发展，对深海工程设备的需求不断增加，我们国家深海海洋工程装备制造业和世界上一些比较先进的技术水平相比之间仍然有比较大的差距。在深海环境里去开始完成提升作业的时候，当前整体操作系统则主要是通过海风以及海浪去进行组合而成，其中涉及到了三个比较自由的度以及摇摆和俯仰自由。托架其自身的运动运动程度的起重设备在进行升降的时候主要是沿着垂直的方向去进行波动，甚至其自身已经超出了船舶自身产生的起伏运动，严重的还会对起重设备自身的安全性以及海底升降的准确性产生影响。为了能够有效的处置产生的这些问题，在深水提升系统里可以适当的安装升沉的补偿系统，使其能够减少或者是消除提升设备其自身的升沉运动，使得水下设备在进行提升的时候能够具有一定的安全性。升沉补偿主要值得是通过风与电流产生的起重设备垂直运动而进行的一种补偿校正。升沉补偿系统主要是按照能量源被分成主动以及被动两种形式。被动升沉补偿系统主要是使用气液蓄能器的气体压缩或者是膨胀去对控制补偿缸其自身工作室里的液压油的压力进行控制。气缸工作室中的液压油压力基本上是保持不变的，并且其自身也不需要有外部去对其进行作业。本实用新型应用的面积比较广可是其自身的体积相对较大，并且补偿的精度也不是很搞。主动升沉补偿系统运用传感器测量控制的参数，并去对液压缸和液压马达其自身的往复运动进行控制，使其能够对补偿功能给予克。补偿的精度相抵较高，并且占地的面积相对较小，可是其自身的能耗比较大。需要通过外界去对其进行提供。

1深水吊装升沉补偿液压系统的工作原理

如图1所示，深水的升降补偿液压系统主要使用电液比例伺服阀的控制低速，大扭矩的液压马达，其使用行星轮绞车去对两回路其自身的运动合成给予实现。升降回路主要使用的是固定泵以及蓄能器组合供油的工作方式。其自身的功能主要是为了使得设备能够以一种预定速度去得到提升同时使得电缆自身的稳定张力得到提升。补偿电路主要是去进行升沉补偿。传感器分别去对液压马达旋转信号以及索力信号进行测量，然后在其中去将PLC控制器的给定信号输入其中，并使用操作方案得到能够进行控制的信号。比例伺服阀其自身对于电液比例伺服阀控制液压马达的转速以及转向，驱动绞车缩回电缆，能够去对升沉补偿的功能给予实现。供油回路主要使用的是双泵供油，这样的一种方式防止了回路其自身在流量上的变化对于补偿回路产生的影响，同时还使得控制的精度得到有效的保证。这一回路其自身还配备了一个双向的平衡阀，其主要的作用就是对回路压力进行调整，预防负载降低，使升降设备自由下落，保持设备稳定和分散。当风和波很小时，只需要将环挂起来工作即可。在风浪的作用下，蓄能器吸油或排油，改变液压回路的压力，带动液压绞车收回电缆，使电缆收回方向和安装架上升下沉。相反的运动方向补偿了安装支架运动对提升设备的垂直运动的影响。当风相对边角大的时候，升降回路以及补偿回路需要同时被打开，升降回路其中液压马达以及补偿回路的液压马达使用行星轮绞车去进行连接，使其能够对深水提升以及升沉补偿的功能给予实现。

2深水吊装升沉补偿液压系统的建模

主动升沉补偿液压系统补偿回路进行控制的过程，为降低电缆自身产生的变形对于系统稳定性产生的影响，按照控制系统提出的相关要求以及升降点去对运动的范围进行升沉，旋转编码器主要是使用增量的编码器，并且将其安装在补偿在回路液压马达其所具备的输出轴上，然后使用去对一段时间中的脉冲数去进行测量从而得到液压马达其自身的速度以及方向。并且按照起重设备自身的重量以及控制系统的提出的要求，张力传感器主要是使用应变片的张力传感器，并且将其安装在提升的电缆上，应变片拉紧之后会出现电压，并合理的对其彼此的关系进行使用。电压和张力来获得张力。旋转编码器测量液压马达的转速（即提升设备的下降速度）信号，张力传感器测量电缆张力信号和给定信号Ur作为控制器的输入参数，并计算偏差信号ΔU根据控制算法。偏差信号由伺服放大器放大，输入电液比例伺服阀，液压马达的速度和方向由伺服阀控制，实现对提升设备速度补偿和电缆张力补偿的控制。

3深水提升液压伺服系统性能分析

在Matlab/Simulink中建立了深水提升主动升沉补偿液压系统的仿真模型。其中，电缆简化模型和起重设备是弹簧系统作为控制对象的数学模型，电缆和起重设备的总负荷为105t。根据液压系统性能指标，计算每个参数的值。

图１深水吊装主动升沉补偿液压系统原理图

通过使用每个参数的值来模拟模型以获得阶跃响应曲线。液压系统具有大的稳态误差。阶跃响应达到稳定状态后，仍有一些波动，系统达到稳定状态的响应时间较慢。无法满足补偿系统的性能要求。

从液压系统其自身的开环过程中能够看出，这一系统理论上并不具有稳定性的问题，相位的裕度只是6°，其与稳定系统相位裕量提出的要求是一致的。所以能够获得主动升沉补偿液压伺服系统其自身液压阻尼进行对比ξh=0.053来说还是比较小的，这是液压系统其自身的稳定性，响应速度以及响应精度造成的直接原因。

结语

一种主动升沉补偿液压的系统，主要是由提升回路以及补偿回路去构成的，分别去对提升设备所需要进行的下降以及升沉给予补偿，同时按照提升环境实对被动升沉补偿功能以及主动的升沉补偿功能给予实现，在进行补偿的过程中回路液压动态压力反馈装置和电机的进出口是并联的状态，因此可以适当的增加系统自身的阻尼比，使得液压系统自身的动态响应以及稳定性得到提升，响应的时间也需要适当的提升到0.35S，使其能够对升沉补偿系统的响应要求给予满足。

参考文献

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