CN102241371B

CN102241371B - 应用于多桩腿升降机构的液压系统

Info

Publication number: CN102241371B
Application number: CN 201110079193
Authority: CN
Inventors: 陈定方; 张争艳; 车畅; 张华�; 张晶华; 李涛涛; 陈天沛; 谢瑜娴; 阳学进; 柯柏杰; 陆宁洲
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: CN102241371A

Abstract

一种应用于多桩腿升降机构的液压系统，涉及自升式海洋钻井平台及风电安装船领域，它包括主油路、插销油路和控制油路，其中：所述主油路包括高压泵、M型机能三位四通电液换向阀、第一升降缸组和第二升降缸组；所述插销油路包括插销中压泵、两个Y型机能三位四通电磁换向阀、第一插销缸组和第二插销缸组；所述控制油路包括依次连接的控制中压泵、二位四通电磁换向阀和带单向阻尼的液动换向阀。应用本发明系统，两组升降缸和插销缸配合动作，完成一个工况可以使平台主体上升或下降两个行程，其平台主体的运动可视为连续运动(间歇时间相对于其爬升时间较短)，因此升降速度快，传动效率高。

Description

应用于多桩腿升降机构的液压系统

技术领域

本发明具体涉及自升式海洋钻井平台及风电安装船等领域中一种应用于多桩腿升降机构的液压系统。

背景技术

随着能源问题的日益加剧，油气开发越来越受到人们的关注，而随着海上勘察工作的深入研究，海洋已经成为全球油气资源的开发区。海洋油气的勘探开发基本上以海洋平台为载体，因此各国政府及企业正在加大对海洋平台的研究。自升式海洋平台在我国海上油气开发领域中起着非常重要的作用，在渤海和南海上作业的自升式海洋平台已有十几座，除了具有钻井功能外，有些还改造成为了生产平台。

自升式海洋平台主要包括平台箱形主体、固桩室、桩腿、桩靴和升降机构。其中，升降机构是自升式海洋平台设计研究的关键部分。自升式海洋平台的升降机构大致分为两大类：齿轮齿条式和液压缸顶升式。齿轮齿条式升降机构就是在平台的每根桩腿上设置几套齿条及相应的齿轮，动力通过桩边马达驱动齿轮减速箱，然后传递给与齿条啮合的小齿轮，从而带动平台主体的升降。例如NG-2500X安装船采用电气驱动装置，升降机构为齿轮齿条系统，以实现平台主体的上下运动。液压缸顶升式升降机构采用液压驱动装置，通过驱动升降缸和插销缸的配合运动，完成平台主体的升降。

自升式海洋平台的升降机构由动力驱动系统、动力传递系统和平台升降控制系统三大部分组成。采用齿轮齿条式工作虽然传动简单、速度快、易控制，但是部件易损坏、工作可靠性差，而且不适应海洋的各种恶劣环境。而采用液压顶升式，其工作体积小、惯性好、传动效率高、刹车停止或者负载突然变化时，由于液压缸的缓冲和回油路中平衡阀的作用，能够使平台主体运动平稳。因此，采用液压顶升式升降机构是现代自升式海洋平台升降系统的主流方向之一。

传统液压顶升式升降机构中，每一桩腿上的升降缸和插销缸分别是同步动作的，这导致升降缸和插销缸每工作一个周期，平台主体只能上升或者下降一个行程。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种应用于多桩腿升降机构的液压系统，应用该液压系统的自升式海洋平台升降速度快，且运行平稳、安全。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种应用于多桩腿升降机构的液压系统，包括主油路、插销油路和控制油路，其特别之处在于：

所述主油路包括高压泵、M型机能三位四通电液换向阀、第一升降缸组和第二升降缸组；所述高压泵的输入端与油箱连通，高压泵的输出端与M型机能三位四通电液换向阀的P口连通；所述M型机能三位四通电液换向阀的T口与油箱连通；所述第一升降缸组包括相互并接的若干第一升降缸，所述第二升降缸组包括相互并接的若干第二升降缸，第一升降缸的无杆腔经液控单向阀与M型机能三位四通电液换向阀的A口连通，第一升降缸的有杆腔与M型机能三位四通电液换向阀的B口连通，第二升降缸的有杆腔与M型机能三位四通电液换向阀的A口连通，第二升降缸的无杆腔经液控单向阀与M型机能三位四通电液换向阀的B口连通；

所述插销油路包括插销中压泵、两个Y型机能三位四通电磁换向阀、第一插销缸组和第二插销缸组；所述插销中压泵的输入端与油箱连通，插销中压泵的输出端分别与两个Y型机能三位四通电磁换向阀的P口连通；所述两个Y型机能三位四通电磁换向阀的T口分别与油箱连通；所述第一插销缸组包括相互并接的若干第一插销缸，所述第二插销缸组包括相互并接的若干第二插销缸，第一插销缸的两个油腔经液压锁分别与一个Y型机能三位四通电磁换向阀的A口和B口连通，第二插销缸的两个油腔经液压锁分别与另一个Y型机能三位四通电磁换向阀的A口和B口连通；

所述控制油路包括依次连接的控制中压泵、二位四通电磁换向阀和带单向阻尼的液动换向阀，二位四通电磁换向阀的出油口与所述第一升降缸、第二升降缸处的液控单向阀的控制油口连通、并与带单向阻尼的液动换向阀的控制油口和进油口连通，带单向阻尼的液动换向阀的出油口与所述M型机能三位四通电液换向阀的控制油口连通。

上述技术方案中，所述插销中压泵的输出端还通过二位二通电磁换向阀与M型机能三位四通电液换向阀的P口连通。

上述技术方案中，所述第一升降缸、第二升降缸处的液控单向阀的进油油路上分别设有与其反向连接的液控单向阀，所述反向连接的液控单向阀的控制油口分别经二位二通电磁换向阀与二位四通电磁换向阀的出油口连通。

上述技术方案中，所述第一升降缸、第二升降缸处的液控单向阀的进油油路上分别设有单向节流阀。

上述技术方案中，所述带单向阻尼的液动换向阀为由上下端作用面积不等的液动二位换向阀和单向节流阀构成的组合阀。

上述技术方案中，所述第一插销缸和第二插销缸处的液压锁分别由两个液控单向阀构成。

上述技术方案中，所述高压泵、插销中压泵和控制中压泵组成的液压泵组为至少两套，每套液压泵组之间并联连接。

上述技术方案中，所述第一插销缸、第二插销缸、第一升降缸和第二升降缸上分别设有行程开关。

上述技术方案中，所述控制中压泵的出口油路上还设有压力继电器，在控制中压泵的卸荷油路上设有与压力继电器对应的二位四通电磁换向阀，用于控制中压泵的卸荷。

上述技术方案中，所述控制油路的二位四通电磁换向阀的进油口还设有蓄能器。

与现有的平台液压系统相比，本发明的有益效果在于：

1)以往液压系统每完成一个工况只能使平台主体上升或下降一个行程，而应用本发明系统，两组升降缸和插销缸配合动作，完成一个工况可以使平台主体上升或下降两个行程，其平台主体的运动可视为连续运动(间歇时间相对于其爬升时间较短)，因此升降速度快，传动效率高；

2)主油路中的液控单向阀、平衡阀等使整个系统运行平稳、安全。

附图说明

图1为应用本发明液压系统的海洋平台锁紧状态的示意图；

图2为本发明一个实施例的液压原理图；

图中：1-桩腿，2-平台主体，3-第一插销刚缸组，4-第一升降缸组，5-第二插销缸组，6-第二升降缸组；

7、25-二位四通电磁换向阀，8-控制中压泵，9-插销中压泵，10-高压泵，11、43-溢流阀，12-蓄能器，13-压力表，14、16-单向阀，15-散热器，17、18-Y型机能三位四通电磁换向阀，19、28、31-二位二通电磁换向阀，20-M型机能三位四通电液换向阀，21-压力继电器，22、23、24-精滤油器，26-带单向阻尼的液动换向阀，27、34-平衡阀，29、32、35、38-液控单向阀，30、33-单向节流阀，36-第一升降缸，37-第二升降缸，39-第一插销缸，40、42-液压锁，41-第二插销缸，1S～6S-行程开关。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的一个具体实施例做进一步的详细描述：

如图2所示，本发明的一种应用于多桩腿升降机构的液压系统，包括主油路、插销油路和控制油路，其中：

主油路包括高压泵10，M型机能三位四通电液换向阀20，平衡阀27、34，反向连接的液控单向阀29、32，单向节流阀30、33，第一升降缸组4和第二升降缸组6。高压泵10的输入端与油箱连通、输出端与M型机能三位四通电液换向阀20的P口连通。M型机能三位四通电液换向阀20的T口与油箱连通。第一升降缸组4包括相互并接的四个第一升降缸36，第二升降缸组6包括相互并接的四个第二升降缸37。M型机能三位四通电液换向阀20的A口依次经平衡阀27、反向连接的液控单向阀29、单向节流阀30和液控单向阀35与四个第一升降缸36的无杆腔连通，M型机能三位四通电液换向阀20的A口还依次经平衡阀27与四个第二升降缸37的有杆腔连通。M型机能三位四通电液换向阀20的B口依次经平衡阀34、反向连接的液控单向阀32、单向节流阀33和液控单向阀38与四个第二升降缸37的无杆腔连通，M型机能三位四通电液换向阀20的B口还依次经平衡阀34与四个第一升降缸36的有杆腔连通。

插销油路包括插销中压泵9，两个Y型机能三位四通电磁换向阀17、18，第一插销缸组3和第二插销缸组5。插销中压泵9的输入端与油箱连通；输出端一方面分别与两个Y型机能三位四通电磁换向阀17、18的P口连通，用于为插销油路供油，另一方面还通过二位二通电磁换向阀19与M型机能三位四通电液换向阀20的P口连通，用于必要时为主油路供油。两个Y型机能三位四通电磁换向阀17、18的T口分别与油箱连通。第一插销缸组3包括相互并接的两个第一插销缸39，第二插销缸组5包括相互并接的两个第二插销缸41。第一插销缸39的两个油腔经液压锁40分别与一个Y型机能三位四通电磁换向阀17的A口和B口连通，第二插销缸41的两个油腔经液压锁42分别与另一个Y型机能三位四通电磁换向阀18的A口和B口连通。上述的每个液压锁40、42均分别由两个液控单向阀构成。

控制油路包括依次连接的控制中压泵8、二位四通电磁换向阀25和带单向阻尼的液动换向阀26。二位四通电磁换向阀25的出油口与第一升降缸36、第二升降缸37处的液控单向阀35、38的控制油口连通、并与上述主油路中反向连接的液控单向阀29、32的控制油口连通、还与带单向阻尼的液动换向阀26的控制油口和进油口连通。带单向阻尼的液动换向阀26的出油口与M型机能三位四通电液换向阀20的控制油口连通。本实施例中，带单向阻尼的液动换向阀26为由上下端作用面积不等的液动二位换向阀和单向节流阀构成的组合阀。控制中压泵8的出口油路上还设有两个压力继电器21，分别设定最高和最低压力，在控制中压泵8的卸荷油路上设有与上述压力继电器21对应的二位四通电磁换向阀7，当油路压力超过设定范围时，能够控制中压泵8卸荷。二位四通电磁换向阀25的进油口还连有蓄能器12，用于当控制中压泵8卸荷时，维持控制油路的供油。

本实施例中，由高压泵10、插销中压泵9和控制中压泵8组成的液压泵组为两套，两套液压泵组之间并联连接，每一套液压泵组可单独或同时投入工作，以提高整个液压系统海上工作的可靠性。第一插销缸39、第二插销缸41、第一升降缸36和第二升降缸37上分别设有行程开关1S～6S，当插销缸完全闭合或松开时，相应的升降缸才开始动作；同样，当升降缸运动到指定位置时，相应的插销缸才开始闭合或松开。当然，在各油泵的出口油路上还设有单向阀14、压力表13和精滤油器22、23、24等。

本发明的工作原理如下：

图1示意出了本发明的基本工作原理。自升式海洋平台的升降机构包括四条桩腿1，每条桩腿1上设有八个升降缸和四个插销缸，八个升降缸每四个一组分为第一升降缸组4和第二升降缸组6，四个插销缸每两个一组分为第一插销缸组3和第二插销缸组5，每条桩腿1上均设有一套本发明的液压系统。完成一个工况，其工作过程大致可分为六个动作：1)第一插销缸组3打开；2)第一升降缸组4上升；3)第一插销缸组3闭合；4)第二插销缸组5打开；5)第二升降缸组6上升；6)第二插销缸组5闭合。(上述过程中，两个升降缸组是同时上升的，只是每次起驱动作用的是一个升降缸组)

如图2，具体动作为(以插销中压泵9向主油路供油为例)：使Y型机能三位四通电磁换向阀17的DT1得电，插销中压泵9输出的液压油经过单向阀与精滤油器23，液压油进入第一插销缸39的有杆腔，通过控制油口打开右边的液控单向阀，使第一插销缸39的无杆腔回油，经右边的液控单向阀及Y型机能三位四通电磁换向阀17流回油箱，推动活塞杆使第一插销缸组3打开，完成动作1)；当第一插销缸39活塞杆上的挡块触动行程开关1S时，PLC控制Y型机能三位四通电磁换向阀17的DT1断电，M型机能三位四通电液换向阀20的DT5、二位二通电磁换向阀19的DT7、二位二通电磁换向阀28的DT8以及二位四通电磁换向阀25的DT10得电，控制中压泵8输出的液压油经过压力继电器21、精滤油器24，通过控制油口开启液控单向阀29和38，二位四通电磁换向阀25出油口的液压油还经过带单向阻尼的液动换向阀26后控制M型机能三位四通电液换向阀20的换向，同时高压泵10输出的经过单向阀14与精滤油器22的液压油和插销中压泵9输出的经过单向阀、精滤油器23的液压油一起，经过平衡阀27、液控单向阀29、单向节流阀30、液控单向阀35进入第一升降缸36的无杆腔，第一升降缸36的有杆腔回油，经过平衡阀34及M型机能三位四通电液换向阀20流回油箱，平衡阀27的出油口的液压油还进入了第二升降缸37的有杆腔，第二升降缸37的无杆腔回油，经过液控单向阀38、单向节流阀33、液控单向阀32、平衡阀34及M型机能三位四通电液换向阀20流回油箱，第二升降缸组6的缸体上升，通过平台主体2带动第一升降缸组4上升，完成动作2)；当第一升降缸36活塞杆上的挡块触动行程开关5S时，PLC控制M型机能三位四通电液换向阀20的DT5、二位二通电磁换向阀19的DT7、二位二通电磁换向阀28的DT8以及二位四通电磁换向阀25的DT10断电，Y型机能三位四通电磁换向阀17的DT2得电，插销中压泵9输出的液压油经过单向阀与精滤油器23，液压油进入第一插销缸39的无杆腔，通过控制油口打开左边的液控单向阀，使第一插销缸39的有杆腔回油，经左边的液控单向阀及Y型机能三位四通电磁换向阀17流回油箱，推动活塞杆使第一插销缸组3闭合，完成动作3)；当第一插销缸39活塞杆上的挡块触动行程开关2S时，PLC控制Y型机能三位四通电磁换向阀17的DT2断电，Y型机能三位四通电磁换向阀18的DT3得电，插销中压泵9输出的液压油经过单向阀与精滤油器23，液压油进入第二插销缸41的有杆腔，通过控制油口打开右边的液控单向阀，使第二插销缸41的无杆腔回油，经右边的液控单向阀及Y型机能三位四通电磁换向阀18流回油箱，推动活塞杆使第二插销缸组5打开，完成动作4)；当第二插销缸41活塞杆上的挡块触动行程开关4S时，PLC控制Y型机能三位四通电磁换向阀18的DT3断电，M型机能三位四通电液换向阀20的DT6、二位二通电磁换向阀19的DT7、二位二通电磁换向阀31的DT9以及二位四通电磁换向阀25的DT10得电，控制中压泵8输出的液压油经过压力继电器21、精滤油器24，通过控制油口开启液控单向阀35和38，二位四通电磁换向阀25出油口的液压油还经过带单向阻尼的液动换向阀26后控制M型机能三位四通电液换向阀20的换向，同时高压泵10输出的经过单向阀14与精滤油器22的液压油和插销中压泵9输出的经过单向阀、精滤油器23的液压油一起，经过平衡阀34、液控单向阀32、单向节流阀33、液控单向阀38进入第二升降缸37的无杆腔，第二升降缸37的有杆腔回油，经过平衡阀27及M型机能三位四通电液换向阀20流回油箱，平衡阀34的出油口的液压油还进入了第一升降缸36的有杆腔，第一升降缸36的无杆腔回油，经过液控单向阀35、单向节流阀30、液控单向阀29、平衡阀27及M型机能三位四通电液换向阀20流回油箱，第一升降缸组4的缸体上升，带动第二升降缸组6上升，完成动作5)；当第二升降缸37活塞杆上的挡块触动行程开关6S时，PLC控制M型机能三位四通电液换向阀20的DT6、二位二通电磁换向阀19的DT7、二位二通电磁换向阀31的DT9以及二位四通电磁换向阀25的DT10断电，Y型机能三位四通电磁换向阀18的DT4得电，插销中压泵9输出的液压油经过单向阀与精滤油器23，液压油进入第二插销缸41的无杆腔，通过控制油口打开左边的液控单向阀，使第二插销缸41的有杆腔回油，经左边的液控单向阀及Y型机能三位四通电磁换向阀18流回油箱，推动活塞杆使第二插销缸组5闭合，完成动作6)，即完成了一个工况。如此反复，直到达到平台主体2所需的高度。上述过程中，系统各电磁铁得失电情况见下表一：

表一

动作

DT1

DT2

DT3

DT4

DT5

DT6

DT7

DT8

DT9

DT10

第一插销缸组3打开

+

-

第一升降缸组4上升

-

+

-

+

-

+

第一插销缸组3闭合

-

+

-

第二插销刚组5打开

-

+

-

第二升降缸组6上升

-

+

-

+

第二插销缸组5闭合

-

+

-

对于控制油路，它由控制中压泵8单独供油，主要用来控制主回路和插销回路中的M型机能三位四通电液换向阀20、带单向阻尼的液动换向阀26以及系统中的液控单向阀29、32、35、38。两个压力继电器21用于调定最高和最低压力。当压力超过高压限定值时，压力继电器21发出信号，二位四通电磁换向阀7的电磁铁通电，处于右工位，控制中压泵8卸荷；当压力低于低压限定值时，压力继电器21发出信号，二位四通电磁换向阀7电磁铁断电，处于左工位，控制中压泵8重新向油路供油，使压力继续升高，直到压力的上限值为止。控制中压泵8卸荷时，两个蓄能器12维持回路压力和补偿泄露。

自升式钻井平台或风电安装船由拖航转到工作状态时，先完成桩腿1下放的运动，当桩腿1下放插入海底后，桩腿1不能继续下行，于是液压反向力推动缸体带动平台主体2上升。由于平台主体2质量大，所以压力迅速上升，当压力升高到压力继电器21的调定压力时，压力继电器21发出信号，使二位二通电磁换向阀19断电。此时，系统由高压泵10单独供油，压力继续升高，平台主体2慢速上升，如此循环，直到平台主体2上升到所需的高度。桩腿1的上升和平台主体2的下降与此类似。

本发明的核心在于通过控制两组升降缸和插销缸使桩腿1连续上升、下降，所以其保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims

1.一种应用于多桩腿升降机构的液压系统，包括主油路、插销油路和控制油路，其特征在于：

所述主油路包括高压泵（10）、M型机能三位四通电液换向阀（20）、第一升降缸组（4）和第二升降缸组（6）；所述高压泵（10）的输入端与油箱连通，高压泵（10）的输出端与M型机能三位四通电液换向阀（20）的P口连通；所述M型机能三位四通电液换向阀（20）的T口与油箱连通；所述第一升降缸组（4）包括相互并接的若干第一升降缸（36），所述第二升降缸组（6）包括相互并接的若干第二升降缸（37），第一升降缸（36）的无杆腔经液控单向阀（35）与M型机能三位四通电液换向阀（20）的A口连通，第一升降缸（36）的有杆腔与M型机能三位四通电液换向阀（20）的B口连通，第二升降缸（37）的有杆腔与M型机能三位四通电液换向阀（20）的A口连通，第二升降缸（37）的无杆腔经液控单向阀（38）与M型机能三位四通电液换向阀（20）的B口连通；

所述插销油路包括插销中压泵（9）、两个Y型机能三位四通电磁换向阀（17、18）、第一插销缸组（3）和第二插销缸组（5）；所述插销中压泵（9）的输入端与油箱连通，插销中压泵（9）的输出端分别与两个Y型机能三位四通电磁换向阀（17、18）的P口连通；所述两个Y型机能三位四通电磁换向阀（17、18）的T口分别与油箱连通；所述第一插销缸组（3）包括相互并接的若干第一插销缸（39），所述第二插销缸组（5）包括相互并接的若干第二插销缸（41），第一插销缸（39）的两个油腔经液压锁（40）分别与一个Y型机能三位四通电磁换向阀（17）的A口和B口连通，第二插销缸（41）的两个油腔经液压锁（42）分别与另一个Y型机能三位四通电磁换向阀（18）的A口和B口连通；

所述控制油路包括依次连接的控制中压泵（8）、二位四通电磁换向阀（25）和带单向阻尼的液动换向阀（26），二位四通电磁换向阀（25）的出油口与所述第一升降缸（36）、第二升降缸（37）处的液控单向阀（35、38）的控制油口连通、并与带单向阻尼的液动换向阀（26）的控制油口和进油口连通，带单向阻尼的液动换向阀（26）的出油口与所述M型机能三位四通电液换向阀（20）的控制油口连通。

2.根据权利要求1所述的应用于多桩腿升降机构的液压系统，其特征在于：所述插销中压泵（9）的输出端还通过二位二通电磁换向阀（19）与M型机能三位四通电液换向阀（20）的P口连通。

3.根据权利要求1所述的应用于多桩腿升降机构的液压系统，其特征在于：所述第一升降缸（36）处的液控单向阀（35）的进油油路上设有与其反向连接的液控单向阀（29），所述第二升降缸（37）处的液控单向阀（38）的进油油路上设有与其反向连接的另一液控单向阀（32），所述反向连接的两个液控单向阀（29、32）的控制油口分别经二位二通电磁换向阀（28、31）与二位四通电磁换向阀（25）的出油口连通。

4.根据权利要求1所述的应用于多桩腿升降机构的液压系统，其特征在于：所述第一升降缸（36）、第二升降缸（37）处的液控单向阀（35、38）的进油油路上分别设有单向节流阀（30、33）。

5.根据权利要求1所述的应用于多桩腿升降机构的液压系统，其特征在于：所述带单向阻尼的液动换向阀（26）为由上下端作用面积不等的液动二位换向阀和单向节流阀构成的组合阀。

6.根据权利要求1所述的应用于多桩腿升降机构的液压系统，其特征在于：所述第一插销缸（39）和第二插销缸（41）处的液压锁（40、42）分别由两个液控单向阀构成。

7.根据权利要求1所述的应用于多桩腿升降机构的液压系统，其特征在于：所述高压泵（10）、插销中压泵（9）和控制中压泵（8）组成的液压泵组为至少两套，每套液压泵组之间并联连接。

8.根据权利要求1所述的应用于多桩腿升降机构的液压系统，其特征在于：所述第一插销缸（39）、第二插销缸（41）、第一升降缸（36）和第二升降缸（37）上分别设有行程开关（1S~6S）。

9.根据权利要求1所述的应用于多桩腿升降机构的液压系统，其特征在于：所述控制中压泵（8）的出口油路上还设有压力继电器（21），在控制中压泵（8）的卸荷油路上设有与压力继电器（21）对应的二位四通电磁换向阀（7），用于控制中压泵（8）的卸荷。

10.根据权利要求1所述的应用于多桩腿升降机构的液压系统，其特征在于：所述控制油路的二位四通电磁换向阀（25）的进油口还设有蓄能器（12）。