CN208297141U - 一种主动升沉补偿电动绞车试验台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种主动升沉补偿电动绞车试验台，包括：波浪模拟元件，用于模拟海洋波浪的随机运动；试验台，包括承载平台和驱动平台，驱动平台一端与波浪模拟元件连接，另一端通过弹性装置与承载平台连接，承载平台和驱动平台之间设有检测元件，用于检测试验台的运动情况；补偿系统，补偿系统包括配重块和调节装置，配重块放置于承载平台上；控制器与检测元件和调节装置通讯连接，控制器用于根据检测元件的检测结果，控制调节装置调节承载平台做升沉运动。通过弹性装置与重量传感器的组合，模拟井下钻柱弹性对拉力补偿的影响，通过双平台设计，可直观反映位移补偿性能，该设计原理简单，通用性强，且具有结构简单占地面积小的优势。

Description

一种主动升沉补偿电动绞车试验台

技术领域

本实用新型涉及海洋工程领域，尤其涉及一种主动升沉补偿电动绞车试验台。

背景技术

海洋钻井平台或钻井船在海洋波浪的作用下，除发生前后左右摇摆外，还将产生周期性的升沉运动。这种周期性的升沉运动会使钻井架、大钩及悬挂着的钻柱产生往复运动，引起井底钻压变化，甚至会使钻头脱离井底，降低钻头和钻杆使用寿命，造成操作安全隐患。因此，为了避免钻井平台或钻井船在波浪作用下产生周期性的升沉运动，提高钻进效率，降低操作安全隐患，需要引入波浪补偿控制系统，目前存在的波浪补偿控制系统主要为被动式补偿控制系统和主动式补偿控制系统两大类。被动式补偿控制系统补偿性能不稳定，滞后比较大，并且有可能使力的波动进一步降低，增加费用。主动式补偿系统采用反馈控制，抗干扰能力强，适应性好，补偿精度高，补偿性能稳定，但是该系统较为复杂，工作时需要更多的能量，并且初始费用高，要求瞬时功率大，能源价格昂贵。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种主动升沉补偿电动绞车试验台，实现通过弹性装置与重量传感器的组合，模拟井下钻柱弹性对拉力补偿的影响，并且通过双平台设计，能够直观反映位移补偿性能，同时该试验台具有设计原理简单，通用性强，占地面积小等优势。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种主动升沉补偿电动绞车试验台。包括：波浪模拟元件，用于模拟海洋波浪的随机运动；试验台，包括承载平台和驱动平台，驱动平台一端与波浪模拟元件连接，另一端通过弹性装置与承载平台连接，承载平台和驱动平台之间还设有检测元件，用于检测试验台的运动情况；补偿系统，补偿系统包括配重块和调节装置，配重块放置于承载平台上；以及，控制器与检测元件和调节装置通讯连接，控制器用于根据检测元件的检测结果，控制调节装置调节承载平台做升沉运动。

进一步地，当波浪模拟元件模拟随机运动时，试验台发生升沉运动，弹性装置具有第一位移量，检测元件将驱动平台升沉运动数据反馈至控制器，控制器控制调节装置调节承载平台做升沉运动，以补偿承载驱动平台升沉运动，此时弹性装置具有第二位移量。

进一步地，弹性装置为多根间隔且纵向布置的弹簧；检测元件包括姿态传感器和位移传感器；调节装置包括绞车、钢丝绳组件和重量传感器。

进一步地，主动升沉补偿电动绞车试验台还包括导向杆，驱动平台和承载平台可沿导向杆上下移动，当弹性装置具有第一位移量时，姿态传感器将所感应到的驱动平台升沉运动数据反馈至控制器，控制器通过控制绞车的转向与转速以控制调节装置调节承载平台做升沉运动，当弹性装置具有第二位移量时，位移传感器通过感应承载平台与驱动平台之间的相对位移数据，以评价绞车的位置补偿性能。

进一步地，控制器包括主动升沉补偿计算单元以及绞车操作控制计算单元，主动升沉补偿计算单元用于接收驱动平台升沉运动数据，绞车操作控制计算单元根据驱动平台升沉运动数据控制绞车的转向以及转速。

进一步地，调节装置还包括平衡梁，平衡梁通过钢丝绳组件与承载平台以及控制器连接，平衡梁用于均匀分布钢丝绳组件与承载平台的联结点，重量传感器位于平衡梁内用于测量钢丝绳组件上的拉力变化，用于评价绞车的拉力补偿性能。

进一步地，承载平台与驱动平台之间还设有钢丝绳组件，钢丝绳组件用于连接承载平台与驱动平台,避免承载平台与驱动平台间距离过大造成弹性装置脱开。

进一步地，驱动平台升沉运动数据包括驱动平台的加速度，控制器根据加速度数据控制绞车的转向与转速。

进一步地，主动升沉补偿电动绞车试验台还包括液压油缸以及液压油缸支架，液压油缸为倒挂形式，液压油缸支架用于固定液压油缸。

进一步地，主动升沉补偿电动绞车试验台还包括试验台框架，试验台框架底部支座与钻台面现场焊接固定。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下优点：本实用新型提供的一种主动升沉补偿电动绞车试验台，能够实现通过弹性装置与重量传感器的组合，模拟井下钻柱弹性对拉力补偿的影响，并且通过双平台设计，能够直观反映位移补偿性能，另外该试验台还具有设计原理简单，通用性强，并且结构简单，占地面积小，强度高等优势。

附图说明

下面将结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本实用新型一实施例提供的一种主动升沉补偿电动绞车试验台装配示意图的正视图；

图2是本实用新型一实施例提供的一种主动升沉补偿电动绞车试验台装配示意图的侧视图。

元件标号说明：

波浪模拟元件10；液压油缸101；液压油缸上支架102；液压油缸下支架103；弹性装置20；弹簧201；试验台30；承载平台301；驱动平台302；配重块401；钢丝绳组件402；平衡梁403；导向杆50；试验台框架60。

具体实施方式

现有普遍使用的一些波浪补偿控制系统，主要划分为被动式补偿控制系统和主动式补偿控制系统两大类。被动式补偿系统补偿性能不稳定，滞后比较大，并且有可能使力的波动进一步降低，增加费用。主动式补偿系统采用反馈控制，抗干扰能力强，适应性好，补偿精度高，补偿性能稳定，但是该系统较为复杂，工作时需要更多的能量，并且初始费用高，要求瞬时功率大，能源价格昂贵。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细地说明。

图1为本实用新型一实施例提供的一种主动升沉补偿电动绞车试验台装配示意图的正视图，图2是本实用新型一实施例提供的一种主动升沉补偿电动绞车试验台装配示意图的侧视图，参照图1并结合图2，本实用新型实施例提供一种主动升沉补偿电动绞车试验台。包括：波浪模拟元件10，用于模拟海洋波浪的随机运动；试验台30，包括承载平台301和驱动平台302，驱动平台302一端与波浪模拟元件10连接，另一端通过弹性装置20与承载平台301连接，承载平台301和驱动平台302之间还设有检测元件(未示出)，用于检测试验台30的运动情况；补偿系统，补偿系统包括配重块401和调节装置(未示出)，配重块401放置于承载平台301上；以及，控制器(未示出)与检测元件和调节装置通讯连接，控制器用于根据检测元件的检测结果，控制调节装置调节承载平台301的升沉运动。

为了更加直观地反映海洋波浪运动的状况，可引入波浪模拟元件10，由于海洋波浪模拟元件10可随海洋波浪同步运动，从而可以实现对海洋波浪随机运动的量化。本领域技术人员可以理解，此波浪模拟元件10为海洋波浪运动状态的输入系统。在此，对海洋波浪模拟元件10不做限制，只要此波浪模拟元件10可以按照输入的或者给定的海洋波浪数据进行随机运动，并能驱动试验台30做相应的运动，即可。

为了使系统具有一定的弹性空间并模拟井下钻柱的弹性，在此，引入弹性装置20，并将该弹性装置20设于试验台30的双平台装置之间，弹性装置20可为多根间隔且纵向布置的弹簧201。在此，双平台装置包括承载平台301和驱动平台302，驱动平台302一端与波浪模拟元件10连接，可随波浪模拟元件10运动，另一端通过弹性装置20与承载平台301连接。另外，承载平台301上设有配重块401，配重块401用于模拟系统载荷，并且配重块401位于承载平台301上，可随承载平台301同步做升沉运动。

由于配重块401放置于承载平台301上端，所以承载平台301具有改变位于其上端的配重块401的运动状态的能力。在一实施例中，若此试验台没有海洋波浪补偿系统，此时，承载平台301可随海洋波浪做随机运动，导致位于其上端的调节块401也发生随机运动，在调节块401做随机运动过程中使得连接承载平台301的钢丝绳组件上的拉力发生变化。当承载平台301随海洋波浪做上升运动时，位于其上端的调节块401也做上升运动，此时连接承载平台301的钢丝绳组件松弛，钢丝绳组件失去对承载平台301的拉力，承载平台301处于不稳定的运动状态，给海洋作业带来安全隐患；当承载平台301随海洋波浪随机下沉运动时，钢丝绳组件的拉力变大，相应引起弹性装置20内力增加，给海洋作业带来安全隐患。

为了抑制由海洋波浪运动引起的配重块401的不期望位置变动，并且保持系统的稳定性，在此，需要引入控制器与波浪补偿系统，其中补偿系统包括配重块401和调节装置。控制器通过控制调节装置调节承载平台301的升沉运动，承载平台301带动位于其之上的配重块401做同步的升沉运动，从而实现在海洋波浪运动环境中保持承载平台301与配重块401的相对静止状态，实现对海洋波浪补偿的目的。首先，为了对该试验台30的运动数据进行量化，在该试验台30中引入检测元件，该检测元件位于承载平台301与驱动平台302之间，包括姿态传感器(未示出)以及位移传感器(未示出)，其中姿态传感器用于感应驱动平台302升沉运动数据，并将该数据发送至控制器，用于控制绞车的转向与转速，位移传感器用于感应承载平台301与驱动平台302之间的相对位移数据。

继续参照图1并结合图2，具体地，当波浪模拟元件10模拟随机运动时，驱动平台302发生升沉运动，此时弹性装置20具有第一位移量，姿态传感器感应驱动平台302的升沉运动数据，并将该数据发送至控制器，用于控制绞车的转向与转速，实现控制调节装置调节承载平台301的升沉运动，以补偿驱动平台30的升沉运动，此时弹性装置20具有第二位移量，此时，位移传感器用于感应承载平台301与驱动平台302之间的相对位移数据，用于评价绞车的位置补偿性能。

在此，需要说明的是，补偿系统包括配重块401和调节装置，配重块401可为额定20t配重块，放置于承载平台301上用以模拟系统载荷，调节装置包括绞车(未示出)、钢丝绳组件402以及重量传感器，并且重量传感器通过钢丝绳组件402与承载平台301以及控制器连接，用于感应钢丝绳组件402上的拉力变化。在随机运动过程中，若配重块401、承载平台301与驱动平台302始终保持相对静止状态，即承载平台301始终不脱离驱动平台302，此时重量感应器的示数不变或变化极小，表明绞车对海洋波浪运动的随机运动补偿效果好，若重量感应器的示数变化明显，则说明此时控制器不能及时准确地补偿海洋波浪随机运动，即此时绞车的拉力补偿性能不佳。

控制器包括主动升沉补偿计算单元以及绞车操作控制计算单元，主动升沉补偿计算单元用于接收驱动平台升沉运动数据，绞车操作控制计算单元根据驱动平台升沉运动数据控制绞车的转向以及转速。

波浪模拟元件10将海洋波浪升沉运动数据传送到驱动平台302，驱动平台302将接收到的海洋升沉运动数据通过弹性装置传送到承载平台301，驱动平台301上设有姿态传感器，姿态传感器感应到驱动平台的升沉数据并将该数据及时发送至控制器，并通过计算单元计算得到用于控制补偿系统的参数数据，此参数数据包括绞车的转速以及转向，绞车通过控制与其连接的钢丝绳组件402上的拉力大小，从而实现控制承载平台做升沉运动的目的，从而保证位于承载平台301上方的配重块401与承载平台301做同步的升沉运动。在此，该计算单元可为主动升沉补偿计算单元，采用序列算法，绞车的最终运动还需要叠加绞车操作控制计算单元，在此绞车操作控制计算单元可采用PID算法。波幅小于1.5M的波浪模拟能力，绞车补偿精确度可达95％。驱动平台302升沉运动数据包括驱动平台302的加速度，加速度数据发送至控制器，控制器用于控制绞车的转向与转速。将加速度数据传送到控制器，其中主动升沉补偿计算单元用于接收驱动平台302的加速度数据，绞车操作控制计算单元根据驱动平台302升沉运动数据控制绞车的转向以及转速，从而实现控制承载平台301做升沉运动，对海洋波浪运动产生补偿的目的。

在本实施例中，以海洋波浪做随机上升运动为例说明，若该主动升沉补偿电动绞车试验台无补偿系统，此时当海洋波浪模拟元件10模拟海洋波浪做随机上升运动时，海洋波浪模拟元件10驱动与之连接的驱动平台302做同样的上升运动，从而与驱动平台302连接的弹性装置20被压缩，其弹性势能增大，在弹性势能的作用下，该弹性装置20驱动与之连接的承载平台301也做上升运动，导致承载平台301及配重块401也随海洋波浪做上升运动，此时与承载平台301连接的钢丝绳组件松弛，失去对承载平台301的拉力，使得配重块401很可能会在海洋随机运动过程中脱离承载平台301，给海洋作业带来安全隐患。在另一实施例中，为了抑制配重块401的这种随机运动，当驱动平台302感应到海洋波浪模拟元件10的随机上升运动时，设于驱动平台302的检测元件感应驱动平台302的上升运动数据，并将此上升运动数据传送到控制器，控制器将控制信号发送至补偿系统，该补偿系统通过调节钢丝绳组件402对承载平台301的拉力，当驱动平台302与承载平台301的相对运动趋势一致时，那么整个过程实现补偿海洋波浪上升运动的功能。

在此，本领域技术人员可以理解为，当模拟海洋波浪随机运动时，波浪模拟元件10作为海洋波浪运动系统的输入端；当补偿海洋波浪随机运动时，钢丝绳组件对承载平台301的拉力作为海洋波浪补偿系统输入端。当模拟海洋波浪随机上升运动时，绞车通过钢丝绳组件拉动承载平台301做同步上升运动，当模拟海洋波浪随机下沉运动时，绞车通过钢丝绳组件下放承载平台301，实现配重块401随承载平台301做同步的下沉运动。

为了保证试验台30装置的稳定性，该主动升沉补偿电动绞车试验台还包括导向杆50，在此，导向杆50的数量可为四根，分别设于试验台30的两端，用于为试验台30的升沉运动提供导向作用。在波浪模拟元件10模拟海洋随机运动的过程中，驱动平台302和承载平台301可沿导向杆50上下灵活移动，产生模拟海洋波浪的升沉运动数据以及承载平台301与驱动平台302之间的相对位移数据，其中姿态传感器将驱动平台301的升沉运动数据发送至控制器，控制器接收此升沉运动数据，并控制绞车的转向以及转速，从而实现控制与绞车相连的钢丝绳组件402上的作用力，钢丝绳组件402带动与之连接的承载平台302做升沉运动。位移传感器将用于感应承载平台301与驱动平台302之间的相对位移数据，用于校验绞车的位置补偿性能，并且对位移数据越小，说明绞车的位置补偿性能越优，理论波动小于8％。在此，位移传感器可通过感应弹性装置的弹性形变量来检测承载平台301与驱动平台302之间的相对位移数据，当弹性装置不发生弹性形变时，此时说明承载平台301与驱动平台302之间不发生相对位移，此时绞车的补偿性能最优，反之，若弹性装置发生弹性形变，说明承载平台301与驱动平台302之间发生相对位移，并且弹性装置发生的弹性形变量越大说明绞车的补偿性能越不理想。

继续参照图1并结合图2，调节装置还包括平衡梁403，其中平衡梁403通过钢丝绳组件402与承载平台301连接，平衡梁403用于均匀分布钢丝绳组件402与承载平台301的联结点，重量传感器位于平衡梁403内用于测量钢丝绳组件402上的拉力变化，用于校验绞车的拉力补偿性能。

补偿系统包括配重块401和调节装置，调节装置包括绞车、钢丝绳组件402、平衡梁403以及位于平衡梁403内的重量传感器，其中，平衡梁403用于均匀分布钢丝绳组件402与承载平台301的联结点，用于稳定该主动升沉补偿电动绞车试验台。重量传感器位于平衡梁403内用于感应拉力变化，用于评价绞车的拉力补偿性能，当配重块401始终与承载平台301保持一致的相对运动时，此时重量传感器示数不变或者变化量很小，此时说明绞车的拉力补偿性能最优，反之，当配重块401不能通过补偿系统实现与承载平台301保持一致的相对运动时，此时重量传感器示数较大，此时说明绞车的拉力补偿性不佳。在此，补偿系统中的调节装置接收来自控制器的控制信号，通过调节钢丝绳的拉力变化，从而实现调节承载平台302的升沉运动，实现补偿海洋波浪运动的功能。

在海洋波浪运动环境中，试验台30可随海洋波浪模拟元件10做随机运动，给试验台30带来了不稳定因素，因此，需要引入钢丝绳组件402，钢丝绳组件402用于连接承载平台301与驱动平台302，使得在海洋波浪运动环境中，两个平台不至于脱开，起保护作用，在此，钢丝绳组件402共为9组。

参照图2，海洋波浪模拟元件10包括液压油缸101以及液压油缸101支架，液压油缸101为倒挂形式，液压油缸支架用于固定液压油缸101并控制其运动行程在3米之内。

该主动升沉补偿电动绞车试验台，可根据海洋钻井作业的不同工况，以液压油缸101模拟海洋随机波浪的运动，模拟钻井平台或钻井船动态海洋升沉工况及作业工况，在此，以液压油缸101作为海洋波浪模拟元件10，可模拟海洋随机波浪的运动，并且具有安全可靠的优势。同时，为了更好地节约空间以及保证试验台30具有更好的平衡性，将液压油缸101设为倒挂形式。由于液压油缸101可模拟海洋随机波浪使驱动平台302沿导向杆50上下移动，所以为了保证试验台30的相对稳定性，在液压油缸101上下各设有一套液压油缸101支架，包括液压油缸上支架102和液压油缸下支架103，用于固定液压油缸101。

参照图1，本主动升沉补偿电动绞车试验台长宽高为4.69×4.78×7.25米，试验台框架60底部支座与钻台面现场焊接固定，框架主体为H型钢焊接而成，结构简单，强度高。

本实用新型提供的一种主动升沉补偿电动绞车试验台30，能够实现通过弹性装置20与重量传感器的组合，模拟井下钻柱弹性对拉力补偿的影响；通过双平台设计，利用位移传感器测出的数据评价此绞车的位置补偿性能；并且该设计原理简单，通用性强，试验台30结构简单，占地面积小，强度高。

另外需说明，本实用新型中涉及到的活动连接部位需要做油脂润滑处理，便于可靠使用。

虽然本实用新型披露如上，但本实用新型并非限定于此，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，均可作各种更改与修改，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

综上，本实用新型提供的上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种主动升沉补偿电动绞车试验台，其特征在于，包括：

波浪模拟元件，用于模拟海洋波浪的随机运动；

试验台，包括承载平台和驱动平台，所述驱动平台一端与所述波浪模拟元件连接，另一端通过弹性装置与所述承载平台连接，所述承载平台和所述驱动平台之间还设有检测元件，用于检测所述试验台的运动情况；

补偿系统，所述补偿系统包括配重块和调节装置，所述配重块放置于所述承载平台上；以及，

控制器，与所述检测元件和所述调节装置通讯连接，所述控制器用于根据所述检测元件的检测结果，控制所述调节装置调节所述承载平台做升沉运动。

2.如权利要求1所述的主动升沉补偿电动绞车试验台，其特征在于，当所述波浪模拟元件模拟所述随机运动时，所述试验台发生升沉运动，所述弹性装置具有第一位移量，所述检测元件将所述驱动平台升沉运动数据反馈至所述控制器，所述控制器控制所述调节装置调节所述承载平台做升沉运动，以补偿所述驱动平台升沉运动，此时所述弹性装置具有第二位移量。

3.如权利要求2所述的主动升沉补偿电动绞车试验台，其特征在于，

所述弹性装置为多根间隔且纵向布置的弹簧，

所述检测元件包括姿态传感器和位移传感器，

所述调节装置包括绞车、钢丝绳组件和重量传感器。

4.如权利要求3所述的主动升沉补偿电动绞车试验台，其特征在于，还包括导向杆，所述驱动平台和所述承载平台可沿所述导向杆上下移动，当所述弹性装置具有所述第一位移量时，所述姿态传感器将感应到的所述驱动平台升沉运动数据反馈至所述控制器，所述控制器通过控制绞车的转向与转速以控制所述调节装置调节所述承载平台做升沉运动，当所述弹性装置具有所述第二位移量时，所述位移传感器通过感应所述承载平台与所述驱动平台之间的相对位移数据，以评价所述绞车的位置补偿性能。

5.如权利要求4所述的主动升沉补偿电动绞车试验台，其特征在于，所述控制器包括主动升沉补偿计算单元以及绞车操作控制计算单元，所述主动升沉补偿计算单元用于接收所述驱动平台升沉运动数据，所述绞车操作控制计算单元根据所述驱动平台升沉运动数据控制所述绞车的转向以及转速。

6.如权利要求4所述的主动升沉补偿电动绞车试验台，其特征在于，所述调节装置还包括平衡梁，所述平衡梁通过所述钢丝绳组件与所述承载平台以及所述控制器连接，所述平衡梁用于均匀分布所述钢丝绳组件与所述承载平台的联结点，所述重量传感器位于所述平衡梁内用于测量所述钢丝绳组件上的拉力变化，用于评价所述绞车的拉力补偿性能。

7.如权利要求4所述的主动升沉补偿电动绞车试验台，其特征在于，所述承载平台与所述驱动平台之间设有所述钢丝绳组件，所述钢丝绳组件用于连接所述承载平台与所述驱动平台,避免所述承载平台与所述驱动平台间距离过大造成所述弹性装置脱开。

8.如权利要求4所述的主动升沉补偿电动绞车试验台，其特征在于，所述驱动平台升沉运动数据包括所述驱动平台的加速度，所述控制器根据所述加速度数据，控制所述绞车的转向与转速。

9.如权利要求1所述的主动升沉补偿电动绞车试验台，其特征在于，所述波浪模拟元件包括液压油缸以及液压油缸支架，所述液压油缸为倒挂形式，所述液压油缸支架用于固定所述液压油缸。

10.如权利要求1所述的主动升沉补偿电动绞车试验台，其特征在于，还包括试验台框架，所述试验台框架底部支座与钻台面现场焊接固定。