液壓頂驅(qū)能量回收系統(tǒng)建模與求解

《液壓頂驅(qū)能量回收系統(tǒng)建模與求解》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、石油機(jī)械一22一CHINAPETROLEUMMACHINERY2010年第38卷第_6期●設(shè)計(jì)計(jì)算液壓頂驅(qū)能量回收系統(tǒng)建模與求解葉哲偉梁政張梁(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)摘要針對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)試圖利用剎車時(shí)的部分能量，提出將液壓頂驅(qū)制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)能量加以回收利用，從而減少制動(dòng)能量的部分浪費(fèi)的構(gòu)想，從理論的角度建立了能量回收數(shù)學(xué)模型。采用Matlab編程求解微分方程，得到了流入高壓儲(chǔ)能器的油液體積與時(shí)間的關(guān)系曲線、高壓儲(chǔ)能器壓力隨時(shí)I"4的變化曲線及主軸轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線。結(jié)果表明，采用能量回收剎車系統(tǒng)可以在2

2、．56S內(nèi)剎停，剎車減速過程平穩(wěn)，進(jìn)入儲(chǔ)能器的油液體積增加平緩，高壓儲(chǔ)能器達(dá)到的最高壓力為2O．88MPa。關(guān)鍵詞液壓頂驅(qū)能量回收高壓儲(chǔ)能器數(shù)學(xué)模型制動(dòng)系統(tǒng)液壓缸和液壓馬達(dá)，總體液壓系統(tǒng)圖較為復(fù)雜。根0引言據(jù)文獻(xiàn)[5]對(duì)液壓閉式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)論述，設(shè)計(jì)了如圖1所示的主液壓系統(tǒng)原理圖。主傳動(dòng)采用頂驅(qū)是頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置的簡(jiǎn)稱，可從井架空閉式系統(tǒng)，通過輔泵實(shí)現(xiàn)對(duì)閉式系統(tǒng)的補(bǔ)油以及熱間上部直接旋轉(zhuǎn)鉆柱，并沿井架內(nèi)專用導(dǎo)軌向下送油的置換。系統(tǒng)中的主換向閥l9采用大流量蓋板進(jìn)，完成鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、循環(huán)鉆井液、接立根、上式

3、插裝閥替代，替代原理圖沒有畫出。通過組合可卸扣和倒劃眼等多種鉆井操作。該裝置可節(jié)省鉆井以實(shí)現(xiàn)12種位置機(jī)能，且能十分靈活地控制并減時(shí)間20％～25％，并可預(yù)防卡鉆事故的發(fā)生，用少壓力損失，還可有效防止系統(tǒng)油溫升高。于鉆斜井、鉆高難度定向井時(shí)經(jīng)濟(jì)效益尤為顯著。頂驅(qū)有液壓驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)之分。這是指頂驅(qū)的主運(yùn)動(dòng)，即主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。這2種頂驅(qū)的輔助運(yùn)動(dòng)大都是采用液壓執(zhí)行元件進(jìn)行，如管子處理裝置、平衡系統(tǒng)、鉆桿上卸扣裝置等。總體看來，這2種頂驅(qū)驅(qū)動(dòng)方式在同時(shí)向前發(fā)展，都有各自的發(fā)展空間。筆者主要針對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)

4、頂驅(qū)試圖利用剎車時(shí)的部分能量，提出將液壓頂驅(qū)制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)能量加以回收利用，從而減少制動(dòng)能量的部分浪費(fèi)的構(gòu)想，圖1液壓頂驅(qū)主傳動(dòng)系統(tǒng)原理從理論的角度建立了能量回收數(shù)學(xué)模型，并就簡(jiǎn)單1一低壓儲(chǔ)能器；2一二位三通電磁換向閥；3一蓋板式插裝閥；4一壓力繼電器；5、8、22、25一單向閥；6、7一主泵；9一壓的結(jié)構(gòu)形式對(duì)模型進(jìn)行了求解。力表；1O一截止閥；11、13一濾油器；12一輔泵；14、15、18一溢流閥；16一熱交換器；17一節(jié)流閥；19一三位四通電磁換向閥；2O一1頂驅(qū)液壓制動(dòng)系統(tǒng)能量回收原理主馬達(dá)；21、

5、24一二位二通電磁換向閥；23一高壓儲(chǔ)能器。液壓頂驅(qū)主傳動(dòng)系統(tǒng)中能量回收系統(tǒng)主要由低液壓頂驅(qū)鉆井裝置有多個(gè)執(zhí)行元件，包括執(zhí)行壓儲(chǔ)能器、液壓閥3和19、液壓馬達(dá)和高壓儲(chǔ)能基金項(xiàng)目：省部共建“石油天然氣裝備”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(2006TS02)。2010年第38卷第6期葉哲偉等：液壓頂驅(qū)能量回收系統(tǒng)建模與求解一23一器等組成。當(dāng)頂驅(qū)裝置剎車過程開始時(shí)，主泵6、P：——高壓儲(chǔ)能器的最高工作壓力，MPa；7停止供油，馬達(dá)在鉆柱慣性的作用下成為泵工——高壓儲(chǔ)能器在最高T作壓力下的氣囊況，馬達(dá)排油口輸出高壓油，

6、高壓儲(chǔ)能器壓力不斷體積，L；升高；低壓儲(chǔ)能器不斷向馬達(dá)進(jìn)油口補(bǔ)充低壓油，——多變指數(shù)(等溫時(shí)取k=1，絕熱時(shí)取使得低壓儲(chǔ)能器壓力不斷降低。通過馬達(dá)的作用使k=1．4)。低壓油油壓升高，從而將液壓能量回收存儲(chǔ)到高壓2．2．2馬達(dá)進(jìn)出油1：2壓差與剎車過程阻力矩間的儲(chǔ)能器中。釋放能量的過程為：高壓儲(chǔ)能器中的高關(guān)系壓油經(jīng)過閥24、閥25再到馬達(dá)，最后通過閥19馬達(dá)剎車過程成為泵工況，進(jìn)油口壓差取決回到油箱。于馬達(dá)本身特性參數(shù)，由丹尼遜軸向柱塞馬達(dá)產(chǎn)品總體來說，剎車過程馬達(dá)減速，高壓儲(chǔ)能器壓說明書可知力升高，低壓儲(chǔ)

7、能器壓力降低。當(dāng)馬達(dá)減速為079．7Ap(￡)=()(2)時(shí)，馬達(dá)進(jìn)排油口壓差達(dá)到最大，此時(shí)能量回收過式中6p(t)——馬達(dá)進(jìn)出油口壓差，MPa；程結(jié)束。為防止馬達(dá)在壓差作用下反轉(zhuǎn)，需在此時(shí)(t)——壓差作用對(duì)馬達(dá)產(chǎn)生的阻力矩，刻接通馬達(dá)進(jìn)排油口。N·m。2．2．3馬達(dá)剎車過程的排油量與時(shí)間的關(guān)系2頂驅(qū)液壓制動(dòng)系統(tǒng)能量回收數(shù)學(xué)剎車過程中馬達(dá)轉(zhuǎn)速降低，馬達(dá)進(jìn)出油口壓差模型不斷增大，馬達(dá)受到的反扭矩增加。馬達(dá)在鉆桿慣性作用下向高壓儲(chǔ)能器中泵送高壓油量與時(shí)間存在2．1模型簡(jiǎn)化如下關(guān)系：(1)忽略能量回收過程油液在

8、管路及各閥門v(t)=fot[。一f1×0_5d(3)處的壓力損失；式中6-(t)——鉆桿減加速度隨時(shí)間的變化，(2)不計(jì)馬達(dá)在能量回收過程中的機(jī)械損失；(3)不考慮回收能量過程中油液的壓縮性。rad／s。2．2．4主軸轉(zhuǎn)速與馬達(dá)扭矩的關(guān)系2．2數(shù)學(xué)模型建立為建立系統(tǒng)能量回收過程的數(shù)學(xué)模型，下面分主軸轉(zhuǎn)速與馬達(dá)扭矩存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，剎段列寫各階段的數(shù)學(xué)方程。車初始階段轉(zhuǎn)速高，加速度小，馬達(dá)扭矩小。剎車2．2．1