天车升沉补偿装置摇臂机构滑轮接触特性及损伤机理研究

发布时间：2020-11-10 18:35

　　随着我国工业的高速发展,油气资源需求的日渐增加与陆上油气资源储备的日益减少之间的矛盾越发显著,油气勘探开发向深海进军已势在必行。天车升沉补偿装置是目前世界上应用广泛的一种深水油气探勘开发设备,其采用摇臂机构来实现张紧钢丝绳、减少钢丝绳缠绕次数、提高钢丝绳使用寿命的功能。由于钢丝绳与滑轮之间的接触应力以及钢丝绳的拉力在发生周期性变化,滑轮会产生接触疲劳,进而发生疲劳磨损,导致滑轮绳槽表面会出现沟槽并最终扩展成压痕,影响滑轮和钢丝绳的使用寿命。目前,关于升沉补偿系统的研究主要集中在对其控制策略的改进,对升沉补偿系统关键部位结构安全的研究鲜有报道,而这对于升沉补偿装置的使用寿命乃至深水油气勘探开发平台的维护检修至关重要。因此本论文开展了天车升沉补偿装置摇臂机构滑轮接触特性及损伤机理研究,其主要内容与结论如下:(1)开展了摇臂机构运动学和钢丝绳受力分析。根据钻井平台的运动规律,建立了摇臂机构钢丝绳与滑轮包角的变化模型和摇臂机构运动的数学模型,分析了包角、滑轮速度和角速度变化规律;建立了钢丝绳-滑轮的力学模型,分析了钢丝绳拉力的变化规律。结果显示:钢丝绳与滑轮Ⅱ(摇杆和连杆铰接处滑轮)的包角变化幅值最大,更容易产生疲劳;当天车运动到最高点时,摇杆和连杆有较大的惯性力并且此时钢丝绳拉力达到最大值,这将加剧滑轮的磨损。(2)开展了钢丝绳与滑轮绳槽表面接触应力分析。建立了钢丝绳微元力学模型,分析了钢丝绳拉力与滑轮包角的关系;再依次建立钢丝绳整股与滑轮、钢丝绳侧股与滑轮、侧股外层钢丝与滑轮的接触模型,计算了不同接触模型下滑轮接触应力,得到了受最大压载点处滑轮Ⅱ与钢丝绳的接触面上接触应力的分布规律;对比分析由三种接触模型计算得到的滑轮绳槽接触应力,并综合考虑计算准确度和计算成本,最终选择了钢丝绳侧股与滑轮的接触模型作为实际计算的适用模型。(3)开展了天车升沉补偿装置摇臂机构仿真分析。建立了天车升沉补偿装置运动学仿真模型,对摇臂机构在海浪升沉作用下的运动进行了求解计算,得到了摇杆、连杆的角速度和角加速度变化规律;建立了钢丝绳整股以及钢丝绳侧股与滑轮绳槽的接触仿真模型,对滑轮所受接触应力进行了求解计算,得到了滑轮绳槽上接触应力随时间的变化规律以及接触点处应力的分布情况。结果显示:当天车位于最高点时,摇杆、连杆的角加速度最大,并且此时接触应力达到最大值,而且还发现,有限元仿真的结果与解析法计算结果极为一致,为下一步滑轮的疲劳循环次数的计算提供了基础。(4)开展了摇臂机构滑轮损伤机理与疲劳寿命研究。根据疲劳磨损理论,分析了滑轮绳槽表面压痕产生的原因是钢丝绳对滑轮绳槽的循环微切削导致的疲劳磨损,进而导致了滑轮损伤;建立了滑轮疲劳寿命预测模型,估算出最大补偿工况下滑轮的疲劳寿命为184天,并根据滑轮的损伤机理提出了几项减轻滑轮疲劳磨损的措施。
【学位单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TE95
【部分图文】：