液压顶驱能量回收系统建模与求解

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1、石油机械一22一CHINAPETROLEUMMACHINERY2010年第38卷第_6期●设计计算液压顶驱能量回收系统建模与求解叶哲伟梁政张梁(西南石油大学机电工程学院)摘要针对液压驱动顶驱试图利用刹车时的部分能量，提出将液压顶驱制动时的制动能量加以回收利用，从而减少制动能量的部分浪费的构想，从理论的角度建立了能量回收数学模型。采用Matlab编程求解微分方程，得到了流入高压储能器的油液体积与时间的关系曲线、高压储能器压力随时I"4的变化曲线及主轴转速随时间的变化曲线。结果表明，采用能量回收刹车系统可以在2

2、．56S内刹停，刹车减速过程平稳，进入储能器的油液体积增加平缓，高压储能器达到的最高压力为2O．88MPa。关键词液压顶驱能量回收高压储能器数学模型制动系统液压缸和液压马达，总体液压系统图较为复杂。根0引言据文献[5]对液压闭式系统设计的相关论述，设计了如图1所示的主液压系统原理图。主传动采用顶驱是顶部驱动钻井装置的简称，可从井架空闭式系统，通过辅泵实现对闭式系统的补油以及热间上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送油的置换。系统中的主换向阀l9采用大流量盖板进，完成钻柱旋转钻进、循环钻井液、接立根、上式

3、插装阀替代，替代原理图没有画出。通过组合可卸扣和倒划眼等多种钻井操作。该装置可节省钻井以实现12种位置机能，且能十分灵活地控制并减时间20％～25％，并可预防卡钻事故的发生，用少压力损失，还可有效防止系统油温升高。于钻斜井、钻高难度定向井时经济效益尤为显著。顶驱有液压驱动和电动机驱动之分。这是指顶驱的主运动，即主轴的旋转运动驱动方式。这2种顶驱的辅助运动大都是采用液压执行元件进行，如管子处理装置、平衡系统、钻杆上卸扣装置等。总体看来，这2种顶驱驱动方式在同时向前发展，都有各自的发展空间。笔者主要针对液压驱动

4、顶驱试图利用刹车时的部分能量，提出将液压顶驱制动时的制动能量加以回收利用，从而减少制动能量的部分浪费的构想，图1液压顶驱主传动系统原理从理论的角度建立了能量回收数学模型，并就简单1一低压储能器；2一二位三通电磁换向阀；3一盖板式插装阀；4一压力继电器；5、8、22、25一单向阀；6、7一主泵；9一压的结构形式对模型进行了求解。力表；1O一截止阀；11、13一滤油器；12一辅泵；14、15、18一溢流阀；16一热交换器；17一节流阀；19一三位四通电磁换向阀；2O一1顶驱液压制动系统能量回收原理主马达；21、

5、24一二位二通电磁换向阀；23一高压储能器。液压顶驱主传动系统中能量回收系统主要由低液压顶驱钻井装置有多个执行元件，包括执行压储能器、液压阀3和19、液压马达和高压储能基金项目：省部共建“石油天然气装备”教育部重点实验室资助项目(2006TS02)。2010年第38卷第6期叶哲伟等：液压顶驱能量回收系统建模与求解一23一器等组成。当顶驱装置刹车过程开始时，主泵6、P：——高压储能器的最高工作压力，MPa；7停止供油，马达在钻柱惯性的作用下成为泵工——高压储能器在最高T作压力下的气囊况，马达排油口输出高压油，

6、高压储能器压力不断体积，L；升高；低压储能器不断向马达进油口补充低压油，——多变指数(等温时取k=1，绝热时取使得低压储能器压力不断降低。通过马达的作用使k=1．4)。低压油油压升高，从而将液压能量回收存储到高压2．2．2马达进出油1：2压差与刹车过程阻力矩间的储能器中。释放能量的过程为：高压储能器中的高关系压油经过阀24、阀25再到马达，最后通过阀19马达刹车过程成为泵工况，进油口压差取决回到油箱。于马达本身特性参数，由丹尼逊轴向柱塞马达产品总体来说，刹车过程马达减速，高压储能器压说明书可知力升高，低压储

7、能器压力降低。当马达减速为079．7Ap(￡)=()(2)时，马达进排油口压差达到最大，此时能量回收过式中6p(t)——马达进出油口压差，MPa；程结束。为防止马达在压差作用下反转，需在此时(t)——压差作用对马达产生的阻力矩，刻接通马达进排油口。N·m。2．2．3马达刹车过程的排油量与时间的关系2顶驱液压制动系统能量回收数学刹车过程中马达转速降低，马达进出油口压差模型不断增大，马达受到的反扭矩增加。马达在钻杆惯性作用下向高压储能器中泵送高压油量与时间存在2．1模型简化如下关系：(1)忽略能量回收过程油液在

8、管路及各阀门v(t)=fot[。一f1×0_5d(3)处的压力损失；式中6-(t)——钻杆减加速度随时间的变化，(2)不计马达在能量回收过程中的机械损失；(3)不考虑回收能量过程中油液的压缩性。rad／s。2．2．4主轴转速与马达扭矩的关系2．2数学模型建立为建立系统能量回收过程的数学模型，下面分主轴转速与马达扭矩存在一定的对应关系，刹段列写各阶段的数学方程。车初始阶段转速高，加速度小，马达扭矩小。刹车2．2．1