液控智能完井井下湿式对接工具的设计研究

智能完井系统发生井下设备故障时,为实现无需将井下设备全部提出即可检修等目的,设计一种液控智能完井井下湿式对接工具。该工具可在油井内将地面液控管线与井下液控管线实现对接和分离,且在对接时能够保证地面和井下液控管线稳定导通,在分离时可实现分离的两部分液控管线各自密封。工具采用卡爪结构提供对接锁紧力,并对卡爪的锁紧力进行推导计算,得到结构不同设计参数下的锁紧力。最后通过有限元仿真对卡爪进行强度校核,并根据结果确定卡爪的设计参数。经过设计分析,该工具满足井下使用要求,为智能完井系统检修提供新的解决方案。

Venlo型温室风机调控流场CFD模拟

采用风机调控温室内的作物温度和平均风速,是改变作物生长周期和提高经济效益的重要举措。为了获取最适宜的作物温度和平均风速,该试验将作物视为多孔介质模型,基于CFD构建了Venlo型温室等效流场模型,对不同吹风速度和吹风温度作用下的作物冠层和中层温度场和风速场进行了仿真分析。结果表明,当吹风温度控制在45℃,误差在±1℃的条件下,吹风速度在8 m/s左右,可以实现作物冠层和中层均达到最适宜生长的温度条件。

海底钻机机架的同步升降控制方案设计

为了满足新型海底连续管钻机对可变高度机架的功能需求,开展了机架升降控制方案设计。首先根据海底钻井工艺和深海服役环境,设计了一套基于超长行程柱塞缸和电液比例节流调速的双层机架升降方案及作业流程,具有结构紧凑、稳定性好、油缸及高压管线安装方便、开发成本低的优点。为了减轻大跨距偏载和水下洋流扰动等因素对同步运动控制过程的影响,采用四缸主从同步闭环控制结构,并根据系统理论模型设计了一种内模鲁棒性控制算法,通过调节滤波器时间常数来改善控制器动态特性,仿真结果表明该系统具有良好的抗干扰能力,为深海环境下的准确和稳定控制提供了依据。

海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台开发

该文开发了一种海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台。平台使用六自由度平台模拟海洋浮式钻井平台的运动,并基于集中质量法和动力学相似原理,设计了隔水管缩尺模型。实验平台的悬挂系统可实现上冲程控制、下冲程控制和非控制锁死3种动作,测控系统使用监视与控制通用系统(MCGS)组态软件、可编程逻辑控制器(PLC)和PID控制算法开发。通过使用该实验平台,学生可以增加对海洋钻井隔水管悬挂动力学控制的感性认识,通过实际动手操作训练可加深对隔水管悬挂动力学控制理论、技术和装置的理解,提升教学效果并培养学生的创新意识。

液压机械控制虚拟仿真实验教学系统设计

当前高校液压机械类专业的实验教学环节易受到教学资源短缺的限制,且不能实现资源共享,从一定程度上了影响了实验教学的效果,而计算机虚拟仿真技术的出现为液压机械专业的实验教学提供了一条新的途径。给出了液压机械控制虚拟仿真实验教学系统的总体框架设计与工作流程设计,其中系统硬件平台部分包括客户操控端、服务器、虚拟装置和各种连接端口;从软件层面分析系统服务器运行LabVIEW平台的相关软件程序,并通过系统主界面控制硬件模块工作;为提高虚拟仿真系统的控制精度,在控制算法上采用增量PID控制算法,适时调整采样信号和采样周期,以更准确地控制虚拟装置的工作。测试结果表明与传统实验教学系统相比,提出的仿真实验教学系统具有更快的机械控制响应速度和更精确的行进轨迹。

半主动式钻井绞车升沉补偿系统

为了简化海洋钻井绞车升沉补偿系统的结构、降低主动式绞车补偿系统的能耗,通过系统结构设计、系统建模、内模PID鲁棒位移控制器设计等,设计了一种半主动式海洋钻井绞车升沉补偿系统,并通过非线性时域仿真与实验研究对系统进行了验证。系统结构设计实现了升沉补偿与自动送钻两种运动的解耦控制,降低了系统能耗。系统建模时采用质量集中法和能量守恒原则对系统进行了简化。提出了外环大钩位移闭环与内环电机转速闭环的双层控制方案,设计了外层内模PID鲁棒位移控制器,内模控制在模型匹配与模型失配情况下的稳态偏差均为零,滤波器时间常数越小动态性能越好、抗干扰能力越强。仿真模拟和实验研究的补偿率均在90%以上,补偿效果良好,系统具有可行性。

主动式海洋钻井升沉补偿绞车设计与仿真研究

研究海洋钻井优化控制问题,由于绞车与液压缸升沉补偿系统应共同完成,液压缸升沉补偿系统的初始投资与维护费用很高,而液压缸的最大行程等于所能补偿的最大升沉位移,导致当钻井平台的升沉位移超过液压缸行程时系统失效。为降低钻井成本、提高补偿位移的范围,提出一种主动式海洋钻井升沉补偿绞车方案,通过直接控制电动绞车正反转来实现补偿,从而将升沉补偿功能集成到绞车上,省去了液压缸补偿系统。然后建立逼近实际系统的补偿绞车控制模型。最后通过对模糊算法与传统PID控制性能的仿真对比,结果表明,前馈-模糊-PI控制器性能好,补偿效率满足工作要求,并证明补偿绞车方案是可行的,为系统的开发提供了依据。

浮式钻井补偿绞车方案设计和性能仿真

为提高海洋钻井作业的综合性能,开展电驱动绞车补偿系统的方案设计和控制策略研究。针对国外单绞车补偿系统,提出一种基于双绞车的升沉补偿方案,钻机游动轮系的运动和受力完全对称,具有传动效率高、安全性好等特殊优势。设计系统关键结构参数,并基于能量流分析对绞车升沉补偿工作能力及其影响因素进行理论计算和分析,提出一种基于位移补偿方式的钻井运动联合控制方案,采用外环平台升沉位移和井底钻压闭环、内环矢量变频电机转速闭环的串级结构,选择合适的外环控制算法,并利用基于Simulation X的系统模型开展控制性能仿真研究。结果表明双绞车补偿系统在不同钻井工况下的补偿能力较强,钻井作业窗口较宽;该系统运行稳定,可以实现升沉补偿与自动送钻运动的联合控制,满足海洋钻井要求。

海洋钻井可视化教学软件开发

为便于进行海洋钻井工艺的培训、教学和商业演示,开发了海洋钻井可视化教学软件。结合海洋钻井操作过程与起升系统运动特性,利用Solidworks软件实现三维井场建模,利用VRML与JAVA语言实现钻井系统运动建模,并且采用VRML浏览器ActiveX控件二次开发的方法实现了可视化软件的编制。软件采用多种VRML模型的优化方法,在保证模型品质的同时,大大减少了文件数据量,提高了软件的运行速度。

海洋升沉模拟系统设计与控制算法研究

为了模拟海洋钻井平台的升沉运动规律,设计并搭建了一套基于电液比例阀控马达的位置伺服系统,建立了系统数学模型,对控制算法进行了数值仿真与实验研究,采用逐步细化的分段PID方法实现了模糊PID算法。研究结果表明:带死区补偿的模糊PID算法稳定性好、控制精度高,实现了带载状况下高精度的升沉运动模拟,满足性能要求。

海洋钻机补偿绞车能耗计算与实验测试

为了优化半主动式补偿绞车的结构、验证该系统的节能及补偿效果,对万米钻井补偿绞车的功率及能耗进行了计算与数值仿真。结果表明：主动式补偿绞车主要克服钻柱负载与传动效率损失;半主动式补偿绞车主要克服传动效率损失、传动系统惯性与被动液压马达扭矩波动。综合考虑能耗、钢丝绳寿命、强度等因素,优化了半主动式补偿绞车的电-液驱动方案与关键结构参数,该系统相对于主动式补偿绞车的节能效果明显。研制了一套载荷2.3 t的补偿绞车原理样机,实验结果表明：绞车补偿的控制效果良好,峰值功率、能耗的变化规律与理论分析基本一致;随补偿幅值的增大,半主动补偿相对于主动补偿节能46.5%～26.7%;补偿载荷越大、传动惯性越小、传动效率越高,节能效果越明显。

海洋钻井天车升沉补偿系统不同摇摆装置性能分析

天车升沉补偿系统广泛应用于浮式海洋钻井平台,不同的摇摆装置设计方案对摇摆臂受力变化、钢丝绳运动规律及升沉补偿效果均有重要影响。针对3套典型的天车升沉补偿系统摇摆装置方案建立数学模型并进行数值计算,基于线性加权和法建立各影响因素的权重表和综合评价标准,并对3套方案进行评价。结果表明,钢丝绳内绕式方案Ⅰ和方案Ⅱ中摇摆臂须承受变化幅度较大的交变载荷,易疲劳受损;且钢丝绳直弯交变长度较大,窜绳现象明显,给系统控制精度带来较大影响;钢丝绳外绕式方案Ⅲ具有摇摆臂受力平稳、钢丝绳直弯交变长度小、无窜绳现象等特点;基于线性加权和法评定方案Ⅲ为优秀,方案Ⅱ为良好,方案Ⅰ为中等。

浮式钻井平台天车升沉补偿系统联合仿真研究

天车升沉补偿系统在浮式海洋钻井平台得到了广泛应用。为分析天车升沉补偿系统不同工作方式下的补偿效果,对其主要系统参数进行设计。利用AMESim仿真平台和ADMAS软件搭建了联合仿真模型,完成被动补偿方式及3种不同反馈信号(位移、速度和加速度)下半主动补偿方式的补偿效果仿真实验,以及气液转换器与被动补偿缸之间管线长度对补偿效果的影响分析。仿真结果表明:半主动补偿方式下速度反馈补偿效果最佳,加速度反馈稍差,位移反馈最次,但都远高于被动补偿方式;气液转换器与被动补偿缸之间管线越短补偿效果越高。

天车升沉补偿试验系统设计及仿真研究

为了检验海洋浮式钻井天车升沉补偿装置的工作性能,根据相似理论设计了升沉补偿试验系统,主要包括升沉模拟系统、负载模拟系统和升沉补偿系统。利用ADAMS和AMESim软件建立系统的联合仿真模型,得到蓄能器初始体积、充气压力和补偿缸作用面积对系统性能的影响规律,以及升沉补偿率和系统能耗之间的对应关系。仿真结果表明:系统可以实现平台升沉模拟、钻井负载模拟和升沉补偿等试验功能;工作平稳,具有良好的动态特性,补偿效果较好。

海洋浮式钻井天车升沉补偿实验教学平台研制

针对海洋浮式钻井升沉补偿实验教学的需要,研制了一套天车升沉补偿实验教学平台。该教学平台由升沉模拟系统、负载模拟系统、升沉补偿系统三部分组成,分别实现升沉运动模拟、钻机负载模拟和升沉补偿的功能。该平台电控系统采用西门子PLC为下位机,上位机采用WinCC组态人机交互界面,两者采用TCP/IP协议进行通信,达到实时监测和控制的要求。采用该平台进行综合实验,学生可以重点掌握天车升沉补偿装置的工作原理与控制方式,提高学生机电结合的动手和工程实践能力。

半主动式补偿绞车的液压试验系统

为了检验半主动式补偿绞车的控制性能与节能效果,根据相似理论研制了补偿绞车原理样机及其液压试验系统,主要包括升沉模拟液压系统、负载模拟液压系统、1∶5缩尺的补偿绞车原理样机,分别实现了造波、加载、升沉补偿与自动送钻等试验功能。开发了电控系统,升沉补偿采用大钩位移闭环,自动送钻采用负载压力闭环,电机采用带速度反馈的矢量控制模式。最后通过试验模拟了补偿绞车原理样机的升沉补偿过程、自动送钻过程以及二者的联动过程,测试了补偿绞车的控制性能及液压蓄能节能效果。试验结果表明:补偿绞车的控制效果良好,半主动补偿方式相对于主动补偿方式有明显的节能效果。

基于AMESim的浮式钻井平台钻柱升沉补偿系统仿真研究

针对海浪升沉运动对钻柱和钻压的影响,设计基于电液比例阀控制非对称油缸的海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿系统。通过对系统中电液比例阀和液压缸进行分析,搭建了基于AMESim软件的主动补偿和半主动补偿系统仿真模型,运用PID控制算法进行仿真研究。仿真结果表明,设计的补偿系统具有较好的补偿效果。该模型可为升沉补偿系统研究提供参考。

天车升沉补偿实验装置控制系统设计与实现

针对海洋浮式钻井天车升沉补偿实验装置的实验需求,设计并实现了一套自动控制系统。开展了总体控制方案设计和子系统详细设计;硬件设计以PC机为上位机,以2台西门子PLC为下位机分别控制泵站和阀台,PC与PLC之间通过TCP/IP协议进行通信;采用STEP 7编写了控制程序,升沉补偿控制策略有PID控制、模糊控制和模糊PID控制3种方式;利用WinCC软件完成了监控系统组态设计,主要包括控制界面、动态曲线界面、报警界面和登录界面等。现场实验证明该控制系统平均补偿率为91.8%,能够满足天车升沉补偿要求。

海洋钻井天车升沉补偿系统隔离阀设计及仿真研究

为了保障海洋钻井天车升沉补偿系统正常工作,遇到钻井事故时保证人员和设备的安全,根据系统工作原理设计了隔离阀的液压系统原理图,搭建AMESim仿真模型,进行动态特性分析和结构参数优化。结果表明:设计的液压系统具有自动关闭、手动关闭、保持常开和复位的功能,满足实际工况的需求;通过NLPQL算法进行结构参数优化,优化后隔离阀响应时间缩短,发生钻井事故时天车速度明显降低,性能显著提高;隔离阀关闭过程中无压力冲击现象,系统运行平稳。

新形势下全在线原位翻转教学方案的设计与实施——以机械故障诊断技术翻转课堂为例

疫情形势下,机械故障诊断技术课程实施了全在线原位翻转课堂教学。结果表明,该教学模式能较好地解决线上课堂的弊端,同时也避免了翻转课堂课外阅读量大给学生造成的额外负担,获得了很好的教学效果。