摘要
海底钻机是海底资源勘探、海洋地质调查以及海洋科学考察不可或缺的重要技术装备，回转系统是海底钻机的核心部件，为钻头提供转速和扭矩。在定量泵供油的回转液压系统中，为减小负载的波动对回转系统输出转速的影响，回转液压系统中设置了定差溢流阀，并利用AMESim对海底钻机回转液压系统进行了建模，在阶跃负载下进行了仿真。仿真结果表明：定差溢流阀能够使得泵出口压力始终与负载相匹配，有效地提高输出转速的平稳性，同时实现系统节能。
全世界海洋的总面积约为3.61亿k
海底钻机是一种钻探系统完全工作于水底的钻探设备，与通常的船载钻机需要钻探船或钻井平台有着完全不同的工作方式，海底钻机在海底工作时，只需要一条具有承载能力的脐带缆就可以实现远程的能量供应和通讯控制，如
图1 海底钻机工作示
Fig.1 Working diagram of subsea drilling rig
海底钻机的动力头回转系统是一个核心部件，为钻头提供需要的扭矩和转速，同时海底钻机的回转系统也辅助钻杆的接卸。海底钻机的回转系统一般为比例方向阀控液压马达系统，由比例阀控制马达的流量，进而控制马达输出转速。当孔内地层情况比较复杂、负载变化比较剧烈频繁时，回转系统的输出压力就会有相应大幅度的波动。同时泵的输出压力变化，内溢流量也不断的变化，输出流量也会大幅频繁波动，导致回转速度大幅波动，能量损失大，发热严重。为解决上述问题，在比例方向阀控液压马达的动力头回转系统中加入定差溢流阀，定差溢流阀可以使得比例方向阀前后压差保持基本不变，会有效减小回转速度的波动，其原理如
图2 定差溢流阀压力补偿原理
Fig.2 Pressure compensation principle of the differential relief valve
P1为泵出口压力，P2为负载压力，P2反馈到定差溢流阀弹簧腔，P1作用在另一腔，两者压差为定差溢流阀弹簧调定压力，定差溢流阀保持节流阀阀口前后压差不变（P1-P2为定值），数字上等于定差溢流阀弹簧压缩量折算的压力P3（一般P3<2 MPa）。定差溢流阀使得P1随着P2变化而变化，实现了系统节能。
海底钻机动力头回转液压系统主要由电机泵组、溢流阀、比例方向阀、液压马达、定差溢流阀、水下压力补偿器以及梭阀等组成，如
图3 海底钻机回转液压系统
Fig.3 The rotation hydraulic system of subsea drilling rig
水下压力补偿器：敏感周围海水环境压力，并把海水环境压力传递到液压系统中，对液压系统的压力进行补偿，以消除或减少海水环境压力对液压系统的影响。
目前针对富钴结壳等深海矿产资源调查研制的海底钻机（
图4 20 m钻深海底钻机
Fig.4 Subsea drilling rig with 20m drilling capacity
| 参数名称 | 数 值 |
|---|---|
| 最大供油压力/MPa | 35 |
|
马达排量/(mL∙ | 45 |
|
泵排量/(mL∙ | 18 |
| 定差溢流阀压差/MPa | 2 |
为进一步分析定差溢流阀在定量泵供油的液压系统中对比例方向阀控液压马达回转系统性能的影响，需借助专业仿真软件进行物理建模和仿真分析。
AMESim软件是计算机系统工程高级建模和仿真平台，它是由法国Imagine公司自1995年开始推出的基于计算机技术的系统建模及仿真软件。它为用户提供了一个时域仿真建模环境，可利用已有模型和（或）建立新的子模型，来构建优化设计所需的实际原型，采用易于识别的标准ISO图标和简单直观的多端口框图，方便用户建立复杂系统以及用户所需的特定应用实例，还可以修改模型和仿真参数进行稳态和动态仿真、绘制曲线并分析仿真结果。该软件界面友好、操作方便，能够让使用者快速建立仿真模型，并能帮助用户分析系统参数以及优化设计，从而缩短开发周期，减少开发成
根据海底钻机回转系统液压原理图，利用AMESim软件库中元器件的模型，搭建海底钻机回转液压系统的物理模型见
图５ 海底钻机动力头回转液压系统仿真模型
Fig.5 Simulation model of the power head rotation hydraulic system of subsea drilling rig
| 参数名称 | 数 值 |
|---|---|
| 最大供油压力/MPa | 35 |
|
泵排量/(mL∙ | 18 |
|
马达排量/(mL∙ | 45 |
| 定差溢流阀弹簧初始预紧力/N | 156 |
|
弹簧刚度/（N∙m | 9 |
| 阀芯行程/mm | 10 |
| 阀芯活塞直径/mm | 10 |
| 阀芯活塞杆直径/mm | 5 |
| 阀孔直径/mm | 10 |
|
电机转速/（r∙mi | 1500 |
海底钻机动力头回转负载主要包括：钻头与孔底岩石摩擦产生的扭矩，回转钻杆柱与孔壁的摩擦产生的扭
海底钻机钻进过程中，若动力头回转负载为阶跃负载，即负载扭矩突然增大，此时工况最为恶劣，假设此时动力头回转的负载变化曲线为：0~10 s为50 N∙m，10~20 s阶跃为100 N∙m，20~30 s阶跃为150 N∙m，如
图6 输入信号线
Fig.6 Input signal curve
输入负载扭矩与回转系统输出扭矩相反。在输入的负载扭矩下，比例方向阀输入电流40 mA（阀口全开），分析海底钻机动力头回转系统输出扭矩的曲线，如
图7 回转系统扭矩响应曲线
Fig.7 Torque response curve of the rotation system
图8 泵供油压力与负载压力变化曲线
Fig.8 Variation curve of pump oil supply pressure
vs load pressure
由
图9 回转系统调速曲线
Fig.9 Speed regulation curve of the rotation system
给比例方向阀电磁铁输入不同电流，改变比例方向阀的开度（如
图10 改变定差溢流阀弹簧预紧力，回转系统输出转速曲线
Fig.10 Output speed curve of the rotation system when changing the spring preload of the differential relief valve
（1）海底钻机回转液压系统中设置定差溢流阀，能够使得比例方向阀前后的压差保持不变，有效降低负载的波动对回转系统转速的影响，实现泵供油压力按需供给，有效降低溢流损失，实现系统节能。
（2）定差溢流阀使得泵出口压力始终大于负载压力一个设定值，在定量泵供油系统中，可以使得系统不工作时处于卸荷状态。
（3）调节定差溢流阀弹簧的预紧力，可以改变回转系统的输出转速和速度的平稳性，输出转速随定差溢流阀弹簧预紧力的增大而增大，合理调节定差溢流阀弹簧预紧力，能提高定差溢流阀的使用性能。
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