波浪补偿实验装置和系统的制作方法

本实用新型涉及波浪补偿领域，尤其涉及一种波浪补偿实验装置和系统。

背景技术：

进行海洋钻井作业时，钻井船和大钩会在海浪的作用下产生周期性升沉运动，相应的，钻柱也会产生相应的升沉运动，从而引起钻压的变化，这可能导致钻头脱离井底，使得钻井作业暂停，甚至可能损坏钻头，造成巨大的经济损失，为此，现有技术多在钻井设备中增设波浪补偿装置来解决上述问题。

波浪补偿装置的结构和功能相当复杂，在研发过程中，需要对装置进行反复调试，以保证装置能够正常运行。然而，波浪补偿的工程应用装置的制造成本相当高，不适用于实验室调试，因此，亟待一种制造成本较低的波浪补偿的实验装置来适应调试工作。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种波浪补偿实验装置和系统，制造成本较低，适用于实验室调试。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种波浪补偿实验装置，包括底板、第一伸缩件、第二伸缩件、平台框架、第一被动油缸、第二被动油缸、大钩、钢丝绳、模拟钻柱和测力组件；

所述测力组件固定于所述底板上，所述模拟钻柱设置在所述测力组件的上方；

所述平台框架包括底框，所述底框位于所述底板的上方；所述第一伸缩件的固定端和所述第二伸缩件的固定端分别固定连接于所述底板的两侧，且所述第一伸缩件的伸缩端和所述第二伸缩件的伸缩端分别固定连接于所述底框中相对设置的两条侧边，且所述第一伸缩件与所述第二伸缩件平行设置；

所述大钩位于所述底框的上方，所述第一被动油缸的底端和所述第二被动油缸的底端分别固定连接于所述底框中相对设置的两条侧边，且所述第一被动油缸的活塞杆和所述第二被动油缸的活塞杆分别固定连接于所述大钩的两端，且所述第一被动油缸与所述第二被动油缸平行设置；

所述钢丝绳的一端固定连接于所述大钩的中部，另一端穿过所述底框后连接于所述模拟钻柱。

进一步地，所述底框的连接有所述第一伸缩件和所述第二伸缩件的两条侧边的中部分别设置有向外延伸的连接板；

所述第一伸缩件的伸缩端和所述第二伸缩件的伸缩端分别固定于对应的所述侧边的连接板上。

进一步地，所述装置还包括主动油缸；所述平台框架还包括与所述底框相对的顶板和用于连接所述顶板和所述底框的支撑柱；

所述顶板的中心设有一个通孔，所述主动油缸的活塞杆穿过所述通孔固定连接于所述大钩的中部。

进一步地，所述装置还包括用于测量所述平台框架到所述底板间距离的平台位置传感器和用于测量所述大钩到所述底板间距离的大钩位置传感器；

所述平台位置传感器位于所述平台框架上；所述大钩位置传感器位于所述大钩上。

进一步地，所述第一被动油缸和所述第二被动油缸上均设有用于连接供油装置和蓄能器装置的油口；所述主动油缸上设有用于连接所述供油装置的油口；所述平台位置传感器和所述大钩位置传感器均具有用于连接控制装置的电信号输出端。

进一步地，所述装置还包括外框架和导向轮；

所述外框架位于所述平台框架的外侧，且固定连接于所述底板；

所述导向轮固定连接于所述平台框架的支撑柱的外侧，且与所述外框架滚动连接。

进一步地，所述测力组件包括弹簧和压力计；

所述压力计的一端固定连接于所述底板，另一端固定连接于所述弹簧的一端，且所述压力计具有用于连接控制装置的电信号输出端；所述弹簧的另一端位于所述模拟钻柱的下方。

进一步地，所述第一伸缩件及所述第二伸缩件为液压油缸，并均设有用于连接供油装置的油口。

相应地，本实用新型实施例还提供一种波浪补偿实验系统，包括控制装置、供油装置、蓄能器装置以及上述实施例所提供的波浪补偿实验装置；

所述控制装置与所述供油装置以及所述波浪补偿实验装置中的测力组件电连接；所述供油装置与所述波浪补偿实验装置中的第一被动油缸和第二被动油缸连接；所述蓄能器装置与所述波浪补偿实验装置中的第一被动油缸和第二被动油缸连接，且所述蓄能器装置还与所述供油装置连接。

实施本实用新型，具有如下有益效果：

本实用新型提供的波浪补偿实验装置和系统，通过将测力组件固定于底板上，模拟钻柱设置在测力组件的上方，在底板的上方设有平台框架，平台框架包括底框，第一伸缩件的固定端和第二伸缩件的固定端分别固定连接于底板的两侧，且第一伸缩件的伸缩端和第二伸缩件的伸缩端分别固定连接于底框中相对设置的两条侧边；大钩位于底框的上方，第一被动油缸的底端和第二被动油缸的底端分别固定连接于底框中相对设置的两条侧边，且第一被动油缸的活塞杆和第二被动油缸的活塞杆分别固定连接于大钩的两端；钢丝绳的一端固定连接于大钩的中部，另一端穿过底框后连接于模拟钻柱。可见，相较于波浪补偿的工程应用装置，本实用新型结构简单且稳固，制造成本低，能够很好的适用于实验室调试。

附图说明

图1是本实用新型提供的波浪补偿实验装置的一个实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的平台框架的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的大钩的一个实施例的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的导向轮与外框架的连接示意图；

图5是本实用新型提供的波浪补偿实验系统的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的说明中，“外侧”指的是图1、图2和图4中的右方，“上方”指的是图1、图2、图3和图4中的上方，“下方”指的是图1、图2、图3和图4中的下方。

请一并参阅图1至图4，是本实用新型实施例提供的波浪补偿实验装置100的结构示意图。

本实用新型实施例提供的波浪补偿实验装置100，包括底板1、第一伸缩件2、第二伸缩件3、平台框架4、第一被动油缸5、第二被动油缸6、大钩7、钢丝绳8、模拟钻柱9和测力组件10；

所述测力组件10固定于所述底板1上，所述模拟钻柱9设置在所述测力组件10的上方；

所述平台框架4包括底框41，所述底框41位于所述底板1的上方；所述第一伸缩件2的固定端和所述第二伸缩件3的固定端分别固定连接于所述底板1的两侧，且所述第一伸缩件2的伸缩端和所述第二伸缩件3的伸缩端分别固定连接于所述底框41中相对设置的两条侧边，且所述第一伸缩件2与所述第二伸缩件3平行设置；

所述大钩7位于所述底框41的上方，所述第一被动油缸5的底端和所述第二被动油缸6的底端分别固定连接于所述底框41中相对设置的两条侧边，且所述第一被动油缸5的活塞杆和所述第二被动油缸6的活塞杆分别固定连接于所述大钩7的两端，且所述第一被动油缸5与所述第二被动油缸6平行设置；

所述钢丝绳8的一端固定连接于所述大钩7的中部，另一端穿过所述底框41后连接于所述模拟钻柱9。

在本实施例中，所述底板1为方形板状结构，所述底板1可以放置在地面上或者桌面上，以起到放置支撑的作用，为了确保所述底板1的支撑强度，所述底板1可采用金属材质制成。在其他可选的实施例中，所述底板1还可以为其他形状的板状结构，且还可以采用亚克力材质或塑胶材质等其他材质制成。

在本实施例中，所述第一伸缩件2的伸缩端和所述第二伸缩件3的伸缩端向上或向下运动可以带动所述平台框架4相应地向上或向下运动，以此来模拟钻井船在海浪作用下的升沉运动。具体地，当所述第一伸缩件2的伸缩端和所述第二伸缩件3的伸缩端均向上运动时，所述平台框架4向上运动，进而带动被动油缸(第一被动油缸5和所述第二被动油缸6)、所述大钩7以及所述模拟钻柱9瞬时向上运动；当所述第一伸缩件2的伸缩端和所述第二伸缩件3的伸缩端均向下运动时，所述平台框架4向下运动，进而带动被动油缸、所述大钩7以及所述模拟钻柱9瞬时向下运动。另外，为了确保所述平台框架4受力均匀，所述第一伸缩件2的伸缩端和所述第二伸缩件3的伸缩端以所述底框41的中心为对称中心对称设置，优选地，所述第一伸缩件2的伸缩端和所述第二伸缩件3的伸缩端分别固定连接于所述底框41中相对设置的两条侧边的中部。

在本实施例中，所述被动油缸的活塞杆向上或向下运动可以带动所述大钩7向上或向下运动，从而带动所述模拟钻柱9向上或向下运动，具体地，当所述被动油缸的活塞杆向上运动时(即所述第一被动液压油缸5的活塞杆和所述第二被动液压油缸6的活塞杆均向上运动)，所述大钩7向上运动，所述模拟钻柱9向上运动；当所述被动油缸的活塞杆向下运动时(即所述第一被动液压油缸5的活塞杆和所述第二被动液压油缸6的活塞杆均向下运动)，所述大钩7向下运动，所述模拟钻柱9向下运动，以此来补偿所述模拟钻柱9因所述平台框架4向上或向下运动而产生的位移，从而实现所述模拟钻柱9对所述测力组件10的压力始终保持在预设的压力范围内。

在本实施例中，所述模拟钻柱9为具有一定重量的重物，优选地，所述模拟钻柱9为正方体状的重物。所述模拟钻柱9通过所述钢丝绳8连接所述大钩7的中部，当所述大钩7向上或向下运动时，带动所述模拟钻柱9向上或向下运动。所述测力组件10用于根据所述模拟钻柱9对其自身的接触获取所述模拟钻柱9对其自身的压力数据，并输出所述压力数据至控制装置。其中，当所述模拟钻柱9接触所述测力组件10且向下运动时，所述测力组件10测得的所述压力数据增大，当所述模拟钻柱9接触所述测力组件10且向上运动时，所述测力组件10测得的所述压力数据减小。

进一步地，所述底框41的连接有所述第一伸缩件2和所述第二伸缩件3的两条侧边的中部分别设置有向外延伸的连接板42；

所述第一伸缩件2的伸缩端和所述第二伸缩件3的伸缩端分别固定于对应的所述侧边的连接板42上。

在本实施例中，所述第一伸缩件2的伸缩端和所述第二伸缩件3的伸缩端分别通过螺栓固定于对应的所述侧边的连接板42上，方便拆卸。

进一步地，所述波浪补偿实验装置100还包括主动油缸11；所述平台框架4还包括与所述底框41相对的顶板44和用于连接所述顶板44和所述底框41的支撑柱43；

所述顶板44的中心设有一个通孔45，所述主动油缸11的活塞杆穿过所述通孔45固定连接于所述大钩7的中部。

在本实施例中，所述主动油缸11的缸体倒置固定于所述顶板44上，所述主动油缸11的活塞杆穿过设置在所述顶板44中心的通孔45固定连接于所述大钩7的中部。当所述主动油缸11的活塞杆向上运动时，带动所述大钩7向上运动，当所述主动油缸11的活塞杆向下运动时，带动所述大钩7向下运动，以此来进一步补偿所述模拟钻柱9因所述平台框架4向上或向下运动而产生的位移，从而实现所述模拟钻柱9对所述测力组件10的压力始终保持在预设的压力范围内。

需要说明的是，所述大钩7上具有钩体71、以及设置在所述钩体71上的第一连接部72件、第二连接部73件、第三连接部74件和第四连接部75件，所述第三连接部74和所述第四连接部75对称设置在所述大钩7的中部，且所述第三连接部74件位于所述第四连接部75件的上方，所述第一连接部72件和所述第二连接部73件以所述大钩7的中部为对称中心对称设置在所述大钩7的两端。所述第一被动油缸5的活塞杆通过螺栓固定连接于所述第一连接部72件，所述第二被动油缸6的活塞杆通过螺栓固定连接于所述第二连接部73件，所述主动液压油缸的活塞端通过螺栓固定连接于所述第三连接部74件，所述钢丝绳8的一端通过螺栓固定连接于所述第四连接部75件，以便拆卸。

进一步地，所述波浪补偿实验装置100还包括用于测量所述平台框架4到所述底板1间的距离的平台位置传感器12和用于测量所述大钩7到所述底板1间的距离的大钩位置传感器13；

所述平台位置传感器12位于所述平台框架4上；所述大钩位置传感器13位于所述大钩7上。

在本实施例中，所述平台位置传感器12设置在所述平台框架4上，用于基于预设的采样频率采集所述平台框架4的相应位置到所述底板1间的距离，优选地，所述平台位置传感器12固定于所述平台框架4的顶板44的下表面，以采集所述平台框架4的顶板44的下表面到所述底板1间的距离；所述大钩位置传感器13设置在所述大钩7上，用于基于预设的采样频率采集所述大钩7的相应位置到所述底板1间的距离。并且，所述平台位置传感器12和所述大钩位置传感器13分别将其采集到的距离数据反馈至所述控制装置，以使所述控制装置根据接收到的距离数据控制供油装置为所述主动油缸11充油，从而控制所述主动油缸11的活塞杆向上或向下运动，进而带动所述大钩7向上或向下运动，以此来进一步补偿所述模拟钻柱9因所述平台框架4向下或向上运动而产生的位移，从而实现所述模拟钻柱9对所述测力组件10的压力始终保持在预设的压力范围内。

进一步地，所述第一被动油缸5和所述第二被动油缸6上均设有用于连接供油装置和蓄能器装置的油口；所述主动油缸11上设有用于连接所述供油装置的油口；所述平台位置传感器12和所述大钩位置传感器13均具有用于连接控制装置的电信号输出端。

在本实施例中，所述第一被动油缸5上设置有一个无杆腔油口，所述无杆腔油口用于连接所述供油装置和所述蓄能器装置，以使所述供油装置能够通过所述无杆腔油口为所述第一被动油缸5充油，且使得所述第一被动油缸5的无杆腔中的液压油能够通过所述无杆腔油口与所述蓄能器装置的油腔中的液压油相互流通，所述第二被动液压油缸6与所述第一被动液压油缸5结构相同，此处不加赘述。可以理解的是，在其他可选的实施方式中，所述第一被动油缸5上设置有一个无杆腔油口和一个有杆腔油口，所述无杆腔油口和所述有杆腔油口设置在所述第一被动油缸5的活塞的两侧，所述无杆腔油口用于连接所述供油装置和所述蓄能器装置，所述有杆腔油口用于连接所述供油装置，以使所述供油装置能够通过所述无杆腔油口和所述有杆腔油口为所述第一被动油缸5充油，从而使得所述第一被动油缸5中的活塞能够向上或向下运动，且使得所述第一被动油缸5的无杆腔中的液压油能够通过所述无杆腔油口与所述蓄能器装置的油腔中的液压油相互流通，所述第二被动液压油缸6与所述第一被动液压油缸5结构相同，此处不加赘述。

进一步地，所述装置还包括外框架14和导向轮15；

所述外框架14位于所述平台框架4的外侧，且固定连接于所述底板1；

所述导向轮15固定连接于所述平台框架4的支撑柱43的外侧，且与所述外框架14滚动连接。

在本实施例中，所述外框架14和所述导向轮15起到限位作用，以确保所述平台框架4垂直向上或向下运动，即上下运动过程中不发生倾斜。优选地，所述外框架14具有四根“L”型侧柱，所述平台框架4包括四根支撑柱43，每根支撑柱43的顶端的外侧均设置有一个导向轮15，每个导向轮15均具有两个滚动轮，所述两个滚动轮分别与所述外框架14中相应的“L”型侧柱的两条边滚动连接，以对所述平台框架4的运动方向进行限制，确保所述平台框架4在垂直方向运动。

进一步地，所述测力组件10包括弹簧101和压力计102；

所述压力计102的一端固定连接于所述底板1，另一端固定连接于所述弹簧101的一端，且所述压力计102具有用于连接控制装置的电信号输出端；所述弹簧101的另一端位于所述模拟钻柱9的下方。

在本实施例中，所述模拟钻柱9向上或向下运动的过程中挤压所述弹簧101，进而所述压力计102检测所述模拟钻柱9对所述弹簧101的压力数据，即模拟实际波浪补偿中的钻压数据。所述压力计102可以为数字输出型压力计102或模拟输出型压力计102。另外，采用弹簧101的弹性模拟实际长度较长的钻柱在深海中的弹性量，可以很好地保持所述模拟钻柱9对所述弹簧101的压力处于一定范围内。

另外，所述被动油缸的活塞杆对所述大钩7向上的作用力为F_被、所述大钩7的质量为m，所述模拟钻柱9的质量为M，所述主动油缸11的活塞杆对所述大钩7向上的作用力为F_主，则所述压力计102获取的压力数据F满足如下关系：F＝Mg+mg-F_主-F_被。

进一步地，所述第一伸缩件2及所述第二伸缩件3为液压油缸，并均设有用于连接供油装置的油口。

在本实施例中，所述第一伸缩件2及所述第二伸缩件3为液压油缸，具体地，所述第一伸缩件2为第一平台油缸，所述第二伸缩件3为第二平台油缸，所述第一平台油缸的底端和所述第二平台油缸的底端分别固定连接于所述底板1的两侧，所述第一平台油缸的活塞杆和所述第二平台油缸的活塞杆分别固定连接于所述底框41中相对设置的两条侧边。且所述供油装置通过相应的油口给所述平台油缸(所述第一平台油缸和所述第二平台油缸)充油，以控制所述平台油缸的活塞杆向上或向下运动，从而带动所述平台框架4相应地向上或向下运动，以此来模拟钻井船在海浪作用下的升沉运动。

下面对本实施例提供的波浪补偿实验装置100的工作原理进行详细说明。

在进行波浪补偿实验之前，需先完成所述波浪补偿实验装置100的准备工作，即将平台油缸、被动油缸以及所述主动油缸11均通过相应的油口与所述供油装置连接，且还将所述被动油缸通过相应的油口与所述蓄能器装置连接，另外，所述供油装置还通过油口连接所述蓄能器装置，且与所述控制装置电连接。所述控制装置控制所述供油装置为所述平台油缸、所述被动油缸以及所述主动油缸11充油，使得上述油缸的活塞均位于行程的中间位置，形成初始油气压力平衡。

进行波浪补偿实验时，一方面，当所述控制装置控制所述供油装置给所述平台油缸充油，使得所述平台油缸的活塞杆带动所述平台框架4向上运动时，所述平台框架4带动所述大钩7瞬时向上运动，进而所述模拟钻柱9瞬时向上运动，所述模拟钻柱9对所述弹簧101的压力降低，所述压力计102反馈至所述控制装置的压力数据减小，由于所述大钩7上升，所述大钩7对所述模拟钻柱9向上的拉力增加，因而所述大钩7对所述被动油缸的活塞杆向下的压力增大，所述被动油缸的活塞的上下两端将产生压力差，即失去平衡，从而所述被动油缸的活塞向下运动，即其活塞杆向下运动，从而带动所述大钩7向下运动，以补偿所述大钩7因所述平台框架4向上运动而产生的向上的位移，并且，所述被动油缸内的液压油被压入到所述蓄能器装置中，形成新的油气压力平衡；与此同时，所述控制装置根据所述平台位置传感器12和所述大钩位置传感器13反馈的距离数据以及所述压力计102反馈的压力数据，控制所述供油装置为所述主动液压油缸的无杆腔充油，使得所述主动液压油缸的活塞杆向下运动，以进一步补偿所述大钩7因所述平台框架4向上运动而产生的向上的位移。综上，当所述平台油缸的活塞杆带动所述平台框架4向上运动时，所述被动液压油缸的活塞杆和所述主动液压油缸的活塞杆向下运动，从而补偿所述大钩7因所述平台框架4向上运动而产生的向上的位移，且使得所述模拟钻柱9对所述弹簧101的压力回到预设的压力范围内。

另一方面，当所述控制装置控制所述供油装置给所述平台油缸充油，使得所述平台油缸的活塞杆带动所述平台框架4向下运动时，所述平台框架4带动所述大钩7瞬时向下运动，进而所述模拟钻柱9瞬时向下运动，所述模拟钻柱9对所述弹簧101的压力增加，所述压力计102反馈至所述控制装置的压力数据增大，由于所述大钩7下降，所述大钩7对所述模拟钻柱9向上的拉力减小，因而所述大钩7对所述被动油缸的活塞杆向下的压力减小，所述被动油缸的活塞的上下两端将产生压力差，即失去平衡，从而所述被动油缸的活塞向上运动，即其活塞杆向上运动，从而带动所述大钩7向上运动，以补偿所述大钩7因所述平台框架4向下运动而产生的向下的位移，并且，所述蓄能器装置内的液压油被压入到所述被动油缸中，形成新的油气压力平衡；与此同时，所述控制装置根据所述平台位置传感器12和所述大钩位置传感器13反馈的距离数据以及所述压力计102反馈的压力数据，控制所述供油装置为所述主动液压油缸的有杆腔充油，使得所述主动液压油缸的活塞杆向上运动，以进一步补偿所述大钩7因所述平台框架4向下运动而产生的向下的位移。综上，当所述平台油缸的活塞杆带动所述平台框架4向下运动时，所述被动液压油缸的活塞杆和所述主动液压油缸的活塞杆向上运动，从而补偿所述大钩7因所述平台框架4向下运动而产生的向下的位移，且使得所述模拟钻柱9对所述弹簧101的压力回到预设的压力范围内。

由此可见，根据所述压力计102反馈的压力数据，即可检验所述波浪补偿实验装置100的结构设计以及所述控制装置内的控制算法是否合理。

本实用新型提供的波浪补偿实验装置100和系统，通过将测力组件10固定于底板1上，模拟钻柱9设置在测力组件10的上方，在底板1的上方设有平台框架4，平台框架4包括底框41，第一伸缩件2的固定端和第二伸缩件3的固定端分别固定连接于底板1的两侧，且第一伸缩件2的伸缩端和第二伸缩件3的伸缩端分别固定连接于底框41中相对设置的两条侧边；大钩7位于底框41的上方，第一被动油缸5的底端和第二被动油缸6的底端分别固定连接于底框41中相对设置的两条侧边，且第一被动油缸5的活塞杆和第二被动油缸6的活塞杆分别固定连接于大钩7的两端；钢丝绳8的一端固定连接于大钩7的中部，另一端穿过底框41后连接于模拟钻柱9。可见，相较于波浪补偿的工程应用装置，本实用新型结构简单且稳固，制造成本低，能够很好的适用于实验室调试。

相应地，本实用新型实施例还提供一种波浪补偿实验系统，请参阅图5，是本实用新型实施例提供的波浪补偿实验系统的结构示意图。

本实用新型实施例提供的波浪补偿实验系统，包括控制装置200、供油装置300、蓄能器装置400以及上述任意实施例所提供的波浪补偿实验装置100；

所述控制装置200与所述供油装置300以及所述波浪补偿实验装置100中的测力组件电连接；所述供油装置300与所述波浪补偿实验装置100中的第一被动油缸和第二被动油缸连接；所述蓄能器装置400与所述波浪补偿实验装置100中的第一被动油缸和第二被动油缸连接，且所述蓄能器装置400还与所述供油装置300连接。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也视为本实用新型的保护范围。