王茁，王志軍，張建勇，王寧

(1.吉林化工學(xué)院，吉林吉林132022;2.哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;3.中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程分公司，天津300452)

自20世紀(jì)60年代以來，隨著世界各海洋大國的水下工程技術(shù)迅速發(fā)展，作為其中一個(gè)分支的水下回接技術(shù)也不例外，國外公司已形成水深近3 000 m、惡劣海況和復(fù)雜海底地貌及地質(zhì)情況下的設(shè)計(jì)技術(shù)［1］，開發(fā)了一系列水下回接的施工技術(shù)方法，各項(xiàng)技術(shù)在國外均已形成系列，配套產(chǎn)品均有出售。作為水下回接機(jī)具之一的水平管道連接器是深海油氣管道系統(tǒng)應(yīng)用廣泛的一種快速連接裝置，該機(jī)具所工作的環(huán)境通常是深水，工作環(huán)境惡劣，不確定因素多，人工無法作業(yè)，因此，它由ROV輔助實(shí)施作業(yè)，能夠快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行兩個(gè)管道的連接。它的主要工作過程按次序由:垂直粗對(duì)準(zhǔn)、旋轉(zhuǎn)水平精對(duì)準(zhǔn)、對(duì)接密封、鎖緊固定、輔助對(duì)準(zhǔn)裝置回收5個(gè)環(huán)節(jié)組成。其中，對(duì)接密封環(huán)節(jié)是非常關(guān)鍵的步驟，必須要做到兩連接管道法蘭在對(duì)接后有效密封，沒有泄漏的現(xiàn)象。以下將圍繞水平管道法蘭連接密封問題進(jìn)行研究，分析密封特性，采取液壓同步方式控制法蘭的精確位移，實(shí)現(xiàn)水下無人操作。

1 水平管道連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水平管道連接器的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)是連接器最重要的組成部分，其他的液壓控制系統(tǒng)是以機(jī)械本體為執(zhí)行元件完成各種功能的，它是整個(gè)產(chǎn)品功能的具體實(shí)現(xiàn)者。水平管道連接器的本體結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)如圖1所示，主要由固定支板1、連接液壓缸2、推進(jìn)液壓缸3、對(duì)接配管4、上對(duì)準(zhǔn)錐5、下對(duì)準(zhǔn)槽6、連接板7、卡爪8、上法蘭9、下法蘭10、驅(qū)動(dòng)環(huán)11、固定套筒12、推進(jìn)筒13等部件組成。水平管道連接器中兩法蘭的連接形式與普通法蘭螺栓連接不同，兩法蘭由推進(jìn)液壓缸推動(dòng)卡爪進(jìn)行連接，在上法蘭與下法蘭中間安裝有金屬密封圈。在連接過程中，上法蘭面首先受到推進(jìn)液壓缸的作用，水平向前運(yùn)動(dòng)到待連接位置，然后下法蘭面即下密封面與密封圈接觸擠壓，直到密封位置。

圖1 水平管道連接器本體結(jié)構(gòu)圖

2 密封圈密封特性分析

密封圈的選擇參考美標(biāo)HG20612-97標(biāo)準(zhǔn)，采用橢圓型金屬密封圈型號(hào)R58，選擇材料為316L(相當(dāng)于00Cr17Ni14Mo2)，最高工作溫度600℃，抗拉強(qiáng)度σb=480 MPa，條件屈服極限σs≥177 MPa，最大硬度值160 HB。由于金屬密封圈允許的壓縮量小，因此，有必要對(duì)此金屬密封圈做非線性接觸分析，主要分析在其有效密封性能內(nèi)，金屬密封圈所能達(dá)到的最大壓縮量，這對(duì)法蘭的密封槽的強(qiáng)度、密封圈的強(qiáng)度、密封效果以及液壓缸有效行程的確定具有指導(dǎo)意義。

密封圈在內(nèi)壓作用下引起的總軸向力有下式［2］:

式中:DG為法蘭中心圓直徑，m;p為管道內(nèi)壓，MPa。

預(yù)緊狀態(tài)最小墊片壓緊力為:

式中:b為密封圈有效寬度，m;

y為密封比壓，MPa。

將兩法蘭與密封圈建模，建模如圖2所示。根據(jù)安裝標(biāo)準(zhǔn)，在初始凸凹法蘭對(duì)接時(shí)，兩法蘭面間距為5 mm，將模型簡化，并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2 法蘭密封接觸受力分析模型圖

圖3 模型網(wǎng)格劃分

在模型中按法蘭的連接過程可以看做上下法蘭一起運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的形式相同，但方向相反，對(duì)模型進(jìn)行對(duì)稱接觸分析［3］。

對(duì)模型建立接觸副，分別是:密封圈的上表面與上法蘭的密封槽側(cè)面建立一對(duì)接觸副，密封圈的下表面與下法蘭的密封槽側(cè)面建立一對(duì)接觸副。在建立接觸副過程中，最重要的是設(shè)置接觸剛度，在ANSYS中，接觸剛度的設(shè)定，關(guān)系著分析的真實(shí)性，原則上來說，兩個(gè)表面之間滲透量的大小取決了接觸剛度。通常來說，接觸分析的物體不允許有滲透量，兩物體通過接觸發(fā)生變形，在仿真分析中，兩物體接觸不僅產(chǎn)生變形，也引起滲透。一般來說，應(yīng)該選取足夠大的接觸剛度以保證接觸滲透小到可以接受，但同時(shí)又應(yīng)該讓接觸剛度足夠小以使不會(huì)引起總剛矩陣的病態(tài)問題而保證收斂性。通常能夠用實(shí)常數(shù)FKN來為接觸剛度指定一個(gè)比例因子或指定一個(gè)真正的值，比例因子一般在0.01～10之間，當(dāng)避免過多的迭代次數(shù)時(shí)，應(yīng)該盡量使?jié)B透到達(dá)極小值［4］。經(jīng)過幾次從小到大的實(shí)驗(yàn)后，本次分析采用的接觸剛度為0.1，既能保證接觸分析不受影響，也能夠接近實(shí)際情況。

對(duì)兩對(duì)接觸副進(jìn)行接觸分析，通過對(duì)兩法蘭模型的上表面進(jìn)行不同程度的位移加載，分析接觸副間的位移變化及應(yīng)力變化，從而得出合理的密封圈壓縮量以及實(shí)現(xiàn)該壓縮量的液壓缸的有效行程的范圍。

第一次加載，使上下法蘭對(duì)密封圈分別產(chǎn)生0.5 mm的位移，分析結(jié)果如圖4所示。如圖可知，兩法蘭向密封圈壓緊，各前進(jìn)0.5 mm，密封圈等效位移矢量和為0，說明法蘭密封槽的斜面與密封圈的弧面間還沒有接觸，還沒有使密封圈受壓，需要繼續(xù)加載。

圖4 0.5 mm位移時(shí)等效位移矢量和

第二次加載，首先將兩法蘭的受力清空，使其回到初始狀態(tài)，使上下法蘭對(duì)密封圈分別產(chǎn)生1 mm位移，分析結(jié)果如圖5所示。由圖可知，當(dāng)兩法蘭相對(duì)密封圈的運(yùn)動(dòng)位移達(dá)到1 mm時(shí)，法蘭與密封圈已經(jīng)開始接觸，并發(fā)生摩擦，圖中受力顯示，從顯示條左端開始隨著受力的加大，顏色向右移動(dòng)，也就是說，受到的等效應(yīng)力最大處發(fā)生在摩擦副接觸點(diǎn)，其值為67.35 MPa，小于材料的屈服極限，說明密封圈還具有可壓縮量，可以進(jìn)行第三次加載。

圖5 1 mm位移時(shí)等效應(yīng)力圖

進(jìn)行第三次加載，加載位移為1.5 mm，同理可分析，當(dāng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移達(dá)到1.5 mm時(shí)，法蘭與密封圈接觸面加大，變形加劇，密封圈的滲透量也同時(shí)加大，從而法蘭和密封圈受到的相互壓力也劇增，最大達(dá)到200 MPa，已經(jīng)超過材料的屈服點(diǎn)，此時(shí)，摩擦副處于臨界狀態(tài)，法蘭以及密封圈在彈性變形之外，仍屬于塑性變形，沒有壓潰。

對(duì)密封副進(jìn)行最后一次加載，將法蘭恢復(fù)到初始狀態(tài)后，對(duì)其加載z方向位移矢量2 mm，分析密封副的受力如圖6所示。很明顯，當(dāng)加載2 mm位移矢量時(shí)，接觸副受到最大的壓力為444.44 MPa，密封副已經(jīng)完全壓潰，法蘭以及密封圈都被破壞，說明密封此時(shí)已經(jīng)失效。

圖6 位移2 mm時(shí)的等效應(yīng)力圖

由上面分析可得出，金屬密封圈允許的壓縮量較小，最大壓縮量小于等于2 mm。這就要求推動(dòng)法蘭運(yùn)動(dòng)的液壓缸活塞的位移需要精確的控制，同時(shí)，在一個(gè)法蘭面上固定的4個(gè)液壓缸必須保證同步運(yùn)動(dòng)，使得密封圈受力均勻一致，否則會(huì)導(dǎo)致密封圈局部有間隙，不能有效密封，引起泄漏。因此，需要進(jìn)行液壓缸同步位移控制的研究。

3 基于MATLAB/Simulink的雙缸同步仿真研究

3.1 水平管道連接器電液伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

水平管道連接器液壓同步控制的原理如圖7所示。該系統(tǒng)以缸18為基準(zhǔn)，使缸19活塞跟隨缸18活塞運(yùn)動(dòng)，以保持同步［5］。工作時(shí)，位移傳感器P1和P2不斷發(fā)出兩個(gè)活塞的位置信號(hào)，將兩信號(hào)進(jìn)行比較而得的偏差信號(hào)輸入放大器放大后，再輸入電液伺服閥進(jìn)行控制，使缸19活塞保持與缸18活塞同步。該系統(tǒng)由兩個(gè)同步回路組成，控制同步位移誤差不得超過0.5 mm。

圖7 連接機(jī)構(gòu)液壓回路

圖8 閥控液壓缸的方塊圖

由力反饋位移同步伺服控制液壓系統(tǒng)可建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)閥控液壓缸動(dòng)特性的3個(gè)基本方程可得到圖8所示方塊圖。

將開環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型結(jié)合起來，能夠得出總液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如圖9所示，得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)如公式 (3)。

圖9 液壓總系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

3.2 仿真參數(shù)設(shè)定

在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，先根據(jù)設(shè)計(jì)模型確定仿真中所需的參數(shù)如下:有效體積彈性摸量 βe=800 MPa;油液密度ρ=900 kg/m3;供油壓力ps=16 MPa;負(fù)載壓力pL=15 MPa;流量系數(shù)Cd=0.62;內(nèi)外泄漏系數(shù)均衡，可以忽略為0，即Cic=0，Cec=0。

總流量－壓力系數(shù):

阻尼比:

液壓固有頻率:

反饋比例系數(shù)Ks=1。

3.3 雙缸同步線性仿真

完成水平管道連接器的電液數(shù)字伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與參數(shù)設(shè)定后，在MATLAB/Simulink軟件中，建立電液數(shù)字伺服系統(tǒng)的模型，進(jìn)行仿真分析。分析分兩步進(jìn)行:首先，進(jìn)行無PID控制器的同步系統(tǒng)仿真，分析其性能;其次進(jìn)行加入PID控制器后的仿真，分析各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)同步性能的影響，確定最優(yōu)的PID控制器。

3.3.1 無PID控制器時(shí)的仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)以及方框圖，在MATLAB/Simulink中建立液壓系統(tǒng)模型如圖10所示，將仿真參數(shù)形成m文件，進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果如圖11所示。

圖10 電液數(shù)字伺服系統(tǒng)仿真模型圖

圖11 無PID控制器時(shí)兩缸的同步分析

由結(jié)果可知，在啟動(dòng)0.4 s后，跟隨缸的曲線已經(jīng)發(fā)散，系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)同步，因此，必須加入校正環(huán)節(jié)，此處選PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.3.2 加入PID控制器的仿真分析

對(duì)于圖11系統(tǒng)模型下回路的跟隨環(huán)節(jié)，在傳遞函數(shù)前加入PID控制器，通過對(duì)PID控制器的各環(huán)節(jié)的仿真分析，得出一組最優(yōu)PID值，使雙缸同步達(dá)到誤差最小［6］。依次分別調(diào)節(jié)比例、積分、微分系數(shù)得到系列仿真曲線，最后，通過綜合分析比較確定當(dāng)比例系數(shù)Kp=0.55、積分系數(shù)Ki=60、微分系數(shù)Kd=0時(shí)，跟隨缸能夠在0.02 s跟上主動(dòng)缸的位置，且系統(tǒng)沒有震動(dòng)，同步效果位移誤差不得超過0.5 mm，達(dá)到了系統(tǒng)的控制要求，仿真結(jié)果如圖12所示。

由圖12可看出，跟隨缸約在0.02 s前與主動(dòng)缸存在位移誤差，當(dāng)時(shí)間大于0.02 s后，跟隨缸位移線與主動(dòng)缸位移線重合，無位移偏差。

圖12 確定PID控制器后雙杠同步仿真結(jié)果

4 結(jié)論

通過對(duì)水平管道連接器法蘭密封圈允許受壓變形的接觸密封特性分析及法蘭位移同步控制研究，可以得出以下三點(diǎn):(1)控制法蘭位移的最大壓縮量小于等于2 mm;(2)推動(dòng)法蘭運(yùn)動(dòng)的液壓缸活塞的位移需要保證同步運(yùn)動(dòng);(3)通過位移同步控制系統(tǒng)的仿真分析，設(shè)計(jì)的PID控制器能夠使兩缸位移同步精度控制在系統(tǒng)誤差允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際工程的需求。

深海作業(yè)技術(shù)近年來越來越受到各個(gè)國家的重視，文中所進(jìn)行的水平管道連接器密封及其位移控制的研究能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)兩個(gè)深海油氣管道的自動(dòng)快速連接提供技術(shù)基礎(chǔ)，因此，具有一定的理論和廣泛的工程應(yīng)用價(jià)值。

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