趙宏林，王 鑫，肖 玄，王 玨，郭龍川， 段夢蘭

(1中國石油大學(xué)(北京)海洋油氣研究中心，北京 102249;2中海油研究總院，北京 100027)

基于SimulationX的深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)動態(tài)仿真研究

趙宏林1，王 鑫1，肖 玄1，王 玨2，郭龍川1， 段夢蘭1

(1中國石油大學(xué)(北京)海洋油氣研究中心，北京 102249;2中海油研究總院，北京 100027)

深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制深水閘閥開關(guān)狀態(tài)的動力部件。一般采用液壓控制的方式控制閥門開關(guān)。針對深水閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)特有的工況和結(jié)構(gòu)特點，建立了包含導(dǎo)流孔阻尼影響在內(nèi)的深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓控制時的動力學(xué)模型，并且采用SimulationX軟件進(jìn)行了動態(tài)仿真。通過分析和比較仿真結(jié)果，驗證了仿真的可行性，為研究深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性及其優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)；深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)；動態(tài)仿真；SimulationX

0 引 言

深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)即用于控制深水閘閥開啟和關(guān)閉的驅(qū)動裝置，廣泛應(yīng)用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)中[1]，如水下采油樹、水下管匯等，是海洋深水油氣田開發(fā)必不可少的設(shè)備。與陸上閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比，需要考慮海水腐蝕、高靜水壓、深水操作等因素[2]，并且要求具有高可靠性和較長的使用壽命，因此其結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。針對深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)特有的結(jié)構(gòu)和工況特點，對深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了液壓控制時的動態(tài)仿真和分析。這對研究深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度和動態(tài)特性具有重要意義，也能為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力和容積補償機(jī)制

如圖1所示，深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般具有單作用液壓缸，水下機(jī)器人(ROV)操作的接口、接頭及其傳動機(jī)構(gòu)，供ROV操作時觀察的位移指示器，以及用以平衡海水靜壓的壓力補償器等結(jié)構(gòu)[3]。相比陸上閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)，深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力補償器是其特有的結(jié)構(gòu)部件。

圖1 深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)Fig.1 Deepwater valve actuator

深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部一般充滿補償液，以平衡深海環(huán)境下的海水外壓。其壓力補償機(jī)制通過壓力補償器來實現(xiàn)[3]。圖2為一種皮囊式壓力補償器，皮囊的內(nèi)外表面分別與補償液和海水接觸，以達(dá)到內(nèi)外介質(zhì)的壓力平衡，同時又將海水與補償液隔離，避免海水進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)腐蝕內(nèi)部部件。

圖2 皮囊式壓力補償器示意圖Fig.2 Diagram of bladder compensator

深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般具有執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)腔和液壓缸負(fù)壓腔，其內(nèi)部均充滿補償液，在活塞桿中間開導(dǎo)流孔將負(fù)壓腔和彈簧腔連通，既可以利用一個壓力補償器來實現(xiàn)壓力補償，又能利用皮囊容積的可變性在液壓缸動作時實現(xiàn)負(fù)壓腔容積變化的補償。圖3為一種深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的活塞桿開導(dǎo)流孔示意圖。

在液壓缸動作時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)壓腔內(nèi)的補償液通過導(dǎo)流孔進(jìn)出執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)腔，將產(chǎn)生阻礙活塞桿運動的阻力，其大小與活塞桿運動速度和導(dǎo)流孔設(shè)計尺寸密切相關(guān)。本文建立了包含導(dǎo)流孔阻尼影響在內(nèi)的深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓控制時的動力學(xué)模型，并且利用SimulationX軟件進(jìn)行了動態(tài)仿真。

圖3 深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞桿開導(dǎo)流孔示意圖Fig.3 Diagram of the flow channel hole on the piston rod of deepwater valve actuator

2 深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓控制時的動力學(xué)模型

執(zhí)行機(jī)構(gòu)在液壓控制開啟時，由外部液壓源恒壓供油；在液壓控制關(guān)閉時，卸壓壓力與深水靜壓平衡。用傳遞函數(shù)法建立深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓控制時的動力學(xué)模型[4]。

執(zhí)行器的動態(tài)微分方程如下。

執(zhí)行器開啟過程中，活塞桿的力平衡方程：

(1)

流量方程：

(2)

動作持續(xù)時間：

(3)

執(zhí)行器關(guān)閉過程中，活塞桿的力平衡方程：

(4)

流量方程：

(5)

動作持續(xù)時間：

(6)

式(1)～(6)中：p為執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制開啟的供壓壓力；A為活塞面積；A1為活塞桿面積；A2為閥桿面積；H為工作水深；y為活塞位置；L為活塞行程；L0為彈簧預(yù)壓縮量；m為活塞等動作部件質(zhì)量+1/3彈簧質(zhì)量；ρ為海水密度；μ為補償液的動力黏度；k為彈簧剛度；g為重力加速度；lp為導(dǎo)流孔長度；dp為導(dǎo)流孔內(nèi)徑；fo為閥門的開啟阻力；fc為閥門的關(guān)閉阻力；Q為執(zhí)行機(jī)構(gòu)開啟過程中流入液壓缸的流量；Q1為執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉過程中流出液壓缸的流量。

3 基于SimulationX的深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)仿真及分析

3.1 軟件介紹

SimulationX是一款在統(tǒng)一的平臺上實現(xiàn)多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)工程建模和仿真的軟件，包括機(jī)械、液壓、氣動、熱、電和磁等物理領(lǐng)域，可用于機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計、機(jī)器人及控制系統(tǒng)優(yōu)化、發(fā)動機(jī)/車輛冷卻系統(tǒng)以及電磁驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計等。根據(jù)不同行業(yè)的特點，用戶可利用SimulationX軟件的Type Designer工具自定義標(biāo)準(zhǔn)元件、對元件庫的標(biāo)準(zhǔn)元件進(jìn)行擴(kuò)展、對已有模型進(jìn)行封裝以及對所建模型加密。同時，自定義的內(nèi)容還具有良好的開放性、繼承性和保密性[5-7]。

3.2 主要技術(shù)參數(shù)

某深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)位于水下1 500 m；液壓控制開啟壓力為20.7 MPa；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓缸內(nèi)徑為180 mm；活塞桿直徑為90 mm；閥桿直徑為50 mm；活塞桿導(dǎo)流孔直徑為10 mm；活塞桿導(dǎo)流孔長度為480 mm，行程120 mm；彈簧剛度221.7 kN/m；活塞桿及其從動部件質(zhì)量1.245 t；彈簧預(yù)壓縮量295 mm；閘閥的最大開啟阻力為59.6 kN，最大關(guān)閉阻力為29.8 kN。

3.3 仿真結(jié)果

采用SimulationX軟件對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開啟和關(guān)閉過程進(jìn)行動態(tài)仿真。在SimulationX軟件中建立仿真模型，如圖4所示。

圖4 在SimulationX中建立的執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓控制仿真模型Fig.4 Simulation model for the actuator hydraulic control established in SimulationX

在圖4中，預(yù)調(diào)裝置在仿真中起固定作用，Preset1固定執(zhí)行機(jī)構(gòu)缸體，Preset2的閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧固定在執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)壁的設(shè)置；液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閘桿及液壓腔腔體設(shè)置；質(zhì)量塊用于閘桿質(zhì)量的設(shè)置。彈簧用于閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧參數(shù)設(shè)置。

仿真結(jié)果如圖5～10所示。圖中的曲線清晰地表明了執(zhí)行機(jī)構(gòu)開啟和關(guān)閉過程中活塞的速度、液壓腔流量及負(fù)壓腔流量的變化。從圖中可以看出，流量變化與速度變化基本同步，閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作時間、開啟和關(guān)閉過程活塞速度主要與液壓流量有關(guān)。

由于液壓腔和負(fù)壓腔的活塞桿外徑不同，導(dǎo)致其流量在大小上有所差異，所以關(guān)閉過程所需時間與開啟過程所需時間不同。

圖5 開啟時活塞的速度曲線Fig.5 Speed curve of the piston in the process of opening

圖6 開啟時液壓腔的流量曲線Fig.6 Flow curve of the hydraulic cavity in the process of opening

圖7 開啟時負(fù)壓腔的流量曲線Fig.7 Flow curve of the negative pressure cavity in the process of opening

由圖5～7可以得出，深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)在第4.5 s左右完成開啟。

圖8 關(guān)閉時活塞的速度曲線Fig.8 Speed curve of the piston in the process of closing

圖9 關(guān)閉時液壓腔的流量曲線Fig.9 Flow curve of the hydraulic cavity in the process of closing

由圖8～10可以得出，深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)在第3 s完成閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉過程。

4 結(jié) 語

本文介紹了一種內(nèi)部充滿補償液的深水閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其壓力和容積補償機(jī)制，并且利用SimulationX建立了深水閘閥液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓控制時的簡化模型。通過仿真分析，得到了執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作過程中活塞速度及液壓腔流量和負(fù)壓腔流量的變化曲線，證明了該軟件在執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓控制分析應(yīng)用上的可行性，為研究深水閘閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性及其優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

[1] Kelly T.Overview of subsea systems engineering [C]．Society for Underwater Technology Subsea Tieback Forum,2007.

[2] 劉國恒，谷玉洪，羅曉蘭,等．水下臥式采油樹頂部堵塞器設(shè)計要素[J].石油機(jī)械，2012，40(1)：37.

[3] International Organization for Standardization.ISO 13628-6: 2006.Petroleum and natural gas industries.Design and operation of subsea production systems.Part6: Subsea production control systems[S].2006.

[4] 周美珍，程寒生，余國核,等．水下執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓控制研究[J].中國海洋平臺，2009，24(3)：31.

[5] 劉寶生．SimulationX多學(xué)科建模和仿真工具[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2009(9)：34.

[6] 王紅軍，陳佳鑫，鄒湘軍,等．SimulationX及硬件在環(huán)仿真在伺服壓力機(jī)設(shè)計和研究中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報，2012，48(6)：51.

[7] 黎文勇，王書翰，Obenaus C,等．基于SimulationX的斜盤柱塞泵的模擬仿真[J].液壓氣動與密封，2010(8)：32.

DynamicSimulationResearchonDeepwaterGateValveActuatorBasedonSimulationX

ZHAO Hong-lin1,WANG Xin1,XIAO Xuan1,WANG Jue2,GUO Long-chuan1， DUAN Meng-lan1

(1OffshoreOil/GasResearchCenter,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2CNOOCResearchInstitute,Beijing100027,China)

Deepwater gate valve actuator is the power component to control the switch of deepwater gate valve via a hydraulic way.On account of special working conditions and the structure characteristics of the deepwater gate valve actuator,the dynamical model of the deepwater gate valve actuator under the hydraulic control is established considering the damping effects of the flow guide hole,and the SimulationX software is used for dynamic simulation.By analyzing and comparing the simulation results,the feasibility of the simulation is verified.The results can provide reference for the optimization design and dynamic characteristics research of the deepwater gate valve actuator.

subsea production system; deepwater gate valve actuator; dynamic simulation; SimulationX

TE137.52

A

2095-7297(2014)03-0230-04

2014-08-14

國家科技重大專項(2011ZX05026-003-01)

趙宏林(1962—)，男，教授，主要從事先進(jìn)制造技術(shù)及石油裝備方面的研究。