楊海軍，張慧賢※，布占偉，郭兆鋒，鐘衛(wèi)，曾鑫寶，王一鳴

（1.洛陽(yáng)理工學(xué)院智能制造學(xué)院，河南洛陽(yáng)471023；2.上海倍伺特自動(dòng)控制設(shè)備有限公司，上海201818；3.上海羿歌信息技術(shù)有限公司，上海200052）

0 引言

液壓傳動(dòng)中管道流體的遠(yuǎn)距離輸送應(yīng)用廣泛，常見的有石油及自來水的遠(yuǎn)距離輸送、百米消防車、海洋平臺(tái)水下作業(yè)裝置控制系統(tǒng)等[1-3]。管道作為液壓系統(tǒng)必須的連接元件，主要對(duì)流體起輸送作用，流體的特性及管道的參數(shù)對(duì)長(zhǎng)距離管道流體輸送系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性有著重要影響。本文利用AMESim對(duì)長(zhǎng)管道液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，探究流體特性及管道參數(shù)等對(duì)長(zhǎng)距離管道系統(tǒng)運(yùn)行的影響，將優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)匹配，對(duì)實(shí)際液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

AMESim為多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)，可通過機(jī)械庫(kù)、液壓庫(kù)、液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)、液阻庫(kù)、信號(hào)庫(kù)等，根據(jù)實(shí)際環(huán)境建立接近真實(shí)的仿真模式[4-6]。通過AMESim建立了長(zhǎng)管道液壓系統(tǒng)的仿真模型，通過配置子模型，設(shè)置主要液壓元件參數(shù)，研究了流體特性、管道物理參數(shù)對(duì)系統(tǒng)特性的影響，并研究了長(zhǎng)管道流體輸送系統(tǒng)減小液壓沖擊的方法，對(duì)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)的匹配及系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)提供了參考。

1 液壓系統(tǒng)原理及仿真模型

1.1 系統(tǒng)原理

海上石油開采平臺(tái)中多種作業(yè)機(jī)構(gòu)都需在水下進(jìn)行工作，對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較高的要求。

水下采油樹液壓控制系統(tǒng)分為兩部分，一部分為位于水面上的液壓控制站，另一部分為位于海底的執(zhí)行模塊[7-10]。這兩部分的工作距離可達(dá)百米到千米，須用長(zhǎng)管道進(jìn)行連接。水下采油樹控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 水下采油樹控制系統(tǒng)Fig.1 Christmas tree control system

圖2 所示為海洋平臺(tái)水下采油樹控制模塊簡(jiǎn)化的原理圖，此液壓模塊的功能為打開和關(guān)閉水下作業(yè)裝置的閥門。該長(zhǎng)距離輸送管道存在于二位三通閥與二位四通閥之間，該長(zhǎng)距離管道連接著此液壓控制系統(tǒng)的兩個(gè)部分，一部分在水面上工作，連接此液壓系統(tǒng)的控制模塊，這部分主要由定量泵、溢流閥和二位三通控制閥組成；另一部分是在水下工作，由一個(gè)二位四通的控制閥和液壓缸組成，其中液壓缸連接著閥門。溢流閥對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)起保護(hù)作用，當(dāng)系統(tǒng)的工作部分發(fā)生故障或者控制閥出現(xiàn)問題時(shí)，由溢流閥進(jìn)行泄壓，防止系統(tǒng)壓力過高而對(duì)元件產(chǎn)生損壞，另外溢流閥還可以調(diào)節(jié)泵的出口壓力。系統(tǒng)工作時(shí)，液壓油通過長(zhǎng)距離輸送管道進(jìn)入液壓缸的無桿腔，當(dāng)無桿腔的壓力上升至工作壓力時(shí)，液壓缸開始動(dòng)作，液壓桿伸出，水下采油樹裝置的閥門被打開；當(dāng)閥門接收到關(guān)閉信號(hào)時(shí)，液壓缸通過控制閥進(jìn)行泄壓，液壓桿回縮，水下作業(yè)裝置閥門關(guān)閉。

圖2 長(zhǎng)管道液壓系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic diagram of long pipeline hydraulic system

1.2 仿真模型

水下采油樹長(zhǎng)管道液壓控制模塊仿真模型如圖3所示。仿真模型中主要元件參數(shù)如表1所示。

圖3 水下采油樹長(zhǎng)管道液壓控制模塊仿真模型Fig.3 Simulation model of Christmas tree hydraulic control module

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Basic parameters

2 仿真結(jié)果分析

2.1 管道參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

（1）管道長(zhǎng)度的影響

設(shè)置了3組管道長(zhǎng)度，長(zhǎng)度分別為500 m、1 500 m和3 000 m，對(duì)整個(gè)長(zhǎng)管道液壓系統(tǒng)進(jìn)行100 s的仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。圖4（a）為液壓油經(jīng)過長(zhǎng)距離管道時(shí)的壓力損失曲線，從圖中可以看出，在管道直徑、液壓油屬性不變的前提下，隨著管道長(zhǎng)度的增加，管道壓力損失不斷增大。圖4（b）和圖4（c）分別是負(fù)載的速度和位移響應(yīng)曲線，表明隨著管道長(zhǎng)度的增加，負(fù)載的速度響應(yīng)及位移響應(yīng)減小，且響應(yīng)時(shí)間增加，表明管道長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有著明顯的影響。

圖4 管道長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)的影響Fig.4 The influence of pipe length on the system

（2）管道直徑的影響

保持管道長(zhǎng)度為1 500 m不變，改變管道直徑為12 mm、15 mm、20 mm，仿真結(jié)果如圖5所示。圖5（a）為不同管道直徑時(shí)的壓力損失曲線，從圖中可以看出，隨著管道直徑的減少，系統(tǒng)壓力損失逐漸增大。圖5（b）、圖5（c）分別為不同管道直徑下的負(fù)載速度響應(yīng)曲線和負(fù)載位移響應(yīng)曲線。由圖中可以看出，隨著管道直徑的減小，負(fù)載速度響應(yīng)及位移響應(yīng)逐漸降低，響應(yīng)時(shí)間增加。因此，應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)綜合性能，選擇合適的管道直徑。

圖5 管道直徑對(duì)系統(tǒng)的影響Fig.5 The influence of pipe diameter on the system

2.2 流體屬性對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

（1）流體密度的影響

對(duì)流經(jīng)長(zhǎng)距離管道的不同密度的流體進(jìn)行仿真，在管道直徑15 mm，長(zhǎng)度為2 000 m的前提下，當(dāng)管道內(nèi)部流體密度分別為850 kg/m3、1 040 kg/m3、1 200 kg/m3時(shí)，得到了不同流體密度下的壓力損失曲線、負(fù)載速度響應(yīng)曲線及負(fù)載位移響應(yīng)曲線，如圖6所示。由圖6（a）可知，不同流體密度下管道的壓力損失沒有明顯區(qū)別，表明流體流經(jīng)管道時(shí)壓力損失的變化與密度關(guān)系不大。圖6（b）和圖6（c）表明，隨著流體密度的增加，負(fù)載速度響應(yīng)及負(fù)載位移響應(yīng)均有所減小，響應(yīng)時(shí)間有所增加，但影響較小。

圖6 流體密度對(duì)系統(tǒng)的影響Fig.6 The influence of fluid density on the system

（2）流體黏度的影響

液壓油流體黏度變化一般與溫度相關(guān)，為研究流體黏度對(duì)長(zhǎng)距離管道液壓系統(tǒng)的影響，設(shè)置了3組流體黏度，分別為25 cP、51 cP、100 cP。圖7（a）所示為不同黏度流體經(jīng)過管道時(shí)的壓力損失曲線，可以看出隨著黏度的增加，液壓油流動(dòng)性變差，經(jīng)過長(zhǎng)距離管道時(shí)壓力損失增加。圖7（b）和圖7（c）為不同黏度下負(fù)載的速度及位移響應(yīng)曲線，從圖中可以看出，隨著黏度的增加，負(fù)載響應(yīng)時(shí)間增加，工作效率變低。

圖7 流體黏度對(duì)系統(tǒng)的影響Fig.7 The effect of fluid viscosity on the system

2.3 管道參數(shù)與液壓沖擊

閥門在開啟后管道中流體的壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)閥門突然關(guān)閉，流體壓力急劇升高，造成液壓沖擊，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及液壓元件易造成損壞[11-15]。為研究影響長(zhǎng)管道液壓沖擊的因素，以圖3為仿真模型，選擇管道模型為HH06A，設(shè)定泵出口壓力為7 MPa，管道長(zhǎng)度分別為20 m、50 m和70 m，管道直徑分別為12 mm、15 mm和20 mm，將圖2中二位三通閥設(shè)置為工作2 s后關(guān)閉，則管道長(zhǎng)度與管道直徑對(duì)液壓沖擊的影響如圖8（a）、圖8（b）所示。表明隨著長(zhǎng)距離管道長(zhǎng)度的增加和管道直徑的減小，壓力沖擊峰值有減小的趨勢(shì)，但管道長(zhǎng)度的影響非常有限。為改善液壓沖擊，在長(zhǎng)管道和控制電磁閥之間安裝蓄能器，設(shè)定蓄能器容積為0.75 L，預(yù)充壓力為7 MPa，取管道長(zhǎng)度為50 m，直徑為15 mm，則無蓄能器和有蓄能器進(jìn)行仿真對(duì)比，得到壓力沖擊曲線對(duì)比如圖8（c）所示。表明安裝蓄能器后，壓力沖擊峰值減小，壓力曲線變得平穩(wěn)，所以蓄能器在長(zhǎng)距離管道液壓系統(tǒng)中可以減小液壓沖擊的影響。

圖8 管道參數(shù)對(duì)液壓沖擊的影響及改善Fig.8 The influence of pipeline parameters on hydraulic shock and improvement

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）為優(yōu)化長(zhǎng)距離流體輸送管道液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，探究流體特性及管道參數(shù)等對(duì)長(zhǎng)距離流體輸送管道系統(tǒng)運(yùn)行的影響，以海上采油樹液壓控制系統(tǒng)為原型，采用AMESim建立了長(zhǎng)管道液壓系統(tǒng)的仿真模型，研究了管道長(zhǎng)度、管道直徑、流體密度及粘度對(duì)管道壓力損失及動(dòng)態(tài)特性的影響，分析了影響長(zhǎng)管道液壓沖擊的因素，并提出了改善方法。

（2）研究表明在管道直徑、液壓油屬性不變的前提下，隨著管道長(zhǎng)度的增加，管道壓力損失不斷增大。系統(tǒng)負(fù)載的速度及位移響應(yīng)時(shí)間增加；隨著管道直徑的減小，負(fù)載速度響應(yīng)及位移響應(yīng)逐漸降低，響應(yīng)時(shí)間增加；隨著黏度的增加，液壓油流動(dòng)性變差，經(jīng)過長(zhǎng)距離管道時(shí)壓力損失增加，負(fù)載響應(yīng)時(shí)間增加，工作效率變低；而流體密度對(duì)管道壓力損失、負(fù)載速度響應(yīng)及負(fù)載位移響應(yīng)的變化影響較小。

（3）隨著管道長(zhǎng)度的增加和管道直徑的減小，壓力沖擊峰值有減小的趨勢(shì)；安裝蓄能器后，壓力沖擊峰值減小，壓力曲線變得平穩(wěn)，所以蓄能器在長(zhǎng)距離管道液壓系統(tǒng)中可以減小液壓沖擊的影響。

（4）該方法優(yōu)化了系統(tǒng)參數(shù)匹配，分析了影響長(zhǎng)管道液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的因素，對(duì)長(zhǎng)管道液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考，對(duì)實(shí)際液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。