水下执行器液压控制仿真.pdf

2 0 1 0年 6月 第 3 8卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAULI C S J u n ． 2 01 0 V0 1 ． 3 8 No ．1 l DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． I 1 ． 0 3 5 水下执行器液压控制仿真 余 国核 ，周 美珍 ，程寒生 海洋石油工程股份有限公司设计公 司，天津 3 0 0 4 5 1 摘要介绍了当前国内外在水下油气开发方面的状况。并阐述水下生产系统的结构和原理。并对水下生产设施液压控 制系统的执行器进行研究，然后对其在工作过程中压力的变化通过 A ME S i m软件进行了仿真。仿真曲线清楚显示了执行器 在工作过程中压力的变化规律。为研究、设计和开发水下生产系统提供了参考。 关键词水下执行器；液压控制 ；A ME S i m；仿真 中图分类号 P 7 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 1 1 1 6 3 S i mu l a t i O n O f Hy dr a u l i c Co nt r o l o f S ub s e a Ac t ua t o r YU Gu o he。ZHOU Me i z h e n． CHENG Ha n s h e n g E n g i n e e r i n g C o m p a n y o f C h i n a O f f s h o r e O i l E n g i n e e ri n g C o ． ，L t d ，T i a n j i n 3 0 0 4 5 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e s t a t u s o f s u b s e a o i l g a s d e v e l o p me n t a t h o me a n d a b r o a d w a s i n t r o d u c e d ． T h e s t r u c t u r e a n d p ri n c i p l e o f s u b s e a p r o d u c t i o n s y s t e m we r e e l a b o r a t e d ． T h e s u b s e a a c t u a t o r o f i t s h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m w a s s t u d i e d ． T h e c h a n g e o f i t s p r e s s u r e d u rin g t h e p r o d u c t i o n wa s s i mu l a t e d b y t h e s o f t w a r e o f AMES i m． T h e s i mu l a t i n g e u r v e s o f t h e a c t u a t o r i n d i c a t e t h e d i s c i p l i n e s o f t h e p r e s s u r e a n d d i s p l a c e me n t ． Ke y wo r ds S ub s e a a c t ua t o r ； Hy d r a u l i c c o n t r o l ； AMES i m ； S i mul a t i o n 海上石油天然气的开发已经走向深水和超深水 ， 开发过程中几乎不能容忍失败，否则代价极其高昂。 随着计算机技术的发展和计算数学的成熟 ，计算机仿 真技术 已成为工程领域非常重要的设计手段 ，可 以通 过仿真对所涉及的系统进行整体分析和评估，从而达 到优化设计，提高系统稳定性及可靠性 ，提高产品的 竞争力。因此，仿真技术在海洋石油天然气开发中具 有广阔的应用前景 。 当前 ，国外在深水开发方面进展速度很快，已经 能钻探水下 3 0 0 0 多 米并开采水 下 2 6 0 0多米水 深 的 海上油气 。我国深水油气资源储量较大，受国外深 水开发的技术封锁 ，国内在深 水开 发方 面进展 缓慢 ， 目前 尚未发现有关于水下油气生产设施控制方面的文 献报道 。迄今为止 ，钻探才 5 4 3 ． 8 m水深 ，开采 3 3 2 m水深 。 ，并且是与国外大公司合作开发 ，没有 自 己的知识产权 ，没有掌握水下生产系统的核心技术。 作者针对水下生产设施液压控制系统的执行器进 行分析，建立动态特性数学模型，并采用 A M E S i m软 件进行仿真 ，从仿真结果得出执行器相关参数的变化 规律，为水下液压控制系统的研究、设计与开发提供 参考。 1 水下液压控制建模与仿真 液压控制系统是水下油气田开发工程中的关键系 统之一 ，以下针对水下液压控制系统的执行机构进行 分析 ，建立动态模 型 ，并进行 仿真 。A M E S i m软 件拥 有包括控制应用库、机械应用库、流体应用库等6个 涵盖各个领域相互 兼容 的应 用库 ，能实 现包括机 械、 液压 、气动 、热 、电和磁等多学科领域的系统工程 的 建模和仿真 。因此采用 A M E S i m软件进行仿真是合 适 的。 1 ． 1 水下液压控制 系统构成及工作原理 以南海某油田开发项目为例 ，对其水下生产系统 执行机构的动态特性建立数学模型，然后进行仿真。 该开发项 目水下生产设施液压控制系统主要由 液压 动力站 H P U 、水下液 压分配单元 和水下控制模 块 S C M3 个部分 组成 。该 执行 器位 于采 油树 上 ，其 系统原理图和结构示意图分别如图 1 、2所示。图 2 右侧伸出杆用来推动采油树上的主阀 、翼 阀和安全阀 等阀门的开闭；左侧是一个液压缸 ，其活塞杆与右侧 的伸出杆刚性连接。活塞位于左端 图示位置时 主阀和翼阀等阀门关闭，活塞在 P口压力油的作用下 移动到右端时，采油树阀门打开。如果由于各种原因 P口失压，被压缩的弹簧会将活塞强制推到左端，关 闭采油树阀门。 收稿日期2 0 0 9 0 7 2 3 作者简介 余国核 1 9 7 2 一 ， 男，博士， 工程师，现从事海洋工程的设计研究工作。电话 0 2 2 6 6 9 0 8 6 6 5 。 E ma i l y u g h ma i l ． c o o e c ． c o rn． c a 。 第 1 1 期 余国核 等水下执行器液压控制仿真 1 1 7 图 1 水下生产系统原理图 1 ． 2 数学建模 以 2 ” 管 口的执 行器为例 ，建立 2 ” 执行器 的数学 模型 执行器 的动态微分方程如下。 1 开启过程 活塞杆的力平衡方程 P o p g h A 。 。 m a d y ￡“ y 1 n ￡ u‘ 流量 方程 Q A 一 。 誓 2 关闭过程 2 活塞杆的力平衡 方程 ．j2 ， p A p 。 A p g M F一 m dt 2 一 a y 3 流量方程 Q A 。 4 l2 _ k 式中各参数L o 为预压缩量；A为执行器活 塞面积；A 为活塞杆面积；m为活塞重量加上 1 ／ 3 弹簧重量；o r 为黏性阻尼系数 ；k为弹簧刚度；P 。 为 执行器开启腔 图中P口压力；P 。 为执行器关闭 腔 图中 R口压力； P为液压油密度 ；h为工作水 图2 执行器结构示意图 深；Y为油缸活塞位移；Q为执行器开启过程的供液 侧流量 ；Q 为执行器关闭过程 的差动流量 。 1 ． 3 仿真结果及分析 系统位于水下 0～3 0 0 m；弹簧刚度 2 5 0 N ／ m m， 初始 弹簧 力 8 0 0 0 N，活 塞 直径 9 8 m m，活 塞 杆径 3 8 m m，行程 6 0 m m；弹簧及 执行器质 量 3 k g ，零位 移时弹簧长度 3 5 0 m m。仿 真过程 中 ，可 以通 过对话 框 图 3 根 据实际情况更改相关参数 ，即可得到相 应的仿真输入参数。 图3 A M E S i m计算界面对话框 1 1 8 机床与液压 第3 8卷 以下仿真曲线是采用 A M E S i m软件对2 ” 执行器的 压力变化和流量 通过执行器的位移来体现的变 化分别进行仿真的结果，如图4 - _ 6所示。相关的参 数来 自生 产现 场 仿 真 过程 中压 差 的计 算参 照 I S 0 1 3 6 2 8 - 6 2 0 0 6 年的标准进行取值 。曲线清楚表明 了执行器动作开始和结束时压力和位移的变化，以及 水下控制模块 S C M油压的变化。 图4显示了执行器在开启和关闭过程中的开启腔 压力、关闭腔压力和位移 的变化 。执行器 开启时 ，经 过不到 1 S 执行器完全打开；经过几秒后开始关闭， 在不到 2 S内完全关闭。在开启过程中，阀的位移在 阀两端压差 的转折点 p i n c h p o i n t 前或 者在 阀关 闭 到阀两端压差的转折点 p i n c h p o i n t 后，井 口压力 达到某一较高的值，此时管汇的压力较低。 一 量a 2 蠢 ． ～一 嶝 ， ， s 图4 2 执行器动作开 始时压力变化 l s c M供 油压 力 f ， s 图 5 S C M油压变化 O 图5显示了执行器开启腔压力及 S C M供油压力 和回油压力的变化过程。S C M的供油压力稍有下降。 S C M供油和回油之间的最小压差大于系统要求的高 于控制阀复位压差的 1 5 0 ％。完全满足 I S 0 1 3 6 2 8 标 准的要求 。 活塞两端的压降和执行器 皇 6 的位移关 系曲线 ，执行器 n 两 端的压降达到预期值时，孽 执 行 器 开 始 关 闭 。 耋 从生 产 现 场 实 际 测 量 的数据来看，与仿 真曲线 非常接近。因此，建立 的 模型和仿真过程是合理的。 2 结论 l 一 供 油和 回油 口压 差 0 2 4 6 8 l 0 t l s 图6 2 执行器动作结 束时压力变化 随着人们对能源需求的不断增加，海洋石油天 然气 占有越来越重要的地位。国内在水下尤其是深 水油气开发方面起步较晚 ，缺乏技术和经验。作者 针对 海洋石油天然气 开发 过程 中 的生产 过程进 行研 究 ，通过对 水下生产 设施 液压 控 制系统 的分 析 ，并 对其液压控制系统的执行器进行了建模和仿真，仿 真曲线清楚显示了执行器在工作过程中压力的变化 规律，为水下生产系统的研究、设计和开发提供较 好 的借鉴 。 参考文献 【 1 】 廖谟圣． 2 0 0 0 --2 0 0 5年国外深水和超深水钻井采油平 台简况与思考[ J ] ． 中国海洋平台， 2 0 0 6 ， 2 1 3 1 8 ． 【 2 】 金春爽， 乔德武， 姜春艳． 国内外深水区油气勘探新进展 [ J ] ． 海洋地质动态， 2 0 0 3 ， 1 9 1 0 2 0 2 3 ． 【 3 】陈家庆． 海洋油气开发中的水下生产系统 一 [ J ] ． 石 油机械， 2 0 0 7 ， 3 5 5 5 4 5 8 ． 【 4 】 付永领， 祁晓野， 李庆． A M E S i m系统建模和仿真 从入 门到精通[ J ] ． 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ． 1 ． 上接 第 1 3 6页 很可能是存在严重超差，使过盈量不足。 由临界裂纹尺寸计算 结果可 知 ，对于大型行 星齿 轮减速器而言，这样的临界裂纹尺寸发生齿轮破损失 效也不足为奇。如果按传统理论，提高强度，则 K 。 ／ 将会更小 ，a 也会更 小 ，更 容易 发生失 效 。所 以， 应在确保工程上可以检测出裂纹的前提下，提高 K 。／ o r 的比值，这样临界裂纹尺寸 a 就会增大，可避免 失效破损的发生。 3 齿轮裂纹扩展寿命计算结果表明，齿轮材 料的疲劳裂纹扩展寿命占总寿命的一小部分，裂纹的 形成寿命占了总体寿命的大部分。而齿轮材料本身又 存在凹坑缺陷，容易产生裂纹，这无疑是导致齿轮失 效的致命原因。 4 从齿轮设计安全系数的评价结果可知，行 星齿轮的设计安全裕度不足，埋下了齿轮失效的隐 患。为避免齿轮失效情况的发生，应采用合理的设计 准则 疲劳强度设计 。除保证足够大的安全系数之 外 ，还应 该保证齿轮坯料 的质量 、热处理 的工艺 ，严 格控制加工过程，并且对齿轮在装配投入使用前进行 无损检测。 参考文献 【 1 】D h a n a s e k a r a n S ， G n a n a m o o r t h y R ． G e a r t o o t h w e ar i n s i n - t e r e d s p u r g e a r s u n d e r d r y r u n n i n g c o n d i t i o n s [ J ] ． We ar， 2 0 0 8 ． 2 6 5 8 1 8 7 ． 【 2 】 J y o t i K S i n h a ， C B N S B a l l ， K K M e h e r ． E ar l y c o n t a c t d e t e c t i o n b e t w e e n t w o c o m p o n e n t s [ J ] ． J o u r n al o f S o u n d a n d Vi b r a t i o n， 2 0 0 7， 3 0 3 9 1 89 2 4． 【 3 】S M X i a ， Y F G a o ， A F B o w e r ， e t a1 ． D e l a m i n a t i o n e c h a n i s m ma p s f o r a s t r o n g e l a s t i c c o a t i n g o n a n e l ast i c p l ast i c s u b s t r a t e s u b j e c t e d t o c o n t a c t l o a d i n g[ J ] ． I n t e rna t i o n al J o u r n al o f S o l i d s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 7， 4 4 3 6 8 53 6 9 9 ． 【 4 】 P a r s o n B ， Wi l s o n E A ， A m e t h o d f o r d e t e r m i n i n g t h e c o n - t a c t s t r e s s e s r e s u l t i n g f r o m i n t e r f e r e n c e fi t s [ J ] ． A S ME J E n g n g for I n d u s t r y， 1 9 7 0． 【 5 】 C h an S K ． T u b a I S ． A f i n i t e e l e m e n t m e th o d f o r c o n t a c t p r o b l e m s o f s o l i d b o d i e s P a r t I [ J ] ． T h e o ry a n d V a l i d a t i o n ． I n t J Me t h S c i ． 1 9 9 7 1 3 ．