基于AMESim的深水连接器驱动环液压缸同步仿真.pdf

一 5 0一 石油机械 2 0 1 2年第 4 0卷第 l 0期 应用 A ME S i m仿真手段进行液压系统设计可充 分考虑到系统的非线性因素 ，在最短的时间内以最 低的成本完成根据动态性 能指标来设计 的液压 系 统 ，并从系统的角度优化设计元件 ，以便设计 出性 能优 良的产品 ，满足 日益激烈的市场竞争和愈加苛 刻的设计要求 J 。 1 深水垂直套筒式连接器 深水垂直套筒式连接器是一种应用于深水无人 潜水作业条件下 的管道回接工具 ，它采用快捷 、经 济 、性能可靠的卡爪连接方式 ，广泛应用于水下生 产系统中管道端汇管或产品树之间的管道对接及管 道维修 J 。它 主要 由连接器和安装工 具 2部 分构 成 ，其结构如图 1 、图 2所示。 图 1 连 接 器 结构 示 意 图 Fi g ．1 S t r u c t ur a l d i a g r a m o f c o n ne c t o r 1 一主体 ；2 一卡爪 ；3 一毂座 ；4 一 支撑 板 ； 5 一对中装置 ； 6 一套简 ； 7 一紧固螺栓 。 4 喇 叭口 图 2安装 工具 结构 示意 图 F i g ． 2 S t ru c t u r a l d i a g r a m o f i n s t all me n t t o o l 1 一 顶部套筒 ；2 一上部挡环 ；3 一液压开关 ；4 一 驱 动 环 ； 5 一 卡 扣 ； 6 一 卡 扣杆 ； 7 ～导 向柱 ； 8 一 驱 动 液压缸 ； 9 一 软着陆液压 缸 ； 1 O 一 控制面板 。 其工作过程为 连接器及其安装工具一同下放 到水下 ，由 R O V操作安装工具上 的控制面板完成 连接器的软着陆，驱动环带动套筒向下运动使卡爪 合拢并锁紧密封件 ，液压开关对上部挡环及驱动环 限位。完成连接器的安装后安装工具与连接器分开 并收 回水面。 2 液压 系统原理及 同步仿真模 型建立 2 ． 1 液压系统原理 驱动环液压系统是深水垂直套筒式连接器整体 液压系统的一部分 ，该 系统通过控制执行机构即 3 驱动环液压缸来实现驱动环在垂直方 向的运动；驱 动环会带动套筒控制卡爪 的锁紧和解锁 ，以实现密 封件的密封和更换 。该液压系统为水下顺序液压控 制系统 ，由液压 油源、控制 阀及液 压缸等部 分组 成 ；液压油源 由 R O V携带 ，所有控制 阀的开或关 均 由 R O V在水下操作完成。该液压 系统要求响应 速度快、稳定性好 ，具有应急停止功能，其原理如 图 3所示 图 3液 压 系统原 理 F i g ． 3 P r i n c i p l e o f h y d r a u l i c s y s t e m 1 一油箱 ；2 一过滤器 ；3 一定量液压泵 ；4 ～ 电动机 ；5 ～ 压力表 ； 6 一 截 止 阀 ； 7一 主 溢 流 阀 ； 8 一 减 压 阀 ； 9、 1 0 一 二 位 二 通 换向阀 ； 1 1 一 远程 溢 流 阀； 1 2 一二 位 四通换 向阀 ； 1 3、 1 4 一 液 控 单 向阀 ； 1 5、 1 6 一 分 流 集 流 阀 ； 1 7、 1 8、 1 9 ～ 驱 动 环 液 压 缸 。 水下控制阀由二位二通换向阀和二位四通换 向 阀组成。二位二通换向阀 9 、1 0控制主油路和溢流 回路的通断 ，二位 四通换 向阀控制液压缸油路进 出 油方向，保证液压缸活塞杆的伸出或缩 回；当水下 设备发生故障或遇紧急情况 时，二位二通换 向阀 9 控制系统 主油路断油，由液控单 向阀 1 3 、1 4保持 液压缸压力 ；系统由远程溢流阀实现空载卸载 ；分 流集流阀 1 5 、1 6起 到控制流量使 3驱动环液压缸 同步运动的作用。 2 ． 2 分流集流阀实现同步原理 分流集流阀可保证 3驱动环液压缸在承受不 同 负载时仍能获得相 同流量，从而使 3驱动环液压缸 以相同的位移运动，实现同步。 分流集流阀工作原理可简单概括为压力负反馈 2 0 1 2年 第 4 0卷第 1 O期 任必为等 基 于 A ME S i m深水连接 器三驱动环液压缸 同步仿真 一 5 l一 原理 ，即当负载压力发生变化时，换向活塞会根据 情况做出相应 的动作 ，通过改变节流 口的大小来满 足流量仍然相 同的要求 J 。分流集流阀有分流和集 流 2种工况 ，2种 工况原理相似 ，只是 出 口与人 口 刚好相反 。下面以分流工况为例做简单介绍。 图4为分流集流阀结构原理示意图。图中 1 、2 是左 、右 2个对称 阀心 ，3为 阀体 ；d 和 d 分别 是左右 2个 阀心上直径相等的固定节流孔 ，起到检 测流量的作用 ；b 与 b 分别是左 、右 阀心 圆孔与 阀体相对应的可变节流 口，起 到压力 补偿作用。a 腔、b腔油室分别 与左端弹簧腔 6 、右端弹簧腔 5 相通 ，由对 中弹簧保证阀心处于 中间位置。压力油 由 P T 口流入 ，流经固定节流 口后分别 流向 a 、 b两腔 ，当 A、B两端压力相等时 阀心处于中间位 置；当外负载不相 同时 ，即 A、B两端压力不相等 时，若左侧负载压力 P 增加 ，此时 P P ，引发 瞬态压力反馈 ，使 a腔的压力 P 急剧升高 ，反馈 到2 个弹簧腔中，推动整体阀心向右移动，使右侧 可变节流 口 b 关小 ，节流效应增强 ，右侧油 腔 b 压力升高 ；同时还 由于 P 升高 ，伴 随左路流量 q 减小 ，右路 q 增大 ，此过程也协 同节流效应促使 P 升高，直至 P p ，整体阀心停止于右侧新的平 衡位置 ，此时通过左 、右两固定节流孔油液 的压力 降 、流量恢复相等。 图 4分 流 集流 阀 结构 原 理 示 意 图 Fi g ． 4 Di a g r a m o f s t r uc t u r a l p r i nc i pl e o f d i v i d i ng c o l l e c t i ng v a l v e 1 一左 阀心 ；2 右阀心 3 m 阀体 ； 4、 6 外 侧 弹 簧 ； 5 一 内侧 弹簧 。 2 ． 3仿真 模型 的建 立 利用 A ME S i m软件对图 3的液压系统进行建模 仿真 ，共分 3步①在 S k e t c h模式下建立系统原理 图， 其 中分流集流阀不包含 在标准库中时，需要在 HC D中 自行建立 ；②在 S u b m o d e l模式下为系统 的 每个元件选 择子模 型 ，然后在 P a r a m e t e r模式下为 模型中的元件设置参数； ③在 R u n模式下运行仿真 模型 ，得 出仿真结果。依据 以上步骤建立 了图 3的 液压系统仿真模型，如图 5所示 。 为使仿真结果更接近实际情况 ，仿真过程 中选 择 的液压管线子模型是考虑流体压缩性和管道摩擦 力 的管线 HL 0 2 。 图 5 液 压 系统仿 真模 型 Fi g ． 5 S i mu l mi o n mo d e l f o r hy dr a ul i c s y s t e m 分流集流 阀 由液压元 件设 计模块 HC D搭 建 ， 由于液压缸与阀之 间、阀与阀之 间存在液压管线 ， 管线 的固定液容会引起动态效应 ，所 以会使液压缸 位移输出受影响。为准确模拟压力的动特性 ，需要 将这部分液容加入仿真模型中 ，即图5中的 c h ，其 子模型为 B HC 。其他元件的子模型按系统的默认方 式选择。 液压系统仿真模型 中主要参数如下 。 油液密度 1 0 8 6 k g ／ m 油液体积弹性模量 2 1 0 0 MP a ； 动力粘度 4 7 ． 7 8 4 c p ； 电动机转速 1 0 0 0 r ／ m i n ； 液压泵 出口压力 2 2 ． 2 MP a ； 液压泵排量 1 4 ． 4 mL ／ r ； 液压缸活塞杆直径 1 2 4 、8 7 m m； 当量质量 2 X 1 0 k g ； 管线内径 8 mm。 以活塞杆伸缩 1 次作为整个行程进行仿真 ，活 塞杆完全收缩 状态为起始位 置 ，仿真 时间间 隔为 0 ． 1 S ，仿真时间 9 0 S 。 3 仿真结果分析 3 ． 1 不同负载对 系统同步的影响 图 6为驱动环的 3个液压缸负载均为 2 0 0 k N、 未使用分流集流 阀控制流量时 ，活塞杆位移曲线； 图 7是驱动环 3个液压缸的负载分别为 5 0 、1 0 0和 2 0 0 k N、未使用分流集流阀控制流量时 ，活塞杆位 移曲线 。 一 5 2一 石 油机械 2 0 1 2年第 4 0卷第 1 0期 吕 翘 图6负载相 同时活塞杆位移 曲线 1 o a d 图 7 负载 不 同 时 活基 杆 位 移 曲线 F i g ． 7 Di s p l a c e me n t c u r v e o f p i s t o n r o d wi t h d i f f e r e n t l o a d s 从图 6可以看出，未使用分流集流阀对液压管 路进行流量控制时，即使负载相同， 3液压缸仍不 能同步。这是由于从控制阀到每个液压缸 口之间管 路长度不 同，各油路流量不同，系统每条油路 的压 力损失不 同，且压力损 失随管路长度 的增加 而变 大 。活塞杆达到最大伸出长度和行程终点 的响应时 间与控制 阀到达液压缸 口的管路长度和管路摩擦成 正比关系。从图7可 以看出，当负载不 同时 ，3液 压缸的不同步现象更为严重 ，且随负载的增加 ，活 塞杆到达最大伸出长度的响应时间延长 ，到达行程 终点的时间也延长。与图6相 比可以看 出，负载越 小活塞杆到达最大伸 出长度 的时间越短 ，到达行程 终点的时间也越短。图中拐点是 由于流量不稳定和 弹性负载造成 的。 3 ． 2 分流集流阀对 系统同步的影响 图 8为使用分流集流阀且 3个液压缸的负载分 别为 5 0 、1 0 0 、2 0 0 k N时，驱动环 3个液压缸活塞 O ．3 0 0． 25 0 ． 2 0 渣 0 ． 1 5 遵 0 ． 1 0 0 05 0 ． O 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 时 间／ s 图 8 使 用分流集流阀且 出现偏 载情况下活塞杆位移 曲线 Fi g ．8 Di s p l a c e me nt C H I V e o f p i s t o n r o d i n u s e o f d i v i d i n g c o l l e c t i n g v a l v e a n d w i t h o f f s e t l o a d 杆位移曲线，图9、图 1 0分别为 3个液压缸进 口和 出口流量曲线 ，图 1 1为活塞杆速度曲线 ，图 1 2为 3 时 『 S 图 9 3液压缸进 口流量 曲线 F i g ． 9 I n l e t fl o wr a t e C H I V e f o r t h r e e h y d r a u l i c c y l i n d e r s ．量 吕 二 】 煺 口 丑 O． O3O 0 ． 0 2 0 0 ． 0 1 0 ‘ O O 0 0 _。 - 。 魁 一0 ． 0 2 0 0 ． O 3 O 一 0 ． 0 4 0 图 1 1 3液压缸活塞杆速度曲线 时 iNl s 图 1 2 3液压缸位移 同步误 差曲线 F i g ． 1 2 S y n c h r o n o u s e r r o r C H I V e o f d i s p l a c e me n t o f t h r e e h y d r a u l i c c y l i n d e r s 从图 8可以看出，3个液压缸活塞杆运动 明显 稳定 ，3条位移 曲线基本接近，3液压缸做相对稳 定 的同步运动。从 图9和图 1 0可以看出，3液压缸 进 出口流量曲线基本接近，液压缸油流动稳定。从 图 1 1可以看 出，3液压缸 活塞杆 的运 动速度相 同 且保持 同时变化 ，速度 同步误差 在 0 ． 0 0 1 m ／ s以 2 0 1 2年第4 0卷第 l 0期 任必为等基于A ME S i m深水连接器三驱动环液压缸同步仿真 内，活塞杆运动受流量 的控制使得其运动缓慢 ，减 小活塞运动终 端的冲击。从 图 l 2可以看 出，3液 压缸最大位移 同步误差为 7 mi l l ，出现于负载差值 E 4 ] 最大的 2个液压缸 。 4 结 论 1 通过对深水垂直套筒式连接器驱动环 3个 液压缸同步仿真分析可知 ，不同负载对 系统同步有 很明显的影响，且随着偏载差值 的增大 ，系统同步 误差增大 ，压力损失增大。 2 分流集流阀对 液压缸同步有明显 的改善作 用，消除了系统活塞杆的不稳定运动 ，控制了系统 的流量及活塞杆 的运动 同步性 ，改善了系统的动态 性能 ，有利于深水垂直套筒式连接器功能的实现。 [ 2] [ 3 ] 参考文献 La me r G P．Hy d r a ul i c s t e e r i n g s y nc h r o n i z a t i o n s ys t e m U S ，4 5 3 1 6 0 4 [ P ]． 1 9 8 5 0 7 3 0 ． Ni c h o l s H J． Hy d r a u u c s y n c h r o n i z i n g s y s t e m US ， 2 5 5 7 6 7 9 [ P ]． 1 9 5 1 0 61 9 ． 金胜秋 ，成凯 ，王鹏 宁 ．基 于 A M E S i m的液 压 同 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 步阀仿真分析及结构改进研究 [ J ]．液压与气动， 2 0 0 9 96 46 8 ． 雷金 柱 ，杨非 ，贾 建 涛 ．基 于 A ME S i m 和 MA T L A B的液压 同步 系统的仿 真分析[ J ]．中国水运 ， 2 0 0 8，8 3 1 7 51 7 6 ． 董春芳 ，朱 玉杰 ．基 于 A ME S i m 的长 管道 液压 系统 动态仿 真 [ J ]．煤 矿 机 械 ，2 0 1 0 ，3 1 1 7 3 7 5． 付永 领 ，齐 海 涛 ． L M S I m a g i n e ． L a b A M E S i n l 系统建 模 和仿 真 实例教 程 [ M]．北京 北京航 空航 天大学出版社 ，2 0 1 1 ． 关 俊 峰 ． 爪 式深 海 管 道 自动 连接 机 具技 术 研 究 [ D]．哈尔滨 哈尔滨工程大学 ，1 9 9 8 ． 苏东海，张宏 ，李巍 ．比例流量阀控制非对称 液压缸 同步的仿真分析 [ J ]．机床 与液压，2 0 0 3 4 1 6 41 6 6 ． 第一作者简介 任必为 ，生于 1 9 8 8年 ，在读硕 士研究 生 ，主要从 事水 下管 汇连接 器样机 研制 和液压 动力 系统研 究 T 作 。地 址 1 0 2 2 4 9北 京 市 昌 平 区 。 电 话 0 1 0 8 97 31 6 8 9。 E ma i l r b w9 54 1 2 6 ．c o rn。 收稿 日期 2 0 1 2 0 71 1 本文编辑丁莉萍 上接第 4 2页 速对应的扭矩及输出功率均会增大 ，压降的增加更 为显著 ；效率基本不随密度的改变而变化。 2 介质黏度 的改变对 涡轮钻 具扭矩和输 出 功率基本无影响 ；消耗 的压降随黏度增加而增大 ； 效率随黏度增加而降低。 3 对 于幂律 流体 ，随着流 性指 数 n变 小 ， 压降降低 ，扭矩和输 出功率基本不变 ；对 于 n1 的幂律模式钻井液 ，按 n1的牛顿流体来计算涡 轮力学性能误差较小 。 4 涡轮钻具设计 时应考虑对 流体介质物理 性质变化的适应能力 ，合理设计工作转速范围；现 场使用 涡轮钻具 ，当钻井液密度 、黏度发 生改变 时，应注意调整泵压 、钻压以保证最佳工况 。 [ 2 ] 参考文献 李文飞，周延军，陈明，等 ．涡轮钻具复合钻井 技术及其在塔河油 田的应用 [ J ]．西部探矿工程， 2 0 1 0 5 4 14 4 ． 胡可能，黄志强 ．涡轮金刚石钻具复合钻井技术在 元坝地 区的应用[ J ]．内蒙古石 油化 工，2 0 1 1 57 88 0 ． 符达 良，张 晓东 ，符 彦惟 ．涡轮钻井 技术有 巨大 的 技术经 济潜 力 [ J ]．石 油学报 ，2 6 0 0 ，2 1 1 8 1 8 6． 冯定 ．国产 涡轮钻具结 构及性 能分析[ J ]．石油 机械 ，2 0 0 7 ，3 5 1 5 9 6 1 ． 冯进 ，张慢来 ，刘孝光 ，等 ．应用 C F D软件模拟 1 1 5 mi l l 涡轮 钻 具 机 械 特 性[ J ]．天然 气 工 业 ， 2 0 0 6，2 6 7 717 3 ． 邹正平 ，綦蕾 ，李维，等 ．上游尾迹与涡轮转 子泄漏流相互作用数值模拟 [ J ]．航空动力学报， 2 0 1 0 ，2 5 1 5 8 6 5 ． 吕官云 ，孙峰 ，冯进 ，等 ．井下 发电机涡 轮设 计 、动力模拟与 性能 试验[ J ]．石 油机 械 ，2 0 1 1 ， 3 9 72 52 9 ． 陈家琅 ，刘永建 ，岳湘安 ．钻井液流动原理 [ M]． 北京 石油 T业 出版社 ，1 9 9 7 91 3 ． 第一作者简介 张先勇 ，讲 师 ，生于 1 9 8 1 年 ，2 0 0 7年 毕业于长江大学机械设计及理论专业 ，获硕士学位，现从 事 流体 机 械 设计 及 理 论 方 面 的 研 究 和 教 学工 作 。地 址 4 3 4 0 2 3 湖北省荆州市 。Em a i l f r e e m e s s a g e 1 2 6 ． c o n l 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 3 0 本文编辑南丽华 ] ] J] ] j]● J]J _寸_