深水闸阀液压执行机构可视化位置指示器的设计及仿真.pdf

第 3期 2 0 1 4年 3月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi ne r y De s i g nMa n u f a c t u r e 71 深水闸阀液压执行机构可视化位置指示器的设计及仿真 彭 飞 ， 王珏 ， 段梦兰 ， 朱春丽 1 ． 中国石油大学 北京海洋油气研究中心， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 中海石油研究总院， 北京 1 0 0 0 2 7 摘要 深水油气的开采已日益成为各国关注的重点， 对于深水闸板阀， 由于其在无潜条件下由液压执行机构操作， 可视 化位置指示器是其重要组成部分，国内对于该项技术的研究还处于空白阶段。设计的闸板阀可视化位置指示器可以在 1 5 0 0 m水深条件下实现闸板位置实时指示， 可视性好， 可靠性高， 便于水上操作人员进行相应的控制。通过 A D A MS和 A b a q u s 对其进行了运动学、 动力学仿真和强度分析， 对关键结构进行了强度分析验证其满足强度要求， 并通过运动学仿 真验证了机构在运动中无阻滞现象， 进一步验证设计的合理性， 为其传动机构的设计及样机的研常 0 提供了理论依据。 关键词 闸板 阀； 可视化位置指示器 ； AD A MS； A b a q u s； 强度分析 动力学 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 3 0 0 7 1 0 4 De s i g n a n d Si mu l a t i o n o f t h e Vi s u a l Po s i t i o n I n d i c a t o r f o r t h e Hy d r a u l i c Ac t u a t o r o f a De e p - W a t e r Ga t e Va l v e P ENG F e i ，WANG J u e 。 ，DUAN Me n g l a n ，Z HU Ch u n l i 1 ． O f f s h o r e O i l a n d G a s R e s e a r c h C e n t e r ， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， B e i j i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 2 ． C N O O C R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 7 ， C h i n a A b s t r a c t T h e e x p l o i t a t i o n o fd e e p - w at e r o i l and g a s h as i n c r e a s i n g l y b e c o me t h e c o fc o n c e r n i n a l l c o u n t r i e s ． F o r d e e p w at e r g at e v al v e s ，d u e t o i t s o p e r a t i o n b y t h e h y d r a u l i c a c t u at o r i n t h e c o n d i t i o n o fn o d i v i n gp e o p l e ，t h e v i s u a l p o s i t i o n i n d i c at o r i s o n e oft h e mo s t i m p o r t a n t p a r t s ， a n d r e s e a r c h o n t h is t e c h n o l o g y i n o u r c o u n t r y i s s t i l l b l ank ． The v is u al p o s i t i o n i n d i c a t o r f o r t h e g a t e v a l v e c a l l b e i n 1 5 0 0 m d e p t h c o n d i t i o n s t o r e al i z e r e a l - t i m e p o s i t i o n i n d ie a t i o n w h i c h h a s g o o d v i s i b i l i t y and h i g h r e l i a b i l i t y ， S O t h at o p e r ati o n - p e r s o n s o n t h e s u r f a c e c a n c arr y o n t h e c o r r e s p o n d i n g c o n t r o 1 ． B a s e d o n t h e k i n e m ati c s ， s i m u l a t i o n a n d s t r e n g t h a n al y s i s w i t h A D A MS a n dA b a q u ． ． s t r e n gth a n al y s i s f o r t h e k e y s t r u c t u r e s h as b e e n m a d e t o v e r if yt o m e e t t h e s t r e n g t h r e q u i r e m e n t ，a n d n o b l o c k i n g p h e n o ra e n o n h as b e e n a l s o v e r ifi e d i n t h e o p e r ati o n p r o c e s s t h r o u g h t h e k i n e mat i c s s i mu l ati o n ，w h i c h ti mb e r p r o v e s t t w r i o n al i t y o ft h e d e s i g n and p r o v id e s a t h e o r e t i c al b asis f o r t h e h y d r aul i c s t e m d e s i gn an d t h e pr o t o t y pe d e v e l o pme n t ． Ke y W o r d s Ga t e Va l v e ；Vi s u al Po s i t i o n I n d i c a t o r ； ADAM S ；Ab a q u s ； S t r e n g t hAn aly s i s ； Ki ne ma tic s ； Dy n a mi c s 1引言 随着海洋石油天然气工业的发展，深水区域的油气资源不 断地被勘探和发现， 水下生产系统已经成为一种重要的深水开发 模式。 与此同时， 水下控制系统占据重要的地位， 尤其是深水阀门 的应用和需求量日趋增加 。 由于深水闸板阀长期工作在海水环 境，在深水环境中操作人员无法进行现场操作，因此有时需要 R O V辅助液压执行机构控制水下闸板阀的开启和关闭。目前对 水下闸板阀进行远程控制应用最广泛的是液压执行机构。 水下闸板阀液压执行机构与陆地闸板阀的液压执行机构相 比， 结构原理基本相同， 但由于工作环境不同， 因此应主要考虑海 水腐蚀及深水压力对执行机构的影响13 1。另外考虑水下闸板阀执 行机构的故障安全性 ，多数闸阀还要为执行机构配备标准的 R O V接口， 以便于水下机器人对水下闸板阀进行操作。此时闸板 阀需要配置相应的可视化位置指示器， 以便于工作人员根据指示 机构位置来进行接下来的相应操作 。 相比国外来讲， 我国对深水闸板阀的研究起步较晚， 目前在 国内研究仍属空白。通过对国内外产品的分析研究， 结果表明阀 门R O V接口多为移动式， 且指示机构指针为直行程运动， 其运动 空间较大，且不易观察。针对应用于深水 1 5 0 0 m、油气压力为 5 0 0 0 p s i 的6 英寸管道的闸板阀，笔者设计了一种新型闸板阀可 视化位置指示器， 主要针对以下三个方面进行了自主设计 1 在 满足密封要求的条件下，设计的可视化位置指示器将不随 R O V 接口一起运动， 保证指示机构固定。 2 设计的可视化位置指示器 位于 R O V便于观察的位置， 保证其可视性。 3 避免了指针的大 范围移动，防止与其他部件发生干涉。 4 要求指示机构可以在 1 0 s 的操作时间下实现开启或关闭工作。 2闸板阀可视化位置指示器简介 从对国内外的产品对比分析情况来看 ，对于水下闸板阀液 来稿日期 2 0 1 3 - 0 8 0 5 基金项目 国家重大科技专项中子课题 水下控制系统与水下阀门及执行机构关键技术 2 0 1 2 Z X 0 5 0 2 6 一 3 -01 作者简介 彭飞， 1 9 8 8 一 ， 男， 北京人， 硕士研究生， 主要研究方向 海洋石油设备设计制造； 段梦兰， 1 9 6 6 一 ， 男， 北京人， 博士， 教授， 主要研究方向 海洋结构工程 7 4 机 械 设 计 与 制 造 No ． 3 M a r ． 2 01 4 6结论 针对应用于深水 1 5 0 0 m、 油气压力为 5 0 0 0的 6 英寸管道的 闸板阀， 设 计了一种新型闸板阀可视化位置指示器， 该机构具有 整体为纯机械结构、 结构简单紧凑、 便于观察， 易于加T， 实时指 示， 功能可靠等优点， 解决了深水恶劣条件下的难以密封、 难以将 闸板的直行程转换为角行程等设计难点， 提出了新型的可视化位 置指示器设计方法， 通过对可视化位置指示器整体的运动学和动 力学仿真结果分析， 并结合对拉杆和销钉进行有限元分析。可知 其满足设计‘要求， 进一步验证了设计的合理 和可行陛。 同时， 可 视化位置指示器的设计和分析方法为深水阀门的设计及样机的 研制奠定了理论基础。 参考文献 【 1 ] H a n s e n R I ， R i e k e y W P ．E v o l u t io n o f s u b s e a p r o d u c t i o n s y s t e m s [ J ] ． a wo r l d wi d e o v e r v i e w．OTC 7 6 2 8， 1 9 9 4． 【 2 ] 李长春， 连琏冰下生产系统在海洋石油开发中的应用[ 】 ] ．海洋工程， 1 9 9 5 ， 1 3 4 2 5 3 O ． f I i Ch a n g e h u n，Li a n L i a n ． Ap p l i c a t i o n o f s u b s e a p r o du c t i o n s y s t e m i n o ff s h o r e o i l d e v e l o p me n t [ J ] ．Of f s h o r e E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 5 ， 1 3 4 2 5 3 0 ． [ 3 ]I S O I 3 6 2 8 6 2 0 0 6 p e t r o l e u m a n d n a t u r a l g a s i n d u s t r i e s --D e s i g n a n d o p e r a t i o n o f s u b s e a p r o d u c t io n s y s t e ms -- p a r t 6 s l l b s e a p r o d u c t i o n c o n t r o l s y s t e m s [ s ] ． [ 4 j I S O l 3 6 2 8 - 4 2 0 0 6 p e t r o l e u n l a n d n a t u r a l g a s i n d u s t r i e s --D e s i g n a n d ● 十 一 ● 一 ● ’ 十、 ． ”⋯⋯ i 十 上接 第 7 0页 [ 2 ] 程 明， 张运 乾 ， 张建忠． 风力发电机发展现状 及研究进展 [ n 电力科学 与技术学报， 2 0 0 9 ， 2 4 3 2 3 ． C h e n g Mi n g ， Z h a n g Y u n q i a n ，Z h a n g J i a n z h o n g ． D e v e l o p me n t a n d r e s e a r c h p r o g r e s s o f w i n d p o w e r g e n e r a t o r s l J ] J o u rna l o f E l e c t r i c P o w e r S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ， 2 0 0 9 ， 2 4 3 2 3 ． [ 3 ]陈海萍， 孙文磊． 风力发电, J L n t ‘ 片的动力特 分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 2 3 1 0 1 1 0 2 ． Ch e n Ha t - p i n g．S u n We n l e t ．Dy n a n fi c a n a l y s i s o f wi n d g e n e r a t o i s b l a d e [ J ] ． Ma c h i n e T o o l ＆H y d r a u l i c s ． 2 01 0 ． 3 8 2 3 1 0 1 1 0 2 ． [ 4 ] 傅程， 王延荣．风力发电机叶片损伤演化预测方法研究[ n机械设计 与 制造 ， 2 0 0 9 1 1 0 4 1 0 5 ． F u C h e ng ， Wa n g Ya ll r o n g ． D a ma g e e v o l u t i o n p r e d i c t i o n o f w i n d t u r b i n e b l a d e s [ J ] ．Ma c h i n e r y D e s i g n ＆M a n u f a c t u r e ， 2 0 0 9 1 1 0 4 1 0 5 ． [ 5 ] 吴玉厚， 宋国仓， 张珂． u型高处作业平台提升吊点位置分布[ J 1 ． 沈阳 建筑大学学报 自然科学版， 2 0 1 0 ， 2 6 3 5 5 8 ． Wu Yu _ h 0 u ，S o n g G u o e a n g ，Z h a n g K e ． R e s e a r c b o n t h e s c a t t e r e d l o c a t i o n o f l i f t i n g p o i n t s l if t e d b y U - h i g h w o r k i n g p l a t f o n n [ J j ．J o u m a l o f S h e n y a n g J i a n z h u U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e ， 2 0 1 0 ， 2 6 3 5 5 8 ． [ 6 ] L a n g J i e ， G u a n Z h i - g u a n g ． D e s i g no f i n t e l l i g e n t a u t o m a t i c l e v e l i n g c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n u l t r a s o n i c d i s t a n c e m e a s u r i n g t e c h n o l o gy [ C 1 ．J i n a n P r o c e e d i n g s o f t h e I EE E I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Au t o ma t i o n a n d L o g i s t i c s ， 2 0 0 7 1 6 2 0 I 62 4 ． 1 7 j Ha t t o r i K， F u k u i M， J i n n o M． P L C b a s e d o p t i c a l a d d ／ d r o p s w i s h w i t h o p e r a t i o n o f s u b s e a p r o d u c t i o n s y s t e ms - - p a r t 4 s u b s e a we l l h e a d a nd t r e e e q u i p me n t l S j ． c 5 ] I S O 1 3 6 2 8 8 2 0 0 6 p e t r o l e u m a n d n a t u r a l g a s i n d u s t r i e s D e s i g n a n d o p e r a t i o n o f s u b s e a pr o d u c t i o n s y s t e ms --- pa r t 8 r e mo t e l y o p e r a t e d v e h i c l e R O V i n t e r f a c e s o n s u b s e a p r o d u c t i o n s y s t e ms [ S ] ． [ 6 ]A P I S P E C 1 7 D 2 0 1 1 d e s i g n a n d o p e r a t i o n o f s u b s e a p r o d u c t i o n s y s t e m s - - - s a b s e a w e l l h e a d a n d t r e e e q u i p m e n t 【 S 3 ． [ 7 ] AP I S P E C 6 D 2 0 0 8 p e t r o l e u m a n d n a t u r a l g a s i n d u s t r i e s - - s p e c i f i c a t i o n f o r p i p e l i n e v a l v e s[ s J ． [ 8 ] M 3 0 0 0 i n t e r n a l a c t u a t o r o v e r v i e w [ J ] ．F M C T e c h n o l o g i e s ． 1 9 J R i n g - O v a l v e s a n da c t u a t o r s f o r s u b s e a s e rvi c e L J j ． C a me r o n ． [ 1 0 ] M a g n u m s u b s e a g a t e v a l v e [ J ] ． M a g n u m S u b s e a S y s t e m s ， 2 0 1 0 ． [ 1 1 ] 赵玉侠， 狄杰建， 高德文． 基于 A D A M S 的微型管道机器人三维实体 运动仿真[ J 1 ． 实验室研究与探索， 2 0 1 l ， 3 0 1 2 6 2 7 ． Z h a o Y u x i a ， D i J i e - j t a n ， G a o D e - w e n ． 3 D S o l i d k i n e ma t i c s s i m u l a t i o n o f m i c r o i n - p i p e r o b o t b a s e d o n A D AMS [ J ] ． R e s e a r c h a n d E x p l o r a t i o n i n L a b o r a ry。 2 0 1 1 ， 3 0 1 2 2 7 ． [ I 2 ] 朱和军， 许永恨， 施琴． 基于 P R O ／ E和 A D A M S 的并联机构设计与仿 真l J j ． 机械 设计与制造 ， 2 0 1 1 9 2 0 8 2 1 0 ． Z h u H e - j u n ， X u Y o n g g e n ， S h i Q i n ． D e s i g n a n d s i m u l a t i o n o f p a r a l l e l me c h a n i s m b a s e d o n P R O ／ E a n d AD A MS [ J ] ． Ma c h i n e r y D e s i g n a n d Ma n u f a e t u r e ． 2 0 1 1 9 2 0 8 2 1 0 ． a u t o m a t i c l e v e l c o n t r o l[ J ] ． J o u r n a l o f L i g h t w a v e T e c h n o l o g y ， 1 9 9 9 ， 1 2 1 7 2 5 6 2 2 5 7 1 ． [ 8 J 张珂 ， 赵亮 ， 孙佳． 1 4 m大型高空作业平台力学性能分析[ J ] ． 沈 阳建筑 大学学报 然科学版， 2 0 1 0 ， 2 6 4 7 7 3 ． Z h a n g Ke ， Z h a o L i a n g ， S u n J i a ． 1 4 me t e r s l a r g e - s c a l e a e r i a l w o r k p l a t f o r m m e - h a n i c s p e r f o r m a n c e a n a l y s i s [ J ] ．J o u rn a l o f S h e n y a n g J i a n z h u U n i v e r s i t v N a t u r a l S c i e n c e ， 2 0 1 0 ， 2 6 4 7 7 3 ． 【 9 j 吴玉厚， 孙佳 ， 蜓玉青． 2 7 m大跨度作业平臼力学性能分析[ J ] ．沈阳建 筑大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 2 ， 2 8 2 3 4 7 ． Wu Yu _ 1 1 0 u ， S u n J i a ， F a n Yu - y a h ．2 7 me t e r s l a r g e s p a n wo r k p l a t f o r m m e c h a n i c s p e rf o r m a n c e a n a l y s i s [ J ] ．J o u rn a l o f s h e n y a n g J i a n z h u U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e ， 2 0 1 2 ， 2 8 2 3 4 7 ． [ 1 0 ] 国家质量监督检验检疫总局． G B I 9 1 l 5 2 o 0 3 高处作业吊篮国家标 准I s ] ． G e n e r a l A d mi n i s t r a t i o n o f Q u a l i t yS u p e r v i s i o n ， I n s p e c t i o n a n d Qu a r a n t i n e o f t h e Pe o p l e ’ s Re p u b l i c o f Ch i n a ． GB1 91 1 5 _ 2 0 03 Te mp o r a r i l y i n s t a l l e d S U s _ p e n d e d a c c e s s e q u i p m e n t [ s ] ． [ 1 1 ] 吴剑_ 振动机械结构优化设计的特 胜分析[ J ] ． 铸造设备与工艺 ， 2 0 0 9 ， 6 3 1 0 ． Wu J i a n ．Op t i ma l s t r u c t u r e d e s i g n i n g c h a r a c t e r i s t i c o f v i br a t i n g ma c h i n e [ J 】．F o u n d ry E q u i p m e n t a n d T e c h n o l o gy， 2 0 0 9 ， 6 3 1 0 ．