水下回填犁调整机构液压系统仿真分析.pdf

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2016 年 4 月 第 44 卷 第 8 期 机床与液压 MACHINE TOOL & HYDRAULICS Apr􀆱 2016 Vol􀆱 44 No􀆱 8 DOI10.3969/ j􀆱 issn􀆱 1001-3881􀆱 2016􀆱 08􀆱 019 收稿日期 2015-03-09 作者简介 马洪新, 男, 高级工程师, 主要从事海底管道工程设计与施工。 E-mail mahx@ mail􀆱 cooec􀆱 com􀆱 cn。 水下回填犁调整机构液压系统仿真分析 马洪新1, 王立权2, 郑松贤1, 王磊2, 王军1, 赵飞2 (1􀆱 海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451; 2􀆱 哈尔滨工程大学机电学院, 黑龙江哈尔滨 150001) 摘要 简述了回填犁的组成和功能, 对回填犁各部件进行简要描述, 分析回填犁调整机构作用和组成。 调整机构主要 通过液压缸的伸缩来执行前滑靴工作位姿的调整, 因此建立了液压系统的原理图, 并使两液压缸满足同步工作和回填时的 保压; 然后通过 AMESim 软件对液压系统进行建模仿真, 通过给定电磁换向阀不同电流, 分析了在回填负载加载时液压系 统中液压缸的速度、 位移、 压力以及流量曲线, 验证液压系统满足工作要求。 关键词 回填犁; 调整机构; 液压系统; AMESim 仿真 中图分类号 TE94 文献标志码 A 文章编号 1001-3881 (2016) 08-058-4 Simulation Analysis of Underwater Backfill Plough Adjusting Mechanism MA Hongxin1, WANG Liquan2, ZHENG Songxian1, WANG Lei2, WANG Jun1, ZHAO Fei2 (1􀆱 Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China; 2􀆱 College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin Heilongjiang 150001, China) Abstract The composition and function of the backfill plough were described and the main parts of the backfill plough were intro⁃ duced briefly, the functions and composition of the adjustment mechanism of the backfilling plough were analyzed. The forward slip boots work posture adjustment was performed through the telescopic hydraulic cylinder of the adjustment mechanism, thus the principle diagram of the hydraulic system was established, and the two hydraulic cylinders were made to meet the synchronization and holding pressure. Then through AMESim software, the hydraulic system model was built. The hydraulic cylinder displacement, velocity, pres⁃ sure and flow curves were analyzed by given different current to the electromagnetic reversing valve, to verify whether the hydraulic sys⁃ tem could meet the requirements of the working condition. Keywords Backfill plough; Adjusting mechanism; Hydraulic system; AMESim simulation 自 20 世纪 60 年代以来, 海洋石油开采在石油开 采领域越来越重要。 通常海洋石油通过管道输送到陆 地进行加工生产, 这就需要对石油输送管道进行防护 以避免管道受到外来的自然或者人为的伤害[1]。 在管 道铺设时将管道放入一条提供防护要求的沟槽内, 避 免管道直接放置在海底平面, 然后再利用开设沟槽或 者海底泥土将管道掩埋, 以达到保护之目的[2]。 海底 回填犁就是用来将管道沟槽两侧的填土回填进管道沟 槽掩埋管道进行保护的装置, 回填犁通过水平工程船 拖曳前进, 在海底通过前后滑靴滑行。 回填犁体在回 填犁两侧对称布置, 并且两犁体成一夹角, 在此过程 中犁体一方面剪切回填土方另一方面随着回填犁向前 滑行将填土回填到管道沟槽内, 以完成管道的掩埋。 回填犁调整机构用来调整回填犁前滑靴使其适应不同 海底状况, 当回填沟槽深度变化时调整液压缸伸长使 前滑靴下降以适应沟槽的变化, 使回填顺利进行。 1 回填犁方案简介 文中的回填犁主要针对浅水区的回填作业, 目的 是做出初步的试验样机, 并能够满足回填要求, 且回 填质量良好, 其工作水深为 0~50 m, 适应回填管径 为 7􀆱 62 cm (3 英寸), 设计回填沟深为 400 mm。 回填犁总体方案如图 1 所示, 回填犁总体结构主 要由 3 个部分组成 回填机构、 行走机构、 调整 机构。 图 1 回填犁典型结构 填犁所有机构要求在满足可靠性和安全性的前提 下保持结构简单合理。 (1) 回填机构是回填犁的主要工作部件, 回填 时犁体挤压剪切填土并随着回填犁前行将填土翻抛到 管道沟槽内, 在回填时能够随着填土的宽度调整犁体 的张角, 以适应不同回填条件的需要。 (2) 行走机构主要是支撑机体并随机体运动以 完成回填的机构, 主要包括前后滑靴。 后滑靴在支撑 的同时能够随滑行地面的起伏而调整; 前滑靴机构起 支撑导向作用, 在回填沟槽深度变化时通过调整机构 能够适应沟槽的变化。 (3) 调整机构主要用来调整前滑靴的收放, 在 回填过程中对前滑靴进行调整, 使之适应不同沟型变 化的需要, 以提高回填犁的作业范围, 该机构主要由 调整液压缸、 前滑靴调整杆、 前滑靴支撑架和前滑靴 组成。 回填犁工作时首先通过液压缸的伸长来带动前滑 靴支架的下降, 这是通过调整机构的连杆机构实现 的, 在调整机构下端有两组前滑靴调整杆, 其中下方 的调整杆为虚约束, 用来实现前滑靴支撑架的竖直上 下运动, 从而带动前滑靴上下调整。 回填犁前滑靴调 整到位后, 回填犁开始工作, 此时前滑靴受到滑行地 面的反力, 力通过前滑靴支撑架传导到液压缸上, 为 了保证前滑靴正常滑行工作, 液压缸在工作时需要保 压以支撑前滑靴工作[3]。 在回填犁工作时不可避免地 会出现回填反力的波动, 因此调整液压系统也需要设 置吸收脉动冲击的装置, 在此设计中使用蓄能器来吸 收工作过程中产生的冲击。 当回填犁工作完成后, 需 要将前滑靴上调至水平面以上以便于机构的存放。 2 回填犁调整机构液压系统分析 2􀆱 1 液压原理分析 回填犁前滑靴通过液压系统来调节工作位置, 主 要通过液压缸的伸长和收缩实现前滑靴支撑架的上下 调整, 进而实现前滑靴工作位置的调节。 图 2 液压系统原理图 如图 2 所示为液压系统原理图, 在液压系统中, 通过比例换向阀实现液压缸的换向, 从而控制液压缸 的工作状态; 蓄能器作为辅助动力单元, 为系统补偿 泄漏和为液压缸保压[4], 同时也能吸收在工作过程中 机构所产生的压力脉动以及液压冲击; 通过 2 个液控 单向阀组成的液压锁使 2 个液压缸正常工作时保压以 及实现同步动作, 使液压缸不会因外界干扰而窜动, 从而保证长时间维持一个工作状态; 手动阀实现应急 回路的切换, 当主油路出现故障或失效时, 通过手动 阀实现应急回路的开启。 2􀆱 2 液压缸选型计算 由回填犁工作时前滑靴支撑架受力分析可知, 液 压缸与前滑靴支撑架铰接处所受力 F1= 7􀆱 10 kN, 考 虑到水下工作的复杂情况, 选取液压缸的安全系数 k=1􀆱 25[5], 则液压缸的最大推力 Fk =kF 1=8􀆱 88 kN。 对于液压缸承受的最大载荷, 工作时液压缸无杆 腔承受最大压力时活塞杆输出最大推力, 液压系统额 定工作压力为 p=6 MPa, 液压缸回油压力选取为 p0= 0􀆱 5 MPa, 液压缸缸径计算式为 Ft/ η + 1 4 π(D2 - d 2)p 0 = 1 4 πD2p 式中 η 为液压缸的总效率, 取 0􀆱 95; D 为液压缸内径, mm; d 为活塞杆直径, mm。 选择液压缸的速比 φ=2, 即 φ= D2 D2 -d 2 则由液压缸速比式求得 d = 0􀆱 71D, 将求解所得 数值代入液压缸缸径式解得液压缸内径 D= 45􀆱 1 mm, 查 机械设计手册 取 D = 50 mm、 活塞杆直径 d = 36 mm。 由结构设计可知, 当前滑靴高度调节为 300 mm 时, 在前滑靴调整机构中液压缸最大安装距离 smax= 978􀆱 42 mm, 最小安装距离 smin= 792􀆱 04 mm, 在工作 时活塞杆最大移动距离 Δs=smax -s min= 186􀆱 38 mm, 则 取液压缸行程 s=200 mm。 3 基于 AMESim 软件的液压系统分析 3􀆱 1 基于 AMESim 液压系统建模 在回填犁工作过程中, 调整机构的动力由液压缸 提供, 液压缸的工作速度和状态直接影响到调整机构 的调整速度和工作稳定性, 通过对液压缸工作状态的 分析, 来确定调整机构的速度以及调整范围和对载荷 的分析。 根据前述对液压系统的分析, 按照液压系统原理 图, 利用 AMESim 软件在 Sketch Model 下建立对应的 仿真草图, 并使用 Mechanical 应用库中的连接节点连 接在 Hydraulic 应用库中选择的液压元件, 直至草图 95第 8 期马洪新 等 水下回填犁调整机构液压系统仿真分析 搭建完毕; 在 Submodel Mode 即子模型模式下选择各 元件的子模型; 然后进入 Parameters Mode 参数模式设 置各元件的参数, 参数设置参考前述液压设计计算过 程; 最后进入仿真模式, 开启一个仿真并在编译完成 后可查看相关的仿真结果[6]。 系统建模如图 3 所示。 图 3 基于 AMESim 液压系统建模图 系统参数设置需要定义各个模块的参数, 在系统 中主要是液压缸的行程、 缸径; 液压锁中单向阀先导 阀的开启压力; 三位四通换向阀的额定电流、 频率; 溢流阀的开启压力, 以确定系统工作压力, 系统压力 为 6 MPa, 故溢流阀开启压力为 6 MPa[7], 参数设置 如表 1 所示。 表 1 AMESim 仿真参数设置 元件参数数值 液压油液 密度/ (kgcm -3 )860 体积弹性模量/ MPa1 700 绝对黏度/ (mPas)51 空气含量/ %0.1 工作温度/ ℃40 液压缸 液压缸速度/ (ms -1 )0.006 8 行程/ m0.2 缸筒内径/ mm50 活塞杆直径/ mm36 杆长/ m0.5 液控单向阀 开启压力/ MPa1􀆱 5 流量压力梯度/ (Lmin -1 10 -1 MPa -1 ) 50 电磁换向阀 额定电流/ mA40 额定频率/ Hz50 额定流量/ (Lmin -1 )10 液压泵 排量/ (mLr -1 )1.0 最高转速/ (rmin -1 )1 450 电机转速/ (rmin -1 )1 450 溢流阀开启压力/ MPa6 3􀆱 2 AMESim 仿真结果分析 由以上模型建立和参数设置可知, 电磁换向阀的 开启电流为 40 mA, 当输入电流为负时阀处于右位机 能, 液压油液由 A 口流入推动液压缸下行, 直至接 触地面工作; 当给定电流值为正时, 阀处于左位机 能, 此时油液由 B 口流入, 推动液压缸返回; 当给 定电流为 0 时, 阀处于中位机能, 此时液压缸保压。 电磁换向阀的换向电流输入如图 4 所示, 图 5 所示为 力输出曲线。 图 4 换向阀换向电流输入值 图 5 负载变化曲线 图 6 和图 7 分别为 2 个液压缸位移曲线和活塞杆 速率曲线。 由图 6 可知 2 个两液压缸位移曲线基本 重合没有大的偏差, 说明在回填犁工作时液压系统能 够使两液压缸同步运行。 由图 7 可知 在液压缸下放 阶段, 速率保持在 6􀆱 8 mm/ s, 当前滑靴接触地面时 开始工作, 此时活塞杆运动受阻, 速率出现震荡; 回 填犁正常工作时液压缸处于保压状态, 在工作完成后 液压缸快速返回, 将前滑靴提升至水平面以上。 图 6 两液压缸位移曲线 图 7 活塞杆速率曲线 图 8 和图 9 所示分别为液压缸进油口回油口流量 和压力曲线图。 调整机构下放前滑靴时, 无杆腔进 油, 有杆腔回油, 造成有杆腔回油路流量较大。 在前 滑靴收起时, 液压缸回程速率增大造成液压缸流量也 随之增大。 图 8 液压缸进油口回 油口流量曲线 图 9 液压缸进油 口压力曲线 06机床与液压第 44 卷 在图 9 中, 回填犁正常工作时通过溢流阀控制系 统压力为 6 MPa。 当前滑靴提升时, 无杆腔回油压力 逐渐减小, 有杆腔进油提升前滑靴, 当前滑靴提升到 位后, 换向阀处于中位机能, 系统保压。 图 10 和图 11 分别为换向阀 A 口、 B 口流量变化 和压力变化。 由图示比较可知 换向阀 A 口、 B 口流 量变化和压力变化类似于液压缸进油口和出油口流量 和压力变化, 由于 A 口处于主油路上, 因此其流量 较液压缸大; 由于换向阀 A 口、 B 口连接液压缸进油 口和出油口, 故它们的压力曲线相似。 图 10 换向阀 A 口、 B 口 流量变化曲线 图 11 换向阀 A 口、 B 口 压力变化曲线 4 结束语 回填犁是海底管道埋设保护的主要作业工具, 可 防止海底管道裸露海底遭受自然或者人为损害, 以保 证海洋石油生产的顺利进行。 回填工况一般不是理想 的, 因此通过调整机构来调整前滑靴的位姿, 实现回 填过程对不同工作状态的适应。 根据回填要求和回填 工作过程对液压系统的原理进行了分析, 并通过 AMESim建立了液压系统的仿真分析模型。 在给定不 同控制电流时, 在回填负载加载时调整电磁换向阀分 析了液压缸的工作状态, 如液压缸的位移、 速度、 流 量以及压力, 并分析了换向阀的 A 口和 B 口的流量 和压力变化来验证换向回路对液压缸的影响。 分析结 果表明 液压系统能够满足回填犁的使用要求, 调整 机构能够实现前滑靴的工作姿态正常调整。 参考文献 [1] 秦坤.我国的石油安全和石油储备基地布局研究[D].上 海华东师范大学,2005. 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