液压弹簧蓄能器在井下仪器上的应用.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 0 1 ． 2 0 1 4 液压弹簧蓄能器在井下仪器上的应用 谭 显忠 中海油 田服务股份有限公司 ， 北京 1 0 1 1 4 9 摘 要 石油井下仪器 的推靠器 工作 时紧贴井壁 ， 在 遇紧急情 况时需要具有 自动 收回功能 ， 蓄能器 的合理选择 和在小直径仪器上 的结 构设计 ， 表 明并联液压碟型 弹簧 蓄能器是一种较好 的选择。 关键词 井下仪器 ； 液压 ； 弹簧 ； 蓄能器 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 1 0 0 3 7 0 3 The Ap p l i c a t i o n o f Hyd r a u hc S pr i n g Ac c u mu l a t o r f o r Do wnh o l e I n s t rume n t s T AN Xi a n-z ho n g C h i n a O i l fi e l d S e r v i c e s L i m i t e d ， B e i j i n g 1 0 1 1 4 9 ， C h i n a Ab s t r a c t Do wn h o l e i n s t r u me n t i s c l o s e t o t h e b o r e h o l e w a l l w h i l e s e t t i n g ， i t n e e d t o h a v e a u t o ma t i c r e c o v e r y f u n c t i o n i n c a s e o f a n e me r g e n c y ，wh a t t h e r e a s o n a b l e c h o i c e O i l a c c u mu l a t o r a n d t h e s ma l l d i a me t e r of t h e s t r u c t u r a l d e s i g n o f t h e i n s t r u me n t i n d i c a t e t h a t t h e p a r a l l e l h y d r a u l i c a c c u mu l a t o r s p ri n g d i s h i s a b e t r c h o i c e ． Ke y wo r d s d o wn h o l e i n s t r u me n t ； h y d r a u l i c ； s p ri n g ； a c c u mu l a t o r O 引言 在石油井下仪器上 ．液压系统常用于与井壁贴合 机构的机械传动中 ．这些机构 叫做仪器极板或者推靠 器 ． 由于工作 中需要这些机构与井壁紧密贴合在一起 。 加上井眼的变化和泥饼的吸附作用 ． 在遇紧急情况 比 如断电 、 通讯失灵 时 。 往往产生难 以脱离 的遇卡现象 ， 因此 ， 在这些仪器 的推靠器设计 中． 必须具有 自动收腿 和复位功能 液压弹簧蓄能器就是一种典型的井下仪 器收腿复位的蓄能装置 ． 鉴于井下仪器 的直径较小 ． 所 以要求在有 限的尺寸空间上设计和选用 ．本文结合一 种地层测试仪推靠器液压蓄能 自动收腿装 置的设计 ． 探讨液压蓄能器的选型及应用问题 1 仪器推靠器液压系统设计 图1 为一种地层测试仪 的推靠器液压系统原理 图 推靠器是 由 4个 油缸组成 ． 当仪器工作 时。 液压系统提 供动力 ．使 中间 2个油缸组成 的推靠器贴紧井壁的一 侧 ， 反向 2个油缸 的活塞则作用在井壁 的另一侧 ． 工作 完毕后 。 液压系统提供反向油压 ． 使 4个油缸缩回。 该系统全部采用 了插装式两位两通电磁 阀．这种 阀的体积小 、 精度高、 阀芯泄漏量小 、 安装方便 ， 应用在 收稿 日期 2 0 1 3 1 0 2 2 作者简介 i J显忠 1 9 5 4 - ， 男 ， IJ J l 蓬溪人 ， 高级工程师 ， 本科 ， 主要研究方 向 石油机械工程、 液压设备等。 井下仪器这种高温高压特殊环境下能够长 时间稳定工 作。仪器推靠器伸腿供油时的油路为 S 1 A、 S 2 B 、 S 3 A、 S 3 B常闭阀通电打开 ． S 4 A常开阀通 电关闭 ．压力油经 上行管线 S 1 A、 S 3 A 推动仪器推靠器的 4个油缸伸出， 回油则通过 S 3 B 、 S 2 B进入油箱 ；仪器推靠器收腿供油 时的油路为 S 1 B、 S 2 A、 S 3 A、 S 3 B常闭阀通 电打开 ， S 4 A 常开 阀断电打开 。 压力油经下行管线 S 1 B 、 S 3 B 推动仪 器推靠器 的 4个 油缸缩 回。回油则 通过 S 3 A、 S 2 A和 S 4 A 的 2个通 道 返 回油箱 通常 ， 仪器需要考虑液压系统突发动力故 障、 电路 通讯等故障问题。在遇这种紧急情况时 ． 由于没有液压 动力来源 ． 推靠器不能 自动收腿 。 这就需要 在收腿管路 上增设液压蓄能装置 A C C M ， 依靠蓄能器 的液压能 自 动收 回仪器推靠器 ． 保证仪器安全。该液压蓄能装置的 人 口经过一个 S 4 B常开电磁阀而接通收腿油路 ．系统 软件控 制其在 每次开腿前均执行 一次收腿 蓄能动作 ． 并通 电关闭 S 4 B阀． 使蓄能器处于液压蓄能状态。 2 仪器液压蓄能器设计 蓄能器按照蓄能方式的不同 ． 分为重力加载式 、 弹 簧加载式和气体加载式三种类型 ．由于井下仪器结构 紧凑 ． 又处在井下高温高压 的环境之 中， 重力加载式蓄 能器体积受 限、 气体加载式蓄能器容易泄漏等缺点 ， 均 不适宜在此处应用 而弹簧加载式蓄能器具有结构简 单 、 成本低廉、 维修方便 、 耐高温高压等优点 ， 比较适合 3 7 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ．01 ． 2 0 1 4 的 整体 卧式 弹簧蓄能器 的轴向总长大于拆分成多个 小蓄能器的 并联立式 弹簧蓄能器 。 故本案设计采用 的是并联安装 的多组液压弹簧蓄能器 ． 仪器总长较短 ． 重量减轻。 同时 ．我们在并联立式布局的液压弹簧蓄能器缸 体里 ． 通过同等负荷的弹簧计算 。 采用两组圆柱螺旋 弹 簧叠加成组合式的圆柱螺旋弹簧式蓄能器 ．也可以满 足设计要求 。 蓄能能力 与碟簧相 当， 但成本 有所增 加 ， 通过分析对 比．最终采用了并联安装 的蝶形弹簧式液 压蓄能器组。 3 结论 液压 弹簧蓄能器用于井下仪器 的机械装置 中， 具 有体积小 、 结构简单 、 维修方便 、 安全耐用等优点 ， 其蝶 形弹簧优于圆柱螺旋弹簧 。通 常采用的卧式整体缸筒 设计 的液压弹簧蓄能器 的尺寸较长 ，导致仪器总长度 上 接 第 3 6页 看 ． 无论是压力波动范 围还是喷油量的仿真结果 ． 均达 到 了设计要求。综合考虑 ， 认为此方案是较合理的。 鉴 于科研项 目的保密需要 ．上述建模 的边界条件 以及模型涉及 的具体参数不在文章中列出 从上述仿 真的结果来看 1 一次喷射 循环喷油量 曲线 ， 理论计算 7 ． 9 g ／ c y ， 仿真结果 8 ． 0 2 g ， 两者误差 1 ． 5 2 ％； 2 - - 次喷射 循环喷油量 曲线 ， 理论计算 7 ． 9 g ／ c y ， 仿真结果 7 ． 9 1 g 。 两者误差 O ． 1 3 ％ 3 三次喷射 循环喷油量曲线 ， 理论计算 7 ． 9 g ／ c y ， 仿真结果 8 ． 0 6 g ． 两者误差 2 ． 0 3 ％。 从上述分析 的结果来看 ．仿真和计算值的误差基 本小于 2 ％。 远远超过一般要求的 5 ％误差之内。由此可 见 ． 上述 的理论计算和结构设计是合理而正确的 ． 这为 下一步的详细设计指明了方向 2 其他仿真说 明和总结 通过 以上不 同的设计方案比较 ．认为采用类似高 压共轨 的高压燃油控制的方式是可行的。在此基础上 ． 还针对低负荷和不 同粘度下 的三次喷射进行 了仿真模 拟 限于篇幅 。 只提供结论 。 2 ． 1 低负荷仿真结果说明 按照实际运行 的低负荷工况 按照 2 5 ％的全负荷 进行仿真 ， 结论如下 一次喷射 的循环喷油量仿真结 果 6 ． 0 2 g ／ c y ； 二次喷射的循环喷油量仿真结果 5 ． 6 6 g ／ c y 三次喷射的循环喷油量仿真结果 5 ． 5 2 g ／ c y 结论 低负荷下不 同喷射的最高误差 0 ． 5 g ／ c y与设 比并联蓄能器组要长 ， 在 同样的蓄能功能的前提下 ． 多 组蓄能器并联安装 的方式可使蓄能器 占用体积更 小 、 轴向尺寸缩短 ， 并可大大减少仪器的长度和重量。 参 考 文 献 【 1 】 成大先． 机械设计手册[ M】 ． 北京 化学 工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 】 张利平． 液压阀原理、 使用与维护呻 北京 化学工业出版社，2 0 0 5 ． 【 3 】 许仰曾． 液压螺纹插装 阀技术与应用【 M】 ． 北京 机械工业出版 社 ． 2 o1 3 ． [ 4 ] 贾利国． 蓄能器在液压系统中的节能应用[ J ] ． 机电工程， 2 0 0 6 ， 5 ． 【 5 】 覃军等 ． 新型双井 径液压推靠器 的研制与应用[ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 5 ， 4 ． 【 6 】 王林 ． 皮囊 式蓄能 器 的选用 体会[ J ] ． 液压气 动与 密封 ， 2 0 0 9 ， 6 ． [ 7 】 杨殿 宝． 螺纹插 装阀的应用与 注意事项[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 2 ， 1 ． 计指标 7 ． 8 9 5 X 5 ％ 0 ． 4 g ／ c v 比较接近 ， 从而进一步说明 此方案设计是可行的 2 ． 2 不 同粘度 下的 三次 喷射 仿真 比较 由于燃油加热 温度变化 等原 因造 成 的粘度 的影 响 ． 根据 实际情况 ． 模拟温度 1 2 0 C ～ 1 4 0 C 时不 同的粘 度变化 约 1 5 2 5 c s t ， 结论如下 不同的粘度下 ， 运动规 律 一样 ， 喷油量不一样 ， 但是控制好一定 的粘度 ， 其喷 油量误差不大于 0 ． 4 ％． 是可以接受的。 2 ． 3 总结 通过上述分析 ．从不同的方案角度和不同的运行 工况角度 ． 利用先进 的计算机仿真手段 ， 从理论上佐证 了方案设计的可行性 ．为减少研发费用和保证研发的 成功性进行了保驾护航 当然 ．影响成功研制这款具有一定知识产权的新 产品 。 困难还很多 ， 比如内置 电磁铁的散热问题 。 电磁 铁的提升力问题以及结构 内部的密封问题等等。 参 考 文 献 [ 1 】 孙建清． 柴油机 电控 泵管嘴燃 油喷射 系统仿真研究 [ D 】 ． 哈尔 滨 哈尔滨 工业 大学 ， 2 0 0 6 ． 『 2 ] 徐家龙． 柴油机电控 喷油技术呻 北京 人 民交通出版社， 2 0 0 4 ． 『 3 1 金江善． 柴油机高压共轨燃油 喷射 系统 仿真研究 【 D ] ． 上海 中 国舰船研究院 上海船用柴油机研究所 ， 2 0 0 4 ． f 4 ] 杜荣铭 ． 船舶柴油机[ M 】 ． 大连 大连海事大学出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 5 】 李 永堂 ． 液压 系统 建模 与仿 真【 M] ． 北 京 冶 金工 业 出版社 ， 2 003 ． 『 6 1 欧 阳光 耀。 等． 高压共轨燃 油喷射 系统结构 参数影 响的仿 真 研究【 J 】 ． 海军工程大学学报， 2 0 0 3 ， 8 ． 『 7 1 张乔斌 ， 等 ． 某 型船用高压 共轨大功 率柴 油机喷射 特性研 究 [ J ] ． 船舶工程 ， 2 0 1 0 ， 1 ． 39