深水套简式连接器液压系统设计与仿真分析.pdf

2 0 1 5年第 4 3卷第 1期 石 油机械 C HI NA PE TR0LE UM MAC HI NERY ●海洋石 油装 备 深水套简式连接器液压 系统设计与仿真分析 罗 俊 赵宏林 段梦兰 刘亚磊 唐亚辉 李 博 1 ．中国石油大学 北京海洋油气研究中心2 ．中海石油研究总院 摘要深水套筒式连接器的安装过程主要包括连接器 的粗对 中和精对 中、公母毂座 的对接及 驱动卡爪锁紧。采用开环控制方式设计 了深水套筒 式连接器液压 系统、速度调节 回路、锁紧回路 以及 同步回路，并利用液压仿真软件 A ME S i m对 系统进行仿真，以验证系统 的合理性。仿真结果 表明，深水套筒式连接器液压 系统满足深水连接器 的安装 要求 ，能实现连接器 的准确安装；速度 调节回路 能有效调节液压缸 的速度 ，锁 紧 回路 能实现每组液压缸在 紧急停止 状况下的位置锁紧， 同步回路能使液压缸基本实现位置同步。 关键词 水下连接器 ；液压系统 ；锁紧回路；同步 回路 ；仿真；A ME S i m 中图分类号 T E 9 5 2 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 1 0 De s i g n a n d S i m u l a t i o n o f t he Hyd r a u l i c S y s t e m o f De e p wa t e r Co l l e t Co nn e c t o r L u o J u n Z h a o Ho n g l i n Du a n Me n g l a n L i u Y a l e i T a n g Y a h u i L i B o 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己 钾邝 o fP e t r o l e u m B e ij i n g ；2 ． C N O O C R e s e a r c h I n s t i t u t e Abs t r ac t T he i n s t a l l a t i o n pr o c e s s o f t h e d e e p wa t e r c o l l e t c o n ne c t o r i s ma i n l y i n c l u d e d c o n ne c t o r ’ S c e n t e r i n g a n d e x a c t c e n t e r i n g ，m a l e a n d f e ma l e h u b c o n n e c t i o n a n d t h e d r i v e j a w l o c k i n g ． T h e h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e d e e p - wa t e r c o l l e t c o n ne c t o r i s d e s i g n e d b y a d o p t i ng t he o p e n l o o p c o n t r o l mo d e ．Me a n wh i l e， t h e v e l o c i t y c o n t r o l l o o p， l o c k i n g l o o p a n d t he s y n c h r o n i z a t i o n l o o p a r e d e s i g n e d． Th e r e a s o n a b l e n e s s o f t h e s y s t e m i s v e r i fie d b y u s i n g t h e h y d r a ul i c s i mu l a t i o n s o f t wa r e AMES i m． S i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e h y d r a u l i c s y s t e m c o u l d me e t t he d e e p wa t e r c o nn e c t o r i ns t a l l a t i o n r e q ui r e me n t a n d a c h i e v e a c c u r a t e i ns t a l l a t i o n o f t h e c o n n e c t o r ． Th e v e l o c i t y r e g u l a t i n g l o o p c o u l d e f f e c t i v e l y r e g u l a t e t h e v e l o c i t y o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r ． T h e l o c k i n g l o o p c o u l d a c h i e v e p o s i t i o n l o c k i n g o f e a c h c y l i n d e r i n a n e me r g e n c y s i t u a t i o n ． T h e s y n c h r o n i z a t i o n l o o p c o u l d b a s i c a l l y ma k e t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r a c hi e v e p o s i t i o n s y nc h r o ni z a t i o n ．T hu s ， t h e h y d r a u l i c s y s t e m d e s i g n c o ul d me e t t h e c o n n e c t o r i ns t a l l a t i o n r e q u i r e m ent s ． Ke y wo r d s s u b s e a c o nn e c t o r ； h y d r a u l i c s y s t e m ； l o c k l o o p； s y n c h r o n i z a t i o n l o o p； s i mu l a t i o n； AMES i m 0 引 言 随着世界经济的快速发展 ，人类对能源尤其是 石油资源的需求与 日俱增 ，海洋油气的开采也就显 得越来越重要 。全球 油气资源 中约 4 4 ％ 分布 在水深 3 0 0 m以下的水域 ，走向深水是未来油气 田 开发的总趋势_ 4 J 。液压控制作为工业控制领域 中 的重要技术正在逐步从陆地走 向海洋。液压系统以 其响应快 、功率大 、易控制及易布局等优点作为动 力装置、传动系统和控制系统被广泛应用于各种机 械设备 。 深水连接器广泛应用在水下作业设备之间，在 水下生产系统尤其是 管道连接 中占据重要地位 J 。 基金项 目国家 9 7 3计划项 目 “ 深海柔性结构的非线性流固耦 合震 动与破坏机理 ” 2 0 1 1 C B 0 1 3 7 0 2 ；国家科技重大专项 “ 水 下管 汇 连接器样机研制 ” 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 6 0 0 3 0 2 。 2 0 1 5年 第 4 3卷第 1期 罗 俊 等 深水套 筒式连接 器液压 系统设计 与仿真分析 一 4 9一 节回路和同步 回路 的设 计 ，原 理与连接器 对接相 同，不再赘述。 3 O 2 9 2 8 2 7 1 一油箱 ；2 一过滤器 ；3 一液压泵 ；4 、3 6 、4 4 一溢流阀 ；5 、8 、3 2 一截止 阀；6、9、3 3 一压力表 ；7 、3 1 一二位二通换 向阀；1 0 、1 1 、 2 1、 3 4 一 二位 四通 换 向阀 ； 1 2 、 1 3、 2 2、 2 3 一 液控 单 向阀 ； 1 4、 1 5、 1 6、 2 4、 2 5 、 2 6 一 分流 集流 阀 ； 1 7 、 1 8 、 1 9、 2 0 一驱 动液压 缸 ； 2 7、 2 8、 2 9、 3 0一 对 接 液 压 缸 ； 3 5、 4 3 一 二 位 三 通 换 向 阀 ； 3 7、 3 8、 3 9 一 调 速 阀 ； 4 0、 41、 42一 对 中 液 压 缸 ； 4 5、 46一 锁 紧 液 压 缸 。 图3连接 器液压 系统原理 图 Fi g ． 3 S c he ma t i c d i a g r a m o f t h e c o n ne c t o r h y d r a u l i c s y s t e m 图 4对 中液 压 缸 受 力 图 F i g ． 4 T h e f o r c e s o n t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r f o r c e n t e r i n g 2 ． 4 锁 紧回路设计 液压系统在执行机构 中以组 的形式出现 ，同时 载荷较大时液压回路中必须对液压缸组设计锁紧回 路_ l ，以便换向阀在中位或泵停止工作时，液压 缸保持不动。锁紧回路 的设计主要考虑应急 ，出现 紧急情况如泵停止工作或安装出现较大偏差需立刻 停止时 ，能让液压缸锁紧 ，防止压力过大造成连接 器 的损 伤 和破 坏 ，设 计 时采 用 2个 液控 单 向阀 2 2 、2 3 组合来实现。 3 连接器液压 系统仿真分析 笔者采用 A ME S i m仿真软件进行液压系统设计 和仿真分析，并充分考虑系统的非线性因素。通过 输入液压元器件 的相关参数 ，对连接器速度调节 回 路和同步 回路进行仿真分析 ，得出了液压缸流量曲 线 、位移曲线和速度 曲线 ，验证 了液压系统设计的 可行性 。 3 ． 1 速度调节回路仿真分析 采用节流阀实现同步的原理就是控制进入液压 缸的流量。对接液压缸组和驱动液压缸组推动 的载 荷较大 ，需要控制液压缸活塞杆 的速度 ，在液压系 统设计时 ，采用在液压缸的回油路上安装 1 个节流 阀，在 A ME S i m 中建模 ，模型如图5所示。 调速阀通过改变节流 口的大小来调节整个 回油 路上的流量大小 ，以改变液压缸的速度 ，实现对液 压缸 的速度调节 ，以4组不 同的节流 口开度分析节 流阀在该系统中调速的作用及特性。其中调速 阀的 特性流 量 节流 口开度 分别是 0 ． 1 、0 ． 5 、1 ． 0 和 1 0 ． 0 L ／ ra i n ，利 用 A ME S i m 中的批 处理仿 真模 式 ，得到 4组不同开度下液压缸的速度曲线和相应 的流量曲线 ，如图 6所示。 无论是活塞杆伸出还是缩回，随调速阀特性流 量的增大 ，进入液压缸无杆腔 的流量都逐渐增大。 从图 6可 以看出 ，活塞杆伸出时 ，进人 4个液压缸 的流量分别是 ～ 2 ． 1 、 一 3 ． 9 、 一 4 ． 4和 一 5 ． 1 L ／ m i n 石 油机械 2 0 1 5年第4 3卷第 1期 A ME S i m中规 定 ，活塞 杆 的伸 出速度 为正值 时 ， 进入无杆腔的流量为负值 。在调速 回路 中液压缸 的速度取决于 2个变量有效面积和流量 ，对于 确定的液压缸 ，速度取决于流量 。因此 ，液压缸的 速度随着流量的增大而增大。 0 一 - 1 一 - 4 3 5 图5 调速 回路仿 真模 型 S i mu l a t i o n mo d e l o f t h e v e l o c i t y r e g u l a t i n g l o o p 时间／ s a ． 流 量 曲线 0 ． 1 L／ mi n 0 ． 5 L／ mi n 1 ． 0 L／ mi n 1 0 ． 0 L／ mi n 图 6液 压 缸 的 流 量 和速 度 曲 线 F i g ． 6 T h e fl o w a n d v e l o c i t y c u r v e o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r 3 ． 2同步回路仿真分析 液压缸组的安放位置可能出现的不对称 ，或者 液压管线 的排 布不统一 如管头 大小、数量不一 致 ，油缸存在偏心载荷 ，油缸 的摩擦阻力不 等 ， 油液的清洁度和压缩性都可能导致液压油到达液压 缸的时间不同步，从而使液压缸的活塞杆伸出不一 致。连接器的安装 必须保证 活塞 杆的伸 出速度 一 致 ，否则安装将 不成功或 出现安装工具卡死 等现 象 - 1 5 1 。 解决 同步问题的方式很多 ，如机械结构改进的 同步回路 ，节流阀或调速阀、同步阀、同步缸 、同 步马达 、比例 阀、数字 阀等控制的同步回路 。笔者 设计 的液压系统采取同步阀和调速阀控制的同步回 路。同步阀控制液压缸 同步精度可以达到 2 ％ ～ 5 ％ ，它采用压力 负反馈 的原理 ，可以根据不 同载 荷 自动调节进入缸内的流量 。连接器安装工具对 中 液压缸的设计采用调速阀来实现同步 ，其原理是在 试验的基础上测定 3缸的偏载 ，对进人 3缸的流量 进 行 测 量 ，事 先 调 好 调 速 阀 的 节 流 口，利 用 A ME S im软件对调速阀控制的同步 回路进行建模仿 真，仿真模型如图 7所示。 图 7 同步回路仿 真模 型 F i g ． 7 S i mu l a t i o n mo d e l o f t h e s y n c h r o n i z a t i o n l o o p 对于连接器而言 ，3个对 中液压缸安装位置是 沿圆周 1 2 0 。 均布 ，而 由于液压管线结构的 限制导 致进入 3缸的液压管线长度 、拐弯程度和接头个数 等不一致 ，再加上 3缸本身的阻力太小不一致等 ， 使 3缸 的流量和压力损失不一致 ，从而导致 3缸不 同步 。通过调速 阀的流量控制 ，使得进入 3缸的流 量得到有效控 制，进而有效 防止不 同步 问题 的发 生。设 3缸受外载荷分别为4 O 、4 0和4 5 k N，未使 用调速阀和使用调速阀时，3缸液压杆的位移 曲线 如图 8所示 。 由图 8可以看出，未使用调速 阀时 ，3缸的液 压杆位移 曲线不重合 ，并且存在较大波动 ，使用调 速阀后 ，3缸 的液压杆位移 曲线重合 ，达到了同步 控制的 目的。 n n n n m m m 1 5 O 0 0 1 1 二 8 6 4 2 O 2 一 ． ． 目目一 ＼ ㈣ 渤 峨 间 赛 枷 时 瑚