深水水平連接器液壓同步控制仿真分析

姜宇飛，趙宏林，鄭利軍，李方遒，段夢蘭，羅曉蘭

專題研究

深水水平連接器液壓同步控制仿真分析

姜宇飛1，趙宏林1，鄭利軍2，李方遒1，段夢蘭1，羅曉蘭1

（1.中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.中海油研究總院，北京100010）

為了保證深水水平連接器能夠完成海底管道的連接任務(wù)，需采用4個(gè)動(dòng)作同步的液壓缸來驅(qū)動(dòng)連接器執(zhí)行對接動(dòng)作。為了確保4個(gè)液壓缸在進(jìn)給和收縮時(shí)始終保持活塞桿的位移同步，設(shè)計(jì)了分流集流閥同步回路來控制4個(gè)液壓缸的動(dòng)作，并利用AMESim軟件對同步回路模型進(jìn)行仿真，得到了4個(gè)液壓缸的位移同步曲線和流量同步曲線。仿真結(jié)果表明：采用分流集流閥進(jìn)行流量控制，可以有效提高4個(gè)液壓缸在有偏載情況下的同步精度。

水平連接器；同步控制回路；分流集流閥；AMESim；同步精度

液壓控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種工程機(jī)械領(lǐng)域，同步控制作為液壓控制技術(shù)中的重要課題，由于液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)承受的負(fù)載差異、液壓系統(tǒng)的泄漏、制造誤差等因素而難以實(shí)現(xiàn)。因此，設(shè)計(jì)專門的液壓同步回路并進(jìn)行誤差精度分析，對于整個(gè)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有十分重要的意義［1］。

深水水平連接器依靠4個(gè)液壓缸推動(dòng)安裝工具上的對接板，從而實(shí)現(xiàn)海底管道之間的連接。由于深海工作環(huán)境復(fù)雜，海底管道在連接過程中，4個(gè)液壓缸承受的外部載荷既不平衡也會(huì)隨時(shí)間變化。因此，有必要設(shè)計(jì)一套適用于深水水平連接器的液壓同步控制回路，以保證4個(gè)液壓缸的同步性。

1 深水水平連接器工作原理

安裝工具是深水水平連接器的組成部分之一，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由整體框架和對接機(jī)構(gòu)組成。其中，對接機(jī)構(gòu)中包含對接板、液壓缸和連接器。

圖1 安裝工具結(jié)構(gòu)

工作原理：安裝工具下放到海底指定位置后，對接板在4個(gè)液壓缸的作用下，將連接器與海底管道進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)海底管道之間的連接。

由圖1可以看出：整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于保證4個(gè)液壓缸的動(dòng)作同步。根據(jù)同步性設(shè)計(jì)要求，深水液壓同步控制誤差不超過1.5%［2］。因此，如何設(shè)計(jì)液壓同步控制回路成為設(shè)計(jì)整個(gè)液壓系統(tǒng)乃至設(shè)計(jì)水平連接器的關(guān)鍵。

2 常見液壓同步控制回路的原理與特點(diǎn)

2.1 機(jī)械連接式同步回路

機(jī)械連接式同步回路是通過機(jī)械構(gòu)件的剛性連接或機(jī)械傳動(dòng)的方式，將2個(gè)或2個(gè)以上液壓缸連接成一個(gè)整體，從而實(shí)現(xiàn)各液壓缸的同步控制。

該同步控制回路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，但對負(fù)載工況要求較高，如果多個(gè)液壓缸之間的負(fù)載差別較大，偏載現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，會(huì)造成活塞桿卡死［3］。故該同步控制回路只適用于同步精度要求不高、同步缸距離近、偏載較小的情況。水平連接器的4個(gè)液壓缸呈空間立體式分布在海底管道的四周，且各液壓缸間距較大，無法通過各液壓缸剛性連接的方式實(shí)現(xiàn)同步控制。

2.2 節(jié)流閥調(diào)速同步回路

節(jié)流閥調(diào)速同步回路是通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的過流截面積來控制進(jìn)入各液壓缸的流量，從而控制各液壓缸的輸出速度，使其相等，以達(dá)到對各液壓缸的同步控制［4］。

該同步控制回路受液壓油溫度和節(jié)流閥閥口性能影響較大，因此同步精度較低（5%～10%），同時(shí)受誤差累積的影響，同步回路運(yùn)行幾次后就需要對節(jié)流閥進(jìn)行閥口調(diào)整。水平連接器的工況位于1 500 m水深且其他執(zhí)行動(dòng)作較多，無法經(jīng)常進(jìn)行節(jié)流閥的校準(zhǔn)調(diào)整，而且5%～10%的同步誤差不滿足連接器的同步設(shè)計(jì)要求。

2.3 分流集流閥同步回路

分流集流閥同步回路是利用負(fù)載壓力反饋原理，補(bǔ)償負(fù)載變化引起的流量變化。通過閥芯兩端的彈簧帶動(dòng)閥芯移動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流口開度，確保通過2個(gè)節(jié)流口的流量相等，從而實(shí)現(xiàn)各液壓缸的同步控制［5-6］。

該同步控制回路不但能承受偏載，進(jìn)行自動(dòng)雙向同步控制，而且同步精度較高（例如ZTBF2型分流集流閥同步誤差僅0.5%～1.5%）。水平連接器的工況復(fù)雜，4個(gè)液壓缸需要在無人工干涉條件下實(shí)現(xiàn)雙向同步，因此在負(fù)載存在一定波動(dòng)的情況下，由分流集流閥組成的同步控制回路更適合水平連接器。

3 水平連接器同步控制方案

3.1 工作原理

根據(jù)深水水平連接器的實(shí)際工況，選用分流集流閥組成4缸同步控制回路［7］，如圖2所示。定量液壓泵為整個(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，溢流閥防止系統(tǒng)過載，三位四通換向閥在主回路中同時(shí)控制4條液壓支路的進(jìn)出油方向，以確保液壓缸活塞桿的伸出與收縮，分流集流閥調(diào)節(jié)進(jìn)出4個(gè)液壓缸的液壓油流量，使4個(gè)液壓缸保持位移同步。

圖2 四缸同步控制液壓回路

3.2 仿真建模

利用AMESim液壓仿真軟件進(jìn)行同步控制回路的仿真模型建立，其中非標(biāo)準(zhǔn)元件分流集流閥需要在HCD中自行建立［8］，如圖3所示。

圖3 四缸同步控制液壓仿真模型

4 同步回路仿真結(jié)果分析

為使仿真結(jié)果更接近實(shí)際情況，仿真過程中選用具有流體壓縮性和管道內(nèi)壁摩擦力的液壓管線HL02，仿真時(shí)間為90 s，仿真時(shí)間間隔0.1 s［9］，其余各子模型參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型參數(shù)

1） 未使用分流集流閥且存在偏載工況下，4個(gè)液壓缸的位移-時(shí)間曲線如圖4所示。

圖4 未使用分流集流閥且存在偏載工況下4個(gè)液壓缸的位移-時(shí)間曲線

由圖4可以看出：由于沒有分流集流閥的同步控制，同時(shí)各個(gè)液壓缸承受負(fù)載不一致（分別為95、100、120、130 k N），因此4個(gè)液壓缸的位移無法保持同步，且存在較大的差距（198 mm），4個(gè)液壓缸的動(dòng)作極不平衡。由于水平連接器對接板需要4個(gè)液壓缸同時(shí)推動(dòng)，根據(jù)4個(gè)液壓缸的位移差距可求得對接板的偏轉(zhuǎn)角度為6.4°，不符合連接器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（對接板偏轉(zhuǎn)角度不超過2°），如此大的偏角會(huì)造成水平連接器對接動(dòng)作的卡死。

2） 未使用分流集流閥且不存在偏載工況下，4個(gè)液壓缸的位移-時(shí)間曲線如圖5所示。

由圖5可以看出：雖然沒有分流集流閥的同步控制，但由于各個(gè)液壓缸承受的載荷一致（為100 k N），因此4個(gè)液壓缸的位移差距相對較?。s40 mm）。根據(jù)4個(gè)液壓缸的位移差距可求得對接板的偏轉(zhuǎn)角度為1.3°，雖然符合連接器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（對接板偏轉(zhuǎn)角度不超過2°），但是4個(gè)液壓缸不存在偏載的工況，只是理想情況。在實(shí)際深水環(huán)境下，由于海水流動(dòng)和連接器自重的存在，所以4個(gè)液壓缸承受的載荷不可能完全一致，因此此種情況并不適用于實(shí)際工況。

圖5 未使用分流集流閥且不存在偏載工況下4個(gè)液壓缸的位移-時(shí)間曲線

3） 使用分流集流閥且存在偏載工況下，4個(gè)液壓缸的位移-時(shí)間曲線如圖6所示。

圖6 使用分流集流閥且存在偏載工況下4個(gè)液壓缸的位移-時(shí)間曲線

由圖6可以看出：雖然各個(gè)液壓缸承受的載荷不一致（分別為95、100、120、130 k N），但由于有分流集流閥的同步控制，4個(gè)液壓缸的位移差距非常?。s5 mm）。根據(jù)4個(gè)液壓缸的位移差距可求得對接板的偏轉(zhuǎn)角度為0.16°，符合連接器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（對接板偏轉(zhuǎn)角度不超過2°），驅(qū)動(dòng)對接板的4個(gè)液壓缸基本保持同步。由此說明：分流集流閥能夠很好地保證進(jìn)入4個(gè)液壓缸的油液流量相同，但是受分流集流閥本身制造精度和分流集流閥到各個(gè)液壓缸之間的管線長度、拐彎角度無法絕對相等等因素影響，4個(gè)液壓缸的位移會(huì)存在較小的誤差，但是其同步控制效果已經(jīng)得到了大幅改善。

4） 使用分流集流閥且存在偏載工況下，4個(gè)液壓缸進(jìn)油口的流量-時(shí)間曲線如圖7所示。

圖7 使用分流集流閥且存在偏載工況下4個(gè)液壓缸進(jìn)油口的流量-時(shí)間曲線

由圖7可以看出：雖然各個(gè)液壓缸承受的載荷不一致（分別為95、100、120、130 k N），但由于有分流集流閥的同步控制，進(jìn)入各個(gè)液壓缸的油液流量基本保持一致，其中液壓缸1的最大進(jìn)油流量為4.764 31 L／min、液壓缸2的最大進(jìn)油流量為4.748 56 L／min、液壓缸3的最大進(jìn)油流量為4.734 01 L／min、液壓缸4的最大進(jìn)油流量為4.718 33 L／min。

4個(gè)液壓缸的同步誤差為

式中：δ為同步誤差；Qmax為輸入液壓缸的最大流量，取4.764 31 L／min；Qmin為輸入液壓缸的最小流量，取4.718 33 L／min。

此同步誤差符合水平連接器的設(shè)計(jì)和實(shí)際工作要求，由此可見，分流集流閥組成的同步控制回路很好地保證了水平連接器的動(dòng)作同步性。

5 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)的液壓同步控制回路能夠在實(shí)際工況下滿足水平連接器對同步性要求。

2） 在分流集流閥作用下，液壓回路中4個(gè)液壓缸的動(dòng)作具有很好的同步效果，同步誤差約為0.97%。

［1］ 張紹九.液壓同步系統(tǒng)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［2］ Jason Post Curtiss.Deepwater Hydraulic Control System：US，20100084588［P］.2010-04-08.

［3］ 楊世平，敖沛，胡朝剛.液壓起升鉆機(jī)同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.石油礦場機(jī)械，2008，37（5）：43-47.

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［8］ Peter Chappal.Principles of Hydraulic System Design［M］.London：Coxnoor Publishing Company，2003.

［9］ 金勝秋.基于AMESim的液壓同步閥的仿真分析及結(jié)構(gòu)研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2009.

Hydraulic Synchronization Control Simulation Analysis of the Deepwater Horizontal Connector

JIANG Yu-fei1，ZHAO Hong-lin1，ZHENG Li-jun2，LI Fang-qiu1，DUAN Meng-lan1，LUO Xiao-lan1
（1.Offshore Oil and Gas Research Center，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China；2.CNOOC Research Institute，Beijing 100010，China）

In order to ensure the deepwater horizontal connector to complete the mission of subsea pipeline connection，it needs to use four hydraulic cylinders to drive the connector.In order to ensure the four hydraulic cylinders，piston rods to keep displacement synchronization all the times in feed and shrink process，a dividing-collecting valve isochronous loop was designed to control the four hydraulic cylinders，and the AMESim software were used to simulate the isochronous loop model，and four hydraulic cylinders，displacement curve and rate of flow curve were got.The simulation results show that dividing-collecting valve can control the rate of flow，and it can also effectively increase the four hydraulic cylinders，synchronization precision under the condition of the uneven load.

horizontal connector；isochronous loop；dividing-collecting valve；AMESim；synchronization precision

TE952

A

1001-3482（2014）03-0001-05

2013-09-27

國家科技重大專項(xiàng)“水下管匯連接器樣機(jī)研制”（2011ZX05026-003-02）；國家科技重大專項(xiàng)“深水水下生產(chǎn)設(shè)施制造、測試裝備及技術(shù)”（2011ZX05027-004）

姜宇飛（1987-），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，主要從事水下液壓傳動(dòng)與控制研究，E-mail：jyfmxl646587＠163.com。