兩位三通電液換向閥閥位切換動(dòng)態(tài)特性分析

安維崢 岳元龍 孫 欽 左 信 劉致祥

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院）

近年來(lái)，隨著世界范圍內(nèi)油氣資源消耗的遞增和陸地原油開(kāi)采速度的加快，海洋領(lǐng)域的油氣勘探開(kāi)發(fā)成為新的焦點(diǎn)［1～3］。 目前，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)已發(fā)展成具有直接液壓、先導(dǎo)液壓、順序液壓、直接電液、電液復(fù)合及全電氣等多種控制模式，其中電液復(fù)合控制技術(shù)是現(xiàn)階段具有明顯優(yōu)勢(shì)，并得到廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)［4～9］。 在國(guó)家政策的大力支持下， 海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)裝備不斷發(fā)展，對(duì)設(shè)備的生產(chǎn)能力、可靠性、安全性及自動(dòng)化程度提出了更高的要求，方向控制閥作為水下控制模塊的重要組成部分，承擔(dān)著保證水下油氣田安全運(yùn)行的責(zé)任。

液壓換向閥是實(shí)現(xiàn)水下閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉操作的執(zhí)行單元， 廣泛應(yīng)用于電液復(fù)合控制系統(tǒng)，是電液復(fù)合控制系統(tǒng)最核心的部件［8］。近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)海洋石油的大力支持，海洋油氣設(shè)備不斷發(fā)展，對(duì)設(shè)備的安全性、可靠性以及自動(dòng)化程度提出了更高的要求［9］。然而，我國(guó)海洋油氣設(shè)備的研制工作起步較晚，特別是水下生產(chǎn)控制中的各種控制閥，其性能直接關(guān)系到整個(gè)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行，但是國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有此類(lèi)設(shè)備的研制技術(shù)。 因此，若想大力發(fā)展水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)， 必須解決電液換向閥的國(guó)產(chǎn)化研制工作。 電液換向閥的動(dòng)態(tài)特性分析可為其設(shè)計(jì)工作提供理論指導(dǎo)。 針對(duì)兩位三通液壓換向閥的動(dòng)態(tài)特性分析，國(guó)內(nèi)外均有研究。 高成國(guó)和林慕義針對(duì)大流量電液換向閥在沖擊載荷作用下的閥位切換失效問(wèn)題，建立兩位三通電液換向閥開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型， 利用Simulink對(duì)電液換向閥進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性仿真分析和試驗(yàn)［10］。 王麗霞對(duì)兩位三通液壓換向閥進(jìn)行尺寸計(jì)算、受力分析和性能計(jì)算，從而對(duì)閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后建立了兩位三通換向閥在開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中的數(shù)學(xué)模型，并在AMESim上建立閥的結(jié)構(gòu)，對(duì)電液換向閥的性能進(jìn)行仿真分析［11］。 李優(yōu)利用AMESim對(duì)兩位三通換向閥進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真，并分析得出閥的動(dòng)態(tài)特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和可靠性有較大影響的結(jié)論［12］。 賈文華等在AMESim建立液壓換向閥的模型， 并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，利用AMESim與MATLAB的接口傳輸閥位切換數(shù)據(jù)，在MATLAB中進(jìn)行了換向閥的優(yōu)化仿真［13］。趙巖和孟令衛(wèi)針對(duì)液壓換向閥壓力流量特性難以準(zhǔn)確還原的問(wèn)題， 提出基于Simulink的液壓換向閥建模方法，并解決閥口壓力流量特性容易與實(shí)際有出入的問(wèn)題，使用圖示法建立換向閥的壓力流量關(guān)系，并分別建立Simulink仿真模型，測(cè)試了模型的可信度，測(cè)試結(jié)果表明，公式法建模和圖示法建模能還原液壓換向閥的壓力流量特性，圖示法建模的效果更好［14］。 文獻(xiàn)［15］在MATLAB中建立液壓換向閥的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式獲取閥的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)，通過(guò)閥的頻率響應(yīng)來(lái)描述閥的動(dòng)態(tài)特性。

電液換向閥主要由電磁閥先導(dǎo)閥和液壓換向主閥組成。 電磁閥作為先導(dǎo)閥控制油路的切換，液壓換向主閥切換主油路，從而實(shí)現(xiàn)液壓換向閥的開(kāi)啟和關(guān)閉。 一旦液壓換向閥閥位切換出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)影響整個(gè)水下生產(chǎn)的安全運(yùn)行。 因此，保證液壓換向閥閥位在高溫高壓海洋環(huán)境下正常切換十分關(guān)鍵。 筆者針對(duì)特定的兩位三通電液換向閥主閥結(jié)構(gòu)，建立主閥閥位切換的動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型， 用Simulink對(duì)兩位三通液壓換向閥的閥位進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真分析。 根據(jù)仿真結(jié)果，了解閥芯位移的變化規(guī)律，為電液換向閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 電液換向閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

電液換向閥由兩個(gè)電磁先導(dǎo)閥和一個(gè)兩位三通的液壓換向主閥組成。 兩位三通電液換向閥結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，主閥由復(fù)位彈簧、閥體、閥套和閥芯組成。

圖1 兩位三通電液換向閥結(jié)構(gòu)原理

電液換向閥的工作原理為：當(dāng)電液換向閥的兩端電磁先導(dǎo)閥均不通電時(shí)，主閥閥芯在復(fù)位彈簧預(yù)緊力的作用下使閥芯端面與右側(cè)先導(dǎo)閥接觸，主閥的功能口F與供油口P導(dǎo)通；當(dāng)右端電磁先導(dǎo)閥通電時(shí)，液動(dòng)換向閥閥芯在右端液壓油推力的作用下使閥芯端面與左側(cè)先導(dǎo)閥接觸，主閥的功能口F與回油口R導(dǎo)通，即使右端電磁先導(dǎo)閥失電，由于高壓油的作用，使閥具有自鎖功能，閥芯能保持在右端； 當(dāng)左端電磁先導(dǎo)閥通電時(shí)，液壓油通過(guò)左側(cè)先導(dǎo)閥進(jìn)入主閥的左腔，在左側(cè)先導(dǎo)閥液壓油的壓力和復(fù)位彈簧的共同作用下，閥芯右移，使閥芯端面與右側(cè)先導(dǎo)閥接觸，此時(shí)主閥功能口F與供油口P導(dǎo)通，完成電液換向閥的閥位切換。

2 閥位切換動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

針對(duì)主閥的開(kāi)關(guān)過(guò)程， 忽略油路的泄漏，同時(shí)考慮各節(jié)流管路，液壓油特性、主閥閥芯質(zhì)量和閥芯與滑套間的摩擦力等參數(shù)對(duì)液壓換向閥動(dòng)態(tài)特性的影響，建立兩位三通液壓換向閥閥位切換的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型來(lái)分析換向閥閥位切換的工作特性。 如圖1所示，按照換向閥的結(jié)構(gòu)和工作原理， 分別建立主閥開(kāi)啟和關(guān)閉的數(shù)學(xué)模型，其中包含主閥閥芯的受力平衡方程，主閥腔體內(nèi)和各油路內(nèi)的流量連續(xù)方程。

當(dāng)電磁先導(dǎo)閥開(kāi)啟時(shí)，液壓油通過(guò)右先導(dǎo)閥節(jié)流口進(jìn)入主閥右腔，主閥閥芯在主閥右腔的壓力下左移，此時(shí)主閥右腔的壓力流量方程為：

其中，Q1為主閥右腔流量；Cd為先導(dǎo)閥控制口流量系數(shù)；d1為主閥右腔的直徑；ρ為液壓油密度；p0為控制先導(dǎo)閥出油口的壓力；p1為主閥右腔壓力；ξ為閥口阻尼系數(shù)；A1為主閥右腔流通面積；A0為先導(dǎo)閥控制口流通面積。

主閥開(kāi)啟時(shí)，先導(dǎo)閥控制腔、主閥右腔和自鎖腔體導(dǎo)通，主閥右腔的流量連續(xù)方程為：

其中，d2為自鎖油路的直徑；p3是主閥為環(huán)形腔體的壓力；V1是閥芯無(wú)位移時(shí)右腔體積；Ep為液壓油的體積彈性模量；A1為閥芯橫截面積；X是閥芯的位移。

主閥開(kāi)啟時(shí)，供油口P、功能口F和自鎖油路導(dǎo)通，主閥環(huán)形腔里流量連續(xù)方程為：

其中，d3為主閥供油口的直徑；pp為主閥供油口的壓力；V2是環(huán)形油路的體積；d4為主閥功能口的直徑；pf為主閥功能口的壓力。

瞬態(tài)液動(dòng)力忽略不計(jì)，近似為零，則開(kāi)啟時(shí)閥芯的平衡方程為：阻尼系數(shù)；m為閥芯的質(zhì)量。

當(dāng)左電磁先導(dǎo)閥開(kāi)啟時(shí)，液壓油通過(guò)左先導(dǎo)閥節(jié)流口進(jìn)入主閥左腔，主閥閥芯在主閥左腔的壓力和彈簧的推動(dòng)下左移，此時(shí)主閥左腔的流動(dòng)連續(xù)方程為：

其中，d0為先導(dǎo)閥控制口直徑。

主閥關(guān)閉時(shí)，回油口R、功能口F和自鎖油路導(dǎo)通，其流量連續(xù)方程為：

其中，p2為主閥左腔壓力；K為復(fù)位彈簧的勁度系數(shù)；X0為彈簧的預(yù)壓縮量；B1為閥芯運(yùn)動(dòng)粘性

其中，d5為主閥回油口的內(nèi)徑；pr為主閥回油口的壓力。

關(guān)閉時(shí)閥芯的平衡方程為：

整理可得：

因此閥開(kāi)啟時(shí)的流量和位移的傳遞函數(shù)如下：

對(duì)式（17）變形，可以得到壓力和流量的傳遞函數(shù)框圖，如圖2所示。

圖2 壓力和流量傳遞函數(shù)框圖

同理可得，閥關(guān)閉時(shí)主閥左腔的流量和閥芯位移的傳遞函數(shù)與主閥左腔內(nèi)的壓力和流量的傳遞函數(shù)如下：

3 動(dòng)態(tài)特性仿真分析

在確定了系統(tǒng)模型參數(shù)后，根據(jù)換向閥開(kāi)啟和關(guān)閉的傳遞函數(shù)，利用Simulink搭建仿真模型，仿真模型包括液壓換向閥開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)流量和位移的仿真與壓力和流量的仿真。 主閥開(kāi)啟和關(guān)閉的Simulink仿真模型如圖3所示，仿真模型中包含主閥兩側(cè)腔體流量和閥芯位移的傳遞函數(shù)，以及主閥兩側(cè)腔體壓力和流量的傳遞函數(shù)。

圖3 Simulink仿真模型

仿真模型中兩位三通液壓換向閥的主要參數(shù)如下：

彈簧剛度 20 N/mm

閥芯質(zhì)量 0.1 kg

閥芯直徑 12 mm

油路直徑 3 mm

液壓油型號(hào) HW525

液壓油密度 0.8 g/cm3

利用兩位三通液壓換向閥的參數(shù)，通過(guò)對(duì)主閥開(kāi)啟和關(guān)閉兩階段Simulink模型的仿真研究，可以得到電液換向閥右腔的壓力變化曲線和主閥閥芯的位移曲線，其中主閥開(kāi)啟過(guò)程中的主閥右腔壓力變化曲線和閥芯位移變化曲線如圖4所示，主閥關(guān)閉過(guò)程中的主閥左腔壓力變化曲線和閥芯位移變化曲線如圖5所示。

圖4 主閥開(kāi)啟階段仿真結(jié)果

圖5 主閥關(guān)閉階段仿真結(jié)果

圖4為主閥開(kāi)啟階段的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果， 由于控制先導(dǎo)閥內(nèi)存在壓力緩沖，因此，在仿真開(kāi)始約25 ms后，主閥右腔壓力開(kāi)始緩慢增加，同時(shí)主閥閥芯開(kāi)始發(fā)生位移，在仿真時(shí)間約60 ms時(shí)，主閥右腔內(nèi)壓力約為22.5 MPa， 閥芯位移6.35 mm，此時(shí)主閥完全打開(kāi)。

圖5為主閥關(guān)閉階段的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果， 在仿真開(kāi)始后，主閥左腔壓力立刻開(kāi)始增加，同時(shí)主閥閥芯開(kāi)始發(fā)生位移，在仿真時(shí)間約65 ms時(shí)，主閥左腔內(nèi)壓力約為21.1 MPa， 閥芯位移6.35 mm，此時(shí)主閥完全關(guān)閉。

4 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)兩位三通液壓換向閥結(jié)構(gòu)和性能分析的基礎(chǔ)上，建立了兩位三通換向閥開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。 利用Simulink搭建仿真模型，由仿真結(jié)果可以得到在閥開(kāi)閉過(guò)程中閥芯位移和主閥兩端壓力的變化規(guī)律。 根據(jù)仿真結(jié)果可知， 所建立的閥位切換動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是正確的，可用于分析和預(yù)測(cè)兩位三通液壓換向閥的動(dòng)態(tài)換向特性，兩位三通液壓換向閥的動(dòng)態(tài)換向特性分析為兩位三通液壓換向閥的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，對(duì)電液換向閥的國(guó)產(chǎn)化研究具有非常重要的意義。