某水下打樁錘主控閥緩沖裝置建模與仿真

王樂振, 王鴻雁*, 張范文, 于文太, 劉順慶, 張西偉, 張長龍

(1. 青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 山東 青島 266061;2. 海洋石油工程股份有限公司 安裝事業(yè)部, 天津 300450;3. 中機(jī)鍛壓江蘇股份有限公司, 江蘇 南通 226600)

0 引 言

隨著油氣開發(fā)深度的增加和樁基礎(chǔ)規(guī)模的增大，水下打樁作業(yè)離不開具有巨大打擊能量的打樁錘[1-2]。這些打樁錘對液壓系統(tǒng)的控制元件提出了更高的要求。打樁錘的主要控制元件主控閥因其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用[3]。主控閥閥芯由于頻繁換向，在主控閥閥腔行程末端產(chǎn)生巨大沖擊力，會對主控閥閥芯造成破壞，并造成液壓油泄漏。由液壓油泄漏而損失的功率大部分轉(zhuǎn)化為熱能，被油液和液壓元件吸收，從而導(dǎo)致系統(tǒng)溫度升高，這會導(dǎo)致液壓油黏度、運(yùn)動特性等性能發(fā)生變化，使整個設(shè)備性能降低、故障率增加，還會引起密封件老化等問題，影響液壓系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性[4-5]。液壓油泄漏量與主控閥閥芯的運(yùn)動密不可分，因此有必要對主控閥進(jìn)行緩沖。高壓大流量緩沖裝置在延長打樁錘的使用壽命和保護(hù)環(huán)境等方面有顯著的作用[6]。

國內(nèi)外學(xué)者對緩沖裝置進(jìn)行廣泛研究。鄧經(jīng)緯等[7]以注射成型機(jī)移模油缸緩沖裝置為研究對象，討論油缸工作壓力、運(yùn)動速度、緩沖套與緩沖腔單邊間隙以及緩沖套圓錐段長度對緩沖壓力和緩沖速度的影響。袁媛[8]在液壓缸行程末端設(shè)置緩沖裝置使舉升系統(tǒng)平穩(wěn)卸貨。李壯壯等[9]基于某電磁彈射式火箭炮設(shè)計(jì)一種液壓緩沖裝置，采用黏性較大的液體通過阻尼孔產(chǎn)生阻尼力以達(dá)到緩沖效果，防止發(fā)射時巨大的后坐力造成結(jié)構(gòu)的破壞。GE等[10]研究帶有液壓阻尼裝置的液壓錘的動力響應(yīng)，液壓阻尼裝置是一種旋轉(zhuǎn)沖擊鉆具，可提供向前的撞擊，同時消除有害的向后撞擊。李克飛等[11]根據(jù)調(diào)節(jié)縫隙和阻尼小孔產(chǎn)生液阻作用，設(shè)計(jì)一種可調(diào)液壓式緩沖制動油缸，將沖擊動能轉(zhuǎn)化為熱能耗散至空氣中以達(dá)到緩沖效果。LI等[12]采用大流量緩沖裝置，在缸內(nèi)采用節(jié)流緩沖，結(jié)合缸外溢流閥的控制，可避免樁脫落對缸體和設(shè)備的損壞。LAI等[13]以具有較大打擊能量和較快響應(yīng)速度的液壓系統(tǒng)中的液壓缸為研究對象分析緩沖特性，建立3種不同的仿真模型，詳細(xì)研究仿真模型、柱塞結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，給出柱塞結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)方案。張日紅等[14]設(shè)計(jì)一種通過氣缸緩沖腔余隙容積與壓力調(diào)節(jié)閥的分段調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)緩沖的裝置，并通過仿真得出該緩沖裝置穩(wěn)定調(diào)節(jié)范圍比單純基于壓力釋放閥的緩沖調(diào)節(jié)方式有很好的提升。胡均平等[6]為防止錘頭在打擊后反彈對液壓缸造成破壞，針對液壓打樁錘液壓缸設(shè)置的緩沖裝置進(jìn)行研究，得到阻尼孔直徑、緩沖腔直徑和溢流閥最高設(shè)定壓力對緩沖裝置性能的影響規(guī)律。

綜上所述，對打樁錘的緩沖性能分析研究主要在于防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓缸損壞，對打樁錘控制結(jié)構(gòu)的緩沖裝置研究相對較少。本文根據(jù)某水下打樁錘主控閥緩沖裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理，考慮溫度對其產(chǎn)生的影響，結(jié)合熱力學(xué)和流體動力學(xué)理論建立緩沖裝置的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，采用MATLAB/Simulink軟件搭建仿真模型，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對緩沖裝置性能的影響規(guī)律。

1 緩沖裝置結(jié)構(gòu)和工作原理

主控閥閥芯換向時高壓液壓油進(jìn)入主控閥推動閥芯上升，為防止高壓液壓油的壓力沖擊對主控閥造成破壞，在主控閥行程末端設(shè)置緩沖腔和二通插裝閥，通過泄漏縫隙進(jìn)行緩沖，減緩液壓系統(tǒng)中的壓力沖擊。

二通插裝閥通過孔將液壓油引進(jìn)腔體。當(dāng)液壓油進(jìn)入腔體時，閥芯向活塞推移，打開閥口，使油液流通。當(dāng)液壓油從另一側(cè)進(jìn)入腔體中時，活塞向反方向移動，將閥口關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)液壓控制。二通插裝閥是一種適用于高壓大流量液壓系統(tǒng)且性能非常優(yōu)異的液壓控制元件，可實(shí)現(xiàn)對液壓執(zhí)行元件的控制、流量的調(diào)節(jié)、壓力的控制和多種聯(lián)動控制功能，廣泛應(yīng)用于液壓系統(tǒng)[15-19]。緩沖裝置采用力士樂二通插裝閥與在主控閥閥腔末端設(shè)置的緩沖腔相結(jié)合的方式進(jìn)行緩沖保護(hù)。緩沖裝置的結(jié)構(gòu)和原理簡化圖分別如圖1和圖2所示，緩沖裝置由二通插裝閥控制蓋板、二通插裝閥芯、二通插裝閥閥套、主控閥活塞、插裝閥座和主控閥閥體組成。緩沖裝置原理如下：當(dāng)主控閥活塞上升至行程上段時部分液壓油進(jìn)入緩沖腔，由于A口與X口相通，壓力上升，當(dāng)壓力上升到一定程度時，B口的壓力小于A口和X口的壓力，此時二通插裝閥和緩沖腔會緩慢關(guān)閉，通過緩沖腔和二通插裝閥的泄漏達(dá)到緩沖效果，使主控閥的活塞在換向行程末端平穩(wěn)地?fù)Q向。

注：1.二通插裝閥閥芯；2.二通插裝閥控制閥蓋；3.二通插裝閥閥座；4.二通插裝閥閥套；5.緩沖腔；6.主控閥活塞；7.主控閥閥體圖1 緩沖裝置結(jié)構(gòu)示例

注：1.二通插裝閥；2.緩沖腔；3.主控閥活塞圖2 緩沖裝置原理簡化圖

2 緩沖裝置熱力學(xué)模型

2.1 緩沖裝置數(shù)學(xué)模型

2.1.1 緩沖裝置熱力學(xué)模型

任意時刻，主控閥緩沖腔內(nèi)液壓油的質(zhì)量m為

m=ρV

(1)

式中：ρ為液壓油密度，kg/m3；V為緩沖腔體積，m3。

任意時刻，主控閥緩沖腔的體積變化量為

(2)

當(dāng)主控閥活塞沖擊緩沖腔時，緩沖腔通過緩沖腔縫隙和二通插裝閥的液壓油泄漏來減緩壓力沖擊。任意時刻，緩沖腔液壓油的連續(xù)性方程為

(3)

(4)

采用控制體方法建模，將容性元件邊界作為控制體邊界，根據(jù)能量守恒定律，并聯(lián)系流體焓的定義，得到控制體內(nèi)溫度變化量[4]為

(5)

因此有：

(6)

2.1.2 緩沖裝置泄漏模型

由內(nèi)外圓柱面圍成的縫隙稱之為同心環(huán)形縫隙，即主控閥閥芯與主控閥閥體之間的孔縫隙。

當(dāng)縫隙高度與縫隙長度之比小于1時，其泄漏量[20]為

(7)

式中：d為二通插裝閥直徑，mm；δ為泄漏間隙半徑，mm；Δp為二通插裝閥閥腔內(nèi)壓力的變化量；μ為液壓油的運(yùn)動黏度，m2/s；l為縫隙長度，mm；μ0為真空磁導(dǎo)率，其值為4π；h為縫隙高度，mm。

由于沒有平板運(yùn)動流體流動引起的剪切流流量，因此泄漏流量公式為

(8)

式中：p0為回油背壓，Pa。

由能量守恒方程可知，經(jīng)過緩沖裝置消耗的能量為

(9)

2.1.3 主控閥活塞運(yùn)動模型

由牛頓第二定律，將向上作為正方向，可得：

(10)

2.2 緩沖裝置仿真模型

基于MATLAB/Simulink仿真軟件，采用功率鍵合圖的方法在所建立的動態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真模型搭建，由于數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，可化繁為簡，采用由里至外的建模方式。先建立二通插裝閥泄漏模型、主控閥活塞運(yùn)動模型，并用子系統(tǒng)封裝，再結(jié)合緩沖裝置熱力學(xué)模型搭建整個緩沖保護(hù)裝置仿真模型。具體模型分別如圖3～圖5所示。

注：圖3 二通插裝閥泄漏模型

注：K2為緩沖腔橫截面積為緩沖腔橫截面積為積分器；x為主控閥活塞位移，m；v為主控閥活塞速度，m/s；a為主控閥活塞加速度，m/s2圖4 主控閥活塞運(yùn)動模型

圖5 緩沖裝置仿真模型

3 緩沖裝置仿真參數(shù)

某水下打樁錘主控閥所采用的高壓大流量緩沖裝置的初始參數(shù)與研究范圍如表1所示。

表1 緩沖裝置初始參數(shù)與研究范圍

4 緩沖裝置仿真結(jié)果分析

建立緩沖裝置批處理仿真模型，如圖6所示。液壓系統(tǒng)回油背壓、緩沖腔直徑、緩沖腔泄漏縫隙高度與長度分別設(shè)置不同數(shù)值，如表1所示。得到主控閥活塞位移、速度、加速度以及緩沖腔壓力、體積、液壓油泄漏量、損失能量和液壓油溫度變化曲線如圖7～圖10所示。

圖6 緩沖裝置批處理仿真模型

圖7 回油背壓的影響

由圖7可知：當(dāng)系統(tǒng)無回油背壓時，主控閥活塞在0.4 s內(nèi)上升至緩沖腔最頂端，隨回油背壓增大，主控閥活塞上升速度降低；當(dāng)回油背壓從0 MPa增大至1.0 MPa時，活塞速度減為0 m/s的時間從0.40 s延長至0.44 s，僅增加10%，主控閥活塞加速度變化也很小。因此，回油背壓的改變對緩沖裝置工作時間和工作行程影響較小。當(dāng)回油背壓從0 MPa增大至1.0 MPa時，緩沖腔內(nèi)壓力由10.3 MPa減小至10.1 MPa，液壓油泄漏量和緩沖腔損失的能量均減小，分別由6.35×10-5m3/s 減小至5.6×10-5m3/s，由205 J減小至185 J，但變化非常小，緩沖腔內(nèi)液壓油的溫度由7.2 ℃減小至6.8 ℃。主控閥活塞的緩沖效果略有提升。

當(dāng)主控閥緩沖腔直徑由0.03 m增加至0.05 m時，由圖8可知：主控閥緩沖腔體積增大，由1.60×10-5m3增加至4.15×10-5m3；主控閥活塞上升速度降低，由0.155 m/s減小至0.025 m/s；主控閥活塞到達(dá)緩沖腔頂部的時間由0.12 s增加至1.08 s，增大8倍；主控閥活塞加速度在沖擊瞬間由55倍重力加速度降低至53倍重力加速度，加速度波動較??；緩沖腔內(nèi)壓力上升減小，由15.2 MPa降低至5.7 MPa；通過緩沖裝置的液壓油泄漏量減小，由10.9×10-5m3/s減小至3.8×10-5m3/s；緩沖腔損失的能量減小，在0.12 s內(nèi)由210 J降低至25 J，下降88.10%；與此同時，緩沖腔內(nèi)壓力和流量的變化會導(dǎo)致液壓油溫升的變化，隨著主控閥緩沖腔直徑的增大，液壓油上升的溫度降低，在0.12 s內(nèi)溫升變化由4.4 ℃降低至0.1 ℃，溫度變化率由110.0%降低為2.5%，因此對液壓油的性能產(chǎn)生較大的影響；但當(dāng)緩沖腔直徑過大時，主控閥活塞到達(dá)閥腔頂端時所用時間過長，接近主控閥換向半個周期，不能滿足主控閥閥芯換向時間上的要求。

圖8 緩沖腔直徑的影響

隨著緩沖裝置泄漏縫隙高度的增大，由圖9可知：在沖擊瞬間緩沖腔內(nèi)壓力以及主控閥活塞的速度和加速度波動均減小，在沖擊瞬間越穩(wěn)定；主控閥活塞到達(dá)主控閥緩沖腔行程末端時間逐漸減小，由0.82 s減小至0.19 s，縮小76.83%；泄漏縫隙高度越大，液壓油泄漏量增大，由3×10-5m3/s增大至9×10-5m3/s；泄漏損失的能量增大，在0.2 s內(nèi)泄漏能量由50 J增加至205 J；隨著緩沖過程的進(jìn)行，在0.2 s內(nèi)溫升變化由0.15 ℃上升至3.00 ℃，溫度變化率由3.75%提高至75.00%，說明泄漏縫隙高度對溫度變化有很大影響，應(yīng)著重考慮。

圖9 緩沖腔縫隙高度的影響

隨著緩沖裝置泄漏縫隙長度的增大，由圖10可知：在沖擊瞬間緩沖腔內(nèi)壓力以及主控閥活塞的速度和加速度波動均增大，在沖擊瞬間越不穩(wěn)定；活塞到達(dá)緩沖裝置工作行程頂端的時間逐漸增大，由0.18 s增加至0.68 s，增加2.8倍。因此，緩沖腔縫隙長度的改變對緩沖性能有較大影響，與緩沖裝置泄漏縫隙高度的影響相反。泄漏縫隙長度越大，在0.17 s內(nèi)，液壓油泄漏量越大，由14.8×10-5m3/s減小至3.9×10-5m3/s；泄漏損失的能量減小，在0.17 s內(nèi)泄漏能量由205 J減小至50 J；隨著緩沖過程的進(jìn)行，在0.17 s內(nèi)溫升變化由3.0 ℃降低至0.3 ℃，溫度變化率由75.0%降低至7.5%，說明泄漏縫隙長度對溫度變化也有很大影響。

圖10 緩沖腔縫隙長度的影響

5 結(jié) 論

對某水下打樁錘主控閥內(nèi)緩沖腔與二通插裝閥相結(jié)合的高壓大流量緩沖裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，通過熱力學(xué)和流體力學(xué)的相關(guān)理論，進(jìn)行主控閥緩沖裝置壓力與溫度的交叉耦合特性研究?；贛ATLAB/Simulink仿真軟件建立數(shù)學(xué)模型搭建緩沖裝置的仿真模型，結(jié)果表明：

(1)開始時緩沖腔內(nèi)部壓力較小，內(nèi)外壓差較大，活塞加速度較大；隨緩沖腔體積減小，腔內(nèi)壓力增大，二通插裝閥泄漏量增大，直至內(nèi)部壓力達(dá)8.6 MPa時平衡，主控閥活塞勻速上升，腔內(nèi)壓力保持不變，說明二通插裝閥和緩沖腔在系統(tǒng)中具有重要的作用，最后腔內(nèi)僅剩油管和二通插裝閥內(nèi)部液壓油，活塞停止運(yùn)動。在一個緩沖過程中緩沖腔內(nèi)液壓油的泄漏損失能量為205 J，緩沖腔內(nèi)液壓油的溫度從4 ℃升高至7 ℃，升溫較小，符合二通插裝閥的使用環(huán)境要求。

(2)分析液壓系統(tǒng)中緩沖裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)對緩沖性能的影響規(guī)律，分別對回油背壓、緩沖腔直徑、泄漏縫隙高度和泄漏縫隙長度等參數(shù)進(jìn)行批處理仿真建模與分析。通過分析與研究，泄漏縫隙高度和長度以及緩沖腔直徑對緩沖性能的影響顯著，液壓系統(tǒng)的回油背壓有著較小的影響。緩沖過程的壓力和沖擊都會造成液壓油壓力和溫度的變化，液壓油溫度變化會導(dǎo)致壓力變化，壓力變化會導(dǎo)致溫度變化，是一個相互耦合作用的過程，結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變都會對緩沖裝置的性能產(chǎn)生一定的影響，適當(dāng)調(diào)整這些參數(shù)可優(yōu)化緩沖效果、降低沖擊力、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時須著重考慮。同時，還應(yīng)提高緩沖腔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和密封性能。因此，研究結(jié)果可為大流量主控閥緩沖裝置的關(guān)鍵參數(shù)選擇和優(yōu)化提供依據(jù)。