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（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，需采用4個動作同步的液壓缸來驅動連接器執(zhí)行對接動作。為了確保4個液壓缸在進給和收縮時始終保持活塞桿的位移同步，設計了分流集流閥同步回路來控制4個液壓缸的動作，并利用AMESim軟件對同步回路模型進行仿真，得到了4個液壓缸的位移同步曲線和流量同步曲線。仿真結果表明：采用分流集流閥進行流量控制，可以有效提高4個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

液壓控制技術已廣泛應用于各種工程機械領域，同步控制作為液壓控制技術中的重要課題，由于液壓執(zhí)行機構承受的負載差異、液壓系統(tǒng)的泄漏、制造誤差等因素而難以實現(xiàn)。因此，設計專門的液壓同步回路并進行誤差精度分析，對于整個液壓系統(tǒng)的設計具有十分重要的意義［1］。

深水水平連接器依靠4個液壓缸推動安裝工具上的對接板，從而實現(xiàn)海底管道之間的連接。由于深海工作環(huán)境復雜，海底管道在連接過程中，4個液壓缸承受的外部載荷既不平衡也會隨時間變化。因此，有必要設計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，其結構如圖1所示，主要由整體框架和對接機構組成。其中，對接機構中包含對接板、液壓缸和連接器。

圖1 安裝工具結構

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

由圖1可以看出：整個系統(tǒng)的設計難點在于保證4個液壓缸的動作同步。根據(jù)同步性設計要求，深水液壓同步控制誤差不超過1.5%［2］。因此，如何設計液壓同步控制回路成為設計整個液壓系統(tǒng)乃至設計水平連接器的關鍵。

2 常見液壓同步控制回路的原理與特點

2.1 機械連接式同步回路

機械連接式同步回路是通過機械構件的剛性連接或機械傳動的方式，將2個或2個以上液壓缸連接成一個整體，從而實現(xiàn)各液壓缸的同步控制。

該同步控制回路結構簡單、工作可靠，但對負載工況要求較高，如果多個液壓缸之間的負載差別較大，偏載現(xiàn)象嚴重時，會造成活塞桿卡死［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現(xiàn)同步控制。

2.2 節(jié)流閥調速同步回路

節(jié)流閥調速同步回路是通過調節(jié)節(jié)流閥的過流截面積來控制進入各液壓缸的流量，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%），同時受誤差累積的影響，同步回路運行幾次后就需要對節(jié)流閥進行閥口調整。水平連接器的工況位于1 500 m水深且其他執(zhí)行動作較多，無法經(jīng)常進行節(jié)流閥的校準調整，而且5%～10%的同步誤差不滿足連接器的同步設計要求。

2.3 分流集流閥同步回路

分流集流閥同步回路是利用負載壓力反饋原理，補償負載變化引起的流量變化。通過閥芯兩端的彈簧帶動閥芯移動，自動調節(jié)節(jié)流口開度，確保通過2個節(jié)流口的流量相等，從而實現(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，進行自動雙向同步控制，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雜，4個液壓缸需要在無人工干涉條件下實現(xiàn)雙向同步，因此在負載存在一定波動的情況下，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。定量液壓泵為整個液壓系統(tǒng)提供動力，溢流閥防止系統(tǒng)過載，三位四通換向閥在主回路中同時控制4條液壓支路的進出油方向，以確保液壓缸活塞桿的伸出與收縮，分流集流閥調節(jié)進出4個液壓缸的液壓油流量，使4個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液壓仿真軟件進行同步控制回路的仿真模型建立，其中非標準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 同步回路仿真結果分析

為使仿真結果更接近實際情況，仿真過程中選用具有流體壓縮性和管道內壁摩擦力的液壓管線HL02，仿真時間為90 s，仿真時間間隔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個液壓缸的位移-時間曲線如圖4所示。

圖4 未使用分流集流閥且存在偏載工況下4個液壓缸的位移-時間曲線

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

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

由圖5可以看出：雖然沒有分流集流閥的同步控制，但由于各個液壓缸承受的載荷一致（為100 k N），因此4個液壓缸的位移差距相對較小（約40 mm）。根據(jù)4個液壓缸的位移差距可求得對接板的偏轉角度為1.3°，雖然符合連接器的設計標準（對接板偏轉角度不超過2°），但是4個液壓缸不存在偏載的工況，只是理想情況。在實際深水環(huán)境下，由于海水流動和連接器自重的存在，所以4個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際工況。

圖5 未使用分流集流閥且不存在偏載工況下4個液壓缸的位移-時間曲線

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

圖6 使用分流集流閥且存在偏載工況下4個液壓缸的位移-時間曲線

由圖6可以看出：雖然各個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個液壓缸的位移差距非常?。s5 mm）。根據(jù)4個液壓缸的位移差距可求得對接板的偏轉角度為0.16°，符合連接器的設計標準（對接板偏轉角度不超過2°），驅動對接板的4個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入4個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個液壓缸的位移會存在較小的誤差，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個液壓缸進油口的流量-時間曲線如圖7所示。

圖7 使用分流集流閥且存在偏載工況下4個液壓缸進油口的流量-時間曲線

由圖7可以看出：雖然各個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，進入各個液壓缸的油液流量基本保持一致，其中液壓缸1的最大進油流量為4.764 31 L／min、液壓缸2的最大進油流量為4.748 56 L／min、液壓缸3的最大進油流量為4.734 01 L／min、液壓缸4的最大進油流量為4.718 33 L／min。

4個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計和實際工作要求，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作同步性。

5 結論

1） 設計的液壓同步控制回路能夠在實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個液壓缸的動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：化學工業(yè)出版社，2010.

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［7］ 楊月明，常玉連，高勝，等.井口起下油管作業(yè)自動化裝置試驗與液壓控制系統(tǒng)仿真［J］.石油礦場機械，2013，42（5）：8-11.

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［9］ 金勝秋.基于AMESim的液壓同步閥的仿真分析及結構研究［D］.長春：吉林大學，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“水下管匯連接器樣機研制”（2011ZX05026-003-02）；國家科技重大專項“深水水下生產(chǎn)設施制造、測試裝備及技術”（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與控制研究，E-mail：jyfmxl646587＠163.com。