应用于水下生产系统的控制阀设计与仿真

　　0　引言

　　水下生产系统中的液压控制系统主要用于控制水下采油树上各阀门的开启和关闭,实现原油采集和化学物质的注射等。水下生产系统上的控制阀是其液压控制系统中关键元件之一,通过平台给定信号控制1组控制阀的开关,从而控制水下采油树上的液压缸执行器,驱动闸阀开启和关断原油生产系统。为保证水下生产系统中液压控制系统的可靠性和安全性,将控制阀设计成常开式,同时具有失压保护的功能,即控制阀处于开启状态时,若其上下游压差降至一定值时,系统液压力无法平衡复位弹簧力,已开启的控制阀在复位弹簧力作用下关闭,从而关闭采油树上的液压缸执行器,保护原油生产系统[1]。本文主要介绍了具有失压保护功能的常开式控制阀的结构及工作原理、数学模型、仿真建模和相应仿真结果分析。

　　1　控制阀结构及工作原理

　　控制阀结构图及液压原理图如图1所示。控制阀由主阀体和先导阀组成,其中先导阀为1个常开式两位三通电磁换向阀,主阀为1个两位四通滑阀,根据实际需要,此处将阀口A堵住,使之成为两位三通阀。一般情况下,水下生产系统中控制阀一直处于开启状态。为了增加系统可靠性,降低外界环境的干扰,将控制阀设计成常开式;为了保证系统的安全性,使控制阀具有失压保护的功能。工作时,主阀的B口接液压缸执行器的开启腔,控制执行器的开启和关闭。其工作原理:当电磁换向阀的电磁铁失电时,电磁换向阀右位接通,由P口引入的高压控制油通过电磁换向阀进入主阀体右边容腔,推动主阀芯左移,主阀右位接通,即P和B接通,与B相连的执行器开启;当电磁换向阀的电磁铁通电时,电磁换向阀的左位接通,主阀体右边容腔内的液压油经电磁换向阀泄压,主阀在复位弹簧作用下复位,左位接通,主阀B口和T口接通,此时控制阀所控制的液压缸执行器复位。若电磁换向阀失电,主阀右位接通开启时,系统高压油压力降低,致使作用在主阀芯上的液压力无法平衡复位弹簧力,主阀芯在弹簧力作用下复位,P口和B口切断,实现系统失压保护功能。

　　2　主阀数学模型

　　控制阀的主阀为普通滑阀结构,主阀芯具有两凸肩,阀口为全周开,通过阀口的流量以及主阀芯受力分析如下[2-6]。

　　2.1　主阀阀口流量数学模型

　　式中Cd—流量系数;A—流通面积;

　　ΔP—阀口压差;x—主阀芯位移;

　　D—阀芯台肩直径;ρ—油液密度。

　　2.2　主阀芯受力方程

　　式中A_B—阀芯承受控制油压的面积;m—阀芯质量;