水下阀门仿真试验技术在海洋装备教学中的应用

郭龙川, 杨子赫, 王嘉祎, 付凯妹

(1. 杭州电子科技大学 机械工程学院， 杭州 310018; 2. 中国石油化工研究院， 北京 102206)

0 引 言

Simulation X为一款在工程实践和高校科研实验中得到逐渐应用的新兴软件[1-3]。Simulation X可在统一平台上为多学科和多领域进行相关的系统工程建模和仿真验证研究，它涉及的学科门类较多，包括海洋工程、机器人及控制系统优化、发动机系统以及电磁驱动机构的设计等。而动态机理建模技术为Simulation X仿真提供了可操作的基础，通过掌握对象的运行机理，将数学模型导入Simulation X中，形成最终的仿真分析结果[4-8]。

在海洋工程学科的课堂教学实践中，相关的理论和技术都较为抽象，这种抽象主要表现在两个方面，① 海洋工程的真实环境距离学生较远，学生对于海洋及海洋工程的相关系统概念是模糊的，仅靠图片和视频是难以形成完整的海洋工程学的知识体系。② 海洋工程涉及面广，涉及机械、控制、材料多种学科的融合。基于此，单一的理论传授式的教学是难以达到课堂教学目的，且教学效果较差[9-12]。如果能通过一些仿真实验环节对课堂教学进行有效的补充，将会对学生较好的掌握海洋工程的相关知识体系具有非常大的帮助，并产生良好的课堂教学效果。

本文以“海洋工程设计”课程中的“深水阀门及执行机构”教学内容为例，结合Simulation X软件，对深水阀门及执行机构进行机理建模和动态仿真分析。基于Simulation X软件搭建深水阀门及执行机构仿真平台将训练学生在海洋工程、水下生产系统、水下电液复合系统与水下控制系统设计等方面的综合能力。通过对运行机理进行分析并建立数学模型，再结合Simulation X软件中最新的海洋库组件模块，学生可以根据不同水深、不同海况压力和温度的要求，自主设计并搭建水下深水阀门及执行机构仿真系统，根据要求设定深水阀门及执行机构的动作时间及运行方式，可充分将理论与实践衔接起来，一方面使学生能够系统地学习理论知识，掌握深水阀门及执行机构的基本原理与技术；另一方面有助于提高学生解决实际深水工程问题的能力，从而提升教学质量与效果。

1 深水阀门及执行机构的压力补偿机制

深水阀门及执行机构是深水海洋油气开发必不可少的设备，并广泛应用于水下生产系统中[5]。深水阀门与陆地上阀门相比，涉及海水腐蚀、深水压力、深水温度等外部环境影响，同时这些外部因素的影响也要求阀门具有较高可靠性和较长使用寿命。深水阀门及执行机构的构成如图1所示，包括液压缸，ROV(水下机器人)操作接口、机械传动机构，阀门位置指示器和用于平衡海水静压的压力补偿结构[3]。

深水阀门及执行机构相较于陆上阀门不同点在于前者内部必须充入液体—补偿液，以平衡海水环境中阀门所受的压力，即通过压力补偿器来实现此特性[3]。图2为一种皮囊式压力补偿结构，皮囊的内外表面分别与补偿液和海水接触，以达到内外介质的压力平衡，同时又将海水与补偿液隔离，避免海水进入阀门及执行机构腐蚀内部组件。

1-指示器指针；2-压力补偿器；3-液压注入口；4-深水闸阀；5-执行机构本体；6-ROV接口图1 深水闸阀执行机构1-补偿器外腔；2-皮囊；3-补偿器内腔；4-补偿器油流通道；5-执行机构内腔；6-执行机构外壳；7-补偿器外壳图2 皮囊式压力补偿器 示意图

图3所示为一种深水阀门及执行机构的活塞杆开导流孔示意图。

1-执行机构内腔； 2-液压腔； 3-弹簧； 4-液压注入口； 5-负压腔； 6-活塞杆； 7-导流孔

图3 深水闸阀执行机构活塞杆开导流孔示意图

下面通过建立了包含导流孔阻尼影响在内的深水阀门及执行机构液压控制时的动力学模型，并利用SimulationX软件进行动态仿真。

2 深水闸阀执行机构液压控制时的动力学模型

深水阀门及执行机构的动作动力源为液压油，在阀门开启时，由水上的液压源在恒定压力作用下供油；当需要阀门关闭时，去除液压压力。在此基础上用传递函数法建立深水闸阀执行机构液压控制时的动力学模型[3-4]。执行器的动态微分方程如下：

执行器开启过程中，活塞杆的力平衡方程为

(1)

流量方程为

Q=(A-A1)dy/dt

(2)

动作持续时间为

t=(A-A1)L/Q

(3)

执行器关闭过程中，活塞杆的力平衡方程为

md2y/d2t+ρgHA1+ρgH(A-A1)+f关

(4)

流量方程为

Q1=-(A-A1)dy/dt

(5)

动作持续时间为

t=(A-A1)L/Q1

(6)

以上各式中：p为执行机构控制开启的供压压力；A为活塞面积；A1为活塞杆面积；A2为阀杆面积；H为工作水深；y为活塞位置；L为活塞行程；L0为弹簧预压缩量；m为活塞等动作部件质量+1/3弹簧质量；ρ为海水密度；μ为补偿液的动力黏度；k为弹簧刚度；g为重力加速度；lp为导流孔长度；dp为导流孔内径；f开为阀门的开启阻力；f关为阀门的关闭阻力；Q为执行机构开启过程中流入液压缸的流量；Q1为执行机构关闭过程中流出液压缸的流量。

3 基于SimulationX的深水阀门及执行机构的动态仿真分析

下面基于SimulationX软件对深水阀门及执行机构进行动态仿真分析，当学生们通过建模了解深水阀门的动态机理后，为有更加深刻的直观感受，通过仿真分析这一技术即可使学生由内而外深入掌握深水阀门的动作过程。SimulationX软件里的海洋库功能模块的一大特点即用户可利用Type Designer工具自定义标准深水装备元件，且能对标准深水元件进行扩展、对已有深水模型进行封装以及对所建模型加密，且具有良好的开放性、继承性和保密性[5-7]。

3.1 主要技术参数

以我国南海某深水油田中的液压执行机构为例，其水深1 500 m；液压开启压力20.7 MPa；执行机构的液压缸内径180 mm；活塞杆直径90 mm；深水阀杆直径50 mm；执行机构活塞杆导流孔直径10 mm；活塞杆导流孔长度480 mm；行程120 mm；弹簧刚度221.7 kN/m；活塞杆及其从动部件质量1.245 t；弹簧预压缩量295 mm；闸阀的最大开启阻力为59.6 kN，最大关闭阻力为29.8 kN。

3.2 仿真结果

通过SimulationX软件的海洋库对执行机构的开启和关闭过程进行动态仿真，在SimulationX软件中建立仿真模型，如图4所示。仿真结果如图5～10所示，曲线清晰表明了执行机构开启和关闭过程中活塞的速度、液压腔流量及负压腔流量的变化。从图中可以看出，流量变化与速度变化基本同步；由于液压腔和负压腔的活塞杆外径不同，导致其流量在大小上有所差异。在此基础上，学生可以对相关海洋模块进行相应的增减，通过模块化的操作，使学生根据课堂中吸收的海洋工程理论知识，进行个性化的优化设计，此举可以锻炼学生进行较为基础的工程设计工作，特别是一些总体方案设计，从而为今后从事相关行业的工作打下一定基础。

图4 SimulationX执行机构液压仿真模型

图5 开启时活塞的速度曲线图6 开启时液压腔的流量曲线图7 开启时负压腔的流量曲线图8 关闭时活塞的速度曲线图9 关闭时液压腔的流量曲线图10 关闭时负压腔的流量曲线

通过Simulation X软件将前期的理论建模知识与仿真验证实验结合起来，使理论与实际相结合、学以致用，学生对此非常投入，增强了对水下生产控制系统、水下阀门及执行机构等知识与技术的理解，掌握了许多相关的知识点。此外，在同样的组件设备基础上，可以开展其他水下装备系统设计，例如水下连接器系统、水下通信系统、水下管汇系统。而模块化的设计可以使得学生可以自主进行优化设计，在现有课程安排的基础上，对他们充分利用时间与相关仿真软件有非常好的帮助。从实践来看，提高了教学效果。

4 结语

本文以“海洋工程设计”课程中的“深水阀门及执

行机构”教学内容为例，探讨深水阀门及执行机构的动作机理，并根据动作机理建立数学模型。在此基础上，结合Simulation X软件，对深水阀门及执行机构进行动态仿真分析。将动态机理建模和Simulation X软件仿真技术紧密结合，形成一套完备的水下阀门及执行机构仿真实验平台，通过此平台可以继续模块化的学习水下生产系统的相关组件。一方面学生能够系统地学习理论知识，掌握深水阀门及执行机构的基本原理与技术；另一方面有助于提高学生解决实际深水工程问题的能力，从而提升教学质量。

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