摘 要:介绍了一种水下球阀用带接口的单作用液压执行机构,分析了液压执行机构的工作原理,通过设计计算确定其基本参数,给出了水下球阀用液压执行机构的设计方案。
1 概述随着海洋石油天然气工业的发展,以及海洋石油天然气的勘探和开发向深水区域迈进,水下生产系统已经成为一种重要的深水开发模式。在早期,水下阀门主要的形式是闸阀,但随着深海油气田的发展和对大孔径、高压力阀门需求的增加,球阀在深海环境的应用越来越广泛。本文介绍一种水下球阀用带水下机器人(ROV)接口的单作用液压执行机构。
2 工作原理
在正常工况下,执行机构通过液压缸驱动阀门关闭,通过复位弹簧开启阀门。在调试或液压源故障时,通过ROV接口驱动。水下球阀执行机构由液压驱动机构、弹簧复位机构、ROV驱动机构、压力补偿器和位置指示器等(图1)组成。
1.ROV驱动机构2.压力补偿器3.安装支架
4.液压驱动机构5.弹簧复位机构6.位置指示器
图1 水下球阀执行机构
执行机构每个腔体设置了压力补偿器。补偿器采用金属膜片盒式结构,金属膜片一侧通海水,另一侧连通执行机构各个腔体。由于执行机构腔体内充满了介质,当金属膜片受到海水压力作用时发生弹性变形,使得执行机构腔体内的压力与海水压力相等,从而可以采用更为轻薄的壳体结构,同时也可以简化密封结构。
为满足ROV操作的需求,执行机构设置了可视化位置指示器,可通过ROV的水下摄像机观察指示机构位置进行相应操作。球阀执行机构的位置指示器设置在顶部,直接与输出轴相连,可显示输出轴转动的角度。
水下球阀执行机构采用单作用液压缸,依靠液压力和弹簧力分别驱动往复动作,以实现开启/关闭的功能。执行机构有两种工作方式,即液压操控和ROV操控。
液压操作阀门开启时,液压油通过油管进入执行机构的油腔内,推动活塞向左移动,活塞端部连接的传动杆及齿条随之运动,齿条通过球阀阀杆上的齿轮转动阀杆,驱动球阀关闭。在整个活塞左移的过程中,弹簧不断被压缩,通过液压缸左端的限位螺钉限制执行机构的最大行程。当阀门需要打开时,卸掉油腔内液压油压力,弹簧的弹力克服阀门的开启力和活塞与缸体内壁的摩擦力,使得活塞向右移动,直到弹簧恢复初始状态,阀门完全打开。
ROV操作阀门关闭时,首先ROV机械臂与水下执行机构ROV接口连接,在ROV机械臂顺时针力矩的作用下,ROV接头通过齿轮及轴套驱动螺杆旋转,在传动螺母作用下螺杆向左运动,推动齿条向左运动,齿条通过球阀阀杆上的齿轮转动阀杆,驱动球阀关闭。ROV操作阀门开启时,ROV机械臂逆时针旋转,螺杆向右运动,在弹簧回复力的作用下齿条带动阀杆旋转,实现阀门开启。
3 设计计算
3.1 液压驱动机构
(1)液压缸内径
液压缸内径D为
(1)
式中 D———液压缸内径,mm
p1———液压缸工作压力(p1=20),MPa
p2———液压缸回油腔背压(p2=5),MPa
ηcm———液压缸的机械效率(取ηcm=0.9)
F———工作循环中最大外负载,N
F=Fo+Ft
Fo———驱动阀杆作用力,N
Ft———压缩弹簧作用力,N
执行机构输出扭矩T1=45kN·m,Fo=45kN·m/150mm=300kN,Ft=Fo/ηcm=333kN,则F=633kN,可得油缸内径D=244.4mm,按照标准GB2348,取D=260mm。
(2)液压缸工作行程
液压缸工作行程根据执行机构实际工作的最大行程确定。球阀液压缸行程等于阀杆齿轮周长的四分之一,即157.08mm。按照标准GB2348选取标准值,工作行程取160mm。
(3)液压缸壁厚
缸筒最小壁厚δ为
(2)
式中 pY———缸筒试验压力(取1.25倍工作压力,pY=25),MPa
[σ]———缸筒材料的许用应力,MPa
(4)液压缸流量
由液压缸工作行程160mm和球阀动作时间14s,可得活塞运动速度v=11.43mm/s。
液压缸流量Q为
(3)
可得,执行机构液压缸流量Q=607L/min。
3.2 ROV驱动机构
ROV接口驱动时,执行机构输出扭矩T1=45kN·m,ROV接口采用ISO13628-8标准的等级4,即输入扭矩T2=2.711kN·m。
螺杆螺母的传动螺纹采用梯形螺纹。滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关,其中最主要的因素是螺纹工作面上的压力,压力越大螺旋副间越容易形成过度磨损。螺纹中径d2满足
(4)
式中 ξ———传动效率(ξ=0.8)
φ———根据螺母长度确定(取φ=4)
[P]———滑动螺旋副材料的许用压强(取[P]=18),MPa
按GB/T5796.2-2005选取标准梯形螺纹Tr80×10。由于该螺旋副应具有自锁性,需要校核螺旋副是否满足自锁条件。螺纹中径升角ψ和螺旋副的当量摩擦角φs。
(5)
(6)
式中 n———螺纹头数(n=1)
f———摩擦系数(f=0.14)
α———梯形螺纹的牙型角(α=30°),(°)
当ψ≤φs满足自锁条件。
螺杆所需驱动扭矩T为
(7)
T/T2=1.80,则锥形齿轮传动比i=2,即可满足输出力矩要求。
4 结语
设计中重点对液压操控端及ROV操控端进行了计算,确定了主要设计参数并对传动比以及螺杆强度进行了校核,证明是一种可行的水下球阀用液压执行机构解决方案。
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