基于AMESim的長距離管道液壓系統動態特性與優化設計*

楊海軍，張慧賢※，布占偉，郭兆鋒，鐘衛，曾鑫寶，王一鳴

（1.洛陽理工學院智能制造學院，河南洛陽471023；2.上海倍伺特自動控制設備有限公司，上海201818；3.上海羿歌信息技術有限公司，上海200052）

0 引言

液壓傳動中管道流體的遠距離輸送應用廣泛，常見的有石油及自來水的遠距離輸送、百米消防車、海洋平臺水下作業裝置控制系統等[1-3]。管道作為液壓系統必須的連接元件，主要對流體起輸送作用，流體的特性及管道的參數對長距離管道流體輸送系統的穩定性及可靠性有著重要影響。本文利用AMESim對長管道液壓控制系統進行建模仿真，探究流體特性及管道參數等對長距離管道系統運行的影響，將優化系統參數匹配，對實際液壓系統設計具有指導意義。

AMESim為多學科領域復雜系統建模仿真平臺，可通過機械庫、液壓庫、液壓元件設計庫、液阻庫、信號庫等，根據實際環境建立接近真實的仿真模式[4-6]。通過AMESim建立了長管道液壓系統的仿真模型，通過配置子模型，設置主要液壓元件參數，研究了流體特性、管道物理參數對系統特性的影響，并研究了長管道流體輸送系統減小液壓沖擊的方法，對優化系統參數的匹配及系統的可靠性設計提供了參考。

1 液壓系統原理及仿真模型

1.1 系統原理

海上石油開采平臺中多種作業機構都需在水下進行工作，對控制系統的穩定性有較高的要求。

水下采油樹液壓控制系統分為兩部分，一部分為位于水面上的液壓控制站，另一部分為位于海底的執行模塊[7-10]。這兩部分的工作距離可達百米到千米，須用長管道進行連接。水下采油樹控制系統如圖1所示。

圖1 水下采油樹控制系統Fig.1 Christmas tree control system

圖2 所示為海洋平臺水下采油樹控制模塊簡化的原理圖，此液壓模塊的功能為打開和關閉水下作業裝置的閥門。該長距離輸送管道存在于二位三通閥與二位四通閥之間，該長距離管道連接著此液壓控制系統的兩個部分，一部分在水面上工作，連接此液壓系統的控制模塊，這部分主要由定量泵、溢流閥和二位三通控制閥組成；另一部分是在水下工作，由一個二位四通的控制閥和液壓缸組成，其中液壓缸連接著閥門。溢流閥對整個液壓系統起保護作用，當系統的工作部分發生故障或者控制閥出現問題時，由溢流閥進行泄壓，防止系統壓力過高而對元件產生損壞，另外溢流閥還可以調節泵的出口壓力。系統工作時，液壓油通過長距離輸送管道進入液壓缸的無桿腔，當無桿腔的壓力上升至工作壓力時，液壓缸開始動作，液壓桿伸出，水下采油樹裝置的閥門被打開；當閥門接收到關閉信號時，液壓缸通過控制閥進行泄壓，液壓桿回縮，水下作業裝置閥門關閉。

圖2 長管道液壓系統原理Fig.2 Schematic diagram of long pipeline hydraulic system

1.2 仿真模型

水下采油樹長管道液壓控制模塊仿真模型如圖3所示。仿真模型中主要元件參數如表1所示。

圖3 水下采油樹長管道液壓控制模塊仿真模型Fig.3 Simulation model of Christmas tree hydraulic control module

表1 系統參數Tab.1 Basic parameters

2 仿真結果分析

2.1 管道參數對系統動態特性的影響

（1）管道長度的影響

設置了3組管道長度，長度分別為500 m、1 500 m和3 000 m，對整個長管道液壓系統進行100 s的仿真，仿真結果如圖4所示。圖4（a）為液壓油經過長距離管道時的壓力損失曲線，從圖中可以看出，在管道直徑、液壓油屬性不變的前提下，隨著管道長度的增加，管道壓力損失不斷增大。圖4（b）和圖4（c）分別是負載的速度和位移響應曲線，表明隨著管道長度的增加，負載的速度響應及位移響應減小，且響應時間增加，表明管道長度對系統的動態特性有著明顯的影響。

圖4 管道長度對系統的影響Fig.4 The influence of pipe length on the system

（2）管道直徑的影響

保持管道長度為1 500 m不變，改變管道直徑為12 mm、15 mm、20 mm，仿真結果如圖5所示。圖5（a）為不同管道直徑時的壓力損失曲線，從圖中可以看出，隨著管道直徑的減少，系統壓力損失逐漸增大。圖5（b）、圖5（c）分別為不同管道直徑下的負載速度響應曲線和負載位移響應曲線。由圖中可以看出，隨著管道直徑的減小，負載速度響應及位移響應逐漸降低，響應時間增加。因此，應結合系統綜合性能，選擇合適的管道直徑。

圖5 管道直徑對系統的影響Fig.5 The influence of pipe diameter on the system

2.2 流體屬性對系統動態特性的影響

（1）流體密度的影響

對流經長距離管道的不同密度的流體進行仿真，在管道直徑15 mm，長度為2 000 m的前提下，當管道內部流體密度分別為850 kg/m3、1 040 kg/m3、1 200 kg/m3時，得到了不同流體密度下的壓力損失曲線、負載速度響應曲線及負載位移響應曲線，如圖6所示。由圖6（a）可知，不同流體密度下管道的壓力損失沒有明顯區別，表明流體流經管道時壓力損失的變化與密度關系不大。圖6（b）和圖6（c）表明，隨著流體密度的增加，負載速度響應及負載位移響應均有所減小，響應時間有所增加，但影響較小。

圖6 流體密度對系統的影響Fig.6 The influence of fluid density on the system

（2）流體黏度的影響

液壓油流體黏度變化一般與溫度相關，為研究流體黏度對長距離管道液壓系統的影響，設置了3組流體黏度，分別為25 cP、51 cP、100 cP。圖7（a）所示為不同黏度流體經過管道時的壓力損失曲線，可以看出隨著黏度的增加，液壓油流動性變差，經過長距離管道時壓力損失增加。圖7（b）和圖7（c）為不同黏度下負載的速度及位移響應曲線，從圖中可以看出，隨著黏度的增加，負載響應時間增加，工作效率變低。

圖7 流體黏度對系統的影響Fig.7 The effect of fluid viscosity on the system

2.3 管道參數與液壓沖擊

閥門在開啟后管道中流體的壓力處于穩定狀態，當閥門突然關閉，流體壓力急劇升高，造成液壓沖擊，對系統穩定性及液壓元件易造成損壞[11-15]。為研究影響長管道液壓沖擊的因素，以圖3為仿真模型，選擇管道模型為HH06A，設定泵出口壓力為7 MPa，管道長度分別為20 m、50 m和70 m，管道直徑分別為12 mm、15 mm和20 mm，將圖2中二位三通閥設置為工作2 s后關閉，則管道長度與管道直徑對液壓沖擊的影響如圖8（a）、圖8（b）所示。表明隨著長距離管道長度的增加和管道直徑的減小，壓力沖擊峰值有減小的趨勢，但管道長度的影響非常有限。為改善液壓沖擊，在長管道和控制電磁閥之間安裝蓄能器，設定蓄能器容積為0.75 L，預充壓力為7 MPa，取管道長度為50 m，直徑為15 mm，則無蓄能器和有蓄能器進行仿真對比，得到壓力沖擊曲線對比如圖8（c）所示。表明安裝蓄能器后，壓力沖擊峰值減小，壓力曲線變得平穩，所以蓄能器在長距離管道液壓系統中可以減小液壓沖擊的影響。

圖8 管道參數對液壓沖擊的影響及改善Fig.8 The influence of pipeline parameters on hydraulic shock and improvement

3 結束語

（1）為優化長距離流體輸送管道液壓系統的設計，探究流體特性及管道參數等對長距離流體輸送管道系統運行的影響，以海上采油樹液壓控制系統為原型，采用AMESim建立了長管道液壓系統的仿真模型，研究了管道長度、管道直徑、流體密度及粘度對管道壓力損失及動態特性的影響，分析了影響長管道液壓沖擊的因素，并提出了改善方法。

（2）研究表明在管道直徑、液壓油屬性不變的前提下，隨著管道長度的增加，管道壓力損失不斷增大。系統負載的速度及位移響應時間增加；隨著管道直徑的減小，負載速度響應及位移響應逐漸降低，響應時間增加；隨著黏度的增加，液壓油流動性變差，經過長距離管道時壓力損失增加，負載響應時間增加，工作效率變低；而流體密度對管道壓力損失、負載速度響應及負載位移響應的變化影響較小。

（3）隨著管道長度的增加和管道直徑的減小，壓力沖擊峰值有減小的趨勢；安裝蓄能器后，壓力沖擊峰值減小，壓力曲線變得平穩，所以蓄能器在長距離管道液壓系統中可以減小液壓沖擊的影響。

（4）該方法優化了系統參數匹配，分析了影響長管道液壓系統動態特性的因素，對長管道液壓系統的設計提供了參考，對實際液壓系統的設計具有指導意義。