兩位三通電液換向閥閥位切換動態特性分析

安維崢 岳元龍 孫 欽 左 信 劉致祥

（1.中海油研究總院有限責任公司；2.中國石油大學（北京）信息科學與工程學院）

近年來，隨著世界范圍內油氣資源消耗的遞增和陸地原油開采速度的加快，海洋領域的油氣勘探開發成為新的焦點［1～3］。 目前，水下生產控制系統已發展成具有直接液壓、先導液壓、順序液壓、直接電液、電液復合及全電氣等多種控制模式，其中電液復合控制技術是現階段具有明顯優勢，并得到廣泛應用的成熟技術［4～9］。 在國家政策的大力支持下， 海洋油氣勘探開發裝備不斷發展，對設備的生產能力、可靠性、安全性及自動化程度提出了更高的要求，方向控制閥作為水下控制模塊的重要組成部分，承擔著保證水下油氣田安全運行的責任。

液壓換向閥是實現水下閥門開啟和關閉操作的執行單元， 廣泛應用于電液復合控制系統，是電液復合控制系統最核心的部件［8］。近年來，隨著國家對海洋石油的大力支持，海洋油氣設備不斷發展，對設備的安全性、可靠性以及自動化程度提出了更高的要求［9］。然而，我國海洋油氣設備的研制工作起步較晚，特別是水下生產控制中的各種控制閥，其性能直接關系到整個水下生產控制系統的安全運行，但是國內目前還沒有此類設備的研制技術。 因此，若想大力發展水下生產控制系統， 必須解決電液換向閥的國產化研制工作。 電液換向閥的動態特性分析可為其設計工作提供理論指導。 針對兩位三通液壓換向閥的動態特性分析，國內外均有研究。 高成國和林慕義針對大流量電液換向閥在沖擊載荷作用下的閥位切換失效問題，建立兩位三通電液換向閥開啟和關閉過程的動態數學模型， 利用Simulink對電液換向閥進行了動態特性仿真分析和試驗［10］。 王麗霞對兩位三通液壓換向閥進行尺寸計算、受力分析和性能計算，從而對閥的結構進行設計，最后建立了兩位三通換向閥在開啟和關閉過程中的數學模型，并在AMESim上建立閥的結構，對電液換向閥的性能進行仿真分析［11］。 李優利用AMESim對兩位三通換向閥進行動態特性仿真，并分析得出閥的動態特性對整個系統工作穩定性和可靠性有較大影響的結論［12］。 賈文華等在AMESim建立液壓換向閥的模型， 并進行參數設置，利用AMESim與MATLAB的接口傳輸閥位切換數據，在MATLAB中進行了換向閥的優化仿真［13］。趙巖和孟令衛針對液壓換向閥壓力流量特性難以準確還原的問題， 提出基于Simulink的液壓換向閥建模方法，并解決閥口壓力流量特性容易與實際有出入的問題，使用圖示法建立換向閥的壓力流量關系，并分別建立Simulink仿真模型，測試了模型的可信度，測試結果表明，公式法建模和圖示法建模能還原液壓換向閥的壓力流量特性，圖示法建模的效果更好［14］。 文獻［15］在MATLAB中建立液壓換向閥的動態數學模型，并通過實驗方式獲取閥的頻率響應數據，通過閥的頻率響應來描述閥的動態特性。

電液換向閥主要由電磁閥先導閥和液壓換向主閥組成。 電磁閥作為先導閥控制油路的切換，液壓換向主閥切換主油路，從而實現液壓換向閥的開啟和關閉。 一旦液壓換向閥閥位切換出現問題，會影響整個水下生產的安全運行。 因此，保證液壓換向閥閥位在高溫高壓海洋環境下正常切換十分關鍵。 筆者針對特定的兩位三通電液換向閥主閥結構，建立主閥閥位切換的動態特性數學模型， 用Simulink對兩位三通液壓換向閥的閥位進行動態特性仿真分析。 根據仿真結果，了解閥芯位移的變化規律，為電液換向閥的結構設計提供理論指導。

1 電液換向閥的結構和工作原理

電液換向閥由兩個電磁先導閥和一個兩位三通的液壓換向主閥組成。 兩位三通電液換向閥結構原理如圖1所示，主閥由復位彈簧、閥體、閥套和閥芯組成。

圖1 兩位三通電液換向閥結構原理

電液換向閥的工作原理為：當電液換向閥的兩端電磁先導閥均不通電時，主閥閥芯在復位彈簧預緊力的作用下使閥芯端面與右側先導閥接觸，主閥的功能口F與供油口P導通；當右端電磁先導閥通電時，液動換向閥閥芯在右端液壓油推力的作用下使閥芯端面與左側先導閥接觸，主閥的功能口F與回油口R導通，即使右端電磁先導閥失電，由于高壓油的作用，使閥具有自鎖功能，閥芯能保持在右端； 當左端電磁先導閥通電時，液壓油通過左側先導閥進入主閥的左腔，在左側先導閥液壓油的壓力和復位彈簧的共同作用下，閥芯右移，使閥芯端面與右側先導閥接觸，此時主閥功能口F與供油口P導通，完成電液換向閥的閥位切換。

2 閥位切換動態數學模型

針對主閥的開關過程， 忽略油路的泄漏，同時考慮各節流管路，液壓油特性、主閥閥芯質量和閥芯與滑套間的摩擦力等參數對液壓換向閥動態特性的影響，建立兩位三通液壓換向閥閥位切換的動態數學模型來分析換向閥閥位切換的工作特性。 如圖1所示，按照換向閥的結構和工作原理， 分別建立主閥開啟和關閉的數學模型，其中包含主閥閥芯的受力平衡方程，主閥腔體內和各油路內的流量連續方程。

當電磁先導閥開啟時，液壓油通過右先導閥節流口進入主閥右腔，主閥閥芯在主閥右腔的壓力下左移，此時主閥右腔的壓力流量方程為：

其中，Q1為主閥右腔流量；Cd為先導閥控制口流量系數；d1為主閥右腔的直徑；ρ為液壓油密度；p0為控制先導閥出油口的壓力；p1為主閥右腔壓力；ξ為閥口阻尼系數；A1為主閥右腔流通面積；A0為先導閥控制口流通面積。

主閥開啟時，先導閥控制腔、主閥右腔和自鎖腔體導通，主閥右腔的流量連續方程為：

其中，d2為自鎖油路的直徑；p3是主閥為環形腔體的壓力；V1是閥芯無位移時右腔體積；Ep為液壓油的體積彈性模量；A1為閥芯橫截面積；X是閥芯的位移。

主閥開啟時，供油口P、功能口F和自鎖油路導通，主閥環形腔里流量連續方程為：

其中，d3為主閥供油口的直徑；pp為主閥供油口的壓力；V2是環形油路的體積；d4為主閥功能口的直徑；pf為主閥功能口的壓力。

瞬態液動力忽略不計，近似為零，則開啟時閥芯的平衡方程為：阻尼系數；m為閥芯的質量。

當左電磁先導閥開啟時，液壓油通過左先導閥節流口進入主閥左腔，主閥閥芯在主閥左腔的壓力和彈簧的推動下左移，此時主閥左腔的流動連續方程為：

其中，d0為先導閥控制口直徑。

主閥關閉時，回油口R、功能口F和自鎖油路導通，其流量連續方程為：

其中，p2為主閥左腔壓力；K為復位彈簧的勁度系數；X0為彈簧的預壓縮量；B1為閥芯運動粘性

其中，d5為主閥回油口的內徑；pr為主閥回油口的壓力。

關閉時閥芯的平衡方程為：

整理可得：

因此閥開啟時的流量和位移的傳遞函數如下：

對式（17）變形，可以得到壓力和流量的傳遞函數框圖，如圖2所示。

圖2 壓力和流量傳遞函數框圖

同理可得，閥關閉時主閥左腔的流量和閥芯位移的傳遞函數與主閥左腔內的壓力和流量的傳遞函數如下：

3 動態特性仿真分析

在確定了系統模型參數后，根據換向閥開啟和關閉的傳遞函數，利用Simulink搭建仿真模型，仿真模型包括液壓換向閥開啟和關閉時流量和位移的仿真與壓力和流量的仿真。 主閥開啟和關閉的Simulink仿真模型如圖3所示，仿真模型中包含主閥兩側腔體流量和閥芯位移的傳遞函數，以及主閥兩側腔體壓力和流量的傳遞函數。

圖3 Simulink仿真模型

仿真模型中兩位三通液壓換向閥的主要參數如下：

彈簧剛度 20 N/mm

閥芯質量 0.1 kg

閥芯直徑 12 mm

油路直徑 3 mm

液壓油型號 HW525

液壓油密度 0.8 g/cm3

利用兩位三通液壓換向閥的參數，通過對主閥開啟和關閉兩階段Simulink模型的仿真研究，可以得到電液換向閥右腔的壓力變化曲線和主閥閥芯的位移曲線，其中主閥開啟過程中的主閥右腔壓力變化曲線和閥芯位移變化曲線如圖4所示，主閥關閉過程中的主閥左腔壓力變化曲線和閥芯位移變化曲線如圖5所示。

圖4 主閥開啟階段仿真結果

圖5 主閥關閉階段仿真結果

圖4為主閥開啟階段的動態仿真結果， 由于控制先導閥內存在壓力緩沖，因此，在仿真開始約25 ms后，主閥右腔壓力開始緩慢增加，同時主閥閥芯開始發生位移，在仿真時間約60 ms時，主閥右腔內壓力約為22.5 MPa， 閥芯位移6.35 mm，此時主閥完全打開。

圖5為主閥關閉階段的動態仿真結果， 在仿真開始后，主閥左腔壓力立刻開始增加，同時主閥閥芯開始發生位移，在仿真時間約65 ms時，主閥左腔內壓力約為21.1 MPa， 閥芯位移6.35 mm，此時主閥完全關閉。

4 結束語

在對兩位三通液壓換向閥結構和性能分析的基礎上，建立了兩位三通換向閥開啟和關閉過程的動態數學模型。 利用Simulink搭建仿真模型，由仿真結果可以得到在閥開閉過程中閥芯位移和主閥兩端壓力的變化規律。 根據仿真結果可知， 所建立的閥位切換動態數學模型是正確的，可用于分析和預測兩位三通液壓換向閥的動態換向特性，兩位三通液壓換向閥的動態換向特性分析為兩位三通液壓換向閥的設計提供了理論指導，對電液換向閥的國產化研究具有非常重要的意義。