（机械电子工程专业论文）深水管道轴向对准工具控制系统的研究.pdf

哈尔滨t 稗大学硕十学伊论文 摘要 随着世界石油资源的目渐衰竭，海洋逐渐成为全球石油勘探的重点目 标。从浅海走向深海是海洋油气开发的总趋势。由于我国深海油气勘探的关 键技术和设备都比较落后，深海油气开发仍处于初级阶段。论文主要内容来 源于国家8 6 3 课题“深水海底管道铺设技术”，主要研究管道初连接机具中轴 向对准工具部分，为我国开发深海油气资源做准备。 论文介绍了管道初连接机具的国内外发展情况。提出了轴向对准工具控 制系统的研究内容。此控制系统是在机械本体设计方案的基础上进行的，根据 轴向对准工具所完成的动作，完成了液压系统的总体设计，分析了液压系统 的工作原理，确定了液压系统的主要功能回路，并对液压泵、开关阀等液压 元件进行选型。 调整装置是轴向对准工具的重要部分，其横向和纵向调整装置( 前端或 后端) 均采用两个液压缸作为执行元件，因此调整装置的控制问题也就是双 缸同步控制问题。通过对几种常用的开环和闭环同步回路对比分析，确定了 横向和纵向调整装置均采用双比例阀控制的主从式闭环同步回路。 本文对纵向调整装置的电液比例控制系统进行了分析，建立了比例阀、比 例阀控制非对称缸和传感器的数学模型，确定出了比例阀控制液压缸的位置 和同步系统的仿真模型，利用m a t l a b 中s i m u l i n k 工具箱对液压缸活塞 杆上行和下行运动进行仿真分析，采用位置式p i d 和改进p i d 对系统进行了 校正，提出了减小比例阀中位死区的定值补偿方法。 最后进行了p l c 控制系统设计，确定了控制系统的总体方案，完成p l c 和a d 、d a 的硬件的选型，p l c 的i o 分配和硬件接线图，同时完成了软 件流程图。 关键词：轴向对准工具；同步控制；p l c ；比例方向阀 哈尔演t 稃大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ew e a r i n go u to ft h ew o r l d sp e t r o l e u mr e s o u r c e ，o c e a ng r a d u a l l y b e c o m e st h ef o c u so ft h eg l o b a lp e t r o l e u me x p l o r a t i o n i ti st h eg e n e r a lt r e n dt o e x p l o r eo c e a np e t r o l e u ma n dg a sf r o ms h a l l o wt od e e ps e a b e c a u s eo fo u rk e y t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n ta r er e l a t i v e l yb a c k w a r di nd e e p s e ap e t r o l e u ma n dg a s e x p l o r a t i o n ，d e e p s e ap e t r o l e u ma n dg a sd e v e l o p m e n ti s s t i l l i ni t si n f a n c y m a i n c o n t e n t so ft h i sp a p e rc o m ef r o mt h e8 6 3s u b j e c t s p i p el a y i n gt e c h n o l o g ya tt h e d e e ps e a w h i c hm a i n l ys t u d i e st h ea x i a lf o r c et o o lo fp i p ei n i t i a lc o n n e c t i n g e q u i p m e n tt op r e p a r ef o rt h ee x p l o r a t i o no f p e t r o l e u mf r o mt h ed e 印s e a t h ei n t e r n a t i o n a la n dd o m e s t i cd e v e l o p m e n to fp i p ei n i t i a lc o n n e c t i n g e q u i p m e n ti si n t r o d u c e d ，t h er e s e a r c h i n gc o n t e n t so f t h ea x i a lf o r c et o o lc o n t r o l s y s t e mi sp u tf o r w a r d t h i sc o n t r o ls y s t e mi sc a r r i e do nt h eb a s i so fm e c h a n i c a l d e s i g no n t o l o g y ，a c c o r d i n gt ot h ea x i a lf o r c et o o l sa c t i o n st oc o m p l e t e ，t h et o t a l h y d r a u l i cs y s t e md e s i g ni sf i n i s h e d ，w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eh y d r a u l i cs y s t e mi s a n a l y z e d ，t h em a i nf u n c t i o nl o o po ft h eh y d r a u l i cs y s t e mi si d e n t i f i e d ，a n d h y d r a u l i cc o m p o n e n t so fp u m p s a n dv a l v ee t ca r es e l e c t e d a d j u s t i n gd e v i c ei sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ea x i a lf o r c et o o l ，i t sh o r i z o n t a l a n dv e r t i c a l a d j u s t m e n td e v i c e s ( f r o n t - e n d o r b a c k - e n d ) a r et w oh y d r a u l i c c y l i n d e r sa si m p l e m e n t a t i o nc o m p o n e n t s ，t h e r e f o r et h ec o n t r o lo f t h ea d j u s t i n g d e v i c ei st h ei s s u eo fd o u b l es y n c h r o n o u sc o n t r 0 1 a c c o r d i n gt oc o m p a r a t i v e a n a l y s i st o s e v e r a lc o m m o n l yu s e do p e n - l o o pa n dc l o s e d - l o o ps y n c h r o n i z a t i o n l o o p ，h o r i z o n t a la n dv e r t i c a la d j u s t i n gd e v i c e sa r ed e t e r m i n e dw i t hm a s t e r - s l a v e s y n c h r o n i z a t i o no fc l o s e d l o o pc o n t r o l l e db yd u a l - p r o p o r t i o n a lv a l v e i nt h i sp a p e r , t h ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o ls y s t e mo ft h e v e r t i c a l a d j u s t i n gd e v i c ei sa n a l y z e d ，m a t h e m a t i c a lm o d e l so fp r o p o r t i o n a l d i r e c t i o n a lv a l v e ，a s y m m e t r i cc y l i n d e rc o n t r o l l e dw i t hp r o p o r t i o n a lv a l v ea n d 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 s e n s o ra r ee s t a b l i s h e d ，s i m u l a t i o nm o d e l so fl o c a t i o na n ds y n c h r o n o u ss y s t e mo f h y d r a u l i cc y l i n d e r sc o n t r o l l e db yp r o p o r t i o n a ld i r e c t i o n a lv a l v ea r ed e t e r m i n e d ， t h eu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a mm o t i o n so fh y d r a u l i cc y l i n d e rp i s t o nr o da le s i m u l a t e dt h r o u g ht h es i m u l i n kt o o l b o xo fm a t l a bl a n g u a g e ，c o r r e c t i o ni s d o n ew i t hl o c a t i o n t y p ep i da n di m p r o v e dp i d ，c o n s t a n tc o m p e n s a t i o nm e t h o d s o ft h ep r o p o r t i o n a lv a l v em e d i a nd e a dz o n ea r ep u tf o r w a r dt or e d u c ei t se f f e c t f i n a l l y , t h e p l cc o n t r o l s y s t e mi sd e s i g n e d ，t h e o v e r a l lp r o g r a mi s d e t e r m i n e d ，h a r d w a r es e l e c t i o no fp l c ，a d ，d ai sc o m p l e t e d ，i 0d i s t r i b u t i o n o fp l ca n dh a r d w a r ed i a g r a mi sc a r r i e do u t ，s o f t w a r ef l o wc h a r ti sg i v e na tt h e s a m et i m e k e yw o r d s ：a x i a lf o r c et o o l ；s y n c h r o n o u sc o n t r o l ；p l c ；p r o p o r t i o n a ld i r e c t i o n a l v a l v e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：踅金汲 日期：弘穸年弓月砰日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( f 在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：踅金波 日期： 跏7 年3 月f 7 日 导师( 签字) ：彩彳 加罗年岁月夕日尸 哈尔滨下程大学硕十学位论文 第1 章绪论 据地质学家的预测，海底石油天然气的总储量为1 0 0 0 亿 - - 2 5 0 0 亿吨之 间，是世界7 0 多年来探明陆地总储量的两倍，其经济价值约为1 0 万亿 - 2 5 万亿美元d 1 。第二次世界大战后，随着电子技术、宇航技术、造船工业和机 械工业等的飞速发展，带动了海洋石油勘探开发技术及其装备工业的迅速发 展，至1 9 7 7 年，世界海洋石油总产量占世界石油总产量的比率已突破2 0 ， 而今已超过3 8 。 进入2 1 世纪，海洋逐渐成为全球石油勘探的重点目标。据国外权威机构 预测，未来世界油气总储量的4 4 将来自海洋的深水区。从浅海走向深海是 世界海洋油气开发的总趋势叼。深海石油作业已经被认为是石油工业的一个 重要前沿阵地，在墨西哥湾、巴西以及西非等地，深海石油开发已经有了很 大的发展。深水和超深水海域的油气资源，正成为美国、英国、挪威、巴西 等国竞相开发的热点。深水石油确实是未来全球石油占略接替的重点之一， 西非和墨西哥已经形成了接替的格局，但亚太特别是我国的南海、东海等深 水区，还是一片处女地p 1 。 我国海洋工程产业的发展目前还面临基础性研究薄弱、新技术开发能力 缺乏、高技术配套设备自主研发能力不足、效益低下等瓶颈。海洋油气开发 装备是否先进，直接决定海洋油气资源开发水平的高低。由于深海油气勘探 的关键技术和设备都比较落后，使得我国的深海油气开发仍处于初级阶段。 尽管我国在一些比较先进的油气工程装备方面已实现国产化，但绝大部分关 键技术仍然掌握在别人手里，国内厂商基本停留在钻采平台的制造上，相关 配套技术滞后，设备多数由国外建造配套，制约了海洋油气的规模开发h 1 。 1 1 课题的来源、目的和意义 本课题来源于哈尔滨工程大学机电工程学院海洋智能机械研究所负责深水 海管水下回接技术及a u t 检验设备国产化技术研究( 项目编号： 2 0 0 6 a a 0 9 a 1 0 5 - 4 ) ，该课题隶属于国家“8 6 3 ”重点项目“深水海底管道铺设技 术”。 哈尔滨t 柙，：孚：硕十学伊论文 研究目的：本课题的主要研究目标是形成具有自主知识产权的深水海底 管道水下回接技术和回接装备，提高我国在该领域的技术水平，降低海上石 油开采的成本。 水下回接技术是将新开发的生产管道并入己建的管网，从而使深水油田 及边际油田的开发变的经济有效。解决深水油田开发的技术问题是国内外海 上石油技术发展的趋势。我国国民经济正处于快速发展阶段，今后几十年经 济规模要扩大数倍，对资源的消耗也将成倍增长，人们将面临人口、资源以 及环境这三大挑战，因此人们不可避免地越来越重视海洋和依赖海洋。海洋 资源开发应该成为补充陆地资源不足，支持国民经济持续大发展做出贡献。 我国海上油气勘探及开发主要在近海大陆架不超过2 0 0 米的水深海域。 因此尽快进行水深超过5 0 0 米深海海域油气勘探开发，将大幅度增加海上油 气的产量。当前，我们还不具备走向深水的能力，工作还限于2 0 0 米左右水 深的范围，要走向1 0 0 0 米、1 5 0 0 米、2 0 0 0 米甚至3 0 0 0 米的深度，我们的 技术与能力还远远不够，与世界深水技术的发展相比还存在着很大的差距降1 。 目前我国水下管道铺设及回接工具都是从国外租来的，使用一次达几十 万美元，还需雇佣外方操作人员，费用高而且工期不易控制。随着我国向深 水领域的发展，研制出具有自主知识产权的回接作业工具，可以降低使用成 本，缩短施工周期，打破先进国家的技术垄断，缩短与先进国家的差距。 在这样的条件下，研制出一套具有自主知识产权的水下回接操作的作业 机具用于深水石油资源的开发具有非常重要的意义，然而作为水下石油管道 回接技术初连接工具的轴向对准工具，其结构和对准精度的好坏会直接影响 后面的连接操作，如果此工具的调整能力和精度达不到预定的指标，会使后 续的操作无法进行，可见设计一套高精度的轴向对准工具是非常重要的。 1 2 轴向对准工具国内外发展现状 国内海洋石油业发展比较缓慢，近年来虽然在深水油田开发技术方面取 得了一些进步，但与国外水平相比仍有较大差距。目前国内在这一领域尚属 空白。 国外一些专门从事水下作业工作的公司，如s o n s u b 公司，对铺设和维修 石油天然气管道有丰富的经验，深水铺设技术应用的较为熟练，成功研制了 2 哈尔滨t 千n 大学硕十学伊论文 海下3 0 0 0 米的管道对接机具，这些技术已趋于成熟并在一些工程中得到了应 用1 。对接机具是深水铺设的基础环节，对接机具包括轴向对准工具和接应 工具，通过轴向对准工具和接应工具的调整，使两管道法兰最终准确对准， 满足精度要求。 1 2 1 轴向对准工具国外发展现状 1 美国专利的轴向对准工具m 删0 1 91 01 1 。厂j l t 隧7 n ：喜 l j i i 磐绍 j 2 蕊 。囝! 霹 翻 f 1 、导向探头 4 、夹紧液压缸 7 、横向调整液压缸 1 0 、钢架 2 、钢丝绳 5 、v 型块 8 、接合系统 1 1 、夹紧块 3 、绞车 6 、纵向调整液压缸 9 、管道 图1 1 轴向对准工具工具三视图 轴向对准工具需要与接应工具配合使用，接应工具起到的是水下固定建 筑物的作用，轴向对准工具以接应工具为支点，完成对管道的拖拽及调整工 作。此轴向对准工具由导向探头、绞车、夹紧模块、横向调整装置、纵向调 整装置、接合系统和钢架几大部分组成。 3 哈尔滨t 稃人学硕十学伊论文 央紧模块由四个液压缸组成，实现对管道的央紧，同时在轴向对准上装有 绞车，r o v 上的机械手将绳索通过导向探头穿到接应机具的绳索插孔中并锁 死，然后通过绞车牵引钢丝绳使轴向对准工具向接应工具靠近，最终轴向对 准工具上的探头插入接应工具的探孔中并通过接合系统将其锁死。这时两个 待连接的管道法兰达到粗略对齐，还有很大的偏差，达不到所要求的精度， 这时通过调整轴向对准工具中的横向和纵向调整装置来减小偏差，最终达到 对准的标准，然后完成后续的连接操作，轴向对准工具和接应工具的示意图 如图1 1 ，1 2 所示，图1 3 是轴向对准工具和接应工具对接示意图。 - - 1 u 1 、框架2 、与r o v 接合机构3 、锁紧机构4 、夹紧模块5 、接合装置 6 、钢丝绳插入孔7 、挡板8 、浮力材料9 、夹紧液压缸1 0 、锁紧孔 图1 2 接应工具的三视图 接应工具主要由框架与夹紧装置组成，其中框架为高强度的钢架，夹紧 装置分别由四个夹紧液压缸来控制，使整个接应工具夹紧到管道上【“1 2 1 。当 轴向对准工具上的探头插入接应工具的探孔中并通过接合系统将其锁死后， 轴向对准工具便在绞车的牵引下向接应工具靠近，当待连接的两个管道法兰 靠的很近时，轴向对准工具开始以接应工具为基点进行横纵向调整运动。 4 啃自：滨l 程丈学硕士学位论文 接f * r r轴刘准1 强 订道l 管道2 图13 轴向对准工具和接应工具对接示意图 2 美国s o m u b 公司的轴向对准工具”州“” 美国s o n s u b 公司专门从事海上石油和天然气运输工作，对铺设和维修石 油天然气管道有丰富经验，深水铺设技术应用的较为熟练，承担过美国、挪 威、英国、新加坡等国的石油管道铺设任务，并于2 0 0 0 年成功研制了b r u t u s 回接系统，此回接系统包括管道对接机具和螺栓螺母库等，由r o v 辅助作 业，完成管道的初连接和管道法兰的螺栓螺母的拧紧工作。 s o n s u b 公司的轴向对准工具由框架、接应装置、锁紧装置、夹紧装置、 横向调整装置和纵向调整装置所组成。 图14 轴向对准工具 图15 接应工具 框架为高强度的钢架结构，在框架的两侧面装有两个接应液压缸， 在液压缸的活塞杆的前端有两个探头，在框架的前端和后端分别有一个 夹紧装置和用于横纵向调整的调整装置，夹紧装置与横、纵向调整装置相 连，横纵向调整装置由液压缸和导轨所组成。 工作时，夹紧装置夹紧管道接应液压缸活塞杆伸出，带动探头插入 接应工具的探孔内，并由锁紧装置进行锁紧，液压缸活塞缸缩回，拖拽轴向 对准工具带动管道相对于接应工具运动，使需要回接的两管道的法兰面距离 哈尔滨工程大学硕士学位论文 达到连接要求。由于管端会存在较大的偏差，这时通过横向和纵向调整装 置调整管道法兰的相对位置，从达到连接的要求，完成最后连接。 s o n s u b 公司的接应工具主要由框架和夹紧装置所组成，主要作用是 为轴向对准工具提供工作支点。图1 4 为s o n s u b 公司的轴向对准工具，图1 5 所示为该公司的产品接应工具，图16 所示为两个机具的对接示意图。轴向 对准t 具和接廊t 具的参数如表1 1 、l2 所示。 图1 6 轴向对准工具与接应工具对接示意1 生| 表1 1 轴向对准工具相关参数 尺寸，m干重湿重a牵引力( 液压缸) 牵引力( 绞盘) 3 5 x 3 x 17 00 1 54 0 表1 2 接应工具相关参数 尺寸m干重湿重 3 5 x 3 x 1 350 1 2 2 轴向对准工具国内发展现状 近年来虽然在深水油田开发技术方面取得了一些进步，但与国外水平相 比仍有较大差距。我国深海油田越来越多地采用半潜式浮式牛产系统( f p s ) 、 浮式生产、储卸油装置f p s o 进行海上油田开发，投资大、成本高，对于边 际油田开发来说经济效益小1 。因此轻小高效型设备的研制仍是海上油田技 术发展的一个趋势，与国外海洋石油业相比，国内海洋石油业发展比较缓慢， 国内3 0 0 0 米水下回接技术仍处于起步阶段，没有成型设备工具，这一领域目 前国内尚属空白。 1 3 电液比例技术发展概况 开关阀式液压传动控制技术出现于上世纪四十年代。这种技术采用最基 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 本的液压元器件如液压泵、方向阀、压力阀、流量阀、液压缸或液压马达组 成液压系统，由液压缸或液压马达驱动执行机构实现机械设备的各种动作引。 这种液压系统的控制在上世纪八十年代前主要由继电器控制系统控制。随着 微电子技术、自动控制技术和计算机技术的发展，上世纪八十年代起普遍采 用了p l c 控制液压系统。控制系统的功能主要是控制电磁换向阀的换向，实 现液压系统工况的转换。但是流量阀控制的流量和压力阀控制的压力是由人 工调定的，在液压系统工作循环过程中无法通过电气控制系统改变人工调定 的流量和压力u 明。 开关阀式液压传动控制技术具有系统简单，应用简便，工作可靠，成本 低廉等优点，因此在大功率或要求运动平稳的各行各业的生产机械中应用十 分广泛。开关阀的这种特点决定了其不能应用于对动态和稳态性能要求较高 的各类主机上。 第二次世界大战期间，由于军事的刺激，自动控制特别是武器和飞机控 制系统的研究得到进一步的发展。战争后期，喷气技术取得了突破性的进展。 由于喷气式飞行器速度很高，因此对控制系统的快速性、动态精度和功率质 量比都提出了更高的要求。2 0 世纪4 0 年代在飞机上首先出现了电液伺服系 统。2 0 世纪5 0 年代初出现了高速响应的永磁式力矩马达，5 0 年代后期出现 了以喷嘴挡板阀作为先导级的电液伺服阀，使电液伺服系统成为当时响应最 快、控制精度最高的伺服系统。2 0 世纪6 0 年代各种结构的电液伺服阀相继 问世，进一步提高了电液伺服阀的性能，电液伺服技术已日臻成熟。电液伺 服系统己逐渐成为武器，航空、航天自动控制，一部分民用工业设备自动控 制的重要组成部分。但是众所周知，传统的电液伺服阀对流体介质的清洁度 要求十分苛刻，制造成本和维护费用比较高，系统能耗也比较大，难以为各 类工业用户所接受，限制了其应用领域的扩大；而传统的电液开关控制又不 能满足高质量控制系统的要求。现代微电子技术和计算机技术的发展，为解 决上述问题提供了强有力的手段。2 0 世纪6 0 年代末以来，出现了可靠、价 廉，控制精度和响应特性均能满足工业控制系统实际需要的工业伺服技术和 电液比例技术。工业伺服阀以高性能伺服阀为基础，增大了电气机械转换器 的输出功率，通过适当简化伺服阀结构，改善阀的抗污染性能，从而降低了 伺服阀的制造成本。比例阀则是以传统的工业用液压控制阀为基础，采用可 7 哈尔滨下程大学硕十学付论文 靠、价廉的模拟式电气一机械转换器和与之相应的阀内结构设计，从而获得 对油质要求与一般工业阀相同、价廉、阀内压力损失低、性能又能满足大部 分工业控制要求的比例元件刚。 比例技术的发展大致可以划分为四个阶段曲2 2 1 ( 1 ) 从1 9 6 7 年瑞士b e r i n g e r 公司生产k l 比例复合阀起，到7 0 年代初 日本油研公司申请了压力和流量比例阀两项专利为止，是比例技术的诞生时 期。这阶段的比例阀，仅仅是将比例型的电一机械转换器如比例电磁铁用 于工业液压阀，以代替开关电磁铁或调节手柄，阀的结构原理和设计准则几 乎没有变化，大多不含受控参数的反馈闭环，其工作频宽仅在l 5 h z 之间， 稳态滞环在4 - - 7 之间，多用于开环控制。 ( 2 ) 1 9 7 5 年到1 9 8 0 年间，可以认为比例技术的发展进入了第二阶段。 采用各种内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器 在技术上日趋成熟，比例元件工作频宽已经达到5 1 0 h z ，稳态滞环亦减少 到3 左右。其应用领域日渐扩大，不仅用于开环控制，也被应用于闭环控 制。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代，比例技术的发展进入了第三阶段。比例元件的设 计原理进一步完善，采用了压力、流量、位移内反馈和动压反馈及电校正手 段，使阀的稳态精度、动态响应和稳定性都有了进一步提高。除了因制造成 本所限，比例阀在中位仍保留死区以外，它的稳态和动态特性均已和工业侗 服阀无异。另一项重大进展是，比例技术开始和插装阀相结合，已开发出各 种不同功能和规格的二通、三通型比例插装阀，形成了8 0 年代电液比例插装 技术。同时，由于传感器和电子器件的小型化，还出现了电液一体化的电液 元件，电液比例技术逐步形成了8 0 年代的集成化趋势。第三个值得指出的进 展是电液比例容积元件，各类比例控制泵和执行元件相继出现，为大功率工 程控制系统的节能提供了技术基础。 ( 4 ) 从1 9 9 0 年至今，是比例技术进一步完善的阶段。这一阶段有两项 重要的新产品问世。其一是推出了伺服比例阀( 又称为高性能比例方向阀、 比例伺服阀、闭环伺服阀、闭环比例阀、高频响应比例阀) 。这种阀的电机 械转换器采用比例电磁铁，功率级阀芯用伺服阀的结构和加工工艺( 零遮盖 阀口，阀芯与阀套之间的配合精度与伺服阀相当) ，解决了闭环控制要求死区 8 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 小的问题。它的性能与价格介于伺服阀与普通比例方向阀之间，但它对油液 的清洁度要求低于电液伺服阀，特别适用于各种工业闭环控制。其二是计算 机技术与比例元件相结合，开发出了数字式比例元件和数字式比例系统，并 形成了不同总线标准的数字比例元件接口。 表1 3 伺服、比例、开关元件性能对照表 元斧 伺服阀比例阀早期比例阀开关阀 搿拦 介质过滤精( u r n ) 3 l o2 52 52 5 阀内压降损失( m p a ) 7o 5 2o 2 5 0 50 2 5 o 5 滞环( ) l 3l 34 7 重复精度( ) o 5o 5l 频宽( h z )5 0 5 0 01 5 0l 5 线圈功率( w )0 0 5 5l o 2 41 0 3 01 5 4 0 中位死区无 有有有 价格冈子1 033l 随着微电子技术、数字化技术、通信技术和计算机技术的发展，电液比 例控制技术的应用已经相当普遍，在新系统设计和旧设备改造中正成为用户 的重要选择方案，对提高企业的技术装备水平和设备的自动化程度，发挥了 极为重要的作用。 电液比例阀是介于开关型的液压阀与伺服阀之间的一种液压元件。与电 液伺服阀相比，其优点是价廉、抗污染能力强。比例元件除了具有中位死区 之外，在滞环、重复精度等主要稳特性上与伺服阀相当，而工作频宽又足以 满足大部分工业系统控制要求的相当水平；在对介质过滤精度要求、阀内压 力损失和价格方面，又接近于开关阀。因此，比例阀赢得了比电液伺服元件 更为广泛的应用领域。与传统的液压控制阀比较，虽然价格较贵，但由于其 良好的控制水平而得到补偿。电液比例阀与伺服阀、早期比例阀和开关阀的 特性比较如表1 3 所示。 1 4 论文研究的主要内容 本论文研究的内容是在轴向对准工具实验样机机械本体设计的基础上， 9 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 进行轴向对准工具的液压控制系统和p l c 控制系统进行研究。 本论文主要研究内容包括以下几个方面： 1 通过对国内外文献阅读和吸收并结合课题组所设计的轴向对准工的 机械本体，对轴向对准工具的总体液压控制方案进研究和论证，确定各部分 的液压回路，并对液压系统中相关的液压元件进行计算选型。 2 通过对轴向对准工具的作业过程的分析可知轴向对准工具的调整精 度的高低会直接影响后续的操作，因此本文液压部分重点研究调整装置的液 压缸同步控制问题，包括同步方案的确定、位置控制系统和同步系统的数学 模型建立。 3 根据选定的电液比例方向阀控制的液压缸双缸同步控制系统，利用 m a t l a b 仿真软件建立电液比例方向阀控缸位置和同步控制制系统仿真模 型，并对系统的动态和稳态性能仿真分析。 4 对轴向对准工具的p l c 控制系统进行设计，控制各部分电磁阀的动 作。 1 0 第2 章轴向对准工具液压系统的设计 我国从2 0 世纪5 0 年代末期开始发展液压工业，特别是8 0 年代到9 0 年 代，国家对液压行业进行了重点改造，并先后引进了近五十项国外技术，使 我国液压行业的产品水平、科研开发能力和工艺装各水平都有大幅度提高， 液压技术在各工业部门得到广泛的应用。与电力传动相比，液压传动的结构 紧凑，重量轻，功率与重量比大，利用液压传动容易获得很大的驱动力和转 矩，而且在水下工作时液压控制系统的密封比电气系统密封简单，易于实现。 基于液压控制在水下应用的优点，轴向对准工具采用液压动力系统为动力源 进行调整作业。 利用换向阔、比例方向阀和减压阀等电磁阀建立了轴向对准工具的液压 控制系统。通过p l c 控制换向阀实现电磁阀的换向和调整装置液压缸的同步 动作。本章主要完成了液压系统的设计，同时对液压元件进行了选型和计算。 2 1 液压系统的总体设计 本课题所设计的轴向对准工具的结构如图2 1 所示。 1 _ 调整装置2 夹紧装置3 接应和锁紧装置4 框架 5r o v 支架 图2 1 轴向对准工具结构圈 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 2 1 1 液压系统设计要求与参数 轴向对准工具的液压控制分为夹紧装置、接应装置、锁紧装置、横向调 整装置和纵向调整装置( 前端纵向调整和后端纵向调整) 五部分。对各个装 置的液缸的参数以及行程和速度( 最低) 要求如表2 1 所示。液压系统原理 图如图2 2 所示。轴向对准工具用于水下作业，它的作用是和接应工具一起 完成对海底石油管道的拖拽和初连接，并在两工具初连接在一起后，通过调 整轴向对准工具的调整装置完成两个预连接管道法兰面的对准，使其误差在 允许的范围内，通过操作螺栓螺母库对两个法兰进行连接。根据其工作情况， 查阅机械设计手册第四卷，确定液压系统的工作压力定位1 6 m p a ，液压系统 采用恒流供油方式。水下液压阀控制电压2 4v ，电气部分采用p l c 控制液压 阀的动作。 表2 1 轴向对准工具组成装置的液压缸及运行参数 液压缸名称d ( m m )d ( n u n )l ( m m ) v ( m m s ) 夹紧缸 9 05 02 5 01 0 接应缸8 04 52 0 0 02 0 锁紧缸5 02 81 0 0 2 横向调整缸 4 02 22 0 01 纵向调整缸6 33 62 0 0 l 2 1 2 液压系统工作原理 轴向对准工具液压控制系统如图2 2 所示，夹紧、接应、锁紧液压缸都 采用并联安装的方式，横向和纵向调整液压缸采用电液比例方向阀主从控制 的同步方式。其中纵向调整分为前端框架纵向调整和后端框架纵向调整两部 分。此液压系统在工作过程中共需设置1 8 个执行元件( 液压缸，系统采用进 口节流调速的方案。 1 2 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 1 3 耳鳋球n岭9” 窒薅趄篷羽-9 星坦牡寸nnnon寸匿厘仪暴丑寻器 水柬僻r出6i毒曩 匝尉殛螺蛹出疑n“匝 塔鞯器足蚕n卜0卜椎温粗荨 屡蓬脚赠臣攀葛矗n 屡厘斟箔cni乜岔吨寸 耳锻器匣蜒69田 稚哥鞭r龃导寸 厘瑙器【n9一 聪幽葵c 培鳍器s心岭 堪翅帮譬葛壑匠褂裂艇寄9冀n冀【寸整幽堪nh8群r茸non一 稚煺蜊式 瓣罴h 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 液压系统工作过程如下： ( 1 ) 夹紧 液压油经单项阀“压阀8 一调速阀2 三位四通阀3 2 _ 液控单向阀 4 l 同时进入液压缸( 5 6 、5 7 、5 8 、5 9 、6 0 、6 1 、6 2 、6 3 ) 一液控单向阀4 2 一 三位四通阀3 2 一油箱。 ( 2 ) 接应 液压油经单项阀删压阀旺调速阀2 卜三位四通阀3 3 一同时进入液 压缸( 6 4 、6 5 ) 一三位四通阀3 3 一油箱。 ( 3 ) 锁紧 液压油经单项阀仁减压阀1 旺调速阀2 8 一三位四通阀3 4 同时进入液 压缸( 6 6 、6 7 ) 一三位四通阀3 仁油箱。 ( 4 ) 横向调整 液压油经单项阀删压阀1 1 一调速阀2 旺比例方向阀3 5 、3 6 一进入液 压缸( 6 8 、6 9 ) 一比例方向阀3 5 、3 仁油箱。 ( 5 ) 前端纵向调整 液压油经单项阀删压阀1 2 - 调速阀3 旺比例方向阀3 7 、3 8 一单向阀 4 9 、5 1 ( 反向经过顺序阀4 8 、5 0 ) 进入液压缸( 7 0 、7 1 ) 一比例方向阀3 7 、 3 8 一回油箱。 ( 6 ) 后端纵向调整 液压油经单项阀仁减压阀1 3 一调速阀3 1 一比例方向阀3 9 、4 0 一单向 阀5 3 、5 5 ( 反向经过顺序阀5 2 、5 4 ) 一进入液压缸( 7 2 、7 3 ) 一比例方向阀 3 9 、4 0 一油箱。 2 1 3 液压系统的主要功能回路 液压系统主要由以下基本回路组成：限压回路、减压回路、节流调速回 路、保压回路、背压回路和卸荷回路。 ( 1 ) 限压回路 在轴向对准工具中的液压系统中采用了两种限压回路，主油路上是采用 定量泵的限压回路，在夹紧油路上采用的用压力继电器的限压回路。 定量泵的限压回路是主要是应用溢流阀使系统的压力满足需要。通常液 1 4 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 压泵出口处安装溢流阀，泵的供油压力可由溢流阀调定。在图2 2 所示的采 用定量泵的系统中，在液压泵3 的出口处并联电磁溢流阀6 ，调节调压弹簧， 通过观察压力表7 ，就可以调节液压泵的出口压力，起安全保护作用，防止 系统过载。 压力继电器的限压回路是由高压油或低压油使压力继电器动作的回路。 图2 2 中当液压缸5 6 - 6 3 上腔的压力高于预定值后，高压压力继电器4 3 动 作使换向阀回到中位，液压缸上腔的压力不会超过压力继电器限定的数值。 当液压缸5 6 - 6 3 上腔的压力低于夹紧所需压力的下限值时，低压压力继电器 4 5 动作，使其它工作部分的液压阀断电，液压阀3 2 的左位得电，对蓄能器 充液，使夹紧缸5 6 - 6 3 保持所需压力。 ( 2 ) 减压回路 在液压系统的某些分支油路上，如夹紧、定位、润滑、控制油路等，常需 要稳定的低压。为此，只要在该支路上串联一个减压阀即可实现减压。为保证 回路工作可靠，减压阀的最小调定压力应该不小于0 5 m p a ，其最高调定压力 应比主回路低0 5 m p a 。本液压系统中轴向对准工具由六组液压缸组成，每组 液压缸所需的压力相同，由于要求各组液压缸实现顺序动作，因此，在每组液 压缸的回路上分别串联一个减压阀8 、9 、1 0 、1 1 、1 2 、1 3 ，调节减压阀通过 观察压力表2 0 、2 1 、2 2 、2 3 、2 4 、2 5 ，即可调节每组液压缸所需的压力。 ( 3 ) 节流调速回路 液压系统的执行机构需要对其运动速度进行调节。一般调速方法可分为： 节流调速，用定量液压泵与节流阀( 或调速阀) 实现调速； 容积调速，改变变量液压泵或变量液压马达的排量来实现调速； 容积节流调速，用变量液压泵与节流阀( 或调速阀) 实现调速。 由于轴向对准工具液压系统设计选用的是定量泵，所以本文只介绍节流 调速回路及在本论文中的应用。节流调速回路由定量泵、溢流阀、节流阀( 或 调速阀) 和执行元件组成。根据节流阀( 或调速阀) 在油路中的位置不同， 分为： 进油路节流调速回路：将节流阀( 或调速阀) 放在定量液压泵的出口 与液压缸的入口之间，调节节流阀( 或调速阀) 通流面积，改变进入液压缸 的流量，达到调速目的。定量液压泵输出的多余油液经溢流阀排回油箱。 1 5 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 回油路节流调速回路：将节流阀( 或调速阀) 放在液压缸的出口与油 箱之间，即放在回油路上。 旁油路节流调速回路：将节流阀( 或调速阀) 和溢流阀直接并联放在 定量液压泵的出口和油箱的入口之间。 对本系统来讲，工作压力中等，功率较小，负载变化不大，进油口节流 调速的速度刚性最大，优于回油口节流调速和旁路节流调速。同时进油路节 流调速回路一般用于阻力负剥2 3 1 。而轴向对准工具液压回路中液压缸主要承 受阻力负载，因此为尽最大可能的提高速度稳定性能，同时降低成本，本液 压系统油路设计中采用进油口节流调速。将调速阀装于进油路上，液压缸的 工作压力决定于负载，流入液压缸的流量由调速阀调节，液压泵输出的多余 油液经溢流阀流回油箱。这种回路的缺点是效率低，油容易发热。 如图2 2 所示，相应的将调速阀2 6 - - - , 3 1 分别放在液压缸5 6 - - 一7 3 的入口与液 压泵之间，相应的调节调速阀2 6 - - - - 3 l 的通流面积，改变液压缸5 6 - 7 3 的流 量，达到调速的目的。定量液压泵3 输出的多余油液经溢流阀6 排回油箱。 ( 4 ) 保压回路 保压回路的功用是使系统在液压缸不动或仅有极微小位移下稳定地维持 住压力。当系统中不需要液压泵供油，但需要继续保持压力时，可应用蓄能 器保持系统中的油压，并使液压泵卸荷。此外还蓄能器还能补充液压缸常时 间工作所引起的泄露，在液压夹紧装置中常应用这种回路。轴向对准工具的 夹紧装置就是采用蓄能器的保压回路。 ( 5 ) 背压回路 常用的背压回路有以下几种1 ： 用背压阀加背压的回路 当移动部件重量不大时，为了提高进油调速回路的平稳性，可在液压缸回 油路上安装背压阀，使液压缸回油腔产生一定背压，其压力值一般为3 巴。 用液控单向阀加背压的回路 气泡一般是发生在低压区，若给活塞一定的背压，常可以消除气泡或者使 其不能产生，从而增加液压缸运动的平稳性。 用顺序阀加背压的回路 当移动部件重量较大时，为了增加液压缸运动的平稳性，可在液压缸回 1 6 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 油路上装上顺序阀，使液压缸回油腔产生一定的背压，其压力值约为3 - - 一8 巴，由顺序阀调节。 轴向对准工具纵向调整装置在向下移动时要带动管道及其法兰一起运动， 而管道及其法兰的重量很大，因此选择了用顺序阀加背压的回路，在比例换 向阀3 7 、3 8 、3 9 、4 0 出口装入顺序阀4 8 、5 0 、5 2 、5 4 ，调节其压力值，使 之与管道及其法兰的重量相平衡，增加液压缸下行的平稳性。 ( 6 ) 卸荷回路 液压设备在短时间停止工作时，一般不停液压泵。这是因为频繁启动液 压泵对液压泵的寿命有影响，但若让泵输出的油液经溢流阀流回油箱，又会 造成很大的功率损失，使油温升高。这时，需要卸荷回路让液压泵卸荷。所 谓卸荷，是指液压泵仍在旋转，而其消耗的功率极小，即让液压泵输出的油 液以很低的压力又流回油箱，这种卸荷方式称为压力卸榭2 5 1 。在本回路中， 控制电磁溢流阀6 中的二位二通电磁阀使之打开即可实现液压泵的卸荷。 2 2 调整装置双缸同步方案的确定 根据轴向对准工具的作用和所实现的动作可知调整装置是轴向对准工具 的重要部分，最终管道能否达到连接的精度主要取决于调整装置的精度，调职 整装置的精度除了在机械结构方面保证外，控制系统的设计也会对它的动作精 度有很大的影响，轴向对准工具的横向和纵向调整装置均采用两个液压缸作为 执行元件，因此调整装置的控制问题也就是液压缸的双缸同步的控制问题，同 步方案的确定及同步控制系统的瞬态和稳态性能分析是本文研究的重点。 2 2 1 开环同步控制回路 1 流量控制阀实现同步回路 ( 1 ) 用调速阀同步的回路 本回路采用调速阀使两个液压缸单向同步。电磁换向阀切换至左位时， 压力油分别流入两液压缸的下腔，使两缸活塞向上移动，分别调节两缸回油 路上的调速阀，可使两缸活塞移动速度同步。结构简单，成本低，可以调速，