李育房 趙宏林 劉 旭 孫廣鶴 肖易萍 金邦杰 伍 能

(1.中國石油大學(xué)(北京) 北京 102249； 2.海洋石油工程股份有限公司 天津 300452)

在海洋工程應(yīng)用中,臍帶纜上端連接上部生產(chǎn)控制模塊，下端連接海底生產(chǎn)設(shè)備[1]，不僅為海底管匯系統(tǒng)、ROV和海底鉆機(jī)等提供能源動力，為開閉管匯系統(tǒng)和采油樹的閥門提供液壓通道，而且為采油及儲油設(shè)備提供必需的化學(xué)藥劑注入(如甲醇等)通道，為上部模塊傳遞控制信號以及為水下生產(chǎn)設(shè)備傳遞傳感器數(shù)據(jù)等[2-4]。目前，國外水下產(chǎn)品聯(lián)合測試技術(shù)成熟，而國內(nèi)還處于起步階段[5-6]，研究表明臍帶纜液壓傳輸特性對整個控制系統(tǒng)的時間響應(yīng)及性能有著重要影響[7-10]。如果采用幾十千米真實臍帶纜進(jìn)行測試，測試成本將很高，且臍帶纜及其附屬設(shè)備體積龐大，不便于測試，因此期望用一種等效裝置，在液壓傳輸特性上能夠等效于真實臍帶纜，而在體積和成本上遠(yuǎn)小于真實臍帶纜，并利于參數(shù)的調(diào)整和變化，使得在確保臍帶纜傳輸特性不變的情況下進(jìn)行水下控制系統(tǒng)和水下裝備的場地測試和淺水測試[11]。

在臍帶纜等效特性模擬方面，國外Cameron公司的臍帶纜模擬裝置僅為電力等效模擬，未進(jìn)行臍帶纜液壓傳輸特性的模擬；國內(nèi)浙江大學(xué)和海洋石油工程股份有限公司對固定長度臍帶纜軟管進(jìn)行了等效模擬研究，但未對相應(yīng)參數(shù)及實驗進(jìn)行具體的闡述[12-13]。本文對臍帶纜硬管液壓傳輸特性進(jìn)行分析，提出了一種臍帶纜液壓傳輸特性等效方法，并應(yīng)用AMESim仿真及實驗來驗證等效方法的可行性。

1 臍帶纜液壓傳輸特性等效理論

流體在臍帶纜中的流動情況與電流在電路中的流動情況極為相似，且通過相似原理可以推導(dǎo)流動參數(shù)的一一對應(yīng)關(guān)系，如管道造成的壓降對應(yīng)電路中元件兩端的電壓，流量對應(yīng)電流，而液阻、液感及液容分別對應(yīng)電路中的電阻、電感和電容。陳城書[14]提出用電學(xué)理論來研究液壓技術(shù)，通過相似理論推導(dǎo)出液容、液阻、液感理論計算公式；后來潘亞東[15]豐富了液容、液阻及液感的物理意義及理論計算公式；張勇 等[16]根據(jù)流體在管道中流動情況與電路中電流的相似性，將液壓系統(tǒng)類比為電路系統(tǒng)，并建立了集中參數(shù)模型；國外S.G.O’Mahony[17]運用電學(xué)理論分析了臍帶纜軟管的動態(tài)特性。因此，一種常用的求解液壓管道系統(tǒng)動態(tài)性能的方法就是將其等效為電路，臍帶纜管道液壓傳輸特性模型可看作由無數(shù)個液阻、液感和液容串聯(lián)而成，如圖1所示。

圖1 臍帶纜管道液壓傳輸特性模型Fig .1 Pipe hydraulic transmission characteristics of umbilical

1.1 液阻等效理論

液壓系統(tǒng)中管道兩端壓差Δp與電路系統(tǒng)中的電壓u相似,管道中流量q與電路系統(tǒng)中的電流i相似。當(dāng)油液流過圓管時(層流)，流量和壓力可以用哈根-泊肅葉(Hagen-Poiseuille)定律[18]表示為

(1)

從而得到流經(jīng)圓管的液阻為

(2)

1.2 液感等效理論

(3)

式(3)中：M為被加速油液的質(zhì)量，kg；A為管道截面積，m2；q為流經(jīng)管道的流量，m3/s。

此力由管道兩端的壓差產(chǎn)生，即

F=(p1-p2)A=ΔpA

(4)

式(4)中：p1、p2分別為管道的進(jìn)出口壓力，Pa。

由式(3)、(4)可得

(5)

液感L的物理意義為單位流量的變化所需要的(或者所產(chǎn)生的)壓力變化量,它意味著油液流速蘊含著以壓力形式表示的動能，即

(6)

1.3 液容等效理論

ΔV=kVΔp

(7)

(8)

考慮鋼管的彈性模量，β為油液與鋼管綜合彈性模量，其大小為

(9)

式(9)中：βs為管道材料彈性模量;βf為油液彈性模量。

由油液的壓縮而引起的流量q為

(10)

將式(8)代入式(10)，得

(11)

(12)

式(11)中:C稱為液容。

由式(12)可知，相同管徑液容與長度成正比。

式(11)可變換為

(13)

2 臍帶纜液壓傳輸特性等效方法

2.1 液阻等效方法

臍帶纜液阻元件等效可以選擇圓管、薄壁小孔、節(jié)流閥等阻性元器件。

圖2 細(xì)長孔示意Fig .2 Elongated hole

2) 若選擇薄壁小孔[20](小孔長度l和小孔內(nèi)徑d之比l/d≤0.5)，如圖3所示，流量計算公式為

(14)

圖3 薄壁小孔示意Fig .3 Thin-walled holes

3) 若使用液壓閥調(diào)節(jié)節(jié)流面積以控制壓力和流量時，則使用小孔流量的統(tǒng)一公式，即

q=KAΔpm

(15)

因此，為了避免非線性元件對實驗造成不便，最終選擇細(xì)長孔即圓管作為實際液阻元件。

由式(2)可知,臍帶纜液阻與臍帶纜的長度及管徑有關(guān)，與臍帶纜長度成正比，與臍帶纜管線管徑成反比。因此，在保證液阻不變的情況下，可以采用縮小管徑的方法將臍帶纜管線的長度進(jìn)行縮減。例如，對于長度5 km管徑12.7 mm的臍帶纜液壓管線，用管徑1.76 mm的液壓管線進(jìn)行替代，所需長度可由下式計算：

(16)

式(16)中:R1為實際臍帶纜液阻;l1為實際臍帶纜管線長度;d1為實際臍帶纜管徑;R2為等效管路液阻，l2為等效管路長度，d2為等效管路管徑。

2.2 液感等效方法

液感的概念是由油液的慣性衍生來的,選擇液感元件實際上就是選擇慣性元件。在液壓系統(tǒng)中，液壓馬達(dá)是常見的慣性元件。液壓馬達(dá)的線性化扭矩方程[21-22]可表示為

(17)

式(17)中：N為馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，r/min；J為液壓馬達(dá)及負(fù)載的總轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2。

液壓馬達(dá)理論轉(zhuǎn)矩為

(18)

式(18)中:Vt為馬達(dá)的排量，mL/r；Δp為馬達(dá)的壓降，Pa。

在帶飛輪的馬達(dá)中，使液壓馬達(dá)的理論轉(zhuǎn)矩與負(fù)載力矩平衡：Mz=M,即

(19)

(20)

式(20)經(jīng)變換可得

(21)

單位流量變化所需要的壓力變化量就是馬達(dá)液感L，即

(22)

液壓馬達(dá)的液感單位為kg/m4，與式(6)推導(dǎo)出的液感單位一致，說明用液壓馬達(dá)來模擬液感具有可行性。因此，在設(shè)計臍帶纜等效裝置時，最終選擇液壓馬達(dá)作為實際液感元件，由于液壓馬達(dá)本身轉(zhuǎn)動慣量較小，可采用增加飛輪來增加轉(zhuǎn)動慣量。

2.3 液容等效方法

油液受壓時會發(fā)生彈性變形，被壓縮的體積越大，液容值也越大，意味著其儲存能量的能力愈大。選擇液容元件實際上就是選擇儲能元件。在液壓系統(tǒng)中，蓄能器是常見的儲能元件，可以儲存和釋放液壓能[23]。蓄能器的容積計算公式按輔助動力源計算，即

(23)

式(23)中：V0為所需蓄能器的容積，L；ΔV為蓄能器的工作容積，L，ΔV=V1-V2；p0為充氣壓力，MPa，p0=0.25p2～0.9p1；p1為系統(tǒng)最低工作壓力，MPa；p2為系統(tǒng)最高工作壓力，MPa；n為指數(shù)，等溫時n=1，絕熱時n=1.4。

根據(jù)式(8)、(12)，液容可表達(dá)為

(24)

由于臍帶纜距離較長，被壓縮的液體給水下蓄能器補(bǔ)液時間較長，蓄能器的排液速度較慢，氣體體積變化也緩慢，因此按等溫變化計算，取n=1，于是有

根據(jù)式(25)，蓄能器液容可表達(dá)為

(26)

因此，在設(shè)計等效模擬器時，最終選擇蓄能器作為實際液容元件。

3 臍帶纜液壓傳輸特性等效方法仿真分析

3.1 無負(fù)載泄壓特性仿真分析

針對某水下生產(chǎn)系統(tǒng)長25 km、低壓管內(nèi)徑12.7 mm、回油管內(nèi)徑25.4 mm的臍帶纜進(jìn)行等效參數(shù)計算，分成1、2、2、5、5、10 km等6個等效模塊，計算等效的細(xì)管長度和內(nèi)徑，等效液容的蓄能器容積，等效液感的馬達(dá)和飛輪轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)。

液阻等效：由式(16)可計算長度1 km、內(nèi)徑12.7 mm的臍帶纜液阻等效成內(nèi)徑1.76 mm的鋼管對應(yīng)長度為0.368 8 m；長度1 km、內(nèi)徑25.4 mm的臍帶纜液阻等效成內(nèi)徑3.05 mm的鋼管對應(yīng)長度為0.207 9 m；同理，可分別計算出內(nèi)徑12.7、25.4 mm,長度2、5、10 km臍帶纜液阻等效成內(nèi)徑1.76 mm的鋼管的對應(yīng)長度。

液容等效：水-乙二醇彈性模量βf=2.4 GPa，管線彈性模量βs=206 GPa，由式(9)、(12)可計算長度1 km、內(nèi)徑12.7 mm的臍帶纜的液容為0.053 5 L/MPa。充氣壓力p0=0.9p1，系統(tǒng)最高工作壓力p2=34.5 MPa，由式(25)可計算其等效蓄能器容積為2 L。對于回油，最大工作壓力為水深117 m產(chǎn)生的背壓，即p2=1.17 MPa，長度1 km、內(nèi)徑25.4 mm的臍帶纜的液容為0.213 7 L/MPa，其等效蓄能器容積為0.28 L；同理，可計算出內(nèi)徑12.7、25.4 mm,長度2、5、10 km臍帶纜等效蓄能器容積。

表1 不同進(jìn)油回油單元所需轉(zhuǎn)動慣量Table 1 Moment of inertia required for different oil inlet and return units

對于臍帶纜液壓管線，開啟、關(guān)閉水下閥門就是液壓管線本身充壓后泄壓的過程重復(fù)，因此可通過對比臍帶纜和等效臍帶纜的泄壓特性來確定等效的準(zhǔn)確性。將液壓站輸出壓力設(shè)定為工作壓力20 MPa，兩位兩通電磁閥關(guān)閉，啟動液壓站，液壓油從液壓站由出口經(jīng)過臍帶纜等效模塊，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到20 MPa時開啟電磁換閥進(jìn)行泄壓，通過數(shù)顯壓力變送器采集另一端壓力曲線。臍帶纜及等效臍帶纜的無負(fù)載泄壓模型分別如圖4、5所示，通過無負(fù)載泄壓分析比較臍帶纜與等效臍帶纜的壓力-時間特性。

圖4 臍帶纜無負(fù)載泄壓模型Fig .4 Pressure release model of umbilical at no load condition

圖5 等效臍帶纜無負(fù)載泄壓模型Fig .5 Pressure release model of umbilical equivalent device at no load condition

以2、5 km模塊為例，通過AMESim仿真得到臍帶纜與等效臍帶纜無負(fù)載泄壓時的壓力-時間曲線，如圖6所示。從圖6可以看出，臍帶纜及等效臍帶纜仿真壓力曲線從20 MPa開始下降，2 km模塊臍帶纜仿真泄壓時間為8 s，等效臍帶纜仿真泄壓時間為7 s，兩者相差1 s；5 km模塊臍帶纜仿真泄壓時間為33 s，等效臍帶纜仿真泄壓時間為31 s，兩者相差2 s；臍帶纜仿真泄壓曲線比較平滑，等效臍帶纜仿真泄壓曲線拐點明顯，在相同時間點等效臍帶纜能夠維持較高壓力，這是因為：臍帶纜是均布參數(shù)，即液阻、液容、液感是均勻分布的，故泄壓曲線較為平滑(剛開始泄壓時壓力來不及下降，所以維持較高壓力值，然后逐漸平滑下降)；等效臍帶纜只有液阻采用細(xì)長管等效是均布參數(shù)，而液容用蓄能器等效、液感用馬達(dá)+飛輪等效，由于蓄能器和馬達(dá)+飛輪數(shù)量有限，故液容、液感是集中參數(shù)。等效后原來臍帶纜里面的壓力主要由蓄能器來維持，圖6中的轉(zhuǎn)折點就是蓄能器的預(yù)充壓力值，轉(zhuǎn)折點之前由于等效液阻的細(xì)管直徑是1.76 mm，蓄能器內(nèi)部的油液通過等效細(xì)長管緩慢泄壓，過了轉(zhuǎn)折點后蓄能器內(nèi)的油液基本泄完，剩下等效細(xì)長管內(nèi)部少量油液很快泄壓完成，故過了轉(zhuǎn)折點后壓力下降很快。

圖6 2、5 km臍帶纜及等效臍帶纜泄壓特性仿真曲線Fig .6 Pressure-time simulation curve of 2 km and 5 km umbilical and umbilical equivalent device

以上分析表明，等效臍帶纜仿真泄壓時間與臍帶纜仿真泄壓時間基本一致，且泄壓曲線較為接近，可見等效臍帶纜能較好地模擬臍帶纜液壓傳輸特性。

3.2 單個執(zhí)行器開關(guān)特性仿真分析

通過仿真單個執(zhí)行器的開啟與關(guān)閉，對比25 km臍帶纜模型與25 km等效臍帶纜模型開關(guān)單個執(zhí)行器的特性，從而比較兩者在操作單個閥門特性上的差異。25 km臍帶纜開關(guān)單個執(zhí)行器仿真模型如圖7所示，其中臍帶纜進(jìn)油管內(nèi)徑為12.7 mm，回油管內(nèi)徑為25.4 mm；25 km等效臍帶纜開關(guān)單個執(zhí)行器仿真模型如圖8所示。執(zhí)行器選用單桿雙作用缸，負(fù)載150 kN，液壓源壓力34.5 MPa，流量5 L/min，執(zhí)行器行程140 mm，水下蓄能器容積20 L，預(yù)充壓力19.8 MPa。

設(shè)置水下方向控制閥(DCV)1 700 s時開啟、2 000 s時關(guān)閉,仿真所得25 km臍帶纜和等效臍帶纜模型開關(guān)閥執(zhí)行器位移曲線見圖9。

從圖9a可知，25 km管線模型執(zhí)行器開啟時間為8.3 s，25 km等效裝置執(zhí)行器開啟時間為8.1 s，兩者相差0.2 s。從圖9b可知，25 km管線模型執(zhí)行器關(guān)閉時間為15.08 s，25 km等效裝置執(zhí)行器關(guān)閉時間為15.16 s，兩者相差0.08 s。由此可見，在開、關(guān)閥動作時兩者時間相差非常小，故在執(zhí)行器開、關(guān)閥動作時間的影響上，25 km等效裝置能很好地等效25 km臍帶纜管線。

圖7 25 km臍帶纜開關(guān)單個執(zhí)行器仿真模型Fig .7 Simulation model of 25 km umbilical turn on/off one actuator

圖8 25 km等效臍帶纜開關(guān)單個執(zhí)行器仿真模型Fig .8 Simulation model of 25 km equivalent umbilical turn on/off one actuator

圖9 25 km臍帶纜模型與25 km等效臍帶纜模型開、關(guān)閥執(zhí)行器位移曲線Fig .9 Actuator displacement curve of 25 km umbilical model and 25 km umbilical equivalent device close valve

臍帶纜和等效臍帶纜開啟執(zhí)行器時，水下蓄能器壓力變化曲線如圖10所示，可以看出：25 km臍帶纜仿真模型開啟執(zhí)行器時其水下蓄能器壓力下降最低為31.1 MPa，25 km等效臍帶纜仿真模型蓄能器壓力下降最低為31.5 MPa，均大于最低復(fù)位壓力8.25 MPa，兩者壓降相差0.4 MPa，差值較小，符合系統(tǒng)要求。因此，在水下蓄能器壓力影響方面，25 km等效臍帶纜也能較好地實現(xiàn)25 km臍帶纜液壓傳輸特性的等效。

圖10 25 km臍帶纜模型與25 km等效臍帶纜模型開啟 執(zhí)行器時水下蓄能器壓力變化曲線Fig .10 Subsea accumulator pressure curve of 25 km umbilical model and 25 km umbilical equivalent device opening the actuator

3.3 2個執(zhí)行器開關(guān)特性仿真分析

通過仿真對比25 km臍帶纜模型與25 km等效臍帶纜模型開關(guān)2個執(zhí)行器的特性，觀察2個執(zhí)行器連續(xù)操作時能否正常開關(guān)第2個執(zhí)行器，確定開關(guān)時間是否滿足工程要求。25 km臍帶纜和等效臍帶纜開關(guān)2個執(zhí)行器仿真模型分別如圖11、12所示。執(zhí)行器選用單桿雙作用缸，負(fù)載150 kN，液壓源壓力34.5 MPa，流量5 L/min，執(zhí)行器行程140 mm，水下蓄能器容積20 L，預(yù)充壓力19.8 MPa。 設(shè)置1 700 s時開啟第1個執(zhí)行器，50 s后開啟第2個執(zhí)行器，2 000 s時關(guān)閉2個執(zhí)行器。25 km臍帶纜仿真模型間隔50 s連續(xù)開啟2個執(zhí)行器位移曲線如圖13a所示，可以看出：第1個執(zhí)行器完全開啟需要8.3 s；第2個執(zhí)行器完全開啟需要8.6 s，比第1個執(zhí)行器慢0.3 s，且第1個執(zhí)行器位移維持在140 mm不變，兩個執(zhí)行器全部關(guān)閉共需要15.5 s，說明臍帶纜仿真模型連續(xù)開啟2個執(zhí)行器無干涉。25 km等效臍帶纜仿真模型間隔50 s連續(xù)開啟2個執(zhí)行器位移曲線如圖13b所示，可以看出：第1個執(zhí)行器完全開啟需要8.1 s；第2個執(zhí)行器完全開啟需要8.6 s，比第1個執(zhí)行器慢0.5 s，且第1個執(zhí)行器位移維持在140 mm不變，2個執(zhí)行器全部關(guān)閉共需要15.6 s，說明等效臍帶纜仿真模型連續(xù)開啟2個執(zhí)行器無干涉。對比臍帶纜和等效臍帶纜開啟2個執(zhí)行器的特性可知，兩者均能滿足開關(guān)閥門時間小于30 s的要求，且兩者開啟、關(guān)閉閥門時間相差很小，可見25 km等效臍帶纜能較好地實現(xiàn)25 km臍帶纜液壓傳輸特性的等效。

圖11 25 km臍帶纜開關(guān)2個執(zhí)行器仿真模型Fig .11 Simulation model of 25 km umbilical turn on/off two actuators

圖12 25 km等效臍帶纜開關(guān)2個執(zhí)行器仿真模型Fig .12 Simulation model of 25 km equivalent umbilical turn on/off two actuators

連續(xù)開啟2個執(zhí)行器時25 km臍帶纜和等效臍帶纜仿真模型的水下蓄能器壓力變化曲線如圖14所示，可以看出：25 km臍帶纜仿真模型蓄能器壓力下降最低為30.17 MPa，25 km等效臍帶纜仿真模型蓄能器壓力下降最低為30.06 MPa，均大于最低復(fù)位壓力8.25 MPa，且兩者相差0.11 MPa，差值較小，符合系統(tǒng)要求。因此，在水下蓄能器壓力影響方面，25 km等效臍帶纜亦能較好地實現(xiàn)25 km臍帶纜液壓傳輸特性的等效。

圖13 25 km臍帶纜、等效臍帶纜雙執(zhí)行器活塞位移曲線Fig .13 Double actuator piston displacement curve of 25 km umbilical and equivalent umbilical

圖14 25 km臍帶纜模型與25 km等效臍帶纜模型連續(xù)開啟 2個執(zhí)行器水下蓄能器壓力Fig .14 Subsea accumulator pressure of 25 km umbilical model and 25 km umbilical equivalent device opening two actuators continuously

4 臍帶纜液壓傳輸特性等效方法實驗驗證

4.1 無負(fù)載泄壓特性實驗

臍帶纜液壓等效裝置如圖15所示。實驗過程中將液壓站輸出壓力值設(shè)置為工作壓力20 MPa，臍帶纜等效裝置輸出端閥門關(guān)閉。啟動液壓站，液壓油從泵站由出口經(jīng)過進(jìn)油等效模塊，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到20 MPa穩(wěn)定時，開啟臍帶纜等效裝置輸出端閥門進(jìn)行泄壓，通過數(shù)顯壓力變送器采集另一端壓力和時間關(guān)系曲線，比較仿真和實驗結(jié)果。

圖15 臍帶纜液壓等效裝置Fig .15 Umbilical’s hydraulic equivalent device

仿真和實驗得到臍帶纜液壓等效裝置2、5 km模塊無負(fù)載泄壓曲線對比如圖16所示，可以看出：2 km臍帶纜仿真泄壓時間和臍帶纜等效裝置實驗泄壓時間均為8 s；5 km臍帶纜仿真泄壓時間為33 s，臍帶纜等效裝置實驗泄壓時間為31 s，兩者相差2 s。由此可見，較長距離臍帶纜等效裝置泄壓時間遠(yuǎn)大于較短距離臍帶纜等效裝置，說明較長距離臍帶纜內(nèi)部液體的液容效應(yīng)很大，在一定程度上能起到蓄能作用來維持水下蓄能器的壓力值。由于臍帶纜等效裝置無負(fù)載泄壓實驗時間與臍帶纜仿真泄壓時間基本一致，且泄壓曲線較為接近，證明臍帶纜液壓等效裝置能較好地模擬臍帶纜液壓傳輸特性。

圖16 2、5 km臍帶纜泄壓特性仿真及2、5 km臍帶纜等效 裝置泄壓特性實驗曲線Fig .16 Simulation of releasing pressure characteristics of 2 km and 5 km umbilical and experimental curve of release characteristics of 2 km and 5 km umbilical equivalent device

4.2 執(zhí)行器開關(guān)特性實驗

臍帶纜液壓等效裝置操作執(zhí)行器實驗裝置如圖17所示。實驗過程中將臍帶纜等效裝置與模擬執(zhí)行器負(fù)載連接，檢查調(diào)試完成后啟動測試用液壓站，液壓油從泵站由出口經(jīng)過等效裝置，觀察數(shù)顯壓力變送器。當(dāng)水下蓄能器充壓完成后關(guān)閉泵站，開啟兩位兩通電磁閥，執(zhí)行器推動負(fù)載，通過數(shù)顯壓力變送器采集水下蓄能器、負(fù)載端、回油端壓力和時間關(guān)系曲線，比較仿真和實驗結(jié)果。

圖17 臍帶纜液壓等效裝置操作執(zhí)行器實驗Fig .17 Actuator operation experiment of umbilical’s hydraulic equivalent device

開啟單個執(zhí)行器時25 km臍帶纜仿真模型和25 km臍帶纜等效裝置水下蓄能器壓力曲線對比如圖18所示，可以看出：開啟執(zhí)行器時，25 km臍帶纜等效裝置的壓力下降最低為31.6 MPa，25 km臍帶纜仿真模型水下蓄能器壓力下降最低為31.1 MPa，兩者相差0.5 MPa，且均大于復(fù)位壓力8.25 MPa。等效裝置的實驗壓力曲線在臍帶纜仿真曲線之上，這是由于等效液容作用使得水下蓄能器維持較高壓力。

圖18 開啟單個執(zhí)行器時25 km臍帶纜仿真模型和 25 km臍帶纜等效裝置水下蓄能器壓力曲線Fig .18 Subsea accumulator pressure of 25 km umbilical and 25 km umbilical equivalent device when the valve is opened

開啟單個閥門時25 km臍帶纜等效裝置負(fù)載端壓力曲線如圖19所示，從開啟電磁閥開始計時，負(fù)載液壓缸的活塞桿全部被執(zhí)行器推進(jìn)去的時間就是開閥時間。從圖19可以看出，負(fù)載端壓力由0迅速上升到65.5 MPa，2 s后溢流閥開始溢流，執(zhí)行器移動，計量執(zhí)行器移動結(jié)束的時間是7 s，與前面仿真開閥時間8.3 s相差較小。

圖19 開啟1個閥門時25 km臍帶纜等效裝置負(fù)載端 壓力曲線Fig .19 Pressure curve of the 25 km umbilical equivalent device’s load end when one valve is opened

關(guān)閉單個閥門時將執(zhí)行器里的油液連接回油泄壓關(guān)閉，25 km臍帶纜等效裝置回油端壓力曲線如圖20所示，回油端壓力先上升后下降，執(zhí)行器中帶壓油液泄到回油模塊蓄能器，壓力上升；回油模塊蓄能器將油液泄到油箱，壓力下降。從圖20可以看出，回油端壓力變化的轉(zhuǎn)折點就是閥門關(guān)閉的時間，為15.00 s，這與前面仿真關(guān)閥時間15.08 s非常接近。

圖20 關(guān)閉單個閥門時25 km臍帶纜等效裝置回油端 壓力曲線Fig .20 Pressure curve of the 25 km umbilical equivalent device’s return end when one valve is closed

以上結(jié)果均表明，臍帶纜液壓等效裝置能較好地模擬臍帶纜執(zhí)行器開關(guān)特性。

5 結(jié)論

1) 應(yīng)用臍帶纜管路液壓傳輸特性與電路電力傳輸特性相似性原理，建立了臍帶纜液壓傳輸特性液阻、液容、液感數(shù)學(xué)計算模型，通過量綱法推導(dǎo)出液壓馬達(dá)的液感單位為kg/m4，與液感單位一致，說明用液壓馬達(dá)來模擬液感具有可行性。

2) 對臍帶纜液壓管線的液阻、液容、液感參數(shù)提出了相應(yīng)的等效方法，運用細(xì)管等效液阻、蓄能器等效液容、液壓馬達(dá)和飛輪組合等效液感，得到了等效參數(shù)計算方法。

3) 通過AMESim仿真，分析比較臍帶纜與等效臍帶纜無負(fù)載泄壓特性、開啟單個和2個執(zhí)行器特性，仿真結(jié)果表明等效方法可行。

4) 臍帶纜等效裝置無負(fù)載泄壓和操作單個執(zhí)行器實驗結(jié)果表明，等效臍帶纜實驗泄壓時間與臍帶纜仿真泄壓時間基本一致，泄壓曲線較為接近；臍帶纜等效裝置操作單個執(zhí)行器，水下蓄能器的壓力變化和開關(guān)閥門時間均與仿真結(jié)果相符，說明等效裝置能較好地模擬臍帶纜液壓傳輸特性，水下產(chǎn)品聯(lián)合測試時用臍帶纜液壓傳輸特性等效裝置替代臍帶纜能較好地等效其液壓傳輸特性。

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