水下球閥用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
介紹了一種水下球閥用帶接口的單作用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu),分析了液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理,通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算確定其基本參數(shù),給出了水下球閥用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。
1、概述
隨著海洋石油天然氣工業(yè)的發(fā)展,以及海洋石油天然氣的勘探和開(kāi)發(fā)向深水區(qū)域邁進(jìn),水下生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)成為一種重要的深水開(kāi)發(fā)模式。在早期,水下閥門(mén)主要的形式是閘閥,但隨著深海油氣田的發(fā)展和對(duì)大孔徑、高壓力閥門(mén)需求的增加,球閥在深海環(huán)境的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文介紹一種水下球閥用帶水下機(jī)器人( ROV) 接口的單作用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
2、工作原理
在正常工況下,執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓缸驅(qū)動(dòng)閥門(mén)關(guān)閉,通過(guò)復(fù)位彈簧開(kāi)啟閥門(mén)。在調(diào)試或液壓源故障時(shí),通過(guò)ROV 接口驅(qū)動(dòng)。水下球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)由液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)、ROV 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、壓力補(bǔ)償器和位置指示器等( 圖1) 組成。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)每個(gè)腔體設(shè)置了壓力補(bǔ)償器。補(bǔ)償器采用金屬膜片盒式結(jié)構(gòu),金屬膜片一側(cè)通海水,另一側(cè)連通執(zhí)行機(jī)構(gòu)各個(gè)腔體。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)腔體內(nèi)充滿(mǎn)了介質(zhì),當(dāng)金屬膜片受到海水壓力作用時(shí)發(fā)生彈性變形,使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)腔體內(nèi)的壓力與海水壓力相等,從而可以采用更為輕薄的殼體結(jié)構(gòu),同時(shí)也可以簡(jiǎn)化密封結(jié)構(gòu)。
圖1 水下球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)
為滿(mǎn)足ROV 操作的需求,執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置了可視化位置指示器,可通過(guò)ROV 的水下攝像機(jī)觀(guān)察指示機(jī)構(gòu)位置進(jìn)行相應(yīng)操作。球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置指示器設(shè)置在頂部,直接與輸出軸相連,可顯示輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。
水下球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用單作用液壓缸,依靠液壓力和彈簧力分別驅(qū)動(dòng)往復(fù)動(dòng)作,以實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟/關(guān)閉的功能。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有兩種工作方式,即液壓操控和ROV 操控。
液壓操作閥門(mén)開(kāi)啟時(shí),液壓油通過(guò)油管進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的油腔內(nèi),推動(dòng)活塞向左移動(dòng),活塞端部連接的傳動(dòng)桿及齒條隨之運(yùn)動(dòng),齒條通過(guò)球閥閥桿上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)閥桿,驅(qū)動(dòng)球閥關(guān)閉。在整個(gè)活塞左移的過(guò)程中,彈簧不斷被壓縮,通過(guò)液壓缸左端的限位螺釘限制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大行程。當(dāng)閥門(mén)需要打開(kāi)時(shí),卸掉油腔內(nèi)液壓油壓力,彈簧的彈力克服閥門(mén)的開(kāi)啟力和活塞與缸體內(nèi)壁的摩擦力,使得活塞向右移動(dòng),直到彈簧恢復(fù)初始狀態(tài),閥門(mén)完全打開(kāi)。
ROV 操作閥門(mén)關(guān)閉時(shí),首先ROV 機(jī)械臂與水下執(zhí)行機(jī)構(gòu)ROV 接口連接,在ROV 機(jī)械臂順時(shí)針力矩的作用下,ROV 接頭通過(guò)齒輪及軸套驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn),在傳動(dòng)螺母作用下螺桿向左運(yùn)動(dòng),推動(dòng)齒條向左運(yùn)動(dòng),齒條通過(guò)球閥閥桿上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)閥桿,驅(qū)動(dòng)球閥關(guān)閉。ROV 操作閥門(mén)開(kāi)啟時(shí),ROV 機(jī)械臂逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),螺桿向右運(yùn)動(dòng),在彈簧回復(fù)力的作用下齒條帶動(dòng)閥桿旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)啟。
4、結(jié)語(yǔ)
設(shè)計(jì)中重點(diǎn)對(duì)液壓操控端及ROV 操控端進(jìn)行了計(jì)算,確定了主要設(shè)計(jì)參數(shù)并對(duì)傳動(dòng)比以及螺桿強(qiáng)度進(jìn)行了校核,證明是一種可行的水下球閥用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)解決方案。