关键词:
全电式水下生产系统
电驱动水下闸阀执行器
低功耗保持机构
失效-安全关断
构型
摘要:
全电式水下生产系统是未来的发展方向已是业内的共识。电驱动水下闸阀执行器作为系统的核心装备,控制全电式水下生产系统生产采油树、管汇闸阀的开启与关闭,是全电式水下生产系统最终执行单元,对于油气资源的安全开采起着至关重要的作用。目前,电驱动水下闸阀执行器在欧美国家已处于试用阶段,国内尚处于初期的研究阶段。我国对于海洋油气资源的开发需求迫切,掌握电驱动水下闸阀执行器的关键技术,对于推动我国在海洋油气开发技术领域的发展具有重要的理论意义和实际应用价值。论文针对全电式水下采油树的控制需求,提出一种电驱动水下闸阀执行器的总体方案。对执行器机械系统的结构构型进行研究,针对执行器可靠性、安全性和节能性等方面的功能和性能要求,提出双电机并联布置、齿轮与螺母丝杠传动结合的冗余驱动机构,弹簧复位的失效-安全关断和阻尼式自循环缓冲机构,结合螺母丝杠传动和曲柄滑块的超控及位置指示机构,以及电磁铁驱动、螺旋和凸轮传动相结合的低功耗保持机构,用于实现执行器的冗余驱动、安全关断、辅助超控、位置指示及低功耗保持闸阀长期开启功能;对执行器电气系统的控制驱动方法进行研究,提出控制系统和驱动系统的设计方案,用于实现对于执行器的监测、控制和驱动。论文对电驱动水下闸阀执行器低功耗保持机构的保持性能和解锁性能进行研究,建立机构保持过程载荷、运动数学模型和解锁过程动力学数学模型,得到可锁紧复位弹簧最大工作载荷、解锁过程驱动力矩、锁舌容许行程及最大运动行程等性能评价指标与机构关键设计参数之间的解析关系;采用数值计算方法分析各关键设计参数对于机构性能的影响规律;基于正交试验法获得机构可选设计参数组合,考虑保持性能和解锁性能的约束关系,得出满足限制条件和性能要求下的低功耗保持机构最优设计尺寸以及相应的保持及解锁性能。为实现加工误差的合理控制,保证电驱动水下闸阀执行器低功耗保持机构性能可靠性的同时提高其经济性,开展加工误差对于低功耗保持机构性能的影响分析,建立机构保持性能和解锁性能的误差解析模型;根据误差因素的概率分布,推导各项误差的抽样公式,并利用统计学方法对机构性能误差进行模拟统计分析,得出误差因素对机构性能的影响规律和不同加工精度下的机构性能分布范围,确定低功耗保持机构的最优精度设计方案。针对解锁过程中接触表面误差是动态随机变化的特点,采用随机抽样与三次样条插值法描述接触随机表面轮廓模型,并以此建立考虑随机表面误差的解锁过程动力学修正模型;使用随机过程分析方法,分析随机表面误差对于解锁过程的影响并得出给定加工精度下解锁过程的动态特性范围。论文针对电驱动水下闸阀执行器低功耗保持机构的加载-卸载循环工作过程,以低功耗保持机构中的双圆柱表面接触形式为研究对象,利用分形理论对表面加卸载过程的接触力学特性进行研究。根据二维分形粗糙表面特性,建立考虑摩擦因素的单微凸体加载和卸载过程接触力学模型;通过引入圆柱表面接触系数和载荷修正系数完善微凸体的尺寸分布函数,建立考虑摩擦因素的两圆柱形粗糙表面的加载-卸载过程分形解析模型,给出不同变形阶段真实接触面积与接触载荷之间的变化关系;采用数值仿真方法,分析模型各特征参数对于表面加载-卸载接触特性的影响规律,并将模型计算结果与经典模型进行对比,验证理论分析的正确性,为提高低功耗保持机构工作表面的接触力学性能提供理论依据。研制一台电驱动水下闸阀执行器试验样机,并构建一套执行器测试系统,包括测试用主控站、测试用电力和通信分配单元以及信号发生装置等测试装置;对电驱动水下闸阀执行器电气系统和机械系统各项功能进行测试,验证电驱动水下闸阀执行器电气系统方案设计的合理性,以及机械系统冗余驱动、低功耗保持、失效-安全关断和阀门位置指示机构构型和理论分析的正确性。