水下球閥用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計

　　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，通過設(shè)計計算確定其基本參數(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發(fā)模式。在早期，水下閥門主要的形式是閘閥，但隨著深海油氣田的發(fā)展和對大孔徑、高壓力閥門需求的增加，球閥在深海環(huán)境的應(yīng)用越來越廣泛。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)通過液壓缸驅(qū)動閥門關(guān)閉，通過復(fù)位彈簧開啟閥門。在調(diào)試或液壓源故障時，通過ROV 接口驅(qū)動。水下球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)由液壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)、彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)、ROV 驅(qū)動機(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)各個腔體。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)腔體內(nèi)充滿了介質(zhì)，當(dāng)金屬膜片受到海水壓力作用時發(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)，同時也可以簡化密封結(jié)構(gòu)。

圖1 水下球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　為滿足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ROV 的水下攝像機(jī)觀察指示機(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)動往復(fù)動作，以實現(xiàn)開啟/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。

　　液壓操作閥門開啟時，液壓油通過油管進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的油腔內(nèi)，推動活塞向左移動，活塞端部連接的傳動桿及齒條隨之運動，齒條通過球閥閥桿上的齒輪轉(zhuǎn)動閥桿，驅(qū)動球閥關(guān)閉。在整個活塞左移的過程中，彈簧不斷被壓縮，通過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)閥門需要打開時，卸掉油腔內(nèi)液壓油壓力，彈簧的彈力克服閥門的開啟力和活塞與缸體內(nèi)壁的摩擦力，使得活塞向右移動，直到彈簧恢復(fù)初始狀態(tài)，閥門完全打開。

　　ROV 操作閥門關(guān)閉時，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)械臂順時針力矩的作用下，ROV 接頭通過齒輪及軸套驅(qū)動螺桿旋轉(zhuǎn)，在傳動螺母作用下螺桿向左運動，推動齒條向左運動，齒條通過球閥閥桿上的齒輪轉(zhuǎn)動閥桿，驅(qū)動球閥關(guān)閉。ROV 操作閥門開啟時，ROV 機(jī)械臂逆時針旋轉(zhuǎn)，螺桿向右運動，在彈簧回復(fù)力的作用下齒條帶動閥桿旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)閥門開啟。

　　4、結(jié)語

　　設(shè)計中重點對液壓操控端及ROV 操控端進(jìn)行了計算，確定了主要設(shè)計參數(shù)并對傳動比以及螺桿強(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。