可控柔性實(shí)驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

在油田生產(chǎn)中有一類特殊的密封結(jié)構(gòu)，稱為可控柔性密封。其主要特征是：密封材料為力學(xué)性能良好的高彈性材料，工作時(shí)密封材料發(fā)生大變形，密封形式為往復(fù)密封，密封副需要頻繁處于工作和非工作狀態(tài)，密封接觸壓力可控等。按照結(jié)構(gòu)及工作方式不同，可控柔性密封可分為兩種形式：開關(guān)型和伺服型兩種。開關(guān)型在工作時(shí)具有兩種狀態(tài)：打開狀態(tài)和密封狀態(tài)；伺服型在工作時(shí)一直處于密封狀態(tài)，但可根據(jù)被密封件的形狀適時(shí)進(jìn)行密封力學(xué)狀態(tài)的調(diào)整。油田帶壓作業(yè)用防噴器的核心部件——密封膠芯與油管柱所組成的密封副就是一種典型的可控柔性密封結(jié)構(gòu)。用于可控柔性密封環(huán)境下的密封材料一般是性能優(yōu)異的橡膠材料，如丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠等，其工作環(huán)境主要是潤滑性能較差、低黏度、高雜質(zhì)含量的高壓流體介質(zhì)的密封場合，在石油生產(chǎn)、化工工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。由于可控柔性密封材料性能直接關(guān)系著密封性能，一旦失效，將造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失、環(huán)境污染甚至人員傷亡。因此，材料的密封性能實(shí)驗(yàn)是非常重要的。但傳統(tǒng)的往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)只能測試密封材料在某一壓縮變形下的密封性能，不能體現(xiàn)密封的可控性能，即徑向密封比壓是不可調(diào)的，為此，設(shè)計(jì)了新型的往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)用液壓驅(qū)動(dòng)和控制，除了能夠測量傳統(tǒng)的參數(shù)如：溫度、壓力、流量、泄漏等物理量之外，還可以控制密封比壓大小及控制密封副的分離和實(shí)現(xiàn)密封，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)可控柔性密封材料的密封實(shí)驗(yàn)。
1、實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)
1.1 設(shè)計(jì)要求
基于可控柔性密封的工作特點(diǎn)及工況要求，結(jié)合當(dāng)前流體控制技術(shù)的發(fā)展水平，研制一種能滿足生產(chǎn)實(shí)際要求的綜合密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、密封工作參數(shù)測試、測試數(shù)據(jù)分析和處理等多種功能于一體，能夠完成包括可控柔性密封工況模擬、密封工作壓力測試、密封接觸壓力分布測試、摩擦力測試、溫度場測試、漏失量測試、運(yùn)動(dòng)速度測試等指標(biāo)在內(nèi)的多種實(shí)驗(yàn)任務(wù)。
1.2 總體方案
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定可控柔性密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)由液壓泵站、液壓伺服往復(fù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、密封實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、介質(zhì)加載及增壓系統(tǒng)、數(shù)控采集及處理系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)組成。液壓泵站主要由變量伺服油泵、蓄能裝置、液壓管線系統(tǒng)等組成，提供并輸送系統(tǒng)所需高壓液壓油；液壓伺服往復(fù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括伺服油缸、電液伺服閥等，驅(qū)動(dòng)往復(fù)密封管柱運(yùn)動(dòng)；密封實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)裝置、可控柔性密封單元、密封測試單元、壓力測試單元、速度測試單元、溫度測試單元、摩擦力測試單元等，提供高壓模擬環(huán)境及相關(guān)參數(shù)的測試功能；介質(zhì)加載和增壓系統(tǒng)包括工作介質(zhì)輸送和增壓單元，將工作介質(zhì)加壓后輸送到密封實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)；數(shù)控采集及處理系統(tǒng)主要由控制單元、電液控制元件、各類傳感器、PLC系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等組成，主要完成測試數(shù)據(jù)的提取、處理、顯示及相關(guān)動(dòng)作控制等。各系統(tǒng)間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 可控柔性密封實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
1.3 密封測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
可控柔性密封實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，密封實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)屬于核心裝置，該系統(tǒng)提供了實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)介質(zhì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等的載體，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
系統(tǒng)主要由2個(gè)可控柔性密封單元、密封腔、漏失量檢測單元及各類傳感器組成。4個(gè)可控柔性密封單元與密封腔組成一個(gè)高壓密封環(huán)境，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)通過水壓管匯增壓后進(jìn)入密封腔，靠4 個(gè)可控柔性密封單元在密封抱緊液壓缸的作用下抱緊密封管柱并進(jìn)行保壓。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)液壓缸通過力傳感器驅(qū)動(dòng)密封管柱進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)配置的力、速度、加速度及壓力、溫度傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)，系統(tǒng)可通過電腦對(duì)密封抱緊壓力進(jìn)行隨時(shí)調(diào)整。可控柔性密封材料通常做成類似于閘板防噴器密封膠芯形狀，通過銷釘固定在閘板上，上下兩端抱緊液壓力通過抱緊液壓缸上的活塞作用在閘板活塞桿上，從而作用在密封副上，其作用力可近似為密封抱緊力。裝置按照35MPa的工作壓力設(shè)計(jì)，工作介質(zhì)若為水基，則溫度范圍為0~60℃；若為導(dǎo)熱油，則實(shí)驗(yàn)溫度可達(dá)100℃以上。

圖2 密封測試系統(tǒng)示意圖
2、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
由圖1可知，可控柔性密封實(shí)驗(yàn)裝置的液壓系統(tǒng)在整個(gè)裝置中處于十分重要的位置，主要作用包括：為往復(fù)運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)能量，為可控柔性密封抱緊管柱提供驅(qū)動(dòng)力并進(jìn)行伺服調(diào)整，為工作介質(zhì)提供增壓驅(qū)動(dòng)力等作用。從液壓系統(tǒng)的裝置來說，主要包括液壓泵站、各類控制閥件、液壓管線、增壓裝置、密封加載系統(tǒng)、同步抱緊系統(tǒng)等。根據(jù)設(shè)定要求，液壓泵采用恒壓變量泵，zui高輸出壓力位20MPa，zui大輸出流量為90L/min，裝機(jī)功率為30kW；油箱容積為1200mm×900mm×700mm＝756L；配置25L蓄能器。驅(qū)動(dòng)油缸直徑D=63mm，活塞桿直徑為45mm，zui大行程S=400mm；往復(fù)頻率zui高0.5Hz；zui大驅(qū)動(dòng)力為60kN。增壓裝置采用液動(dòng)增壓泵，增壓比為3.5∶1。密封加載系統(tǒng)主要是對(duì)工作介質(zhì)進(jìn)行過濾、對(duì)密封腔進(jìn)行灌注并對(duì)工作介質(zhì)進(jìn)行初步加壓。若工作介質(zhì)有溫度要求，還需要加熱裝置等。同步抱緊系統(tǒng)主要由4個(gè)抱緊液壓缸組成，完成圖2中左右2個(gè)密封單元的密封抱緊。控制zui大抱緊液壓不超過10MPa，調(diào)整系統(tǒng)設(shè)置讓4缸實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)。液壓原理圖如圖3所示。

圖3 可控柔性密封實(shí)驗(yàn)裝置液壓原理圖
液壓泵站泵出液壓油分為三路：一路通往伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為驅(qū)動(dòng)液壓缸提供能量，驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞桿通過力傳感器帶動(dòng)圖2中的管柱進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；一路通往增壓裝置，為液壓系統(tǒng)增壓提供能量；另外一路作為控制油路控制4個(gè)抱緊液壓缸的抱緊力，也就是控制可控柔性密封副之間的密封比壓。密封加載系統(tǒng)主要由小排量齒輪泵組成，zui高輸出壓力不超過10MPa，zui大流量為20L/min，裝機(jī)功率5kW。增壓系統(tǒng)的輸出回路與加載系統(tǒng)出口相連接，同時(shí)加載系統(tǒng)與增壓系統(tǒng)入口相連接。工作時(shí)，齒輪泵先向密封腔灌注，等密封腔灌滿工作介質(zhì)時(shí)，啟動(dòng)增壓裝置進(jìn)行打壓，直到密封腔壓強(qiáng)達(dá)到預(yù)定壓強(qiáng)為止。密封加載系統(tǒng)中高低壓之間通過單向閥進(jìn)行隔離。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于4個(gè)抱緊液壓缸的同步問題，圖中G1、G2配合控制圖2中左邊密封副啟閉，G3、G4配合控制圖2中右邊密封副的啟閉，若同步性能較差的話，容易導(dǎo)致被密封的管柱出現(xiàn)偏斜，對(duì)中不好，從而導(dǎo)致密封失敗，因此需要采取措施保證4個(gè)抱緊液壓缸G1、G2、G3、G4同步。在液壓傳動(dòng)中，液壓缸同步一般可采用串聯(lián)同步回路、調(diào)速閥同步回路、同步馬達(dá)實(shí)現(xiàn)同步回路、數(shù)字液壓缸回路及同步閥回路等，4缸同步回路的控制在技術(shù)上也是可行的，綜合各方考慮，采用3個(gè)同步閥控制的同步回路。同步閥2、3到同步閥1之間的油路要相同，同步閥2、3出口到4個(gè)液壓缸上腔進(jìn)油口油路也要相同，盡量保證4個(gè)抱緊油缸出口油路到管匯相交地方油路相同，若出現(xiàn)不同步現(xiàn)象可以通過微調(diào)同步閥進(jìn)行校正。抱緊系統(tǒng)中由單向閥和溢流閥組成的背壓閥作用是避免沖擊對(duì)密封材料的破壞。
可控柔性密封的工作方式有別于傳統(tǒng)的往復(fù)密封，其密封失效機(jī)理也與傳統(tǒng)的填料密封或其它柔性密封不同，用傳統(tǒng)的往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)來測試其密封性能并不能*反映實(shí)際工況。可控柔性密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以模擬可控柔性密封工作環(huán)境和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)密封材料的動(dòng)靜密封性能測試并研究不同參數(shù)對(duì)密封性能的影響，還能測試不同介質(zhì)、溫度、速度、密封比壓及密封表面狀況聯(lián)合作用下，對(duì)密封材料的壽命影響。在油田生產(chǎn)中凡是在苛刻工況下用到的可控柔性密封材料基本依賴進(jìn)口，這方面除了我國高分子材料工程方面的因素外，沒有合理的密封檢測系統(tǒng)也是影響因素之一，因此可控柔性密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有現(xiàn)實(shí)意義。