双向自封快速接头操作过程的模型建立与仿真

苏毅, 赵翔, 杨建勇, 李著信

苏毅, 赵翔, 杨建勇, 李著信. 双向自封快速接头操作过程的模型建立与仿真[J]. 油气储运, 1999, 18(3): 11-15.
引用本文: 苏毅, 赵翔, 杨建勇, 李著信. 双向自封快速接头操作过程的模型建立与仿真[J]. 油气储运, 1999, 18(3): 11-15.
Su Yi, Zhao Xiang, . Modeling and Simulating in the Operation Process of Double-Directional & Self-sealing Fast Coupler[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 1999, 18(3): 11-15.
Citation: Su Yi, Zhao Xiang, . Modeling and Simulating in the Operation Process of Double-Directional & Self-sealing Fast Coupler[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 1999, 18(3): 11-15.

双向自封快速接头操作过程的模型建立与仿真

详细信息
    作者简介:

    苏毅  副教授, 1958年生, 1957年毕业于重庆建筑工程大学机械制造专业, 现在中国人民解放军后勤工程学院油料机械工程系从事油料装备及机电一体化研究和教学工作

    *400016, 重庆市大坪长江二路; 电话: (023)68756471。

Modeling and Simulating in the Operation Process of Double-Directional & Self-sealing Fast Coupler

  • 摘要: 双向自封快速接头基于实际操作的工作行为可离散为四个过程, 即对接过程、开门过程、关门过程和拆分过程。为确定各过程中的操作力矩, 建立了各过程的动力学模型, 并进行了数字仿真。结果表明, 双向自封快速接头具有操作力矩小、速度快、效率高的特点, 非常适合于快速连接作业。
    Abstract: Based on the operation actions of double-directional & self-sealing in actual use, four processes, namely connection, open-door, close-door, and seperation have been differentiated in this article. In order to calculate the operational force or operational moment of force, four kinetics models have been established respectively, and digital simulation has also been completed. The result shows that the self-sealing coupler has some features, such as low operational force, fast operational speed, and high operational efficiency.
  • 双向自封快速接头是近来研制出来的、用于软管间相互连接的接头。它接好后可开启导通、拆开后能自动关闭,具有连接简单、拆装轻便、密封可靠、操作力小、过流面积大等特点, 适用于经常拆卸而且不要求放空管内介质的场合。

    双向自封快速接头由自封装置、连接锁紧装置和控制装置三部分组成(见图 1)。

    图  1  双向自封快速接头结构原理图
    1—阴端体; 2—阴端浮动密封座; 3—控制跳爪; 4—控制销轴; 5—销轴复位弹簧; 6—平面凸轮, 7—手轮; 8—控制顶套, 9—连接锁紧爪; 10—锁紧控制按执; 11—阳端浮动密封座, 12—阳端主密封弹簧; 13—阳端浮动密封座; 14、15—转动半轴; 16—阳端活门; 17—阴端活门; 18—掊制顶套复位弹豁, 19—阴端主密封弹簧

    当按照阴阳两端的连接对位指示对准位置、合拢阴阳两端时, 两端的浮动密封座就被推离密封位置, 解除自封状态; 接拢到位时, 阳端上的连接锁紧爪9在弹力作用下, 跳入阴端锁紧槽内, 将两端锁住。转动手轮7到限定位盬的过程中, 一方面使同轴转动的两活门转到平行于管道的位置; 另一方面手轮底部的平面凸轮6将控制跳爪3压下, 解除其对控制顶套8的作用。另外, 在阳端浮动密封座11的回弹复位力作用下, 控制顶套8产生小量的回复动作后就被控制销轴4锁住, 保持浮动密封座与转动活门的分离状态。这时, 由于阳端半轴是嵌在阴端半轴内的, 因此两半轴不会分开, 保证了接通后的可靠性。

    拆离时, 首先顺时针转动手轮7到限定位置, 一方面使活门处于关闭位置; 另一方面在手轮底部的平面凸轮及控制销轴复位弹簧5的作用下,控制销轴4往上移动, 解除控制销轴对控制顶套8和阴端浮动密封座2的限制作用。在阴阳两端的主密封弹簧19.12的复位作用下, 阴阳两端的浮动密封座2、11复位, 将阴阳两端分别密封, 然后压按锁紧控制按钮10, 阴阳两端即可拆离。拆离后, 控制顶套8在控制顶套9、复位弹簧18的作用下被弹出, 处于接通前的位置。

    双向自封快速接头基于实际操作的工作行为可离散为四个过程, 即对接过程、开门过程、关门过程和拆分过程。为确定各过程中的操作外力或操作力矩, 有必要建立各过程的动力模型, 在对模型进行数字仿真的基础上, 以评价其操作性能, 并进一步优化设计。

    阴阳两端对接前, 各端的浮动阈座受弹簧作用, 分别顶住各自的密封门, 密封门承受顶压而处于自封状态, 截止了两端的过流通道。阳端插入一定程度后, 阴阳端内的弹簧被压缩。此过程中主要滑动部件的受力如图 2所示。

    图  2  对接过程受力图
    1—阴端阀座: 2—浮动套; 3—阳端阀座; 4—阳端

    图 2中△Fk1, △Fk3为对接过程中弹簧力的增量; F为操作推力; fyi(i=1, 3, 4) 为各密封圈与缸壁间存在的摩擦力; fi(i=1, 2, 3, 4) 为粘性阻尼力。

    计算fyi的经验公式如下:

    (1)

    式中  u——摩擦系数(对于聚四氟乙烯, 取0.07);

    hi——密封圈截面厚度;

    di——缸体内径;

    Pi——密封圈两侧的介质压差(按均值考虑);

    Zi——密封圈数。

    粘性阻尼力的计算公式为:

    (2)

    式中  μ——粘性系数, 对于一般油料可取0.5×10-6 MPa;

    Ai——滑动件之间的接触面积;

    Vi/δi——沿半径方向油液流速的变化率(按层流考虑)。

    弹簧力的计算公式为:

    (3)

    式中  Ki——弹性系数, 设计值为12 N/cm;

    Xi——弹簧受压后产生的变形量。

    设开始对接的时刻为计时起点。为简化模型, 在不影响主要变量的情况下, 对对接过程作如下简化: ①0~T1阶段, 该过程中阳端间座还末顶到阴端浮动套, 阳端以等加速a1向阴端插入; ②T1~T阶段, T1时刻阳端阀座刚好顶到阴端浮动套, 阳端以等减速a2向阴端插入。试验表明: 实际操作基本上符合上述简化模型。

    根据牛顿定律, 并考虑到上述假设, 可列如下公式:

    (4)

    (5)

    式中  a——阴阳端浮动阀座及浮动套的加速度;

    a0——相对于阴端的阳端加速度。

    T1~T阶段(a0=a2), 联立式(1)~式(4), 有:

    (6)

    从而

    联立式(1)、式(3)、式(5) 和式(6) 求得:

    (7)

    0~T1阶段(a0=a1), 阳端受力较简单, 其操作推力的计算公式如下:

    (8)

    (9)

    经过适当简化, 推得了对接过程操作推力的计算公式, 该式即为仿真模型1。

    转动手轮, 耦合在一体的密封门绕手轮轴转动。初始转动过程中, 手轮上的凸轮轮廓迅速挤压控制叉轴顶部的钢珠。控制叉轴受压, 克服弹簧作用而快速下滑; 在手轮转过约10°时, 控制叉轴下端完全顶开赖爪, 担起了支托浮动套的任务。手轮转过10°后, 控制叉轴不再继续下滑, 但耦合的密封门仍在绕手轮轴开启, 直至全开。

    设开始开门的时刻为计时起点。按上面的分析, 将开门过程按两个阶段考虑, 即: ①0~10°阶段, 该阶段中控制叉轴在快速下滑; ②10°~90°阶段, 该阶段中控制叉轴不再下滑。

    图 3中, F为凸轮轮廓对控制叉轴的下压力; Fk为弹簧作用力; f0为钢珠与凸轮间存在的摩擦力; M为操作力矩; Mi(i=1, 2) 为轴承对手轮轴阻力矩; P为油液作用于密封门上的压强。各种力、力矩的计算如下。

    (10)
    图  3  开门过程第一阶段受力图
    1—控制叉轴; 2—密封门与轴

    式中  K——弹性系数, 设计值为22.4 N/cm;

    Y0——弹黄的初始压缩量;

    Y——弹簧受压后产生的变形量。

    轴承阻力矩的计算公式为:

    (11)

    式中  μ——粘性系数, 对于一般油料可取0.5×10-6 MPa;

    ——手轮轴与滑动轴承间的接触面积;

    ——按层流考虑沿轴径方向油液转速的变化率;

    u——摩擦系数, 对于聚四氟乙烯, 取0.07;

    hr——密封圈截面厚度;

    r——手轮轴半径;

    Pr——密封圈两侧的介质压差(按均值考虑)。

    为计算钢珠与手轮凸轮间的摩擦力f0所产生的阻力矩M0, 首先需推导控制叉轴下滑速度V与手轮转速ω间的关系。凸轮轮廓展开见图 4

    图  4  凸轮轮廊展开图

    图 4所示的运动协调关系, 不难推得:

    对上式求导、积分, 有:

    (12)

    式中  r0——钢珠与凸轮接触点距手轮轴的距离。

    为简化分析, 不妨对开门过程的两个阶段作如下简化: ①0~10°阶段, 以等加速度β1转动手轮; ②10°~90°阶段, 以等加速度β2转动手轮。上述简化基本上与人工的操作规律吻合。

    0~10°阶段, 由牛顿定律, 并考虑到上述设定, 可列如下公式:

    从而

    (13)

    式中  M0——操作力矩;

    u0——钢珠与凸轮轮廊间的滚动摩擦系数, 取0.1。

    开启过程中, 背压P作用于阴端密封门的背面。鉴于背压分布的对称性和密封门转速较小, 其影响可以忽略, 认为不构成阻力矩。

    由牛顿定律, 对密封门有如下公式:

    (14)

    式中  J6——手轮、轴、密封门等折合在一起的转动惯量。

    联立式(10)~式(14), 求得0~10°阶段的操作力矩如下:

    (15)

    10°~90°阶段, 其受力分析比较简单, 操作力矩的计算公式如下:

    (16)

    综合式(15)、式(16)有:

    在0~10°阶段:

    在10°~90°阶段:

    至此, 经适当简化, 推得了开启过程操作力矩的计算公式。该式即为仿真模型2。

    拆分接头前, 先需转动手轮。手轮转动约80°后, 一方面, 密封门仍在关闭; 另一方面, 受弹簧回复力作用, 控制叉轴沿凸轮轮廓块速上滑, 解除其底部对浮动套的轴向约束。浮动套的轴向约束被解除后,因棘爪不能跳起, 故阴阳端体内的浮动阀座均被弹出而顶住各自的密封门, 实现拆分前的自封。

    设开始关门的时刻为计时起点。按上面的分析, 将关门过程按两个阶段考虑: ①0~80°阶段, 该阶段控制叉轴不下滑; ②80°~90°阶段, 该阶段控制叉轴快速下滑。此阶段受力较复杂, 其受力情况见图 5

    图  5  关门过程第二阶段受力图
    1—控制叉轴; 2—密封门与轴

    图 5可以看出, 各符号的意义及各种力、力矩的推导基本同前, 不再重复过程, 直接给出操作力矩的计算公式。

    在0~80°阶段:

    在80°~90°阶段:

    该式即为仿真模型3。

    密封门完全关闭后, 按下锁定按纽, 解除锁紧约束后, 便可抽出阳端。该过程中阳端受力见图 6所示。

    图  6  拆分过程阳端受力图
    1—阳端阀座; 2—阳端

    图 6可知, 拆分中阳端受力简单。设定以匀加速度a进行拆分, 其操作拉力如下:

    (17)

    该式即为仿真模型4。

    在建立了双向自封快速接头操作过程动力学模型后, 可通过数字仿真得到模型反映的操作工况的时域解, 也可预测和估计主要参数变化时对系统操作性能带来的影响。也就是说,在输入参数确定的情况下, 可定量获得快速接头的操作性能, 据此, 可进行结构参数的优化以获得最佳的操作性能。

    用C语言作为仿真语言, 仿真结果如下, 其中V-t为输入的操作规律, F-tM-t为相应操作规律下的性能曲线。

    模型1~模型4仿真结果见图 7~图 10

    图  7  模型1仿真结果
    图  8  模型2仿真结果
    图  9  模型3仿真结果
    图  10  模型4仿真结果

    通过对仿真结果进行分析, 可得出以下结论。

    (1) 在快速接头进行作业的四个过程中, 操作外力或操作力矩的变化相对较平缓, 不存在大的突变, 接近操作员的操作特点。

    (2) 整个作业期间,最大操作推力不到200 N (设定对接时间3 s), 最大开门力矩大约为1.2 N · m (设定开门时间为1.8 s), 最大关门力矩大约为1 N · m (设定关门时间为1.5 s), 最大操作拉力不到90 N (设定拆分时间为2 s), 操作员可直接提供, 不需要多人协作或装备辅助工具。

    (3) 从对接开始到转入输油作业仅需5 s, 从关门开始到拆分完毕不到4 s, 相对于其它接头, 具有操作速度快、操作效率高的特点, 非常适合于快速连接作业。

  • 图  1   双向自封快速接头结构原理图

    1—阴端体; 2—阴端浮动密封座; 3—控制跳爪; 4—控制销轴; 5—销轴复位弹簧; 6—平面凸轮, 7—手轮; 8—控制顶套, 9—连接锁紧爪; 10—锁紧控制按执; 11—阳端浮动密封座, 12—阳端主密封弹簧; 13—阳端浮动密封座; 14、15—转动半轴; 16—阳端活门; 17—阴端活门; 18—掊制顶套复位弹豁, 19—阴端主密封弹簧

    图  2   对接过程受力图

    1—阴端阀座: 2—浮动套; 3—阳端阀座; 4—阳端

    图  3   开门过程第一阶段受力图

    1—控制叉轴; 2—密封门与轴

    图  4   凸轮轮廊展开图

    图  5   关门过程第二阶段受力图

    1—控制叉轴; 2—密封门与轴

    图  6   拆分过程阳端受力图

    1—阳端阀座; 2—阳端

    图  7   模型1仿真结果

    图  8   模型2仿真结果

    图  9   模型3仿真结果

    图  10   模型4仿真结果

图(10)
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出版历程
  • 收稿日期:  1998-09-09
  • 网络出版日期:  2023-08-22
  • 刊出日期:  1999-03-24

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