Модель

Рисунок 1. Протестируйте схематичную буровую установку

Протестируйте описание буровой установки

Модель насоса представлена подсистемой под названием Насос Осевого Поршня. Движущая сила, вращающая насос, симулирована с Идеальным источником Скорости вращения. Выход насоса проходит через трубопровод, блок управления и отверстие переменного сечения, которое действует как загрузка. Чтобы протестировать ответ блока управления на переменную загрузку, отверстие изменяет свою область в процессе моделирования. Профиль изменения реализован блоком Signal Builder.

Блок управления в тестовой буровой установке представлен подсистемой под названием Единица Давления/Управления потоками. Обнаруживающая загрузку функция управления насосом использует фиксированное отверстие. Блок управления сохраняет перепад давления через это отверстие постоянным, независимо от загрузки насоса. Блок управления получает сигналы на давлении давления и загрузки выхода насоса, измеренном после клапана контроля потока. На основе этих давлений модуль производит смещение хомута, которое влияет на угловое положение угла наклона диска в насосе. Это помогает обеспечить заданный перепад давления через клапан контроля потока и препятствовать тому, чтобы давление насоса превысило предварительно установленное значение.

Тестовые основные параметры буровой установки:

Pump maximum displacement                        7.8877e-6 m^3/rad
Pitch radius                                     0.04 m
Piston area                                      1.77e-4 m^2
Number of pistons                                5
Maximum piston stroke                            0.06 m
Swash plate maximum angle                        35 deg (0.6109 rad)
Arm length between the actuator
  and the swash plate pivoting point             0.055 m
Swash plate actuator stroke                      0.04 m
Diameter of the orifice at the bottom
  of the piston chamber                          0.007 m
Pump maximum rated speed                         260 rad/s (2482 RPM)
Maximum pressure                                 270 bar
Rated flow                                       1.1e-3 m^3/s

Все основные параметры заданы через Model Properties> Коллбэки> опция InitFcn.

Модель насоса осевого поршня

Насос под следствием является насосом осевого поршня с пятью поршнями.

Рисунок 2. Схематичный насос осевого поршня

Принципиальную схему насоса показывают в рисунке 2, где:

1 - распределительный диск

2 - блок двигателя (ротор)

3 - поршень

4 - ведущий вал

5 - наклонный диск

Блок-схему модели насоса показывают в рисунке 3.

Рисунок 3. Модель насоса

Каждый поршень насоса представлен подсистемой под названием Поршень. Эти подсистемы идентичны и соединяются со следующими внешними портами модели насоса:

Порты всасывания всех поршней (порты А) соединяются с выходом низкого бустерного насоса давления, который симулирован с Идеальным Блоком Источника Гидравлического Давления. Выходное давление бустерного насоса установлено в 5e5 Па.

Хомут соединяется с портами Y всех поршней, таким образом действующих на угловую пластину механизма плеска. Смещение хомута ограничивается жестким упором.

Рисунок 4. Поршневая модель

Модель поршня (рисунок 4) основана на Гидравлическом Блоке двигателя Одностороннего действия, который механически соединяется с карданным валом через блок Swash Plate. Цилиндр также гидравлически соединяется с портами А и B через блоки Отверстия Переменной Пластины Портирования. Порты А и B представляют нагнетательное отверстие насоса и впускают порты, соответственно.

Назначение портов выполняется на основе следующих факторов:

В поршневой модели Phase angle параметров каждого блока Porting Plate Variable Orifice обозначается как Phase angle A и Phase angle B, соответственно. Значения угла фазы для всех пяти поршней вычисляются в разделе инициализации редактора маски подсистемы Насоса Осевого Поршня. Следующая таблица показывает их значения в градусах с соответствующими значениями в радианах, данных в круглой скобке:

---------------------------------------------------------------------
 Piston name in | Phase angle A | Phase angle B | Phase angle in
 the pump model |               |               | Swash Plate block
---------------------------------------------------------------------
   Piston_1     |   0           | 180   (pi)    |   0
   Piston_2     |  72  (1.2566) |-108 (-1.885)  |  72   (1.2566)
   Piston_3     | 144  (5.5133) | -36 (-0.8029) | 144   (5.5133)
   Piston_4     |-144 (-5.5133) |  36  (0.8029) |-144  (-5.5133)
   Piston_5     | -72 (-1.2566) | 108  (1.885)  | -72  (-1.2566)
---------------------------------------------------------------------

Блок Swash Plate в поршневой модели также требует, чтобы угол фазы был присвоен, задал положение поршня относительно наклоненной поверхности. С точкой выбранной ссылки значения угла фазы наклонного диска совпадают с Phase angle значения, как показано в таблице.

Блоки Отверстия Переменной Пластины Портирования требуют углового положения соответствующего поршня в их входе. Эта функция выполняется блоком Angle Sensor.

Другие важные параметры являются диапазоном цилиндра и исходным положением поршня относительно упора гидроцилиндра. Диапазон должен быть достаточно большим, чтобы позволить поршню перемещаться даже под максимальным углом наклонного диска

Диапазон> 2 * PitchRadius * tan(MaxAngle),

где PitchRadius является радиусом круга тангажа блока двигателя, и MaxAngle является максимальным позволенным углом наклонного диска.

В модели максимальный угол установлен в 35 градусов (0,6109 рад), и радиус тангажа установлен в 0,04 м, который делает диапазон, чтобы быть больше 0,056 м. Диапазон установлен 0,06 м. Поршневые исходные положения должны быть равны половине диапазона в нулевом начальном угле наклона диска. Но начальный угол изменяет свое значение в зависимости от исходного положения привода. В результате поршневые исходные положения вычисляются уравнением

Вычисление поршневых исходных положений выполняется в разделе инициализации редактора маски подсистемы.

Единица Давления/Управления потоками

Цель блока управления состоит в том, чтобы реализовать две функции: загрузите ограничение обнаружения и давления. Обнаружение загрузки реализовано путем поддержания заданного перепада давления через клапан контроля потока. В модели тестовой буровой установки (рисунок 1) клапан контроля потока симулирован с блоком Orifice with Variable Area Slot. Давления в восходящем направлении и в нисходящем направлении клапана передаются единице Давления/Управления потоками через порты P и LSP (рисунок 5).

Рисунок 5. Схематичная Единица Давления/Управления потоками

Эти давления действуют на поверхности стороны распределительного клапана с 3 путями и переключают клапан пропорционально к перепаду давлений и установке сосредотачивающихся пружин. Связи клапана выбраны таким способом, который увеличился, перепад давления открывает путь A-P и закрывает путь A-T. Привод располагается как дифференциал одно стержня гидравлический цилиндр со стержнем, соединенным с хомутом насоса. Перемещение насоса увеличено, если стержень перемещается в направлении стрелы, показанной в схематическом. Из-за различия между цилиндрическими эффективными площадями, смещение увеличено, если обе полости цилиндра соединены с насосом и уменьшены, если емкость без стержня соединяется с баком. В результате увеличенный перепад давления на клапане заставляет насос уменьшать свое смещение, пока это не возвращается, чтобы задать значение. Пружинная предварительная нагрузка клапана определяется уравнением

Цель ограничивающей функции давления состоит в том, чтобы препятствовать тому, чтобы давление насоса превысило предварительно установленное значение. Это реализовано с регулятором давления и отверстием в линии LSP. Регулятор давления установлен в желаемое максимальное значение. Когда сборки давления насоса до этого значения, клапан открывает и заставляет давление в правильной емкости клапана уменьшать вводный путь A-P. Сдвиги привода направо до давления возвращаются к предварительно установленному значению.

Модель обнаруживающего загрузку клапана создана с помощью Распределительного клапана С 3 путями, Гидравлического Привода клапана Двойного действия, Регулятора давления и блоков Фиксированное Отверстие, как показано в диаграмме модели (Рисунки 6 и 7).

Рисунок 6. Модель Единицы Давления/Управления потоками

Рисунок 7. 3 Путем давление клапана управляемая модель

Перепад давления установлен в 20 панелей. Путь к Распределительному клапану С 3 путями A-T должен быть первоначально открыт, чтобы обеспечить насос, чтобы увеличить его смещение в начале операции. Чтобы выполнить обнаруживающую загрузку функцию, увеличение давления в порте B (обнаруживающий загрузку порт) должно открыть путь A-T и закрыть путь A-P. Это причины, которые определили подключения порта клапана к системе. Остающаяся загрузка, обнаруживающая параметры распределительного клапана, такие как пружинная жесткость, диапазон клапана, площадь постоянного отверстия клапана, и так далее, настраивается в модели, чтобы гарантировать требуемую точность, устойчивость и числовую эффективность.

Ограничивающая давление функция реализована с комбинацией Фиксированных блоков Отверстия и Регулятора давления. Клапан установлен в 250 панелей. При этом давлении увеличенный поток через фиксированное отверстие заставляет давление в порте Y Гидравлического Привода клапана Двойного действия (Привод клиновой задвижки в рисунке 7) понижаться, который в конечном счете уменьшает смещение насоса.

Описание цикла

Симулированный цикл состоит из шести элементов, охарактеризованных различными условиями загрузки с блоком Variable Area Slot.

Цикл запускается с нулевого сигнала открытия, сопровождаемого путем открытия 2,8, 5.2, 1,-0.8, и, наконец, 2,45 мм. В начале цикла вал насоса начинает вращаться на уровне 260 рад/с (~2500 об/мин) с набором исходного положения хомута насоса к 5 мм. Сервоцилиндр начинает увеличивать перемещение насоса, давление насоса медленно растет, и процесс успокаивается в ~0.35 с после того, как перепад давления через клапан контроля потока становится близко к предварительно установленному значению 20 панелей. Обнаруживающий загрузку клапан открыт в данный момент на ~1.2 мм.

Во время следующих трех фрагментов цикла насос обеспечивает практически ту же доставку несмотря на изменения открытия клапана загрузки.

В 1 с клапан загрузки практически полностью закрывается, заставляя давление насоса повыситься. Ограничивающая загрузку функция становится доминирующей, когда давление достигает 270 панелей. Насос возвращается к обнаруживающему загрузку режиму после того, как давление упадет ниже предварительно установленного значения.

Результаты симуляции от Simscape Logging

График ниже показов скорость потока жидкости в поршнях насоса и при загрузке. Циклическая природа поршневых давлений видна, а также полное поведение насоса, который остается близко к его уровню номинального расхода.

Графики показывают ограничивающее управление обнаружением и давлением загрузки. Насос обеспечивает свой уровень номинального расхода 1,1 м^3/c, как раз когда загрузка изменяется, как показано на графике давления выхода насоса. Однако когда давление выхода насоса повышается до своего максимального расчетного давления, ограничивающее управление давлением регулирует положение хомута, и скорость потока жидкости опускается ниже ее уровня номинального расхода.