臍帶纜鋪設(shè)中張緊器總體方案設(shè)計

廖洪千 李懷亮 劉 軍 王立權(quán) 鞠 明

（1.哈爾濱工程大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

0 引言

由于海洋開發(fā)起步較晚，技術(shù)相對落后，深水臍帶纜安裝系統(tǒng)在我國仍處于空白階段。因此，在引進國外設(shè)備的同時，消化吸收國外的先進技術(shù)，為我所用，并與我國實際情況相結(jié)合，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品具有重要實際意義［1］。張緊器在臍帶纜安裝過程中扮演著重要的角色，其主要作用是夾持并勻速收放臍帶纜［1－2］，即使在風(fēng)浪等外界干擾下張緊器仍能提供恒定的張力，保證臍帶纜的安全性，防止作業(yè)管線由于超過許用應(yīng)力受到破壞或因為張緊器張力變化而產(chǎn)生屈曲變形［3－4］。

本文通過對張緊器性能的具體研究，提出了一種適用于臍帶纜鋪設(shè)的張緊器結(jié)構(gòu)總體設(shè)計方案，并對其主要部件進行了詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后給出了張緊器液壓系統(tǒng)設(shè)計方案和控制系統(tǒng)總體方案。

1 結(jié)構(gòu)總體方案

通過研究國外相關(guān)產(chǎn)品和論文之后，確定了張緊器的總體方案，其主要包括夾緊系統(tǒng)、履帶系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、可開合式框架、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等六部分［2］。

夾緊機構(gòu)由對稱布置的液壓缸組成，通過液壓缸施加壓力，將臍帶纜夾持在張緊器中心［2］。履帶系統(tǒng)是由鏈軌節(jié)首尾連接而組成的一個密封式機構(gòu)，鏈軌節(jié)的連接通常采用銷軸和銷套的方式。驅(qū)動系統(tǒng)由三相異步電機和轉(zhuǎn)殼式行星齒輪減速器組成，并帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)臍帶纜的收放作業(yè)。履帶系統(tǒng)位于可開合式框架內(nèi)部，可開合式框架能夠為履帶系統(tǒng)的運動提供導(dǎo)向。張緊器的角度調(diào)整底座可以通過焊接等方式固定在鋪管船甲板上的指定位置，通過角度調(diào)整機構(gòu)可實現(xiàn)履帶系統(tǒng)角度在一個較小范圍內(nèi)進行調(diào)整。力傳感器可測量張緊器的張力，為控制系統(tǒng)的工作提供數(shù)據(jù)，實現(xiàn)張緊器的恒張力控制，從而保證臍帶纜的安全性。經(jīng)過分析研究，確定了四履帶張緊器總體結(jié)構(gòu)方案，如圖1所示。

2 關(guān)鍵部件

2.1 履帶靴和鏈軌節(jié)

張緊器履帶是組合式履帶，由履帶板、鏈軌節(jié)、履帶銷和銷套組成。履帶靴的主要作用是夾持管道，提供一定的摩擦力，從而使得張緊器為鋪設(shè)中的臍帶纜提供張力，并且要求履帶靴不能對臍帶纜造成任何損壞。聚氨酯彈性體材料具有良好的綜合機械性能，摩擦磨損性優(yōu)良，因此采用聚氨酯作為履帶靴的材料。根據(jù)張緊器的作業(yè)要求，鏈軌節(jié)需具有足夠的抗拉和抗壓強度，且軌面應(yīng)具有良好的耐磨性［5］。履帶靴和鏈軌節(jié)裝配圖如圖2所示。

圖1 張緊器總體結(jié)構(gòu)

圖2 鏈軌節(jié)與履帶靴裝配圖

2.2 驅(qū)動輪系統(tǒng)

根據(jù)張緊器鋪設(shè)臍帶纜的特點，采用驅(qū)動鏈輪與張緊器鋪設(shè)臍帶纜方向相反的位置布置。張緊器驅(qū)動輪系統(tǒng)采用齒塊拼合式驅(qū)動鏈輪，使用方便，且可以隨時更換。工作時，驅(qū)動鏈輪輪齒將會受到履帶銷套的彎曲壓應(yīng)力，且輪齒與銷套之間存在磨料磨損，故驅(qū)動鏈輪的材料采用鑄鋼齒面中頻淬火。驅(qū)動輪系統(tǒng)裝配圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動輪系統(tǒng)裝配圖

2.3 引導(dǎo)輪系統(tǒng)

引導(dǎo)輪系統(tǒng)的主要作用是引導(dǎo)履帶正確卷繞，同時利用引導(dǎo)輪系統(tǒng)的位置移動來調(diào)整履帶系統(tǒng)的張緊度。引導(dǎo)輪系統(tǒng)中的張緊裝置，一方面能夠防止由履帶松弛引起的振跳現(xiàn)象，減小由履帶振跳引起的沖擊載荷和額外功率的消耗，減緩履帶銷和銷套的磨損；另一方面能夠防止履帶過緊，減小引導(dǎo)輪軸承中的摩擦力，減緩履帶銷和銷套的磨損。引導(dǎo)輪系統(tǒng)裝配圖如圖4所示。

圖4 引導(dǎo)輪系統(tǒng)裝配圖

2.4 支重輪

懸掛系統(tǒng)中的支重輪是用來支撐履帶以及工作時負載的，當(dāng)履帶滾動并夾持管道時，能夠防止履帶因產(chǎn)生橫向位移而脫軌，且支重輪能夠承受較大的沖擊載荷。由此需要支重輪具有可靠的密封性能、良好的耐磨性、足夠小的滾動阻力系數(shù)，所選個數(shù)和布置方式應(yīng)有利于使履帶接地比壓分布均勻。支重輪裝配圖如圖5所示。

圖5 支重輪裝配圖

3 液壓系統(tǒng)工作原理

張緊器的液壓系統(tǒng)主要有兩個功能：一是通過控制液壓缸推動活動部件運動，完成張緊器的開合和鎖定、履帶位置和角度調(diào)整等動作，這是液壓系統(tǒng)的輔助功能；二是利用液壓缸使履帶能夠夾緊管線并保持恒定的壓力，確保工作時管線與張緊器履帶之間始終不發(fā)生相對滑動，這是張緊器液壓系統(tǒng)的主要功能。

張緊器的液壓系統(tǒng)主要包括履帶位置調(diào)整及夾緊系統(tǒng)、履帶懸浮系統(tǒng)、張緊器傾角調(diào)整系統(tǒng)、開合系統(tǒng)、液壓插銷、安全制動系統(tǒng)六部分，通過位置、壓力傳感器對張緊器進行實時監(jiān)控以保證張緊器各系統(tǒng)能夠以最佳狀態(tài)工作。液壓系統(tǒng)工作原理如圖6所示。

4 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

4.1 設(shè)計要求

圖6 液壓系統(tǒng)原理框圖

設(shè)計壽命應(yīng)不少于25 年，達不到25 年的部件應(yīng)指定備件?？刂婆_的位置必須使操作者能觀察到主要作業(yè)區(qū)域。設(shè)備結(jié)構(gòu)件要求設(shè)置單獨的底座，以方便可能的多次固定和移動，設(shè)備自底座向上1.5 m 要求水密，施工船甲板允許承重5ton/m2。設(shè)備作業(yè)中不應(yīng)損壞臍帶纜的外保護層。需做防腐處理的部件應(yīng)先清潔，按SA2.5等級噴砂處理，并嚴格按照油漆制造商的要求進行噴涂。

臍帶纜安裝系統(tǒng)具備三個工作狀態(tài)：（1）張緊器與滾筒驅(qū)動裝置協(xié)同工作完成臍帶纜的鋪設(shè)，張緊器通過控制上下履帶對纜線的夾緊力和履帶的正反向驅(qū)動，自動實現(xiàn)恒張力條件下纜線沿船舶航跡鋪設(shè)。（2）張緊器與A/R絞車協(xié)同放纜作業(yè)，在臍帶纜鋪設(shè)過程進入尾聲時，張緊器夾持著纜線，維持纜線的張力。隨著張緊器施加于纜線上的張緊力減小，A/R 絞車依據(jù)張緊器張力信息自動控制纜繩的拉力逐漸增大，直到拉力全部由A/R絞車承受，張緊器的履帶張開，纜線在基本保持恒張力的狀態(tài)下入水。（3）張緊器、滾筒驅(qū)動頂升裝置與A/R絞車協(xié)同收纜作業(yè)。根據(jù)張緊器使用要求，其控制系統(tǒng)功能區(qū)塊劃分如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)功能區(qū)塊劃分

4.2 控制方案

張緊器履帶由電機驅(qū)動，其開合方式由雙動力液壓源控制。張緊器采用手動和自動并行的控制模式，當(dāng)張緊器出現(xiàn)失效時能夠進行失效剎車保護。張緊器控制系統(tǒng)主要包括履帶驅(qū)動系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)、履帶開合系統(tǒng)、BOP調(diào)節(jié)、懸浮系統(tǒng)、液壓動力單元、±3°角調(diào)節(jié)系統(tǒng)等功能塊。除此之外，張緊器系統(tǒng)采用主從冗余框架結(jié)構(gòu)，框架內(nèi)有任一CPU 出現(xiàn)故障，都能保障系統(tǒng)繼續(xù)運行，且可在運行狀態(tài)下進行維修。采用遠程I/O 控制，且遠程I/O 電源冗余，保障了遠程I/O 的系統(tǒng)電源供應(yīng)。履帶驅(qū)動變頻器設(shè)計在EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，可滿足時間要求的苛刻性，且簡化了系統(tǒng)硬件連線。液壓泵站變頻器架設(shè)于EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，實現(xiàn)了更可靠的控制，亦簡化了系統(tǒng)連線。履帶驅(qū)動變頻電機通過EtherNet/IP實現(xiàn)與PLC CPU 通訊，通訊速率更高，動作反應(yīng)更快，分別采用本地控制和遠程控制?？刂葡到y(tǒng)架構(gòu)如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)架構(gòu)

5 結(jié)語

本文針對深水臍帶纜鋪設(shè)的實際需要，獲得了所需張緊器的相關(guān)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，提出了一種適用于臍帶纜鋪設(shè)的張緊器結(jié)構(gòu)總體設(shè)計方案。然后，對張緊器關(guān)鍵零部件進行了詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中包括履帶靴、鏈軌節(jié)、支重輪、驅(qū)動輪系統(tǒng)和引導(dǎo)輪系統(tǒng)。最后，給出了液壓系統(tǒng)設(shè)計方案和控制系統(tǒng)總體方案，為樣機的研制打下了基礎(chǔ)。

［1］孫晶晶，劉培林，段夢蘭，等.深水臍帶纜安裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［J］.石油礦場機械，2011，40（12）：1－5.

［2］孫亮，張仕民，林立，等.海洋鋪管船用張緊器的總體設(shè)計［J］.石油機械，2008，36（8）：36－38.

［3］Dieumegard C，F(xiàn)ellows P.Installation of metallic tube umbilicals in 3 000 meters water［C］//Offshore Technology Conference，Houston，2003.

［4］張俊亮，王曉波，林立，等.鋪管船用張緊器張緊系統(tǒng)分析［J］.石油機械，2008，36（9）：167－169.

［5］閆清東，張連第，趙毓芹，等.坦克構(gòu)造與設(shè)計（下冊）［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.