基于無(wú)人遙控潛水器的水下管道卡箍式連接件安裝機(jī)具設(shè)計(jì)

， (.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院， 山東 青島　66590； .山東科技大學(xué) 文法學(xué)院， 山東 青島　66590)

引言

近年來(lái)隨著海洋油氣資源的大力開(kāi)采，水下油氣管道鋪設(shè)作業(yè)量也日益增加，對(duì)管道連接件安裝的速度和精度也提出了更高的要求。管道連接件是將待連接管道連接在一起的裝置。由于深水環(huán)境的復(fù)雜性，深水管道連接件的安裝作業(yè)主要通過(guò)機(jī)器人來(lái)進(jìn)行。目前國(guó)內(nèi)外管道連接件安裝裝置的研究主要集中在法蘭式連接件和卡壓式連接件方面[1-3]，針對(duì)大口徑管道卡箍式連接件的安裝裝置研究較少[4,5]。本研究研制的水下大口徑管道卡箍式連接件安裝機(jī)具，對(duì)于卡箍式管道連接有著很好的應(yīng)用價(jià)值。

1　總體設(shè)計(jì)方案介紹

卡箍式連接件主要包括卡箍、密封圈、連接銷釘和螺栓緊固件[6-8]，內(nèi)徑為80～120 cm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該連接方法以其簡(jiǎn)易可靠，占據(jù)空間小，密封性能好等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用并占據(jù)了越來(lái)越多的市場(chǎng)份額[9]。其安裝工藝一般是先完成兩組銷釘連接，再進(jìn)行兩組螺栓法蘭連接。

1.連接法蘭　2.連接螺栓　3.吊耳 4.雙耳環(huán)　5.單耳環(huán)　6.連接銷釘

裝置的總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示，基本上呈前后對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。支架1為直角形狀，可以安裝在ROV(無(wú)人遙控潛水器)上，在支架的橫梁上有絲杠滑臺(tái)。圖2中虛線框A部分為連接件庫(kù)，虛線框B部分為機(jī)械手。機(jī)械手伸縮液壓缸5的底座與絲杠滑臺(tái)的滑塊4相連接，即機(jī)械手可以在滑臺(tái)的驅(qū)動(dòng)下左右移動(dòng)。9為待連接管道。

1.支架　2.驅(qū)動(dòng)電機(jī)　3.絲杠　4.滑塊　5.伸縮液壓缸 6.機(jī)械手架　7.開(kāi)合液壓缸　8.手指　9.待連接管道 10.雙伸縮液壓缸　11.夾緊液壓缸　12、16.鋼管 13.保持桿　14.吊耳環(huán)　15.支撐桿

2　機(jī)械手設(shè)計(jì)方案

2.1　機(jī)械手設(shè)計(jì)

如圖3所示，機(jī)械手伸縮液壓缸的活塞桿與機(jī)械手架6相連接。機(jī)械手架為“工”字形，在機(jī)械手架的上方橫桿上水平對(duì)稱安裝有夾緊液壓缸11、在機(jī)械手架的下方橫桿上對(duì)稱鉸接安裝有開(kāi)合液壓缸7，開(kāi)合液壓缸的活塞桿上安裝有手指8。

6.機(jī)械手架　7.開(kāi)合液壓缸　8.手指　11.夾緊液壓缸

當(dāng)機(jī)械手開(kāi)合液壓缸7的活塞桿收縮時(shí)，手指8帶動(dòng)連接件下端保持張開(kāi)狀態(tài)，并且下端開(kāi)口的最小寬度大于管道的直徑d。當(dāng)活塞伸出時(shí)，活塞桿端部的手指帶動(dòng)連接件敞開(kāi)的兩部分繞各自的連接銷釘轉(zhuǎn)動(dòng)直至閉合，連接法蘭接觸貼合到一起，使原本張開(kāi)的連接件閉合。右側(cè)液壓缸7的活塞桿端部安裝有液壓力矩扳手。在使用中為了使各液壓缸活塞桿保持在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手上所有的液壓缸均帶有活塞桿導(dǎo)向裝置。

為了計(jì)算手指8的布置位置以及液壓缸7的參數(shù)，以機(jī)械手架下方橫桿的中心為原點(diǎn)，以水平方向?yàn)閤軸，豎直方向?yàn)閥軸，垂直紙面向外的方向?yàn)閦軸建立空間坐標(biāo)系，坐標(biāo)軸的方向如圖4中的標(biāo)注所示。

圖4　機(jī)械手空間坐標(biāo)系

假設(shè)正方形的邊長(zhǎng)為2a，連接件吊耳環(huán)A、B、C、D投射在xoy平面上的坐標(biāo)為：

當(dāng)液壓缸7的活塞桿伸出時(shí)，連接件的敞開(kāi)端閉合。因?yàn)檫B接件上的4個(gè)吊耳正好分布在1個(gè)正方形的4個(gè)頂點(diǎn)，所以連接件閉合后吊耳環(huán)A、B、C、D投射在xoy平面上的坐標(biāo)為：

C點(diǎn)、D點(diǎn)和C′、D′點(diǎn)也是兩根手指在連接件敞開(kāi)端在閉合前后投射在xoy平面上的坐標(biāo)位置。根據(jù)圖4中的幾何關(guān)系，可以對(duì)液壓缸7的行程、原點(diǎn)到e點(diǎn)的距離等參數(shù)進(jìn)行確定。AC′距離為連接件上兩吊耳之間的距離，eC之間的距離為液壓缸活塞桿縮回時(shí)缸體長(zhǎng)度，CC′為活塞桿的長(zhǎng)度，△eCf∽△eC′A，可據(jù)此對(duì)液壓缸進(jìn)行選型，并求出eA的長(zhǎng)度。

2.2　連接件庫(kù)設(shè)計(jì)

連接件庫(kù)是水下作業(yè)主體上用于存放連接件的裝置，連接件庫(kù)可以使得水下作業(yè)主體一次下水?dāng)y帶多個(gè)連接件，這樣減小了水下作業(yè)主體往返水面和工作地點(diǎn)的頻率，實(shí)現(xiàn)在水下的持續(xù)作業(yè)，一方面提高了水下作業(yè)主體的續(xù)航能力，另一方面大大節(jié)約了作業(yè)時(shí)間。

如圖2所示的，連接件庫(kù)上方支撐桿15兩端垂直安裝有鋼管12、16、鋼管水平間距是連接件上方左右吊耳環(huán)圓心之間的距離。在連接件庫(kù)下方有2根保持桿13，其作用是使得連接件下方保持張開(kāi)狀態(tài)。此外在連接件庫(kù)中，每個(gè)連接件的前方均安裝有一雙伸縮液壓缸10，當(dāng)液壓缸活塞桿伸出時(shí)，可以擋住連接件，防止連接件從連接件庫(kù)中脫落。原理樣機(jī)中連接件庫(kù)如圖5所示。

圖5　連接件庫(kù)

2.3　液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械手的液壓系統(tǒng)原理圖如圖6所示。用三位四通閥控制液壓缸5、7、10、11的動(dòng)作，采用二位二通閥控制液壓力矩扳手的動(dòng)作。機(jī)械臂在正常給液的狀態(tài)下液壓缸5、7和11的活塞桿為縮回狀態(tài)，而且液壓缸7與橫桿鉸接的地方裝有擋塊，即液壓缸7活塞桿縮回時(shí)缸體與橫桿會(huì)保持一定角度。此時(shí)機(jī)械手上的手指8正好對(duì)準(zhǔn)連接件庫(kù)中連接件下方的兩個(gè)吊耳環(huán)14。

圖6　安裝機(jī)具液壓系統(tǒng)原理圖

使用SolidWorks Motion仿真軟件對(duì)機(jī)械手的單側(cè)閉合運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真并提取了液壓缸7活塞桿的角速度。其速度曲線呈對(duì)稱的先上升后下降的狀態(tài)。這是因?yàn)橐簤焊?活塞桿完全縮回時(shí)，連接件的下半部分重心在其無(wú)約束自然下垂時(shí)的重心位置之上，在運(yùn)動(dòng)初始階段，由初始位置運(yùn)動(dòng)到平衡位置的時(shí)候，由于連接件下半部分重力分量的作用，運(yùn)動(dòng)呈加速狀態(tài)，因此角速度不斷提高。當(dāng)越過(guò)平衡位置的時(shí)候，連接件下半部分開(kāi)始在其平衡位置的重心之下運(yùn)動(dòng)，重力分量開(kāi)始變成阻礙連接件下半部分轉(zhuǎn)動(dòng)的力，運(yùn)動(dòng)進(jìn)入減速狀態(tài)，因此最大速度出現(xiàn)在連接件下半部分的平衡位置。

3　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因?yàn)檠b置在水下工作，拖纜運(yùn)行對(duì)裝置的運(yùn)動(dòng)影響較大，因此開(kāi)發(fā)了一套無(wú)線控制系統(tǒng)，上位機(jī)安裝在作業(yè)母船上，下位機(jī)安裝在本安裝裝置上，上位機(jī)和下位機(jī)之間進(jìn)行無(wú)線通訊。采用串口通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。電磁閥與繼電器相連接。

控制系統(tǒng)的界面按鈕與繼電器開(kāi)閉映射關(guān)系表如表1所示。

2）A級(jí)高度鋼筋混凝土部分框支剪力墻，6度最大適應(yīng)高度120m，但平面和豎向均不規(guī)則的建筑，按減少20%控制，即：120×（1-20%）=96m＜98.4m（超 2.5%）。

4　作業(yè)過(guò)程

在進(jìn)行卡箍式連接件安裝作業(yè)時(shí)，已經(jīng)有前期的施工工具完成了管道的對(duì)中和密封圈的套裝工作。

在裝置下水作業(yè)之前，需要對(duì)連接件進(jìn)行預(yù)安裝，即將一組連接法蘭和兩個(gè)鉸接軸裝配好，另外使用防水粘膠將螺栓和螺母分別固定在另一組法蘭中兩個(gè)法蘭的外側(cè)。將預(yù)裝配好的連接件放入圖2中的連接件庫(kù)A中。

表1　界面按鈕與繼電器開(kāi)閉映射關(guān)系表(部分)

該裝置通過(guò)支架安裝在ROV上，ROV將裝置運(yùn)送到水下管道的接口位置(管道接口的定位及裝置姿態(tài)調(diào)整等工作由ROV完成)。

液壓缸5和11的活塞桿縮回，手指8對(duì)準(zhǔn)連接件庫(kù)中連接件吊耳孔，絲杠滑臺(tái)控制機(jī)械手左移，手指8穿進(jìn)連接件庫(kù)中最外側(cè)連接件下方兩個(gè)吊耳中，此時(shí)連接件前面的液壓缸活塞桿為伸出狀態(tài)，擋住了連接件，即機(jī)械手無(wú)法將連接件從庫(kù)中取出。然后控制夾緊液壓缸11的活塞桿伸出，夾緊連接件的上側(cè)法蘭，當(dāng)機(jī)械手上的夾緊液壓缸把連接件的上側(cè)法蘭夾緊后，給出控制信號(hào)，控制該連接件前面的液壓缸活塞桿收回，允許連接件放行，此時(shí)，機(jī)械手可以將連接件從庫(kù)中抓取出來(lái)。

滑臺(tái)右移，在ROV的配合下找準(zhǔn)管道接口位置，使得連接件對(duì)準(zhǔn)接口。液壓缸5活塞桿伸出，連接件的上半圓與管道壁貼合，此時(shí)液壓缸7活塞桿伸出，帶動(dòng)連接件下半部分轉(zhuǎn)動(dòng)，直至法蘭貼合，然后控制液壓力矩扳手對(duì)螺栓進(jìn)行預(yù)緊。至此，連接件就安裝到了管道上，控制夾緊液壓缸11的活塞桿縮回，機(jī)械手右移，將手指從吊耳孔中抽出。液壓缸7的活塞桿縮回。液壓缸5活塞桿縮回，準(zhǔn)備下一個(gè)連接件的安裝。

5　樣機(jī)制作

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，制作了模型樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。為了制作的方便，使用氣動(dòng)系統(tǒng)代替了液壓系統(tǒng)。

圖7是實(shí)驗(yàn)室制作的模型樣機(jī)。機(jī)械臂和連接件庫(kù)如圖7a所示。圖7b是機(jī)械手?jǐn)y帶連接件找到接口位置示意圖。液壓缸7活塞桿伸出，連接件閉合的狀態(tài)如圖7c所示。

圖7　模型樣機(jī)測(cè)試

6　結(jié)論

設(shè)計(jì)了水下大口徑管道卡箍式連接件安裝裝置，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了安裝機(jī)械手，另外還包括連接件庫(kù)，連接件庫(kù)的設(shè)計(jì)大大減小了安裝裝置往返于工作地點(diǎn)和母船之間的次數(shù)，提高了作業(yè)效率，機(jī)械手可以將連接件從連接件庫(kù)中取出并進(jìn)行安裝，實(shí)現(xiàn)了水下管道卡箍式連接件的無(wú)人水下作業(yè)。借助軟件分析了安裝時(shí)連接件的運(yùn)動(dòng)狀況，通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真，分析了連接件重心位置對(duì)其運(yùn)動(dòng)的影響。在后期研究中應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步提高裝置的自動(dòng)化作業(yè)水平，實(shí)現(xiàn)智能化作業(yè)。

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