海洋鋪管電驅(qū)張緊器履帶機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)效率分析

周軍峰，王福山，馬天亮，曹　為

(1.天津市精研工程機(jī)械傳動(dòng)有限公司，天津 300409；2.天津工程機(jī)械研究院，天津 300409；3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450)

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海洋鋪管電驅(qū)張緊器履帶機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)效率分析

周軍峰1，王福山2，馬天亮1，曹為3

(1.天津市精研工程機(jī)械傳動(dòng)有限公司，天津 300409；2.天津工程機(jī)械研究院，天津 300409；3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450)

張緊器在海洋鋪管作業(yè)中起到重要作用。以臍帶纜安裝系統(tǒng)及關(guān)鍵部件(張緊器)為研究對(duì)象，主要研究了履帶裝置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、履帶懸浮機(jī)構(gòu)和接觸墊塊，給出了接觸墊塊應(yīng)具備的4方面特性。分析了影響張緊器履帶裝置傳動(dòng)效率的因素，對(duì)履帶傳動(dòng)效率進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比研究，為張緊器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

鋪管船；張緊器；傳動(dòng)裝置；效率

在深水油氣開發(fā)中，海洋鋪管作業(yè)越來越多，重要性日益突出。鋪管張緊器是海洋鋪管作業(yè)的專業(yè)裝備，在鋪設(shè)管線(例如石油管道、臍帶纜等)過程中起到重要的作用，是管道鋪設(shè)系統(tǒng)的核心部分之一。其主要作用是夾持管道，并能在鋪設(shè)過程中以一定的速度均勻收、放纜線。在鋪管船停止時(shí)，張緊器還能控制管線張力，使得鋪管船在波動(dòng)或是風(fēng)浪的作用下，管線的張力能保持在允許值，避免管線超過許用應(yīng)力而破壞。

張緊器按傳動(dòng)的履帶數(shù)量和履帶布置形式分為兩履帶垂直張緊器、兩履帶水平張緊器、三履帶和四履帶對(duì)稱布置張緊器[1]。在同等履帶夾持力的情況下，履帶數(shù)越多，管線在鋪設(shè)過程中的受力越均勻，不易使管線變形。但是，由于管線整體直徑不均，直徑小的部位，其夾持力不夠，導(dǎo)致鋪設(shè)張力減??；直徑大的部位，管線局部夾緊力增大，對(duì)管線有一定的損傷。本文以研制的張力為850 kN的四履帶張緊器為研究對(duì)象，如圖1所示，對(duì)其結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)效率進(jìn)行分析。

圖1　四履帶張緊器

1　張緊器履帶機(jī)構(gòu)總成的設(shè)計(jì)

履帶機(jī)構(gòu)總成(如圖2所示)是張緊器的核心部件，直接影響張緊器的工作能力。由圖2知，驅(qū)動(dòng)總成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)、鏈輪，傳動(dòng)鏈軌及履帶。引導(dǎo)輪起導(dǎo)向定位、履帶預(yù)緊作用，中間履帶框架及懸浮裝置起支撐作用。履帶預(yù)緊機(jī)構(gòu)采用螺桿、螺母支撐引導(dǎo)輪，根據(jù)鏈軌預(yù)緊力進(jìn)行人工調(diào)整。

1—驅(qū)動(dòng)總成；2—接觸墊塊；3—鏈軌；4—履帶懸浮機(jī)構(gòu)；5—引導(dǎo)輪總成；6—履帶預(yù)緊機(jī)構(gòu)；7—夾緊液壓缸； 8—履帶框架。

張緊器的鏈軌采用推土機(jī)行走系統(tǒng)的鏈軌，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鏈軌的斷裂拉力應(yīng)是履帶最大牽引力的2～3倍[2]。

張緊器額定張力為850 kN，考慮鏈軌的安全系數(shù)為1.5倍，選取的鏈軌的允許拉力應(yīng)大于318.75 kN。參考表1所示，選節(jié)距為215.9 mm的鏈軌。

表1　鏈軌參數(shù)

1.1主要參數(shù)計(jì)算

張緊器最大鋪設(shè)速度v=20 m/min，驅(qū)動(dòng)鏈輪齒數(shù)為Z=25，其分度圓直徑為D=868.55 mm，張緊器每條鏈軌提供拉力為F=212.5 kN。根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算出張緊器每條履帶的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動(dòng)功率。

計(jì)算驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T：

計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率P：

式中：n為機(jī)械效率，取0.8。

1.2履帶懸浮機(jī)構(gòu)

履帶懸浮機(jī)構(gòu)是指液壓缸作用支重輪支撐履帶，在蓄能器和控制系統(tǒng)的作用下保持液壓缸推力恒定，緩和因管線直徑誤差變化時(shí)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)，保持管線始終承受均衡的壓力。結(jié)構(gòu)如圖3。

1—滾輪；2—導(dǎo)向滑板；3—搖臂；4—搖臂支撐座；5—液壓缸；6—滾輪支座。

履帶懸浮機(jī)構(gòu)采用液壓缸頂升的方式，液壓缸只提供支撐力，并與搖臂組成三角結(jié)構(gòu)而支撐滾輪，滾輪支座、液壓缸與搖臂為一點(diǎn)支撐，滾輪支座可繞連接軸旋轉(zhuǎn)，根據(jù)管線直徑的變化而變化，實(shí)現(xiàn)接觸力的均衡。

1.3接觸墊塊

接觸墊塊直接與管線接觸，其作用是將履帶上的壓緊力均勻分布在管線上，能夠產(chǎn)生較大的摩擦阻力，以夾持管線或拖動(dòng)管線，避免管線表面保護(hù)層的機(jī)械損傷。結(jié)構(gòu)如圖4。

1—接觸墊塊；2—墊塊座；3—連接軸。

接觸墊塊應(yīng)具備以下特性：

1)高強(qiáng)度。張緊器處于工作狀態(tài)時(shí)，每塊接觸墊塊承受61.6 kN工作壓力，且接觸墊塊與管道處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這就要求接觸墊塊具有高的抗壓與抗剪切強(qiáng)度。

2)高摩擦因數(shù)。由于海洋敷管船隨時(shí)經(jīng)受著風(fēng)、浪、潮的作用，其上下、左右的不規(guī)則震蕩會(huì)造成管道與接觸墊塊的不規(guī)則、不均勻受力。因此，接觸墊塊與管道表面應(yīng)具有高的摩擦因數(shù)，是保證張緊器有效工作及安全施工的關(guān)鍵。如果摩擦因數(shù)不足或變化較大，一旦造成管道滑脫并引發(fā)生產(chǎn)安全事故，其經(jīng)濟(jì)損失是難以估量的。

3)適當(dāng)?shù)挠捕取Ｓ捎诮佑|墊塊與管道直接接觸，且兩者處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。接觸墊塊硬度過大，會(huì)對(duì)管道及其保護(hù)層產(chǎn)生硬壓傷或劃傷，甚至造成管道破損。硬度過小，設(shè)備運(yùn)行中接觸墊塊的磨損量就會(huì)增大，從而導(dǎo)致接觸墊塊使用壽命縮短，增加使用成本，頻繁更換接觸墊塊還會(huì)影響施工進(jìn)度，降低生產(chǎn)效率。

4)恰當(dāng)?shù)乃苄宰冃文芰蛷椥?。恰?dāng)?shù)乃苄宰冃文芰蛷椥允欠乐菇佑|墊塊發(fā)生脆性破壞以及塑性變形后恢復(fù)原狀的基礎(chǔ)。塑性變形能力太差，接觸墊塊很容易在突然受力或應(yīng)力分布不均勻時(shí)發(fā)生脆性破裂，危及張緊器運(yùn)行安全。彈性太小，一旦接觸墊塊發(fā)生受力變形，它將無法恢復(fù)其原狀，從而影響接觸墊塊與管道的接觸吻合度，進(jìn)而降低張緊器的工作效率。塑性變形能力及彈性太強(qiáng)，張緊器施加到接觸墊塊上的壓力很容易通過塑性形變而損失，或產(chǎn)生較大的波動(dòng)，從而降低接觸墊塊對(duì)管道的夾緊力，容易造成管道滑脫。

接觸墊塊采用橡膠-塑料-礦物填料復(fù)合型材料，與管線接觸面積為170 mm×70 mm，表面邵氏硬度92～95 HA。最大正壓力5.18 MPa時(shí)，最小靜摩擦因數(shù)為0.153。

2　張緊器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率試驗(yàn)研究

張緊器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是把電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩傳到驅(qū)動(dòng)輪上，轉(zhuǎn)變?yōu)楣芫€的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)把電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)楣芫€的移動(dòng)速度。另外，履帶機(jī)構(gòu)總成還要支撐管線的重力，對(duì)管線產(chǎn)生夾緊壓力。

2.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

張緊器工作時(shí)，履帶對(duì)管線接觸段產(chǎn)生的反作用力推動(dòng)管線運(yùn)動(dòng)。履帶由若干個(gè)具有一定長(zhǎng)度的接觸墊塊和鏈軌組成，當(dāng)其在水平方向等速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，若管線與接觸墊塊板沒有相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，則張緊器的運(yùn)動(dòng)速度為理論速度。履帶上相應(yīng)位置上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度vx的大小為：

vx=rkωk=r1ω1=r2ω2

式中 ：ωk、ω1、ω2分別是驅(qū)動(dòng)鏈輪、引導(dǎo)輪和支重輪的角速度；rk、r1、r2分別是驅(qū)動(dòng)鏈輪節(jié)圓半徑、引導(dǎo)輪、支重輪的滾動(dòng)半徑。

當(dāng)張緊器與管線沒有相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，履帶上任何一點(diǎn)的牽連運(yùn)動(dòng)都與該點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度大小相等。其理論行駛速度vT可以表示為：

vT=kkωk

然而，由于履帶是由鏈軌和接觸墊塊組合而成的，因此其速度具有波動(dòng)性，驅(qū)動(dòng)鏈輪的節(jié)圓半徑rk可表示為：

式中：Zk為圍繞驅(qū)動(dòng)鏈輪的一周接觸墊塊數(shù)目；lk為接觸墊塊節(jié)距。

2.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)阻力分析

履帶運(yùn)動(dòng)阻力F0由履帶機(jī)構(gòu)總成運(yùn)動(dòng)時(shí)各構(gòu)件的內(nèi)部摩擦力F1和使接觸墊板變形時(shí)消耗的力F2兩部分構(gòu)成。

2.2.1履帶機(jī)構(gòu)總成的內(nèi)部摩擦阻力F1[3]

履帶機(jī)構(gòu)總成的內(nèi)部摩擦阻力主要是由四輪一帶的摩擦力構(gòu)成。假設(shè)t為鏈軌節(jié)距，則鏈軌緊邊纏繞過驅(qū)動(dòng)輪1圈時(shí)，鏈軌銷子與銷子套之間的摩擦阻力F1J可表示為：

同時(shí)，該摩擦力還出現(xiàn)在其他3處卷繞履帶處，此時(shí)其鏈軌之間的拉力為松邊拉力，可以表示為：

式中：FJ為鏈軌緊邊拉力；μ1為鏈軌銷與銷套之間的摩擦因數(shù)；d1為鏈軌銷子直徑；FS為鏈軌松邊拉力，F(xiàn)S≈(0.1～0.5)FJ。

綜上所述，當(dāng)行走系統(tǒng)前進(jìn)時(shí)，鏈軌間的內(nèi)部摩擦阻力為：

支重輪的摩擦阻力由支重輪與鏈軌接觸滾動(dòng)產(chǎn)生的摩擦阻力和支重輪與輪軸間的摩擦阻力兩部分構(gòu)成。摩擦阻力為：

式中：Q為支重輪上的作用力；D2為支重輪外徑；d2為支重輪軸半徑；f為支重輪與鏈軌間滾動(dòng)阻力系數(shù)；μ2為支重輪與輪軸間的摩擦因數(shù)。

驅(qū)動(dòng)輪與輪軸處的摩擦阻力：

式中：D3為驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑；d3為驅(qū)動(dòng)輪軸徑；μ3為驅(qū)動(dòng)輪軸徑與軸承間的摩擦因數(shù)。

綜上所述，行走系統(tǒng)前進(jìn)時(shí)，履帶內(nèi)部摩擦阻力為：

F1=F11+F12+F13=

2.2.2接觸墊板變形阻力F2

接觸墊板與管線作用，會(huì)引起接觸墊板的變形。其變形越大，其阻力也越大，則接觸墊板變形阻力為：

F2=pbh

式中：b為接觸墊板與管線接觸寬度；p為接觸墊板對(duì)管線的單位面積壓力；h為接觸墊板沉陷深度。

2.3夾緊力對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率影響

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率除受到機(jī)械設(shè)計(jì)因素影響外，夾緊力是影響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)阻力主要因素，對(duì)張緊器張力輸出具有極其重要作用。因此，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)量化夾緊力與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出張力的關(guān)系，對(duì)張緊器進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

管線不受拉力的情況下，通過測(cè)量驅(qū)動(dòng)阻力，換算非負(fù)載狀態(tài)下的機(jī)械損失效率，從而研究夾緊力對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率的影響。圖5為外力不變時(shí)，不同履帶夾緊力與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械損失效率試驗(yàn)曲線，可知最大夾緊力時(shí)的機(jī)械損失效率達(dá)到21%，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械損失效率隨夾緊力的增加呈線性增長(zhǎng)。

圖5　履帶夾緊力與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械損失試驗(yàn)曲線

3　結(jié)論

1)張緊器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率主要由主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，鏈傳動(dòng)系統(tǒng)和接觸墊塊變形共同影響。

2)設(shè)計(jì)了履帶懸浮結(jié)構(gòu)，在蓄能器和控制系統(tǒng)作用下，保證管線直徑變化的情況下，保持管線始終承受均衡的壓力。提出了接觸墊塊設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的4種特性，通過提高接觸墊塊特性而減少夾緊力，從而提高傳動(dòng)效率。

3)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，除機(jī)械傳動(dòng)影響外，可通過設(shè)計(jì)新型接觸墊塊而減小管線夾緊力，保證接觸墊塊適當(dāng)?shù)挠捕认?，提高摩擦因?shù)和強(qiáng)度，提高傳動(dòng)效率。

4)當(dāng)前存在的問題主要在于新型墊塊方面設(shè)計(jì)，應(yīng)該通過多次試驗(yàn)，進(jìn)行對(duì)比研究，分析其他方面影響?？啥噙\(yùn)用滾動(dòng)軸承和潤(rùn)滑系統(tǒng)，減少摩擦因數(shù)。

5)今后主要的研究方向?yàn)闇p小機(jī)械傳動(dòng)摩擦，增加管線接觸摩擦。設(shè)計(jì)新型接觸墊塊或新型接觸方式為主要研究方向。

[1]王文明，張仕民，徐克彬，等.海洋臍帶纜張緊器總體方案設(shè)計(jì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42(5)：42-46.

[2]龔計(jì)劃，鄧斌．小型挖掘機(jī)履帶行走裝置參數(shù)的合理確定[J]．建筑機(jī)械化，2010(1) ：44-47.

[3]孔德文，趙克利，許寧生，等．液壓挖掘機(jī)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：54-54.

[4]陳棟.海底鋪纜用四履帶張緊器設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2014(3) ：100-104.

Research on Track Unit and Transmission Efficiency of the Pipe Vessel Electric Driven Tensioner

ZHOU Junfeng1，WANG Fushan2，MA Tianliang1，CAO Wei3

(1.Tianjin Jingyan Construction Machinery Transmission Co.，Ltd.，Tianjin 300409，China；2.Tianjin Research Institute of Construction Machinery，Tianjin 300409，China；3.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300450，China)

Subsea oil and gas field development has brilliant application prospect which had brought in remarkable economic efficiency worldwide，while our country is far behind advanced countries and there is a technical gap to be filled.This paper takes umbilical cable assembly system and key component (tensioner) as object of study to respectively discuss tensioner track unit and driving system transmission efficiency.It mainly discusses track unit driving system，track suspension mechanism and contact pad design，The 4 aspects of the contact pad should be given.Through analyzes the reason of tensioner track unit transmission efficiency loss and makes comparative analysis on test data of track transmission efficiency，which provides fundamental basis to tensioner optimization design.

pipe-laying barge；tensioner；transmission device；efficiency

1001-3482(2016)05-0020-04

2015-11-23

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“臍帶纜安裝系統(tǒng)關(guān)鍵部件(A&R絞車)研制”(2011ZX05056-003-07)；天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目“恒張力控制技術(shù)研究與裝備產(chǎn)業(yè)化”(14ZCDZGX00069)

周軍峰(1981-)，男，吉林東豐人，高級(jí)工程師，碩士研究生，2007年畢業(yè)于吉林大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，現(xiàn)從事海洋石油工程裝備研制，E-mail：jun81_feng@163.com。

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.004