深水多功能管道作業(yè)機(jī)具切削系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

王立權(quán), 郭士清,2, 弓海霞, 賈鵬

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯154007)

?

深水多功能管道作業(yè)機(jī)具切削系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

王立權(quán)1, 郭士清1,2, 弓海霞1, 賈鵬1

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯154007)

針對深水X70鋼級管道維修時磨削防腐層時易過切、切斷困難及多種機(jī)具配合作業(yè)效率低的問題，提出了“一次”裝夾，多工序加工的新型多功能維修機(jī)具方案。機(jī)具通過銑削方法切斷管道、去除焊冠、內(nèi)外倒角，基于波形刃銑刀機(jī)床銑削實(shí)驗(yàn)，獲得了銑削力經(jīng)驗(yàn)公式；采用研磨盤去除防腐涂層，并設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)管橢圓度變化的旋轉(zhuǎn)柔順機(jī)構(gòu)，進(jìn)行了磨削工具的水下作業(yè)力學(xué)分析；完成了機(jī)具的設(shè)計(jì)、制造及陸上作業(yè)試驗(yàn)。結(jié)果表明：磨削阻力矩隨磨削壓力和作業(yè)工具半徑的增大顯著增大；大直徑波形刃銑刀切割X70鋼級大壁厚管道時不夾刀、切管時間短；銑削力隨刀具轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度的增大而增大，當(dāng)銑削力達(dá)到5 000 N時，機(jī)具顫振明顯；陸上試驗(yàn)與預(yù)期相符，驗(yàn)證了該方案的合理性，為工程樣機(jī)的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

深水；多功能管道作業(yè)機(jī)具；磨削動力頭；波形刃鉆銑刀;試驗(yàn)研究

水深超1 000 m的海底油氣管道廣泛采用大壁厚、小管徑、難切削的X70鋼級單層鋼管[1]。管道所處環(huán)境壓力高，一旦發(fā)生損壞，維修時需動用大型支撐船、(remotely operated vehicle，ROV)及深水管道維修機(jī)具等裝備，成本高昂。目前，國外修復(fù)深水損壞嚴(yán)重管道時廣泛采用無潛機(jī)械連接技術(shù)[2]，連接器連接管道前需對管道完成預(yù)處理工作，即切斷管道、管端倒角，去除防腐層(fusion bond epoxy, FBE)與焊冠，完成上述工作需管道切斷、管端倒角、防腐層/焊冠去除多種機(jī)具配合，作業(yè)時需多次吊放機(jī)具且深水環(huán)境下ROV操控機(jī)具二次定位困難，降低了作業(yè)效率[3-7]。目前，現(xiàn)有的水下管道FBE去除機(jī)具廣泛采用磨削技術(shù)，作業(yè)工具為砂輪棒[8-9]。因深水X70鋼級油氣管道防腐層只有4 mm，且橢圓度較大，深水環(huán)境下，采用現(xiàn)有機(jī)具技術(shù)磨削管道FBE時很難控制作業(yè)精度，易過切管道，使機(jī)械連接器無法實(shí)現(xiàn)對管道的有效密封。管道切割技術(shù)以Waches、Statoil公司的深水金剛石繩鋸機(jī)及閘刀鋸為代表，這兩種機(jī)具切割X70級海底管道時存在問題如下：1)刀具磨損嚴(yán)重，需多次換刀[10]；2)管道切口小，切口處夾緊力大，易夾刀，無法塞入楔塊，嚴(yán)重時無法進(jìn)行切割。

本文對多功能管道作業(yè)機(jī)具的切削系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并完成了樣機(jī)研制與陸上試驗(yàn)。該機(jī)具的研制對保障荔灣3-1深海氣田的運(yùn)營具有重大意義。

1　深水多功能管道作業(yè)機(jī)具原理樣機(jī)

深水多功能管道作業(yè)機(jī)具由ROV攜帶入水，定位到待作業(yè)管道上并操控其完成作業(yè)，因此機(jī)具需安裝浮力材料。水下工作環(huán)境惡劣，機(jī)具采用全液壓驅(qū)動，深水液壓動力源采用壓力補(bǔ)償技術(shù)并由ROV攜帶，應(yīng)急動力源由ROV自身提供[11]，液壓閥箱安裝在本體上，箱體內(nèi)充油并與補(bǔ)償器連接，實(shí)現(xiàn)對海水壓力的自適應(yīng)補(bǔ)償[12-13]?？刂葡到y(tǒng)采用水上工控機(jī)與水下PLC兩級控制方案。深水環(huán)境黑暗，機(jī)具安裝水下攝像機(jī)及傳感器監(jiān)測其工作狀態(tài)。

在深入研究國外深水管道維修工藝及機(jī)具相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，完成了能夠?qū)?2～18英寸管徑管道維修作業(yè)的機(jī)具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該機(jī)具主要包括切削系統(tǒng)、機(jī)架、夾緊裝置、液壓閥箱、水下控制系統(tǒng)、ROV對接裝置、深水液壓動力源、浮力材料等。切削系統(tǒng)由周向進(jìn)給馬達(dá)、小齒輪、旋轉(zhuǎn)刀盤、切斷動力頭、磨削動力頭、銑焊冠動力頭構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對管道的作業(yè)。其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　深水多功能管道作業(yè)機(jī)具結(jié)構(gòu)Fig.1　Model of multifunctional repair machinery structure

海底油氣管道為長距離無盡端鋼管，機(jī)具無法從管道端部軸向串入夾持管道，因此，機(jī)具以兩套相同的具有開式夾持運(yùn)動鏈的“自定心” 夾緊裝置為載體，以徑向跨騎方式夾臥在管道背部，既解決了機(jī)具的固定問題，又保證了加工過程中切口位置的準(zhǔn)確；機(jī)架作為整個機(jī)具其他模塊的承載機(jī)構(gòu)，呈“C”型開口狀，由“C”型框架板和支承軸構(gòu)成，呈桁架結(jié)構(gòu)，有效減輕了機(jī)具重量和水阻力；旋轉(zhuǎn)刀盤由“C”型齒圈與“C”型圓盤連接而成，采用周向進(jìn)給馬達(dá)同步驅(qū)動兩個小齒輪與大齒圈嚙合的方法，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)刀盤360°周轉(zhuǎn)；切斷動力頭采用立銑方式完成對管道的切斷、外倒角作業(yè)。該方案優(yōu)點(diǎn)為:1)刀具為波形刃螺旋鉆銑刀，銑削力小，銑削穩(wěn)定性高；2)切口寬，作業(yè)時能夠塞入楔塊，解決夾刀問題；3)刀刃長，適合加工厚壁管道；4)切削速度高，提高了切削效率。銑焊冠動力頭采用燕尾式銑刀完成去除管道焊冠、管端內(nèi)倒角作業(yè)；磨削動力頭采用磨削方法去除防腐層，工具為研磨盤。對管道進(jìn)行去除焊冠、防腐涂層的軸向作業(yè)長度超過了刀具直徑，采取雙套夾緊裝置交替夾緊管道并與軸向液壓缸配合作業(yè)方式實(shí)現(xiàn)機(jī)具的軸向蠕動爬行。

2　切削系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1磨削動力頭設(shè)計(jì)

2.1.1　磨削動力頭結(jié)構(gòu)

磨削動力頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，由主運(yùn)動系統(tǒng)、進(jìn)給運(yùn)動系統(tǒng)組成。主運(yùn)動系統(tǒng)由液壓馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)柔順機(jī)構(gòu)、磨削工具等組成；進(jìn)給系統(tǒng)由進(jìn)給馬達(dá)、減速器、鏈輪、絲杠、導(dǎo)軌等組成。進(jìn)給系統(tǒng)大鏈輪上裝有過載保護(hù)器，當(dāng)磨削工具過載時，過載保護(hù)器與絲杠脫離，進(jìn)給運(yùn)動停止。

圖2　磨削動力頭結(jié)構(gòu)Fig.2　FBE grinding device structure

圖3　旋轉(zhuǎn)柔順機(jī)構(gòu)Fig.3　Rotating compliant mechanism

旋轉(zhuǎn)柔順機(jī)構(gòu)如圖3所示，圖中內(nèi)套筒具有聯(lián)軸器功能，其上端通過鍵與馬達(dá)軸相連，下端通過十字銷軸與作業(yè)工具軸相連，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動力的傳遞。內(nèi)套筒下側(cè)開有滑槽，工具軸與內(nèi)套筒間留有間隙，工具軸與內(nèi)套筒通過十字銷軸和壓縮彈簧連接，工具軸繞十字銷軸實(shí)現(xiàn)擺動，壓縮彈簧提供磨削壓力，實(shí)現(xiàn)工具軸的軸向移動，工具軸的擺動與軸向移動使作業(yè)工具能夠自適應(yīng)管道外表面的不規(guī)則變化，避免作業(yè)時損傷管道。

2.1.2　磨削工具水下作業(yè)力學(xué)分析

磨削作業(yè)時，研磨盤受到的海水粘滯阻力矩、摩擦阻力矩、慣性阻力矩計(jì)算如下：

1)海水粘滯阻力矩

把旋轉(zhuǎn)的盤形工具看成圓盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，由邊界層理論計(jì)算海水對作業(yè)工具產(chǎn)生的粘滯阻力矩為:

(1)

式中：Mv為作業(yè)工具所受海水粘滯阻力矩；ρ為海水密度，ρ=1 030 kg/m3；R為工具半徑，mm ;v為海水運(yùn)動粘性系數(shù)，v=1.01×10-6，m2/s；ω為工具旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。

2)摩擦阻力矩

(2)

式中：Mf為工具所受摩擦阻力矩；F為彈簧壓力，N；μ為摩擦系數(shù)。

3)慣性阻力矩

(3)

式中：MC為慣性阻力矩；J為轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；ε為角加速度，1/s2；m為質(zhì)量，kg ；n0為轉(zhuǎn)速，r/min；t為加速時間，s。

為適應(yīng)作業(yè)負(fù)載，驅(qū)動馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：

(4)

取研磨盤厚度d=15 mm，其所受力矩與半徑、轉(zhuǎn)速、彈簧壓力的關(guān)系如圖4所示。由圖中可以看出摩擦阻力矩隨正壓力和半徑的增大顯著增大，對馬達(dá)輸出力矩影響較大；研磨盤受到的粘制阻力矩和慣性阻力矩隨半徑和轉(zhuǎn)速的增加而增大。設(shè)計(jì)時取研磨盤半徑為150 mm，轉(zhuǎn)速為800 r/min，壓力為100 N，則驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于6.2 N·m。

圖4　磨削阻力矩與半徑、轉(zhuǎn)速及壓力等高線圖Fig.4　The relationship between the torque of grinding tool and radius, speed and positive pressure

2.2切斷動力頭設(shè)計(jì)

2.2.1　切斷動力頭結(jié)構(gòu)

切斷動力頭結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　切斷動力頭三維結(jié)構(gòu)Fig.5　3D model of cutting head

切斷過程屬重銑削，銑削力大，因此，要求動力頭提供足夠的力矩且切削過程平穩(wěn)。

2.2.2　波形刃銑刀銑削力實(shí)驗(yàn)

波形刃銑刀是一種切削刃為螺旋狀正弦曲線的特殊銑刀，它具有重切削、切削效率高、振動小、尤其適用于動剛度較差機(jī)床等優(yōu)點(diǎn)。其刃線形狀復(fù)雜，因此對其銑削力的研究非常少。X70深水管線鋼屬于低碳高錳合金鋼，強(qiáng)度高、塑性高、韌性好，屬于新型的難加工材料。目前，對這種鋼材的切削性研究還未有文獻(xiàn)報(bào)道。本文通過實(shí)驗(yàn)方法研究自主研制的波形刃銑刀的銑削力，以期指導(dǎo)機(jī)具的設(shè)計(jì)及切削用量的選擇。

1)銑削試驗(yàn)設(shè)計(jì)

銑削力試驗(yàn)用機(jī)床為漢川XH714D立式加工中心，刀具為自主研制的高速鋼4齒后波形刃復(fù)合鉆銑刀，直徑為25 mm，螺旋角β=30°，前角γn=15°，后角α0=15°,刃長為70 mm。工件材料為X70管線鋼，力學(xué)性能見表1。

銑削力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示，測力儀為 Kistler 9265B 三向測力儀。銑削方式為順銑，沿y方向進(jìn)給，干式切削。

表1　設(shè)計(jì)參數(shù)

切削合力F可由機(jī)床三個軸向分力Fx、Fy、Fz共同合成，同時，刀刃上的切削合力F也可分解為切向力Fc、徑向力Fr和軸向力Fa。由于本實(shí)驗(yàn)切削厚度相對刀具半徑很小，F(xiàn)r和Fx非常接近。因此，銑削力測量時，可用Fy、Fx代替Fc和Fr進(jìn)行分析。

圖6　銑削力測試Fig.6　Milling force testing

2) 銑削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/p>

選取不同的切削參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

表2　正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

表3　切向力直觀分析

對切向力Fy進(jìn)行直觀分析，結(jié)果如表3所示，從表中可知，切削力隨轉(zhuǎn)速、切削深度和每齒進(jìn)給量的增大而增大，由極差分析結(jié)果可知，影響切削力的因素順序?yàn)椋呵邢魃疃?、每齒進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速。

對表2中的切削力進(jìn)行非線性回歸分析，可得波形刃銑刀的銑削力經(jīng)驗(yàn)公式為：

(5)

方程擬合優(yōu)度指標(biāo)R2值分別為0.987 1、0.978 3和0.981 6，非常接近1，表明該模型具有較好的預(yù)測精度。

2.2.3　主軸馬達(dá)驅(qū)動力矩

理論計(jì)算取銑削最大管徑457.2 mm，壁厚19.05 mm的極端工況，轉(zhuǎn)速n取250 r/min；銑削深度ap為19.05 mm，每齒進(jìn)給量fz為0.02 mm。由式(5)經(jīng)計(jì)算得Fc為3 379.9 N。

切斷動力頭主軸馬達(dá)輸出力矩應(yīng)滿足下式：

(6)

式中：Tz為主軸馬達(dá)輸出力矩；i為減速器傳動比，i=3；ηt1為主軸系統(tǒng)傳動效率，取0.6。代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得Tz≥23.74 N·m。

馬達(dá)輸出功率為

(7)

式中：n取750 r/min。經(jīng)計(jì)算P0=0.62 kW。

2.3主軸馬達(dá)驅(qū)動力矩

周向進(jìn)給作業(yè)時，刀盤進(jìn)給速度很低，理論分析時忽略水阻力矩，考慮陸上試驗(yàn)，則驅(qū)動馬達(dá)需克服刀盤受到的摩擦阻力矩、切削阻力矩及陸上切削系統(tǒng)偏心力矩，即：

(8)

式中：TM為馬達(dá)輸出力矩；Tf為摩擦力矩；Tx為銑削阻力矩；TG為重力偏心矩；i1是齒輪傳動比，為17.6；η1是齒輪傳動效率,取0.98；i0蝸輪減速器傳動比，為900；η0為蝸輪減速器效率，取0.65。切削18英寸管道，切削阻力矩最大，刀盤轉(zhuǎn)到3點(diǎn)鐘位置時重力偏心矩最大，經(jīng)計(jì)算TM≥0.48 N·m。

3　試驗(yàn)研究

通過機(jī)具陸上對單層管道作業(yè)試驗(yàn)來驗(yàn)證機(jī)具的設(shè)計(jì)原理及作業(yè)性能。機(jī)具試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示，試驗(yàn)用管道參數(shù)如表4所示。

表4　管道參數(shù)

圖7　多功能維修機(jī)具陸上試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.7　Test system of multifunctional pipeline repair machinery

3.1陸上作業(yè)性能試驗(yàn)

維修機(jī)具陸上性能試驗(yàn)主要步驟如下:

1) 完成準(zhǔn)備工作，主要包括管道就位、機(jī)具就

位、液壓系統(tǒng)連接等；

2) 啟動液壓泵站，調(diào)定系統(tǒng)壓力為10 MPa；

3) 前后夾緊裝置同步運(yùn)動，機(jī)具抱緊管道；

4) 切斷動力頭與旋轉(zhuǎn)刀盤配合，完成對管道的切割與外倒角；

5)銑焊冠動力頭與旋轉(zhuǎn)刀盤配合工作，對管道進(jìn)行內(nèi)倒角；

6) 磨削動力頭與旋轉(zhuǎn)刀盤配合工作，去除管道外防腐涂層。

其主要作業(yè)過程如圖8所示，從圖中可以看出機(jī)具能夠?qū)崿F(xiàn)“一次”裝夾，完成對管道的預(yù)處理作業(yè)，驗(yàn)證了切削系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

圖8　機(jī)具作業(yè)性能實(shí)驗(yàn)Fig.8　Test of operating performance

3.2切斷動力頭工藝參數(shù)試驗(yàn)

銑削力是影響機(jī)具受迫振動的重要因素，通過試驗(yàn)確定合理工藝參數(shù)，以使銑削力控制在合理范圍內(nèi)，避免機(jī)具振動過大，損壞刀具。因切削力無法直接測量，通過測量馬達(dá)流量、進(jìn)出口壓力、銑刀轉(zhuǎn)速，按式(6)、(7)、(9)可間接得到切向銑削力Fc。Fc與銑刀轉(zhuǎn)速nt、刀盤進(jìn)給速度vf的關(guān)系如圖9。

馬達(dá)輸出功率：

(9)

式中：ΔP為馬達(dá)進(jìn)出口壓力差，MPa；q為流量，L/min；ηt為馬達(dá)機(jī)械效率，取0.82。

圖9　Fc與nt、vf關(guān)系Fig.9　The relationship between Fc, nt and vf

由圖9可可知，在刀盤進(jìn)給速度一定情況下，F(xiàn)c隨轉(zhuǎn)速nt的增大而增大，在轉(zhuǎn)速nt一定時，F(xiàn)c隨進(jìn)給速度vf的增大而增大。當(dāng)Fc達(dá)到5 000 N時，觀察到機(jī)具顫動明顯。因此，作業(yè)時應(yīng)合理選擇切削參數(shù)，以免機(jī)具振動過大，損傷刀具。

4　結(jié)論

通過對深水海底管道無潛機(jī)械連接工藝分析，提出了一種“一次”裝夾，多工序加工的新型多功管道維修作業(yè)機(jī)具方案，闡述了其結(jié)構(gòu)組成與工作原理。對維修機(jī)具的切削系統(tǒng)進(jìn)行了重點(diǎn)研究，完成了機(jī)具試驗(yàn)樣機(jī)的研制與陸上作業(yè)試驗(yàn)。通過上述研究得出結(jié)論:

1)設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)柔順去除FBE裝置，能夠自適應(yīng)管道表面形態(tài)變化，解決了現(xiàn)有機(jī)具水下作業(yè)時易過量磨削管道的技術(shù)難題；

2)采用波形刃立銑刀銑削方法，解決了“在線切割X70鋼級大壁厚油氣管道、切管夾刀、時間長”的關(guān)鍵技術(shù)問題；

3)切斷作業(yè)時，增加刀具轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度有利于提高切削效率，同時切削力增大，當(dāng)切削力達(dá)到5 000 N時，機(jī)具顫振明顯，將損傷刀具；

4)機(jī)具的陸上管道預(yù)處理作業(yè)試驗(yàn)與預(yù)期相符，驗(yàn)證了機(jī)具設(shè)計(jì)的合理性。

[1]牛愛軍, 畢宗岳, 牛輝, 等. X70厚壁海底管線鋼管研制[J]. 焊管, 2013, 36(10): 26-30, 35.

NIU Aijun, BI Zongyue, NIU Hui, et al. Research and development of X70 steel pipe with heavy wall thickness used in submarine pipeline[J]. Welded pipe and tube, 2013, 36(10): 26-30, 35.[2]李沛, 姬宜朋, 焦向東, 等. 深海管道無潛式維修連接技術(shù)[J]. 石油機(jī)械, 2013, 41(7): 57-61.

LI Pei, JI Yipeng, JIAO Xiangdong, et al. Diverless maintenance connection technology of subsea pipeline[J]. China petroleum machinery, 2013, 41(7): 57-61.

[3]梁富浩, 李愛華, 張永祥, 等. 深水海底管線維修系統(tǒng)研究進(jìn)展及有關(guān)問題探討[J]. 中國海上油氣, 2009, 21(5): 352-357. LIANG Fuhao, LI Aihua, ZHANG Yongxiang, et al. Research progress and discussion on deepwater pipeline repair system[J]. China offshore oil and gas, 2009, 21(5): 352-357.

[4]COX D S. Pipeline repair equipment for 2, 000(+) meter water depths[J]. Pipeline & gas journal, 2001, 228(4): 44-45.

[5]PRELI T A, MCCALLA J M. Deepwater pipeline repair system uses proven tools[J]. Oil and gas journal, 2000, 98(45): 94-104.

[6]KILLEN J, TACONTIS T, WHIPPLE J, et al. Large diameter deepwater pipeline repair system[C]//Deep Offshore Technology International Conference & Exhibition. Houston, Texas, USA: Offshore Technology Conference, 2006.

[7]MARTIN R, KILLEEN J, CHANDLER B. Mardi gras deepwater pipeline repair system[C]//Offshore Technology Conference. Offshore Technology Conference. Houston, Texas, USA: Offshore Technology Conference, 2004.

[8]AYERS R, HOYSAN S, ROBELLO A, et al. DW RUPE: a new deepwater pipeline repair capability for the Gulf of Mexico and other deepwater regions[C]//2008 Offshore Technology Conference. Houston, Texas, USA: Offshore Technology Conference, 2008.

[9]ROBELLO A, AYERS R. DW RUPE: a low-capex deepwater pipeline repair system for the Gulf of Mexico[C]//2006 Offshore Technology Conference. Houston, Texas, USA: Offshore Technology Conference, 2006.

[10]張永銳, 王立權(quán), 楊洋, 等. 金剛石繩鋸機(jī)切削海底管道切削效率試驗(yàn)[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 36(1): 119-122.

ZHANG Yongrui, WANG Liquan, YANG Yang, et al. Experiment on cutting efficiency of diamond wire saw in seabed oil pipes[J]. Journal of Harbin engineering university, 2015, 36(1): 119-122.

[11]王立權(quán), 董金波, 劉軍, 等. 深水管道法蘭連接機(jī)具的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 34(9): 1165-1170.

WANG Liquan, DONG Jinbo, LIU Jun, et al. Design and experimental study of deepwater pipelines flange connection tool[J]. Journal of Harbin engineering university, 2013, 34(9): 1165-1170.

[12]鄭相周, 唐國元, 羅紅漢. 深水液壓系統(tǒng)壓力補(bǔ)償器的分析與設(shè)計(jì)[J]. 液壓與氣動, 2014(7): 96-98.

ZHENG Xiangzhou, TANG Guoyuan, LUO Honghan. Analysis and design of pressure compensator in deep-sea hydraulic system[J]. Chinese hydraulics & pneumatics, 2014(7): 96-98.

[13]顧臨怡, 羅高生, 周鋒, 等. 深海水下液壓技術(shù)的發(fā)展與展望[J]. 液壓與氣動, 2013(12): 1-7.

GU Linyi, LUO Gaosheng, ZHOU Feng, et al. Development and future of deep-sea underwater hydraulic technique[J]. Chinese hydraulics & pneumatics, 2013(12): 1-7.

本文引用格式：

王立權(quán), 郭士清, 弓海霞，等. 深水多功能管道作業(yè)機(jī)具切削系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2016, 37(9): 1287-1291.

WANG Liquan, GUO Shiqing, GONG Haixia，et al. Design and prototype test of the deepwater multifunctional pipeline repairing machinery cutting system[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(9): 1287-1291.

Design and prototype test of deepwater multifunctional pipeline repair machinery cutting system

WANG Liquan1, GUO Shiqing1,2, GONG Haixia1, JIA Peng1

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. Department of Mechanical Engineering, Jiamusi University, Jiamusi 154007, China)

Anti-corrosion coatings are apt to be cut too much by grinding, and it is difficult to cut through a deepwater X70 steel-grade pipeline. This task is also inefficient in alternate operations when using various other mechanisms. Therefore, we propose a new scheme for multifunctional pipeline repair machinery (MPRM) that uses one-time clamping but multistage manufacture. Using the milling method, we can cut the pipeline, remove the welding crown and perform chamfering. Using a waved-edge milling cutter in a milling experiment, we obtained the empirical formula for the milling force. We removed the anti-corrosion coating using a grinding disc, and designed a complementary mechanism that automatically adapts to ellipticity changes. We performed an underwater mechanical analysis with respect to the grinding tool, and completed the system design, manufacture, and land test. The results show that the grinding resistance torque significantly increased with an increase in the grinding pressure and the radius of the operating tool. The large-diameter waved-edge drilling and milling cutter was not clamped when cutting the X70-steel thick-walled pipeline, and the cutting time was shorter. The milling force increased with an increase in the cutting speed and feed rate. When the cutting force reached 5000 N, there was significant machine chatter. The onshore test results verify the feasibility of the design for MPRM. This study lays a technical foundation for the development of an engineering prototype.

deepwater; multifunctional pipeline repair machinery; grinding power head; waved-edge drilling and milling ;prototype test

2015-10-22.

時間：2016-09-07.

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05027-005);國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51305088)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(HEUCF1607047).

王立權(quán)(1957-), 男, 教授,博士生導(dǎo)師；

郭士清，E-mail：zygsq951422@163.com.

10.11990/jheu.201510055

TE977

A

1006-7043(2016)09-1287-06

郭士清(1973-), 男, 副教授,博士研究生.

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160907.1042.004.html