適用于遠(yuǎn)距離切割單臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)研制

邢志彪，黃志松，李森，王順波，陳超

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

0 前言

在海洋石油開發(fā)過程中，各作業(yè)公司均把海洋石油開發(fā)應(yīng)急管理作為首要任務(wù)，在應(yīng)急情況下，由于受空間和環(huán)境等影響因素，人員無法進(jìn)行近距離作業(yè)，為解決這一現(xiàn)狀，本文以機(jī)械臂為載體，設(shè)計(jì)研發(fā)出一套適用于遠(yuǎn)距離切割單臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以解決應(yīng)急情況下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離切割。解決現(xiàn)有環(huán)境下人員無法靠近危險(xiǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)井控應(yīng)急快速反應(yīng)[1]。

1 方案設(shè)計(jì)

臂切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括單臂橫向切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)和單臂縱向切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如圖1 所示。

單臂橫向切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)由法蘭盤、連接筒、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、噴射切割系統(tǒng)和清障鉤如圖2 組成。

法蘭盤通過螺栓螺母固定方式保證了機(jī)構(gòu)整體與機(jī)械臂連接穩(wěn)固。

連接筒一端有安裝孔與法蘭盤通過螺栓螺母連接。連接筒另一端，射流軌道深入其內(nèi)部，并利用螺釘進(jìn)行定位，保證射流軌道在工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)。

旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)是切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵，主要由往復(fù)絲杠和滑塊組成，依靠液壓馬達(dá)和減速器傳動(dòng)系統(tǒng)提供的動(dòng)力，通過往復(fù)絲杠實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為移動(dòng)塊的水平移動(dòng)。通過安裝不同減速器，可實(shí)現(xiàn)爬行速度可調(diào)。

噴射切割機(jī)構(gòu)是切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主體，利用噴射原理實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的切割。由于高壓硬管較長(zhǎng)，彎頭受管線拉力容易彎曲變形。在噴嘴安裝板上加工安放孔，將彎頭下部放置于孔內(nèi)，由噴嘴安裝板平衡管線重量。

單臂縱向切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)由法蘭盤、支撐架、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和噴射切割系統(tǒng)組成。各部分功能與單臂橫向切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)相同。支撐架支撐整體結(jié)構(gòu)，其上有定位孔，保證與射流軌道的穩(wěn)定連接。支撐架上有安裝孔，與法蘭盤通過螺栓螺母實(shí)現(xiàn)與機(jī)械臂連接。

圖1 單臂橫向切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖2 清障鉤總體方案

清障鉤由大鉤、鎖塊和法蘭盤組成。大鉤是清障鉤的主要部件，在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可快速將可鉤取的障礙物移除以便進(jìn)行其它作業(yè)。鎖塊是鎖緊大鉤的重要組件，它可以防止清障鉤與機(jī)械臂之間脫扣。法蘭盤通過螺栓螺母固定方式保證了機(jī)構(gòu)整體與機(jī)械臂連接穩(wěn)固。首先利用吊機(jī)和吊帶將機(jī)構(gòu)吊起完成和機(jī)械臂螺栓連接。利用機(jī)械臂攝像頭調(diào)整機(jī)構(gòu)與被鉤障礙物位置，確保障礙物能被正確鉤取到。伸縮機(jī)械臂，拉動(dòng)清除障礙物。機(jī)械臂最大拉力不超過1.5 t。若超過1.5 t，障礙物未拉動(dòng)，則放棄，采取其他清除措施。

2 工作原理及技術(shù)參數(shù)

2.1 工作原理

利用吊機(jī)和吊帶將機(jī)構(gòu)吊起完成和機(jī)械臂螺栓連接。液壓馬達(dá)與機(jī)械臂之間采用快插接頭，整體固定好后快插接頭公與母直接插入并將高壓彎頭與高壓管線連接好。液壓馬達(dá)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)驗(yàn)證絲杠、滑塊運(yùn)轉(zhuǎn)靈活性。利用機(jī)械臂調(diào)整機(jī)構(gòu)與被切割物體之間的位置。液壓馬達(dá)供液，移動(dòng)塊開始移動(dòng)。高壓管線供液切割頭開始切割作業(yè)，切割完成后，液壓馬達(dá)和高壓管線停止供液。切割作業(yè)完成后，機(jī)械臂將切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)收回。完成切割作業(yè)后，拆卸雙切割機(jī)構(gòu)，進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)[2]。

2.2 技術(shù)參數(shù)

2.2.1 單臂橫向切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 單臂橫向切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)

2.2.2 切割速度參數(shù)

往復(fù)絲杠的導(dǎo)程是30 mm，通過更換減速器和調(diào)節(jié)工作站排量，可實(shí)現(xiàn)切割速度25～500mm/s 可調(diào)，切割技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 減速比1:40時(shí)切割速度

3 力學(xué)分析

3.1 連接筒受力分析

連接筒材料采用35CrMo，約束螺栓連接處自由度，受765 N 射流軌道重力作用。由圖3 可知連接筒最大變形值為0.064 mm，最大應(yīng)力值為35.4 MPa，發(fā)生在變徑處，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度650 MPa。

圖3 連接筒變形圖

3.2 螺紋強(qiáng)度校核

采用M36 螺栓連接如圖3，材料為316L，螺栓主要受剪切作用，因此對(duì)螺栓進(jìn)行剪切應(yīng)力校核。考慮極限受力情況下 ，橫向切割機(jī)構(gòu)豎直放置，此時(shí)六個(gè)螺栓受機(jī)構(gòu)重力765 N。

圖4 螺栓位置

3.3 法蘭盤受力分析

約束法蘭盤連接處自由度，除法蘭盤外其他部件重力為1 500 N。材料為35 CrMo，最大變形值為0.005 mm如圖5所示，最大應(yīng)力值為14 MPa，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度650 MPa。

圖5 約束法蘭盤應(yīng)力圖

3.4 清障鉤受力分析

大鉤在勾取障礙物時(shí)，其前部彎曲部分受力比較集中，此外，大鉤還受到自身重力的作用。假定大鉤與障礙物之間為線接觸，受到障礙物拉力1 t。對(duì)鎖孔螺紋孔進(jìn)行位移約束，并利用Solidworks 建立有限元模型，通過施加載荷和約束后進(jìn)行變形和應(yīng)力分析。

約束螺栓處自由度，受重力以及10 000 N 拉力作用。清障鉤材料為TC4，最大變形值為0.388 3mm，最大應(yīng)力值為21.24 MPa，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度827.4 MPa。

4 結(jié)語

(1) 新研制的單臂切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在夾持切割設(shè)備的情況下可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離切割。

(2) 通過理論計(jì)算和力學(xué)分析整機(jī)安全穩(wěn)定。