超高壓磨料射流兩用型切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉占鏖，王興旺，孫慧銘，王超

(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 引言

磨料射流切割是指在水射流中加入金剛砂或石榴石等較硬固體顆粒，通過高壓泵加壓、噴嘴加速后沖擊被切割物體，利用磨料顆粒對材料的沖蝕實(shí)現(xiàn)切割的技術(shù)[1]。一般磨料水射流切割系統(tǒng)主要包括高壓泵、磨料混合系統(tǒng)和切割執(zhí)行系統(tǒng)。切割執(zhí)行系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)切割軌跡的控制，如直線型切割、弧線型切割以及不規(guī)則的路徑切割等。

Hiroshi Yamaguchi通過試驗(yàn)研究了水深超過100m的高壓磨料射流內(nèi)切割系統(tǒng)，解決了管柱堵塞和切割效果遠(yuǎn)程反饋的問題[2]。C. Brandt等提出高壓磨料射流技術(shù)可用于海洋石油的水下設(shè)施清理、切除、打撈等作業(yè)，介紹了高壓磨料射流切割系統(tǒng)組成并進(jìn)行了切割試驗(yàn)[3]。John W. Brandon等重點(diǎn)介紹內(nèi)切割技術(shù)用于平臺棄置的現(xiàn)狀并指出對于大型結(jié)構(gòu)物需使用外切割技術(shù)[4]。李羅鵬等設(shè)計了水下套管內(nèi)切割工具和適用于切割隔水管的外切割工具，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。陳建兵等設(shè)計了兩種驅(qū)動形式的切割裝置，形成了配套的磨料射流切割多層套管工藝。馬認(rèn)琦等對比分析了國內(nèi)外磨料射流井下切割設(shè)備及其性能參數(shù)，介紹了250 MPa超高壓磨料射流井下內(nèi)切割核心技術(shù)和設(shè)備[5]。姜奇壯等針對石油修井作業(yè)中的小直徑管柱切割設(shè)計了磨料射流內(nèi)切割工具[6]。

以上研究大部分屬于磨料射流內(nèi)切割技術(shù)，針對平臺水下樁腿、井口、分離器、儲罐等大尺寸結(jié)構(gòu)物的磨料射流外切割工具研究還屬空白。采用三維軟件自主設(shè)計超高壓磨料射流兩用型切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在原來套管內(nèi)切割的基礎(chǔ)之上研制外切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不僅可以實(shí)現(xiàn)直線行走，而且可以實(shí)現(xiàn)圓弧切割，可廣泛應(yīng)用于儲油罐的切割、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)切割，甚至用于炮彈等高危物品的安全切割。對于高壓磨料射流切割技術(shù)在石油工業(yè)的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

超高壓磨料射流兩用型切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，主要由運(yùn)動系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)、夾持系統(tǒng)和輔助調(diào)節(jié)系統(tǒng)四部分組成。工作時，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)軌道粘貼于被切割物件的表面，根據(jù)所需吸附力的大小改變強(qiáng)磁貼片的個數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)吸附力的可控性。然后安裝爬行系統(tǒng)的主框架、調(diào)節(jié)鏈輪、高度調(diào)節(jié)單元，控制鏈輪與軌道面的接觸面大小，調(diào)節(jié)調(diào)整塊與承托板，可實(shí)現(xiàn)高壓噴嘴與被切割物件角度調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)完畢后，向動力單元施加液壓，馬達(dá)的輸出軸帶動鏈輪轉(zhuǎn)動，鏈輪與軌道面接觸，輸出轉(zhuǎn)矩，動力單元固定于主框架上，由動力單元輸出轉(zhuǎn)矩作用于整個爬行機(jī)構(gòu)上，從而使爬行機(jī)構(gòu)在軌道機(jī)構(gòu)上爬行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超高壓磨料射流切割。通過使用剛性和柔性軌道面，可以實(shí)現(xiàn)軌道爬行器直線和弧線行走，從而實(shí)現(xiàn)直線切割和弧線切割。

圖1 兩用型切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2 運(yùn)動系統(tǒng)設(shè)計

2.1 動力系統(tǒng)設(shè)計選型

在動力系統(tǒng)設(shè)計選型方面，較常用的有電動機(jī)和液壓馬達(dá)兩種類型。電機(jī)使用靈活，受限條件比較少，容易實(shí)現(xiàn)高速，但是輸出扭矩比較小。液壓馬達(dá)的使用需要一套與之配套的系統(tǒng)，但是其具有調(diào)速靈活的特點(diǎn)，可以輸出較大扭矩。相同功率下電動機(jī)和液壓馬達(dá)性能對比如表1所示。

表1 電動機(jī)和液壓馬達(dá)性能對比

在此次執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計方面，考慮到安全系數(shù)及調(diào)速，選擇液壓馬達(dá)作為動力單元比較適合?？紤]到現(xiàn)有磨料射流內(nèi)切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓馬達(dá)通用性及小型化，選擇液壓馬達(dá)作為此執(zhí)行機(jī)構(gòu)動力單元。其轉(zhuǎn)速范圍可達(dá)30～1000 r/min；最大輸出功率為2.4 kW；最大扭矩為35 Nm；幾何排量為19.9 cm3。

2.2 傳動系統(tǒng)設(shè)計選型

根據(jù)設(shè)計要求，動力單元經(jīng)過減速器減速，傳動力矩到鏈輪，由鏈輪與軌道配合，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行走。查《非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械設(shè)計手冊》，根據(jù)通用性原則選取較常用滾子鏈08B，配合鏈輪傳動。鏈輪的優(yōu)先選用齒數(shù)為17、19、21、23、25、38、57、76、95和114。

選取鏈輪齒數(shù)為z=38。

根據(jù)公式可計算出齒根圓直徑df為：

式中：dr為滾子外徑；取齒頂圓直徑dr=160 mm。

3 軌道系統(tǒng)設(shè)計

由于選用類似于鏈輪鏈條式傳動機(jī)構(gòu)，軌道面上加工與鏈輪節(jié)距相等的傳動槽，實(shí)現(xiàn)與鏈輪的嚙合。傳動槽為偏心設(shè)計，若執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定在豎直方向可保證其平衡性。軌道材質(zhì)選鈦合金TC4可實(shí)現(xiàn)水平安置和彎曲安置，可滿足直線行走和弧線行走，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)切割的兩用性。

4 夾持系統(tǒng)設(shè)計

夾持系統(tǒng)主要考慮到被切割物體均為金屬結(jié)構(gòu)物，采用強(qiáng)磁吸附實(shí)現(xiàn)切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)與被切割物體的固定。同時依據(jù)微元原理，根據(jù)所需夾持力大小安裝數(shù)量不同的軌道支撐腿及強(qiáng)磁塊，實(shí)現(xiàn)夾持力的可控性；

4.1 減速器支撐座與軌道夾持

減速器支撐座夾持軌道，在支撐座上設(shè)計夾持槽，槽內(nèi)加裝滾輪，滾輪與軌道貼合，使摩擦接觸變?yōu)闈L動接觸，方便執(zhí)行機(jī)構(gòu)行走，降低摩擦力。

4.2 軌道與被切割物夾持

軌道與被切割物夾持采用強(qiáng)磁貼條，強(qiáng)磁貼條吸附在被切割物上，如圖2所示。

圖2 強(qiáng)磁貼條吸附于被切割物表面

5 輔助調(diào)節(jié)系統(tǒng)

5.1 鏈輪高度調(diào)節(jié)

當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)圓弧行走時，動力系統(tǒng)鏈輪與軌道嚙合不上，可調(diào)節(jié)高度調(diào)節(jié)螺栓，螺栓壓緊彈簧，實(shí)現(xiàn)鏈輪高度調(diào)節(jié)，如圖3所示。

圖3 鏈輪高度調(diào)節(jié)

5.2 高壓管線角度調(diào)節(jié)

當(dāng)需要磨料射流與被切割物成角度切割時，可調(diào)節(jié)角度調(diào)節(jié)塊，實(shí)現(xiàn)磨料射流與被切割物0到45度角度調(diào)節(jié)，如圖4所示。

圖4 高壓管線角度調(diào)節(jié)

6 結(jié)語

試制樣機(jī)并進(jìn)行管柱切割試驗(yàn)，切割對象為直徑231 cm、壁厚6.6 cm的管柱，測試過程中高壓泵壓力設(shè)為200 MPa，流量26.8 L/min。試驗(yàn)結(jié)果顯示，超高壓磨料射流兩用型切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定爬行15 min，切割管柱長度870 mm，磁鐵吸附牢靠。經(jīng)測量，管柱壁厚完全切透，切割效果滿足設(shè)計要求。