井控應(yīng)急高壓磨料射流雙臂切割執(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 引言

目前國內(nèi)針對海上平臺井控應(yīng)急設(shè)備及其研究還很少，而在三級井控應(yīng)急救援中，要求以不動火、遠(yuǎn)距離、快速完成井口(損壞的防噴器、鉆桿、法蘭等)切割及修整，確保井控設(shè)備的安裝及人員的安全為原則 。本文將設(shè)計(jì)制造適用于海上平臺遠(yuǎn)距離切割雙臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動遠(yuǎn)端的高壓磨料射流切割設(shè)備(機(jī)械手)進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送、變位，以達(dá)到切割工作中所需要的各種動作，以解決井控應(yīng)急中的人員無法靠近危險(xiǎn)區(qū)域的實(shí)際困難。

1 方案設(shè)計(jì)

雙臂切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)由連接系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和噴射切割系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 雙臂切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)

連接系統(tǒng)通過采用螺栓螺母固定方式保證了機(jī)構(gòu)整體與機(jī)械臂連接，同時，前后安裝板上設(shè)計(jì)臺階式結(jié)構(gòu)，保證上下安裝板不會產(chǎn)生較大變形影響射流軌道的移動。夾緊系統(tǒng)是利用雙向液壓缸將被切割件夾緊，保證射流切割時不會因?yàn)樯淞鞣戳σ饳C(jī)構(gòu)整體振動。為保證液壓缸活塞桿帶動射流軌道伸縮時不發(fā)生偏移現(xiàn)象，在上安裝板上面銑鍵槽并在軌道槽內(nèi)添加導(dǎo)向鍵。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)和減速器傳動系統(tǒng)提供的動力，通過往復(fù)絲杠實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為移動塊的水平移動。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)對材料的切割。由于高壓硬管較長，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。 整體采用鈦合金材質(zhì)，質(zhì)量輕，攜帶方便。高效噴頭能夠快速、有效實(shí)現(xiàn)對夾緊物體的有效切割。整體安裝拆卸簡單，切割安全可靠。

2 工作原理及技術(shù)參數(shù)

2.1 工作原理

由于噴射切割機(jī)構(gòu)在切割過程中需保持整體的穩(wěn)定性，因此被切割物體需要被夾緊。利用液壓缸可以快速實(shí)現(xiàn)夾緊。液壓缸采用雙活塞雙活塞桿的油缸，結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠。用它來實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動時，可免去減速裝置，并且沒有傳動間隙，運(yùn)動平穩(wěn)，因此在各種機(jī)械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。如同兩個連體的雙作用活塞液壓缸，液壓缸雙活塞桿分別與左右射流軌道通過螺紋連接，當(dāng)液壓缸伸縮時，可帶動軌道夾緊與松開。液壓缸伸出端通過螺紋與射流軌道相連接。為保證液壓缸活塞桿帶動射流軌道伸縮時不發(fā)生偏移現(xiàn)象，在上安裝板上面銑鍵槽并在軌道槽內(nèi)添加導(dǎo)向鍵[1]。為適應(yīng)不同尺寸的被夾緊物，在射流軌道上安裝有夾持塊，一方面可以通過夾持塊調(diào)節(jié)夾持尺寸，另外一方面可以利用夾持塊上的齒形槽增加夾持的摩擦力。首先根據(jù)要切割管體直徑調(diào)整軌道防磨塊尺寸并用螺栓擰緊。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)、液壓缸管線與機(jī)械臂之間采用快插接頭，機(jī)構(gòu)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。夾緊前，液壓缸和液壓馬達(dá)進(jìn)行試操作驗(yàn)證各部件運(yùn)轉(zhuǎn)靈活性。試操作結(jié)束后將液壓缸伸出至最大夾持距離，兩側(cè)移動塊處于軌道最前端。待被切割管體進(jìn)入左右軌道之間的防磨塊后將液壓缸桿收回，升高液壓缸壓力至額定工作壓力10 MPa，此時液壓缸達(dá)到額定工作拉力2 t。一側(cè)液壓馬達(dá)供液，移動塊開始移動。高壓管線供液切割頭開始切割作業(yè)，單趟切割完成后，液壓馬達(dá)和高壓管線停止供液。同時，另一側(cè)液壓馬達(dá)和高壓管線供液，切割頭進(jìn)行另一側(cè)切割作業(yè)。切割作業(yè)完成后，液壓缸桿伸出至極限位置，此時機(jī)構(gòu)可脫離開被切割物 。

2.2 技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 雙臂切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)

3 力學(xué)分析

3.1 夾緊力分析

液壓缸為雙向伸縮，兩側(cè)受力相同，因此將一側(cè)射流軌道單獨(dú)拿出進(jìn)行受力分析。由于射流軌道重，因此整體向右側(cè)傾斜，豎直方向受力如圖2所示。

圖2 軌道受力簡圖

如圖3左側(cè)構(gòu)件重量30 kg，液壓管線附加15 kg，G 為450 N。右側(cè)重力為85 kg，液壓管線附加15 kg，G 為1 000 N。

圖3 射流軌道受力簡圖

根據(jù)力平衡和力矩平衡，得到：

當(dāng)液壓缸收縮加緊切割件時，F(xiàn)1和F2將產(chǎn)生摩擦。上下安裝板及射流軌道均采用TC4，摩擦系數(shù)取0.3，F(xiàn)1=1 080 N，F(xiàn)2=1 515 N。當(dāng)產(chǎn)生加緊力時，導(dǎo)向塊克服夾緊力產(chǎn)生的反扭矩。同時，導(dǎo)向塊增加了摩擦力。因此，隨著拉力的增大，夾緊力增大； 隨著距離的增加，夾緊力減??；夾緊力的大小與摩擦系數(shù)有關(guān)。噴射反力P是高壓流體作用在物體上產(chǎn)生的，大小與壓力和噴嘴直徑有關(guān)。取排量30 L/min,噴嘴直徑1 mm，噴射壓力250 MPa,則噴射反力。

當(dāng)液壓缸拉力達(dá)到最大1 t時，夾緊力為1 414.35 N，遠(yuǎn)大于噴射反力，因此，噴射反力基本不會對加緊產(chǎn)生影響。

3.2 噴射系統(tǒng)

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)對材料的切割。由于高壓硬管較長，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如圖4所示。由于高壓硬管較長，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。以噴槍、夾持機(jī)構(gòu)、移動塊以及液壓管線為整體進(jìn)行受力分析如圖5。

圖4 噴射系統(tǒng)

圖5 噴射系統(tǒng)受力分析圖

根據(jù)力平衡和力矩平衡，得到：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析如果選用丹佛斯馬達(dá)OMM20，輸出扭矩25 N·m，因此，馬達(dá)能夠滿足工作要求。

4 結(jié)語

(1)新設(shè)計(jì)的雙臂切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以在遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程切割，以解決井控應(yīng)急中的人員無法靠近危險(xiǎn)區(qū)域的實(shí)際困難；(2)通過理論計(jì)算噴射反力基本不會對產(chǎn)生影響，保障了整機(jī)的穩(wěn)定性；(3)切割機(jī)械臂作業(yè)時，需在作業(yè)井口附近30 m左右范圍內(nèi)停靠一作業(yè)支持平臺(可為平臺或支持船)，且該平臺具備較好的升沉補(bǔ)償能力，以保障切割精度[2]。