深水多功能管道作業(yè)機(jī)具倒角吃刀量動(dòng)態(tài)誤差研究

郭士清,袁浩然,王立權(quán)，莊宇

(1.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007；2.哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001；3.佳木斯大學(xué)建筑工程學(xué)院， 黑龍江佳木斯 154007)

0 前言

管道是海上油氣田的“大動(dòng)脈”。深水油氣田水深超過(guò)1 000 m，水下管道的安裝與維修均依靠水下機(jī)器人ROV操控特種裝備完成。深水管道與管道的連接采用機(jī)械連接器完成，連接管道前需完成管道切斷、管端內(nèi)外倒角、去除焊縫、去除防腐涂層等預(yù)處理作業(yè)，以實(shí)現(xiàn)連接器與管道的可靠連接與密封。目前，國(guó)外完成深水海底管道預(yù)處理作業(yè)需4臺(tái)機(jī)具，深水環(huán)境下吊放機(jī)具及機(jī)具定位非常困難，作業(yè)成本高昂。為降低作業(yè)成本，哈爾濱工程大學(xué)學(xué)者們研制了一次裝夾，完成管道切割、管道端內(nèi)外倒角、焊冠和防腐涂層去除作業(yè)的深水多功能管道作業(yè)機(jī)具。作業(yè)時(shí)機(jī)具裝夾在管道上，因機(jī)具夾緊管道裝置兩液壓缸存在同步運(yùn)動(dòng)誤差及管道自身存在橢圓度，使機(jī)具裝夾后刀盤(pán)的回轉(zhuǎn)中心與管道圓心不同心，客觀存在定心誤差。該定心誤差使機(jī)具倒角作業(yè)時(shí)吃刀量波動(dòng)，進(jìn)而造成實(shí)際吃刀量與理論吃刀量間出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致少切或過(guò)切管道。刀盤(pán)回轉(zhuǎn)中心偏心量大時(shí)刀具的吃刀量顯著增大，出現(xiàn)打刀現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法完成作業(yè)。深水環(huán)境下機(jī)器人ROV無(wú)法實(shí)現(xiàn)換刀，機(jī)具吊回母船，將極大增加作業(yè)成本。

本文作者對(duì)深水多功能作業(yè)機(jī)具對(duì)管端倒角作業(yè)時(shí)的吃刀量動(dòng)態(tài)誤差進(jìn)行了研究，并完成了樣機(jī)陸上倒角試驗(yàn)。該機(jī)具的研制對(duì)保障我國(guó)深水油氣田的安全運(yùn)營(yíng)有重大現(xiàn)實(shí)意義。

1 深水多功能管道作業(yè)機(jī)具原理樣機(jī)

多功能作業(yè)機(jī)具的原理樣機(jī)如圖1所示，主要由機(jī)架、夾緊管道裝置、3套動(dòng)力頭、周向進(jìn)給裝置、旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)、液壓閥箱、ROV對(duì)接裝置等組成。液壓系統(tǒng)采用了壓力補(bǔ)償技術(shù)。水下作業(yè)時(shí)，水下機(jī)器人ROV的機(jī)械臂插入到機(jī)具的ROV對(duì)接裝置上，使ROV與機(jī)具成為一體，ROV攜帶機(jī)具到達(dá)待維修管道指定位置后，另一臺(tái)ROV操控機(jī)具，將其夾緊到等待作業(yè)管道上。機(jī)具的兩套夾緊裝置交替夾緊管道，并與軸向液壓缸配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)具在管道上的蠕動(dòng)爬行。管道切斷/外倒角動(dòng)力頭完成切斷管道及管端外倒角作業(yè)；磨削動(dòng)力頭完成管道的防腐涂層去除作業(yè)；焊冠/內(nèi)倒角動(dòng)力頭完成管道焊冠去除及管端內(nèi)倒角作業(yè)。

圖1 深水多功能管道作業(yè)機(jī)具原理樣機(jī)

2 偏心誤差對(duì)吃刀量的影響分析

圖2 吃刀量計(jì)算原理 圖3 偏心對(duì)吃刀量的影響(Δx=2 mm,Δy=2 mm,R=228.6 mm)

(1)

式中：為管道半徑；為刀盤(pán)周向進(jìn)給角；為點(diǎn)繞點(diǎn)旋轉(zhuǎn)半徑。

(2)

3 倒角吃刀量動(dòng)態(tài)誤差求解

3.1 管道圓心偏心坐標(biāo)測(cè)量與計(jì)算

機(jī)具裝夾完成后，刀盤(pán)與管道簡(jiǎn)化模型如圖4所示。以刀盤(pán)回轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)建立-坐標(biāo)系，為測(cè)得管道圓心在-的坐標(biāo)(,)，分別在刀盤(pán)三套動(dòng)力頭、、處安裝激光測(cè)距傳感器，點(diǎn)、、為動(dòng)力頭上固定點(diǎn)。因此，在-坐標(biāo)系下，點(diǎn)、、的坐標(biāo)(,)、 (,)、 (,)已知，點(diǎn)′、′、′為、、與管道外圓交點(diǎn)。′、′、′長(zhǎng)度由激光傳感器測(cè)定，設(shè)為、、。角、、為在-坐標(biāo)系下、、與軸夾角，分別為45°、90°、135°。

圖4 管道圓心O偏心量求解原理

(3)

3.2 倒角吃刀量動(dòng)態(tài)誤差計(jì)算

刀具吃刀量誤差計(jì)算原理如圖5所示。初始時(shí)刻機(jī)具倒角進(jìn)刀后，設(shè)刀位點(diǎn)′為刀具與管道外圓的交點(diǎn)，當(dāng)?shù)侗P(pán)繞回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)角時(shí)，刀具(刀具延長(zhǎng)線)與管道外圓交點(diǎn)為，與刀位點(diǎn)′的未修正軌跡圓的交點(diǎn)為″，點(diǎn)、″間的距離即為刀具的吃刀量誤差，記為=″，初始時(shí)刻刀位點(diǎn)′的軌跡圓半徑=-。刀位點(diǎn)′的軌跡圓與管道外圓的另一個(gè)交點(diǎn)(,)與軸的夾角為。以刀盤(pán)坐標(biāo)系-為基系，刀盤(pán)坐標(biāo)系與管道坐標(biāo)系存在兩種情況：(1)情況1，管道圓心(,)在-坐標(biāo)系的第三象限；(2)情況2，管道圓心(,)在刀盤(pán)坐標(biāo)系-的第四象限?，F(xiàn)以情況1為例討論倒角吃刀量誤差情況。

圖5 γ>0時(shí)吃刀量誤差計(jì)算原理

(4)

經(jīng)計(jì)算：

(5)

式中：

如圖5所示，以點(diǎn)′為起點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，推導(dǎo)刀具吃刀量誤差公式，由以上條件，可以求得：

(6)

經(jīng)計(jì)算：

(7)

同理，可以求出在其他象限時(shí)吃刀量誤差的計(jì)算公式與式(7)相同，但系數(shù)、變化。

②當(dāng)π/2≤≤π時(shí)，系數(shù)、為

=2(-|sin|||+|cos|||)

=2(+|sin|||-|cos|||)

=2(+|sin|||+|cos|||)

=-2(+|sin|||+|cos|||)

(2)當(dāng)偏心量較小時(shí)，刀位點(diǎn)′的未修正軌跡圓與管道外圓的交點(diǎn)(,)在第四象限，此時(shí)<0，如圖6所示，求得的吃刀量誤差與式(7)相同，系數(shù)、變化。

圖6 γ<0時(shí)吃刀量誤差計(jì)算原理

①0≤≤π/2時(shí)，系數(shù)、為

=2(-|sin|||+|cos|||)

②π/2≤≤π時(shí)，系數(shù)、為

=2(-|sin|||-|cos|||)

=2(+|sin|||-|cos|||)

=-2(+|sin|||-|cos|||)

=-2(+|sin|||+|cos|||)

同理可求出管道圓心(,)在-坐標(biāo)系四象限時(shí)吃刀量誤差計(jì)算公式。

4 倒角吃刀量誤差控制試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)機(jī)具陸上外倒角吃刀量誤差控制對(duì)比試驗(yàn)，檢驗(yàn)刀具吃刀量誤差控制算法的有效性。倒角刀的機(jī)床倒角試驗(yàn)表明吃刀量應(yīng)小于4.5 mm。多功能機(jī)具的剛性較弱，機(jī)具倒角時(shí)應(yīng)將吃刀量控制在3.5 mm以?xún)?nèi)，防止刀具損壞。機(jī)具作業(yè)時(shí)，控制初始時(shí)刻刀具吃刀量小于1.5 mm，即將倒角吃刀量誤差控制在±2 mm以?xún)?nèi)。試驗(yàn)鋼管為深水X70級(jí)管道，管徑457.2 mm(18英寸)，壁厚19.5 mm。機(jī)具試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示，作業(yè)刀具為自行研制的切斷與外倒角復(fù)合刀具。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，從圖8(a)中可以看出：未控制吃刀量誤差時(shí)，吃刀量變化較大，造成刀具損傷；從圖8(b)可以看出：對(duì)倒角吃刀量誤差進(jìn)了控制，管道倒角質(zhì)量良好，符合工程要求。通過(guò)機(jī)具外倒角吃刀量誤差控制對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了控制算法的有效性。

圖7 多功能作業(yè)機(jī)具陸上試驗(yàn)系統(tǒng)

圖8 機(jī)具倒角作業(yè)性能試驗(yàn)

5 結(jié)論

深水多功能管道作業(yè)機(jī)具自定心夾緊裝置兩液壓缸存在同步運(yùn)動(dòng)誤差，同時(shí)管道自身存在橢圓度，使機(jī)具裝夾時(shí)刀盤(pán)回轉(zhuǎn)中心與管道圓心客觀存在定心誤差。該定心誤差使機(jī)具管端倒角去除毛刺作業(yè)時(shí)吃刀量誤差大，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)打刀現(xiàn)象。本文作者針對(duì)此關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究，得出結(jié)論如下：

(1)吃刀量誤差仿真分析結(jié)果表明：在偏心量Δ、Δ為2 mm，管道半徑為228.6 mm情況下，最大吃刀量將達(dá)到5.8 mm，如此大的吃刀量將損傷刀具；

(2)基于三點(diǎn)定圓原理，提出了采用3套激光測(cè)距傳感器、自動(dòng)測(cè)量管道圓心相對(duì)刀盤(pán)回轉(zhuǎn)中心偏差的測(cè)量方法。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了刀位點(diǎn)動(dòng)態(tài)吃刀量誤差數(shù)學(xué)模型；

(3)樣機(jī)陸上自動(dòng)控制倒角吃刀量性能試驗(yàn)驗(yàn)證了定心誤差測(cè)量方法及吃刀量動(dòng)態(tài)誤差模型的有效性，解決了機(jī)具水下作業(yè)時(shí)，管端倒角作業(yè)吃刀量變化大、打刀的關(guān)鍵技術(shù)難題。