水下螺栓組連接引入裝置動力學仿真及試驗研究

王立權 王才東 趙冬巖 曹 為 郭軍輝

1.哈爾濱工程大學,哈爾濱,150001 2.海洋石油工程股份有限公司,天津,300451

水下螺栓組連接引入裝置動力學仿真及試驗研究

王立權1王才東1趙冬巖2曹 為2郭軍輝1

1.哈爾濱工程大學,哈爾濱,150001 2.海洋石油工程股份有限公司,天津,300451

為解決水下石油管道法蘭連接機具20個螺栓同時引入螺母的難題,根據水下管道法蘭連接機具作業需求,設計了螺栓引入裝置,通過設置彈簧、尼龍導向套和橡膠支撐環,保證螺栓可靠地引入螺母。針對水下作業環境,建立了螺栓引入螺母碰撞過程的數學模型。運用ADAMS動力學仿真軟件,建立螺栓引入裝置系統多體動力學模型,并對其作業過程進行動力學仿真,得到了螺栓引入螺母過程的速度、位移曲線,為機具的實際作業運動控制提供依據。碰撞過程的仿真結果表明,單組螺栓與螺母的碰撞力為173.9N,彈簧最大壓縮量為5.1mm,滿足系統設計要求。在螺栓引入裝置試驗樣機上進行螺栓引入試驗,結果表明螺栓能成功引入螺母,驗證了螺栓引入裝置結構設計的合理性。

螺栓組;螺栓引入裝置;結構設計;ADAMS;動力學仿真

0 引言

海底輸油氣管道是海上油氣田開發生產系統的主要組成部分,是連續輸送大量油氣最快捷、最安全和最經濟可靠的運輸方式。300m以淺的管道大多是通過潛水員直接操縱或以水下密封艙作為作業空間實施連接[1-2]。深水石油管道連接需依靠自動化連接機具完成,法蘭式連接是深水石油管道連接常用的方式。目前國外已開展了深水管道法蘭連接機具的研究,主要研究單位有美國Sonsub公司、挪威Acergy公司和瑞士A ll Seas G roup公司[3-4]。國內在深水管道連接機具方面研究較少,因此研發一套具有自主知識產權的深水管道自動化連接機具具有重大意義。

成組螺栓引入是法蘭連接機具設計的難點所在,本文著重研究螺栓引入裝置。近年來,人們開展了螺栓裝配技術方面的研究。文獻[5-6]研究了用于汽車生產線零部件裝配的螺栓擰緊系統,螺栓處于豎直狀態,不受自身重力傾覆力矩影響,加載頭(套筒扳手)與螺栓的同軸度易于保證。文獻[7]研究了機器人雙臂協調操作實現螺栓裝配,其操作過程復雜,不適用水下作業環境。本文設計了一套滿足水下管道法蘭連接機具作業需求的螺栓引入裝置,并對其進行動力學仿真和試驗研究。

1 水下管道法蘭連接機具螺栓引入裝置結構方案分析

1.1 水下管道法蘭連接機具總體方案

水下管道法蘭連接機具結構設計采用模塊化設計方法。通過系統的功能分析和結構分析,將機具劃分為外框架、內基架、螺栓庫、螺母庫、拉伸模塊五大結構模塊,機具虛擬樣機模型如圖1所示。

圖1 水下法蘭連接機具虛擬樣機模型

機具各部分功能如下:外框架為型鋼焊接件,承載其他各模塊,外框架兩端固定兩個卡爪,工作時,卡爪抱緊管道,將機具定位于管道上;內基架包括支撐體、直線導軌、中間動力箱、工具庫接口及軸向驅動裝置,從功能上實現三個工具庫以管道軸線為基準的周向同步運動和軸向獨立運動;螺栓庫、螺母庫和拉伸模塊統稱為工具庫,通過工具庫接口懸掛于內基架的直線導軌上。工具庫為三瓣式結構,可閉合環抱或釋放管道,分別攜帶螺栓、螺母及液壓拉伸器。

水下管道法蘭連接機具作業過程如下:

管道法蘭連接機具定位于管道上。在水下視頻輔助下,水下遙控潛水器(remotely operated vehicle,ROV)攜帶連接機具緩慢定位于管道上,機具兩端卡爪抱緊管道,實現機具與管道的定位。螺栓庫、螺母庫、拉伸模塊庫體閉合。機具調孔,探針機構插入旋轉環法蘭螺栓孔,帶動旋轉環法蘭旋轉,使其螺栓孔與固定法蘭螺栓孔對齊。螺栓庫攜帶螺栓并將其插入法蘭螺栓孔。螺母庫將螺母擰入螺栓。拉伸器模塊拉伸螺栓,螺母庫擰緊螺母,螺栓庫釋放螺栓,工具庫復位,完成兩法蘭連接作業。

1.2 螺栓引入裝置結構組成

在管道法蘭連接機具的作業過程中,20個螺栓需同時穿過固定法蘭螺栓孔并旋轉環法蘭螺栓孔,然后旋入螺母,最后拉伸器需與螺栓貼合,拉伸器的并帽旋入螺栓,并拉伸螺栓使之產生預緊力。

根據API標準及作業要求,海底石油管道直徑為355.6mm(14英寸),法蘭螺栓孔直徑為42mm,螺栓為M 39×530,螺母為M 39,拉伸器并帽為M 39,螺栓與螺母配合公差為M 39 7H/6g,其配合間隙為9～50μm。在深水可見度較差的作業環境下,讓螺栓能夠快速可靠地引入法蘭螺栓孔和螺母,避免螺紋損傷,顯得尤為重要。為此,采用一根齒輪軸驅動螺栓庫、螺母庫和拉伸模塊做同步周向運動,在機具裝配時,從機械結構上保證螺栓與螺母、拉伸器并帽的軸向對準精度,降低水下對孔的作業難度,提高作業可靠性。

根據水下法蘭連接機具作業要求,設計的螺栓引入裝置結構如圖2所示,20套螺栓引入裝置沿螺栓孔分布圓安裝在螺母庫上。其工作原理如下:馬達通過一對齒輪傳動,驅動套筒扳手轉動,套筒扳手沿軸線加工內六方通孔,螺母裝入內六方通孔內,并隨套筒扳手轉動。螺母套筒扳手內裝有彈簧、彈簧導套、螺母、橡膠支撐環、尼龍導向套等構成柔性連接環節。橡膠支撐環支撐螺母,使螺母與套筒扳手內壁有1mm的間隙,使螺母具有柔順適應性,可以補償螺栓與螺母的軸向偏差,使螺栓成功引入螺母。

彈簧的作用為:螺栓引入瞬間,減小螺栓與螺母的相互沖擊;螺栓引入過程中,補償由于20個馬達轉動不同步所導致的螺母螺旋進給位移偏差。彈簧選用圓柱螺旋壓縮彈簧,材料為65M n,根據作業要求,設計彈簧的基本參數如表1所示。

圖2 螺栓引入裝置結構圖

表1 彈簧的基本參數

尼龍導向套為三瓣式結構,在螺栓引入螺母后,螺母前進帶動尼龍套從套筒扳手上脫落。尼龍導向套的作用如下:尼龍套與套筒扳手過盈配合可防止螺母從套筒扳手中脫落;彈簧的預壓力將螺母端面與尼龍套的端面緊貼,以保證螺母的軸心與套筒扳手軸心對齊;尼龍具有良好的柔韌性,螺栓引入螺母時尼龍導向套起導向作用并可避免螺紋損傷。

1.3 尼龍導向套過盈量的確定

尼龍導向套與套筒扳手是過盈配合,過盈量的確定是一個復雜過程[8],若過盈量過小,尼龍導向套不能將螺母限位在套筒扳手中,螺母端面會發生偏轉,不能保證螺母與螺栓的同軸度;若過盈量過大,產生的摩擦力超過了螺母螺旋運動傳遞的最大軸向力,尼龍導向套不能被擠出,導致螺母不能擰至法蘭端面。因此,需合理確定尼龍導向套與套筒扳手的過盈配合。

尼龍導向套端面承受的軸向力為

式中,G為螺母的重力,其值為5.86N;FT為彈簧的預壓緊力,其值為10N。

式中,df為尼龍導向套與套筒扳手的結合直徑;lf為結合長度;μ為摩擦因數。

傳遞載荷所需的最小結合壓力為

傳遞載荷所需的最小有效過盈量為

式中,下標a表示套筒扳手參數,i表示尼龍導向套參數;eamin、eimin為傳遞載荷所需的最小直徑變化量;Ca、Ci為量綱一系數,由套筒扳手與尼龍導向套的直徑比與泊松比決定;Ea為套筒扳手的彈性模量;Ei尼龍導向套的彈性模量。

尼龍導向套不產生塑性變形所允許的最大結合壓力為式中,b為量綱一系數,由尼龍導向套的直徑比決定;σsi為尼龍的抗壓強度,σsi=56MPa。

尼龍導向套不產生塑性變形所允許的最大直徑變化量為

由機具設計要求并查閱機械設計手冊可確定上述公式的參數數值如下:d f=68mm,l f=25mm,μ=0.05,C a=6.507,C i=2.016,b=0.3。將數值代入式(1)～ 式(4)可得,δemin=0.008mm,δemax=1.061mm 。

基本過盈量δb應滿足下式:

2 螺栓引入動力學模型的建立

2.1 螺栓裝配速度分析

螺母庫攜帶螺母做直線進給運動,馬達帶動螺母做旋轉運動,實現螺母的螺旋運動。假定螺栓為單線螺紋螺栓,那么螺母庫直線運動線速度v和螺母旋轉運動角速度ω間有一定的對應關系。由機械設計理論可知,單線螺紋螺母每旋轉一圈的同時,沿螺栓前進一個螺距P,則有

式中,i為主動齒輪與從動齒輪的傳動比。

2.2 螺栓引入碰撞過程動力學模型

螺栓庫攜帶螺栓引入螺母的過程中兩者存在接觸和碰撞。由于螺栓庫質量為826kg,具有很大的慣性,在結構和控制系統設計時,應考慮兩者的碰撞。螺栓引入碰撞過程分析模型如圖3所示。根據碰撞過程中的能量守恒,碰撞后瞬間系統具有的機械能、彈性勢能變化等于整個過程中主動力F t、摩擦力 f、流體阻尼力 f c做功之和:

圖3 螺栓引入碰撞模型

將阻尼力沿位移路徑數值積分可得到阻尼力做的功W fc。

3 螺栓引入裝置作業過程動力學仿真

3.1 螺栓引入裝置ADAMS建模

螺栓引入裝置結構復雜,不便于在ADAMS里直接建立模型。利用三維建模軟件INVENTOR建立系統模型,通過計算機圖形交換格式軟件(IGES)導入到ADAMS中[10],定義模型屬性,設置剛體質量、轉動慣量等參數,并創建運動副。在設置剛體的質量參數時,考慮了流體的附加質量,水的附加質量以附加密度的形式加到結構上。建立的ADAMS模型如圖4所示。為了檢測螺栓與螺母碰撞,在螺栓與螺母間添加了傳感器。

圖4 螺栓引入裝置ADAMS模型

3.2 螺栓引入裝置樣機作業過程動力學仿真

在建立了螺栓引入裝置的ADAMS模型后,對模型添加驅動,進行動力學仿真。

根據液壓馬達最低穩定轉速要求設定其轉速為n=1.57rad/s,由式(9)得螺母沿螺栓軸向的移動速度為v=2.1mm/s。

通過動力學仿真,可得螺母和套筒扳手的位移曲線,如圖5所示。在開始階段,螺母和套筒扳手在液壓缸的驅動下以較快的速度移動。36s時位移曲線斜率減小,表明液壓缸開始減速運動。螺母在38.6s時和螺栓碰撞,螺母位移曲線在38.6～40s時有一段波動。此時,螺母壓縮彈簧后移,在螺母的旋轉下,39.9s時螺栓引入螺母,在螺紋副的作用下,螺母繼續向前移動。套筒扳手位移在82～94s之間有一段水平線,表明此時液壓缸停止前進,螺母在液壓馬達及螺紋副的作用下前進,將尼龍導向套從套筒扳手里擠出。為了防止螺母從套筒扳手里脫離,96s后液壓缸以2.5mm/s的速度前進,112s時套筒扳手到達法蘭端面,液壓缸停止進給運動。螺母則在液壓馬達驅動下繼續前進,直至緊貼法蘭端面。

圖5 套筒扳手和螺母位移曲線

套筒扳手的速度和加速度曲線如圖6所示,可見套筒扳手運動速度變化過程平穩。0～36s套筒扳手以5mm/s的速度前進。為了減小螺栓與螺母的碰撞力,36s后套筒扳手做減速運動,速度減至2.2mm/s。82～94s套筒移動速度為0,停止前進。94s以后增速,以 2.5mm/s移動。112s時,套筒到達法蘭端面,停止前進。在 96s時加速度達最大值,最大加速度為1.78mm/s2,滿足設計要求。

圖6 套筒扳手速度與加速度曲線

為了分析螺栓與螺母接觸時產生的碰撞力,在螺栓與螺母間設置接觸約束。測得螺栓引入過程與螺母的碰撞力曲線如圖7所示。由圖7可以看出,螺母在38.6s時和螺栓碰撞,最大碰撞力為173.9N。經計算,該碰撞力不能損傷螺紋,滿足設計要求。碰撞過程在39.9s即螺栓引入螺母時結束。

圖7 螺栓與螺母碰撞力曲線

將螺栓引入試驗裝置的具體參數和動力學仿真初始條件代入式(10)、式(13),可得螺栓與螺母的最大碰撞力為186.5N,大于動力學仿真所得到的最大碰撞力,二者誤差為5.52%。經分析,該誤差是由于在ADAM S仿真時,計算套筒扳手的附加質量時將其簡化為圓柱體產生的誤差所致。

彈簧在螺栓引入過程中可以緩沖螺栓與螺母相撞的沖擊,彈簧的受力與變形曲線如圖8所示。在初始階段,彈簧受到10N預壓緊力,使螺母端面緊貼尼龍導向套端面,防止螺母在套筒扳手里發生傾斜。螺栓與螺母接觸碰撞過程中,彈簧受到最大壓力為103N,小于最大碰撞力173.9N,這是由于螺母與套筒扳手間存在摩擦力的緣故。螺栓引入螺母后,由于套筒扳手的進給速度大于螺母的螺旋進給速度,彈簧受壓縮,其最大壓縮量為5.1mm,在彈簧的壓縮量范圍之內。82s時,套筒扳手停止運動,螺母繼續沿螺栓軸向移動,彈簧逐漸恢復原長。在隨后運動過程中,彈簧做微幅振動。

圖8 彈簧受力變形曲線

4 螺栓引入試驗

為了驗證螺栓引入方案的可行性,設計了螺栓引入裝置試驗樣機,如圖9所示。試驗樣機由基座1、把手2、滑塊3、導軌4、直線伺服電動推桿5、套筒扳手 6、馬達 7、螺栓 8組成。液壓馬達由比例閥控制,可精確調速。為了精確控制套筒扳手進給速度,采用直線伺服電動推桿提供進給運動。

圖9 螺栓引入裝置試驗樣機

螺栓引入試驗過程如圖10所示。

(1)電動推桿帶動套筒扳手以5mm/s的速度靠近螺栓。

(2)套筒扳手將要靠近螺栓時,電動推桿減速并以2.2mm/s的速度前進,使螺栓引入尼龍導向套。

(3)馬達啟動,帶動螺母轉動;同時,電動推桿帶動套筒扳手前進,使螺母與螺栓接觸,二者發生碰撞,壓縮彈簧。在彈簧的推力下,馬達驅動螺母旋入螺栓,如圖10b所示。

(4)直線電動推桿和馬達以式(9)確定的配合速度運動,使螺母和螺栓完成螺旋運動,如圖10c所示。

(5)運動一段距離后,液壓缸停止運動;馬達繼續帶動螺母轉動,螺母克服尼龍導向套和套筒扳手過盈配合產生的摩擦力,驅動其移動,如圖10d所示。當尼龍導向套離開套筒扳手時,三瓣式尼龍導向套自動從螺栓上脫離,如圖10e所示。

(6)馬達繼續驅動螺母轉動,螺母沿螺栓軸向螺旋運動直至緊貼法蘭端面(虛擬),螺栓引入過程完成,如圖10f所示。

圖10 螺栓引入試驗過程

為了驗證螺栓引入成功概率,在螺栓引入裝置上進行了30次引入試驗,螺栓均能成功引入螺母。

5 結論

(1)設計了螺栓引入裝置,實現了螺栓引入功能,可應用于水下管道法蘭連接機具。

(2)建立了螺栓引入螺母碰撞過程的數學模型,為螺栓引入螺母的運動控制提供了理論基礎。

(3)螺栓引入裝置系統的多體動力學仿真結果表明,套筒扳手的進給速度略大于螺母沿螺紋副的直線運動速度,可以保證螺母成功引入螺栓,同時可防止螺母從套筒扳手里脫離。

(4)螺栓引入試驗表明,設計的螺栓引入裝置能夠快速可靠地引入螺栓。

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Dynamics Simulation and Experimental Study of Lead-in Device for Underwater BoltGroup Connection

Wang Liquan1Wang Caidong1Zhao Dongyan2CaoWei2Guo Junhui1
1.Harbin Engineering University,H arbin,150001 2.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tian jin,300451

To solve the p rob lem of 20 bolts synchronous lead-in nuts for underwater petroleum pipeline flange connection tool,a bolt lead-in devicewas designed according to theoperational requirements of underwater pipeline flange connection tool.By setting the spring,nylon jacketand rubber support ring,bolt can be reliab lly lead-in the nut.For the underw ater environment,themathematicalmodelof collision that thebolt lead-in the nutwas set up.Themulti-body dynamicsmodelof bolt lead-in device system wasbuilt by ADAMS,and the speed and displacement curve of nutwas gained by the study of its operating process dynamics simulation.The results providebasis for actualmotion control.Through the collision simulation analysis,boltand nut impact force curves and the spring deformation curves were obtained.The experiment of bolt lead-in device test prototypewas carried on.The experimental results show that the bolt can lead-in the nut successfully,and verify the reasonablenessof bolt lead-in devicemechanism design.

bolt group;bolt lead-in device;mechanism design;ADAMS;dynamics simulation

TH 113

1004—132X(2011)11—1278—06

2010—08—30

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2006A A09A 105-4)

(編輯 蘇衛國)

王立權,男,1957年生。哈爾濱工程大學機電工程學院教授、博士研究生導師。主要研究方向為機器人技術、水下智能作業與裝備技術。發表論文60余篇,主編教材 6部。王才東,男,1983年生。哈爾濱工程大學機電工程學院博士研究生。趙冬巖,男,1958年生。海洋石油工程股份有限公司設計公司高級工程師。曹 為,男,1982年生。海洋石油工程股份有限公司設計公司工程師。郭軍輝,男,1984年生。哈爾濱工程大學機電工程學院碩士研究生。