水下控制模塊對接鎖緊機構的動力學分析

王 偉， 儲樂平， 陳再玉， 張憲陣

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

水下控制模塊對接鎖緊機構的動力學分析

王 偉， 儲樂平， 陳再玉， 張憲陣

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

對接鎖緊機構是水下控制模塊的關鍵部件，計算出作業過程中需要水下機器人(ROV)提供的最大推力具有重要的實際意義。首先對鎖緊機構的結構進行了分析，得到水下控制模塊對接鎖緊機構的動力學分析方法。經過對仿真結果的分析，得到作業過程中需要ROV提供的最大推力值。分析結果驗證了對接鎖緊機構結構設計的可行性，并為作業ROV的選型提供理論依據。

水下控制模塊；動力學；對接鎖緊；仿真

0 引 言

水下控制模塊(SCM)是海洋石油工程水下生產系統的重要組成部分，能為水下生產設備提供安全有效的控制功能。其采用模塊化設計，整體安裝方式，可回收和重復使用。對接鎖緊機構是水下控制模塊的關鍵部件，水下控制模塊與位于海底的安裝基座對接后，需要水下機器人(ROV)操作對接鎖緊機構使其鎖緊，以保證液壓油路和電路連接的可靠性。目前，國內外多家公司和科研機構都開展了水下控制模塊對接鎖緊機構的相關研究，其研究成果的具體結構形式多種多樣[1-4]，本文所研究的對接鎖緊機構的結構形式為首次提出。由于對接鎖緊機構的結構相對復雜，ROV操作對接鎖緊機構時需施加的力往往要通過實驗測定[5-6]，但采用實驗方式的資金投入較大，在設計階段采用計算機仿真的方式得到該參數更為經濟。研究水下控制模塊對接鎖緊機構的動力學分析方法，采用計算機仿真的方式計算出在鎖緊和解鎖過程中需要ROV施加的最大推力具有重要的實際意義，可以在設計階段驗證鎖緊機構結構的可行性，并為作業ROV的選型提供理論依據。

1 對接鎖緊機構的結構分析

本文所研究的水下控制模塊對接鎖緊機構的結構如圖1所示。對接鎖緊機構整體安裝在水下控制模塊的頂部，如圖2所示。

圖2 對接鎖緊機構安裝位置Fig.2 Schematic diagram of locking mechanism installation location

鎖緊過程原理如圖3所示，按下頂部的鎖緊按鈕，其齒形結構與導向筒的齒形結構相互嚙合，導向筒在鎖緊按鈕的推動下向下移動，導向塊同時向下移動至導向滑道下部末端，此時導向筒周向運動的約束消失，在四對齒形結構的作用下，導向筒和導向塊沿中心軸旋轉。此時移除對鎖緊按鈕的壓力(見圖4)，在彈簧的作用下導向筒和導向塊向上移動，并且導向塊在導向滑道的引導下進入導軌限位孔。因為鎖緊桿隨導向筒產生了向下的位移，此時鎖緊桿已推動鎖緊塊伸出，鎖緊塊伸入安裝基座的方孔中實現鎖緊。

圖3 鎖緊過程原理圖一Fig.3 Schematic diagram of the locking process A

圖4 鎖緊過程原理圖二Fig.4 Schematic diagram of the locking process B

如需解鎖再次按下鎖緊按鈕然后抬起即可，其原理與鎖緊過程基本相同，不再贅述。

2 動力學仿真分析方法研究

2.1 分析工具選擇

本文所研究的內容屬于多體系統動力學范疇，并假設所有部件均為剛體運動。多體系統動力學的核心問題是建模和求解問題[7]。由于對接鎖緊機構的結構運動相對復雜，采用人工建模并求解的方式進行動力學分析較為困難，本文所研究內容需使用動力學仿真分析軟件作為輔助分析工具。

SolidWorks是目前應用較為廣泛的三維設計軟件，SolidWorks Motion是以美國MDI公司的動力學仿真分析軟件ADAMS為內核開發的機械系統運動學和動力學仿真軟件[8]。結合本文所研究的水下控制模塊對接鎖緊機構的結構特點，選用SolidWorks Motion軟件作為輔助分析工具。

2.2 建立三維模型

在進行動力學仿真分析前，應建立被分析對象的三維模型。由于選用了SolidWorks Motion作為分析工具，為方便模型轉換和設置，使用Solidworks軟件建立水下控制模塊對接鎖緊機構的三維(3D)模型，并且為每個零部件設置相應材料屬性，如圖5所示。

圖5 對接鎖緊機構三維模型Fig.5 3D model of locking mechanism

2.3 仿真設置

由于所研究的運動是在水下進行，應考慮海水浮力對實際重力的影響，設置的重力加速度值應為在海水中的當量重力加速度。經分析后可得到如下公式：

∑F=F地球引力-F海水浮力，

(1)

ma當量=ρ不銹鋼gV-ρ海水gV，

(2)

(3)

式中: 對接鎖緊機構采用的材料密度ρ不銹鋼為7900kg/m3，海水密度ρ海水為1025kg/m3，重力加速度為9.8m/s2，可得a當量≈8.5m/s2。

由于對接鎖緊機構的動力學分析涉及多個部件相互作用，需要進行實體接觸設置。接觸實體的材料均設置為Steel(Dry)，動摩擦系數設置為0.25，靜摩擦系數設置為0.3，其他參數均為默認。

在彈簧安裝位置設置彈簧，并輸入彈簧常數3N/mm、自由長度300mm、阻尼常數0.1N/s等彈簧參量。

本研究需要完成的分析內容包括鎖緊和解鎖兩個動作過程，由于在實際作業過程中ROV機械手的速度和動作完成的時間是不容易控制的，首先假設該過程在30s內完成，整個過程由ROV推動鎖緊按鈕完成，所以需要設置鎖緊按鈕的運動規則，可以通過設置線性馬達來實現。假設鎖緊按鈕的位移變化曲線和速度變化曲線如圖6、圖7所示，該運動規則使用插值方式設置，如表1所示。

表1 插值表

圖6 鎖緊按鈕的位移變化曲線Fig.6 Displacement changing curve of lock button

圖7 鎖緊按鈕的速度變化曲線Fig.7 Velocity changing curve of lock button

2.4 仿真結果分析

運行仿真計算后得到動力學分析結果，鎖緊按鈕的馬達力即為所需ROV提供的推力，提取該曲線如圖8所示。

圖8 推力變化曲線Fig.8 Thrust changing curve

動力學仿真結果顯示的所需ROV提供推力曲線呈不規則變化，這是由于鎖緊按鈕的運動(等同于ROV機械手的運動)采用位移控制，且對接鎖緊機構的結構復雜等因素疊加造成的。圖8顯示的需要ROV提供的最大推力出現在約第25秒，其值為1230.8N。

以上分析結果是建立在設定運動速度和動作完成時間的假設基礎上，在實際作業過程中ROV機械手的速度和動作完成的時間很難控制。但完成動作所需時間一般不會小于1.25s，且一般不會大于40s。為分析運動速度和動作完成時間對最大推力值的影響，本文又以相同的動力學仿真方法，分別計算了完成動作時間為1.25、2.5、5、10、15、20、25、35、40s等情況下的最大推力值，計算結果如表2所示。

表2 計算結果

分析以上計算結果可以推論，動作完成時間和速度對最大推力值的影響很小，可以認為最大推力值約為1230.8N。

3 結 語

本文首先對所研究的水下控制模塊對接鎖緊機構的結構進行了分析，并研究得出此機構的動力學分析方法，該方法以SolidWorks Motion軟件作為輔助分析工具，并介紹了建立模型及仿真參數設置的具體方法。經過對仿真結果分析得出結論： 在鎖緊和解鎖過程中，需要ROV提供的最大推力為1230.8N。目前海洋工程上使用的作業級ROV的機械手最大推力多數大于此數值，此結論驗證了對接鎖緊機構結構設計的可行性，并為作業ROV的選型提供理論依據。本文所進行的動力學分析建立在剛體基本假設基礎上，未涉及柔體問題，部件在力的作用下產生的變形對分析結果的影響程度有待結合物理樣機的實驗數據進一步研究。

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DynamicsAnalysisofSubseaControlModuleLockingMechanism

WANG Wei， CHU Le-ping， CHEN Zai-yu， ZHANG Xian-zhen

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

The locking mechanism is the key part of subsea control module (SCM). It is of great practical significance to calculate the maximum thrust provided by remote operated vehicle (ROV) in operation process. The locking mechanism structure is analyzed, and the dynamic analysis method of SCM locking mechanism is researched. By analyzing the simulation results, the maximum thrust provided by ROV needed for operation process is obtained. The feasibility of locking mechanism structure design is verified by analysis results, and the necessary basis for ROV selection can be provided.

subsea control module; dynamics; locking mechanism; simulation

TH113.2+2

A

2095-7297(2017)02-0114-04

2016-12-02

工業和信息化部海洋工程裝備科研項目“水下控制系統對接盤、鎖緊機構研制”

王偉(1983—)，男，碩士，高級工程師，主要從事海洋石油工程裝備的機械設計、制造及仿真研究。