淺海輪式作業(yè)型ROV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

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(1.山東科瑞機(jī)械制造有限公司 山東省海洋石油裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 東營 257000；2.中國石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)①

隨著海洋油氣資源勘探開發(fā)的不斷深入，越來越多的水下遙操作機(jī)器人(Remotely Operated Vehicle,ROV)應(yīng)用于油氣勘探、管道鋪設(shè)以及事故處理作業(yè)中，為水下油氣作業(yè)提供直接或間接的支持[1]。ROV以其經(jīng)濟(jì)安全、機(jī)動靈活、能夠長時(shí)間在水下工作等優(yōu)點(diǎn)，成為海底油氣管線檢測、海洋工程裝備的布放、裝配、觀測等領(lǐng)域不可或缺的重要工具[2-4]。

一般懸浮式ROV承載能力有限，由于受中繼器和推進(jìn)器工作條件的限制，不適宜在淺海水域工作。我國渤海海域平均水深約20 m，油氣平臺數(shù)目占國內(nèi)90 %以上，水下生產(chǎn)系統(tǒng)及設(shè)施數(shù)量眾多。目前，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安裝運(yùn)維作業(yè)無法使用傳統(tǒng)ROV，仍以潛水員作業(yè)為主，存在工作效率低、安全性差、費(fèi)用高等問題。輪式ROV既可懸浮也可坐底，操作方便、穩(wěn)定性好，且不受水深限制，特別適用于渤海淺水區(qū)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的巡檢和運(yùn)維作業(yè)。

輪式ROV采用四輪驅(qū)動，在渤海粉砂淤泥質(zhì)海床上運(yùn)移時(shí)將產(chǎn)生較大的滾動阻力，因此對ROV在軟地基上的通過能力提出了更高要求。本文在對淺海作業(yè)型輪式ROV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和通過性分析的基礎(chǔ)上，提出了一種具有高淺海軟地基通過能力的輪式ROV系統(tǒng)，為淺海海域水下設(shè)施的高效巡檢和運(yùn)維提供了新型運(yùn)載平臺。

1 輪式ROV本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ROV本體通常采用開架式結(jié)構(gòu)，以減少自身質(zhì)量，方便設(shè)備的安裝維護(hù)。根據(jù)作業(yè)要求，輪式ROV主體結(jié)構(gòu)可分為浮力模塊、載體框架、密封艙、推進(jìn)系統(tǒng)、作業(yè)工具以及輔助配件等6部分[5-8]。輪式ROV結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 輪式ROV結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 浮力單元結(jié)構(gòu)

ROV頂部設(shè)計(jì)有浮力單元，為系統(tǒng)提供微小正浮力，并通過形成的頂部浮心和下部重心形成穩(wěn)定力矩，以保證緊急情況拋載后可以自行上浮和常態(tài)下的姿態(tài)穩(wěn)定。

浮力單元材料特殊，抗拉強(qiáng)度小，所以采用了簡單的結(jié)構(gòu)形式以降低加工難度和成本。浮力單元通過螺栓、螺柱和鈑金構(gòu)件與框架聯(lián)接，并將吊耳設(shè)計(jì)在框架上。如圖1所示。

1.2 載體框架結(jié)構(gòu)

開架式載體框架結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、阻力小、驅(qū)動功耗低等優(yōu)點(diǎn)，且便于設(shè)備的安裝、布置和維護(hù)，通過采用模塊化專用作業(yè)單元可以方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展，故該輪式ROV采用開架式主體框架結(jié)構(gòu)。框架材料的性能決定了ROV本體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和可靠性，在保證強(qiáng)度和剛度要求的前提下，選用了強(qiáng)度高、韌性好、可焊性能優(yōu)異的980鋼。

輪式ROV本體結(jié)構(gòu)及輔助設(shè)備模型如圖2所示。

1—照明模塊；2—浮力單元；3—載體框架；4—推進(jìn)系統(tǒng)；5—動力系統(tǒng)控制單元；6—作業(yè)機(jī)械臂。

2 懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 懸架形式

淺海區(qū)域海床地貌復(fù)雜，現(xiàn)有的輪式車輛懸架容易引發(fā)頂起、觸頭等失效，越障性能較差。為了提高淺海輪式ROV復(fù)雜地形下的通過能力，采用了一種具有良好地形適應(yīng)能力的搖臂式懸架結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 輪式ROV懸架結(jié)構(gòu)形式

2.2 懸架系統(tǒng)力學(xué)性能計(jì)算

為確保懸架結(jié)構(gòu)的力學(xué)強(qiáng)度，需要對懸架的受力進(jìn)行分析計(jì)算。由于懸架系統(tǒng)在作業(yè)過程中桿件之間會發(fā)生較大的位移，且懸架結(jié)構(gòu)形式均為桿件，因此采用力學(xué)方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算較為便捷。輪式ROV在靜止或運(yùn)動狀態(tài)下的單側(cè)懸架力學(xué)模型如圖4所示。

圖4 懸架系統(tǒng)力學(xué)模型

建立的懸架系統(tǒng)力學(xué)平衡方程組為

∑Fx=0Ffx+Fmx+Frx=0

(1)

(2)

∑M0=0Ffy×[(L1+L2)×cosα1+L3×
cos(180°-α1-α2)+L7×cosα1+L8)]+Fmy×
[(L6+L7)×cosα1+L8-L14×cos(180°-α1-α2)]-
Fry×(L11×cosα3+L12)-Ffx×
[(L1×sinα1-L5×sin(180°-α1-α2)+
(L6+L7)×sinα1+L13)]-Fmx×
[(L14×sin(180°-α1-α2)+(L6+L7)×sinα1
+L13)]-Frx×(L11×sinα3+L13)=0

(3)

式中：∑Fx、∑Fy為懸架系統(tǒng)在x、y方向上受到的合力；∑M0為懸架系統(tǒng)在質(zhì)心O點(diǎn)處的合力矩；Ffy、Fmy、Fry分別為前、中、后輪受到地面支持力；G為系統(tǒng)重力，單側(cè)懸架受到重力為G/2。

計(jì)算得到的懸架桿件受力彎矩圖如圖5所示。最大彎矩處節(jié)點(diǎn)受力Fd<0.26G，在動載系數(shù)K=2的情況下，滿足強(qiáng)度要求。

2.3 懸架系統(tǒng)越障能力分析

為分析輪式ROV行駛機(jī)構(gòu)的越障能力，建立了懸架與障礙物之間的簡化數(shù)學(xué)模型，越障時(shí)懸架幾何參數(shù)定義如圖6所示。

圖5 懸架系統(tǒng)彎矩圖

圖6 越障過程懸架幾何參數(shù)示意

根據(jù)運(yùn)動過程中桿件之間的幾何關(guān)系，可得到位移方程為

(4)

(5)

桿12與桿10間的角位移γ12_10為

(6)

仿真過程中輪式ROV的越障高度與各輪與地面夾角關(guān)系方程為

(7)

式中：αf為前輪搖臂與水平面的角位移；αm為中輪搖臂與水平面的角位移；αr為后輪搖臂與水平面的角位移。

將式(4)～(7)整理得到搖臂懸架的非齊次線性方程組，根據(jù)邊界條件并給定前后輪距運(yùn)動過程中的范圍Z(850～1 350 mm)，取滾動半徑R=200 mm，計(jì)算得到前、中、后輪角位移與越障高度間的位移曲線，如圖7所示。

由于輪式車輛可以越障的極限高度由前、中、后輪的越障能力決定，即：hmax=min{h1max,h2max,h3max}。

由圖7可知，本文設(shè)計(jì)的輪式ROV的最大越障高度為427 mm。

圖7 越障高度與輪地夾角關(guān)系曲線

3 輪式ROV通過性仿真分析

為了提高輪式ROV復(fù)雜地形下的通過能力，利用多體動力學(xué)軟件ADAMS建立了輪式ROV的動力學(xué)模型，并將懸架以上載荷用等效質(zhì)量加以替代，以提高分析效率，對2種典型工況下的越障性能進(jìn)行了仿真分析。

3.1 抗傾覆能力

灘淺海床地形復(fù)雜，輪式ROV軸載分配不均容易發(fā)生傾覆。在單邊抗傾覆性能動力學(xué)仿真中，水下障礙物幾何參數(shù)設(shè)為：下坡坡度50°，上坡坡度35°。抗傾覆性動力學(xué)仿真結(jié)果和參數(shù)曲線如圖8所示。

圖8 凹坑通過性仿真重心側(cè)傾角曲線

從圖8仿真分析結(jié)果可以看出，輪式ROV在通過較大坡度的凹坑時(shí)載體框架的最大側(cè)傾角小于0.5°，側(cè)翻事故發(fā)生概率小。

3.2 地形適應(yīng)性

輪式ROV的上部載體框架和下部懸架行駛機(jī)構(gòu)通過差速機(jī)構(gòu)連接，懸架結(jié)構(gòu)和差速機(jī)構(gòu)可使輪式ROV在不平路況行駛時(shí)，不斷調(diào)整垂向載荷在各輪的分配，保證各驅(qū)動輪均有良好的接地性能，以提供最大的地面附著力，同時(shí)避免了單輪過載而發(fā)生的打滑失效。仿真過程及結(jié)果如圖9所示。

圖9中分別是越障、爬坡過程中輪式ROV前、中、后輪地面附著力的變化曲線。從圖9可以看出，在垂直越障過程中，前、中、后輪地面附著力未發(fā)生急劇變化；爬坡時(shí)由于載荷后移，各輪垂直載荷增幅較大。各輪附著力均值保持在85 N以上，未出現(xiàn)懸空打滑驅(qū)動力不足的工況。

圖9 越障過程前、中、后輪地面附著力曲線

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了一種搖臂懸架式輪式ROV，對ROV本體和懸架結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行了分析和計(jì)算，并對通過性能進(jìn)行了運(yùn)動和動力學(xué)仿真。

2) 數(shù)學(xué)模型計(jì)算和動力學(xué)仿真的結(jié)果表明，新型輪式ROV在淺海復(fù)雜地形工況下具有較好的抗傾覆能力和抓地性能，搖臂式懸架結(jié)構(gòu)能夠有效提高地形適應(yīng)能力。

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