井控應急高壓磨料射流雙臂切割執行機構研制

邢志彪，黃志松，李森，王順波，陳超(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

0 引言

目前國內針對海上平臺井控應急設備及其研究還很少，而在三級井控應急救援中，要求以不動火、遠距離、快速完成井口(損壞的防噴器、鉆桿、法蘭等)切割及修整，確保井控設備的安裝及人員的安全為原則 。本文將設計制造適用于海上平臺遠距離切割雙臂執行機構，帶動遠端的高壓磨料射流切割設備(機械手)進行遠距離輸送、變位，以達到切割工作中所需要的各種動作，以解決井控應急中的人員無法靠近危險區域的實際困難。

1 方案設計

雙臂切割執行機構由連接系統、夾緊系統、旋轉系統和噴射切割系統組成如圖1所示。

圖1 雙臂切割執行機構

連接系統通過采用螺栓螺母固定方式保證了機構整體與機械臂連接，同時，前后安裝板上設計臺階式結構，保證上下安裝板不會產生較大變形影響射流軌道的移動。夾緊系統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為射流反力引起機構整體振動。為保證液壓缸活塞桿帶動射流軌道伸縮時不發生偏移現象，在上安裝板上面銑鍵槽并在軌道槽內添加導向鍵。旋轉系統是切割執行機構的關鍵，主要由往復絲杠和滑塊組成，依靠液壓馬達和減速器傳動系統提供的動力，通過往復絲杠實現馬達的轉動轉換為移動塊的水平移動。通過安裝不同減速器，可實現爬行速度可調。噴射切割機構是切割執行機構的主體，利用噴射原理實現對材料的切割。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，由噴嘴安裝板平衡管線重量。 整體采用鈦合金材質，質量輕，攜帶方便。高效噴頭能夠快速、有效實現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 工作原理及技術參數

2.1 工作原理

由于噴射切割機構在切割過程中需保持整體的穩定性，因此被切割物體需要被夾緊。利用液壓缸可以快速實現夾緊。液壓缸采用雙活塞雙活塞桿的油缸，結構簡單、工作可靠。用它來實現往復運動時，可免去減速裝置，并且沒有傳動間隙，運動平穩，因此在各種機械的液壓系統中得到廣泛應用。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生偏移現象，在上安裝板上面銑鍵槽并在軌道槽內添加導向鍵[1]。為適應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節夾持尺寸，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。首先根據要切割管體直徑調整軌道防磨塊尺寸并用螺栓擰緊。利用吊機和吊帶將機構吊起完成和機械臂螺栓連接。液壓馬達、液壓缸管線與機械臂之間采用快插接頭，機構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，液壓缸和液壓馬達進行試操作驗證各部件運轉靈活性。試操作結束后將液壓缸伸出至最大夾持距離，兩側移動塊處于軌道最前端。待被切割管體進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，此時液壓缸達到額定工作拉力2 t。一側液壓馬達供液，移動塊開始移動。高壓管線供液切割頭開始切割作業，單趟切割完成后，液壓馬達和高壓管線停止供液。同時，另一側液壓馬達和高壓管線供液，切割頭進行另一側切割作業。切割作業完成后，液壓缸桿伸出至極限位置，此時機構可脫離開被切割物 。

2.2 技術參數

技術參數如表1所示。

表1 雙臂切割執行機構技術參數

3 力學分析

3.1 夾緊力分析

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

圖2 軌道受力簡圖

如圖3左側構件重量30 kg，液壓管線附加15 kg，G 為450 N。右側重力為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

根據力平衡和力矩平衡，得到：

當液壓缸收縮加緊切割件時，F1和F2將產生摩擦。上下安裝板及射流軌道均采用TC4，摩擦系數取0.3，F1=1 080 N，F2=1 515 N。當產生加緊力時，導向塊克服夾緊力產生的反扭矩。同時，導向塊增加了摩擦力。因此，隨著拉力的增大，夾緊力增大； 隨著距離的增加，夾緊力減小；夾緊力的大小與摩擦系數有關。噴射反力P是高壓流體作用在物體上產生的，大小與壓力和噴嘴直徑有關。取排量30 L/min,噴嘴直徑1 mm，噴射壓力250 MPa,則噴射反力。

當液壓缸拉力達到最大1 t時，夾緊力為1 414.35 N，遠大于噴射反力，因此，噴射反力基本不會對加緊產生影響。

3.2 噴射系統

噴射切割機構是切割執行機構的主體，利用噴射原理實現對材料的切割。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，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，由噴嘴安裝板平衡管線重量。以噴槍、夾持機構、移動塊以及液壓管線為整體進行受力分析如圖5。

圖4 噴射系統

圖5 噴射系統受力分析圖

根據力平衡和力矩平衡，得到：

根據計算結果分析如果選用丹佛斯馬達OMM20，輸出扭矩25 N·m，因此，馬達能夠滿足工作要求。

4 結語

(1)新設計的雙臂切割執行機構可以在遠距離實現遠程切割，以解決井控應急中的人員無法靠近危險區域的實際困難；(2)通過理論計算噴射反力基本不會對產生影響，保障了整機的穩定性；(3)切割機械臂作業時，需在作業井口附近30 m左右范圍內停靠一作業支持平臺(可為平臺或支持船)，且該平臺具備較好的升沉補償能力，以保障切割精度[2]。