適用于遠距離切割單臂執行機構研制

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 前言

在海洋石油開發過程中，各作業公司均把海洋石油開發應急管理作為首要任務，在應急情況下，由于受空間和環境等影響因素，人員無法進行近距離作業，為解決這一現狀，本文以機械臂為載體，設計研發出一套適用于遠距離切割單臂執行機構，以解決應急情況下實現遠距離切割。解決現有環境下人員無法靠近危險區域，實現井控應急快速反應[1]。

1 方案設計

臂切割執行機構包括單臂橫向切割執行機構和單臂縱向切割執行機構。如圖1 所示。

單臂橫向切割執行機構由法蘭盤、連接筒、旋轉系統、噴射切割系統和清障鉤如圖2 組成。

法蘭盤通過螺栓螺母固定方式保證了機構整體與機械臂連接穩固。

連接筒一端有安裝孔與法蘭盤通過螺栓螺母連接。連接筒另一端，射流軌道深入其內部，并利用螺釘進行定位，保證射流軌道在工作時不會產生晃動。

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。

單臂縱向切割執行機構由法蘭盤、支撐架、旋轉系統和噴射切割系統組成。各部分功能與單臂橫向切割執行機構相同。支撐架支撐整體結構，其上有定位孔，保證與射流軌道的穩定連接。支撐架上有安裝孔，與法蘭盤通過螺栓螺母實現與機械臂連接。

圖1 單臂橫向切割執行機構

圖2 清障鉤總體方案

清障鉤由大鉤、鎖塊和法蘭盤組成。大鉤是清障鉤的主要部件，在作業現場可快速將可鉤取的障礙物移除以便進行其它作業。鎖塊是鎖緊大鉤的重要組件，它可以防止清障鉤與機械臂之間脫扣。法蘭盤通過螺栓螺母固定方式保證了機構整體與機械臂連接穩固。首先利用吊機和吊帶將機構吊起完成和機械臂螺栓連接。利用機械臂攝像頭調整機構與被鉤障礙物位置，確保障礙物能被正確鉤取到。伸縮機械臂，拉動清除障礙物。機械臂最大拉力不超過1.5 t。若超過1.5 t，障礙物未拉動，則放棄，采取其他清除措施。

2 工作原理及技術參數

2.1 工作原理

利用吊機和吊帶將機構吊起完成和機械臂螺栓連接。液壓馬達與機械臂之間采用快插接頭，整體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。液壓馬達進行試運轉驗證絲杠、滑塊運轉靈活性。利用機械臂調整機構與被切割物體之間的位置。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，切割完成后，液壓馬達和高壓管線停止供液。切割作業完成后，機械臂將切割執行機構收回。完成切割作業后，拆卸雙切割機構，進行維護和保養[2]。

2.2 技術參數

2.2.1 單臂橫向切割執行機構技術參數如表1 所示。

表1 單臂橫向切割執行機構參數

2.2.2 切割速度參數

往復絲杠的導程是30 mm，通過更換減速器和調節工作站排量，可實現切割速度25～500mm/s 可調，切割技術參數如表2 所示。

表2 減速比1:40時切割速度

3 力學分析

3.1 連接筒受力分析

連接筒材料采用35CrMo，約束螺栓連接處自由度，受765 N 射流軌道重力作用。由圖3 可知連接筒最大變形值為0.064 mm，最大應力值為35.4 MPa，發生在變徑處，遠小于屈服強度650 MPa。

圖3 連接筒變形圖

3.2 螺紋強度校核

采用M36 螺栓連接如圖3，材料為316L，螺栓主要受剪切作用，因此對螺栓進行剪切應力校核?？紤]極限受力情況下 ，橫向切割機構豎直放置，此時六個螺栓受機構重力765 N。

圖4 螺栓位置

3.3 法蘭盤受力分析

約束法蘭盤連接處自由度，除法蘭盤外其他部件重力為1 500 N。材料為35 CrMo，最大變形值為0.005 mm如圖5所示，最大應力值為14 MPa，遠小于屈服強度650 MPa。

圖5 約束法蘭盤應力圖

3.4 清障鉤受力分析

大鉤在勾取障礙物時，其前部彎曲部分受力比較集中，此外，大鉤還受到自身重力的作用。假定大鉤與障礙物之間為線接觸，受到障礙物拉力1 t。對鎖孔螺紋孔進行位移約束，并利用Solidworks 建立有限元模型，通過施加載荷和約束后進行變形和應力分析。

約束螺栓處自由度，受重力以及10 000 N 拉力作用。清障鉤材料為TC4，最大變形值為0.388 3mm，最大應力值為21.24 MPa，遠小于屈服強度827.4 MPa。

4 結語

(1) 新研制的單臂切割執行機構，在夾持切割設備的情況下可以實現遠距離切割。

(2) 通過理論計算和力學分析整機安全穩定。