海底犁式挖溝機(jī)抱管組件設(shè)計(jì)與仿真分析

海底犁式挖溝機(jī)抱管組件設(shè)計(jì)與仿真分析

作為一種高效、經(jīng)濟(jì)的方法，挖溝埋地管道廣泛應(yīng)用于海上輸油管道的鋪設(shè)中。隨著海洋油氣的開發(fā)，其探測(cè)和埋深過程逐漸進(jìn)入海洋，并逐漸發(fā)展為三種類型：鏈?zhǔn)健C(jī)械式和旋轉(zhuǎn)式。其中，式收溝機(jī)是深水最常用的收溝插槽機(jī)。國(guó)外的smd、ctc等公司具有相應(yīng)的技術(shù)，中國(guó)處于探索階段。圖1顯示了本文設(shè)計(jì)的開放式收溝機(jī)。海底犁式挖溝機(jī)的工作原理為:規(guī)劃鋪管路線,工程船將海管下放入海底,在ROV輔助下,犁式挖溝機(jī)吊放入海,當(dāng)其位于管道正上方且和管道的延伸方向共線后開始抓管,首先提升機(jī)械手下降,同時(shí)調(diào)整擺動(dòng)裝置使提升機(jī)械手與待抱管道軸線重合,提升機(jī)械手爪閉合,完成管道抓取動(dòng)作,接著提升機(jī)械手將管道完全提升進(jìn)入導(dǎo)向裝置的框架內(nèi),抱管組件閉合并完成鎖緊.1抱管組件設(shè)計(jì)在挖溝機(jī)作業(yè)時(shí),抱管組件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的抓取、提升,并在犁鏟挖溝時(shí)抱住管道,為挖溝機(jī)沿管線前進(jìn)提供導(dǎo)向作用.抱管組件分為前后兩組,由提升機(jī)械手和導(dǎo)向裝置兩個(gè)部分組成,其中艉部的抱管組件通過一個(gè)連接架與犁體組件連接,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中提升機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)抓取管道、提升管道的功能,導(dǎo)向裝置能實(shí)現(xiàn)抱管和導(dǎo)向的功能.1.1提升液壓缸驅(qū)動(dòng)手加快動(dòng)作控制提升機(jī)械手的主要工作是抓取并提升管道至預(yù)定高度,使導(dǎo)向裝置完成抱管,如圖3所示.抓取動(dòng)作由開合液壓缸驅(qū)動(dòng)抓取手爪實(shí)現(xiàn),提升動(dòng)作由提升液壓缸驅(qū)動(dòng)手爪在上、下滑道之間移動(dòng)來實(shí)現(xiàn).提升液壓缸內(nèi)置位移傳感器,可檢測(cè)管道提升高度.抓取手爪上裝有接近開關(guān),實(shí)現(xiàn)對(duì)手爪閉合的控制.1.2導(dǎo)向裝置傳感器及斜截面導(dǎo)向裝置總體結(jié)構(gòu)如圖4所示.在水下作業(yè)中,導(dǎo)向裝置通過傳感器來判斷管道受力狀態(tài),并以此來調(diào)整導(dǎo)向擺角,最大限度地保護(hù)管道.其中底托內(nèi)包含鎖緊機(jī)構(gòu)及其鎖緊液壓缸、減振墊片等.2力學(xué)分析2.1fb、fc提升機(jī)械手提升力求解根據(jù)挖溝作業(yè)過程,抱管組件完成抱管,開始作業(yè)時(shí)管道相對(duì)海床的提升高度H達(dá)到最大值,管道屈曲簡(jiǎn)圖如圖5所示.圖5中A點(diǎn)和D點(diǎn)為管道的觸地點(diǎn),B點(diǎn)和C點(diǎn)為前、后提升機(jī)械手位置,管道提升高度H=3m,跨距L2即B,C兩點(diǎn)之間的距離,根據(jù)本體結(jié)構(gòu)參數(shù),L2=17m,懸跨段AB,CD長(zhǎng)度均為L(zhǎng)1.A,B,C,D四點(diǎn)上分別作用集中載荷FA,FB,FC,FD,這4個(gè)集中載荷和L1為未知量,求解如下:將載荷FB,FC,q(管道自重)共同引起的位移視為FB,FC,q單獨(dú)作用下的位移相疊加,即θA=(θA)FB+(θA)FC+(θA)q,fB=(fB)FB+(fB)FC+(fB)q.}(1)θA=(θA)FB+(θA)FC+(θA)q,fB=(fB)FB+(fB)FC+(fB)q.}(1)由梁的位移得(fB)FB=-FBL1(L-L1)6EΙL[L2-L21-(L-L1)2](fB)FB=?FBL1(L?L1)6EIL[L2?L21?(L?L1)2],(2)(fB)FC=-FCL216EΙL(L2-2L21)(fB)FC=?FCL216EIL(L2?2L21),(3)(fB)q=-qL124EΙ(L2-2LL21+L21),(4)(θA)FC=-FCL1(L-L1)(L+L1)6EΙL,(5)(θA)FB=-FBL1(L-L1)(2L-L1)6EΙL,(6)(θA)q=-qL324EΙ.(7)AB段的邊界條件為:θA=0,fB=3.(8)根據(jù)對(duì)稱性,有FB=FC,代入邊界條件,聯(lián)立以上公式得FB=FC=127876N.綜上,管道受到的提升機(jī)械手提升力的最大值為127876N,考慮安全系數(shù),提升機(jī)械手對(duì)管道最大提升力設(shè)定為325000N.2.2邊界條件描述圖6中,A,D兩點(diǎn)為管道的觸地點(diǎn),B,C兩點(diǎn)為前、后導(dǎo)向裝置與管道的接觸點(diǎn),前、后導(dǎo)向裝置間的距離即BC段的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2,AB與CD段均為管道懸空段,其長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1和L3.A點(diǎn)距前導(dǎo)向裝置的垂直高度為H1,D點(diǎn)距離A點(diǎn)的垂直高度即挖溝深度為H2(管道提升高度H=H1+H2).A,B,C,D四點(diǎn)對(duì)管道的作用力分別為FA,FB,FC,FD.根據(jù)本體結(jié)構(gòu)參數(shù),L2=18.6m,H1=1.0m,H2=2.0m,L1,L3,FA,FB,FC,FD均未知.求解如下:AB段,彎矩方程為Μ(t)=FAt-12qt2.(9)AB段彎曲的微分方程為2EIy″=2FAt-qt2(0≤t≤L1).(10)逐次積分,得6EΙy′=3FAt2-qt3+C1(0≤t≤L1),24EΙy=4FAt3+qt4+C1t+C2(0≤t≤L1).}(11)AB段,邊界條件為:y′|t=0=0,y|t=0=0,y|t=L1=H1.(12)簡(jiǎn)化計(jì)算得C1=C2=0,(13)FAL31=125EΙ+14qL41.(14)BC段屈曲微分方程為EΙy″=FAt+FB(t-L1)12qt2(L1≤t≤L1+L2).(15)逐次積分得EΙy′=12[FAt2+FB(t-L1)2]-16qt3+C3(L1≤t≤L1+L2),(16)EΙy=16[FAt3+FB(t-L1)3]-124qt4+C3t+C4(L1≤t≤L1+L2).(17)在B點(diǎn)由連續(xù)條件得C3=0.(18)BC段的邊界條件為y|t=L1=y|t=L1+L2=H1.(19)簡(jiǎn)化計(jì)算得:EΙ=512FAL31-548qL41+52C4,(20)EΙ=512FA(L1+L2)3+512FBL32-548q(L1+L2)4+52C4.(21)CD段屈曲微分方程為EΙy″=FAt+FB(t-L1)+FC(t-L1-L2)-12qt2(L1+L2≤t≤L1+L2+L3),(22)對(duì)上式逐次積分,得EΙy′=12FAt2+12FB(t-L1)2+12FC(t-L1-L2)2-16qt3+C5(L1+L2≤t≤L1+L2+L3),EΙy=16FAt3+16FB(t-L1)3+16FC(t-L1-L2)3-124qt4+C5t+C6(L1+L2≤t≤L1+L2+L3).}(23)在C點(diǎn)處轉(zhuǎn)角連續(xù),計(jì)算得:C5=0.CD段的邊界條件為:y|t=L1+L2=1.0,y|t=L1+L2+L3=0,y′|t=L1+L2+L3=0.(24)求解得:C4=C6=0,(25)3FA(L1+L2+L3)2+3FB(L2+L3)2+3FCL23-q(L1+L2+L3)3=0,(26)4FA(L1+L2+L3)3+4FB(L2+L3)3+4FCL33-q(L1+L2+L3)4+C6=0.(27)整理得:FA=36327N,FB=150220N.通過以上計(jì)算可知,在挖溝作業(yè)中,前、后導(dǎo)向裝置對(duì)管道的支持力最大值分別為36327N和150220N,考慮到海洋作業(yè)的安全性,則設(shè)定導(dǎo)向裝置對(duì)管道支持力為375550N.2.3輥?zhàn)邮芰Ψ治鯲形輥組部件由底托、6個(gè)呈V形布置的輥?zhàn)雍烷_合液壓缸構(gòu)成,底托在開合液壓缸的驅(qū)動(dòng)下能繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而完成導(dǎo)向裝置的閉合.底托閉合后,管道直接與6個(gè)輥?zhàn)咏佑|.將對(duì)稱分布的6個(gè)輥?zhàn)臃謩e看作2組整體,管道施加在輥?zhàn)由系膲毫Ψ纸鉃镕1和F2,如圖7所示.其中:θ=140°,F=375550N,F1×sin(0.5θ)=F2×sin(0.5θ)=0.5F,計(jì)算得F1=F2=199840N.每個(gè)輥?zhàn)邮芄艿缐毫=66613N.在導(dǎo)向裝置閉合過程中,底托僅受到開合液壓缸的推力F1作用,用以克服底托自重G,受力簡(jiǎn)圖如圖8(a)所示.在埋管作業(yè)中,底托受力有管道的壓力F、銷軸的支撐力F2、鎖緊裝置鎖緊力F3和自身的重力G,受力簡(jiǎn)圖如圖8(b)所示.根據(jù)力矩平衡關(guān)系計(jì)算得:F1=44120N,F2=F3=195550N.V形輥?zhàn)觾?nèi)部空心,兩端安裝有滑動(dòng)軸承座.輥?zhàn)硬牧蠟镼345低合金鋼,屈服強(qiáng)度σs=345MPa,抗拉強(qiáng)度σb=675MPa,彈性模量E=2.09×107MPa,泊松比μ=0.27,V型輥組中6個(gè)輥?zhàn)拥氖芰顩r相同.輥?zhàn)邮艿降妮d荷與約束具體位置如圖9所示.網(wǎng)格生成后的模型如圖10所示.對(duì)輥?zhàn)拥挠邢拊Ｐ瓦M(jìn)行求解,運(yùn)算后結(jié)果見圖11和圖12.從圖中可看出,輥?zhàn)拥淖畲髴?yīng)力和最大變形出現(xiàn)在輥?zhàn)优c管道接觸點(diǎn)周圍,最大應(yīng)力SMX=40.2MPa,最大變形量DMX=0.025mm。根據(jù)分析結(jié)果可知輥?zhàn)釉趶?qiáng)度和剛度上可滿足使用要求.底托材料為S690高強(qiáng)度鋼,屈服強(qiáng)度σs=690MPa,抗拉強(qiáng)度σb=740MPa,彈性模量E=2.09×107MPa,泊松比μ=0.27.挖溝作業(yè)時(shí),底托依靠鎖緊機(jī)構(gòu)克服來自管道的壓力,鎖緊位置可視為約束.2個(gè)支撐V型輥?zhàn)拥匿N軸孔共同承受著管道及底托的重力.具體約束和載荷分布情況如圖13,網(wǎng)格生成結(jié)果見圖14.對(duì)底托的有限元模型進(jìn)行求解,得到應(yīng)力和位移云圖,見圖15和圖16.從圖中可知,最大應(yīng)力出現(xiàn)在框架銷軸孔下部的轉(zhuǎn)折處,最大應(yīng)力SMX=178.2MPa,在設(shè)計(jì)中應(yīng)適度選擇轉(zhuǎn)折處的圓角半徑.最大位移在支撐V型輥?zhàn)拥匿N軸孔處,最大位移DMX=0.05mm。由分析結(jié)果可知底托在強(qiáng)度和剛度上可滿足使用要求.3抱管組件分析基于MotionManager(即SolidWorks軟件中的運(yùn)動(dòng)管理器)對(duì)抱管組件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析,其分析結(jié)果可指導(dǎo)設(shè)計(jì)修改.仿真結(jié)果見圖17至圖20.從圖19中可以看出抓取手爪的閉合是緩慢且平穩(wěn)的.從圖20中可了解到,底托在最后停止時(shí)會(huì)對(duì)液壓缸產(chǎn)生較小的沖擊,由于角加速度極小,所以整體上的運(yùn)動(dòng)是平穩(wěn)的.4試驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)為了檢驗(yàn)海底犁式挖溝機(jī)的抱管性能是否符合設(shè)計(jì)指標(biāo),需要進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn).本文利用已經(jīng)制造完畢的犁式挖溝機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行挖溝、抱管等試驗(yàn),以確認(rèn)其實(shí)際工作能力.試驗(yàn)樣機(jī)的子系統(tǒng)包括:1)行走機(jī)構(gòu);2)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu);3)抱管組件;4)拖拽系統(tǒng).試驗(yàn)數(shù)據(jù)均由試驗(yàn)樣機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)采集.抱管和導(dǎo)向動(dòng)作是犁式挖溝機(jī)的必備作業(yè)程序,否則無法實(shí)施埋管作業(yè).圖21為挖溝機(jī)挖溝試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況,圖22為挖溝速度v=0.06m/s時(shí)前后V型輥?zhàn)邮芰ψ兓€.由圖22可知,輥?zhàn)邮芰υ诶碚撚?jì)算值范圍內(nèi),其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理