中式張緊器分開機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

中式張緊器分開機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

窄帶是由電纜、電纜、椅子或化學(xué)藥管組成的多功能電纜，廣泛應(yīng)用于平水、深水和超深領(lǐng)域的海上油氣資源開發(fā)，能夠傳輸、輸電和液體注入。袋尾收縮器是一種懸掛裝置，可以控制袋尾收縮器的底部。與其他鋼帶夾緊器相比，應(yīng)確保袋尾在線分布的張力更加均勻，而且單元長度上的張張力較小。具有代表性的袋尾收縮器研究機(jī)構(gòu)包括意大利的remacut、美國的weech、美國的sagouda、荷蘭的sagouda、英國的aqua等。根據(jù)布局形狀和數(shù)量，可分為三種形式：上下或水平布局、三種類型的夾持和四種形式的中布置。當(dāng)張緊力相同時(shí)，在中國的配置中，四根導(dǎo)線的張力是均勻的，不會(huì)使四根導(dǎo)線變形。因此，大多數(shù)帶的電纜張緊器采用四根線，根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀，四條導(dǎo)線的張緊器可分為“+”型和“”型。為了將圍帶電纜引入圍帶電纜的前端閉合段（即圍帶電纜的長度大于圍帶電纜的直徑），應(yīng)確保圍帶電纜的開配機(jī)能夠打開。一般來說，“+”型是在上述開配機(jī)頂部打開的。對于形狀為“”的張力器，有兩種類型：頂部開口和側(cè)面開口。隨著海洋油氣的快速發(fā)展，隨著袋尾電纜張力器的深入研究，然而，目前尚缺乏對四個(gè)送夾之間的開口結(jié)構(gòu)的分析。在本研究中，分析了“+”型四臂張力器的打開體系，為張力器的開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。1帶著于帶和擔(dān)保的日裝帶纜設(shè)計(jì)臍帶纜張緊器總體結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,設(shè)計(jì)采用上、下、左、右四履帶總成“+”式布局,總長7065mm,總寬4754mm,總高4932mm.包括開合機(jī)構(gòu)、履帶機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、支架和底座、檢測系統(tǒng)等六部分.a.開合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上履帶的張開與閉合,確保臍帶纜的裝載與臍帶纜接頭UTA的導(dǎo)入導(dǎo)出;b.履帶機(jī)構(gòu)由上下左右四履帶總成組成,每個(gè)履帶總成由若干鏈軌節(jié)組成,鏈軌節(jié)之間用緊鎖銷軸和銷套連接.每個(gè)鏈軌節(jié)外側(cè)連接有V形履帶板,履帶板上安裝有橡膠緩沖墊塊,用于加大摩擦力和使載荷均勻,進(jìn)而加大與臍帶纜外壁的接觸面積,降低接觸比壓;c.夾緊機(jī)構(gòu)主要由液壓缸組成,通過液壓缸帶動(dòng)履帶總成向臍帶纜提供正壓力;d.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)馬達(dá)提供的驅(qū)動(dòng)力,通過行星齒輪減速器驅(qū)動(dòng)鏈輪,鏈輪驅(qū)動(dòng)履帶完成鋪纜作業(yè)時(shí)對臍帶纜的收放動(dòng)作;e.支架和底座支架支撐和固定機(jī)構(gòu)的作用;f.檢測系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速傳感器、張力傳感器、位移傳感器和壓力傳感器組成,實(shí)現(xiàn)鋪設(shè)速度、管線張力和液壓缸位移的測量.開合結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示,包括開合液壓缸(2個(gè))、上履帶總成、上框架、鎖定液壓缸(2個(gè))、鎖定框架.通過控制開合液壓缸的伸長,上履帶總成向左上方平移,實(shí)現(xiàn)張緊器的打開,保證臍帶纜UTA的導(dǎo)入;開合液壓缸收縮,上履帶總成復(fù)位,實(shí)現(xiàn)閉合功能;鎖定框架與上框架通過插銷鎖定,保證臍帶纜收放過程中恒定的夾緊力;鎖定液壓缸控制鎖定框架的開合.2打開系統(tǒng)模型的分析2.1數(shù)字搖臂初始位置設(shè)計(jì)開合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖2所示,開合液壓缸的初始長度為l1,伸長后的末位長度為l2,上履帶框架鉸接端到開合液壓缸支點(diǎn)的距離為d1,上履帶框架鉸接端到開合液壓缸鉸接處的距離為d2=946mm.履帶Ⅰ代表機(jī)構(gòu)的初始位置,履帶Ⅳ代表機(jī)構(gòu)的終止位置.已知搖臂初始位置角度φ1=64°,搖桿終止位置角度φ2=99°,取開合液壓缸活塞桿的伸出系數(shù)為λ=l2/l1=1.5.根據(jù)余弦定理,可得開合機(jī)構(gòu)初始狀態(tài)和末位狀態(tài)的長度函數(shù)關(guān)系如下聯(lián)立上述公式,考慮機(jī)構(gòu)的傳力效果,解得:根據(jù)以上數(shù)值設(shè)計(jì)張緊器的開合機(jī)構(gòu),上履帶總成向左和向上移動(dòng)的距離分別為h1和h2,上框架邊緣與上履帶總成邊緣的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2(1)與(2)所示.上框架邊緣、上履帶總成邊緣與開合液壓缸均未出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉問題.2.2搖臂力學(xué)性能已知上履帶總成的質(zhì)量m1為7.1T,上框架m2為4.5T,保證開合機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性須要對其力學(xué)特性進(jìn)行分析.上履帶開合機(jī)構(gòu)力學(xué)模型如圖3所示,以搖臂L鉸接一端作為坐標(biāo)原點(diǎn)o,建立坐標(biāo)系xoy,x軸指向水平方向向右,y軸指向鉛垂方向向上.已知搖臂L長度為lL,上履帶總成質(zhì)心在搖臂水平方向上的長為lm1,上框架質(zhì)心到o點(diǎn)的距離為lm2.設(shè)開合過程某一中間時(shí)刻,開合液壓缸長度為l,作用力為F,液壓缸作用力與搖臂法向的夾角為θ,搖臂L與x軸的夾角為φ.搖臂L的阻力矩建立搖臂力矩平衡方程可得式中:J1為上框架等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;J2為上履帶總成等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.聯(lián)立式(3)與式(4)可知:上履帶總成機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)為一個(gè)加速運(yùn)動(dòng),須要伺服比例控制閥來控制液壓缸的壓力調(diào)整上履帶總成的開合速度.在特定開合位置下φ和θ為已知,為保證上履帶總成運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),規(guī)定角加速度不超過5rad/s2,可得開合液壓缸對搖臂作用力的最大值為Fmax=60kN.設(shè)開合液壓缸的缸筒內(nèi)徑為D,其與作用力F有如下關(guān)系,式中:p為開合液壓缸的工作壓力,取10MPa;ηcm為機(jī)械效率,取0.95.解得:D≈99mm.液壓缸活塞桿的直徑d=0.7D,查表取缸筒內(nèi)徑為125mm(根據(jù)GB/T2348—1993),行程取800mm.設(shè)液壓缸的最大速度為v1=40mm/s,容積效率ηcv=0.98,則單缸流量為可得:q1=0.5L/s.3差壓缸回收系統(tǒng)臍帶纜鋪設(shè)作業(yè)中,由于臍帶纜首端總成(UTA)的尺寸為2.5m×1m×1m,放入時(shí)需要張緊器的開合機(jī)構(gòu)將上方的履帶總成打開.a.先將上履帶總成通過開合液壓缸回收履帶總成至初始位置,以免發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉;b.將限位固定裝置解除,控制開合液壓缸伸長,從而推動(dòng)左側(cè)的搖臂繞其下端絞點(diǎn)旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)上履帶總成移動(dòng),最后到達(dá)指定位置,右邊的鎖定液壓缸機(jī)構(gòu)同理向右打開;c.開合機(jī)構(gòu)完全打開后,通過A&R絞車或起重設(shè)備將臍帶纜裝入張緊器內(nèi),閉合過程與打開過程相反;d.將開合液壓缸與鎖定液壓缸收縮,上履帶總成閉合,進(jìn)入臍帶纜收放作業(yè)過程.4單元開口多元?jiǎng)恿W(xué)模擬分析4.1系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程張緊器開合機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)分析采用ADAMS軟件,軟件求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,機(jī)構(gòu)在Solidworks軟件中建模,將三維模型導(dǎo)入到ADAMS中,定義模型剛體及添加相應(yīng)的關(guān)節(jié)約束.其中:開合機(jī)構(gòu)的底座設(shè)置為固定副;上履帶框架鉸接處與前后兩個(gè)開合液壓缸鉸接處均添加轉(zhuǎn)動(dòng)副;開合液壓缸活塞桿與缸體之間添加移動(dòng)副;分別在兩個(gè)活塞桿上添加沿開合液壓缸軸線方向的載荷.4.2保壓缸工作壓力和作用力的變化a.上履帶總成沿x和y方向的位移如圖4所示.履帶機(jī)構(gòu)在開合液壓缸的驅(qū)動(dòng)下,質(zhì)心分別沿x和y方向移動(dòng)了720mm和550mm,整個(gè)開合過程在6s內(nèi)完成,運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn).b.開合液壓缸的作用力如圖5所示.作用力大小由伺服比例閥控制,經(jīng)0~3.5s基本穩(wěn)定在55kN左右;3.5s之后減小了開合液壓缸的工作壓力,作用力呈下降趨勢;5.5s時(shí)開合機(jī)構(gòu)接近極限位置,作用力迅速減小到10kN,保證機(jī)構(gòu)與限位裝置的碰撞力盡量小.c.通過控制開合液壓缸的作用力,上框架的角速度ω如圖6所示.上框架在0~3.5s角速度較小,之后在0.02rad/s左右波動(dòng),最大角速度出現(xiàn)在5.7s處,為0.36rad/s,最終在開合限位裝置處停止.d.上框架的角加速度aω如圖7所示.上框