挖溝機(jī)試驗(yàn)大綱編制及異常反應(yīng)分析

挖溝機(jī)試驗(yàn)大綱編制及異常反應(yīng)分析

0海底犁式挖溝機(jī)正交試驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)底部牽引收溝機(jī)是一種水下開溝機(jī)，適用于各種海底環(huán)境，如深水海域、硬粘土或砂巖土。挖溝機(jī)由拖輪定位并提供動(dòng)力,在被吊放至海底指定管道區(qū)域后,通過前后布置的機(jī)械手將海底表面的管道抓起并提升至指定高度,再由托輥裝置抓住管道,此后機(jī)械手張開恢復(fù)到初始位置,同時(shí)挖溝機(jī)尾部?jī)蓚?cè)展開的犁鏵合攏;在雪橇式行走機(jī)構(gòu)支撐下,在拖輪拖拽力作用下,犁鏵挖掘管道下面的海底土壤,隨著拖輪的前進(jìn),管道被放置在挖掘好的溝槽內(nèi),再通過土壤回填的方式將管道掩埋,從而保護(hù)海底管道。海底犁式挖溝機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高,停機(jī)率低,應(yīng)用廣泛,在海底管道鋪設(shè)施工中有極其重要的作用。目前,我國(guó)正處于海上油氣開發(fā)從起步到上升階段,亟待開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的用于海底管道掩埋防護(hù)的犁式挖溝機(jī)。國(guó)外海底犁式挖溝技術(shù)已趨成熟,但國(guó)內(nèi)還未曾涉足該領(lǐng)域。鑒于此,依據(jù)上述犁式挖溝機(jī)工作原理,結(jié)合具體項(xiàng)目要求,設(shè)計(jì)了海底犁式挖溝機(jī)的試驗(yàn)樣機(jī)(以下簡(jiǎn)稱樣機(jī))。為了驗(yàn)證樣機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求,同時(shí)指導(dǎo)工程樣機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì),須要進(jìn)行樣機(jī)陸地硬質(zhì)粘土模擬試驗(yàn)。為了保證樣機(jī)試驗(yàn)的順利完成,本文對(duì)樣機(jī)陸地試驗(yàn)大綱進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。1試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)及進(jìn)度表根據(jù)樣機(jī)陸地試驗(yàn)條件,需要在剪切強(qiáng)度為20~100kPa的硬質(zhì)粘土上進(jìn)行模擬挖溝試驗(yàn),其主要試驗(yàn)任務(wù):抱管并挖溝,要求溝深為0.8m,埋管直徑200mm,據(jù)此驗(yàn)證理論分析及設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性,為工程樣機(jī)設(shè)計(jì)制造提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。圖1為樣機(jī)挖溝作業(yè)模擬示意圖,圖2為理論設(shè)計(jì)溝型截面參數(shù)示意圖。為了完成以上試驗(yàn)任務(wù),并以技術(shù)可靠和操作經(jīng)濟(jì)為原則,編制了海底犁式挖溝機(jī)樣機(jī)陸地試驗(yàn)大綱,大綱內(nèi)容包括試驗(yàn)準(zhǔn)備、室內(nèi)空載試驗(yàn)、室內(nèi)負(fù)載試驗(yàn)和野外挖溝試驗(yàn)4個(gè)試驗(yàn)階段,在一個(gè)試驗(yàn)階段完成后,再轉(zhuǎn)入下一個(gè)試驗(yàn)階段。圖3為4個(gè)試驗(yàn)階段計(jì)劃進(jìn)度表,“目標(biāo)”項(xiàng)內(nèi)容省略。試驗(yàn)準(zhǔn)備主要包括樣機(jī)、儀器、資料、場(chǎng)地、電力設(shè)備、運(yùn)輸及拖拽設(shè)備的準(zhǔn)備,為后面三個(gè)階段試驗(yàn)提供條件保障。室內(nèi)空載試驗(yàn)主要有兩個(gè)目的,其一檢查液壓控制系統(tǒng)的正確性、可靠性與時(shí)效性;其二檢驗(yàn)各功能結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)動(dòng)作能否正常實(shí)現(xiàn),及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并排除。室內(nèi)負(fù)載試驗(yàn)步驟和目的與第二階段試驗(yàn)基本相同,但所有測(cè)試均是在抱管負(fù)載下進(jìn)行,同時(shí)進(jìn)行控制、液壓和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)聯(lián)合模擬調(diào)試試驗(yàn),檢驗(yàn)各系統(tǒng)聯(lián)合工作協(xié)調(diào)性。挖溝試驗(yàn)是本次試驗(yàn)的末尾階段,同時(shí)也是主要的試驗(yàn)任務(wù),目的是檢驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)際作業(yè)性能。2樣機(jī)試驗(yàn)進(jìn)度計(jì)劃試驗(yàn)準(zhǔn)備階段涉及很多方面,它與項(xiàng)目進(jìn)度安排和資源調(diào)度能力等有密切關(guān)系。基于影響試驗(yàn)進(jìn)度的關(guān)鍵路徑分析,可將此階段劃分為以下幾個(gè)方面:技術(shù)資料收集、樣機(jī)及相關(guān)輔助儀器設(shè)備準(zhǔn)備、場(chǎng)地選擇、文件編制四個(gè)任務(wù)單元,它們是試驗(yàn)任務(wù)完成的前提條件。圖3為樣機(jī)試驗(yàn)進(jìn)度計(jì)劃。圖4為樣機(jī)試驗(yàn)任務(wù)單元框圖。2.1樣機(jī)、儀器和產(chǎn)樣機(jī)試驗(yàn),應(yīng)提供以下設(shè)備:(1)符合設(shè)計(jì)要求的試驗(yàn)樣機(jī)一臺(tái);(2)樣機(jī)相關(guān)專用工具、備件一套;(3)相關(guān)測(cè)量?jī)x器設(shè)備一套;(4)滿足電力要求的發(fā)電車一臺(tái);(5)符合要求的運(yùn)輸拖車及吊車各一臺(tái)。2.2土壤條件及參數(shù)試驗(yàn)前須選擇滿足試驗(yàn)條件的場(chǎng)地一塊。場(chǎng)地除滿足面積形狀要求外,還須進(jìn)行相關(guān)土工實(shí)驗(yàn),明了有關(guān)土壤參數(shù),以便驗(yàn)證樣機(jī)理論設(shè)計(jì)正確性。表1是樣機(jī)土工試驗(yàn)參數(shù)表。2.3試驗(yàn)準(zhǔn)備及過程文件編制是試驗(yàn)準(zhǔn)備任務(wù)的主要內(nèi)容之一。依據(jù)現(xiàn)實(shí)需要,文件系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成:(1)試驗(yàn)大綱引言部分。闡述樣機(jī)試驗(yàn)總要求及目的,其中包含一個(gè)大概的試驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)度安排。(2)試驗(yàn)條件說明部分。主要闡述試驗(yàn)實(shí)施的資源需求,預(yù)估試驗(yàn)成本,明確試驗(yàn)驗(yàn)收條件。(3)試驗(yàn)操作指南部分。詳細(xì)介紹試驗(yàn)程序及方法。(4)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及對(duì)策部分。主要是對(duì)樣機(jī)試驗(yàn)可預(yù)見故障的處理描述。(5)數(shù)據(jù)表格編制部分。主要用于各階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與分析。根據(jù)本樣機(jī)部分試驗(yàn)的實(shí)施經(jīng)驗(yàn),文件編制應(yīng)該注意以下幾點(diǎn):(1)試驗(yàn)大綱引言一定要盡早提交審查,以便合理估計(jì)試驗(yàn)任務(wù)工作量,合理安排人員配置及進(jìn)度。(2)試驗(yàn)階段任務(wù)必須有明確結(jié)果,經(jīng)審查合格后才能進(jìn)入下一階段試驗(yàn),以便排查隱藏的問題。(3)在動(dòng)力供給及控制模擬試驗(yàn)部分,一定要明確環(huán)境要求。(4)考慮成本預(yù)算,室內(nèi)能完成測(cè)試的參數(shù)絕不留到野外試驗(yàn)去完成。3plc軟件程序和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)室內(nèi)空載試驗(yàn)主要是檢查各功能子系統(tǒng)動(dòng)作的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性,包括控制、液壓和結(jié)構(gòu)三個(gè)方面?？刂葡到y(tǒng)完成后,進(jìn)行模擬調(diào)試試驗(yàn),以檢查監(jiān)控軟件程序是否正確、可靠;各操控界面、按鈕是否簡(jiǎn)便、有效、可靠;各PLC模塊、傳感器測(cè)量反饋是否準(zhǔn)確、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)等。液壓系統(tǒng)主要檢查是否漏油,壓力、流量是否正常,液壓缸動(dòng)作是否正確、流暢,振動(dòng)、噪音是否過大等。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要考察機(jī)構(gòu)動(dòng)作是否到位,是否有干涉或其他運(yùn)動(dòng)障礙等。根據(jù)試驗(yàn)樣機(jī)組成,整機(jī)分解為如下主要功能子系統(tǒng):行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、犁開合機(jī)構(gòu)、抓管機(jī)構(gòu)和抱管機(jī)構(gòu)。圖5為樣機(jī)整機(jī)三維模型圖。3.1結(jié)構(gòu)裝置設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)裝置。根據(jù)鏈行走機(jī)構(gòu)支撐本體部分重量;同時(shí),通過改變深度控制液壓缸行程,來改變樣機(jī)挖溝深度;通過改變俯仰角度液壓缸行程,來適應(yīng)地面形狀向前滑行。深度控制液壓缸配置位移傳感器,通過上位機(jī)監(jiān)控界面,可以管理控制樣機(jī)挖溝深度,并記錄挖溝深度隨時(shí)間變化曲線。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要作用是補(bǔ)償工作母船與管道之間的航向偏差,防止管道受橫向應(yīng)力破壞。轉(zhuǎn)向動(dòng)作由一對(duì)液壓缸驅(qū)動(dòng),這一對(duì)液壓缸是閉環(huán)聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)的:總是一個(gè)驅(qū)動(dòng),另一個(gè)同步隨動(dòng)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中一個(gè)液壓缸配置位移傳感器,結(jié)合抱管機(jī)構(gòu)側(cè)壓力傳感器,通過上位機(jī)監(jiān)控界面,可以管理控制樣機(jī)轉(zhuǎn)向角度,并記錄轉(zhuǎn)向角度隨時(shí)間變化曲線。犁開合機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)犁鏵的張開與閉合。犁鏵上安裝有位置傳感器,限制其張開及閉合角度,通過上位機(jī)監(jiān)控界面,可以監(jiān)控樣機(jī)犁鏵張開及閉合狀況。抓管機(jī)構(gòu)功能是在挖溝作業(yè)開始時(shí)從地面抓取管道并提升至指定高度;在作業(yè)收尾時(shí),再將管道抓放至地面。抓管動(dòng)作試驗(yàn)成功執(zhí)行是后續(xù)動(dòng)作試驗(yàn)啟動(dòng)的基礎(chǔ)。抱管機(jī)構(gòu)作用是在挖溝作業(yè)時(shí)托住管道,其上安置有上下左右四個(gè)壓力傳感器,同時(shí)配置壓力繼電器,通過上位機(jī)監(jiān)控界面,可以管理監(jiān)控管道受力狀態(tài),并記錄管道壓力隨時(shí)間變化曲線。3.2試驗(yàn)過程中的問題及解決方法室內(nèi)空載試驗(yàn)是檢驗(yàn)樣機(jī)液壓控制系統(tǒng)可靠性及各功能子系統(tǒng)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)與否的一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用方法。通過這種局部的單點(diǎn)試驗(yàn),可以很快地確認(rèn)軟件或硬件故障并排除。在已經(jīng)實(shí)施的室內(nèi)空載試驗(yàn)過程中,主要遇到以下問題:(1)控制線路出錯(cuò)頻繁。在以后設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮硬件線路的故障檢測(cè),同時(shí)提供模塊化更換可能性;應(yīng)編制標(biāo)準(zhǔn)的硬件接線和軟件調(diào)試審查程序;且應(yīng)盡可能保證在動(dòng)作試驗(yàn)時(shí)不發(fā)生軟件及硬件線路錯(cuò)誤。(2)由于動(dòng)作干涉造成傳感器引出線折斷。通電動(dòng)作之前,應(yīng)該盡可能手動(dòng)檢查各部件的運(yùn)動(dòng)干涉情況及傳感器布線合理性;最好制作試驗(yàn)前審查程序文件,逐條檢查。(3)液壓缸動(dòng)作描述應(yīng)標(biāo)識(shí)在對(duì)應(yīng)的電磁閥上,防止因試驗(yàn)時(shí)誤操作引發(fā)安全隱患。(4)各系統(tǒng)單項(xiàng)試驗(yàn)至少應(yīng)重復(fù)三次以上,以便暴露隱藏的問題。4負(fù)載試驗(yàn)的目室內(nèi)負(fù)載試驗(yàn)是在抱管機(jī)構(gòu)托住管道前提下,進(jìn)行空載試驗(yàn)階段的各功能子系統(tǒng)動(dòng)作試驗(yàn),同時(shí)還要進(jìn)行整機(jī)性能聯(lián)合模擬調(diào)試,它與野外現(xiàn)場(chǎng)挖溝試驗(yàn)不同之處在于無需開溝作業(yè)。本試驗(yàn)階段的主要任務(wù)是檢驗(yàn)系統(tǒng)間聯(lián)合工作協(xié)調(diào)性,液壓控制系統(tǒng)動(dòng)作的穩(wěn)定性、可靠性和及時(shí)性。室內(nèi)負(fù)載試驗(yàn)的主要目的之一是檢驗(yàn)抓管機(jī)構(gòu)的抓管性能;抓管機(jī)構(gòu)與抱管機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的合理性與協(xié)調(diào)性;抱管機(jī)構(gòu)動(dòng)作的穩(wěn)定性;斷電時(shí)抱管機(jī)構(gòu)液壓鎖定的可靠性。室內(nèi)負(fù)載試驗(yàn)的主要目的之二是檢驗(yàn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與抱管機(jī)構(gòu)配合的協(xié)調(diào)性,當(dāng)抱管機(jī)構(gòu)側(cè)向輥筒壓力超標(biāo)時(shí),檢驗(yàn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的動(dòng)作反應(yīng)速度及管道壓力狀態(tài);當(dāng)抱管機(jī)構(gòu)上下輥筒壓力超標(biāo)時(shí),檢驗(yàn)抱管機(jī)構(gòu)升降動(dòng)作反應(yīng)速度及管道壓力狀態(tài);以及通過反復(fù)試驗(yàn),修正、優(yōu)化樣機(jī)管道應(yīng)力監(jiān)控程序的算法。室內(nèi)負(fù)載試驗(yàn)的主要目的之三是檢驗(yàn)各功能子系統(tǒng)連續(xù)動(dòng)作的準(zhǔn)確性與協(xié)調(diào)性,同時(shí)綜合檢測(cè)機(jī)械與電氣、液壓接口的兼容性,電氣設(shè)備之間的電磁兼容性。室內(nèi)負(fù)載試驗(yàn)的主要目的之四是進(jìn)一步模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,并使用野外電源供電,重復(fù)測(cè)試以上動(dòng)作。以上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際條件,重復(fù)進(jìn)行多次,以提高試驗(yàn)結(jié)果的可信度。完成室內(nèi)負(fù)載試驗(yàn)后,意味著樣機(jī)基本滿足了野外現(xiàn)場(chǎng)挖溝試驗(yàn)的條件。5驗(yàn)證樣機(jī)設(shè)計(jì)挖溝試驗(yàn)是參照樣機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)以及項(xiàng)目合同要求來驗(yàn)證樣機(jī)的作業(yè)性能,修正設(shè)計(jì)理論,為工程樣機(jī)設(shè)計(jì)制作提供理論及實(shí)驗(yàn)支撐。樣機(jī)在滿足挖溝試驗(yàn)狀態(tài)條件后,由拖車運(yùn)輸至試驗(yàn)場(chǎng)地。5.1單系統(tǒng)動(dòng)作試驗(yàn)階段3個(gè)月內(nèi)野外環(huán)境惡劣,與室內(nèi)有很大不同。為保證試驗(yàn)安全,在挖溝作業(yè)前,需對(duì)樣機(jī)再做一次各功能子系統(tǒng)動(dòng)作測(cè)試。該過程參照試驗(yàn)階段2和試驗(yàn)階段3執(zhí)行。這是正式挖溝作業(yè)前最后的檢驗(yàn),一定要嚴(yán)格按照預(yù)訂程序執(zhí)行,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況,并分析原因,因?yàn)槟硞€(gè)異常動(dòng)作或故障可能掩蓋著其它的嚴(yán)重問題。以上單系統(tǒng)動(dòng)作試驗(yàn)完成后,可以進(jìn)行3臺(tái)拖拉機(jī)的布局及牽引設(shè)備的布置。樣機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布局如圖6所示。5.2樣機(jī)實(shí)際作業(yè)流程及施工流程試驗(yàn)設(shè)備布局完畢后,啟動(dòng)對(duì)講設(shè)備,劃定安全作業(yè)區(qū)域,開始挖溝試驗(yàn)。開始進(jìn)行不抱管挖溝試驗(yàn),以訓(xùn)練解決3臺(tái)拖拉機(jī)拖拽前進(jìn)同步性問題,同時(shí)觀察樣機(jī)整機(jī)反應(yīng),如有無劇烈振動(dòng)等異?，F(xiàn)象。完成以上試挖溝試驗(yàn)后,依據(jù)樣機(jī)實(shí)際作業(yè)流程,進(jìn)行挖溝試驗(yàn)。挖溝試驗(yàn)作業(yè)流程如圖7所示。具體實(shí)施方法與試驗(yàn)階段2和試驗(yàn)階段3相同。圖8為樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)照片,圖9為挖溝機(jī)從開始作業(yè)到挖溝任務(wù)結(jié)束的狀態(tài)變化示意圖。挖溝試驗(yàn)須進(jìn)行兩次,以便展開以下研究工作:(1)挖溝速度、深度對(duì)拖拽力的影響;(2)轉(zhuǎn)向?qū)ν献Я皽闲偷挠绊?(3)波浪形地面對(duì)挖溝作業(yè)的影響;(4)挖溝