水下坡口機液壓系統(tǒng)的設計

水下坡口機液壓系統(tǒng)的設計

0切割/坡口機目前，中國海底的油氣管道已被邀請進行維護，維護成本非常高。隨著時間的推移,管道破損率及需要維修的次數會不斷增加,因此急需實現海底油氣管道維修作業(yè)系統(tǒng)國產化。維修系統(tǒng)主要包括一套在海洋環(huán)境下能夠對海底油氣管道進行吊裝、切割、去表皮、開坡口、對口、清理等作業(yè)的機具。本文進行管道切割/坡口機(簡稱坡口機)的研究。坡口機是管道換接修復過程中不可缺少的專業(yè)設備,具有代表性的坡口機可分為兩類:①火焰切割/坡口,以美國H&M公司產品為代表;②冷切割/坡口,分為系列化產品和通用產品兩類,系列化產品以意大利古倍喜公司生產的內卡式、外卡式坡口機和管端坡口車床為代表,通用產品以日本板橋全自動柔性軸切管機和美國馬泰、瓦奇公司的爬管式切割/坡口機為代表。目前使用的切割/坡口機成型產品可靠性較高,適合于現場作業(yè),但在很大程度上是由人手工操作的,自動化程度并不高。我們在研究國外先進坡口機技術的基礎上,針對不同材料,從切削性能、切削精度、可靠性等因素出發(fā),開發(fā)了自動化爬管式坡口機。1傾斜裝置的總體方案1.1液壓馬達進給方式本坡口機采用全封閉液壓系統(tǒng),特別適合惡劣環(huán)境下(風沙、污泥、海水)工作,適合海上鉆井平臺作業(yè),海底鋪管、修管等各種工程。坡口機主要由本體、液壓動力源、微機控制系統(tǒng)等部分組成,其中坡口機本體包括主機頭、鏈條、導向裝置和切割/坡口刀片等部件。其外形圖見圖1。坡口機本體主要由以下幾個部分組成:(1)徑向進給機構徑向進給機構由主液壓馬達、減速器、徑向進給液壓馬達、進給螺桿、導向桿等組成。主液壓馬達通過減速器驅動切割/坡口刀旋轉,形成切削主運動;徑向進給液壓馬達通過驅動進給螺桿,使減速器和刀片沿導向桿下移,形成徑向進給運動。(2)周向爬管進給機構周向爬管進給機構裝配圖見圖2,它由周向爬管進給液壓馬達、過載保護器、減速器、鏈輪、鏈條、鏈條張緊裝置等組成,液壓馬達驅動鏈輪使主機沿被切割/開坡口管道做周向爬行,形成周向爬管進給運動。進給過程中,主液壓馬達驅動刀具保持旋轉,且主液壓馬達和爬行液壓馬達電氣互鎖,防止刀具不旋轉的時候鏈輪旋轉,損壞機器。(3)鏈條固定及導向機構坡口機由鏈條固定在被切割/開坡口管道上,為了適應不同的管徑,并保持鏈條始終緊貼管子處于張緊狀態(tài),利用前三個導向輪和后三個導向輪的不同組合及適當調節(jié)來實現(見圖3)。從圖3可以看出,坡口機在管道上的周向爬行運動和張緊由于采用了鏈式驅動結構,使它對管道的順應能力加強,能夠適應管道表面不平對切削的影響。如果被切管子對精度(如圓度和端面垂直度)要求非常嚴格時,則采用導軌系統(tǒng)置于導向輪之下即可保證。(4)刀片如圖4所示,刀片分為切割刀和坡口刀兩種,屬于專用刀具。切割刀和坡口刀有多種規(guī)格,不同的刀片直徑對應切割/開坡口的管道壁厚不同。(5)密封裝置水下密封裝置要解決的關鍵問題是怎樣使密封裝置可靠而結構小巧,或干脆不用密封裝置。所以特設計了不銹鋼螺絲、零件鍍鋅、特殊軸承、鉛封、普通密封等,防止鹽水作業(yè)下的腐蝕。1.2管道切割和開坡口潛水員進行水下安裝,將可調節(jié)的驅動鏈條連接起來并扣緊在管道上,然后調節(jié)張緊螺母使鏈條張緊,保證切削不打滑;開動坡口機對管道進行切割/開坡口;先進行徑向銑削,徑向銑透后再進行周向銑削;坡口機沿著管道爬行一周,便可完成管道的切割和開坡口任務。切割和開坡口能夠同時進行,只要更換或組合不同刀具即可。1.3現行的改造原理坡口機的液壓系統(tǒng)采用電液比例控制技術實現,其原理見圖5。液壓系統(tǒng)主要由以下基本回路組成:刀具回轉回路、比例閥控周向爬管進給回路、徑向進給回路、安全回路。(1)比例傳動控制回路該回路由齒輪泵1、齒輪分流器2、電磁溢流閥3、比例調速閥4、刀具回轉液壓馬達5組成,實現刀具回轉,且轉速可變。比例調速閥具有的穩(wěn)壓作用改善了馬達的動態(tài)特性。單向閥13用以增大回油背壓,防止倒轉。(2)換向閥6、周向排放進給該回路由齒輪泵1、齒輪分流器2、比例溢流閥6、三位四通電磁比例換向閥7、周向爬管進給液壓馬達8所組成。比例換向閥實現對周向爬管進給速度的調節(jié),必要時還可實現快進、快退等功能。比例溢流閥調節(jié)馬達進油壓力大小,可實現針對不同的材質采用不同的進給力。(3)給馬達8性能好該回路主要由液控單向閥12組成,當刀具突然停止轉動時,周向爬管進給馬達8很快卸壓,保證刀具和機體不損壞,起到安全保障作用。除液壓安全保障外,另外還有兩個安全保障——機械和電氣,即周向爬管進給馬達8前裝有過載離合器;當轉速傳感器信號為零時,比例換向閥停止工作。(4)刀具徑向速進給該回路由齒輪泵1、齒輪分流器2、溢流閥11、三位四通電磁換向閥9、徑向進給液壓馬達10、比例調速閥14組成。實現刀具徑向低速進給,當徑向銑透后換向閥失電,徑向進給自鎖,即可進行周向爬管進給。三個液壓馬達所用壓力和流量大小相差較大,實驗證明在并聯油路中流量分配會受到較大干擾,采用意大利ATOS公司的齒輪分流器保證系統(tǒng)穩(wěn)定。2金屬切削機理坡口機是采用銑削的加工方式來工作的,由銑刀繞固定軸旋轉與機體繞管爬行進給來完成金屬切除過程。銑刀是多齒刀具,銑削時刀齒散熱條件好,可同時有幾個刀齒參加切削,生產率較高。我們所用的切割刀和坡口刀屬于盤形銑刀中的鋸片銑刀和角度銑刀。2.1最大進給速度vf銑刀直徑d0=178mm;根據刀具實驗,選銑刀轉速n=60r/min;銑削最大進給速度vf=76mm/min;刀具齒數Z=42;銑削速度vc=πd0n1000=33.6m/minvc=πd0n1000=33.6m/min;每齒進給量fZ=0.03mm;背吃刀量ap=4.5mm;銑削寬度ae=12mm。2.2液壓馬達同時提供不同的液壓平臺,銑削時銑刀的每個刀齒都產生銑削力,其同時工作刀齒所產生的銑削力的合力即為銑刀的銑削力。每個刀齒和銑刀的銑削力一般為空間力,為研究的方便,可根據實際需要進行分解,并由液壓馬達分別提供。銑削力根據經驗公式進行計算,本文所設計的坡口機用于切削高強度鋼——美國API規(guī)范X62,因此需要根據刀具的切削實驗對切削力系數進行修正。修正后硬質合金雙角度銑刀和鋸片銑刀銑削高強度碳鋼的銑削力為Fc=4904a1.1pf0.8ZΖ0.8a0.9eZd?1.100-1.1n-0.1=1965N銑削轉矩Tc=(Fcd0/2)/1000=124N·m銑削功率Pc=Fcvc=0.786kW進給力Ff=(1.0～1.2)Fc=1965～2358N2.3油源考慮管路沿程損失和壓水阻力對切削的影響,選定壓力p=10MPa,流量Q=60L/min,功率為15kW。2.4出口轉速的確定選用液壓馬達BMF-D80提供切削轉速和轉矩。在液壓馬達工作的進出口壓差為3.3MPa、轉速為500r/min狀態(tài)下,經過專門設計的圓弧圓柱蝸桿減速器減速,減速比為i=5,最終蝸輪軸上輸出的轉速范圍為4～100r/min,最大轉矩為162N,可滿足切削需要。2.5鏈傳動靜強度周向爬行進給機構的功率由液壓馬達BM-D80提供,并經過兩級減速:第一級減速選用CWU圓弧圓柱蝸桿減速器,第二級減速由鏈傳動實現。在低速(v<0.6m/s)重載鏈傳動中,鏈條的靜強度占主要地位。如果用額定功率曲線選擇計算,結果常不經濟,因為額定功率曲線上各點相應的條件型安全系數為8～20,遠比靜強度安全系數大。按照滾子鏈靜強度計算原則,鏈號選取可比手冊上的功率曲線降一號。爬管裝置總的減速比為i=25.6。爬管裝置最后輸出的周向爬管進給速度為16～156mm/min。2.6液壓馬達帶動螺桿傳動徑向進給速度和力由液壓馬達驅動螺旋傳動機構來提供。液壓馬達帶動螺桿傳動,螺桿的兩端固定,這時螺母沿著螺桿上下移動,實現進給。液壓馬達工作在低轉速工況下,特選用低速穩(wěn)定性高的馬達。3坡口機控制系統(tǒng)水下坡口機的工作過程是一個銑削過程,銑削力的恒定控制對銑削過程有重要意義。在銑削過程中,不同的工件材料、切削深度、切削寬度和每齒進給量對銑削力的影響是不同的。銑削加工過程機理復雜,容易產生振動,且動態(tài)銑削過程與機體結構相互耦合。筆者采取在線調節(jié)液壓馬達工作速度和馬達進出口壓差從而實現恒切削力控制的方案,目的是提高加工效率和切削過程的穩(wěn)定性。這是一種間接控制切削力的方法,比直接控制簡便易行。采用復合控制策略——模糊自適應PID控制,即在銑削力誤差較大時采用雙輸入單輸出模糊自適應控制模式,使實際切削力迅速達到設定值,而在銑削力誤差較小時采用PID控制,使系統(tǒng)的魯棒性較強,如圖6所示。該方法可以保證切削參數變化時能有效對切削過程進行恒力控制。由于該控制器既有專家經驗控制,又有在線調整功能,自適應能力較強,具有良好的動態(tài)品質。坡口機的控制系統(tǒng)采用兩級結構,上位機采用PC機,下位機采用單片機。上位機負責向下位機發(fā)布控制命令,采集坡口機切削過程數據,通過人機交互接口實時顯示坡口機的狀態(tài)數據并修改控制命令,下位機系統(tǒng)負責采集來自傳感器的信號,將這些信號進行處理后發(fā)送給上位機,并接收來自上位機的控制命令,通過比例閥來控制坡口機完成相應的動作。坡口機通過傳感器所檢測的物理量如下:主切削轉速、周向爬管進給轉速、馬達進口壓力、徑向進給速度等。傳感器的檢測值經濾波、放大等處理后變成電壓信號,直接輸出到單片機的A/D口。傳感器的信號在上位機以圖表的方式顯示,便于操作人員實時監(jiān)控切削狀態(tài)是否正常。如果發(fā)生故障,液壓和機械系統(tǒng)均有過載保護能力,會自動停機,過載保護器屬于不受損部件,負載正常后即可繼續(xù)工作。操作人員能夠通過存儲的傳感器信號快速判斷故障原因,并進行相應的操作;必要時操作人員拋開閉環(huán),直接進行開環(huán)控制,或者潛水員進行手動操作,令其恢復工作能力。4設置及主要工藝參數本文針對海底油氣輸送