挖沟机试验大纲编制及异常反应分析

挖沟机试验大纲编制及异常反应分析

0海底犁式挖沟机正交试验样机的设计底部牵引收沟机是一种水下开沟机，适用于各种海底环境，如深水海域、硬粘土或砂岩土。挖沟机由拖轮定位并提供动力,在被吊放至海底指定管道区域后,通过前后布置的机械手将海底表面的管道抓起并提升至指定高度,再由托辊装置抓住管道,此后机械手张开恢复到初始位置,同时挖沟机尾部两侧展开的犁铧合拢;在雪橇式行走机构支撑下,在拖轮拖拽力作用下,犁铧挖掘管道下面的海底土壤,随着拖轮的前进,管道被放置在挖掘好的沟槽内,再通过土壤回填的方式将管道掩埋,从而保护海底管道。海底犁式挖沟机结构简单,可靠性高,停机率低,应用广泛,在海底管道铺设施工中有极其重要的作用。目前,我国正处于海上油气开发从起步到上升阶段,亟待开发具有自主知识产权的用于海底管道掩埋防护的犁式挖沟机。国外海底犁式挖沟技术已趋成熟,但国内还未曾涉足该领域。鉴于此,依据上述犁式挖沟机工作原理,结合具体项目要求,设计了海底犁式挖沟机的试验样机(以下简称样机)。为了验证样机各项性能指标是否满足设计要求,同时指导工程样机改进设计,须要进行样机陆地硬质粘土模拟试验。为了保证样机试验的顺利完成,本文对样机陆地试验大纲进行了设计与分析。1试验过程设计及进度表根据样机陆地试验条件,需要在剪切强度为20~100kPa的硬质粘土上进行模拟挖沟试验,其主要试验任务:抱管并挖沟,要求沟深为0.8m,埋管直径200mm,据此验证理论分析及设计结果的正确性,为工程样机设计制造提供理论和试验依据。图1为样机挖沟作业模拟示意图,图2为理论设计沟型截面参数示意图。为了完成以上试验任务,并以技术可靠和操作经济为原则,编制了海底犁式挖沟机样机陆地试验大纲,大纲内容包括试验准备、室内空载试验、室内负载试验和野外挖沟试验4个试验阶段,在一个试验阶段完成后,再转入下一个试验阶段。图3为4个试验阶段计划进度表,“目标”项内容省略。试验准备主要包括样机、仪器、资料、场地、电力设备、运输及拖拽设备的准备,为后面三个阶段试验提供条件保障。室内空载试验主要有两个目的,其一检查液压控制系统的正确性、可靠性与时效性;其二检验各功能结构子系统动作能否正常实现,及时发现故障并排除。室内负载试验步骤和目的与第二阶段试验基本相同,但所有测试均是在抱管负载下进行,同时进行控制、液压和结构系统联合模拟调试试验,检验各系统联合工作协调性。挖沟试验是本次试验的末尾阶段,同时也是主要的试验任务,目的是检验样机的实际作业性能。2样机试验进度计划试验准备阶段涉及很多方面,它与项目进度安排和资源调度能力等有密切关系。基于影响试验进度的关键路径分析,可将此阶段划分为以下几个方面:技术资料收集、样机及相关辅助仪器设备准备、场地选择、文件编制四个任务单元,它们是试验任务完成的前提条件。图3为样机试验进度计划。图4为样机试验任务单元框图。2.1样机、仪器和产样机试验,应提供以下设备:(1)符合设计要求的试验样机一台;(2)样机相关专用工具、备件一套;(3)相关测量仪器设备一套;(4)满足电力要求的发电车一台;(5)符合要求的运输拖车及吊车各一台。2.2土壤条件及参数试验前须选择满足试验条件的场地一块。场地除满足面积形状要求外,还须进行相关土工实验,明了有关土壤参数,以便验证样机理论设计正确性。表1是样机土工试验参数表。2.3试验准备及过程文件编制是试验准备任务的主要内容之一。依据现实需要,文件系统由以下几部分构成:(1)试验大纲引言部分。阐述样机试验总要求及目的,其中包含一个大概的试验计划进度安排。(2)试验条件说明部分。主要阐述试验实施的资源需求,预估试验成本,明确试验验收条件。(3)试验操作指南部分。详细介绍试验程序及方法。(4)风险评估及对策部分。主要是对样机试验可预见故障的处理描述。(5)数据表格编制部分。主要用于各阶段试验数据的记录与分析。根据本样机部分试验的实施经验,文件编制应该注意以下几点:(1)试验大纲引言一定要尽早提交审查,以便合理估计试验任务工作量,合理安排人员配置及进度。(2)试验阶段任务必须有明确结果,经审查合格后才能进入下一阶段试验,以便排查隐藏的问题。(3)在动力供给及控制模拟试验部分,一定要明确环境要求。(4)考虑成本预算,室内能完成测试的参数绝不留到野外试验去完成。3plc软件程序和结构系统室内空载试验主要是检查各功能子系统动作的准确性及稳定性,包括控制、液压和结构三个方面。控制系统完成后,进行模拟调试试验,以检查监控软件程序是否正确、可靠;各操控界面、按钮是否简便、有效、可靠;各PLC模块、传感器测量反馈是否准确、稳定、实时等。液压系统主要检查是否漏油,压力、流量是否正常,液压缸动作是否正确、流畅,振动、噪音是否过大等。结构系统主要考察机构动作是否到位,是否有干涉或其他运动障碍等。根据试验样机组成,整机分解为如下主要功能子系统:行走机构、转向机构、犁开合机构、抓管机构和抱管机构。图5为样机整机三维模型图。3.1结构装置设计转台装置。根据链行走机构支撑本体部分重量;同时,通过改变深度控制液压缸行程,来改变样机挖沟深度;通过改变俯仰角度液压缸行程,来适应地面形状向前滑行。深度控制液压缸配置位移传感器,通过上位机监控界面,可以管理控制样机挖沟深度,并记录挖沟深度随时间变化曲线。转向机构主要作用是补偿工作母船与管道之间的航向偏差,防止管道受横向应力破坏。转向动作由一对液压缸驱动,这一对液压缸是闭环联动调节的:总是一个驱动,另一个同步随动。转向机构中一个液压缸配置位移传感器,结合抱管机构侧压力传感器,通过上位机监控界面,可以管理控制样机转向角度,并记录转向角度随时间变化曲线。犁开合机构可以实现犁铧的张开与闭合。犁铧上安装有位置传感器,限制其张开及闭合角度,通过上位机监控界面,可以监控样机犁铧张开及闭合状况。抓管机构功能是在挖沟作业开始时从地面抓取管道并提升至指定高度;在作业收尾时,再将管道抓放至地面。抓管动作试验成功执行是后续动作试验启动的基础。抱管机构作用是在挖沟作业时托住管道,其上安置有上下左右四个压力传感器,同时配置压力继电器,通过上位机监控界面,可以管理监控管道受力状态,并记录管道压力随时间变化曲线。3.2试验过程中的问题及解决方法室内空载试验是检验样机液压控制系统可靠性及各功能子系统动作实现与否的一种经济实用方法。通过这种局部的单点试验,可以很快地确认软件或硬件故障并排除。在已经实施的室内空载试验过程中,主要遇到以下问题:(1)控制线路出错频繁。在以后设计中应充分考虑硬件线路的故障检测,同时提供模块化更换可能性;应编制标准的硬件接线和软件调试审查程序;且应尽可能保证在动作试验时不发生软件及硬件线路错误。(2)由于动作干涉造成传感器引出线折断。通电动作之前,应该尽可能手动检查各部件的运动干涉情况及传感器布线合理性;最好制作试验前审查程序文件,逐条检查。(3)液压缸动作描述应标识在对应的电磁阀上,防止因试验时误操作引发安全隐患。(4)各系统单项试验至少应重复三次以上,以便暴露隐藏的问题。4负载试验的目室内负载试验是在抱管机构托住管道前提下,进行空载试验阶段的各功能子系统动作试验,同时还要进行整机性能联合模拟调试,它与野外现场挖沟试验不同之处在于无需开沟作业。本试验阶段的主要任务是检验系统间联合工作协调性,液压控制系统动作的稳定性、可靠性和及时性。室内负载试验的主要目的之一是检验抓管机构的抓管性能;抓管机构与抱管机构运动设计的合理性与协调性;抱管机构动作的稳定性;断电时抱管机构液压锁定的可靠性。室内负载试验的主要目的之二是检验转向机构与抱管机构配合的协调性,当抱管机构侧向辊筒压力超标时,检验转向机构的动作反应速度及管道压力状态;当抱管机构上下辊筒压力超标时,检验抱管机构升降动作反应速度及管道压力状态;以及通过反复试验,修正、优化样机管道应力监控程序的算法。室内负载试验的主要目的之三是检验各功能子系统连续动作的准确性与协调性,同时综合检测机械与电气、液压接口的兼容性,电气设备之间的电磁兼容性。室内负载试验的主要目的之四是进一步模拟现场环境,并使用野外电源供电,重复测试以上动作。以上联调试验应该根据实际条件,重复进行多次,以提高试验结果的可信度。完成室内负载试验后,意味着样机基本满足了野外现场挖沟试验的条件。5验证样机设计挖沟试验是参照样机设计目标以及项目合同要求来验证样机的作业性能,修正设计理论,为工程样机设计制作提供理论及实验支撑。样机在满足挖沟试验状态条件后,由拖车运输至试验场地。5.1单系统动作试验阶段3个月内野外环境恶劣,与室内有很大不同。为保证试验安全,在挖沟作业前,需对样机再做一次各功能子系统动作测试。该过程参照试验阶段2和试验阶段3执行。这是正式挖沟作业前最后的检验,一定要严格按照预订程序执行,以便及时发现异常情况,并分析原因,因为某个异常动作或故障可能掩盖着其它的严重问题。以上单系统动作试验完成后,可以进行3台拖拉机的布局及牵引设备的布置。样机试验现场设备布局如图6所示。5.2样机实际作业流程及施工流程试验设备布局完毕后,启动对讲设备,划定安全作业区域,开始挖沟试验。开始进行不抱管挖沟试验,以训练解决3台拖拉机拖拽前进同步性问题,同时观察样机整机反应,如有无剧烈振动等异常现象。完成以上试挖沟试验后,依据样机实际作业流程,进行挖沟试验。挖沟试验作业流程如图7所示。具体实施方法与试验阶段2和试验阶段3相同。图8为样机现场作业照片,图9为挖沟机从开始作业到挖沟任务结束的状态变化示意图。挖沟试验须进行两次,以便展开以下研究工作:(1)挖沟速度、深度对拖拽力的影响;(2)转向对拖拽力及沟型的影响;(3)波浪形地面对挖沟作业的影响;(4)挖沟