水下坡口机液压系统的设计

水下坡口机液压系统的设计

0切割/坡口机目前，中国海底的油气管道已被邀请进行维护，维护成本非常高。随着时间的推移,管道破损率及需要维修的次数会不断增加,因此急需实现海底油气管道维修作业系统国产化。维修系统主要包括一套在海洋环境下能够对海底油气管道进行吊装、切割、去表皮、开坡口、对口、清理等作业的机具。本文进行管道切割/坡口机(简称坡口机)的研究。坡口机是管道换接修复过程中不可缺少的专业设备,具有代表性的坡口机可分为两类:①火焰切割/坡口,以美国H&M公司产品为代表;②冷切割/坡口,分为系列化产品和通用产品两类,系列化产品以意大利古倍喜公司生产的内卡式、外卡式坡口机和管端坡口车床为代表,通用产品以日本板桥全自动柔性轴切管机和美国马泰、瓦奇公司的爬管式切割/坡口机为代表。目前使用的切割/坡口机成型产品可靠性较高,适合于现场作业,但在很大程度上是由人手工操作的,自动化程度并不高。我们在研究国外先进坡口机技术的基础上,针对不同材料,从切削性能、切削精度、可靠性等因素出发,开发了自动化爬管式坡口机。1倾斜装置的总体方案1.1液压马达进给方式本坡口机采用全封闭液压系统,特别适合恶劣环境下(风沙、污泥、海水)工作,适合海上钻井平台作业,海底铺管、修管等各种工程。坡口机主要由本体、液压动力源、微机控制系统等部分组成,其中坡口机本体包括主机头、链条、导向装置和切割/坡口刀片等部件。其外形图见图1。坡口机本体主要由以下几个部分组成:(1)径向进给机构径向进给机构由主液压马达、减速器、径向进给液压马达、进给螺杆、导向杆等组成。主液压马达通过减速器驱动切割/坡口刀旋转,形成切削主运动;径向进给液压马达通过驱动进给螺杆,使减速器和刀片沿导向杆下移,形成径向进给运动。(2)周向爬管进给机构周向爬管进给机构装配图见图2,它由周向爬管进给液压马达、过载保护器、减速器、链轮、链条、链条张紧装置等组成,液压马达驱动链轮使主机沿被切割/开坡口管道做周向爬行,形成周向爬管进给运动。进给过程中,主液压马达驱动刀具保持旋转,且主液压马达和爬行液压马达电气互锁,防止刀具不旋转的时候链轮旋转,损坏机器。(3)链条固定及导向机构坡口机由链条固定在被切割/开坡口管道上,为了适应不同的管径,并保持链条始终紧贴管子处于张紧状态,利用前三个导向轮和后三个导向轮的不同组合及适当调节来实现(见图3)。从图3可以看出,坡口机在管道上的周向爬行运动和张紧由于采用了链式驱动结构,使它对管道的顺应能力加强,能够适应管道表面不平对切削的影响。如果被切管子对精度(如圆度和端面垂直度)要求非常严格时,则采用导轨系统置于导向轮之下即可保证。(4)刀片如图4所示,刀片分为切割刀和坡口刀两种,属于专用刀具。切割刀和坡口刀有多种规格,不同的刀片直径对应切割/开坡口的管道壁厚不同。(5)密封装置水下密封装置要解决的关键问题是怎样使密封装置可靠而结构小巧,或干脆不用密封装置。所以特设计了不锈钢螺丝、零件镀锌、特殊轴承、铅封、普通密封等,防止盐水作业下的腐蚀。1.2管道切割和开坡口潜水员进行水下安装,将可调节的驱动链条连接起来并扣紧在管道上,然后调节张紧螺母使链条张紧,保证切削不打滑;开动坡口机对管道进行切割/开坡口;先进行径向铣削,径向铣透后再进行周向铣削;坡口机沿着管道爬行一周,便可完成管道的切割和开坡口任务。切割和开坡口能够同时进行,只要更换或组合不同刀具即可。1.3现行的改造原理坡口机的液压系统采用电液比例控制技术实现,其原理见图5。液压系统主要由以下基本回路组成:刀具回转回路、比例阀控周向爬管进给回路、径向进给回路、安全回路。(1)比例传动控制回路该回路由齿轮泵1、齿轮分流器2、电磁溢流阀3、比例调速阀4、刀具回转液压马达5组成,实现刀具回转,且转速可变。比例调速阀具有的稳压作用改善了马达的动态特性。单向阀13用以增大回油背压,防止倒转。(2)换向阀6、周向排放进给该回路由齿轮泵1、齿轮分流器2、比例溢流阀6、三位四通电磁比例换向阀7、周向爬管进给液压马达8所组成。比例换向阀实现对周向爬管进给速度的调节,必要时还可实现快进、快退等功能。比例溢流阀调节马达进油压力大小,可实现针对不同的材质采用不同的进给力。(3)给马达8性能好该回路主要由液控单向阀12组成,当刀具突然停止转动时,周向爬管进给马达8很快卸压,保证刀具和机体不损坏,起到安全保障作用。除液压安全保障外,另外还有两个安全保障——机械和电气,即周向爬管进给马达8前装有过载离合器;当转速传感器信号为零时,比例换向阀停止工作。(4)刀具径向速进给该回路由齿轮泵1、齿轮分流器2、溢流阀11、三位四通电磁换向阀9、径向进给液压马达10、比例调速阀14组成。实现刀具径向低速进给,当径向铣透后换向阀失电,径向进给自锁,即可进行周向爬管进给。三个液压马达所用压力和流量大小相差较大,实验证明在并联油路中流量分配会受到较大干扰,采用意大利ATOS公司的齿轮分流器保证系统稳定。2金属切削机理坡口机是采用铣削的加工方式来工作的,由铣刀绕固定轴旋转与机体绕管爬行进给来完成金属切除过程。铣刀是多齿刀具,铣削时刀齿散热条件好,可同时有几个刀齿参加切削,生产率较高。我们所用的切割刀和坡口刀属于盘形铣刀中的锯片铣刀和角度铣刀。2.1最大进给速度vf铣刀直径d0=178mm;根据刀具实验,选铣刀转速n=60r/min;铣削最大进给速度vf=76mm/min;刀具齿数Z=42;铣削速度vc=πd0n1000=33.6m/minvc=πd0n1000=33.6m/min;每齿进给量fZ=0.03mm;背吃刀量ap=4.5mm;铣削宽度ae=12mm。2.2液压马达同时提供不同的液压平台,铣削时铣刀的每个刀齿都产生铣削力,其同时工作刀齿所产生的铣削力的合力即为铣刀的铣削力。每个刀齿和铣刀的铣削力一般为空间力,为研究的方便,可根据实际需要进行分解,并由液压马达分别提供。铣削力根据经验公式进行计算,本文所设计的坡口机用于切削高强度钢——美国API规范X62,因此需要根据刀具的切削实验对切削力系数进行修正。修正后硬质合金双角度铣刀和锯片铣刀铣削高强度碳钢的铣削力为Fc=4904a1.1pf0.8ZΖ0.8a0.9eZd−1.100-1.1n-0.1=1965N铣削转矩Tc=(Fcd0/2)/1000=124N·m铣削功率Pc=Fcvc=0.786kW进给力Ff=(1.0～1.2)Fc=1965～2358N2.3油源考虑管路沿程损失和压水阻力对切削的影响,选定压力p=10MPa,流量Q=60L/min,功率为15kW。2.4出口转速的确定选用液压马达BMF-D80提供切削转速和转矩。在液压马达工作的进出口压差为3.3MPa、转速为500r/min状态下,经过专门设计的圆弧圆柱蜗杆减速器减速,减速比为i=5,最终蜗轮轴上输出的转速范围为4～100r/min,最大转矩为162N,可满足切削需要。2.5链传动静强度周向爬行进给机构的功率由液压马达BM-D80提供,并经过两级减速:第一级减速选用CWU圆弧圆柱蜗杆减速器,第二级减速由链传动实现。在低速(v<0.6m/s)重载链传动中,链条的静强度占主要地位。如果用额定功率曲线选择计算,结果常不经济,因为额定功率曲线上各点相应的条件型安全系数为8～20,远比静强度安全系数大。按照滚子链静强度计算原则,链号选取可比手册上的功率曲线降一号。爬管装置总的减速比为i=25.6。爬管装置最后输出的周向爬管进给速度为16～156mm/min。2.6液压马达带动螺杆传动径向进给速度和力由液压马达驱动螺旋传动机构来提供。液压马达带动螺杆传动,螺杆的两端固定,这时螺母沿着螺杆上下移动,实现进给。液压马达工作在低转速工况下,特选用低速稳定性高的马达。3坡口机控制系统水下坡口机的工作过程是一个铣削过程,铣削力的恒定控制对铣削过程有重要意义。在铣削过程中,不同的工件材料、切削深度、切削宽度和每齿进给量对铣削力的影响是不同的。铣削加工过程机理复杂,容易产生振动,且动态铣削过程与机体结构相互耦合。笔者采取在线调节液压马达工作速度和马达进出口压差从而实现恒切削力控制的方案,目的是提高加工效率和切削过程的稳定性。这是一种间接控制切削力的方法,比直接控制简便易行。采用复合控制策略——模糊自适应PID控制,即在铣削力误差较大时采用双输入单输出模糊自适应控制模式,使实际切削力迅速达到设定值,而在铣削力误差较小时采用PID控制,使系统的鲁棒性较强,如图6所示。该方法可以保证切削参数变化时能有效对切削过程进行恒力控制。由于该控制器既有专家经验控制,又有在线调整功能,自适应能力较强,具有良好的动态品质。坡口机的控制系统采用两级结构,上位机采用PC机,下位机采用单片机。上位机负责向下位机发布控制命令,采集坡口机切削过程数据,通过人机交互接口实时显示坡口机的状态数据并修改控制命令,下位机系统负责采集来自传感器的信号,将这些信号进行处理后发送给上位机,并接收来自上位机的控制命令,通过比例阀来控制坡口机完成相应的动作。坡口机通过传感器所检测的物理量如下:主切削转速、周向爬管进给转速、马达进口压力、径向进给速度等。传感器的检测值经滤波、放大等处理后变成电压信号,直接输出到单片机的A/D口。传感器的信号在上位机以图表的方式显示,便于操作人员实时监控切削状态是否正常。如果发生故障,液压和机械系统均有过载保护能力,会自动停机,过载保护器属于不受损部件,负载正常后即可继续工作。操作人员能够通过存储的传感器信号快速判断故障原因,并进行相应的操作;必要时操作人员抛开闭环,直接进行开环控制,或者潜水员进行手动操作,令其恢复工作能力。4设置及主要工艺参数本文针对海底油气输送