海洋廢棄平臺樁基拆除繩鋸機(jī)夾緊齒優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王海波，張嵐，孟慶鑫，王喆

(1.吉林化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，吉林吉林132022;2.哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;3.海洋石油工程股份有限公司維修公司，天津300451)

海洋石油是世界能源供給的一個重要組成部分，特別對于陸地石油資源相對不足的國家，它的作用尤為重要。世界范圍內(nèi)，海洋石油已經(jīng)發(fā)展了半個多世紀(jì)，海上石油平臺是采油的必備基地，它有多種結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)過多年的開采，一些平臺已經(jīng)被廢棄，廢棄的平臺需要作適當(dāng)?shù)那懈钐幚恚嬉陨系那懈钜话惚容^容易，但是水下結(jié)構(gòu)的切割就非常困難了［1－2］。在水下切割方法中，金剛石繩鋸機(jī)切割是近些年來發(fā)展起來的一種新型切割工具，它清潔、環(huán)保、可以同時切割金屬和非金屬，由于它的特殊工作環(huán)境，安全可靠工作始終是一個重要的研究內(nèi)容［3－4］。

1 繩鋸機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，廢棄平臺樁基拆除繩鋸機(jī)本體主要由支撐結(jié)構(gòu)和切割框架構(gòu)成，此外還包括液壓動力源和控制系統(tǒng)［5］。繩鋸機(jī)在工作過程中，需要夾緊到樁基上，夾緊的可靠性直接決定著繩鋸機(jī)工作效率及安全性，夾緊過程中夾緊力的計(jì)算可以采用多目標(biāo)優(yōu)化的方法，但是對于不同的接觸面來說，同樣的夾緊力對繩鋸機(jī)的固定效果是不一樣的，接觸面的結(jié)構(gòu)即齒形設(shè)計(jì)是否合理是關(guān)鍵因素。

圖1 繩鋸機(jī)的本體結(jié)構(gòu)圖

2 夾緊瓣夾緊部位結(jié)構(gòu)

通過分析，設(shè)計(jì)的夾緊瓣夾緊部位的結(jié)構(gòu)如圖2所示，與樁基咬合的夾緊齒加工在夾緊塊上，夾緊塊通過螺釘與夾緊瓣連接在一起，此種結(jié)構(gòu)既方便夾緊齒的加工，也方便夾緊齒的更換。根據(jù)繩鋸機(jī)工作時的姿態(tài)可以分析得到，夾緊齒在與樁基的咬合過程中，既受到正應(yīng)力的作用，又受到切應(yīng)力的作用，甚至有時候還受到扭轉(zhuǎn)作用，所以它的受力非常復(fù)雜。為了繩鋸機(jī)安全可靠地工作，必須對它的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2 繩鋸機(jī)夾緊瓣與夾緊塊連接結(jié)構(gòu)

3 夾緊齒尺寸的優(yōu)化

繩鋸機(jī)夾緊齒的尺寸是它的一個非常重要的參數(shù)，夾緊齒尺寸合理與否直接決定該齒是否能承載起繩鋸機(jī)工作時候的復(fù)雜載荷。采用有限元分析方法［5］，單個夾緊齒的簡化模型如圖3所示，優(yōu)化過程中采用的數(shù)學(xué)模型為:

圖3 夾緊齒有限元模型

根據(jù)相關(guān)力學(xué)理論，取f=B－2 ×R 為目標(biāo)函數(shù)，齒根寬B、齒高H 和齒根曲率半徑R 為設(shè)計(jì)變量。σd(X)為折合應(yīng)力，s(X)為夾緊齒切線方向上的位移，L 為參數(shù)下限，U 為參數(shù)上限。選夾緊齒的材料為40Cr，其許用應(yīng)力為600 MPa。夾緊塊承受的最大正應(yīng)力為45 538 N，夾緊面摩擦因數(shù)為0.12［6］。優(yōu)化后沿路徑D1D2D3的折合應(yīng)力變化曲線如圖4所示，沿D1D2D3在y 方向上的位移變化如圖5所示。優(yōu)化后夾緊齒的齒高為17 mm，齒底寬為39 mm，齒根過渡圓半徑為10 mm。最大折合壓強(qiáng)為4.057 MPa。

4 夾緊塊齒周過渡曲線的優(yōu)化

通過尺寸優(yōu)化過程，得到了夾緊齒的關(guān)鍵尺寸。由于繩鋸機(jī)工作過程中，夾緊齒所承受的力不但很大，并且構(gòu)成也非常復(fù)雜，夾緊齒表面曲線的構(gòu)成在有些條件下會對齒載荷產(chǎn)生很大的影響。為了改善這種情況，可以對夾緊齒表面曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際工作條件，簡化后的有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)模型如圖6所示，表面曲線優(yōu)化過程中的數(shù)學(xué)模型為:

圖6 夾緊齒有限元簡化模型

式中:L 為曲率半徑的下限，U 為曲率半徑的上限，Γ(r)為Φ 的邊界，Φ 為設(shè)計(jì)區(qū)域，Λ 為設(shè)計(jì)過程中光滑連續(xù)的曲線函數(shù)集合。根據(jù)夾緊齒的工作條件，以過渡曲線上0 到10 點(diǎn)的曲率半徑作為設(shè)計(jì)變量，取D1D2D3路徑方向上的最大工作應(yīng)力作為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化后得到的沿D1D2D3路徑的應(yīng)力變化如圖7所示，y 方向上的位移如圖8所示。對比圖4 和圖7可以看出，經(jīng)過夾緊齒表面曲線優(yōu)化后得到的最大應(yīng)力有所降低。對比圖5 和圖8 可以看出，經(jīng)過表面曲線優(yōu)化后的夾緊齒剛度得到了改善。優(yōu)化計(jì)算后得到的從點(diǎn)1 到點(diǎn)12 位置處的曲率半徑為:∞，11.01，10.97，10.45，9.93，9.62，10，10.54，11.03，∞，∞，∞。

圖7 應(yīng)力分布

圖8 y 向位移圖

5 夾緊塊夾緊齒實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)繩鋸機(jī)夾緊齒關(guān)鍵尺寸及表面尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果加工了繩鋸機(jī)夾緊齒，進(jìn)行了夾緊塊實(shí)驗(yàn)，如圖9。

圖9 夾緊塊實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)中，首先由繩鋸機(jī)夾緊裝置夾緊樁基，通過廠房中的天吊吊起樁基，觀察夾緊裝置是否滿足要求，然后，在繩鋸機(jī)的機(jī)體上，加上水下繩鋸機(jī)在水下工作時的最大預(yù)估載荷［7］(Fx= 5 130 N，F(xiàn)y=－68 755 N，F(xiàn)n=－ 6 876 N，Mx= 108 372 N·m，My=8 354 N·m，Mn=3 583 N·m)來模擬水下工作時的受力。實(shí)驗(yàn)證明:在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)量載荷作用下，繩鋸機(jī)能夠穩(wěn)定地夾緊到樁基上，優(yōu)化設(shè)計(jì)的夾緊塊齒形能夠滿足要求。實(shí)驗(yàn)中的夾緊齒與樁基夾痕如圖10所示。

圖10 夾緊齒及實(shí)驗(yàn)夾緊痕跡

6 結(jié)論

通過對廢棄平臺樁基拆除繩鋸機(jī)夾緊瓣上夾緊塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析，采用優(yōu)化的方法，對該夾緊塊的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了設(shè)計(jì)制造。實(shí)驗(yàn)表明:優(yōu)化設(shè)計(jì)后的夾緊塊能夠滿足設(shè)計(jì)要求，能夠安全穩(wěn)定地工作，從而為繩鋸機(jī)的可靠性分析打下了一定的理論基礎(chǔ)。

【1】PULSIPHER A G.Proceedings:An International Workshop on Offshore Lease Abandonment and Platform Disposal:Technology，Regulation，and Environmental Effects［R］.New Orleans，LA，2005:15－17.

【2】National Research Council，Marine Board，Committee on Techniques for Removing Fixed Offshore Structures.An assessment of techniques for removing offshore structures［R］.National Academy Press，Washington，D.C.，1999.

【3】張嵐.水下金剛石繩鋸機(jī)設(shè)計(jì)及原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2004.

【4】http://www.cut－group.com.

【5】周傳月，騰萬秀，張俊堂.工程有限元與優(yōu)化分析應(yīng)用實(shí)例教程［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

【6】王海波.海洋廢棄平臺樁基拆除繩鋸機(jī)研制及其動力學(xué)研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2008.

【7】王海波，孟慶鑫，張嵐，等.海洋廢棄平臺樁基拆除繩鋸機(jī)夾緊力的研究［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(15):24－27.