60 m海底鉆機移擺管系統(tǒng)性能分析

劉廣治,劉智鍵

(北京探礦工程研究所,北京 100083)

引言

海底鉆機是一種鉆探系統(tǒng)完全工作于海底的鉆探設(shè)備,與通常的海洋鉆機需要依托鉆探船或鉆井平臺有著完全不同的工作方式,如圖1所示。海底鉆機在水下工作時與承載船只需要一條具有承載能力的臍帶纜即可實現(xiàn)遠程的能量供應(yīng)和通訊控制,與海洋鉆機相比具有鉆探成本低、效率高、樣品擾動小、易保壓、設(shè)備體積小、易操作和船舶適應(yīng)性強等優(yōu)點[1-2]。

圖1 海底鉆機工作示意圖[3]

海底鉆機的鉆探系統(tǒng)完全工作于海底,與搭載船只之間通過一條具有承載能力的臍帶纜來實現(xiàn)遠程的能量供應(yīng)和通訊控制,海底鉆機的各個執(zhí)行機構(gòu)都是通過遠程遙控來實現(xiàn)[4-5]。受現(xiàn)有臍帶纜承載能力的限制,有限空間、重量內(nèi)海底鉆機移擺管系統(tǒng)存儲更多鉆管及可靠、快速的接卸是大鉆深海底鉆機設(shè)計的難點。國外海底鉆機發(fā)展較快,目前已有多個國家擁有屬于自己的海底鉆機。比如日本NiGK公司研發(fā)的BMS海底鉆機,澳大利亞BENTHIC公司研發(fā)的PROD鉆機,德國MRUM公司主持研制的MeBo鉆機,加拿大CELLULA公司的CRD100鉆機,英國地質(zhì)調(diào)查局(BGS)研制的RocKDrill鉆機以及美國ACS海底鉆機等[6]。國內(nèi)海底鉆機發(fā)展起步晚,近幾年發(fā)展較快,代表產(chǎn)品為“海牛”號系列海底鉆機,最大鉆深超過200 m,達到世界先進水平[7-9]。除英國BGS和美國ACS外,國外海底鉆機及國內(nèi)的“海牛”系列海底鉆機的移擺管系統(tǒng)均采用轉(zhuǎn)盤式鉆管存儲方式,該存儲方式需要設(shè)置相應(yīng)機構(gòu)及控制系統(tǒng)來精確控制回轉(zhuǎn)角度。英國BGS和美國ACS海底鉆機的移擺管系統(tǒng)采用的是無驅(qū)動的鉆管存儲方式,不需要任何機構(gòu)驅(qū)動,完全依靠多工位機械手來實現(xiàn)鉆管存儲及接卸。

2020年以來,針對深海硫化物礦產(chǎn)資源勘探需求,開始研制60 m海底鉆機。該海底鉆機移擺管系統(tǒng)采用了無驅(qū)動式鉆管存儲方式,通過多工位機械手實現(xiàn)鉆管存儲及可靠接卸。目前該海底鉆機移擺管系統(tǒng)已完成試制,并進行了室內(nèi)試驗及海上淺水試驗。

1 60 m海底鉆機移擺管系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

60 m海底鉆機的移擺管系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要由無驅(qū)動式鉆管存儲單元、多工位機械手以及鉆管等組成,如圖2所示。無驅(qū)動式鉆管存儲單元用于存儲鉆桿及巖心管,多工位機械手用于鉆管接卸及存儲單元中鉆管存取。

1.無驅(qū)動式鉆管存儲單元 2.多工位機械手 3.鉆管

1) 無驅(qū)動式鉆管存儲單元

海底鉆機在海底工作,需要遠程遙控鉆管接卸。不同于國內(nèi)現(xiàn)有海底鉆機采用的有驅(qū)動鉆管存儲方式,60 m海底鉆機設(shè)置有2個無驅(qū)動式鉆管存儲單元,用于存儲鉆桿以及巖心管,如圖2所示。鉆管沿徑向分布在以機械手回轉(zhuǎn)中心為圓心的各個同心圓上,通過彈性機構(gòu)固定。固定鉆管的彈性機構(gòu)需要能夠方便快捷的調(diào)整彈性夾持力,并且反復(fù)壓縮下不能有永久變形而造成鉆桿(內(nèi)管)夾不住,從存儲機構(gòu)中掉落。彈性夾持機構(gòu)主要由:鋼球、彈簧、壓板等組成,彈簧提供彈性力,鋼球用于限制鉆管,通過改變彈簧可以實現(xiàn)不同夾持力,鋼球夾持可以使得鉆管進入存儲機構(gòu)時,受力更加平穩(wěn)。彈性機構(gòu)可以使得鉆桿自動對中,也可以降低機械手控制精度。

2) 機械手

機械手在結(jié)構(gòu)上主要由擺動馬達、外框架、上下調(diào)整油缸、機械臂以及機械爪等組成,如圖3所示。多工位機械手設(shè)計3個自由度、4個動作,分別是機械手回轉(zhuǎn)、機械手伸縮、機械手上下移動及機械爪夾緊與松開。機械手回轉(zhuǎn)采用的執(zhí)行元件是擺動缸,擺動范圍0°～350°。機械手伸縮采用的執(zhí)行元件是多級油缸,驅(qū)動多級機械臂伸縮。采用多級油缸作為執(zhí)行元件的目的為減小機械手最小回轉(zhuǎn)半徑,為無驅(qū)動式鉆管存儲單元提供更多空間。多級機械臂伸縮采用伸縮式直線軸承結(jié)構(gòu)支承,結(jié)構(gòu)緊湊,抓取穩(wěn)定,精度高。機械臂上下移動采用的執(zhí)行元件為液壓油缸,通過機械臂上下移動,調(diào)整鉆管接卸時的位置,保證接卸的可靠性。機械爪采用油缸作為執(zhí)行元件,通過各種機構(gòu)將油缸直線動作轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)加持動作。機械手抓取范圍65～101 mm,兼顧了鉆管不同直徑要求。

1.擺動馬達 2.外框架 3.上下調(diào)整油缸 4.一級機械臂 5.二級機械臂 6.三級機械臂 7.機械爪 8.鉆管

1.2 技術(shù)指標及系統(tǒng)特點

60 m海底鉆機移擺管系統(tǒng)技術(shù)指標如表1所示。60 m海底鉆機移擺管系統(tǒng)特點:

表1 60 m海底鉆機移擺管系統(tǒng)技術(shù)指標

(1) 無驅(qū)動式鉆管存儲方式結(jié)構(gòu)簡單、空間利用率高,有限空間及重量內(nèi)存儲更多的鉆管實現(xiàn)更大鉆深。采用了與國內(nèi)完全不同的鉆管存儲結(jié)構(gòu)形式,鉆管沿著以機械手回轉(zhuǎn)軸線為中心的圓徑向分布,該存儲結(jié)構(gòu)方式能夠充分的利用鉆機內(nèi)部有限空間,且不需要任何的機構(gòu)去驅(qū)動。無驅(qū)動式鉆管存儲結(jié)構(gòu)在設(shè)計上采用了新材料、新工藝以及理論計算與仿真分析等多種手段相結(jié)合的設(shè)計方法,在保證強度的前提下,有限空間及重量內(nèi)存儲更多的鉆管。鉆機自重越輕,允許的光電纜下放的越多,工作水深的范圍越大。無驅(qū)動式鉆管存儲采用的彈性夾持機構(gòu)有利于鉆管的自動對中。

(2) 基于位置閉環(huán)控制的多工位機械手結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)鉆管可靠、迅速接卸。60 m海底鉆機移擺管系統(tǒng)通過設(shè)置的3自由度、4動作的機械手機構(gòu),可以實時調(diào)整鉆管接卸過程中的位置。通過對關(guān)鍵機構(gòu)的位置閉環(huán)控制,可以有效保證機械手空間位置精度,提高鉆管接卸的可靠性。采用多機油缸驅(qū)動多級機械臂的抓取方式,可以有效為無驅(qū)動式鉆管存儲單元提供更多空間去存儲鉆管,為有限空間內(nèi)大鉆深海底鉆機設(shè)計提供保證。

2 60 m海底鉆機移擺管系統(tǒng)關(guān)鍵機構(gòu)的控制原理

60 m海底鉆機移擺管系統(tǒng)中機械手的回轉(zhuǎn)對位置精度有著嚴格的要求,因此在相應(yīng)的控制方式上采用了位置閉環(huán)控制的策略。位置閉環(huán)控制的原理:通過傳感器實時檢測和反饋位置信息,只要輸入位置信號與傳感器反饋的位置信號存在差值,差值信號將驅(qū)動比例閥,進而驅(qū)動執(zhí)行元件動作,直至反饋的位置信號與輸入位置信號一致[10-11]。通過位置閉環(huán)控制有效保障了各個執(zhí)行元件的位置精度,提高了鉆管接卸的可靠性。機械手回轉(zhuǎn)機構(gòu)液壓控制原理如圖4所示。

圖4 機械手回轉(zhuǎn)機構(gòu)液壓控制原理

水下裝備液壓系統(tǒng)設(shè)置的固定容積的油箱很小,在水下真正意義的油箱容積為水下壓力補償器補償量[12-15]。壓力補償器可以自動平衡不同工作深度的環(huán)境壓力,實時補償工作油液因本身彈性模量、溫度以及非對稱油缸工作時兩個油腔流量差等引起的油液體積的變化[16]。60 m海底鉆機移擺管液壓系統(tǒng)中除機械手回轉(zhuǎn)動作采用擺動馬達驅(qū)動,其他動作均采用非對稱的液壓油缸作為執(zhí)行元件,因此需要設(shè)置壓力補償器補償非對稱油缸工作時兩個油腔的壓力差。60 m海底鉆機移擺管液壓系統(tǒng)采用的壓力補償器為滾動膜片式壓力補償器,結(jié)構(gòu)如圖5所示,1.5 L壓力補償器用于對閥箱等固定容積濕倉補償,6 L壓力補償器主要用于補償非對稱油缸工作時兩油腔的流量差。

1.補油球閥 2.安全閥 3.放氣接頭 4.補償活塞 5.滾動膜片 6.補償活塞 7.補償筒 8.拉桿 9.位移傳感器 10.密封艙

3 60 m海底鉆機移擺管系統(tǒng)回轉(zhuǎn)機構(gòu)受力分析

60 m海底鉆機移擺管系統(tǒng)機械手回轉(zhuǎn)精度直接決定鉆管接卸和取放的可靠性。擺動馬達驅(qū)動機械手回轉(zhuǎn)的角度與鉆管沿圓周方向的分布角度誤差在允許范圍內(nèi)才能保證鉆管可靠的取放,驅(qū)動機械手回轉(zhuǎn)的角度與動力頭主軸同軸度誤差在設(shè)定范圍內(nèi)才能保證鉆管可靠的接卸。機械手回轉(zhuǎn)過程中受到的各種阻力直接影響回轉(zhuǎn)位置的精度,與室內(nèi)調(diào)試相比,機械手水下回轉(zhuǎn)過程中受到的海水阻力要遠大于所受到的空氣阻力。

機械手回轉(zhuǎn)過程中受到各種力矩的綜合作用,其動態(tài)表達式如式(1)所示:

(1)

式中,Tq——擺動馬達驅(qū)動力矩,N·m

Tm——各種摩擦力產(chǎn)生的力矩,N·m

J——轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2

B——黏性阻尼系數(shù)

根據(jù)流體力學(xué)水的阻力一般可用式(2)表示[17]:

(2)

式中,Cf——海水阻尼力系數(shù),無量綱不受物體尺寸影響

ρh——海水密度,kg/m3

Ae——執(zhí)行機構(gòu)迎水面積,m2

v——執(zhí)行機構(gòu)的運動速度,m/s

計算渣鎖斗閥開關(guān)時間所需要的條件較多，涉及閥門自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，液壓油的物理性質(zhì)，液壓系統(tǒng)管路規(guī)格尺寸、敷設(shè)長度以及閥門與油站的高差等，如下所列:

以機械手回轉(zhuǎn)中心為圓心,建立如圖6所示直角坐標系,海水作用于L1,L2,L3,L4,L5區(qū)域產(chǎn)生的力矩推導(dǎo)過程如圖6所示。

圖6 機械手回轉(zhuǎn)機構(gòu)迎水面構(gòu)成

在作用區(qū)域(r1,r2)的半徑r處取一處微元dr,回轉(zhuǎn)角速度為w,該作用區(qū)域高度為h,海水作用于該區(qū)域的阻力矩表達式如式(3)所示:

(3)

由式(3)可以看出,海水阻力矩與角速度平方成正比,與所在區(qū)域高度成正比,與所在區(qū)域距離回轉(zhuǎn)中心距離的四次方成正比。

設(shè)L1,L2,L3,L4和L5區(qū)域高度分別為h1,h2,h3,h4和h5,寬度分別為b1,b2,b3,b4和b5,L1和L2區(qū)域?qū)ΨQ,寬度和高度相同,L3和L4區(qū)域高度相同,L1,L2,L3,L4,L5區(qū)域的尺寸如圖7所示,可得到式(4):

圖7 機械手回轉(zhuǎn)機構(gòu)迎水面尺寸

Tf=2×10-4Cfρhω2+2×10-4Cfρhω2+

3.4×10-4Cfρhω2+3.14×10-3Cfρhω2

(4)

機械手回轉(zhuǎn)過程中,各種摩擦力產(chǎn)生的合力矩Tm的大小不容易通過計算直接獲取,由于機械安裝誤差等原因,該力矩在機械手回轉(zhuǎn)不同的位置大小不同。為獲取各種摩擦力產(chǎn)生的合力矩Tm大小,只能通過試驗的方式獲取。具體獲取過程如下:將擺動馬達某一負載油口與手動加壓泵連接,另一個負載油口接油箱,通過手動加壓泵緩緩加壓,直至機械手發(fā)生回轉(zhuǎn),此時壓力表會發(fā)生跳動,記錄跳動前的峰值壓力p1。重復(fù)以上過程,在不同位置記錄壓力表跳動前的峰值壓力p2,p3,p4等。通過選取各個位置中該峰值壓力最大值,用以近似計算各種摩擦力產(chǎn)生的合力矩Tm的最大值,如式(5)所示:

(5)

式中,pmax——最大的峰值壓力,MPa

q——擺動馬達排量,mL/r

4 基于AMESim海底鉆機移擺管系統(tǒng)機械手回轉(zhuǎn)機構(gòu)控制系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)圖4所示的60 m海底鉆機移擺管系統(tǒng)機械手回轉(zhuǎn)機構(gòu)控制系統(tǒng)原理,利用AMESim軟件自帶的元件庫搭建的仿真模型,如圖8所示。將前面推導(dǎo)的海水阻力矩的方程輸入到該仿真模型中,將角速度傳感器實時檢測到的機械手回轉(zhuǎn)的角速度輸入到海水阻力矩的方程中,模擬海水阻力矩對機械手回轉(zhuǎn)的影響。摩擦力矩模型用于模擬機械手回轉(zhuǎn)過程中各種摩擦力產(chǎn)生的合力矩Tm。水下補償器用作液壓系統(tǒng)的油箱。通過角度位置傳感器實時檢測回轉(zhuǎn)位置信號并反饋給控制器,輸入信號與反饋信號比較后其誤差值經(jīng)PID算法處理后,作為控制信號控制比例換向閥動作,直至反饋信號與輸入信號之間差值為0。

圖8 移擺管系統(tǒng)機械手回轉(zhuǎn)機構(gòu)控制系統(tǒng)模型

60 m海底鉆機移擺管系統(tǒng)的無驅(qū)動式鉆管存儲單元中的用于存放鉆管的U形槽沿圓周方向間隔18°分布,機械手初始位置設(shè)計為18°。仿真模型中各個參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 回轉(zhuǎn)機構(gòu)控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

對控制器輸入控制信號,6 s內(nèi)機械手位置角度從18°線性變化到54°,得到機械手實際回轉(zhuǎn)角度位置、角速度以及海水阻力矩變規(guī)律如圖9所示。由圖9可以看出,在擺動馬達啟動瞬間,機械手的回轉(zhuǎn)角速度瞬間增大,相應(yīng)的海水阻力矩瞬間達到峰值,表明機械手回轉(zhuǎn)啟動瞬間阻力最大。機械手回轉(zhuǎn)角速度經(jīng)過短時間調(diào)整后迅速降低,并出現(xiàn)小幅度的振蕩,此時海水阻力矩迅速下降至較小的穩(wěn)定值。機械手回轉(zhuǎn)角度按照輸入信號線性的變化直至到達輸入角度。

圖9 機械手回轉(zhuǎn)角度、角速度及海水阻力矩變化曲線

改變線性控制信號的斜率,4 s將輸入信號從18°線性變化為54°,得到機械手實際回轉(zhuǎn)角度位置、角速度以及海水阻力矩變規(guī)律,如圖10所示。由圖10可以看出,在該信號輸入下的機械手回轉(zhuǎn)啟動瞬間與改變前相比,機械手回轉(zhuǎn)角速度及海水阻力矩變化規(guī)律一致,不同的是經(jīng)過短時間調(diào)整進入穩(wěn)態(tài)后,機械手回轉(zhuǎn)角速度及海水阻力矩均出現(xiàn)擺動,機械手回轉(zhuǎn)角速度擺動幅值較大。機械手實際回轉(zhuǎn)角度與輸入信號變化一致,達到穩(wěn)態(tài)后穿線小幅度的擺動。通過兩種不同控制信號下結(jié)果對比可以看出,輸入的控制信號按照線性規(guī)律變化時,改變線性信號的斜率即縮短控制時間,機械手回轉(zhuǎn)控制性能會發(fā)生變化,線性輸入的信號斜率越大,機械手回轉(zhuǎn)角度達到穩(wěn)態(tài)時,擺動的幅度越大。

圖10 縮短控制時間的仿真結(jié)果

5 60 m海底鉆機移擺管系統(tǒng)試驗

移擺管系統(tǒng)樣機組裝完成后,安裝在60 m海底鉆機上,陸續(xù)開展了相關(guān)測試,如圖11所示。圖11a為移擺管系統(tǒng)室內(nèi)試驗,將60 m海底鉆機液壓動力部分浸沒在水箱中,利用機載動力開展鉆機鉆桿存儲、接卸等各個預(yù)定動作以及機械手回轉(zhuǎn)位置精度等關(guān)鍵機構(gòu)的控制系統(tǒng)調(diào)試,提出最優(yōu)的控制參數(shù)。

圖11 60 m海底鉆機移擺管系統(tǒng)試驗

室內(nèi)試驗完成后,搭載某科考船開展了60 m海底鉆機淺水(10 m左右)的海上試驗,如圖11b所示。海上淺水試驗主要是開展移擺管系統(tǒng)水下接卸等關(guān)鍵動作試驗,由于淺水水流速比較大,機械手回轉(zhuǎn)角度最大誤差接近0.5°。為適應(yīng)水下各種因素對機械手回轉(zhuǎn)角度精度影響,保證鉆桿可靠的接卸,將比例換向閥中位機能由O形改為Y形,Y形機能可以使得擺動馬達兩個負載油腔與油箱連接,此時驅(qū)動機械手回轉(zhuǎn)的力矩很小,僅需要克服回油壓力及擺動馬達的啟動摩擦力。當機械手回轉(zhuǎn)角度存在誤差,機械手伸出抓取鉆管的兩個爪子與鉆管接觸時間不一樣,先接觸鉆管的爪子會先受到鉆管的擠壓力,該擠壓力會驅(qū)動機械手克服回油阻力等影響進行回轉(zhuǎn)對中,因此可以有效降低機械手回轉(zhuǎn)角度誤差帶來的影響。該控制方式在試驗中得到了驗證。

6 結(jié)論

(1) 研制了一套60 m海底鉆機移擺管系統(tǒng),該系統(tǒng)的無驅(qū)動式鉆管存儲方式結(jié)構(gòu)簡單、空間利用率高,有限空間及重量內(nèi)存儲更多的鉆管。該系統(tǒng)的多工位機械手機構(gòu)可以實現(xiàn)鉆管可靠、迅速接卸;

(2) 通過對60 m海底鉆機移擺管系統(tǒng)中機械手回轉(zhuǎn)機構(gòu)進行受力分析,推導(dǎo)了海水阻力矩方程,得到了影響海水阻力矩的各個因素。海水阻力矩與角速度平方成正比,與所在區(qū)域高度成正比,與所在區(qū)域距離回轉(zhuǎn)中心距離的四次方成正比;

(3) 借助AMESim對海底鉆機移擺管系統(tǒng)機械手回轉(zhuǎn)機構(gòu)控制系統(tǒng)進行了仿真分析,得到了海水阻力矩對機械手回轉(zhuǎn)機構(gòu)的影響規(guī)律。同時得到了輸入線性信號的斜率會對機械手回轉(zhuǎn)位置精度影響,斜率越大,機械手回轉(zhuǎn)角度穩(wěn)態(tài)時擺動幅度越大;

(4) 通過對60 m海底鉆機移擺管系統(tǒng)開展淺水試驗,對移擺管系統(tǒng)性能進行了驗證。在淺水試驗中,機械手回轉(zhuǎn)角度誤差比室內(nèi)試驗及仿真分析得到的誤差大,最大誤差達到了0.5°。將比例換向閥中位機能由O形改為Y形,通過Y形機能的浮動功能,可以有效降低機械手回轉(zhuǎn)角度誤差的影響。