ROV操作水下卡箍式连接器机构运动分析

王宇臣等

摘 要：文章针对一种新型的由ROV操作的水下卡箍式连接器中的核心结构——卡箍机构进行运动学分析，分析其在运动过程中的稳定性和机构设计的合理性。通过分析其工作原理，建立了该机构的机构模型简图；针对该机构的铰链连杆机构，采用解析法建立了卡箍瓣的位移、速度和加速度的数学模型，并采用UG对该机构进行了运动学分析。仿真分析结果可进一步对该机构的参数优化提供理论依据。

关键词：连接器；铰链机构；运动学

中图分类号：TE938 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）11-0059-03

1 概 述

近年来，随着科技的进步、经济的发展，世界各国对石油、天然气资源的需求越来越大。由于陆域资源日益枯竭，各国纷纷将视野转向了资源丰富的海洋。水下石油/天然气生产系统作为一种深水油气开采的新模式，以其开发成本低、建造周期短、经济效益高和可靠性强等特点得到了国际各大海洋石油公司的广泛关注和应用。天然气的开采运输都需要大量的管道，随着海洋油气资源的开发，水下必然会布置大量而复杂的管道，因此，管道安装就成为非常重要的环节。我国海洋工程装备技术水平与同领域国外先进国家相比存在很大的差距，新型连接技术需要改善，只有在技术上取得领先优势，才能够优先开采，获取更大的国家利益，为了拥有自主知识产权，开发新型连接器设备，成为急需解决的关键技术问题。

卡箍式连接技术是一种新型的水下管道施工系统，虽然相对其他技术在国内的开发使用起步较晚。但由于卡箍式连接改变了以往传统的螺栓法兰式连接通过螺栓预紧来提供密封轴向力的方式，使得整个连接器的机构小巧且可靠，因此很快被国内所接受，如图1所示。

相对螺栓法兰式连接器，卡箍式连接器需要较少的螺栓，且螺栓孔的对正精度较低，对法兰的结构形式没有过多要求，结构简单。

卡箍式水下连接器在安装对准之后，要进行上下法兰的固定和密封圈的密封。

这部分的工作由卡箍部分的运动来完成。卡箍部分是卡箍式水下连接器的关键部分，通过它实现上下法兰的固定和内部的密封，从而实现油气管道的连接。

它由三个卡箍瓣和六个卡箍爪和拉紧螺栓组成，三个卡箍瓣通过拉紧螺栓拉紧构成一个运动机构。

本文采用解析法对该机构进行了卡箍瓣的位置、速度和加速度进行分析，并采用UG进行了运动学分析。

2 机构运动分析

卡箍连接器运动机构如图所示，主要由三个卡箍瓣铰接而成一条铰链机构，由拉紧螺栓提供驱动力矩。

卡箍部分运动时，卡箍片在拉紧螺栓的力矩M作用下的作用下靠拢，受到力的大小等于力矩M与拉紧螺栓的半径R的比，即=。

拉力将卡箍片拉紧，使卡箍爪压紧上下法兰，上下法兰受周向预紧力，并将力传给密封圈，使密封圈变形与上下法兰形成线接触，达到密封效果。

3 机构位移

当卡箍连接器安装对正后，力矩工具对拉紧螺栓提供转矩，拉紧螺栓通过与左耳轴的右旋螺纹和右耳轴左旋螺纹配合将螺栓的选择运动转换为耳轴的水平运动，从而耳轴带动卡箍片b、c水平运动。

由于B、C两点的运动约束在直线y上，且杆AB长度为定值，所以使得卡箍瓣a产生相对于x轴的位移s。

卡箍机构的的简化模型如图2所示。

对该机构建立运动学方程：

4 运动仿真

建立仿真模型，并设定连杆、运动副和运动参数，其中卡箍爪a=514 mm，b=c=480 mm，设定拉紧螺栓初速度v=10 m/s。

通过UG中的运动仿真分析对卡箍机构进行运动分析，对杆b、c在时间上的运动分析曲线如图3和图4所示。

绿色线表示加速度，

蓝色线表示速度，

红色线表示位移。

由图3、图4可以看出曲线形状大体一致。

图3中加速度基本为一定值较为平稳。速度有阶段性波动，总体波动不大，相对较平稳，位移成逐渐增大的趋势。

图4中加速度在开始阶段有一个较大的波动，之后的曲线呈一定值，较为平稳。

速度曲线也呈阶段性波动。位移曲线在开始阶段有一定波动，后期平稳增加。如图5和图6所示。

由图5、图6可以看出两图的曲线形状大体一致。

图5中加速度曲线在开始阶段增加后就在一定范围内波动，整体分析波动趋势不大，较为平稳。速度也在开始阶段增加后在一定范围内波动，其波动于加速度的波动变化相一致。位移成平稳增加的趋势。

图6与图5曲线变化基本一致，位移曲线上图6稍有差别，总体变化不大，较为平稳。

由对运动仿真曲线图分析可知，仿真结果与理论公式分析吻合，运动平稳。

说明机构设计较为合理，一些阶段性的波动不影响整体机构的运动的平稳性。

在以后的优化设计中将考虑进一步改进，以达到更为平稳、更为合理的运动机构。

5 结 语

本文通过对卡箍机构工作原理的分析，建立了该机构的机构模型简图。针对该机构简化的铰链连杆机构，采用解析法建立了卡箍的位移、速度和加速度的数学模型，并采用UG中的运动仿真模块对该机构进行建模和运动学分析，得出针对连杆的运动分析曲线。仿真分析结果与理论分析基本一致，较好地验证了卡箍机构运动的稳定性和设计的合理性，为卡箍连接器在实际中的应用和对其进一步的优化设计和研发提供了理论基础。

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