井控应急高压磨料射流双臂切割执行机构研制

邢志彪，黄志松，李森，王顺波，陈超(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

0 引言

目前国内针对海上平台井控应急设备及其研究还很少，而在三级井控应急救援中，要求以不动火、远距离、快速完成井口(损坏的防喷器、钻杆、法兰等)切割及修整，确保井控设备的安装及人员的安全为原则 。本文将设计制造适用于海上平台远距离切割双臂执行机构，带动远端的高压磨料射流切割设备(机械手)进行远距离输送、变位，以达到切割工作中所需要的各种动作，以解决井控应急中的人员无法靠近危险区域的实际困难。

1 方案设计

双臂切割执行机构由连接系统、夹紧系统、旋转系统和喷射切割系统组成如图1所示。

图1 双臂切割执行机构

连接系统通过采用螺栓螺母固定方式保证了机构整体与机械臂连接，同时，前后安装板上设计台阶式结构，保证上下安装板不会产生较大变形影响射流轨道的移动。夹紧系统是利用双向液压缸将被切割件夹紧，保证射流切割时不会因为射流反力引起机构整体振动。为保证液压缸活塞杆带动射流轨道伸缩时不发生偏移现象，在上安装板上面铣键槽并在轨道槽内添加导向键。旋转系统是切割执行机构的关键，主要由往复丝杠和滑块组成，依靠液压马达和减速器传动系统提供的动力，通过往复丝杠实现马达的转动转换为移动块的水平移动。通过安装不同减速器，可实现爬行速度可调。喷射切割机构是切割执行机构的主体，利用喷射原理实现对材料的切割。由于高压硬管较长，弯头受管线拉力容易弯曲变形。在喷嘴安装板上加工安放孔，将弯头下部放置于孔内，由喷嘴安装板平衡管线重量。 整体采用钛合金材质，质量轻，携带方便。高效喷头能够快速、有效实现对夹紧物体的有效切割。整体安装拆卸简单，切割安全可靠。

2 工作原理及技术参数

2.1 工作原理

由于喷射切割机构在切割过程中需保持整体的稳定性，因此被切割物体需要被夹紧。利用液压缸可以快速实现夹紧。液压缸采用双活塞双活塞杆的油缸，结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。如同两个连体的双作用活塞液压缸，液压缸双活塞杆分别与左右射流轨道通过螺纹连接，当液压缸伸缩时，可带动轨道夹紧与松开。液压缸伸出端通过螺纹与射流轨道相连接。为保证液压缸活塞杆带动射流轨道伸缩时不发生偏移现象，在上安装板上面铣键槽并在轨道槽内添加导向键[1]。为适应不同尺寸的被夹紧物，在射流轨道上安装有夹持块，一方面可以通过夹持块调节夹持尺寸，另外一方面可以利用夹持块上的齿形槽增加夹持的摩擦力。首先根据要切割管体直径调整轨道防磨块尺寸并用螺栓拧紧。利用吊机和吊带将机构吊起完成和机械臂螺栓连接。液压马达、液压缸管线与机械臂之间采用快插接头，机构固定好后快插接头公与母直接插入并将高压弯头与高压管线连接好。夹紧前，液压缸和液压马达进行试操作验证各部件运转灵活性。试操作结束后将液压缸伸出至最大夹持距离，两侧移动块处于轨道最前端。待被切割管体进入左右轨道之间的防磨块后将液压缸杆收回，升高液压缸压力至额定工作压力10 MPa，此时液压缸达到额定工作拉力2 t。一侧液压马达供液，移动块开始移动。高压管线供液切割头开始切割作业，单趟切割完成后，液压马达和高压管线停止供液。同时，另一侧液压马达和高压管线供液，切割头进行另一侧切割作业。切割作业完成后，液压缸杆伸出至极限位置，此时机构可脱离开被切割物 。

2.2 技术参数

技术参数如表1所示。

表1 双臂切割执行机构技术参数

3 力学分析

3.1 夹紧力分析

液压缸为双向伸缩，两侧受力相同，因此将一侧射流轨道单独拿出进行受力分析。由于射流轨道重，因此整体向右侧倾斜，竖直方向受力如图2所示。

图2 轨道受力简图

如图3左侧构件重量30 kg，液压管线附加15 kg，G 为450 N。右侧重力为85 kg，液压管线附加15 kg，G 为1 000 N。

图3 射流轨道受力简图

根据力平衡和力矩平衡，得到：

当液压缸收缩加紧切割件时，F1和F2将产生摩擦。上下安装板及射流轨道均采用TC4，摩擦系数取0.3，F1=1 080 N，F2=1 515 N。当产生加紧力时，导向块克服夹紧力产生的反扭矩。同时，导向块增加了摩擦力。因此，随着拉力的增大，夹紧力增大； 随着距离的增加，夹紧力减小；夹紧力的大小与摩擦系数有关。喷射反力P是高压流体作用在物体上产生的，大小与压力和喷嘴直径有关。取排量30 L/min,喷嘴直径1 mm，喷射压力250 MPa,则喷射反力。

当液压缸拉力达到最大1 t时，夹紧力为1 414.35 N，远大于喷射反力，因此，喷射反力基本不会对加紧产生影响。

3.2 喷射系统

喷射切割机构是切割执行机构的主体，利用喷射原理实现对材料的切割。由于高压硬管较长，弯头受管线拉力容易弯曲变形。在喷嘴安装板上加工安放孔，将弯头下部放置于孔内，由喷嘴安装板平衡管线重量如图4所示。由于高压硬管较长，弯头受管线拉力容易弯曲变形。在喷嘴安装板上加工安放孔，将弯头下部放置于孔内，由喷嘴安装板平衡管线重量。以喷枪、夹持机构、移动块以及液压管线为整体进行受力分析如图5。

图4 喷射系统

图5 喷射系统受力分析图

根据力平衡和力矩平衡，得到：

根据计算结果分析如果选用丹佛斯马达OMM20，输出扭矩25 N·m，因此，马达能够满足工作要求。

4 结语

(1)新设计的双臂切割执行机构可以在远距离实现远程切割，以解决井控应急中的人员无法靠近危险区域的实际困难；(2)通过理论计算喷射反力基本不会对产生影响，保障了整机的稳定性；(3)切割机械臂作业时，需在作业井口附近30 m左右范围内停靠一作业支持平台(可为平台或支持船)，且该平台具备较好的升沉补偿能力，以保障切割精度[2]。