王海波，張嵐，孟慶鑫，王喆

(1.吉林化工學院機電工程學院，吉林吉林132022;2.哈爾濱工程大學機電工程學院，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，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?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 繩鋸機結(jié)構(gòu)

如圖1所示，廢棄平臺樁基拆除繩鋸機本體主要由支撐結(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工作效率及安全性，夾緊過程中夾緊力的計算可以采用多目標優(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的固定效果是不一樣的，接觸面的結(jié)構(gòu)即齒形設(shè)計是否合理是關(guān)鍵因素。

圖1 繩鋸機的本體結(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雜。為了繩鋸機安全可靠地工作，必須對它的關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

圖2 繩鋸機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工作時候的復雜載荷。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)學模型為:

圖3 夾緊齒有限元模型

根據(jù)相關(guān)力學理論，取f=B－2 ×R 為目標函數(shù)，齒根寬B、齒高H 和齒根曲率半徑R 為設(shè)計變量。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行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)實際工作條件，簡化后的有限元優(yōu)化設(shè)計模型如圖6所示，表面曲線優(yōu)化過程中的數(shù)學模型為:

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)計區(qū)域，Λ 為設(shè)計過程中光滑連續(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 點的曲率半徑作為設(shè)計變量，取D1D2D3路徑方向上的最大工作應(yīng)力作為目標函數(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)化計算后得到的從點1 到點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 夾緊塊夾緊齒實驗研究

根據(jù)繩鋸機夾緊齒關(guān)鍵尺寸及表面尺寸優(yōu)化設(shè)計結(jié)果加工了繩鋸機夾緊齒，進行了夾緊塊實驗，如圖9。

圖9 夾緊塊實驗過程

實驗中，首先由繩鋸機夾緊裝置夾緊樁基，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，在繩鋸機的機體上，加上水下繩鋸機在水下工作時的最大預估載荷［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。實驗證明:在實驗室當量載荷作用下，繩鋸機能夠穩(wěn)定地夾緊到樁基上，優(yōu)化設(shè)計的夾緊塊齒形能夠滿足要求。實驗中的夾緊齒與樁基夾痕如圖10所示。

圖10 夾緊齒及實驗夾緊痕跡

6 結(jié)論

通過對廢棄平臺樁基拆除繩鋸機夾緊瓣上夾緊塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析，采用優(yōu)化的方法，對該夾緊塊的關(guān)鍵尺寸進行了計算，根據(jù)計算結(jié)果進行了設(shè)計制造。實驗表明:優(yōu)化設(shè)計后的夾緊塊能夠滿足設(shè)計要求，能夠安全穩(wěn)定地工作，從而為繩鋸機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.水下金剛石繩鋸機設(shè)計及原理實驗樣機實驗研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，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)用實例教程［M］.北京:科學出版社，2005.

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

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