王宇臣等

摘 要：文章針對一種新型的由ROV操作的水下卡箍式連接器中的核心結(jié)構(gòu)——卡箍機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，分析其在運(yùn)動過程中的穩(wěn)定性和機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性。通過分析其工作原理，建立了該機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)模型簡圖；針對該機(jī)構(gòu)的鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)，采用解析法建立了卡箍瓣的位移、速度和加速度的數(shù)學(xué)模型，并采用UG對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析。仿真分析結(jié)果可進(jìn)一步對該機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：連接器；鉸鏈機(jī)構(gòu)；運(yùn)動學(xué)

中圖分類號：TE938 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）11-0059-03

1 概 述

近年來，隨著科技的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，世界各國對石油、天然氣資源的需求越來越大。由于陸域資源日益枯竭，各國紛紛將視野轉(zhuǎn)向了資源豐富的海洋。水下石油/天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)作為一種深水油氣開采的新模式，以其開發(fā)成本低、建造周期短、經(jīng)濟(jì)效益高和可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)得到了國際各大海洋石油公司的廣泛關(guān)注和應(yīng)用。天然氣的開采運(yùn)輸都需要大量的管道，隨著海洋油氣資源的開發(fā)，水下必然會布置大量而復(fù)雜的管道，因此，管道安裝就成為非常重要的環(huán)節(jié)。我國海洋工程裝備技術(shù)水平與同領(lǐng)域國外先進(jìn)國家相比存在很大的差距，新型連接技術(shù)需要改善，只有在技術(shù)上取得領(lǐng)先優(yōu)勢，才能夠優(yōu)先開采，獲取更大的國家利益，為了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，開發(fā)新型連接器設(shè)備，成為急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

卡箍式連接技術(shù)是一種新型的水下管道施工系統(tǒng)，雖然相對其他技術(shù)在國內(nèi)的開發(fā)使用起步較晚。但由于卡箍式連接改變了以往傳統(tǒng)的螺栓法蘭式連接通過螺栓預(yù)緊來提供密封軸向力的方式，使得整個連接器的機(jī)構(gòu)小巧且可靠，因此很快被國內(nèi)所接受，如圖1所示。

相對螺栓法蘭式連接器，卡箍式連接器需要較少的螺栓，且螺栓孔的對正精度較低，對法蘭的結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有過多要求，結(jié)構(gòu)簡單。

卡箍式水下連接器在安裝對準(zhǔn)之后，要進(jìn)行上下法蘭的固定和密封圈的密封。

這部分的工作由卡箍部分的運(yùn)動來完成?？ü坎糠质强ü渴剿逻B接器的關(guān)鍵部分，通過它實(shí)現(xiàn)上下法蘭的固定和內(nèi)部的密封，從而實(shí)現(xiàn)油氣管道的連接。

它由三個卡箍瓣和六個卡箍爪和拉緊螺栓組成，三個卡箍瓣通過拉緊螺栓拉緊構(gòu)成一個運(yùn)動機(jī)構(gòu)。

本文采用解析法對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了卡箍瓣的位置、速度和加速度進(jìn)行分析，并采用UG進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析。

2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析

卡箍連接器運(yùn)動機(jī)構(gòu)如圖所示，主要由三個卡箍瓣鉸接而成一條鉸鏈機(jī)構(gòu)，由拉緊螺栓提供驅(qū)動力矩。

卡箍部分運(yùn)動時，卡箍片在拉緊螺栓的力矩M作用下的作用下靠攏，受到力的大小等于力矩M與拉緊螺栓的半徑R的比，即=。

拉力將卡箍片拉緊，使卡箍爪壓緊上下法蘭，上下法蘭受周向預(yù)緊力，并將力傳給密封圈，使密封圈變形與上下法蘭形成線接觸，達(dá)到密封效果。

3 機(jī)構(gòu)位移

當(dāng)卡箍連接器安裝對正后，力矩工具對拉緊螺栓提供轉(zhuǎn)矩，拉緊螺栓通過與左耳軸的右旋螺紋和右耳軸左旋螺紋配合將螺栓的選擇運(yùn)動轉(zhuǎn)換為耳軸的水平運(yùn)動，從而耳軸帶動卡箍片b、c水平運(yùn)動。

由于B、C兩點(diǎn)的運(yùn)動約束在直線y上，且桿AB長度為定值，所以使得卡箍瓣a產(chǎn)生相對于x軸的位移s。

卡箍機(jī)構(gòu)的的簡化模型如圖2所示。

對該機(jī)構(gòu)建立運(yùn)動學(xué)方程：

4 運(yùn)動仿真

建立仿真模型，并設(shè)定連桿、運(yùn)動副和運(yùn)動參數(shù)，其中卡箍爪a=514 mm，b=c=480 mm，設(shè)定拉緊螺栓初速度v=10 m/s。

通過UG中的運(yùn)動仿真分析對卡箍機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析，對桿b、c在時間上的運(yùn)動分析曲線如圖3和圖4所示。

綠色線表示加速度，

藍(lán)色線表示速度，

紅色線表示位移。

由圖3、圖4可以看出曲線形狀大體一致。

圖3中加速度基本為一定值較為平穩(wěn)。速度有階段性波動，總體波動不大，相對較平穩(wěn)，位移成逐漸增大的趨勢。

圖4中加速度在開始階段有一個較大的波動，之后的曲線呈一定值，較為平穩(wěn)。

速度曲線也呈階段性波動。位移曲線在開始階段有一定波動，后期平穩(wěn)增加。如圖5和圖6所示。

由圖5、圖6可以看出兩圖的曲線形狀大體一致。

圖5中加速度曲線在開始階段增加后就在一定范圍內(nèi)波動，整體分析波動趨勢不大，較為平穩(wěn)。速度也在開始階段增加后在一定范圍內(nèi)波動，其波動于加速度的波動變化相一致。位移成平穩(wěn)增加的趨勢。

圖6與圖5曲線變化基本一致，位移曲線上圖6稍有差別，總體變化不大，較為平穩(wěn)。

由對運(yùn)動仿真曲線圖分析可知，仿真結(jié)果與理論公式分析吻合，運(yùn)動平穩(wěn)。

說明機(jī)構(gòu)設(shè)計較為合理，一些階段性的波動不影響整體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動的平穩(wěn)性。

在以后的優(yōu)化設(shè)計中將考慮進(jìn)一步改進(jìn)，以達(dá)到更為平穩(wěn)、更為合理的運(yùn)動機(jī)構(gòu)。

5 結(jié) 語

本文通過對卡箍機(jī)構(gòu)工作原理的分析，建立了該機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)模型簡圖。針對該機(jī)構(gòu)簡化的鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)，采用解析法建立了卡箍的位移、速度和加速度的數(shù)學(xué)模型，并采用UG中的運(yùn)動仿真模塊對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模和運(yùn)動學(xué)分析，得出針對連桿的運(yùn)動分析曲線。仿真分析結(jié)果與理論分析基本一致，較好地驗(yàn)證了卡箍機(jī)構(gòu)運(yùn)動的穩(wěn)定性和設(shè)計的合理性，為卡箍連接器在實(shí)際中的應(yīng)用和對其進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計和研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉洋.可回收式卡爪連接器系統(tǒng)設(shè)計及相關(guān)技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

[2] 劉璐.超大型浮式結(jié)構(gòu)物連接器的概念設(shè)計與分析[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2013.

[3] 閏思江，李凡國.變桿長參數(shù)化四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)仿真[J].機(jī)械傳動，2011，（12）.

[4] 胡家秀.械設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：械工業(yè)出版社，2009.

[5] 胡兆吉，淦吉昌，涂文鋒.卡箍式快開門壓力容器的有限元接觸分析[J].壓力容器，2012，（3）.

[6] 王立權(quán)，王文明，趙冬巖，等.深海管道法蘭連接方案研究[J].天然氣工業(yè)，2009，（10）.

[7] Saeed Moaveni.Finite Element Analysis Theory and Application with ANSYS[J].Pearson Education，2003，（5）.