深水多功能管道作业机具倒角吃刀量动态误差研究

深水多功能管道作业机具为水下特种作业机具,该机具一次装夹,完成去除管道表面防腐层、钻孔、切断管道、管端内/外倒角和去除管道焊冠6种作业。机具装夹时,刀盘回转中心与管道圆心客观存在定心误差,导致管端倒角去除毛刺作业时吃刀量误差动态变化,误差较大时出现打刀现象。针对该问题,基于三点定圆原理,提出采用3套激光测距传感器自动测量管道圆心相对刀盘回转中心偏差的测量方法,推导了刀位点吃刀量动态误差数学模型,完成了样机陆上自动控制倒角吃刀量性能试验。试验验证了定心误差测量方法及吃刀量误差控制的有效性,解决了机具水下作业时,管端倒角作业吃刀量变化大、出现打刀的关键技术难题,为机具水下安全作业提供了技术保障。

深水多功能管道作业机具切削系统设计与试验研究

针对深水X70钢级管道维修时磨削防腐层时易过切、切断困难及多种机具配合作业效率低的问题,提出了"一次"装夹,多工序加工的新型多功能维修机具方案。机具通过铣削方法切断管道、去除焊冠、内外倒角,基于波形刃铣刀机床铣削实验,获得了铣削力经验公式;采用研磨盘去除防腐涂层,并设计了一种自适应管椭圆度变化的旋转柔顺机构,进行了磨削工具的水下作业力学分析;完成了机具的设计、制造及陆上作业试验。结果表明:磨削阻力矩随磨削压力和作业工具半径的增大显著增大;大直径波形刃铣刀切割X70钢级大壁厚管道时不夹刀、切管时间短;铣削力随刀具转速及进给速度的增大而增大,当铣削力达到5 000 N时,机具颤振明显;陆上试验与预期相符,验证了该方案的合理性,为工程样机的研制奠定了技术基础。

深水多功能管道维修机具夹紧装置的研制

为了解决深水海域多功能管道维修机具作业时稳定夹紧管道以及刀盘与管道保持同心的技术难题，提出了“双臂”抱紧式自定心管道夹紧装置的设计方案。该方案由两组对称的平行四边形双摇杆机构和摇块机构组成；以运动和传动为约束条件，对夹紧装置几何参数的求解进行了研究，建立了夹持点摩擦力矩与驱动力关联力学模型；以管径介于304．8～457．2mm的管道为实例，设计制造了夹紧装置及机具，并进行了水下作业ADMAS仿真及陆上切割与坡口试验。结果表明：①油气管道管径越小，夹紧装置摇块机构的传动角越小，液压缸行程和双摇杆机构的传动角越大；②夹紧装置驱动力随油气管道管径的增加而增加，当管径达到457．2mm时，夹紧装置液压缸驱动力应大干10219N；③初始切割管道时，机具将产生微小晃动，使刀具进给量突然增大，此时应采用小进给方式；④陆上试验结果与理论设计和仿真结果的吻合度较高，验证了该方案的合理性。该项成果为相关工程样机的研制奠定了技术基础。