王才東 王立權(quán) 趙冬巖 孟慶鑫

1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，鄭州，450002 2.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱，150001

3.海洋石油工程股份有限公司，天津，300451

0 引言

海底輸油氣管道是連續(xù)輸送大量油氣快捷、安全和經(jīng)濟(jì)可靠的運(yùn)輸方式，已廣泛應(yīng)用于海上油田的開發(fā)。淺水的海底管道主要是通過專業(yè)的潛水員下水操縱連接或焊接人員進(jìn)入水下密封艙對(duì)管道進(jìn)行焊接作業(yè)［1－2］，而受深水惡劣作業(yè)環(huán)境的限制，水深大于300m的石油管道連接需依靠自動(dòng)化連接機(jī)具完成。深水石油管道的連接常用法蘭式連接形式，主要有螺栓式連接、卡鉗式連接、卡爪式連接。挪威Acergy公司、美國(guó)Sonsub公司、瑞士All Seas Group公司等已開展了深水管道法蘭連接機(jī)具的研究［3－4］，我國(guó)海洋石油工程股份有限公司與哈爾濱工程大學(xué)也聯(lián)合開展了深水管道自動(dòng)化連接機(jī)具方面的研究工作［5］。

我們?cè)谘芯繃?guó)外法蘭連接機(jī)具的基礎(chǔ)上，結(jié)合水下作業(yè)的具體要求，提出深水管道法蘭連接機(jī)具總體方案。成組螺栓的夾緊定位是法蘭連接機(jī)具設(shè)計(jì)的難題，是關(guān)鍵技術(shù)之一，本文主要研究成組螺栓的夾緊與定位機(jī)構(gòu)。

近年來，人們開展了工件夾緊定位裝置的研究。文獻(xiàn)［6］研發(fā)了一種真空夾持工具，利用真空吸附原理，采用真空吸盤將鈑金零件吸附固定在定位裝置上，解決了鈑金零件剛度差、不易夾緊固定的問題。文獻(xiàn)［7］設(shè)計(jì)了一種新型的隨行夾具定位機(jī)構(gòu)，可滿足組合機(jī)床自動(dòng)線隨行夾具上的工件自動(dòng)定位夾緊的要求。文獻(xiàn)［8］研究了鋁質(zhì)薄壁筒件切削加工的自動(dòng)裝夾技術(shù)。文獻(xiàn)［9－10］研究了多件夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、夾緊力計(jì)算及優(yōu)化方法。綜上，目前關(guān)于夾具的研究多集中在機(jī)械加工中工件的定位，其研究成果不適用于法蘭連接機(jī)具對(duì)螺栓的夾緊定位要求。法蘭螺栓連接機(jī)具需同時(shí)對(duì)20個(gè)螺栓夾緊定位，并且螺栓是環(huán)形均布的。

變自由度機(jī)構(gòu)是一種機(jī)構(gòu)自由度在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生變化且具有確定運(yùn)動(dòng)規(guī)律的機(jī)構(gòu)，是現(xiàn)代機(jī)構(gòu)中一種新的概念。20世紀(jì)90年代開始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了變自由度機(jī)構(gòu)的理論與應(yīng)用研究［11－12］。變自由度機(jī)構(gòu)可根據(jù)不同任務(wù)而改變構(gòu)態(tài)，因而它能解決傳統(tǒng)的定自由度機(jī)構(gòu)所不能解決的一些難題，對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

本文運(yùn)用變自由度機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)一種新型螺栓夾緊定位機(jī)構(gòu)來滿足水下管道法蘭連接機(jī)具成組螺栓定位需求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析和試驗(yàn)研究。

1 水下管道法蘭連接機(jī)具螺栓夾緊機(jī)構(gòu)方案分析

1.1 水下管道法蘭連接機(jī)具總體方案

通過系統(tǒng)的功能分析和結(jié)構(gòu)分析，采用模塊化設(shè)計(jì)方法對(duì)水下管道法蘭連接機(jī)具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。按照各部件完成的功能不同，將機(jī)具劃分為六大模塊：螺栓庫(kù)、螺母庫(kù)、拉伸模塊、支撐機(jī)架、內(nèi)基架、卡爪等。機(jī)具的三維模型如圖1所示。

圖1 水下法蘭連接機(jī)具樣機(jī)模型

法蘭連接機(jī)具作業(yè)過程如下：水下機(jī)器人ROV（remotely operated underwater vehicle）與連接機(jī)具實(shí)現(xiàn)對(duì)接，并將機(jī)具定位于管道上方，在水下視頻監(jiān)控下，卡爪抱緊管道，保證機(jī)具與管道的相對(duì)定位；螺母庫(kù)、螺栓庫(kù)、拉伸器庫(kù)的庫(kù)體閉合；調(diào)孔機(jī)構(gòu)調(diào)孔，庫(kù)體推進(jìn)液壓缸驅(qū)動(dòng)探針機(jī)構(gòu)插入旋轉(zhuǎn)環(huán)法蘭的螺栓孔，探針驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)環(huán)法蘭旋轉(zhuǎn)，使其螺栓孔與固定法蘭螺栓孔對(duì)齊；庫(kù)體推進(jìn)液壓缸驅(qū)動(dòng)螺栓庫(kù)攜帶螺栓軸向運(yùn)動(dòng)，使螺栓穿過法蘭螺栓孔；螺母庫(kù)軸向前進(jìn)，使螺栓進(jìn)入套筒扳手中，套筒扳手將螺母擰入螺栓。拉伸器模塊拉伸螺栓至指定長(zhǎng)度，套筒扳手?jǐn)Q緊螺母，完成兩管道的連接作業(yè)；最后，螺栓庫(kù)釋放螺栓，3個(gè)工具庫(kù)復(fù)位。

1.2 變自由度螺栓夾緊機(jī)構(gòu)組成及工作原理

螺栓庫(kù)的主要功能是攜帶螺栓，是水下法蘭自動(dòng)連接機(jī)具的核心部件，其設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：①在調(diào)孔運(yùn)動(dòng)過程中，應(yīng)保證3個(gè)工具庫(kù)沿管道周向運(yùn)動(dòng)的同步性，否則各庫(kù)體間會(huì)產(chǎn)生一定的角度偏差，使螺母不能擰入螺栓；②螺栓夾緊機(jī)構(gòu)能夠同時(shí)夾緊20個(gè)螺栓，并保證定位精度，具有自鎖功能，夾緊應(yīng)可靠和適當(dāng)；③釋放螺栓，即在螺栓連接完成后使螺栓與螺栓庫(kù)可靠脫離。

設(shè)計(jì)的螺栓庫(kù)由左庫(kù)體、右?guī)祗w、上庫(kù)體、開合結(jié)構(gòu)、齒圈、螺栓夾緊定位機(jī)構(gòu)、螺栓等組成，如圖2所示。

圖2 螺栓庫(kù)

為了便于環(huán)抱管道，螺栓庫(kù)采用三瓣式結(jié)構(gòu)，上庫(kù)體與右?guī)祗w通過銷軸連接，右?guī)祗w的開合運(yùn)動(dòng)由液壓缸驅(qū)動(dòng)完成；左庫(kù)體的開合運(yùn)動(dòng)原理與右?guī)祗w相同。螺栓夾緊定位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)螺栓的夾持與釋放，為保證螺栓的定位精度，采用錐面定位形式。

螺栓夾緊定位機(jī)構(gòu)的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓的定位、夾緊與釋放，是整個(gè)螺栓庫(kù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。由于20個(gè)連接螺栓是環(huán)形分布的，并考慮螺栓庫(kù)的三瓣式結(jié)構(gòu)形式，所以設(shè)計(jì)的螺栓夾緊定位機(jī)構(gòu)采用4個(gè)定位機(jī)構(gòu)的組合形式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖3。4個(gè)螺栓夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)基本相同，每個(gè)夾緊機(jī)構(gòu)均由鎖緊板、鎖緊液壓缸、前（后）內(nèi)定位板、前（后）外夾緊板、限位擋板G及機(jī)架組成。上螺栓庫(kù)體的左右對(duì)稱位置分別安裝一個(gè)定位夾緊機(jī)構(gòu)，左右螺栓庫(kù)上各安裝一個(gè)定位夾緊機(jī)構(gòu)。其中內(nèi)定位板為夾緊機(jī)構(gòu)的定位元件，外夾緊板與鎖緊板共同組成夾緊元件。限于篇幅，僅以螺栓上定位夾緊機(jī)構(gòu)為例，對(duì)其夾緊與釋放螺栓的工作過程進(jìn)行分析，其中圖3a所示為機(jī)構(gòu)的打開狀態(tài)，圖3b所示為機(jī)構(gòu)的鎖緊狀態(tài)。圖3中，Ai、Bi、Di、Ei為轉(zhuǎn)動(dòng)副，Ci為移動(dòng)副，F(xiàn)i為高副，i＝1、2分別代表左右側(cè)夾緊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副。

圖3 螺栓夾緊定位機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

分析螺栓夾緊定位機(jī)構(gòu)在初始狀態(tài)（圖3a所示打開狀態(tài)）的構(gòu)型可知，此時(shí)機(jī)構(gòu)為五連桿機(jī)構(gòu)，其自由度為

式中，F(xiàn)為機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)；n為機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)；PL為機(jī)構(gòu)中低副個(gè)數(shù)；PH為機(jī)構(gòu)中高副個(gè)數(shù)。

螺栓夾緊定位機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件只有一個(gè)，即液壓缸，原動(dòng)件數(shù)目小于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)，根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)相關(guān)理論可知，此機(jī)構(gòu)沒有確定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。此時(shí)，采用變自由度機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。變自由度機(jī)構(gòu)的形成主要有兩種方法：變約束運(yùn)動(dòng)副法、限動(dòng)運(yùn)動(dòng)件法［13］。在此采用限動(dòng)運(yùn)動(dòng)件法進(jìn)行設(shè)計(jì)，即在螺栓的安裝過程中，對(duì)機(jī)構(gòu)增加一個(gè)約束，使機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)。在打開狀態(tài)，根據(jù)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，采用人工輔助的方法限制構(gòu)件1運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)副A1失去作用，此時(shí)機(jī)構(gòu)的構(gòu)件1變?yōu)闄C(jī)架的一部分，機(jī)構(gòu)活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目減少1個(gè)，因此機(jī)構(gòu)變成了平面四連桿機(jī)構(gòu)（曲柄搖塊機(jī)構(gòu)），由機(jī)械原理的基礎(chǔ)知識(shí)可知該機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

（1）螺栓夾緊定位過程。液壓缸2的活塞桿縮回，驅(qū)動(dòng)鎖緊板4逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使鎖緊板的F形斜面與外夾緊板1的端部接觸，在液壓力作用下，外夾緊板對(duì)螺栓施加夾緊力，完成對(duì)螺栓的夾緊定位。螺栓鎖緊后的狀態(tài)如圖3b所示，此時(shí)機(jī)構(gòu)為五連桿機(jī)構(gòu)。為使五連桿機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)，采用變約束運(yùn)動(dòng)副法進(jìn)行設(shè)計(jì)，將外夾緊板1的端部設(shè)計(jì)成弧形，使其與鎖緊板4的接觸處形成一個(gè)高副F1（圖3b），螺栓夾緊機(jī)構(gòu)自由度為

（2）螺栓釋放過程。螺栓釋放初始階段，在液壓力作用下，液壓缸2的活塞桿伸出，帶動(dòng)鎖緊板4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，鎖緊板4與外夾緊板1逐漸分離；當(dāng)二者完全分離后，高副F1失去作用。同時(shí)，鎖緊板4與限位擋板G接觸，鎖緊板4變?yōu)闄C(jī)架的一部分，限制了鎖緊板4的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)副E1失去作用，此時(shí)機(jī)構(gòu)變?yōu)槠矫嫠臈U機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)）。顯然，機(jī)構(gòu)自由度的變化是由構(gòu)件4、限位擋板G從非接觸到接觸（4變成機(jī)架）的變化引起的。此后過程中，液壓缸活塞桿繼續(xù)伸出，驅(qū)動(dòng)外夾緊板1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使螺栓完全脫離外夾緊板。機(jī)構(gòu)恢復(fù)為打開狀態(tài)（圖3a）。

1.3 螺栓夾緊機(jī)構(gòu)的水下密封

在水下作業(yè)環(huán)境下，夾緊機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)液壓缸要承受外界水的壓力，因此對(duì)其密封性要求較高。采用帶彈簧式壓力補(bǔ)償器的液壓系統(tǒng)，壓力補(bǔ)償器內(nèi)部由一個(gè)帶彈簧的活塞分成兩腔，一腔內(nèi)為壓力補(bǔ)償油，另一腔則直接通向外界海水環(huán)境。海水的壓力可以通過活塞傳遞給壓力補(bǔ)償油，活塞的運(yùn)動(dòng)使彈簧產(chǎn)生一個(gè)反力，可以使內(nèi)部補(bǔ)償油的壓力稍大于外部壓力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境壓力的自動(dòng)平衡補(bǔ)償。

驅(qū)動(dòng)液壓缸的密封采用特殊設(shè)計(jì)，活塞桿與缸體間的密封采用兩層格萊圈進(jìn)行密封。格萊圈由一個(gè)填充聚四氟乙烯（PTFE）的方形滑環(huán)和一個(gè)橡膠O形圈組合而成，O形圈提供足夠的密封預(yù)緊力，并對(duì)PTFE滑環(huán)的磨耗起補(bǔ)償作用。格萊圈具有雙向密封效果，既防止液壓油泄漏又防止海水內(nèi)滲。

2 螺栓夾緊機(jī)構(gòu)力學(xué)分析

2.1 螺栓夾緊機(jī)構(gòu)受力分析

為保證螺栓的定位精度，螺栓夾緊定位機(jī)構(gòu)采用錐面定位方式，螺栓尾部加工成錐桿形式，與內(nèi)外夾緊板組成的定位圓錐孔相配合實(shí)現(xiàn)錐面定位，同時(shí)保證了環(huán)形分布的20個(gè)螺栓的同軸度，如圖4所示。螺栓的錐面定位方式?jīng)Q定了連接機(jī)具所使用的螺栓必須進(jìn)行特制。

圖4 螺栓錐面定位示意圖

螺栓夾緊定位機(jī)構(gòu)對(duì)螺栓的夾緊應(yīng)具有自鎖性，以保證定位可靠。錐面定位自鎖，要求設(shè)計(jì)的夾緊板的錐孔和螺栓的錐桿的半錐角α應(yīng)小于材料的摩擦角φ1。螺栓與夾緊機(jī)構(gòu)的材料均為鋼材質(zhì)，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)并依據(jù)具體作業(yè)狀況，可知其摩擦因數(shù)為0.1～0.15，對(duì)應(yīng)的摩擦角φ1為5°43′～8°32′。設(shè)計(jì)中取α＝3.5°。

螺栓夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)螺栓的夾持力由前后兩個(gè)外夾緊板提供，理想狀態(tài)下當(dāng)螺栓處于豎直面內(nèi)時(shí)所需的夾持力最大，此時(shí)螺栓的受力如圖5所示。

圖5 螺栓受力分析圖

各力對(duì)O點(diǎn)取矩，寫出螺栓力矩平衡方程，有

式中，G為重力，N；F1為前外夾緊板作用力，N；F2為后外夾緊板作用力，N；L為重力力臂，mm；L1為F1力臂，mm；L2為F2力臂，mm。

假設(shè)前后的外夾緊板對(duì)螺栓的作用力相同，即F1＝F2，并將G＝66.7N，L＝241.63mm，L1＝15mm，L2＝85mm代入，可得F1＝F2＝161N。

2.2 螺栓夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析

設(shè)計(jì)的螺栓夾緊機(jī)構(gòu)構(gòu)件較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接在ADAMS中建立模型比較困難。由于螺栓夾緊機(jī)構(gòu)的4個(gè)定位夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)基本相同，因此以左上定位夾緊機(jī)構(gòu)為例，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。利用三維建模軟件Solidworks建立機(jī)構(gòu)的三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，刪除螺釘?shù)裙探Y(jié)裝置。將模型保存為計(jì)算機(jī)圖形交換格式（IGES），然后將其導(dǎo)入到 ADAMS中［10］，設(shè)置各剛體的材料屬性、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)，創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副，定義模型屬性并施加約束。建立的ADAMS模型如圖6所示。為了便于檢測(cè)各個(gè)螺栓的受力狀態(tài)，在外夾緊板與螺栓間添加了傳感器，定義圖6中從左至右順時(shí)針依次為1～5號(hào)螺栓。

圖6 螺栓夾緊機(jī)構(gòu)ADAMS模型

完成螺栓夾緊機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模后，根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)驅(qū)動(dòng)部件添加驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。螺栓的受力曲線如圖7所示。

圖7 螺栓受力分析圖

由圖7可以看出，在開始0～3s階段，夾緊機(jī)構(gòu)處于打開狀態(tài)（圖3a），鎖緊板與限位擋板間作用力為84.5N，此力為克服支撐液壓缸與外鎖緊板的重量所需力。3～6.8s間，各螺栓的受力為零，此時(shí)液壓缸驅(qū)動(dòng)上鎖緊板順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，靠近螺栓，但尚未與螺栓接觸。6.9s開始，螺栓開始受到外加夾緊板的壓緊力，螺栓1最先受到鎖緊板的夾緊力，并且其增大速度最快。這是因?yàn)槁菟?最靠近外夾緊板的轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸。螺栓5在10.6s才開始受力，說明此時(shí)外鎖緊板才與螺栓5接觸，這與實(shí)際情況相符。由圖7可以看出，在10.8s時(shí)受力曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，受力變化變緩，由于此時(shí)外鎖緊板與5個(gè)螺栓均接觸，為了使得各螺栓受力平穩(wěn)，此時(shí)液壓缸活塞桿的輸出速度降低。在16.1s時(shí)，鎖緊板到達(dá)預(yù)定位置，此時(shí)各螺栓的受力達(dá)到最大值，具體數(shù)值見表1。由表1，可得螺栓受到的最大力為212.8N，最小力為182.3N，均大于螺栓可靠定位所需的夾緊力161N，滿足螺栓夾緊定位要求。

表1 螺栓的夾緊力 N

3 螺栓夾緊試驗(yàn)

為了驗(yàn)證螺栓夾緊定位機(jī)構(gòu)方案的可行性，研制了螺栓夾緊定位機(jī)構(gòu)樣機(jī)，如圖8所示。

圖8 螺栓夾緊定位機(jī)構(gòu)

為驗(yàn)證螺栓夾緊機(jī)構(gòu)定位的準(zhǔn)確性，在試驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了螺栓夾緊定位與螺母引入試驗(yàn)，如圖9所示。試驗(yàn)過程如下：①打開螺栓夾緊機(jī)構(gòu)，完成準(zhǔn)備工作（圖9a）；②完成機(jī)具的裝配和螺栓的夾緊定位后，通過調(diào)整螺栓庫(kù)轉(zhuǎn)角調(diào)整機(jī)構(gòu)，使螺栓與法蘭孔的軸線對(duì)準(zhǔn)（圖9b）；③螺栓庫(kù)攜帶螺栓前進(jìn)穿入固定法蘭螺栓孔（圖9c）；④螺栓穿入活動(dòng)法蘭（圖9d）；⑤螺栓庫(kù)前進(jìn)到預(yù)定位置時(shí)，螺母庫(kù)攜帶螺母前進(jìn)與螺栓接觸，同時(shí)套筒馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)螺母旋入螺栓（圖9e）；⑥完成連接后，螺栓夾緊機(jī)構(gòu)庫(kù)釋放螺栓（圖9f）。

試驗(yàn)結(jié)果表明：螺栓夾緊定位機(jī)構(gòu)可以滿足20個(gè)螺栓的夾緊定位要求，定位精度較高，使得20個(gè)螺栓可以同時(shí)插入法蘭螺栓孔并同時(shí)引入螺母；在管道法蘭螺栓連接完成后，螺栓夾緊機(jī)構(gòu)能夠可靠釋放螺栓。多次試驗(yàn)表明，夾緊機(jī)構(gòu)完成全部螺栓的夾緊定位約需4.5min，滿足法蘭連接機(jī)具工作效率要求。

4 結(jié)論

（1）運(yùn)用變自由度設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一種新型螺栓夾緊定位裝置，該裝置可用于環(huán)形分布成組螺栓的夾緊定位。

（2）建立了螺栓夾緊機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行了螺栓的夾緊作業(yè)過程的動(dòng)力學(xué)仿真，結(jié)果表明，成組螺栓受力均勻，滿足螺栓夾緊定位需求。

（3）螺栓夾緊定位機(jī)構(gòu)樣機(jī)試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的螺栓夾緊機(jī)構(gòu)能完成螺栓的夾緊定位與釋放，能保證成組螺栓的定位精度，使螺栓引入螺母。

圖9 螺栓夾緊試驗(yàn)

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