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 前言

在海洋石油开发过程中，各作业公司均把海洋石油开发应急管理作为首要任务，在应急情况下，由于受空间和环境等影响因素，人员无法进行近距离作业，为解决这一现状，本文以机械臂为载体，设计研发出一套适用于远距离切割单臂执行机构，以解决应急情况下实现远距离切割。解决现有环境下人员无法靠近危险区域，实现井控应急快速反应[1]。

1 方案设计

臂切割执行机构包括单臂横向切割执行机构和单臂纵向切割执行机构。如图1 所示。

单臂横向切割执行机构由法兰盘、连接筒、旋转系统、喷射切割系统和清障钩如图2 组成。

法兰盘通过螺栓螺母固定方式保证了机构整体与机械臂连接稳固。

连接筒一端有安装孔与法兰盘通过螺栓螺母连接。连接筒另一端，射流轨道深入其内部，并利用螺钉进行定位，保证射流轨道在工作时不会产生晃动。

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。

单臂纵向切割执行机构由法兰盘、支撑架、旋转系统和喷射切割系统组成。各部分功能与单臂横向切割执行机构相同。支撑架支撑整体结构，其上有定位孔，保证与射流轨道的稳定连接。支撑架上有安装孔，与法兰盘通过螺栓螺母实现与机械臂连接。

图1 单臂横向切割执行机构

图2 清障钩总体方案

清障钩由大钩、锁块和法兰盘组成。大钩是清障钩的主要部件，在作业现场可快速将可钩取的障碍物移除以便进行其它作业。锁块是锁紧大钩的重要组件，它可以防止清障钩与机械臂之间脱扣。法兰盘通过螺栓螺母固定方式保证了机构整体与机械臂连接稳固。首先利用吊机和吊带将机构吊起完成和机械臂螺栓连接。利用机械臂摄像头调整机构与被钩障碍物位置，确保障碍物能被正确钩取到。伸缩机械臂，拉动清除障碍物。机械臂最大拉力不超过1.5 t。若超过1.5 t，障碍物未拉动，则放弃，采取其他清除措施。

2 工作原理及技术参数

2.1 工作原理

利用吊机和吊带将机构吊起完成和机械臂螺栓连接。液压马达与机械臂之间采用快插接头，整体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。液压马达进行试运转验证丝杠、滑块运转灵活性。利用机械臂调整机构与被切割物体之间的位置。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，切割完成后，液压马达和高压管线停止供液。切割作业完成后，机械臂将切割执行机构收回。完成切割作业后，拆卸双切割机构，进行维护和保养[2]。

2.2 技术参数

2.2.1 单臂横向切割执行机构技术参数如表1 所示。

表1 单臂横向切割执行机构参数

2.2.2 切割速度参数

往复丝杠的导程是30 mm，通过更换减速器和调节工作站排量，可实现切割速度25～500mm/s 可调，切割技术参数如表2 所示。

表2 减速比1:40时切割速度

3 力学分析

3.1 连接筒受力分析

连接筒材料采用35CrMo，约束螺栓连接处自由度，受765 N 射流轨道重力作用。由图3 可知连接筒最大变形值为0.064 mm，最大应力值为35.4 MPa，发生在变径处，远小于屈服强度650 MPa。

图3 连接筒变形图

3.2 螺纹强度校核

采用M36 螺栓连接如图3，材料为316L，螺栓主要受剪切作用，因此对螺栓进行剪切应力校核。考虑极限受力情况下 ，横向切割机构竖直放置，此时六个螺栓受机构重力765 N。

图4 螺栓位置

3.3 法兰盘受力分析

约束法兰盘连接处自由度，除法兰盘外其他部件重力为1 500 N。材料为35 CrMo，最大变形值为0.005 mm如图5所示，最大应力值为14 MPa，远小于屈服强度650 MPa。

图5 约束法兰盘应力图

3.4 清障钩受力分析

大钩在勾取障碍物时，其前部弯曲部分受力比较集中，此外，大钩还受到自身重力的作用。假定大钩与障碍物之间为线接触，受到障碍物拉力1 t。对锁孔螺纹孔进行位移约束，并利用Solidworks 建立有限元模型，通过施加载荷和约束后进行变形和应力分析。

约束螺栓处自由度，受重力以及10 000 N 拉力作用。清障钩材料为TC4，最大变形值为0.388 3mm，最大应力值为21.24 MPa，远小于屈服强度827.4 MPa。

4 结语

(1) 新研制的单臂切割执行机构，在夹持切割设备的情况下可以实现远距离切割。

(2) 通过理论计算和力学分析整机安全稳定。