天然气水合物样品转移装置卡爪机构设计

2016-05-06温明明刘俊波耿雪樵刘方兰

江苏船舶 2016年1期

关键词：结构分析结构设计

温明明,刘俊波,耿雪樵，肖　波,刘方兰,盛　堰

(1.广州海洋地质调查局，广东广州 510075；2.浙江大学海洋学院，浙江舟山 316021)

天然气水合物样品转移装置卡爪机构设计

温明明1,刘俊波2,耿雪樵1，肖波1,刘方兰1,盛堰1

(1.广州海洋地质调查局，广东广州 510075；2.浙江大学海洋学院，浙江舟山 316021)

摘要：样品转移卡爪是天然气水合物保压转移装置的重要关键部件，其功能是实现在维持内压的情况下抓取并移动天然气水合物样品管。基于降低对样品的扰动、提高抓取及脱离样品管的成功率等因素考虑，提出一种结构精巧的样品管抓取的卡爪机械结构，并对关键部件进行受力分析。实验表明，该样品管卡爪机构能够有效抓取及脱离样品管，该设备研制成功加快了样品转移装置研制的进展。

关键词：天然气水合物；保压转移；卡爪；结构设计;结构分析

0引言

天然气水合物是一种优质高效的燃料。据理论计算，1 m3饱和天然气水合物在标准条件下可释放出150～200 m3的甲烷气体，是其他非常规气源岩(诸如煤层气、黑色页岩)能量密度的10倍、常规天然气能量密度的2～5倍[1]。我国南海和东海的天然气水合物储量丰富，研究及实现天然气的有效采集，对我国具有巨大的经济及战略意义。

天然气水合物稳定存在于一定的低温高压条件下。当开采岩心提升到常温常压的海面时，其中含有的天然气水合物组分会全部或大部分分解，达不到原位勘探目的[2]。在“十五”、“十一五”863计划支持下，我国现有的深海沉积物采样器可以在深海取到天然气水合物样品并进行保压[3—5]。为了更好研究天然气水合物的物理性质，样品在由甲板转移到实验室的过程中需要全程保压，但是这一技术的提供主要由国外公司垄断，国内暂无保压转移的设备，关键环节的缺乏导致研究效果不理想。

课题组目前正在研制海底天然气水合物保压样品转移装置，其中与保压取样器样品管对接的样品管抓取装置就是本课题的关键研制内容之一。本文提出了一种带压下的抓取样品管的卡爪机构，其结构小巧，可嵌入样品管内，抓取、脱离样品管时快速可靠，通过对卡爪机构的有限元分析，并结合卡爪样品管及拉管试验，验证了卡爪的抓取能力。

1保压转移装置机构及工作原理

1.1保压转移装置机构组成

保压转移装置机构示意图如图1所示。保压转移装置由样品抓取及推送单元、切割及卡紧单元、球阀、声波检测单元、保压取样器依次连接而成。

图1　保压转移装置机构示意图

1.2样品保压转移实现过程

(1)对接过程：取样器与深海沉积物保压取样转移装备对接，此时球阀均处于关闭状态，系统进行加压，系统压力平衡后，打开球阀。

(2)抓取过程：卡爪机构依次穿过切割及卡紧单元、声波检测单元进入取样器，卡牢样品管。

(3)切割过程：卡爪机构带动样品管穿过切割及卡紧单元，在外置电机的作用下，刀头由外而内切割样品管。

(4)取样器脱离过程：切割剩余的样品管被顶回取样器后，卡爪机构后退回样品抓取及推送单元，关闭球阀，将取样器与保压转移装置分离，完成样品保压转移。

2样品管卡爪机构及工作原理

2.1卡爪机构设计

卡爪机构主要功能是抓取样品管并进行回拉，在达到位置后实现自动脱扣，保证样品管进入保压储存舱。卡爪机构设计图如图2所示。卡爪以螺纹杆为依托，在螺纹杆左端通过顶杆转轴连接顶杆，顶杆顶部安装换针，再通过滑杆嵌入推筒十字槽，套上螺母套和给进转头，在特制螺钉的限位作用下旋转给进转头来推进或回拉换针，达到抓取样品管和脱扣的目的。

1.推筒　2.螺纹杆　3.螺母套　4.给进转头　5.特制螺钉

2.2工作原理

卡爪的工作过程如图3所示。卡爪工作过程主要分为前进、抓取、回拉、脱扣等4个步骤。

图3　卡爪工作过程

(1)前进过程：卡爪初始状态是顶杆连带换针处于收缩状态,卡爪前进时，给进转头不旋转且与螺纹杆保持相对静止，卡爪在外力推动下逐渐进入样品管。

(2)抓取过程：当卡爪进入抓取状态时，给进转头处于旋转过程中，特制螺钉在限位槽中向卡爪尾部移动，直至限位槽末端时，停止旋转给进转头，此时顶杆已与螺纹杆垂直，换针已深入样品衬管。

(3)回拉过程：此过程与前进过程相似。在外力作用下，带动卡爪回拉，由于换针已垂直顶入样品管，从而带动样品管移动。此时卡爪各个零件间保持相对静止，给进转头不旋转。

(4)脱扣过程：此时在给进转头反转作用下，螺纹杆相对推筒向卡爪尾部移动，通过顶杆转轴及滑杆的作用将顶杆向推筒的十字槽内部拉，从而将顶杆顶部的换针拉出样品管，达到脱扣目的。最后在外力拖动下将卡爪拉出样品管，样品衬管即与卡爪脱离。

3卡爪受力分析及仿真

3.1螺纹杆有限元分析

由于螺纹杆是卡爪安装的受力基座，其力学性能的好坏直接影响到卡爪是否能有效抓取样管。螺纹杆的力学有限元分析可分为2种情况，第1种是螺纹杆不动，给进转头运动带动推筒运动，产生向前或向后的拉力使顶杆带动换针脱出或插入样品衬管；第2种是在螺纹杆已抓取好样品衬管后受到螺纹杆装置的拉动向后运动。

第1种工况情况，针对图4(a)分析可知，螺纹杆受到的最大应力为59.2 MPa。

图4　螺纹杆应力

第2种情况，由图4(b)分析可知，螺纹杆所受最大应力为13.5 MPa，远小于材料许用屈服强度620 MPa要求，但其直径的大小还得考虑到螺纹杆推进过程的抗弯特性。

从图4分析可知，2种情况下螺纹杆的设计均符合受力校核。

3.2给进转头有限元分析

给进螺母旋转到限位位置后停止，在螺纹杆被回拉时，给进转头受到螺母套的作用向上提，此时以给进转头的螺纹面作为固定约束进行力学分析，施加1 500 N的力作用于被螺母套扣住的面，应力分析结果如图5所示。从图5分析可知，给进转头受到的最大应力为5.9 MPa，该值远小于最大许用应力530 MPa，所以给进转头满足受力校核。

3.3推筒有限元分析

在螺纹杆处于第2种运动状态的时候，推筒处于临界状态，受到了滑杆对他向前的拉力，把与螺母套接触面设为固定几何体，滑杆对它有一种向前的推力作用，应力分析结果如图6所示。从图6中可知，推筒受到的最大应力为130 MPa，满足最大许用应力530 MPa的校核要求。

图5　给进转头应力分析图

图6　推筒应力分析图

3.4换针有限元分析

由于换针尖端需要插入样品管塑料壁，以顶杆固定螺纹面为固定约束进行受力分析。其换针针端受到最大的压力为1 750 N，则其水平方向可获得1 500 N的拉力。以此为受力初始条件进行应力分析，结果如图7所示。由分析可知，换针产生的最大应力值为309 MPa，小于最大许用应力530 MPa，满足设计受力校核。

4卡爪机构试验

为验证卡爪机构的实际力学特性，对其进行了卡爪机构的载重拉力试验。试验时在样品管上对称设置钻孔并穿上钢丝绳紧固，下端悬挂重力块，逐步增加重力块的重量，直至卡爪与样品管脱离，记录极限重量，从而反映换针的卡取样品管效果。试验过程中，从30 kg的重量开始加起，每加一次重块停留15 min，直至达到300 kg，看看卡爪与样品是否脱落。实验表明，加重块达到300 kg后，卡爪依旧没有脱落,证明本卡爪的抓紧力是可靠的。