深水閘板閥ROV傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究
水下閘板閥ROV接口多為移動式，其傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不易制造。為此，設(shè)計(jì)了一種新型閘板閥ROV傳動機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)解決了深水惡劣條件下難以密封、難以承載較大開啟力等設(shè)計(jì)難題，提出了新型ROV傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例對其關(guān)鍵部件螺桿進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。通過對ROV傳動機(jī)構(gòu)整體的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真結(jié)果分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和可行性。ROV傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析方法為深水閥門的設(shè)計(jì)及樣機(jī)研制奠定了理論基礎(chǔ)。
引言
隨著海洋石油天然氣工業(yè)的發(fā)展，深水區(qū)域的油氣資源不斷地被勘探和發(fā)現(xiàn)，水下生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)成為一種重要的深水開發(fā)模式。與此同時(shí)，水下控制系統(tǒng)占據(jù)重要的地位，尤其是深水閥門的應(yīng)用和需求量日趨增加。由于深水閘板閥長期工作在海水環(huán)境，在深水環(huán)境中操作人員無法進(jìn)行現(xiàn)場操作，考慮水下閘板閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障安全性，大多數(shù)深水閘板閥都需要ROV輔助液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥門的開啟和關(guān)閉，因此，有必要為執(zhí)行機(jī)構(gòu)配備標(biāo)準(zhǔn)的ROV接口。
水下閘板閥液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)與陸地閘板閥的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)原理基本相同，但工作環(huán)境不同，因此應(yīng)主要考慮海水腐蝕及深水壓力對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的影響。相比來講，我國對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的研究起步較晚，目前在國內(nèi)研究仍屬空白。通過對國外產(chǎn)品的分析研究，結(jié)果表明其閥門ROV接口多為移動式，ROV傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不易制造。針對應(yīng)用于深水1500m、油氣壓力為34.5MPa的Φ152.4mm(6in)管道的閘板閥，筆者設(shè)計(jì)了一種新型閘板閥ROV傳動機(jī)構(gòu)，確定了傳動機(jī)構(gòu)的總體方案，同時(shí)對關(guān)鍵部件螺桿進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。
1、閘板閥ROV傳動機(jī)構(gòu)簡介
國外水下閘板閥ROV傳動機(jī)構(gòu)的研發(fā)以及制造技術(shù)已經(jīng)比較成熟，許多知名的海洋工程設(shè)備制造公司均有屬于自己知識產(chǎn)權(quán)的系列產(chǎn)品，并具有豐富的成功應(yīng)用案例。如FMC公司的M3000系列(見圖1)、Cameron公司的Ring-O系列以及Mag-num公司的相關(guān)產(chǎn)品等。
1—ROV接口和可視指示機(jī)構(gòu);2—閥蓋;3—閥體;4—補(bǔ)償室;5—活塞室;6—傳動機(jī)構(gòu)總成。
圖1 FMC公司M3000閘板閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)
目前閘板閥工作原理大致相同，首先閘板閥配置相應(yīng)的ROV傳動機(jī)構(gòu)，ROV攜帶專用的旋轉(zhuǎn)工具與閥門上ROV端口配合。ROV傳動機(jī)構(gòu)將ROV的驅(qū)動扭矩轉(zhuǎn)換為閘板開啟或關(guān)閉的驅(qū)動力。
2、ROV傳動機(jī)構(gòu)總體方案
2.1、結(jié)構(gòu)
針對應(yīng)用于深水1500m、油氣壓力為34.5MPa的Φ152.4mm管道的閘板閥，筆者設(shè)計(jì)了一種新型閘板閥ROV傳動機(jī)構(gòu)，其具體的ROV傳動機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1—ROV接口;2—ROV接頭;3—傳動銷釘;4—執(zhí)行機(jī)構(gòu)上蓋體;5—推力軸承;6—定位筒;7—螺紋軸;8—勾筒;9—傳動螺母;10—傳動桿;11—彈簧。
圖2 閘板閥整體結(jié)構(gòu)示意圖
水下閘板閥液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用冗余控制形式，正常工作狀態(tài)下執(zhí)行機(jī)構(gòu)依靠液壓控制;當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，無法實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正常功能時(shí)，將使用ROV操作，因此本方案設(shè)計(jì)的ROV接口如圖3所示。
圖3 ROV接口
2.2、工作原理
ROV操作閥門開啟時(shí)，首先ROV接口與ROV專用操作工具連接，在ROV專用工具逆時(shí)針驅(qū)動力矩的作用下，ROV接頭逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動螺紋軸旋轉(zhuǎn)，螺紋軸與傳動螺母之間為梯形螺紋連接。由于傳動螺母具有正六邊形的外壁，其外面的定位筒同樣具有與之配合的正六邊形內(nèi)腔，于是保證了傳動螺母在二者之間只能平動，不能旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)螺紋軸在ROV操作扭矩的作用下旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳動螺母只能向下運(yùn)動，從而傳動螺母推動傳動桿以及活塞向下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)閘板閥開啟。
ROV操作閥門關(guān)閉時(shí)，首先ROV專用工具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，ROV接頭帶動螺紋軸旋轉(zhuǎn)，由于螺紋軸固定，所以傳動螺母將向上運(yùn)動，為傳動桿讓出向上移動的空間。此時(shí)，勾筒在彈簧回復(fù)力的作用下帶動傳動軸以及活塞一起向上運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)閥門關(guān)閉。
2.3、注意事項(xiàng)
(1)由于油氣壓力為34.5MPa，閥門開啟時(shí)所需的驅(qū)動力較大，對于螺母絲杠結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度要求較高，所以梯形螺紋的直徑設(shè)計(jì)及校核是難點(diǎn)。
(2)按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，ROV逆時(shí)針擰動ROV接頭時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使閘板閥開啟，ROV順時(shí)針擰動ROV接頭時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使閘板閥關(guān)閉。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮螺母絲杠的旋向。
(3)計(jì)算出扭矩后，由于ROV有標(biāo)準(zhǔn)的配套工具，應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO13628—8的相關(guān)規(guī)定選型。
(4)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)腔為液體填充，因此設(shè)計(jì)時(shí)定位筒和傳動桿之間應(yīng)為間隙配合，且在定位筒上部開有相應(yīng)通孔，防止因液體流動不暢而產(chǎn)生較大阻尼而影響其功能。
(5)螺桿工作時(shí)旋轉(zhuǎn)，因此在螺桿處設(shè)置止推軸承，防止因摩擦損壞機(jī)構(gòu)。
(6)ROV接口與內(nèi)腔為配合式，且1500m水深時(shí)壓力較大，應(yīng)在該處設(shè)置高壓密封圈。
3、ROV傳動機(jī)構(gòu)螺桿設(shè)計(jì)計(jì)算
針對應(yīng)用于深水1500m、油氣壓力為34.5MPa的Φ152.4mm管道的閘板閥，確定傳動機(jī)構(gòu)的類型為滑動螺旋傳動，該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易于加工和安裝等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)滑動螺旋傳動的螺紋為梯形螺紋，其工藝性好，牙根強(qiáng)度高，對中性好，是最常用的傳動螺紋。根據(jù)旋向要求設(shè)計(jì)螺紋為左旋螺紋�；瑒勇菪哪p與螺紋工作面上的壓力、滑動速度、螺紋表面粗糙度以及潤滑狀態(tài)等因素有關(guān)。其中最主要的因素是螺紋工作面上的壓力，壓力越大螺旋副間越容易形成過度磨損。因此，螺紋中徑d2應(yīng)滿足公式：
式中，Q為螺桿的軸向力，出于安全設(shè)計(jì)考慮，傳動效率取0.8，則Q=387.66kN。由于要求傳動精度較高，載荷較大，壽命較長，故取Φ=4;[p]為材料的許用應(yīng)力，[p]=18MPa;將參數(shù)帶入式(1)得d2≥58.70mm。根據(jù)公式算得螺紋中徑d2后，再按國家標(biāo)準(zhǔn)選取相應(yīng)的螺紋公稱直徑d及螺距p。查得d=65.0mm，d2=63.0mm，p=4.0mm，d1=60.5mm。
螺紋幾何參數(shù)確定后，對于具有自鎖性要求的螺旋副，還應(yīng)校核螺旋副是否滿足自鎖條件，即：
ψ≤φv (2)
其中ψ為螺紋中徑升角，φv為螺旋副的當(dāng)量摩擦角。ψ和φv計(jì)算式為：
式中螺紋頭數(shù)n=1;摩擦因數(shù)f=0.08;梯形螺紋的牙型角α=30°。計(jì)算得ψ=1.16°，φv=5.28°，滿足ψ≤φv，即螺旋副滿足自鎖條件。
螺桿的受力較大，需進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。螺桿工作時(shí)承受軸向壓力(或拉力)Q和扭矩T的作用，因此校核螺桿強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)根據(jù)第四強(qiáng)度理論求出危險(xiǎn)截面的計(jì)算應(yīng)力σca，其強(qiáng)度條件為：
[σ]為螺桿材料的許用應(yīng)力，取[σ]=280MPa。計(jì)算得σca=145.68MPa，可知σca<[σ]，即螺桿強(qiáng)度滿足要求。
4、ROV傳動機(jī)構(gòu)的仿真及分析
ROV傳動機(jī)構(gòu)具有梯形螺紋這種復(fù)雜的三維模型，而在Recurdyn中建模比較麻煩，所以事先在Solidworks建立好模型，再導(dǎo)入Recurdyn中，之后添加零件的質(zhì)量特性。
由于ROV傳動機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵是螺紋傳動，螺紋強(qiáng)度的保證至關(guān)重要。為了驗(yàn)證傳動機(jī)構(gòu)在最危險(xiǎn)工況下仍能安全工作，設(shè)置模型的約束條件，如圖4所示。定位筒固定，傳動螺母與定位筒內(nèi)六角面對齊且設(shè)置為接觸約束，即螺母可以平移，不能旋轉(zhuǎn);螺紋軸與螺母為梯形螺紋約束;ROV接頭與螺紋軸通過銷釘傳動，設(shè)置為接觸約束;軸承和軸承座與螺紋軸為接觸約束;設(shè)置ROV接頭的角速度為25.12rad/s，保證在最短時(shí)間(10s)之內(nèi)正好運(yùn)動1個(gè)行程;考慮持續(xù)最大負(fù)載的情況進(jìn)行模擬，在螺母下表面施加387.66kN的恒力;對整體模型施加重力進(jìn)行仿真。
圖4 模型約束
在仿真中，首先希望了解螺母的速度、位移與時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系;其次計(jì)算出ROV接頭的驅(qū)動力矩以進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證和ROV選型;最后測出螺母絲杠的軸向力，同時(shí)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。仿真結(jié)果如圖5～圖8所示。
圖5 螺母速度
圖6 螺母的位移
從圖5和圖6可以看出，在10s時(shí)螺母以16mm/s勻速運(yùn)動了160mm，正好是閥門的設(shè)計(jì)行程，符合設(shè)計(jì)要求。從圖7可以看出，ROV接頭的驅(qū)動力矩為1389.8N·m，由于其受到自身重力的作用，與之前計(jì)算的扭矩1378.5N·m相比，差值在數(shù)量級上可以忽略不計(jì)，因此同樣滿足設(shè)計(jì)要求。從圖8可以看出，螺母絲杠結(jié)構(gòu)的軸向力為387.476kN，由于其受到自身重力的作用，與之前計(jì)算用的軸向力相比，差值在數(shù)量級上可以忽略不計(jì)，所以同樣滿足設(shè)計(jì)要求。從仿真分析結(jié)果可以看出，螺桿強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。
圖7 ROV接頭的驅(qū)動力矩
圖8 螺桿的軸向力
5、結(jié)束語
針對應(yīng)用于深水1500m、油氣壓力為134.5MPa的Φ152.4mm管道的閘板閥，設(shè)計(jì)了一種新型閘板閥ROV傳動機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、功能可靠等優(yōu)點(diǎn)，解決了深水惡劣條件下難以密封、難以承載較大開啟力等設(shè)計(jì)難題，提出了新型ROV傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例對螺桿進(jìn)行數(shù)值設(shè)計(jì)計(jì)算。通過對ROV傳動機(jī)構(gòu)整體的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真結(jié)果分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和可行性。ROV傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析方法為深水閥門的設(shè)計(jì)及樣機(jī)的研制奠定了理論基礎(chǔ)。
