中式张紧器分开机构运动分析

中式张紧器分开机构运动分析

窄带是由电缆、电缆、椅子或化学药管组成的多功能电缆，广泛应用于平水、深水和超深领域的海上油气资源开发，能够传输、输电和液体注入。袋尾收缩器是一种悬挂装置，可以控制袋尾收缩器的底部。与其他钢带夹紧器相比，应确保袋尾在线分布的张力更加均匀，而且单元长度上的张张力较小。具有代表性的袋尾收缩器研究机构包括意大利的remacut、美国的weech、美国的sagouda、荷兰的sagouda、英国的aqua等。根据布局形状和数量，可分为三种形式：上下或水平布局、三种类型的夹持和四种形式的中布置。当张紧力相同时，在中国的配置中，四根导线的张力是均匀的，不会使四根导线变形。因此，大多数带的电缆张紧器采用四根线，根据结构形状，四条导线的张紧器可分为“+”型和“”型。为了将围带电缆引入围带电缆的前端闭合段（即围带电缆的长度大于围带电缆的直径），应确保围带电缆的开配机能够打开。一般来说，“+”型是在上述开配机顶部打开的。对于形状为“”的张力器，有两种类型：顶部开口和侧面开口。随着海洋油气的快速发展，随着袋尾电缆张力器的深入研究，然而，目前尚缺乏对四个送夹之间的开口结构的分析。在本研究中，分析了“+”型四臂张力器的打开体系，为张力器的开发奠定了理论基础。1带着于带和担保的日装带缆设计脐带缆张紧器总体结构如图1(a)所示,设计采用上、下、左、右四履带总成“+”式布局,总长7065mm,总宽4754mm,总高4932mm.包括开合机构、履带机构、夹紧机构、驱动系统、支架和底座、检测系统等六部分.a.开合机构实现上履带的张开与闭合,确保脐带缆的装载与脐带缆接头UTA的导入导出;b.履带机构由上下左右四履带总成组成,每个履带总成由若干链轨节组成,链轨节之间用紧锁销轴和销套连接.每个链轨节外侧连接有V形履带板,履带板上安装有橡胶缓冲垫块,用于加大摩擦力和使载荷均匀,进而加大与脐带缆外壁的接触面积,降低接触比压;c.夹紧机构主要由液压缸组成,通过液压缸带动履带总成向脐带缆提供正压力;d.驱动系统由电动马达提供的驱动力,通过行星齿轮减速器驱动链轮,链轮驱动履带完成铺缆作业时对脐带缆的收放动作;e.支架和底座支架支撑和固定机构的作用;f.检测系统由转速传感器、张力传感器、位移传感器和压力传感器组成,实现铺设速度、管线张力和液压缸位移的测量.开合结构如图1(b)所示,包括开合液压缸(2个)、上履带总成、上框架、锁定液压缸(2个)、锁定框架.通过控制开合液压缸的伸长,上履带总成向左上方平移,实现张紧器的打开,保证脐带缆UTA的导入;开合液压缸收缩,上履带总成复位,实现闭合功能;锁定框架与上框架通过插销锁定,保证脐带缆收放过程中恒定的夹紧力;锁定液压缸控制锁定框架的开合.2打开系统模型的分析2.1数字摇臂初始位置设计开合机构运动简图如图2所示,开合液压缸的初始长度为l1,伸长后的末位长度为l2,上履带框架铰接端到开合液压缸支点的距离为d1,上履带框架铰接端到开合液压缸铰接处的距离为d2=946mm.履带Ⅰ代表机构的初始位置,履带Ⅳ代表机构的终止位置.已知摇臂初始位置角度φ1=64°,摇杆终止位置角度φ2=99°,取开合液压缸活塞杆的伸出系数为λ=l2/l1=1.5.根据余弦定理,可得开合机构初始状态和末位状态的长度函数关系如下联立上述公式,考虑机构的传力效果,解得:根据以上数值设计张紧器的开合机构,上履带总成向左和向上移动的距离分别为h1和h2,上框架边缘与上履带总成边缘的运动轨迹如图2(1)与(2)所示.上框架边缘、上履带总成边缘与开合液压缸均未出现运动干涉问题.2.2摇臂力学性能已知上履带总成的质量m1为7.1T,上框架m2为4.5T,保证开合机构的平稳性须要对其力学特性进行分析.上履带开合机构力学模型如图3所示,以摇臂L铰接一端作为坐标原点o,建立坐标系xoy,x轴指向水平方向向右,y轴指向铅垂方向向上.已知摇臂L长度为lL,上履带总成质心在摇臂水平方向上的长为lm1,上框架质心到o点的距离为lm2.设开合过程某一中间时刻,开合液压缸长度为l,作用力为F,液压缸作用力与摇臂法向的夹角为θ,摇臂L与x轴的夹角为φ.摇臂L的阻力矩建立摇臂力矩平衡方程可得式中:J1为上框架等效转动惯量;J2为上履带总成等效转动惯量.联立式(3)与式(4)可知:上履带总成机构的运动为一个加速运动,须要伺服比例控制阀来控制液压缸的压力调整上履带总成的开合速度.在特定开合位置下φ和θ为已知,为保证上履带总成运动平稳,规定角加速度不超过5rad/s2,可得开合液压缸对摇臂作用力的最大值为Fmax=60kN.设开合液压缸的缸筒内径为D,其与作用力F有如下关系,式中:p为开合液压缸的工作压力,取10MPa;ηcm为机械效率,取0.95.解得:D≈99mm.液压缸活塞杆的直径d=0.7D,查表取缸筒内径为125mm(根据GB/T2348—1993),行程取800mm.设液压缸的最大速度为v1=40mm/s,容积效率ηcv=0.98,则单缸流量为可得:q1=0.5L/s.3差压缸回收系统脐带缆铺设作业中,由于脐带缆首端总成(UTA)的尺寸为2.5m×1m×1m,放入时需要张紧器的开合机构将上方的履带总成打开.a.先将上履带总成通过开合液压缸回收履带总成至初始位置,以免发生运动干涉;b.将限位固定装置解除,控制开合液压缸伸长,从而推动左侧的摇臂绕其下端绞点旋转,带动上履带总成移动,最后到达指定位置,右边的锁定液压缸机构同理向右打开;c.开合机构完全打开后,通过A&R绞车或起重设备将脐带缆装入张紧器内,闭合过程与打开过程相反;d.将开合液压缸与锁定液压缸收缩,上履带总成闭合,进入脐带缆收放作业过程.4单元开口多元动力学模拟分析4.1系统动力学方程张紧器开合机构多体动力学分析采用ADAMS软件,软件求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法建立系统动力学方程,机构在Solidworks软件中建模,将三维模型导入到ADAMS中,定义模型刚体及添加相应的关节约束.其中:开合机构的底座设置为固定副;上履带框架铰接处与前后两个开合液压缸铰接处均添加转动副;开合液压缸活塞杆与缸体之间添加移动副;分别在两个活塞杆上添加沿开合液压缸轴线方向的载荷.4.2保压缸工作压力和作用力的变化a.上履带总成沿x和y方向的位移如图4所示.履带机构在开合液压缸的驱动下,质心分别沿x和y方向移动了720mm和550mm,整个开合过程在6s内完成,运动较平稳.b.开合液压缸的作用力如图5所示.作用力大小由伺服比例阀控制,经0~3.5s基本稳定在55kN左右;3.5s之后减小了开合液压缸的工作压力,作用力呈下降趋势;5.5s时开合机构接近极限位置,作用力迅速减小到10kN,保证机构与限位装置的碰撞力尽量小.c.通过控制开合液压缸的作用力,上框架的角速度ω如图6所示.上框架在0~3.5s角速度较小,之后在0.02rad/s左右波动,最大角速度出现在5.7s处,为0.36rad/s,最终在开合限位装置处停止.d.上框架的角加速度aω如图7所示.上框