溫明明,劉俊波,耿雪樵，肖　波,劉方蘭,盛　堰

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075；2.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

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天然氣水合物樣品轉(zhuǎn)移裝置卡爪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫明明1,劉俊波2,耿雪樵1，肖波1,劉方蘭1,盛堰1

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075；2.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

摘要：樣品轉(zhuǎn)移卡爪是天然氣水合物保壓轉(zhuǎn)移裝置的重要關(guān)鍵部件，其功能是實(shí)現(xiàn)在維持內(nèi)壓的情況下抓取并移動(dòng)天然氣水合物樣品管?；诮档蛯?duì)樣品的擾動(dòng)、提高抓取及脫離樣品管的成功率等因素考慮，提出一種結(jié)構(gòu)精巧的樣品管抓取的卡爪機(jī)械結(jié)構(gòu)，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行受力分析。實(shí)驗(yàn)表明，該樣品管卡爪機(jī)構(gòu)能夠有效抓取及脫離樣品管，該設(shè)備研制成功加快了樣品轉(zhuǎn)移裝置研制的進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物；保壓轉(zhuǎn)移；卡爪；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)分析

0引言

天然氣水合物是一種優(yōu)質(zhì)高效的燃料。據(jù)理論計(jì)算，1 m3飽和天然氣水合物在標(biāo)準(zhǔn)條件下可釋放出150～200 m3的甲烷氣體，是其他非常規(guī)氣源巖(諸如煤層氣、黑色頁(yè)巖)能量密度的10倍、常規(guī)天然氣能量密度的2～5倍[1]。我國(guó)南海和東海的天然氣水合物儲(chǔ)量豐富，研究及實(shí)現(xiàn)天然氣的有效采集，對(duì)我國(guó)具有巨大的經(jīng)濟(jì)及戰(zhàn)略意義。

天然氣水合物穩(wěn)定存在于一定的低溫高壓條件下。當(dāng)開(kāi)采巖心提升到常溫常壓的海面時(shí)，其中含有的天然氣水合物組分會(huì)全部或大部分分解，達(dá)不到原位勘探目的[2]。在“十五”、“十一五”863計(jì)劃支持下，我國(guó)現(xiàn)有的深海沉積物采樣器可以在深海取到天然氣水合物樣品并進(jìn)行保壓[3—5]。為了更好研究天然氣水合物的物理性質(zhì)，樣品在由甲板轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室的過(guò)程中需要全程保壓，但是這一技術(shù)的提供主要由國(guó)外公司壟斷，國(guó)內(nèi)暫無(wú)保壓轉(zhuǎn)移的設(shè)備，關(guān)鍵環(huán)節(jié)的缺乏導(dǎo)致研究效果不理想。

課題組目前正在研制海底天然氣水合物保壓樣品轉(zhuǎn)移裝置，其中與保壓取樣器樣品管對(duì)接的樣品管抓取裝置就是本課題的關(guān)鍵研制內(nèi)容之一。本文提出了一種帶壓下的抓取樣品管的卡爪機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)小巧，可嵌入樣品管內(nèi)，抓取、脫離樣品管時(shí)快速可靠，通過(guò)對(duì)卡爪機(jī)構(gòu)的有限元分析，并結(jié)合卡爪樣品管及拉管試驗(yàn)，驗(yàn)證了卡爪的抓取能力。

1保壓轉(zhuǎn)移裝置機(jī)構(gòu)及工作原理

1.1保壓轉(zhuǎn)移裝置機(jī)構(gòu)組成

保壓轉(zhuǎn)移裝置機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。保壓轉(zhuǎn)移裝置由樣品抓取及推送單元、切割及卡緊單元、球閥、聲波檢測(cè)單元、保壓取樣器依次連接而成。

圖1　保壓轉(zhuǎn)移裝置機(jī)構(gòu)示意圖

1.2樣品保壓轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)過(guò)程

(1)對(duì)接過(guò)程：取樣器與深海沉積物保壓取樣轉(zhuǎn)移裝備對(duì)接，此時(shí)球閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)行加壓，系統(tǒng)壓力平衡后，打開(kāi)球閥。

(2)抓取過(guò)程：卡爪機(jī)構(gòu)依次穿過(guò)切割及卡緊單元、聲波檢測(cè)單元進(jìn)入取樣器，卡牢樣品管。

(3)切割過(guò)程：卡爪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)樣品管穿過(guò)切割及卡緊單元，在外置電機(jī)的作用下，刀頭由外而內(nèi)切割樣品管。

(4)取樣器脫離過(guò)程：切割剩余的樣品管被頂回取樣器后，卡爪機(jī)構(gòu)后退回樣品抓取及推送單元，關(guān)閉球閥，將取樣器與保壓轉(zhuǎn)移裝置分離，完成樣品保壓轉(zhuǎn)移。

2樣品管卡爪機(jī)構(gòu)及工作原理

2.1卡爪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

卡爪機(jī)構(gòu)主要功能是抓取樣品管并進(jìn)行回拉，在達(dá)到位置后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫扣，保證樣品管進(jìn)入保壓儲(chǔ)存艙。卡爪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2所示?？ㄗσ月菁y桿為依托，在螺紋桿左端通過(guò)頂桿轉(zhuǎn)軸連接頂桿，頂桿頂部安裝換針，再通過(guò)滑桿嵌入推筒十字槽，套上螺母套和給進(jìn)轉(zhuǎn)頭，在特制螺釘?shù)南尬蛔饔孟滦D(zhuǎn)給進(jìn)轉(zhuǎn)頭來(lái)推進(jìn)或回拉換針，達(dá)到抓取樣品管和脫扣的目的。

1.推筒　2.螺紋桿　3.螺母套　4.給進(jìn)轉(zhuǎn)頭　5.特制螺釘

2.2工作原理

卡爪的工作過(guò)程如圖3所示?？ㄗぷ鬟^(guò)程主要分為前進(jìn)、抓取、回拉、脫扣等4個(gè)步驟。

圖3　卡爪工作過(guò)程

(1)前進(jìn)過(guò)程：卡爪初始狀態(tài)是頂桿連帶換針處于收縮狀態(tài),卡爪前進(jìn)時(shí)，給進(jìn)轉(zhuǎn)頭不旋轉(zhuǎn)且與螺紋桿保持相對(duì)靜止，卡爪在外力推動(dòng)下逐漸進(jìn)入樣品管。

(2)抓取過(guò)程：當(dāng)卡爪進(jìn)入抓取狀態(tài)時(shí)，給進(jìn)轉(zhuǎn)頭處于旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，特制螺釘在限位槽中向卡爪尾部移動(dòng)，直至限位槽末端時(shí)，停止旋轉(zhuǎn)給進(jìn)轉(zhuǎn)頭，此時(shí)頂桿已與螺紋桿垂直，換針已深入樣品襯管。

(3)回拉過(guò)程：此過(guò)程與前進(jìn)過(guò)程相似。在外力作用下，帶動(dòng)卡爪回拉，由于換針已垂直頂入樣品管，從而帶動(dòng)樣品管移動(dòng)。此時(shí)卡爪各個(gè)零件間保持相對(duì)靜止，給進(jìn)轉(zhuǎn)頭不旋轉(zhuǎn)。

(4)脫扣過(guò)程：此時(shí)在給進(jìn)轉(zhuǎn)頭反轉(zhuǎn)作用下，螺紋桿相對(duì)推筒向卡爪尾部移動(dòng)，通過(guò)頂桿轉(zhuǎn)軸及滑桿的作用將頂桿向推筒的十字槽內(nèi)部拉，從而將頂桿頂部的換針拉出樣品管，達(dá)到脫扣目的。最后在外力拖動(dòng)下將卡爪拉出樣品管，樣品襯管即與卡爪脫離。

3卡爪受力分析及仿真

3.1螺紋桿有限元分析

由于螺紋桿是卡爪安裝的受力基座，其力學(xué)性能的好壞直接影響到卡爪是否能有效抓取樣管。螺紋桿的力學(xué)有限元分析可分為2種情況，第1種是螺紋桿不動(dòng)，給進(jìn)轉(zhuǎn)頭運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)推筒運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生向前或向后的拉力使頂桿帶動(dòng)換針脫出或插入樣品襯管；第2種是在螺紋桿已抓取好樣品襯管后受到螺紋桿裝置的拉動(dòng)向后運(yùn)動(dòng)。

第1種工況情況，針對(duì)圖4(a)分析可知，螺紋桿受到的最大應(yīng)力為59.2 MPa。

圖4　螺紋桿應(yīng)力

第2種情況，由圖4(b)分析可知，螺紋桿所受最大應(yīng)力為13.5 MPa，遠(yuǎn)小于材料許用屈服強(qiáng)度620 MPa要求，但其直徑的大小還得考慮到螺紋桿推進(jìn)過(guò)程的抗彎特性。

從圖4分析可知，2種情況下螺紋桿的設(shè)計(jì)均符合受力校核。

3.2給進(jìn)轉(zhuǎn)頭有限元分析

給進(jìn)螺母旋轉(zhuǎn)到限位位置后停止，在螺紋桿被回拉時(shí)，給進(jìn)轉(zhuǎn)頭受到螺母套的作用向上提，此時(shí)以給進(jìn)轉(zhuǎn)頭的螺紋面作為固定約束進(jìn)行力學(xué)分析，施加1 500 N的力作用于被螺母套扣住的面，應(yīng)力分析結(jié)果如圖5所示。從圖5分析可知，給進(jìn)轉(zhuǎn)頭受到的最大應(yīng)力為5.9 MPa，該值遠(yuǎn)小于最大許用應(yīng)力530 MPa，所以給進(jìn)轉(zhuǎn)頭滿足受力校核。

3.3推筒有限元分析

在螺紋桿處于第2種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的時(shí)候，推筒處于臨界狀態(tài)，受到了滑桿對(duì)他向前的拉力，把與螺母套接觸面設(shè)為固定幾何體，滑桿對(duì)它有一種向前的推力作用，應(yīng)力分析結(jié)果如圖6所示。從圖6中可知，推筒受到的最大應(yīng)力為130 MPa，滿足最大許用應(yīng)力530 MPa的校核要求。

圖5　給進(jìn)轉(zhuǎn)頭應(yīng)力分析圖

圖6　推筒應(yīng)力分析圖

3.4換針有限元分析

由于換針尖端需要插入樣品管塑料壁，以頂桿固定螺紋面為固定約束進(jìn)行受力分析。其換針針端受到最大的壓力為1 750 N，則其水平方向可獲得1 500 N的拉力。以此為受力初始條件進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果如圖7所示。由分析可知，換針產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為309 MPa，小于最大許用應(yīng)力530 MPa，滿足設(shè)計(jì)受力校核。

4卡爪機(jī)構(gòu)試驗(yàn)

為驗(yàn)證卡爪機(jī)構(gòu)的實(shí)際力學(xué)特性，對(duì)其進(jìn)行了卡爪機(jī)構(gòu)的載重拉力試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)在樣品管上對(duì)稱設(shè)置鉆孔并穿上鋼絲繩緊固，下端懸掛重力塊，逐步增加重力塊的重量，直至卡爪與樣品管脫離，記錄極限重量，從而反映換針的卡取樣品管效果。試驗(yàn)過(guò)程中，從30 kg的重量開(kāi)始加起，每加一次重塊停留15 min，直至達(dá)到300 kg，看看卡爪與樣品是否脫落。實(shí)驗(yàn)表明，加重塊達(dá)到300 kg后，卡爪依舊沒(méi)有脫落,證明本卡爪的抓緊力是可靠的。

圖7　換針應(yīng)力分析圖

5結(jié)論

(1)理論計(jì)算及有限元分析表明，該卡爪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足力學(xué)校核。

(2)試驗(yàn)結(jié)果證明，卡爪機(jī)構(gòu)能夠可靠抓取樣品管，不易脫落。

(3)卡爪機(jī)構(gòu)小巧可靠，卡取樣品管方便有效，與保壓轉(zhuǎn)移其他裝置配合可實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的保壓轉(zhuǎn)移。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號(hào)：P742

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：溫明明(1976—)，男，高級(jí)工程師，主要從事海洋地質(zhì)和海洋物探。

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863”高科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013AA092503)

收稿日期：2015-10-28