海洋废弃平台桩基拆除绳锯机夹紧齿优化设计研究

王海波，张岚，孟庆鑫，王喆

(1.吉林化工学院机电工程学院，吉林吉林132022;2.哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001;3.海洋石油工程股份有限公司维修公司，天津300451)

海洋石油是世界能源供给的一个重要组成部分，特别对于陆地石油资源相对不足的国家，它的作用尤为重要。世界范围内，海洋石油已经发展了半个多世纪，海上石油平台是采油的必备基地，它有多种结构形式。经过多年的开采，一些平台已经被废弃，废弃的平台需要作适当的切割处理，水面以上的切割一般比较容易，但是水下结构的切割就非常困难了［1－2］。在水下切割方法中，金刚石绳锯机切割是近些年来发展起来的一种新型切割工具，它清洁、环保、可以同时切割金属和非金属，由于它的特殊工作环境，安全可靠工作始终是一个重要的研究内容［3－4］。

1 绳锯机结构

如图1所示，废弃平台桩基拆除绳锯机本体主要由支撑结构和切割框架构成，此外还包括液压动力源和控制系统［5］。绳锯机在工作过程中，需要夹紧到桩基上，夹紧的可靠性直接决定着绳锯机工作效率及安全性，夹紧过程中夹紧力的计算可以采用多目标优化的方法，但是对于不同的接触面来说，同样的夹紧力对绳锯机的固定效果是不一样的，接触面的结构即齿形设计是否合理是关键因素。

图1 绳锯机的本体结构图

2 夹紧瓣夹紧部位结构

通过分析，设计的夹紧瓣夹紧部位的结构如图2所示，与桩基咬合的夹紧齿加工在夹紧块上，夹紧块通过螺钉与夹紧瓣连接在一起，此种结构既方便夹紧齿的加工，也方便夹紧齿的更换。根据绳锯机工作时的姿态可以分析得到，夹紧齿在与桩基的咬合过程中，既受到正应力的作用，又受到切应力的作用，甚至有时候还受到扭转作用，所以它的受力非常复杂。为了绳锯机安全可靠地工作，必须对它的关键参数进行优化设计。

图2 绳锯机夹紧瓣与夹紧块连接结构

3 夹紧齿尺寸的优化

绳锯机夹紧齿的尺寸是它的一个非常重要的参数，夹紧齿尺寸合理与否直接决定该齿是否能承载起绳锯机工作时候的复杂载荷。采用有限元分析方法［5］，单个夹紧齿的简化模型如图3所示，优化过程中采用的数学模型为:

图3 夹紧齿有限元模型

根据相关力学理论，取f=B－2 ×R 为目标函数，齿根宽B、齿高H 和齿根曲率半径R 为设计变量。σd(X)为折合应力，s(X)为夹紧齿切线方向上的位移，L 为参数下限，U 为参数上限。选夹紧齿的材料为40Cr，其许用应力为600 MPa。夹紧块承受的最大正应力为45 538 N，夹紧面摩擦因数为0.12［6］。优化后沿路径D1D2D3的折合应力变化曲线如图4所示，沿D1D2D3在y 方向上的位移变化如图5所示。优化后夹紧齿的齿高为17 mm，齿底宽为39 mm，齿根过渡圆半径为10 mm。最大折合压强为4.057 MPa。

4 夹紧块齿周过渡曲线的优化

通过尺寸优化过程，得到了夹紧齿的关键尺寸。由于绳锯机工作过程中，夹紧齿所承受的力不但很大，并且构成也非常复杂，夹紧齿表面曲线的构成在有些条件下会对齿载荷产生很大的影响。为了改善这种情况，可以对夹紧齿表面曲线进行优化设计。根据实际工作条件，简化后的有限元优化设计模型如图6所示，表面曲线优化过程中的数学模型为:

图6 夹紧齿有限元简化模型

式中:L 为曲率半径的下限，U 为曲率半径的上限，Γ(r)为Φ 的边界，Φ 为设计区域，Λ 为设计过程中光滑连续的曲线函数集合。根据夹紧齿的工作条件，以过渡曲线上0 到10 点的曲率半径作为设计变量，取D1D2D3路径方向上的最大工作应力作为目标函数，优化后得到的沿D1D2D3路径的应力变化如图7所示，y 方向上的位移如图8所示。对比图4 和图7可以看出，经过夹紧齿表面曲线优化后得到的最大应力有所降低。对比图5 和图8 可以看出，经过表面曲线优化后的夹紧齿刚度得到了改善。优化计算后得到的从点1 到点12 位置处的曲率半径为:∞，11.01，10.97，10.45，9.93，9.62，10，10.54，11.03，∞，∞，∞。

图7 应力分布

图8 y 向位移图

5 夹紧块夹紧齿实验研究

根据绳锯机夹紧齿关键尺寸及表面尺寸优化设计结果加工了绳锯机夹紧齿，进行了夹紧块实验，如图9。

图9 夹紧块实验过程

实验中，首先由绳锯机夹紧装置夹紧桩基，通过厂房中的天吊吊起桩基，观察夹紧装置是否满足要求，然后，在绳锯机的机体上，加上水下绳锯机在水下工作时的最大预估载荷［7］(Fx= 5 130 N，Fy=－68 755 N，Fn=－ 6 876 N，Mx= 108 372 N·m，My=8 354 N·m，Mn=3 583 N·m)来模拟水下工作时的受力。实验证明:在实验室当量载荷作用下，绳锯机能够稳定地夹紧到桩基上，优化设计的夹紧块齿形能够满足要求。实验中的夹紧齿与桩基夹痕如图10所示。

图10 夹紧齿及实验夹紧痕迹

6 结论

通过对废弃平台桩基拆除绳锯机夹紧瓣上夹紧块结构的设计分析，采用优化的方法，对该夹紧块的关键尺寸进行了计算，根据计算结果进行了设计制造。实验表明:优化设计后的夹紧块能够满足设计要求，能够安全稳定地工作，从而为绳锯机的可靠性分析打下了一定的理论基础。

【1】PULSIPHER A G.Proceedings:An International Workshop on Offshore Lease Abandonment and Platform Disposal:Technology，Regulation，and Environmental Effects［R］.New Orleans，LA，2005:15－17.

【2】National Research Council，Marine Board，Committee on Techniques for Removing Fixed Offshore Structures.An assessment of techniques for removing offshore structures［R］.National Academy Press，Washington，D.C.，1999.

【3】张岚.水下金刚石绳锯机设计及原理实验样机实验研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2004.

【4】http://www.cut－group.com.

【5】周传月，腾万秀，张俊堂.工程有限元与优化分析应用实例教程［M］.北京:科学出版社，2005.

【6】王海波.海洋废弃平台桩基拆除绳锯机研制及其动力学研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2008.

【7】王海波，孟庆鑫，张岚，等.海洋废弃平台桩基拆除绳锯机夹紧力的研究［J］.机床与液压，2010，38(15):24－27.