水下绳锯机切割油气管道锯切参数优化研究.pdf

年月 第卷 第期 机 床 与 液 压 收 稿 日 期 基 金 项 目国 家高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 中 国 海 洋 石 油 总 公 司 技 术 发 展 项 目 国 家高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 黑 龙 江 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 作 者 简 介王 海 波男博 士教 授主 要 从 事 机 电 一 体 化 及 检 测 技 术 方 面 的 研 究 水下绳锯机切割油气管道锯切参数优化研究 王 海 波 张 岚 孟 庆 鑫 王 吉 林 化 工 学 院 机 电 工 程 学 院吉 林 吉 林 哈 尔 滨 工 程 大 学 机 电 工 程 学 院黑 龙 江 哈 尔 滨 海 洋 石 油 工 程 股 份 有 限 公 司 维 修 公 司天 津 摘 要水 下 绳 锯 机 是 一 种 快 速 发 展 的 清 洁 环 保 切 割 工 具在 水 下 油 气 管 道 出 现 问 题 时可 以 采 用 其 切 割 维 修水 下 切 割 的 成 本 很 高要 求 绳 锯 机 在 工 作 中 不 更 换 绳 锯 的 前 提 下 高 效 完 成 切 割这 就 要 求 对 管 道 切 割 过 程 中 的 参 数 进 行 优 化文 中 通 过 三 因 素 三 水 平 两 指 标 的 正 交 实 验 方 法得 出 了 绳 锯 机 切 割 过 程 中不 同 截 面 位 置 处 的 切 割 速 度进 给 速 度 和 串 珠 绳 张 紧 力 的 最 佳 组 合 值水 下 切 割 实 验 表 明该 结 果 达 到 了 预 期 目 标从 而 为 绳 锯 机 的 水 下 切 割 最 佳 控 制 提 供 了 一 定 的 基 础 关 键 词水 下 绳 锯 机油 气 管 道切 割 参 数优 化 中 图 分 类 号 文 献 标 志 码 文 章 编 号 前 言 水 下 绳 锯 机 是 一 种 清 洁 环 保 的 作 业 工 具 当 水 下 油 气 管 道 出 现 问 题 需 要 维 修 时可 以 用 其 将 管 道 割 断进 行 维 修绳 锯 机 在 水 下 作 业 时其 每 次 切 割 的 成 本 非 常 大常 常 会 花 费 几 十 万 元 甚 至 上 百 万 元 并 且 切 割 过 程 中 不 能 更 换 绳 锯所 以 施 工 过 程 中 需 要 保 证 万 无 一 失绳 锯 机 的 主 要 工 作 部 件 金 刚 石 串 珠 绳 锯其 切 割 原 理 是 磨 削 操 作在 切 割 管 道 过 程 中既 要 提 高 串 珠 绳 锯 切 割 效 率又 要 考 虑 串 珠 绳 锯 的 使 用 寿 命二 者 往 往 矛 盾需 要 协 调这 就 对 切 割 过 程 参 数 提 出 了 较 高 要 求需 要 进 行 优 化 分 析 哈 尔 滨 工 程 大 学 孟 庆 鑫曹 立 文 和 张 岚 对 水 下 绳 锯 机 的 切 割 过 程 进 行 了 实 验 研 究 得 到 了 绳 锯 机 切 割 过 程 中 切 削 力 与 进 给 速 度 和 切 削 速 度 的 关 系 曲 线并 且 分 析 了 串 珠 绳 锯 的 磨 削 比哈 尔 滨 工 程 大 学 张 永 锐 通 过 实 验 研 究 了 进 给 速 度 和 切 削 速 度 对 切 割 效 率 的 影 响 这 些 研 究 对 串 珠 绳 锯 实 际 水 下 切 割 油 气 管 道 参 数 的 优 化 具 有 非 常 重 要 的 指 导 意 义但 是 他 们 都 忽 略 了 切 割 中 的 一 个 重 要 参 数串 珠 绳 张 紧 力由 于 金 刚 石 串 珠 绳 锯 是 一 种 柔 性 切 割 刀 具其 张 紧 力 的 大 小 对 绳 锯 机 的 切 割 效 率 和 使 用 寿 命 具 有 非 常 直 接 的 影 响文 中 将 通 过 实 验 研 究 绳 锯 机 切 割 过 程 中张 紧 力进 给 速 度 和 切 削 速 度 对 串 珠 绳 锯 切 割 效 率 和 寿 命 的 影 响得 出 三 者 的 最 优 组 合 值从 而 为 实 际 的 水 下 切 割 自 动 最 优 控 制 打 下 一 定 的 基 础 管 道 切 割 实 验 系 统 如 图所 示 为 水 下 绳 锯 机 工 程 样 机实 验 切 割 的 海 底 管 道海 洋 工 程 股 份 有 限 公 司 提 供尺 寸 为 管 道 材 质 为 串 珠 绳 张 力 测 量 由 自 行 研 制 的 张 力 检 测 系 统 完 成具 体 如 图所 示 图水 下 绳 锯 机 切 割 实 验 系 统 图串 珠 绳 张 力 检 测 系 统 绳 锯 机 切 削 速 度 由 光 电 转 速 器 测 量 计 算 得 到进 给 速 度 由 进 给 位 移 和 进 给 时 间 计 算 得 到绳 锯 机 水 下 切 割 过 程 中必 须 要 考 虑 两 个 问 题一 是 能 否 高 效 率 地 切 割 油 气 管 道二 是 能 否 由 一 根 串 珠 绳 完 成 一 次 切 割水 下 不 能 更 换 串 珠 绳也 就 是 说要 使 金 刚 石 串 珠 绳 锯 在 其 寿 命 内 高 效 率 完 成 切 割绳 锯 机 在 切 割 管 道 过 程 中在 管 道 的 不 同 位 置 处由 于 管 道 切 割 面 积 和 几 何 特 点 的 影 响需 要 有 不 同 的 切 割 参 数考 虑 到 实 验 的 成 本 及 可 行 性如 图所 示将 油 气 管 道 按 照 切 割 面 积 相 等 的 原 则 划 分 为个 部 分图 中 只 画 出 了个 部 分进 行 实 验每 部 分 均 采 用 三 因 素 三 水 平 两 指 标 的 正 交 实 验 方 法 来 获 取 优 化 的 切 割 参 数 图油 气 管 道 切 割 剖 面 划 分 示 意 图 油 气 管 道 切 割 实 验 实 验 使 用 的 是 意 大 利 公 司 生 产 的 串 珠 绳 锯其 参 数 如 表所 示油 气 管 道 切 割 参 数 实 验 中 串 珠 绳 锯 的 切 割 状 态 如 图所 示 表金 刚 石 串 珠 绳 锯 参 数 串 珠 直 径 串 珠 固 定 方 式弹 簧 注 塑 式 钢 丝 绳 的 直 径 金 刚 石 磨 粒 粒 度 每 米 串 珠 个 数个联 结 方 式钢 箍 串 珠 制 作 方 式 烧 结 式 图实 验 中 的 串 珠 绳 锯 切 割 状 态 对 于 油 气 管 道 截 面 图中 的 部 分 选 择 正 交 实 验 表具 体 因 素 与 水 平 如 表所 示切 割 效 率 用 相 同 切 割 面 积 所 花 时 间 表 示实 验 结 果 如 表所 示表列 出 了 其 方 差串 珠 绳 锯 磨 损 实 验 中取 相 邻个 串 珠 的 直 径 磨 损 平 均 值 作 为 实 验 值具 体 用 切 削 面 积 与 串 珠 直 径 变 化 比 值 表 示实 验 结 果 如 表 所 示其 方 差 分 析 如 表图和 图给 出 了 切 割 实 验 过 程 中 因 素 与 指 标 的 相 互 关 系 表实 验 参 数 因 素 水 平 切 削 速 度 进 给 速 度 张 紧 力 表切 割 效 率 实 验 结 果 因 素切 削 速 度进 给 速 度张 紧 力 切 割 效 率 实 验 实 验 实 验 实 验 实 验 实 验 实 验 实 验 实 验 均 值 均 值 均 值 极 差 第期王 海 波 等水 下 绳 锯 机 切 割 油 气 管 道 锯 切 参 数 优 化 研 究 表切 割 效 率 实 验 方 差 分 析 因 素偏 差 平 方 和 自 由 度比临 界 值 显 著 性 切 削 速 度 进 给 速 度 张 紧 力 误 差 图效 率 实 验 中 因 素 与 指 标 关 系 表串 珠 绳 锯 磨 损 实 验 结 果 因 素切 削 速 度进 给 速 度张 紧 力串 珠 磨 损 率 实 验 实 验 实 验 实 验 实 验 实 验 实 验 实 验 实 验 均 值 均 值 均 值 极 差 表磨 损 实 验 方 差 分 析 因 素偏 差 平 方 和自 由 度比临 界 值显 著 性 切 削 速 度 进 给 速 度 张 紧 力 误 差 图磨 损 实 验 中 因 素 与 指 标 关 系 切 割 效 率 实 验 中 通 过 分 析 图 表 可 以 得 出从 切 割 效 率 来 讲在 油 气 管 道 截 面 时 候 个 切 割 参 数 对 切 割 效 率 的 影 响 大 小 排 序 为进 给 速 度串 珠 绳 张 紧 力切 削 速 度最 佳 的 切 割 参 数 为 切 削 速 度 为 进 给 速 度 为 串 珠 绳 张 紧 力 为 串 珠 磨 损 实 验 中 通 过 分 析 图 表 可 以 得 出从 串 珠 绳 磨 损 角 度 来 讲在 油 气 管 道 截 面 时 候 个 切 割 参 数 对 切 割 效 率 的 影 响 大 小 排 序 为进 给 速 度切 削 速 度串 珠 绳 张 紧 力最 佳 的 切 割 参 数 为 切 削 速 度 为 进 给 速 度 为 串 珠 绳 张 紧 力 为 根 据 正 交 实 验 综 合 平 衡 法 最 终 确 定 油 气 管 道 截 面 最 佳 的 切 割 参 数 为 切 削 速 度 为 进 给 速 度 为 串 珠 绳 张 紧 力 为 油 气 管 道 切 割 优 化 参 数 曲 线 采 用 同 样 的 正 交 实 验 方 法对 油 气 管 道 切 口 截 面 到 进 行 了 实 验 实 验 中 得 到 的 最 佳 切 割 参 数 随 切 割 位 置 的 变 化 曲 线 如 图所 示通 过 分 析 可 知 随 着 该 油 气 管 道 切 割 过 程 的 进 行进 给 速 度切 割 速 度 和 串 珠 绳 张 紧 力 是 逐 渐 增 加 的但 是 增 加 的 幅 值 不 一 样进 给 速 度 的 增 加 是 由 于 串 珠 绳 每 单 次 回 转 所 磨 机 床 与 液 压第卷 削 的 面 积 变 小排 屑 冷 却 效 果 好切 削 速 度 的 增 加 也 是 由 于 串 珠 绳 每 单 次 回 转 所 切 削 的 面 积 变 小冷 却 效 果 好串 珠 绳 张 紧 力 的 逐 渐 增 加增 加 了 串 珠 绳 的 刚 性避 免 薄 管 壁 切 割 过 程 中切 割 弧 度 大串 珠 与 管 壁 的 碰 撞 过 程 中 造 成 过 度 磨 损 图进 给 速 度 随 截 面 位图切 削 速 度 随 截 面 位 置 不 同 的 变 化 曲 线置 不 同 的 变 化 曲 线 图串 珠 绳 张 紧 力 随 截 面 位 置 不 同 的 变 化 曲 线 根 据 图所 示 的 实 验 参 数进 行 了 水 池 油 气 管 道 切 割 实 验实 验 过 程 如 图所 示通 过 实 验 表 明采 用 该 参 数 可 以 使 绳 锯 机 在 不 更 换 串 珠 绳在 其 使 用 寿 命 内 高 效 稳 定 的 完 成 切 割 任 务为 实 验 中 获 取 的 切 割 参 数 合 理 性 提 供 了 一 定 的 支 持 图绳 锯 机 下 水 切 割 实 验 结 论 为 了 实 现 水 下 绳 锯 机 安 全稳 定 和 高 效 的 切 割 采 用 三 因 素 三 水 平 两 指 标 的 正 交 实 验 方 法 确 定 了 绳 锯 机 切 割 油 气 管 道 过 程 中 不 同 截 面 位 置 处 的 切 割 参 数实 验 结 果 表 明串 珠 绳 张 紧 力 是 绳 锯 机 切 割 过 程 中 的 一 个 非 常 重 要 的 参 数绳 锯 机 水 下 切 割 过 程 中 需 要 将 张 紧 力切 削 速 度 和 进 给 速 度 协 调 好才 能 较 好 地 完 成 切 割 任 务这 对 绳 锯 机 的 水 下 实 际 切 割 自 动 化 程 度 的 提 高 具 有 非 常 重 要 的 意 义 参 考 文 献 孟 庆 鑫曹 立 文王 立 权等水 下 金 刚 石 绳 锯 机 切 割 技 术 的 研 究 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 曹 立 文孟 庆 鑫海 底 石 油 管 道 切 割 绳 锯 机 的 设 计 及 其 试 验 研 究 机 械 科 学 与 技 术 张 岚孟 庆 鑫王 立 权等金 刚 石 串 珠 失 效 形 式 的 实 验 研 究 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 张 永 锐王 立 权杨 洋等金 刚 石 绳 锯 机 切 削 海 底 管 道 切 削 效 率 试 验 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 成 岳工 程 试 验 设 计 方 法武 汉武 汉 理 工 大 学 出 版 社 第期王 海 波 等水 下 绳 锯 机 切 割 油 气 管 道 锯 切 参 数 优 化 研 究