挖溝機試驗大綱編制及異常反應分析

挖溝機試驗大綱編制及異常反應分析

0海底犁式挖溝機正交試驗樣機的設計底部牽引收溝機是一種水下開溝機，適用于各種海底環(huán)境，如深水海域、硬粘土或砂巖土。挖溝機由拖輪定位并提供動力,在被吊放至海底指定管道區(qū)域后,通過前后布置的機械手將海底表面的管道抓起并提升至指定高度,再由托輥裝置抓住管道,此后機械手張開恢復到初始位置,同時挖溝機尾部兩側展開的犁鏵合攏;在雪橇式行走機構支撐下,在拖輪拖拽力作用下,犁鏵挖掘管道下面的海底土壤,隨著拖輪的前進,管道被放置在挖掘好的溝槽內,再通過土壤回填的方式將管道掩埋,從而保護海底管道。海底犁式挖溝機結構簡單,可靠性高,停機率低,應用廣泛,在海底管道鋪設施工中有極其重要的作用。目前,我國正處于海上油氣開發(fā)從起步到上升階段,亟待開發(fā)具有自主知識產權的用于海底管道掩埋防護的犁式挖溝機。國外海底犁式挖溝技術已趨成熟,但國內還未曾涉足該領域。鑒于此,依據(jù)上述犁式挖溝機工作原理,結合具體項目要求,設計了海底犁式挖溝機的試驗樣機(以下簡稱樣機)。為了驗證樣機各項性能指標是否滿足設計要求,同時指導工程樣機改進設計,須要進行樣機陸地硬質粘土模擬試驗。為了保證樣機試驗的順利完成,本文對樣機陸地試驗大綱進行了設計與分析。1試驗過程設計及進度表根據(jù)樣機陸地試驗條件,需要在剪切強度為20~100kPa的硬質粘土上進行模擬挖溝試驗,其主要試驗任務:抱管并挖溝,要求溝深為0.8m,埋管直徑200mm,據(jù)此驗證理論分析及設計結果的正確性,為工程樣機設計制造提供理論和試驗依據(jù)。圖1為樣機挖溝作業(yè)模擬示意圖,圖2為理論設計溝型截面參數(shù)示意圖。為了完成以上試驗任務,并以技術可靠和操作經濟為原則,編制了海底犁式挖溝機樣機陸地試驗大綱,大綱內容包括試驗準備、室內空載試驗、室內負載試驗和野外挖溝試驗4個試驗階段,在一個試驗階段完成后,再轉入下一個試驗階段。圖3為4個試驗階段計劃進度表,“目標”項內容省略。試驗準備主要包括樣機、儀器、資料、場地、電力設備、運輸及拖拽設備的準備,為后面三個階段試驗提供條件保障。室內空載試驗主要有兩個目的,其一檢查液壓控制系統(tǒng)的正確性、可靠性與時效性;其二檢驗各功能結構子系統(tǒng)動作能否正常實現(xiàn),及時發(fā)現(xiàn)故障并排除。室內負載試驗步驟和目的與第二階段試驗基本相同,但所有測試均是在抱管負載下進行,同時進行控制、液壓和結構系統(tǒng)聯(lián)合模擬調試試驗,檢驗各系統(tǒng)聯(lián)合工作協(xié)調性。挖溝試驗是本次試驗的末尾階段,同時也是主要的試驗任務,目的是檢驗樣機的實際作業(yè)性能。2樣機試驗進度計劃試驗準備階段涉及很多方面,它與項目進度安排和資源調度能力等有密切關系?；谟绊懺囼炦M度的關鍵路徑分析,可將此階段劃分為以下幾個方面:技術資料收集、樣機及相關輔助儀器設備準備、場地選擇、文件編制四個任務單元,它們是試驗任務完成的前提條件。圖3為樣機試驗進度計劃。圖4為樣機試驗任務單元框圖。2.1樣機、儀器和產樣機試驗,應提供以下設備:(1)符合設計要求的試驗樣機一臺;(2)樣機相關專用工具、備件一套;(3)相關測量儀器設備一套;(4)滿足電力要求的發(fā)電車一臺;(5)符合要求的運輸拖車及吊車各一臺。2.2土壤條件及參數(shù)試驗前須選擇滿足試驗條件的場地一塊。場地除滿足面積形狀要求外,還須進行相關土工實驗,明了有關土壤參數(shù),以便驗證樣機理論設計正確性。表1是樣機土工試驗參數(shù)表。2.3試驗準備及過程文件編制是試驗準備任務的主要內容之一。依據(jù)現(xiàn)實需要,文件系統(tǒng)由以下幾部分構成:(1)試驗大綱引言部分。闡述樣機試驗總要求及目的,其中包含一個大概的試驗計劃進度安排。(2)試驗條件說明部分。主要闡述試驗實施的資源需求,預估試驗成本,明確試驗驗收條件。(3)試驗操作指南部分。詳細介紹試驗程序及方法。(4)風險評估及對策部分。主要是對樣機試驗可預見故障的處理描述。(5)數(shù)據(jù)表格編制部分。主要用于各階段試驗數(shù)據(jù)的記錄與分析。根據(jù)本樣機部分試驗的實施經驗,文件編制應該注意以下幾點:(1)試驗大綱引言一定要盡早提交審查,以便合理估計試驗任務工作量,合理安排人員配置及進度。(2)試驗階段任務必須有明確結果,經審查合格后才能進入下一階段試驗,以便排查隱藏的問題。(3)在動力供給及控制模擬試驗部分,一定要明確環(huán)境要求。(4)考慮成本預算,室內能完成測試的參數(shù)絕不留到野外試驗去完成。3plc軟件程序和結構系統(tǒng)室內空載試驗主要是檢查各功能子系統(tǒng)動作的準確性及穩(wěn)定性,包括控制、液壓和結構三個方面。控制系統(tǒng)完成后,進行模擬調試試驗,以檢查監(jiān)控軟件程序是否正確、可靠;各操控界面、按鈕是否簡便、有效、可靠;各PLC模塊、傳感器測量反饋是否準確、穩(wěn)定、實時等。液壓系統(tǒng)主要檢查是否漏油,壓力、流量是否正常,液壓缸動作是否正確、流暢,振動、噪音是否過大等。結構系統(tǒng)主要考察機構動作是否到位,是否有干涉或其他運動障礙等。根據(jù)試驗樣機組成,整機分解為如下主要功能子系統(tǒng):行走機構、轉向機構、犁開合機構、抓管機構和抱管機構。圖5為樣機整機三維模型圖。3.1結構裝置設計轉臺裝置。根據(jù)鏈行走機構支撐本體部分重量;同時,通過改變深度控制液壓缸行程,來改變樣機挖溝深度;通過改變俯仰角度液壓缸行程,來適應地面形狀向前滑行。深度控制液壓缸配置位移傳感器,通過上位機監(jiān)控界面,可以管理控制樣機挖溝深度,并記錄挖溝深度隨時間變化曲線。轉向機構主要作用是補償工作母船與管道之間的航向偏差,防止管道受橫向應力破壞。轉向動作由一對液壓缸驅動,這一對液壓缸是閉環(huán)聯(lián)動調節(jié)的:總是一個驅動,另一個同步隨動。轉向機構中一個液壓缸配置位移傳感器,結合抱管機構側壓力傳感器,通過上位機監(jiān)控界面,可以管理控制樣機轉向角度,并記錄轉向角度隨時間變化曲線。犁開合機構可以實現(xiàn)犁鏵的張開與閉合。犁鏵上安裝有位置傳感器,限制其張開及閉合角度,通過上位機監(jiān)控界面,可以監(jiān)控樣機犁鏵張開及閉合狀況。抓管機構功能是在挖溝作業(yè)開始時從地面抓取管道并提升至指定高度;在作業(yè)收尾時,再將管道抓放至地面。抓管動作試驗成功執(zhí)行是后續(xù)動作試驗啟動的基礎。抱管機構作用是在挖溝作業(yè)時托住管道,其上安置有上下左右四個壓力傳感器,同時配置壓力繼電器,通過上位機監(jiān)控界面,可以管理監(jiān)控管道受力狀態(tài),并記錄管道壓力隨時間變化曲線。3.2試驗過程中的問題及解決方法室內空載試驗是檢驗樣機液壓控制系統(tǒng)可靠性及各功能子系統(tǒng)動作實現(xiàn)與否的一種經濟實用方法。通過這種局部的單點試驗,可以很快地確認軟件或硬件故障并排除。在已經實施的室內空載試驗過程中,主要遇到以下問題:(1)控制線路出錯頻繁。在以后設計中應充分考慮硬件線路的故障檢測,同時提供模塊化更換可能性;應編制標準的硬件接線和軟件調試審查程序;且應盡可能保證在動作試驗時不發(fā)生軟件及硬件線路錯誤。(2)由于動作干涉造成傳感器引出線折斷。通電動作之前,應該盡可能手動檢查各部件的運動干涉情況及傳感器布線合理性;最好制作試驗前審查程序文件,逐條檢查。(3)液壓缸動作描述應標識在對應的電磁閥上,防止因試驗時誤操作引發(fā)安全隱患。(4)各系統(tǒng)單項試驗至少應重復三次以上,以便暴露隱藏的問題。4負載試驗的目室內負載試驗是在抱管機構托住管道前提下,進行空載試驗階段的各功能子系統(tǒng)動作試驗,同時還要進行整機性能聯(lián)合模擬調試,它與野外現(xiàn)場挖溝試驗不同之處在于無需開溝作業(yè)。本試驗階段的主要任務是檢驗系統(tǒng)間聯(lián)合工作協(xié)調性,液壓控制系統(tǒng)動作的穩(wěn)定性、可靠性和及時性。室內負載試驗的主要目的之一是檢驗抓管機構的抓管性能;抓管機構與抱管機構運動設計的合理性與協(xié)調性;抱管機構動作的穩(wěn)定性;斷電時抱管機構液壓鎖定的可靠性。室內負載試驗的主要目的之二是檢驗轉向機構與抱管機構配合的協(xié)調性,當抱管機構側向輥筒壓力超標時,檢驗轉向機構的動作反應速度及管道壓力狀態(tài);當抱管機構上下輥筒壓力超標時,檢驗抱管機構升降動作反應速度及管道壓力狀態(tài);以及通過反復試驗,修正、優(yōu)化樣機管道應力監(jiān)控程序的算法。室內負載試驗的主要目的之三是檢驗各功能子系統(tǒng)連續(xù)動作的準確性與協(xié)調性,同時綜合檢測機械與電氣、液壓接口的兼容性,電氣設備之間的電磁兼容性。室內負載試驗的主要目的之四是進一步模擬現(xiàn)場環(huán)境,并使用野外電源供電,重復測試以上動作。以上聯(lián)調試驗應該根據(jù)實際條件,重復進行多次,以提高試驗結果的可信度。完成室內負載試驗后,意味著樣機基本滿足了野外現(xiàn)場挖溝試驗的條件。5驗證樣機設計挖溝試驗是參照樣機設計目標以及項目合同要求來驗證樣機的作業(yè)性能,修正設計理論,為工程樣機設計制作提供理論及實驗支撐。樣機在滿足挖溝試驗狀態(tài)條件后,由拖車運輸至試驗場地。5.1單系統(tǒng)動作試驗階段3個月內野外環(huán)境惡劣,與室內有很大不同。為保證試驗安全,在挖溝作業(yè)前,需對樣機再做一次各功能子系統(tǒng)動作測試。該過程參照試驗階段2和試驗階段3執(zhí)行。這是正式挖溝作業(yè)前最后的檢驗,一定要嚴格按照預訂程序執(zhí)行,以便及時發(fā)現(xiàn)異常情況,并分析原因,因為某個異常動作或故障可能掩蓋著其它的嚴重問題。以上單系統(tǒng)動作試驗完成后,可以進行3臺拖拉機的布局及牽引設備的布置。樣機試驗現(xiàn)場設備布局如圖6所示。5.2樣機實際作業(yè)流程及施工流程試驗設備布局完畢后,啟動對講設備,劃定安全作業(yè)區(qū)域,開始挖溝試驗。開始進行不抱管挖溝試驗,以訓練解決3臺拖拉機拖拽前進同步性問題,同時觀察樣機整機反應,如有無劇烈振動等異?，F(xiàn)象。完成以上試挖溝試驗后,依據(jù)樣機實際作業(yè)流程,進行挖溝試驗。挖溝試驗作業(yè)流程如圖7所示。具體實施方法與試驗階段2和試驗階段3相同。圖8為樣機現(xiàn)場作業(yè)照片,圖9為挖溝機從開始作業(yè)到挖溝任務結束的狀態(tài)變化示意圖。挖溝試驗須進行兩次,以便展開以下研究工作:(1)挖溝速度、深度對拖拽力的影響;(2)轉向對拖拽力及溝型的影響;(3)波浪形地面對挖溝作業(yè)的影響;(4)挖溝