本發(fā)明涉及一種對海底破損嚴重的石油管道進行切割處理的水下作業(yè)裝置。

背景技術(shù)：

ROV，即無人遙控潛水器，是用于水下觀察、檢查和施工的水下機器人。海洋中蘊藏著豐富的額生物資源、礦產(chǎn)資源和海洋資源，到目前為止，已開發(fā)的海洋資源只占總量很小的一部分。各國加大了海洋石油的鉆井開采，海底管道的鋪設(shè)長度也隨之增加。為保證水下油氣生產(chǎn)的正常進行，對于管線破損情況嚴重的管道，需要進行切割與替換操作?，F(xiàn)有的完成水下管道切割和替換作業(yè)都是通過人工利用機械工作進行手工操作，這樣不僅需要花費大量時間，而且勞動強度大，安全風(fēng)險高。隨著水深的增加，人工潛水很難到達作業(yè)區(qū)域，直接影響破損管線不能得到及時的切割和替換處理。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中所提到的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種用于海底管道切割的裝置，即海底管道切割機器人。該裝置可以快速、精確的實現(xiàn)海底管道的切割和替換操作，不僅縮短了作業(yè)周期，同時也減輕了人工勞動強度，提高了工作效率。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：該種海底管道切割用水下機器人，包括機體，以及為機體提供動力和控制命令的液壓和電控系統(tǒng)。所述機體為本發(fā)明的創(chuàng)新點所在，包括作業(yè)ROV、兩套切割機構(gòu)、支撐腿和一個小型輔助機械手；其中，切割機構(gòu)、支撐腿和一個小型輔助機械手分別與作業(yè)ROV連接，作業(yè)ROV為切割機構(gòu)、支撐腿和一個小型輔助機械手提供動力與控制信號；

作業(yè)ROV包括框架、浮力塊、推進器和七自由度機械手和五自由度機械手；

固體浮力塊由可加工浮力材料制成，位于作業(yè)ROV上部，通過螺栓固定在框架上層，作業(yè)ROV正面裝有6個懸浮燈、一個攝像頭和攝像頭用照明燈；

起吊裝置的一端與框架連接，另一端穿過浮力塊與纜繩連接。

6個推進器通過螺旋槳架與框架連接，每個推進器由螺旋槳架、螺旋槳和液壓馬達組成，其中4個推進器分別相對于作業(yè)ROV的XY軸方向呈45度夾角安裝在框架的中層；2個推進器安裝在作業(yè)ROV兩側(cè)，其軸向與豎直方向呈15度角，位于框架上層，嵌于浮力塊內(nèi)；

七自由度機械手包括固定座、液壓裝置、大臂、小臂、手爪和爪接頭；五自由度機械手包括液壓裝置、機械手臂、手爪、電機和底座；七自由度機械手和五自由度機械手通過螺栓固定在框架的下底板上；

兩套切割機構(gòu)通過螺栓固定在框架底部的前、后方，每套切割機構(gòu)包括相連接的鉗口、刀架、水刀機構(gòu)、兩個液壓馬達、兩個齒輪、圓弧棘齒輪和三個定位液壓缸；其中，3個由液壓桿和液壓筒組成的定位液壓缸以120度夾角安裝在鉗口內(nèi)側(cè)，定位液壓缸伸縮完成對管道的夾緊與松開；

水刀機構(gòu)包括水槍液壓筒、水槍液壓桿、水槍夾持裝置和水槍；兩個水刀機構(gòu)通過螺栓以對稱方式固定在水刀架上，水槍液壓筒和水槍液壓桿配合，控制兩個水槍的相對位置；

一對齒輪分別與液壓馬達以鍵連接的方式對稱固定在鉗口上，180度圓弧棘齒輪固定在水刀架上；液壓馬達帶動齒輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)，齒輪與水刀架上的圓弧棘齒輪嚙合帶動水刀架旋轉(zhuǎn)，水刀架往復(fù)運動帶著水刀機構(gòu)切割海底管道；

支撐腿包括固定腿、擺動腿、制動板、支撐液壓缸、支撐液壓桿和二級液壓缸；4個支撐腿均勻分布在作業(yè)ROV的兩側(cè)，對作業(yè)ROV起到支撐作用；

小型輔助機械手包括爪臺、桿、小底爪、液壓缸、液壓桿和伸縮液壓筒；小型輔助機械手通過螺栓連接在作業(yè)ROV下方，位于兩套切割機構(gòu)中間，其中心線與兩套切割機構(gòu)中心線重合。

本發(fā)明具有如下有益效果：采取上述方案后，首先，一種海底管道切割用水下機器人以ROV為載體是非常有利的，因為目前ROV技術(shù)已經(jīng)相對成熟，無論是在結(jié)構(gòu)還是控制上，這有利于海底管道切割機器人普及。制造傳統(tǒng)海底管道切割大都是潛水員潛入水底，利用切割工具實施切割作業(yè)，且切割方式多樣，如激光切割、火焰切割、電火花線切割等。本裝置的發(fā)明可以實現(xiàn)機械自動化代替人工作業(yè)，操作人員只需在母船上操作機器人就能完成相關(guān)作業(yè)，提高工作效率，節(jié)約人力成本。其次，此管道切割機器人采用水切割，水切割是一種特殊的冷態(tài)切割，它直接利用高壓下的加磨料水流對金屬進行切削，水刀切割金屬材料厚度一般可達8cm以上，且切割過程中無化學(xué)變化，材料無熱效應(yīng)，方便靈活、用途廣泛，且切割后不需要或者有益于二次加工。與傳統(tǒng)的加工手段相比“水刀”切割在金屬加工領(lǐng)域更加安全、環(huán)保、效率更高，可實現(xiàn)任意曲線的切割加工，也可加工傳統(tǒng)手段無法加工的材料，如復(fù)合材料、反光材料、化纖、熱敏感材料等。所以“水刀”可以說是顛覆了傳統(tǒng)技術(shù)，在多領(lǐng)域都有比較全而的應(yīng)用。由于“水刀”在切割過程中對材料沒有任何影響，且“水刀”對切割材料也沒有任何限制，如可以切割鋁、銅等激光難以切割的材料等。最后，操作完成后，水下機器人利用小型輔助機械手可以將切割下來的破損管道回收至水面,這樣水下管道切割機器人就完成了破損管道的切割與回收一體作業(yè)。本發(fā)明能夠有效完成海底破損管道切割任務(wù)，可以到達人類無法到達的極端海洋環(huán)境下工作，大大拓展了人類對海洋的研究范圍。突破了人的生理極限和水下傳統(tǒng)切割方式耗時長、費用高，也非常不靈活的限制。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明的總裝圖。

圖2是本發(fā)明所述作業(yè)ROV總體結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明所述作業(yè)ROV主視圖。

圖4是本發(fā)明所述作業(yè)ROV下視圖。

圖5是本發(fā)明所述作業(yè)ROV的安裝部分部件的框架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本發(fā)明所述作業(yè)ROV的浮力塊示意圖。

圖7是本發(fā)明所述作業(yè)ROV的螺旋槳示意圖。

圖8是本發(fā)明所述作業(yè)ROV的七自由度機械手示意圖。

圖9是本發(fā)明所述作業(yè)ROV的五自由度機械手示意圖。

圖10是本發(fā)明所述切割機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11是本發(fā)明所述切割機構(gòu)前視圖。

圖12是本發(fā)明所述切割機構(gòu)后視圖。

圖13是本發(fā)明所述切割機構(gòu)的鉗口結(jié)構(gòu)示意圖。

圖14是本發(fā)明所述切割機構(gòu)的刀架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖15是本發(fā)明所述切割機構(gòu)的水刀機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖16是本發(fā)明所述切割機構(gòu)的水槍槍頭結(jié)構(gòu)示意圖。

圖17是本發(fā)明所述切割機構(gòu)的水槍槍頭夾持裝置示意圖。

圖18是本發(fā)明所述切割機構(gòu)的水刀機構(gòu)液壓桿示意圖。

圖19是本發(fā)明所述切割機構(gòu)的水刀機構(gòu)液壓缸示意圖。

圖20是本發(fā)明所述切割機構(gòu)的定位液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖。

圖21是本發(fā)明所述切割機構(gòu)的定位液壓桿結(jié)構(gòu)示意圖。

圖22是本發(fā)明所述切割機構(gòu)的齒輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖23是本發(fā)明所述切割機構(gòu)的齒輪機構(gòu)齒輪結(jié)構(gòu)示意圖。

圖24是本發(fā)明所述切割機構(gòu)的齒輪機構(gòu)液壓馬達結(jié)構(gòu)示意圖。

圖25是本發(fā)明所述切割機構(gòu)的圓弧棘齒輪結(jié)構(gòu)示意圖。

圖26是本發(fā)明所述支撐腿結(jié)構(gòu)示意圖。

圖27是本發(fā)明所述支撐腿的擺動腿結(jié)構(gòu)示意圖。

圖28是本發(fā)明所述支撐腿的固定腿結(jié)構(gòu)示意圖。

圖29是本發(fā)明所述支撐腿的制動板結(jié)構(gòu)示意圖。

圖30是本發(fā)明所述支撐腿的液壓筒結(jié)構(gòu)示意圖。

圖31是本發(fā)明所述小機械手的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖32是本發(fā)明所述小機械手伸縮液壓筒結(jié)構(gòu)示意圖。

圖33是本發(fā)明所述小機械手小底爪結(jié)構(gòu)示意圖。

圖34是本發(fā)明所述小機械手爪臺結(jié)構(gòu)示意圖。

圖35是本發(fā)明所述小機械手小底爪連桿示意圖。

圖36是本發(fā)明所述小機械手小底爪液壓轉(zhuǎn)配示意圖。

圖中1-作業(yè)ROV， 2-切割機構(gòu)，3-支撐腿，4-小型輔助機械手，5-框架，6-浮力塊，7-推進器，8-七自由度機械手，9-五自由度機械手，10-懸浮燈，11-攝像頭，12-照明燈，13-起吊裝置，14-螺旋槳架，15-螺旋槳，16-液壓馬達，17-固定座，18-液壓裝置，19-大臂，20-小臂，21-手爪，22-爪接頭，23-液壓裝置，24-機械手臂，25-手爪，26-電機，27-底座，28-鉗口，29-刀架，30-水刀機構(gòu)，31-液壓馬達，32-齒輪，33-圓弧棘齒輪，34-定位液壓缸，35-液壓桿，36-液壓筒，37-水槍液壓筒，38-水槍液壓桿，39-水槍夾持裝置，40-水槍，41-固定腿，42-擺動腿，43-制動板，44-支撐液壓缸，45-支撐液壓桿，46-二級液壓缸，47-爪臺，48-桿，49-小底爪，50-液壓缸，51-液壓桿，52-液壓桿，53-伸縮液壓筒。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明：

由圖1所示，該由圖1所示，一種海底管道切割用水下機器人，由本體ROV1、切割機構(gòu)2、支撐腿3、小型輔助機械手4構(gòu)成。海底管道切割機器人從母船下放至海里，靠其重力下潛至海底，通過螺旋槳提供動力，使海底管道切割機器人移動至預(yù)定位置，支撐腿伸長至地面，切割機構(gòu)夾緊定位管道，同時，海底管道切割機器人底部的小型機械手夾住管道，等所有的準備工作做好以后，開始切割管道。切割完成以后，海底管道切割機器人通過螺旋槳和臍帶纜開始上潛，回收至母船。

本體ROV前部裝有懸浮燈10、攝像頭11和照明燈12等部件，由于機器人作業(yè)過程中的照明及觀測使用。

由圖2、圖3、圖4、圖5所示，本體ROV1由框架5、浮力塊6、推進器7、七自由度機械手8和五自由度機械手9等部分組成?？蚣?采用長3.04m，寬1.64m，高2.64m?？蚣苤饕?0x40x4的方形管焊接而成，材料選擇980鋼。該鋼是我國當(dāng)前強度最高，韌性最好的耐壓殼體用鋼，不僅強度高，還具有高韌性，良好焊接性，耐海水腐蝕性能。

起吊裝置13一端與框架5連接，另一端穿過浮力塊（6）與纜繩連接。纜繩與母船連接，用于ROV的釋放和收回，同時通過纜繩實現(xiàn)對ROV及其他設(shè)備的控制。

由圖2、圖6所示，浮力塊6固定在框架的上層位置，用海洋化工研究院研制的浮力材料，材料的型號為SBM-H038，工作水深為1000m，密度為0.38±0.02（g/cm3），吸水率（24h）為<3%，單軸壓縮強度為>15MPa。海底管道切割機器人的浮力塊由一大塊浮力材料制成。雖然這種方式不便于加工，但是，便于浮力塊的裝配和拆卸。

浮力模塊用螺栓或雙頭螺柱與框架結(jié)構(gòu)連接，并在浮力模塊本體上預(yù)埋鋼連接件，在載體框架上加裝浮力模塊安裝板和支架，使得浮力塊安裝簡單、可靠，拆卸方便。

為了減小起吊狀態(tài)下載體框架結(jié)構(gòu)變形對浮力塊的影響，除了在浮力塊之間留有一定的間隙外，還采取了適當(dāng)加大浮力模塊安裝螺栓孔的直徑和增加橡膠墊圈等措施。

為了防止浮力塊與其它物體發(fā)生碰撞而損壞，布置在載體框架外部的浮力塊外表面噴涂有聚亞安醋保護層，能夠有效地保護浮力材料不受損壞。

由圖5、圖7所示，6個推進器7通過螺旋槳架14與框架5連接，每個推進器7由螺旋槳架14、螺旋槳15和液壓馬達16組成，其中水平四個相同的螺旋槳實現(xiàn)ROV的推進和轉(zhuǎn)艏，四個螺旋槳對稱布置，分別相對于ROV的XY軸方向呈45度夾角，以便轉(zhuǎn)艏和推進得到同樣大的推力。

豎直方向在ROV兩側(cè)分別布置一個螺旋槳，為實現(xiàn)ROV的升沉，為減小該螺旋槳運動時產(chǎn)生的力矩對ROV的航行的影響，使螺旋槳的軸向與豎直方向呈15度角。

由圖2、圖8和圖9所示，七自由度機械手8由固定座17、液壓裝置18、大臂（19）、小臂20手爪21和爪接頭22等部分組成。五自由度機械手（9）由液壓裝置23、機械手臂24、手爪25、電機26、底座27等部分組成。ROV采取擬人的方式把機械手裝在水下機器人的前部。當(dāng)不需要機械手工作時，機械手可以收回至頂部伸出梁的保護范圍內(nèi)。

由圖10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25所示每套切割機構(gòu)2由鉗口28、刀架29、水刀機構(gòu)30、兩個液壓馬達31、兩個齒輪32、圓弧棘齒輪33和三個定位液壓缸34等部件組成。鉗口28通過螺栓固定在本體ROV上，鉗口28與刀架29采用凹槽配合的方式連接，水刀機構(gòu)30通過螺栓連接到刀架29上，每組切割機構(gòu)2上有兩套對稱的水刀機構(gòu)30，通過控制水槍液壓裝置，可以調(diào)整兩水槍的相對位置，以適應(yīng)不同尺寸管線的切割。

圖15、16、17、18、19水刀機構(gòu)30由水槍液壓筒37、水槍液壓桿38、水槍夾持裝置39和水槍40組成，兩個水刀機構(gòu)30通過螺栓以對稱方式連接在水刀架29上 。

由圖20、圖21所示，3個由液壓桿35和液壓筒36組成的定位液壓缸34以120度夾角安裝在鉗口28內(nèi)側(cè)，定位液壓缸34伸縮完成對管道的夾緊與松開。

圖11、14、22、23、24水刀機構(gòu)齒輪傳動機構(gòu)，一對齒輪32分別與液壓馬達31以鍵連接的方式對稱固定在鉗口28上，180度圓弧棘齒輪33固定在水刀架29上。

由圖26、27、28、29、30所示，支撐腿3由固定腿41、擺動腿42、制動板43、支撐液壓缸44、支撐液壓桿45和二級液壓缸46組成。4個支撐腿3均勻分布在海底管道切割機器人的兩側(cè)。海底管道切割機器人正在進行切割工作時，支撐腿對ROV起到支撐作用，在切割完成之后，還可以防止已切斷的管道把ROV拉入海底。

由圖31、32、33、34、35、36所示，小型輔助機械手4由爪臺47、桿48、小底爪49、液壓缸50、液壓桿52、伸縮液壓筒53，通過螺栓連接在海底管道切割機器人下方，位于兩套切割機構(gòu)2中間，其中心線與兩套切割機構(gòu)2中心線重合。小型輔助機械手的作用是幫助切割機構(gòu)抓住已切斷的管道，同時幫助切割機構(gòu)承擔(dān)已切斷管道的重量，該機械手還能抓住不同管徑的海底管道。

一種海底管道切割用水下機器人作業(yè)過程：

步驟1：步驟1：ROV通過垂直推進器和水平推進器運動到所要作業(yè)的位置上方；

步驟2：支撐腿展開，控制ROV緩緩下放，微調(diào)ROV位置，使破損管道抵達切割裝置指定位置，小型輔助機械手抓取管道，三個定位液壓缸夾緊管道。

步驟3：調(diào)整每組切割機構(gòu)上水刀機構(gòu)的相對位置，啟動液壓馬達和水刀機構(gòu)，水刀架通過齒輪嚙合傳動在鉗口上做來回往復(fù)運動，水刀架開始旋轉(zhuǎn)180°帶著水刀機構(gòu)切割海底管道。

步驟4：切割完成以后，關(guān)閉切割機構(gòu)，小型輔助機械手抓取切割下的管道，海底管道切割機器人通過螺旋槳和臍帶纜開始上潛，同時收回支撐腿，ROV回收至母船。