2. 哈尔滨工程大学
2. Harbin Engineering University
0 引 言
在深海资源开发过程中，管道连接技术是必不可少的关键技术[1]。卡爪连接器是深海管道自动连接的重要设备，而卡爪的运动特性是实现管道连接密封的关键[2]，卡爪的运动稳定性直接影响密封的可靠性。
在卡爪运动部件中，卡爪与驱动环的配合角度决定着锁紧后卡爪和驱动环能否实现自锁。周向分布的卡爪与驱动环配合锁紧上、下法兰，老式卡爪式水下连接器在装配周向分布的卡爪时，需要借助分度装配工具调整各个卡爪的周向位置[3]，存在定位困难、装配难度大及装配精度难以保证等缺点。为了保证卡爪运动的稳定性，笔者了设计一种周向定位机构，并对卡爪的运动特性进行仿真研究。所得结论可为深水卡爪连接的密封设计提供参考。
1 卡爪运动部件卡爪运动部件是卡爪连接器的主要组成部分，由卡爪、驱动环、卡爪周向定位机构、上下法兰和密封圈组成。图 1是卡爪运动部件张开和闭合状态的总体结构图。
如图 1a所示，卡爪运动部件处于张开状态，驱动环位于运动的起始点，驱动环上部锥面与卡爪上部锥面接触，使卡爪处于完全张开状态，以便卡爪连接器在下法兰上就位；密封锁紧过程中，驱动环下移，驱动环与卡爪各配合面分别在不同的阶段保持接触，卡爪内槽下端锥面与下法兰锥面紧密贴合，实现连接器的锁紧密封，如图 1b所示。
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| 图 1 卡爪运动部件张开和锁紧状态总体结构图 Fig.1 The overall structure of the moving parts of collet at opening and locking state |
2 卡爪运动部件结构研究
驱动环的上、下移动带动卡爪的开、合运动，在两者协同配合实现密封的过程中，两者始终保持接触配合状态。因此，需要对卡爪与驱动环配合角度和卡爪周向定位机构进行研究。
2.1 卡爪与驱动环配合角度深水卡爪连接器安装完成必须具有自锁能力，避免深水环境载荷作用于连接器上使其松动，进而造成密封失效，这就对驱动环和卡爪的配合角度有一定的要求[4]。如图 2所示，γ为卡爪与驱动环的配合角度。查阅手册得出，驱动环与卡爪之间的摩擦因数μ=0.15[5]。
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| 图 2 卡爪与驱动环配合角度及受力图 Fig.2 The dip angle and force diagram of the collet with the actuator ring |
为了保证自锁，角度γ必须满足：
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(1) |
式中：f1为垂直于驱动环与卡爪配合面的正压力，N；f2为驱动环与卡爪之间的摩擦力，N。
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(2) |
于是有：
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(3) |
即:
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(4) |
由式(4) 可得出卡爪背面与压力环内表面的配合角度γ≤8.5°，安全系数为2.5，即γ≤3°26′，圆整后取γ=3°。
2.2 卡爪周向定位机构研究图 3为卡爪周向定位结构图。在驱动环周向均匀安装与卡爪数量相同的周向定位机构，卡爪周向定位机构顶端插入卡爪定位槽中，周向定位机构与定位槽两侧面配合，限制卡爪的周向转动[6]。为了避免卡爪在张开过程中与驱动环上的定位机构产生干涉，应根据驱动环的位移和卡爪张开运动确定定位槽内部曲线轮廓[7]。卡爪背部开设定位槽将削弱卡爪的强度和刚度，因此应严格控制定位槽的深度。
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| 图 3 卡爪周向定位结构图 Fig.3 The structural diagram of the collet circumferential positioning |
图 4为周向定位结构运动位置示意图。在卡爪未转动阶段，驱动环和其卡爪周向定位机构由位置N1上移至位置N2，此过程中驱动环上端斜面与卡爪上端斜面尚未接触，卡爪未转动，张开角度为0，因此定位槽深度不变[8]，定位槽内部曲线为直线，B、E点坐标可由测量得到，分别为B(xB,yB)和E(xE,yE)，且xB=xE。BE段方程为：
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(5) |
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| 图 4 周向定位机构运动位置示意图 Fig.4 Schematicof collet circumferential positioning mechanism motion position |
在卡爪转动阶段，驱动环由N2位置上移至N3位置，驱动环上端斜面与卡爪上端斜面接触，卡爪开始转动，直至卡爪转动停止，为了保证卡爪转动阶段周向定位机构与定位槽底部不发生干涉，应根据驱动环移动和卡爪配合转动确定N2到N3运动过程定位槽底部曲线[9]。
图 5为周向定位机构运动过程坐标及不同的运动过程图。以O点为原点建立坐标系，经测量可得驱动环上端锥面与卡爪上端锥面初始接触时接触点为图示点A(xA,yA)。卡爪上端锥面斜直线CD斜率为tanθ，于是得到斜线方程为：
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(6) |
当卡爪旋转α角度后，斜线斜率变为tan(α+θ)，如图 5b所示。经测量初始接触点到原点连线与x轴夹角为λ，卡爪上初始接触点A(xA,yA)旋转α角度后为A′(x′A,y′A)，坐标计算式为：
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(7) |
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| 图 5 周向定位机构运动过程坐标及不同的运动过程图 Fig.5 The movement coordinate and the different movement of the circumferential positioning mechanism |
卡爪旋转α角度后，CD斜线方程变为：
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(8) |
由于驱动环与卡爪接触点x坐标始终不变，即x=xA，所以驱动环位移为：
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(9) |
经测量可得,驱动环上端锥面与卡爪上端锥面初始接触时周向机构发生干涉，干涉点为点B(xB,yB)，干涉处位移与驱动环位移相同。所以卡爪旋转α角度后B′点坐标为：
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(10) |
根据反转法，卡爪上开设定位槽的点B″是将B′反方向旋转α角度后得到，B′到原点连线与x轴夹角为：
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(11) |
因此N2到N3运动过程中卡爪定位槽内部曲线方程为：
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(12) |
卡爪旋转角度取值范围为0°~12°，即α=0°~12°，N2到N3运动过程卡爪定位槽内部曲线如图 6所示的B″F″段。
F″G为一段直线，此段直线方程为：
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(13) |
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| 图 6 N2到N3运动过程中卡爪定位槽内部曲线 Fig.6 The internal curve of collet positioning groove during the movement from N2 to N3 |
3 卡爪运动仿真及稳定性研究
卡爪运动的稳定性对深水卡爪连接器密封至关重要，使用NX8.5软件建立三维模型并导入ADAMS软件中进行运动仿真，如图 7所示，并根据得到的相关曲线分析卡爪的运动特性，进而判断卡爪运动部件能否满足运动稳定性的要求[10]。
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| 图 7 导入ADAMS中的模型 Fig.7 The model imported to the ADAMS |
由于12个卡爪周向均匀分布，每个卡爪运动状态和受力状态相同，故只分析1个卡爪的运动特性。在ADAMS模型中，对上、下法兰施加固定约束，对卡爪施加与上、下法兰和驱动环的体接触约束，对驱动环添加移动副，用Step函数施加上移阶段(25 s)、下移阶段(25 s)的位移驱动；在有周向定位机构状态下还需添加周向定位机构与卡爪的接触约束和周向定位机构与驱动环的固定约束。
无周向定位机构状态下，随着驱动环上、下移动，卡爪张开角度曲线有较大波动，如图 8所示。0~12 s阶段，驱动环初始上升，驱动环与卡爪背面之间有较大密封锁紧力，驱动环上移时需克服接触摩擦力，使卡爪出现较大波动的张开角度；12~25 s阶段，驱动环上端锥面与卡爪上端锥面发生接触，卡爪开始逆时针旋转运动，也有一定的波动；25 s时，驱动环停止上移，卡爪达到最大张开角度；25~50 s阶段，随着驱动环的回落，卡爪张开角度与驱动环上移时相反，直到驱动环停止，此时卡爪回到闭合状态，但是由于没有周向定位机构，卡爪产生周向转动，卡爪张开角度并没有归0。有周向定位机构状态下，随着驱动环的上、下移动，卡爪张开角度曲线波动较小，且卡爪张开和闭合过程呈对称分布，卡爪开合角度最终归0。
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| 图 8 有、无周向定位机构状态下驱动环位移和卡爪张开角度随时间变化曲线 Fig.8 The actuator ring displacement and the collet opening angle versus time with and without circumferential positioning mechanism |
图 9为卡爪质心随着驱动环移动位移变化曲线。在驱动环上端锥面与卡爪上端锥面发生接触前卡爪质心位移有一定的下移；当驱动环上端锥面与卡爪上端锥面发生接触后，卡爪质心位移开始平稳上移。在有周向定位机构状态下，在驱动环上端锥面与卡爪上端锥面发生接触前卡爪质心位移几乎为0。
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| 图 9 有、无周向定位机构状态下卡爪质心位移随时间变化曲线 Fig.9 The collet centroid displacement versus time with and without circumferential positioning mechanism |
如图 10所示，在有、无周向定位机构状态下卡爪周向转动角度曲线变化明显。在无周向定位机构状态下，卡爪周向转动角度较大，且运动过程结束卡爪转动-1°；在有周向定位机构状态下，由于周向定位机构材料刚度和表面粗糙度的影响，运动过程中卡爪周向转动角度有一定波动，但运动过程结束后卡爪转动角度为0，证明卡爪周向定位机构能够有效地防止卡爪的周向转动。
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| 图 10 有、无周向定位机构状态下卡爪周向转动角度随时间变化曲线 Fig.10 The collet circumferential rotation angle versus time with and without circumferential positioning mechanism |
综上所述，卡爪周向定位机构的应用可明显提高卡爪运动的稳定性。
4 结 论(1) 为了实现深水卡爪连接器的自锁，卡爪与驱动环的配合角度为3°。
(2) 通过研究卡爪在驱动环移动时的转动角度，确定了不同运动阶段卡爪定位槽内部的曲线方程。
(3) 通过ADAMS软件对卡爪运动机构的仿真研究，对比了有、无周向定位机构时卡爪张开角度、质心位移和周向转动角度曲线，证明卡爪周向定位机构能够保证卡爪周向定位，并能有效提高卡爪运动的稳定性。
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