基于粒子群算法的海洋废弃平台桩基拆除绳锯机夹紧力优化

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Optimization of Clamping Force of Wire Saw for Ofshore Discarded Platform PliesRemoval Based on Particle SwarmWANG Haibo .ZHANG Lan ，MENG Qingxin 。WANG Zhe(1-Colege of Meehanical&Electrical Engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin Jilin 132022，China；2.Colege of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin Heilongjiang 150001，China 3.Maintainment&Repair Division，Ofshore Oil Engineer Co.，Ltd.，Tianjin 30o45 1，China)Abstract：Underwater wire saw Cal be used to cut ofshore discarded platform plies. When the underwater environment changesin cuting process，it should adjust clamping force quickly tO adapt to the changes.The wire saw clamp mathematical model was de-scribed. According to wire saw actual design conditions，clamping force was quickly solved using particle swarul algorithm. Experi-ments show that using obtained clamping force，wire saw can work stably. Corresponding dynamic param eters were measured. The re-sult、s provide a foundation for the wire saw clamping force quickly adaptive control in the underwater environment。

Keywords：Ofshore discarded platform plies；Wire Saw；Clamp force；Particle swarm optimization海上废弃油气平台在拆除过程中，桩基可以采用串珠绳锯机来完成切割，绳锯机切割具有安全、环保、能同时切割金属和非金属的优点○刚石绳锯机在国外已被用来切割废弃平台桩基” ，国内在此领域的研究还很少 。

如图 1所示，废弃平台桩基绳锯机切割系统主要由工作母船、控制柜、液压动力源和绳锯机本体等几部分构成。如果夹紧装置设计不当，绳锯机在工作过程中，系统的振动会使-个或者几个夹紧点处发生提离或者滑移，从而使绳锯机不能夹紧到桩基上进行切割作业。夹紧力是夹紧装置设计中-个非常重要的可控设计参数，夹紧力的选择既要保证绳锯机本体能够稳定地夹紧到桩基上，又不能过大，以免对绳锯机夹紧装置的强度及液压系统提出过高的要求。

图 1 绳锯机切割系统绳锯机水下切割桩基过程中，由于切割过程属于磨削，所以完成-次桩基切割需要的时间较长，在这个较长时间的切割过程中，水下环境条件 (水流向、流速等)有时会发生很大的变化，这就需要绳锯机收稿 日期 ：2012-02-14基金项目：国家863高技术研究发展计划资助项目 (2002AA6020212.1)；中国海洋石油总公司技术发展项目 (C/KJFHO01-2005)；国家863高技术研究发展计划资助项目 (2006AA09A105-4)；黑龙江省自然科学基金项目 (E200815)作者简介：王海波 (1974-)，男，博士，副教授，主要从事机电-体化及检测技术方面的研究。E-mail：wanghaibo197426### 163.corn。

· 34· 机床与液压 第 41卷根据某种算法，能够及时快速地计算出变化后的目标夹紧力，然后对夹紧装置的液压夹紧力进行调整，以便绳锯机在外界条件变化后依然能够稳定地固定在桩基上工作。

1 绳锯机夹紧桩基简化模型绳锯机本体简化后的夹紧桩基模型如图 2所示 ，图中 0-xyn表示系统的整体坐标，c(f)i-xlY n (i：1，，6)表示夹紧点上的局部坐标。

/ - - ～ 图2 绳锯机夹紧时的模型系统简化后得到的夹紧力数学模型如式 (1)所示：Mini.mizet0(f.)： l lI (1)约束条件为：G Gi Q 0(i1，，4；J.1，2)，耻 ≥0 ≥0尼 ≤( ) ≤ ( )△ (t)：d (t)-6fJ ，Y，nmax△ (t)≤0max√[ △ (t)] [kiyA ( )] -It [k IA I]≤0Lb≤ ≤ Ub式中：i1，，zc；d(t)STq(t)，q(t)是动力学方程MqM宣KqQ(t)的解，Q(t)是激振力；占可 以通过方程6 ：0.54 ， - 0.25 二 ± 求解；， ，兀分别为夹1T/5r紧力在各个方向上的分量；G 为绳锯机稳定工作时夹紧瓣对绳锯机作用的夹紧力；Q 表示绳锯机稳定工作时，所有外部环境对它作用的力和力矩；G 为V形块对绳锯机产生的被动力；d和 分别表示夹紧时接触位置处的动态位移和静态变形；t是指切割时间；△ (t)，△ (t)，△ (t)是指第 个接触位置在 ，Y ，n 方向上的叠加位移； 是指在第 i个接触位置处的静摩擦因数 ；k ，k ， 是指在 ，Y ， 方向上的局部接触刚度；M ；，m为绳锯机的质量， 为单位阵，J为绳锯机质心的转动惯量矩阵；矢量q用来描述系统的动态运动，qAr，/tO；6 为法向接触的平均变形；6 。和6 为法向力引起的切向平均变形。

2 粒子群算法式 (1)为两个层次上的优化任务，外层是2范数表示的夹紧力矢量的最小值优化，内层是在夹紧力作用下，绳锯机动态条件下夹紧装置需要补偿的最小能量，两个优化问题的约束区域彼此隐含依赖。-般来说，确定类型的两个层次非线性规划问题的理论求解方法有很多。由于式 (1)内层的选择会影响动力学模型的解 ，这个选择在寻找最优夹紧力时需要被看做-个黑盒子，所以，它的求解不同于-个普通的非线性双层优化问题。

对于这种问题，作者采用-个启发式的搜索算法--粒子群算法来求解 。它是通过模拟-个简化社会模型的演化算法，在这个模型中，成员可以从群体中其他成员和本身的发现及以往的经验中获利。

粒子群算法的求解，用-群代表随机潜在解的粒子作为算法的初始化，这些粒子在多维解空间被指定速率并且飞行。在第k次迭代后，每个粒子得到的最优解和相应的目标函数值被存储，并且在某次迭代过程中，在群体中表现最好的粒子也被记录。求解过程中第i个粒子和第k1次叠加过程中的粒子的速度可用式 (2)表示：- k k C1rand(pb - )c2Rand(pb - ：) (2)式中：W是迭代权重，c，和 c：是正常数 ，raitd和 Rand产生0到1之间的任意数。

第i个粒子和第七1次叠加过程中粒子的位置可用式 (3)表示：-k 口-k (3)通过分析，式 (1)采用粒子群算法的求解流程如图3所示。 - - 在给定值范围内任意初始化粒子：gbest1以夹紧装置的动态条件稳定为目标评价粒子- < 。

<廷垂好 、、 、-/ N结束YI- -JL 更新gb I解空问飞行的粒子图3 粒子群算法夹紧力的求解流程Y第5期 王海波 等：基于粒子群算法的海洋废弃平台桩基拆除绳锯机夹紧力优化 ·35·图中，gbes表示全局极值，p 表示个体极值。

3 绳锯机夹紧力的粒子群算法优化应用粒子群算法求解绳锯机工作条件下的夹紧力参数如表1所示。桩基和夹紧装置材料为 Q235，绳轮转速为910 r/min，驱动轮的直径为 0 42 m (质量16.5 kg，偏心距 0.001 m)，导向轮的直径为0.4 m(质量 14.5 ，偏心距0.001 m)，简化后的夹紧瓣接触半径为0.12 m，简化后的V型块接触半径为0.17 m。绳锯机静态条件下夹紧参数见文献 [6]，取最危险条件下的绳轮偏心激振力矢量和作为系统的激振力。

表 1 绳锯机动态条件下粒子群算法求解初始条件最行紧力的优化收敛过程如图 4所示，可以得到：算法大约迭代20次左右就得到了所需 要 的 解，时 间 非 常短，收敛速度较快。得到的绳锯机动态条件下稳定工作的最行紧力如表2所示。

迭代次数图4 粒子群算法的收敛过程表 2 动态条件下的最行紧力夹紧位置 Ct C2 l3 C4 C5 16英 力f ，N 5 819 0 54 553 33 337 45 583 8 607根据夹紧力计算结果完成了绳锯机的设计，并且进行了绳锯机切割条件下的夹紧稳定性试验。如图5所示，试验中首先将模拟桩基固定，由天吊辅助将绳锯机夹紧到桩基上，将绳锯机的夹紧力按照表2进行了选择，启动绳锯机进行切割，然后慢慢松开天吊，切割过程中两台天吊起安全辅助作用。

图6为绳锯机夹紧位置处测得的切割状态下法向 、n方向上的运动参量特性，，图7为夹紧位置处围绕点 O的角度变化参量特性。图6和图7表明：绳锯机采用粒子群算法优化得到的夹紧力工作时，动态条件会对夹紧力大小产生影响，动态参数的大小与4个绳轮的偏心激振力的合力大小有关，所以测得的动态参数曲线变化比较复杂，确定夹紧装置时必须进行考虑。

图5 夹紧稳定实验中的绳锯机10f 1- 方向 30萎。 u ：：IO 0.01 0.02 0.03 0 0.01 0.02 0 n3时间，s 时间，s图6 绳锯机切割时 图7 绳锯机切割时的位移特性 的转动特性4 结论(1)粒子群算法能够用来优化求解两个层次非线性规划复杂条件下绳锯机切割桩基时的夹紧力。

(2)此种算法能够使夹紧力在较短时间内收敛到目标值，这就为废弃平台桩基拆除绳锯机夹紧力的快速自适应控制提供了-定的基矗