毕业设计（论文）-海洋平台疲劳测试试验台设计.doc

分类号密级 UDC 本 科 毕 业 设 计 海洋平台疲劳测试试验台设计 学生姓名 学号 指导教师 院、系、中心 工程学院机电工程系 专业年级 机械设计制造及其自动化2011级 论文答辩日期 2015 年 6 月 4 日 中 国 海 洋 大 学海洋平台疲劳测试试验台设计 完成日期： 指导教师签字： 答辩小组成员签字： 摘 要茫茫的海洋里蕴藏着丰富的石油、天然气等资源，而海洋平台是开发海洋资源的主要纽带。然而，海洋平台所处的环境非常复杂且恶劣，最上层有海风侵袭，中间层有海浪拍打，最底层有海流腐蚀，在多个外载荷的影响下，海洋平台的抗疲劳能力明显下降。海洋平台出现失效破坏会影响平台的安全性和使用寿命，因此，对海洋平台进行实时检测显得至关重要。本课题通过研究海洋平台疲劳测试试验台，根据海洋平台的实际尺寸，按规定比例缩放创建出海洋平台疲劳测试实验台模型的总体结构，模拟海洋平台在恶劣的环境条件下，受到海风力、海浪力以及海流力的共同作用而出现疲劳损失和结构断裂，记录好数据以及发生的原因并及时进行数据分析和处理。总体提出了海风、海浪、海流三层试验台工作的方案，确定了旋转机构和升降机构，校核了螺栓、键、悬臂梁和轴的强度，满足设计要求。为实际海洋平台的安全监测、设备维护、事故诊断提供实用的理论支持，对增强海洋平台的可靠性和提高海洋平台的使用寿命有着极大的帮助。关键词：海洋平台；疲劳测试；试验台；外载荷；AbstractThe vast ocean is rich in oil, natural gas and other resources and it is the main link between the exploitation of marine resources.However，the offshore platform encounters a complex and bad environment，there is wind in its topmost and its intermediate layer is patted by the waves and its lowest level is corroded by the ocean current.Under the influence of a plurality of external loads, the resistance to fatigue of offshore platform decreases significantly,besides，structural elements of the platform will be a variety of aging because of service life. Therefore,it is very important to test the safety of offshore all the time.This study is to design a piece of equipment of offshore platform fatigue test platform，depending on the actual size of the offshore platform and according to the provisions of scaling to create the overall structure of the offshore platform fatigue test bench model. Simulating offshore platform in harsh environmental conditions and it is forced by the sea wind, waves and currents force which leads to fatigue damage and fracture structure.Recording the data as well as the cause and timely analyzing and processing it.The test bench program of work of sea level, sea level, ocean current layer are proposed，determining the rotation mechanism and the lifting mechanism and checking the strength of bolts, keys, cantilever and shaft that meets the designing requirements.It provides theoretical and practical support for the safety monitoring, equipment maintenance and accident diagnostics of the offshore platforms that it is very helpful to enhance the reliability and improve the life of offshore platforms.Key words: offshore platform；fatigue test ；test bench；external load；目录1 绪论.11.1 引言11.1.1 研究背景和意义21.1.2 国内外研究现状31.1.3 本文研究的内容42 海洋平台疲劳测试试验台研究方案62.1 工作原理及方案62.1.1 工作原理62.1.2 方案一72.1.3 方案二82.2 最后采用方案102.2.1 海风层工作原理102.2.2 海流层工作原理112.2.3 海浪层工作原理122.3 小结133 海洋平台主要外载荷计算163.1 确定模型所受外载荷163.1.1 风载荷计算163.1.2 海浪载荷计算183.1.3 海流载荷计算183.2 小结194 各元件的选择及计算204.1 海风层与海流层的液压缸选择204.2 海浪层液压缸选择214.3 电机的选择224.4 传感器的选择234.5 小结255 关键部位的强度校核265.1 液压缸强度校核265.2 锥齿轮强度校核275.3 平台立柱强度校核315.5 键连接的强度校核345.6 螺栓强度校核355.7 连接轴的强度校核365.8 小结39结论与展望40参考文献41致 谢43V1 绪论1绪论1.1 引言目前，随着科学技术的发展和成熟，各个国家都更加注重海洋资源的开发和利用，而更多地建立新型的海洋平台是开采海洋资源的主要渠道之一。为了适应复杂多变，更加危险的深海区域，海洋平台的种类也在逐步变化，纵观海洋平台的发展历程，海洋平台的发展会经历简单到复杂再到简单的过程。不仅结构变化，海洋平台建造时所采用的材料也在变化，从木材建造到钢材建造，再到钢筋混泥土建造；结构形式由固定式到移动式，作业水深由浅水发展到几千米深的海域。按照用途分，海洋平台可分为1：1.石油钻井平台 2.海上石油储存平台 3.油气处理平台 4.生活用以及船舶停靠平台。按照能否移动可分为：移动式和固定式海洋平台。前者还能分为坐地式海洋平台、自升式海洋平台、半潜式海洋平台，而后者也可以分为导管架海洋平台、混泥土重力式海洋平台、张力腿式海洋平台和牵索塔式海洋平台。按照材质则可以分为：木质平台、钢质平台、钢筋混泥土平台和混搭式平台。不管是哪种海洋平台，它都处于一个及其复杂，难以预估的环境当中，这种没有规律的外界干扰极大影响了海洋平台的安全性。在海洋平台建造和使用的过程中，历史上也发生了很多次重大事故，这些事故发生的直接原因无非就以下几种:1.结构构件的强度不足，2.浮力储备和结构的稳定性不够，3.平台管理和生产操作不当， 结构破坏的形式又分为：屈服失效破坏，疲劳失效，脆性断裂失效1。这些事故发生的原因通常情况不会是瞬间就发生的，而是长期积累的结果，是需要一个发展过程的，如果我们能够在事故发生之前，通过一套装置来检测到平台存在的危险情况，对于现有的灾难性问题，就能及时提出更好的解决方案，从而降低事故的发生率，经济的损失和人员伤亡也会及时得以控制。当今，国内外对海洋平台疲劳失效的实时检测没有深入的研究，一方面，研究的问题复杂多变，无规律；另一方面，需要大量的经济来源和技术支持；所以，开发一套能实时检测平台安全状况的装置迫在眉睫，并具有实用性和极大的价值意义。1.1.1 研究背景和意义近年来，随着社会的发展，各种各样的机器如汽车、飞机、船舶、工业设备农业机器等得到了普及。然而，这些交通工具或其他机械设备也需要越来越多的能源，陆地上的石油、天然气、煤炭等资源已经不能完全满足人类的需求，因为大部分的陆上油田开采量已经超过可开采储量的70%，可以说，大陆架油气资源的开发已经度过黄金期。为了更好地促进和保持社会的平稳发展，向海洋开采更多的资源已经亟不可待。在地球上，有70%的面积属于海洋，它蕴藏着丰富的能源资源，据估计，海底石油的总含量约有1350亿吨，占据了世界石油总储量的2/3。另外，海底约有140万亿平方米的天然气，约是世界总天然气的1/3。陆地的石油开采程度已将近尾期，多数地区的石油资源已变得枯竭，开采环境变得极其恶劣，开采成本不断上升或者依靠现有的技术和设备根本无法开采。种种原因，不得不使人们想方设法向海洋这个大资源市场进军，各种开采和利用海洋资源的工具设备被创造出来，如水下机器人、波浪能发电机、水下自主航行器、潮汐能发电机、海洋钻井平台、海底探测器等。海洋平台是海上资源开发的桥梁，在海上实施钻井、开采石油、集中运输、海上观测、远距离导航等各种海上作业都需要依靠海洋平台。世界许多国家如日本、韩国、美国、英国、挪威等都是与海洋相邻，拥有很多海洋领域，这些国家都看重海洋资源的开发和利用。因此，建造更多的海洋平台或者开创更先进的海洋平台已经成为这些国家的重点项目之一。所以，确保海洋平台的安全性、可靠性、经济性和实用性不仅能够避免重大事故的发生，而且还能够顺利、方便、快捷、高效地利用海上资源。疲劳试验机应用广泛，通常对车辆、船舶、飞机、管道和机床的关键部位进行疲劳试验，确保零件的耐用性、可靠性和安全性等。统计数据表明，机械零件在工作时，大部分的零件失效是疲劳导致的，而最后出现的结果往往会产生极大的危害。因此，通过实验研究金属材料抗疲劳的性能是有实际意义的。海洋平台结构复杂，体积庞大，并且它处在一个恶劣的海洋环境当中，同时受到多种随机载荷，包括海风力、海浪力、海流力、 海冰、地震等联合作用；海洋生物粘附，海水腐蚀，地基土壤冲刷以及材料老化、机械损伤和疲劳磨损积累等不利因素，直接影响海洋平台的安全性和使用寿命2。本课题通过研究海洋平台疲劳测试实验台，提出解决问题的可行方案，为实际海洋平台的安全监测、设备维护、事故诊断提供实用的理论支持，保证海洋平台能够处于一个良好的工作状态。1.1.2 国内外研究现状海洋平台疲劳测试试验台的工作原理与一般的疲劳测试试验机的工作原理大致相同。疲劳测试试验机有机械式、超声波式、电磁谐振高频疲劳式等种类，随着科技的进步，计算机技术的逐步成熟，液压控制系统的日臻完善,如今，良好的频率跟随性是电液伺服疲劳试验机的特点之一，它拥有以下的优点：1.频率范围广、功能强大，控制系统的性价比高2.负荷变化广、可靠性高3.可加载各种波形，如正弦波、方波、三角波等及任意函数波4.响应速度快，测量以及控制负荷、行程的速度快，而且精度高5.通过配有上位机，可进行复杂的程序控制，数据存储、处理分析，打印和显示结果以上这些优点，正好可以满足模拟海风力、海流力和海浪力的输出。目前，拥有生产这种先进电液伺服疲劳试验机能力的国家主要有美、英、日、德等国，这些国家制造的电液伺服疲劳试验机具有高精度，功能强大，性能良好，性价比高的优点。电液伺服疲劳试验机是集机械、电子、计算机技术、液压技术为一体的设备，可以准确完成测试试验力、变形、位移等变化并进行数据分析处理，显示试验结果。为了满足工程材料的高频疲劳测试，美国研制出了电液高频疲劳试验台如图1-1，最大的加载力达到25KN，试验的工作频率高达1000HZ；日本在研制疲劳试验机方面也是世界一流的，不仅研制了超高频试验机，该频率可达15000HZ30000HZ，最大应力可达65Kg/m2，同时还推出了极具代表性的超声波疲劳试验机如图1-2，超声波疲劳试验机的创建大大缩短了试验周期，不仅节省了试验成本，还在短时间内得出试验结果，为工程的建造赢得了宝贵的时间。国内的疲劳试验机相对外国来说，起步比较晚，技术落后，性能差，但发展快。在20世纪50年代，国内采用的疲劳试验机仍是机械式振动台；到70年代，国内引进了英国研制的1603型电磁谐振高频疲劳试验机如图1-3，并借鉴了其中的一些先进技术，研制出新型的高频疲劳试验机。在2014年9月，在广西桂林举行了第十七届全国疲劳与断裂学术会议”，会议上还展出了国家科技部重大科仪专项“”产品电液伺服疲劳试验机如图1-4，说明我国的电液伺服疲劳试验机的生产技术提升了一个高度。从疲劳测试试验台的各个种类可以知道，都是通过测试单个零件，然后根据测试结果，得出相应理论，并确定该零件是否适合运用于某个工程上。然而，对于海洋平台疲劳测试实验台，是利用应变片、声发射检测仪等传感器对整个平台进行实时监测，但测试系统也往往比较复杂；在国内外，现有的技术成果较少，相关的研究又需要大量的经费，同时还会受到复杂多变的环境问题的影响，平台受到的载荷往往是不规律的，多因素造成的，另外，要对整个海洋平台进行实时监测，也是具有很大难度的，这些都给研发带来了巨大的困难。图 1-1 MTS公司的电液高频疲劳试验台图 1-2 日本的超声波疲劳试验机 图 1-3 电磁谐振高频疲劳试验机图 1-4 电液伺服动态疲劳试验机1.1.3 本文研究的内容本课题主要研究的目的是设计一套测试海洋平台疲劳特性的模型实验装置，主要的研究内容包括，海风层、海浪层和海流层动力输出装置的液压回路结构、海洋平台的模型、转动机构、升降机构和四层圆环形钢板结构以及传感器和电机的选择。1. 拟解决的关键问题：（1）模拟海风层的动力输出装置的液压结构；（2）模拟海浪层的动力输出装置的液压结构；（3）模拟海流层的动力输出装置的液压结构；（4）海洋平台的模型，尺寸计算，强度校核；（5）传感器的选取、电机的选取，包括传感器的原理，电机的参数等；（6）四层圆环形钢板结构的确定，各动力输出装置在相对应钢板层的安装问题； (7) 转动机构和升降机构的确定。432 海洋平台疲劳测试试验台研究方案2海洋平台疲劳测试试验台研究方案2.1工作原理及方案2.1.1工作原理海洋平台疲劳测试试验平台主要由动力装置、传动装置、执行装置、工作对象和控制装置五部分组成，其原理框图如图2-1：图 2-1 试验台工作原理框架图各个实验层均由液压回路控制，电机或气动马达作为动力源，通过液压回路中的各个元件如液压泵、换向阀、溢流阀和压力继电器等进行控制，改变压力的大小、流量的多少和方向来实现所需要求。液压缸作为动力输出的执行机构，作用在固定的试验台上，根据实际的外载荷情况，模拟载荷按照一定规律输出。同时，海洋平台上安装有传感器，实时检测海洋平台的变形和内部结构的变化，采用上位机作为控制装置，上位机的控制原理如图2-2，把检测到的信号输送到上位机，上位机对这些信号进行分析、处理和保存。图 2-2 上位机控制原理图2.1.2方案一对于一种机械设备来说，通常有不同的设计方案，那么就需要根据需要满足的功能，制造成本，现有技术等条件，分析各个方案的优缺点，最后取长补短，得出最佳方案。对于设计海洋平台疲劳测试试验台，重点是设计疲劳试验台而并非海洋平台，试验层应该满足两个功能：第一，实际的外载荷方向不定，液压缸输出载荷时，应尽可能在各个角度工作，即可以旋转；第二，外载荷的作用点也不确定，试验层应该满足升降功能。图 2-3 圆弧导轨图 2-4 齿轮齿条升降机构方案一所采用的圆弧导轨旋转机构原理如图2-3，液压缸稳稳地安装在圆弧导轨滑块上，滑块能够顺着圆弧导轨旋转，并在不同位置上定位。采用的升降机构如图2-4，整个机构主要由电机、齿轮、齿条、液压缸组成，齿轮由电机带动，并使大齿条带动平台实现上升和下降功能，液压缸起锁紧作用。2.1.3方案二方案二的旋转机构如图2-5，机构由三个轮子、锥齿轮、滑块架和电机组成，电机带动锥齿轮，锥齿轮通过轴驱动轮子运转并绕着圆弧试验台旋转，推动滑块架一起转动，液压缸固定于滑块架上，这样就可以让液压缸在不同的角度位置停留固定。图 2-5 旋转机构1-试验台 2-滑块架 3-液压缸 4-电机 5-锥齿轮1 6-锥齿轮2 7-连接轴 8-滚轮图 2-6升降机构1-套筒1 2-液压缸 3-小电机 4-齿轮 5-齿条 6-套筒2升降机构如图2-6，由液压缸、小电机、齿轮齿条组成，升降时，上套筒的齿轮旋转带动齿条，把与齿条焊接的锁紧杆拔出，液压缸工作，到某个位置并停止，则锁紧杆又往回运动，实现锁紧。接着，下套筒的锁紧杆慢慢拔出，之后，试验台上升到指定位置，锁紧杆恢复原来状态，实现锁紧固定。（1） 旋转机构和升降机构的运动仿真对旋转机构和升降机构进行运动仿真，可以更好地理解这两个主要机构的工作过程。如图2-7、图2-8、图2-9、图2-10分别是旋转机构的工作位置一、位置二、位置三和位置四。所有位置的过程如下：滑块架固定液压缸活塞杆伸出工作液压缸停止工作电机、锥齿轮旋转工作滑块架固定。图 2-7 位置一图2-8位置二图 2-9 位置三图2-10位置四升降机构的仿真工作过程如图2-11、图2-12、图2-13、图2-14、图2-15、图2-16代表动作一、动作二、动作三、动作四、动作五、动作六。整个工作流程是周而复始的，依次顺序是：上面的小电机和齿轮动作，齿条拔出液压缸和套筒1上升上面的小电机和齿轮动作，齿条插入锁紧下面的小电机和齿轮动作，齿条拔出试验台和套筒2上升下面的小电机和齿轮动作，齿条插入锁紧。图 2-11 动作一图 2-12 动作二图 2-13 动作三图 2-14 动作四 图 2-15 动作五图 2-16 动作六2.2最后采用方案从两个方案来看，各有优缺点，经过对比分析可知道，方案一的优点：1.可以实现精确定位；2.升降机构的升降行程大，稳定性高。不足之处：旋转机构和升降机构的一些零件加工困难，质量重，成本高。方案二的优点：1.加工简单，质量轻，成本低；2.控制方便，装配、拆卸等简单。不足：定位的精确度没有方案一高。本次设计的目的是做出模型，并可以顺利工作；从优缺点对比可知，方案二的设计不仅可以节约大量成本，节约资源，还能满足模型的各种功能要求，所以，决定选择方案二。2.2.1海风层工作原理海风层工作原理如图2-17，海风层动力输出装置为脉冲力气动装置，其包括气马达1、电磁换向阀2、压力继电器3、气缸4，开启后，电磁换向阀的左位工作，同时气马达工作为整个工作回路加压，当压力达到预定值时压力继电器工作，导致气缸瞬间输出一个可控的脉冲力，然后电磁换向阀换到右位工作，整个工作回路卸载，完成一次动作。图 2-17 海风层动力输出装置原理2.2.2海流层工作原理海流层工作原理如图2-18，海流层动力输出装置为恒力液压装置，其包括过滤器、单向定量液压泵、三位四通电磁换向阀、单作用式液压缸。定量液压泵工作回路中的液压油经过滤器进入该回路中，三位四通电磁换向阀的左位工作，导致单作用式液压缸工作而输出一个恒力，单作用式液压缸工作完成后三位四通电磁换向阀的右位工作，工作回路卸载完成一次动作。图 2-18 海流层动力输出装置原理2.2.3海浪层工作原理海浪层工作原理如图2-19，海浪层动力输出装置为正弦液压装置，此正弦液压装置有快进、慢进、工进和快退四种工作模式，具体的工作顺序如下：a.快进:按下启动开关，电磁铁1YA得电，三位四通换向阀左位工作，形成差动回路以实现快进。进油路：油箱过滤器单向定量液压泵三位四通换向阀液压缸左腔回油路：液压缸右腔行程阀三位四通换向阀液压缸左腔此快进过程中，溢流阀起安全阀作用，由于采用定量泵，所以液压缸活塞杆匀速前进。b.慢进:当液压缸活塞杆伸出到规定行程，行程阀被触动，右位工作。进油路：油箱过滤器单向定量液压泵三位四通换向阀液压缸左腔回油路：液压缸右腔调速阀油箱由于调速阀的作用而实现慢进。c.工进:当液压缸活塞杆到达受力体后，液压缸左腔积压，第一压力继电器动作，此时3YA，4YA同时动作，I电流信号经过电流放大器输入，第一、第二电磁换向阀、分别下位、右位工作。在保证油路安全的条件下，调节直动式溢流阀溢流压力始终大于先导式溢流阀的溢流压力。进油路：油箱过滤器单向定量液压泵三位四通换向阀液压缸左腔回油路：液压缸右腔第二电磁换向阀油箱工进时，先导式溢流阀的调定压力由其先导阀的开关量大小决定，将溢流阀的遥控口连接到比例溢流阀，输入电流经电流放大器来控制阀的溢流量大小从而控制阀的溢流量大小，最终达到调节P处压力的目的，这样就可以通过编程控制电流的变化来获得液压缸输出不断变化的压力。d.快退:按下快退按钮，电磁铁2YA通电，3YA断电，4YA断电，三位四通换向阀右位工作，第二换向阀左位工作，第一换向阀上位工作，此时，溢流阀的遥控口与比例溢流阀断开。进油路：油箱过滤器单向定量液压泵三位四通换向阀单向阀液压缸右腔回油路：液压缸左腔三位四通换向阀油箱当活塞杆退回原位置后，液压缸右腔积压，第二压力继电器动作，整个装置停止工作，恢复到原始状态，系统卸荷。图 2-19海浪层动力输出装置原理整个装置按照装配来分，可以分为海洋平台、试验台、升降机构、旋转机构和动力输出装置如图2-20，海洋平台与试验台通过圆柱套和立柱套固定在地面上，旋转机构上的液压缸工作时作用在平台上，海风层和海浪层的液压元件如图2-21和海浪层的液压元件如图2-22。2.3 小结本章节在传统的疲劳测试试验机的测试原理基础上，确定了各动力输出装置的工作原理，采用电液伺服控制系统相对机械式、电磁式的控制或驱动方式来说，有明显的优势。另外，通过比较借鉴齿轮齿条的升降原理以及圆弧导轨的滚动方式，得出了旋转机构和升降机构的最终方案，满足了整个装置升降和在任意角度工作的要求的设计。图 2-20 三维装配图1-海风层和海流层的液压元件 2-旋转机构 3-海洋平台 4-试验台 5-升降机构6-海浪层液压元件图 2-21 海风层和海流层的液压元件图 2-22 海浪层液压元件3 海洋平台主要外载荷计算3海洋平台主要外载荷计算3.1确定模型所受外载荷海洋平台受到的外载荷通常是多种多样且不规律的，如风载荷、海流载荷、海浪载荷和冰载荷，在特殊情况下，还可能受到地震载荷和外来的撞击载荷。在这里，为了方便模拟，仅仅计算主要的载荷:风载荷、海浪载荷和海流载荷。3.1.1风载荷计算海洋平台所受风载荷采用模块化的计算方法，也就是把整个结构分散成各个易于计算的标准化构件模块，最后把各构件所受的载荷叠加在一起得到总载荷。模块化计算法得到的载荷是一个范围值，如果要得到较准确的值，则需要进行风洞试验。标准化构件受到的风载荷可以用公式3:（3-1）公式中：P0为基本风压，Ch为平台距离水平面的高度系数，Cx为平台的形状系数，A为平台各标准化构件的垂直投影面积（3-2）公式中：g是重力加速度g=9.8m/s2，r是空气比重r=12N/m3，V是设计风速V=51.5m/s由（3-1）和（3-2）得3: （3-3）表3-1 海上风压高度变化系数Ch海平面以上高度，m251015203040Ch0.640.841.001.101.181.291.37海平面以上高度，m5060708090100150Ch1.431.491.541.581.621.641.79表3-2 模型物理量的转换关系表3-3 风压的系数K值 构件形状Cx球形0.4圆柱形0.5大的平面1.0甲板室或类似结构1.1钢索1.2钻机井架1.25甲板下面积1.30独立的结构形状1.50表3-4 实际风载荷与模拟风载荷序号模块名称高度系数Ch 形状系数Cx垂直投影面积m2实际载荷N模拟载荷N1海洋平台1.181120230217.5230.2182甲板室116170.7453甲板室21.18116.531654.931.6554井架11.11.2541.7492706.992.7075井架21.181.2567.49161847.7161.8786井架31.291.2528.875503.675.5047固桩室1.11.1163.2321055.8321.0568桩腿110.5195.2158681.0158.6819桩腿210.5195.2158681.0158.68110桩腿310.5195.2158681.0158.68111桩腿410.5195.2158681.0158.68112起重机底座1.10.59.128155.28.15513起重机把杆1.11.2530.7227470.027.47014起重机11.181.521.662158.862.15915起重机21.291.2543.2113255.3113.25516直升机甲板1.181.258.6420719.620.72017直升机甲板支撑座1.181.256.5015587.715.588总计1998421.61998.422由此可知：模型桩腿受到的风载荷为158.681N3.1.2海浪载荷计算小尺度结构的海洋平台，其单位长度上的波浪载荷通常用莫里森公式3(3-4)计算，主要计算拖拽力和惯性力，绕射力可以忽略不计，（3-4）公式中：为海水密度取值1.025g/cm3，Cv为拖拽力系数取值0.7，Cm为惯性力系数取值2.0，u为水质点水平速度，因为时正时负，所以用绝对值|u|u来代替正负，为水质点的加速度。A为单位长度投影面积，若为圆形，则A=Dx1=D m2，D为圆形构件直径取值为5m。则作用于单个圆柱件上的波浪载荷3：（3-5）S为最大浪高。用Stokes波浪理论方程（3-6）和（3-7）确定水质点速度u及w，公式如下： （3-6） （3-7）得到模型海浪载荷为408.23N。3.1.3海流载荷计算作用在圆形桩腿单位长度上的海流力3：（3-8）公式中：为海水密度取值1.025g/cm3，A为单位长度投影面积，若为圆形，则A=Dx1=D m2， D为圆形构件直径取值为5m，CD为阻力系数取值为1.05，u2c为自海底以上高度为Z出的海流速度。则海流力3：（3-9）（3-10）公式中：d为海水深度，取值为122m，U为海面的海流速度值0.77m/s，Z为距离海底的高度，所以：则转化为模拟海流载荷为255.31N。3.2 小结本章节的工作主要是通过弗劳德相似原则确定计算了模型的主要尺寸以及运用相关的公式如莫里森公式，计算了模型受到的外载荷，计算是基于实际的平台受到的外载荷经过简化外界影响因素而缩放得到的结果，在一定程度上，具有足够的可靠性，同时，确定了液压缸工作的加载规律。4 各元件的选择及计算4各元件的选择及计算4.1 海风层与海流层的液压缸选择海风层的液压缸，需要的最大负载为F1=158.681N，相对来说，负载比较小，所以初步选择液压缸的进口压力为P1=0.2MPa。回油压力为大气压P2=0.101325MPa，由公式7：（4-1）（4-2）（4-3）公式中：A1为无杆腔的有效面积，A2为有杆腔的有效面积，D为液压缸缸筒直径，d为活塞杆直径，所以：（4-4）令（4-5）则d=0.5345，求得D=34.4mm d=18.37mm。圆整为标准尺寸，取D=40mm，d=20mm，此时：为了满足输出力的大小，现在取P1=0.3MPa，压力损失为0.02MPa。此时F=281.49N158.681N(符合要求），同时F=281.49N255.31N最小导向长度H的确定：最小导向长度是指活塞杆完全伸出时活塞支撑面中点到导向套滑动面中点的距离。液压缸的初始挠度会因过短的导向长度而增大，此时，液压缸的工作性能和稳定性也受到影响。所以，在设计时应该确保液压缸有一个合适的最小导向长度H如图4-1。图 4-1 液压缸最小导向长度计算公式：（4-6）公式中:L-最大工作行程,D-缸筒内径。液压缸的最大升起高度为300mm，依据课本液压与气压传动第二版表3-4选取液压缸工作行程为：L=160mm。故L=0.8m,D=0.08m,代入公式(4-6)得：活塞宽度B的计算： 取B=30mm。导向套滑动面的长度A=（0.61.0）d，由已知的数据，d=20mm，故取，取A=15mm。中隔圈K的长度C，由公式（4-7）得：。另外，管接头选择扣压式，油管采用塑料管或低压橡胶管，用O型密封圈。4.2 海浪层液压缸选择海浪层的液压缸有快进、慢进、工进、快退四个工作阶段，为满足快进和快退的速度相等，选用单出杆式活塞缸，快进时用差动连接的方式，设液压缸的两个有效面积为A1和A2。且A1=2A2，即d=0.707D。取惯性负载为40牛，重力负载为0，摩擦阻力10N，液压缸机械效率为0.9，启动加速时F=（40+10）/0.9=55.56N， 快进F=10/0.9=11.1N，工进F=（408.23+10）/0.9=464.7N，快退F=11.1N，取回油背压P2=0.25Mpa，而液压缸快退时背压取0.18MPa，压力损失为0.1MPa，取最大负载时的工作压力为0.4MPa。液压缸内径：对D圆整取D=50mm，由，经过圆整得d=36mm，所以A1=19.325cm2，A2=10.174cm2工进时采用的调速阀调速，其最小稳定流量,根据设计要求最低工进速度,满足要求。表4-1海浪层四个工作模式工作循坏计算公式负载F/N回油背压P2/MPa进油压力P1/MPa输入流量q1/L/min输入功率P/W快进启动加速55.6P2=P1+0.10.172恒速11.1P2=P1+0.10.1235.4911.25工进464.70.250.3720.0380.2320.231.41快退启动加速55.60.10.244恒速11.10.10.2006.1020.41系统的泄漏系数取K=1.2，则选额定流量为8L/min,快退时，功率最大，压力损失为0.1MPa，所以此时压力为3.008MPa，液压泵总效率为p=0.8，则液压泵驱动快退快进的功率P。为满足要求，电机与海风层的相同即可。4.3 电机的选择电机作为动力源，对整个装置有较大的影响，选择电机时，主要根据整个输出机构的功率，扭矩，转速等参数来计算电机的参数。如果电机的功率过大，则会造成不必要的能源浪费，但电机功率过小，有不能满足所需，所以，必须选择正确的电机。（1）海风层与海流层的电机选择在海风层与海流层中，液压缸的工作速度取3m/min,启动换向时间t=0.2s，液压缸机械效率为0.9，全程压力损失0.2MPa，则进入无杆腔的流量（4-8）得泄漏系数取K=1.1，则液压泵的理论流量值选型GB-B4，额定流量为6L/min，转速为1450r/min。理论功率：则电机功率：为满足要求，选择型号为YS5614，功率p=60W，转速n=1400r/min的电机。（2）其他小电机的选择带动锥齿轮的小电机选择型号-XD-37GB520，DC12V，功率为60W，空载速度n=30r/min,额定转速为21r/min，扭矩T=12Kg.cm。带动小齿轮的小电机选择型号为37GB90-500.功率为10W，转速70r/min,扭矩7Kg/cm。4.4 传感器的选择传感器是准确采集系统信息的首选零件，是完成测量和自动控制的主要阶段。其应用领域广泛，在工业生产、海洋探测、航天航空、环境监测、医学诊断等领域中都被高度重视。传感器的检测原理流程图如图4-2：图 4-2 传感器检测流程传感器的种类相当多，在本次设计中，采用的传感器是应变花和声发射检测仪。应变花也叫应变片，它通常贴在被测的物体上，在被测物体发生应变时一起伸缩变化，而让应变片里的金属箔材料伸长或缩短，金属箔材料的微小变形都会引起电阻的变化，外力作用于物体而产生的应力通过测量应变来计算：（4-9）K为比例常数，由材料而定，R为电阻值,通常为以质量，R为变化值只要能测出电阻的微小变化，就可以知道物体的应变，从而算出应力。检测电阻的微小变化一般用惠斯通电桥，如图4-3所示，R1、R2、R3和R4四个电阻组成电桥的桥臂。流过R1的电流：(4-10)R1两端的压差：(4-11)R3两端的压差：(4-12)则电桥的输出电压：(4-13)由该公式可知：当R1R4=R2R3时，U0=0，此时，电桥处于平衡状态。R1、R2、R3、R4是处于平衡状态的电桥各桥臂的电阻增量，则电桥输出的电压：(4-14)图 4-3 电桥原理声发射检测的原理如图4-4，是采用声发射仪器接收采集来自声发射源的声波信号，并对这些信号进行分析处理，显示达到检测出声发射源的目的。声发射源有裂纹开裂声信号/机械故障声信号/泄漏声信号等。图 4-4 声发射检测框图4.5 小结该章节依据液压缸输出外载荷时所需的功率及压力的大小，通过计算，得到各元件的基本参数从而选择了电机、液压缸和传感器等重要的标准元件，节约了设计成本，同时，确保装置工作可靠，安全。5 关键部位的强度校核5关键部位的强度校核5.1 液压缸强度校核液压缸的强度校核包括活塞杆强度校核和弯曲稳定性校核两方面，在此之前，应该确定液压缸的壁厚和螺栓。按照每个试验层的工作情况，液压缸最大的输出力为408.23N。缸筒的长度L取300mm，假设壁厚为3mm，壁厚应该满足D/10，（5-1）公式中：-缸筒的壁厚，-缸筒的内径，Pmax-缸筒试验压力，当液压缸的额定压力Pn16MPa时，Pmax=1.5Pn，额定压力Pn16MPa时，Pmax=1.25Pn,-材料许用应力。b为材料的抗拉强度，n为安全系数,n=3.55,在这取n=5。材料选45，并调质241-285HB，45号钢的抗拉强度为b=530-598MPa，现取b=598MPa，故：因液压缸的最大工作压力P=0.3MPa0.075mm，故强度足够。取固定螺栓直径取ds=6mm。液压缸活塞杆的受力分析如图5-1：图 5-1 液压缸受力分析(1)活塞杆强度校核由公式:（5-2)式中：F-活塞杆上的作用力，d-活塞杆的直径，-材料许用应力，=b/n，b为材料的抗拉强度，n为安全系数，取n1.4。45号钢的许用应力，所以，已知，即活塞杆满足强度要求。（2）按弯曲稳定性校核当活塞杆完全伸出后，起外端到液压缸支撑点的距离l10d时，应进行稳定性校核。当一根受压直杆的轴向载荷超过临界受压载荷Fk时，即可能改变原有直线状态的平衡，称为失稳，其稳定条件为:(5-3)式中:F-最大输出力,Fk-临界受压载荷,取稳定安全系数nk=2-4。活塞杆和缸体的材料、刚度、长度以及两端支撑状况会影响液压缸临界受压载荷Fk。Fk的计算如下公式：(5-4)式中:l-活塞杆的计算长度，n-端点安装形式系数，两端固定，故n=4,E-材料的弹性模量，钢材的；J-活塞杆的横截面转动惯量，实心杆的。而，l=300mm，故，当取4时，所以，活塞杆弯曲稳定性符合要求。5.2 锥齿轮强度校核设计的锥齿轮参数（模数m=3，齿数z=21，）齿形角=20度。锥齿轮采用1:1的传动比，即不改变转速，只改变传动方向，假设摩擦系数u=0.1，传动机构的总重量G=100N，则f=uG=10N，取圆锥齿轮的传动效率为0.92，被驱动的轮子半径R=30mm，转速n1=20r/min,所以速度：(5-5)通常情况下，启动的力较大，即启动扭矩要比传递扭矩大，为满足要求，假设启动力为F1=500N。表 5-1 锥齿轮参数各部分名称代号公式结果分锥角45分度圆直径d63齿顶高=m3齿根高3.6齿顶圆直径da68.20齿根圆直径df57.91齿宽B15齿根角4.6顶隙c0.6分度圆齿厚s4.71锥距R44.547选择小电机型号-XD-37GB520，DC12V，功率为60W，空载速度n=30r/min, 额定转速为21r/min，扭矩T=12Kg.cm，电机效率取n2=0.84。则输出力F=Pn1n2/V1=60x0.9x0.84/0.0628=722.48NF1=500N，满足启动要求。锥齿轮的受力分析如图5-2，传动时锥齿轮之间会有各种疲劳现象如齿根弯曲疲劳，齿面接触疲劳，力的作用是相互的，则；图 5-2 锥齿轮受力分析（1）齿根弯曲疲劳强度计算校核公式8：(5-6)锥齿轮的载荷系数为，KA可由机械设计 查得KA=1.5，动载荷系数Kv可由机械设计第八版图10-8中低一级的精度线和速度查取Kv=1.1，齿间载荷分