A支架系统结构设计研究-机械设计及理论硕士论文

分类号： UDC ： 密级： 编号： 工学硕士学位论文 A 支架系统结构设计研究 硕士研究生： 指导教师 ： 学位级别： 学科、专业： 所在单位 ： 论文提交日期： 论文答辩日期： 学位授予单位： 彭曼 王钢教授 工学硕士 机械设计及理论 机电工程学院 2 0 1 1 年1 2 月 2 0 1 2 年3 月 哈尔滨工程大学 C l a s s i f i e dI n d e x ： U D C ： AD i s s e r t a t i o nf o r t h eD e g r e eo fM E n g S t r u c t u r eD e s i g na n dR e s e a r c ho nA S t e n t S y s t e m C a n d i d a t e ： S u p e r v i s o r ： A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r ： S p e c i a l t y ： D a t eo fS u b m i s s i o n ： D a t eo fO r a lE x a m i n a t i o n ： U n i v e r s i t y ： P e n gm a l l P r o f W a n gG a n g M a s t e ro fE n g i n e e r i n g M e c h a n i c a lD e s i g na n dT h e o r y D e c e m b e r , 2 0 11 M a r c h ，2 0 1 2 H a r b i nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。 有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注 明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：彭曼 日期： 7 01 2 年多月圬日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工 作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构 送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库 进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文 的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第 一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可吲在授予学位1 2 个月后口解密后) 由哈尔滨工 程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：彭虽 日期：2 0 垃年3 月侈日 导师( 签字) ：糊 2 力，2 年专月f 弓日 A 支架系统结构设计研究 摘要 随着当今高速发展的世界经济对石油需求的快速增加，深海海洋油气资源开发已经 被列为当今世界能源开发的重要技术领域，在这项技术中不可或缺的就是在海底采用海 底犁式挖沟机来铺设用来输送油气资源的海底管道。本文设计研究的A 支架系统主要是 实现海底犁式挖沟机的起升和下放入水以及它在海底工作时的拖拽，同时实现一定波浪 补偿功能。 首先，本文对A 支架系统的国内外现状进行了分析，设计出满足技术要求的A 形门 架作为起吊和拖拽海底犁式挖沟机进行工作时的承载构件。根据A 支架系统的大负荷特 性，设计液压系统来驱动A 形门架绕支腿与底座连接的两个铰接点的变幅摆动。在进行 分析计算后，采用V i s u a lC + + 对液压缸与底座安装的位置进行优化设计，以确定液压机 构的与底座的合理安装位置。根据优化结果对A 支架系统的机械部分进行了详细设计， 确定的各零部件的详细尺寸。同时对A 形门架的内部结构进行特殊设计，以实现减轻整 体机械结构重量的前提下提高A 形门架的刚度。根据计算出的相关结构尺寸，在 S O L I D W O R K S 中建立了A 支架系统的实体模型。 采用A D A M S 虚拟样机分析软件对建立的实体模型进行分析，得出了液压杆受力与 液压杆伸出长度相对应的A 支架转速曲线，并与设计的理论曲线进行对比，以验证设计 是否正确。在有限元分析软件A N S Y S 中对A 支架系统进行静力学分析和模态分析，验证 A 支架系统的刚度和强度是否满足要求，以及整体系统的固有模态频率。 最后，对A 形门架变幅运动的液压系统和波浪补偿的液压系统这两部分的控制系统 进行了设计；对A 形门架变幅运动的液压系统的液压控制回路进行了详细设计，确定了 液压控制阀的类型和型号；同时采用直线光栅作为闭环控制的反馈信号，以满足A 形门 架变幅运动液压系统中的两液压装置的同步运行。对波浪补偿液压系统的工作模式进行 设计，提出了液压驱动绞车进行波浪补偿的模式，设计了液压控制回路。同时本文采用 V i s u a lC + + 对A 支架系统的控制界面进行了设计。 关键词：A 形门架；液压系统；优化设计；海底犁式挖沟机 A 支架系统结构设计研究 A b s t r a c t D u et ot h ed e m a n do fo i lw h i c hi sr a p i d l yi n c r e a s e da c c o r d i n gt ot o d a y Sf a s t g r o w i n g w o r l de c o n o m y , d e e ps e ao i la n dg a sd e v e l o p m e n th a sb e c o m ea ni m p o r t a n ti n t e r n a t i o n a l t e c h n o l o g y T h ec o r eo ft h i st e c h n o l o g yi s t ol a ys u b m a r i n ep i p e l i n e sw h i c hi su s e df o r c o n v e y a n c eo fg a sa n do i lr e s o u r c e st h r o u g ht h es u b m a r i n ep l o wt r e n c h i n gm a c h i n e T h e s t u d yo ft h i sd e s i g nA s t e n ts y s t e mi st oa c h i e v es u b m a r i n ep l o wt r e n c h i n gm a c h i n el i f t i n g a n dd o w ni n t ot h ew a t e ra n dw o r ki td r a go nt h es e a b e d ，W h i l ea c h i e v i n gac e r t a i nw a v e c o m p e n s a t i o n F i r s t ，t h i sp a p e rh a sa n a l y s i st h es i t u a t i o no fA s t e n ts y s t e ma th o m ea n da b r o a da n dh a v e d e s i g n e dt h eA - s h a p e dd o o rf r a m ew h i c hi sm e e tt h et e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t st op l o wl i f t i n g a n ds u b m a r i n ep l o wt r e n c h i n gm a c h i n e sw o r k i n gl o a dw h e nt h ed r a gc o m p o n e n t A c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g el o a d ，w eh a v ed e s i g n e dt h eh y d r a u l i cs y s t e mt od r i v eA s h a p e d d o o rf r a m ea r o u n dt h ed o o rc o n n e c t i n gt h et w ol e g sw i t ht h eb a s eh i n g ep o i n to ft h es w i n g a m p l i t u d ef o rt h i ss y s t e m A f t e ra n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n V i s u a lC + + h a v e u s e dt oo p t i m i z e t h ed e s i g no fh y d r a u l i cc y l i n d e ra n di n s t a l l a t i o nl o c a t i o no ft h eb a s ei no r d e rt om a k es u r et h e c o r r e c ti n s t a l l a t i o n A c c o r d i n gt ot h er e s u l t ，w eh a v ed e t a i ld e s i g n e dt h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo f A - s h a p e dd o o rf r a m ea n dd e t e r m i n e dt h ea c c u r a t es i z eo ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t s A tt h e s a m et i m e ，w eh a v es p e c i a ld e s i g n e dt h ei n t e m a ls t r u c t u r eo ft h eA - s h a p e dd o o rf r a m et o i m p r o v i n gt h es t i f f n e s sw i t ht h ep r e r e q u i s i t e ：t or e d u c et h ew e i g h to ft h ew h o l em e c h a n i c a l s t r u c t u r e T h e p h y s i c a lm o d e lo fAs t e n ts y s t e mh a sb e e nb u i l t e di nS O L I D W O R K S a c c o r d i n gt ot h e c a l c u l a t e ds i z e - r e l a t e ds t r u c t u r e U s i n gA D A M S w h i c hi sa n a l y s i ss o f t w a r eo fv i r t u a lp r o t o t y p et oa n a l y z eae s t a b l i s h e d s o l i dm o d e lt oo b t a i nw i t ht h ec o r r e s p o n d i n gA - s h a p e dd o o rf r a m es p e e dc a l v eo fh y d r a u l i c f o r c er o da n dt h eh y d r a u l i cr o de x t e n d i n gt h el e n g t ht h e nc o m p a r e dt od e s i g no ft h e t h e o r e t i c a lc u r v et ov e r i f yt h ed e s i g ni sc o r r e c t A n a l y z eAs t e n ts y s t e mi nA N S Y Sw h i c hi s a n a l y s i ss o f t w a r eo ff i n i t ee l e m e n tf o ri t ss t a t i ca n dm o d a l V e r i f y i n gA s t e n ts y s t e mw h e t h e r m e e t st h er e q u i r e m e n t so fs t i f f n e s sa n ds t r e n g t h ，a n dn a t u r a lm o d e sf r e q u e n c yo fO v e r a l l s y s t e m F i n a l l y , d e s i g n i n gt w op a r t so fc o n t r o ls y s t e mw h i c hb e l o n gt oh y d r a u l i cs y s t e mo f A s h a p e dd o o rf l a m el u f f i n gm o v e m e n ta n dw a v ec o m p e n s a t i o n ；d e s i g n i n gh y d r a u l i cc o n t r o l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c i r c u i tw h i c h b e l o n gt oh y d r a u l i cs y s t e mo fA s h a p e dd o o rf r a m el u f f i n gm o v e m e n td e t a i l e d t od e t e r m i n et h et y p ea n dm o d e lo fh y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e ；A tt h es a m et i m eu s i n gl i n e a ra s t h ef e e d b a c ks i g n a lo fc l o s e d - l o o pc o n t r o lt om e e tt w oh y d r a u l i cd e v i c e so fA s h a p e dd o o r f r a m el u f f i n gm o v e m e n to p e r a t i n gs i m u l t a n e o u s l y D e s i g n i n gt h em o d ew h i c hi s h y d r a u l i c s y s t e m o fw a v ec o m p e n s a t i o nw h i l eP r o p o s i n gah y d r a u l i cd r i v ew i n c hf o rw a v e c o m p e n s a t i o nm o d e la n dd e s i g n i n gt h eh y d r a u l i cc o n t r o lc i r c u i t I nt h i sp a p e r , d e s i g n i n gA s t e n ts y s t e mc o n t r o li n t e r f a c ew i t l lV i s u a lC + + K e yw o r d s ：A - s h a p e dd o o rf l a m e ；h y d r a u l i cs y s t e m ；O p t i m i z a t i o n ；s u b m a r i n ep l o wt r e n c h i n g m a c h i n e A 支架降系统结构设计研究 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题研究的目的和意义一1 1 3 国内A 支架系统研究现状3 1 4 国外A 支架系统研究现状5 1 5 国内外研究现状分析一6 1 6 本论文的主要研究内容一6 第2 章A 支架系统总体方案8 2 1 引言8 2 2A 支架系统技术要求8 2 3A 支架系统方案9 2 3 1A 支架系统方案分析9 2 3 2A 支架系统方案制定1 0 2 3 3A 形门架l l 2 3 4 起吊系统一l1 2 3 5 固定支撑装置1 4 2 3 6 维护装置1 4 2 3 7A 支架系统方案分析1 5 2 3 8 控制系统1 6 2 4 本章小结1 7 第3 章A 支架机械系统设计18 3 1 引言1 8 3 2 液压缸安装位置设计1 8 3 2 1A 支架机械系统自由度1 8 3 2 2A 支架系统运动学分析1 9 3 2 3A 支架系统静力学分析2 0 3 2 4 液压机构安装位置的计算一2 2 3 2 5A 支架液压机构参数化设计2 5 3 3A 支架特殊结构设计2 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 3 1 横梁和支腿的连接2 9 3 3 2 横梁及支腿设计2 9 3 3 3 铰接点的设计一3 0 3 3 4 定滑轮的设计3l 3 4 本章小结3 l 第4 章A 支架机械系统结构分析3 2 4 1 引言3 2 4 2 机械系统虚拟样机分析3 2 4 3 机械系统A 形门架有限元分析3 5 4 3 1A 形门架机械系统模型的简化和修整3 5 4 3 2A 支架机械系统整体结构有限元静力学分析3 6 4 3 3A 支架机械系统有限元模态分析4 0 4 4 本章小结4 2 第5 章液压控制系统设计4 3 5 1 引言4 3 5 2A 形门架液压系统4 3 5 2 1A 形门架液压系统方案分析4 3 5 2 2 电液比例阀介绍4 5 5 2 3A 形门架液压系统设计4 6 5 3 波浪补偿技术4 8 5 3 1 波浪补偿方案设计4 8 5 3 2 波浪补偿设计4 9 5 4A 支架控制系统5 0 5 5 本章小结5l 结j 仑5 2 参考文献5 3 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果5 6 到C 谢一5 7 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 当今，随着世界经济、技术的高速发展，对海洋资源开发利用已成为全球各国的新 技术革命的重要领域【l 2 1 。 由于世界各国对能源的需求量不断的增加，内陆和近海浅水区域的油气田的勘探开 发程度越来越高，以至于内陆和浅水区域油气的发现量已经远远不能满足需要，同时深 海海底蕴藏着大量油气资源【3 】，其中深水区和超深水区的油气资源约占海底油气资源的 3 0 1 4 1 0 专家声称深海油气开发工程现在已经成为了能源开采工业的重要前沿阵地之一， 其中包括墨西哥湾i 巴西和西非在内的一些地区的深海油气田开发工程取得了突破性的 进展【5 J 。来自于美国休斯敦大学的石油化学及能源教授米切尔伊科诺米季斯撰文指出， 未来石油来自于深海和超深海区。从2 0 世纪9 0 年代开始，勘探于10 0 0 米以上的海底 油气资源的增长迅速。到目前为止已经有接近2 0 0 口深度在10 0 0 米以上的深海探井数， 同时现在全球的1 8 个深水区域( 水深大于5 0 0 米) 中，已经发现了大约相当于5 8 0 亿 桶油当量的油气资源【6 7 j 。在海洋石油和天然气开发工程的施工过程中，开采出来的石 油和天然气需要运输到使用地点。通常采用的运输油气的方式主要有油轮运输和铺设海 底管道两种方式。采用油轮运输运行的成本较高且效率低，如果采用铺设海底管道的方 式的话前期建设费用高，但后期运作的成本低且效率高，同时通过管道还可以贮存一部 分油气资源 S l 。综合考虑通过铺设管道的方式的整体使用费用低、利用率高，所以现在 大都朝铺设管道方向发展 9 1 。现在在铺设深海海底油气管道的过程中主要采用海底犁式 挖沟机进行海底开沟、管道深埋1 1 0 1 。由于海底犁式挖沟机形体较大，并且海底犁式挖沟 机施工过程中需要施加较大的牵引力，所以在D P 船舶上需要配备大型的起重设备对海 底犁式挖沟机进行吊放和拖曳海底犁式挖沟进行工作【1 1 1 。近些年，国内外的D P 船舶进 行起重收放作业时普遍采用的是一种A 支架系统【1 2 l 。 1 2 课题研究的目的和意义 A 支架系统是为了实现海洋石油工程股份有限公司( 以下简称海油工程) 船舶进行 海上挖沟作业而配备的，以实现对海底犁式挖沟机的吊装和海底犁式挖沟机工作时的拖 曳。海底犁式挖沟机整个工作流程如图1 1 所示f 1 4 , 1 5 , 1 6 。 现在国外的A 支架系统技术已经较成熟，但是由于技术垄断等因素，使我们不得 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不靠租赁或购置国外的设备，在购置或租赁这些机具存在以下问题：租用费用高、需雇 佣外方操作人员，费用高而且工期不容易控制。 a ) 海底犁式挖沟机起升b ) 海底犁式挖沟机下水 c ) 海底犁式挖沟机海底工作 图1 - I 海底犁式挖沟机工作流程 为降低海上作业成本，保证工程顺利进行，研制具有自主知识产权的A 支架系统 具有重要的现实意义，主要表现为： ( 1 ) 降低了施工费用和作业成本； ( 2 ) 形成海上安装配套系列设备，可以有效缩短旌工周期： ( 3 ) 该装置的操作简单，工作的稳定性和可靠性高，适用范围广，经过简易的改装 可以满足其他工况的需要。 ( 4 ) 在国家安全利益上，可以有效避免和防止其它国家对我国关键设施建设的过度 参与，采用国产设备可以有效地保证国家的安全利益。 在A 支架系统的研究过程中应结合自身实际情况，应满足技术适宜、结合实际工 程、经济合理的原则，并且在可靠性、适应性、经济性、先进性、稳定性等方面满足研 究设计的要求。本项目的最终的研究目标是：A 支架系统的国产化研究、解决相关的关 键技术，最终实现具有我国特色的、同时具有自主知识产权的A 支架系统的核心技术， 打破国外现有的技术垄断，实现我国深海石油开发的快速发展。 第1 章绪论 1 3 国内A 支架系统研究现状 我国对于高海况下的A 支架系统的研制工作直到2 0 世纪末才开始，相比于国外先 进的研制技术，我国在关键技术方面还存在着较大的差距。 图l - 2 向阳红0 9 起吊装置 如图1 - 2 所示为国家海洋局九十年代末研制的向阳红0 9 起吊装置，它能起吊2 5 吨 以下的重物，该A 支架系统高约3 5 米，横梁正中间下部的吊钩连接起吊重物，操控台 安装在船尾甲板A 支架系统附近。操纵人员在操控台内控制A 支架系统【1 8 , 1 9 。A 支架 系统只能在海况简单的情况下运行，只能用来起吊2 5 吨以下的重物，不具有水面支持 系统进行波浪补偿功能，不能拖拽水下机具进行海底工作【2 0 】，也不配备有维护装置，当 A 形门架正下方的起吊系统出故障时，检修起来特别不方便【2 。 。蔷 a ) 海洋石油2 9 9 A 支架b ) 装备该A 支架的海洋石油2 9 9 船 图1 - 3 海洋石油2 9 9 A 支架 由于技术垄断等因素，国内进行相关大型设备的起吊工作的研究比较落后，主要靠 租赁或购置国外的A 支架系统设备进行海底油气管道的铺设和维修工作 2 2 1 。2 0 0 4 年9 月，海油工程公司从挪威购入的“海洋石油2 9 9 ”动力定位多功能船，该船船尾装备了一 套A 支架系统，它曾经成功地在北海、亚太、西非和中东等海域支持海底挖沟、拖带 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 等油气勘探和运输方面的工作，享誉世界海洋石油界【2 3 】。 如图1 3 所示。该系统的基本组成和功能与T T S 公司的A 支架系统类似，不同点 在于其深程补偿装置只是采用了一个可绕铰支点转动的定滑轮，简化了系统的结构，节 约了制造和使用成本 2 4 1 。缺点是不具有用于维护的走廊和人梯，这样A 形门架下方装 置出故障时检修不方便。 中国科学院沈阳自动化研究所配备的如图1 4 所示用于起吊“海星号”遥控潜水器的 装置。它在起吊绞车的恒张力收放部分进行了大量的研制工作，外型结构辅助部分继承 了向阳红0 9 起吊装置的特点，并设有维护装置，选用梯子和走廊组成维护装置，方便 了检修【2 ”。 图l - 4 “海星号”遥控潜水器起吊装置 在2 0 0 9 年，深圳海油工程水下技术有限公司引进了海洋石油 0 9 船用于海底挖沟 和海底管道的铺设【2 6 】。如图1 - 5 所示。在该船尾也装有A 支架系统，用于海底挖沟机的 吊装。同时该船还装有具有补偿功能的绞车，以克服海底犁式挖沟机拖曳工作时的波浪 影响问题【1 6 1 。 a ) 海洋石油7 0 9 船侧面图 b ) 海洋石油7 0 9 船背面图 图1 5 海洋石油7 0 9 A 支架 4 第1 章绪论 1 4 国外A 支架系统研究现状 从上世纪8 0 年代至今，为了使A 支架系统工作时能满足复杂的高海况的需要，国 外的一些公司开始致力于研究A 支架系统对于大吨位机具的起吊和拖拽工作时的波浪 补偿工作，长期的海上船舶起吊设备的设计制造经验和海上设备的应用工作，都使该公 司研制的海上起重拖拽设备达到了国际领先水平。 a ) T T S 的A 支架 b ) 装备该A 支架的D P 船舶 图1 6T T S 的A 支架 国外的A 支架研究和应用都比较成熟，主要有挪威著名的1 v r S 公司。为实现大负 载和深水作业环境的需要，T T S 公司专门开发了大功率绞车系统为A 支架提供动力和 对复杂的海况进行波浪补偿。其研制的A 支架系统具有额定负载大，最大可以达到6 0 0 吨，同时能够拖带深海海底作业工具，最深可达水下3 0 0 0 米。具有滑轮组导向功能， 同时配备有梯子和走廊等用来检修和维护的装置。图1 - 6 为1 v r S 公司的A 支架和装备 该A 支架的D P 船舶【2 7 1 。 图1 7H Y D R A L I F T 公司生产的A 支架系统 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 国外的H Y D R A L I F T 公司是一家在国内3 1 - 享有盛名的生产制造海上起重收放设备 的专业公司，多年以来，该公司为了使生产的海上起重收放设备能适应恶劣的海上作业 环境，一直致力于支撑海下机具下水时和进行水下工作时的波浪补偿部分的研制工作， 并取得了一些成果。 如图1 7 所示例为该公司生产的A 支架系统，它用于起吊和拖曳挖海底沟机进行 工作，与T T S 公司生产的A 支架系统结构类似，并且对波浪补偿绞车部分进行了一系 列改进，使其能适应更加恶劣的海况，同时改良了起吊部分。在A 支架的正下方安装 了对接装置和伸缩架，便于连接海底挖沟机与A 支架吊钩时的精确定位和紧扣问题以及 收放海底挖沟机下水时在一定范围内调整与水面的距离高度1 1 9 】，确保海底挖沟机的连接 和下水过程的情况更加精确【2 9 1 。 1 5 国内外研究现状分析 根据国内外研究现状分析，由于材料、加工工艺、设计能力的限制，以及国外的技 术垄断，加上我国对于A 支架系统的研究工作起步较晚，导致我国现在还没有相关的 大型A 支架系统的生产能力，国内自主研制的A 支架系统载重起吊重物吨位较低，起 吊重物与A 支架系统的结合和联锁，下放重物入时重物距离水面的高度调节和起吊物 在水下作业时起吊系统中缆绳张力对于波浪的补偿能力，起吊物的水面支持系统的配套 能力以及适用性改良等方面达不到实际作业时的环境要求【3 0 】。需要进行深海海底管道铺 设和维修作业时，只能依靠向国外租赁或购置的途径，这样大大增加了海底工作的困难 程度。 国外的A 支架系统的技术比较成熟，已经可以设计生产出载重6 0 0 吨，水深3 0 0 0 米的A 支架系统，在起吊重物与A 形门架连接处以及起吊物下放入水的时候与水面的 距离调整方面的技术都比较成熟，而且使用的绞车和附带的排缆装置也能适应不同的海 况，并且可以进行波浪补偿。缺点是没考虑到当A 支架系统不工作的时候的安放问题。 1 6 本论文的主要研究内容 首先A 支架系统需要实现对海底犁式挖沟机的吊装，这主要是指把海底犁式挖沟 机从船板吊入海中，以及从海中带入船板。其次是实现海底犁式挖沟机工作时的拖曳， 这主要是由于海底犁式挖沟机在工作时需要一定的拖力，以实现海底犁式挖沟机正常工 作的前进。最后A 支架系统还应具备一定的补偿功能，当A 支架系统在工作时，D P 船 舶会受到波浪的影响而产生波动，A 支架系统需要对这部分波动进行补偿，以实现A 第l 章绪论 支架正常安全的吊装海底犁式挖沟机和对它的拖曳。 参考国外目前已有的A 支架系统，设计适合我国海底挖沟和管道铺设的大型A 支 架系统，该系统具有起吊能力大，能对波浪进行补偿的功能，并适用于深海作业。A 支 架系统在吊放海底犁式挖沟机进行工作的过程中，不但要实现吊放在横梁正下方的海底 犁式挖沟机向D P 船舶的船舷内( 外) 向船舷外( 内) 的位置转换。而且还要克服海上 的风浪对起吊系统工作情况的影响。本论文的具体研究内容如下【3 l l ： 1 、设计出合适的A 支架系统的机械结构，确定主要的零部件尺寸，设计液压部件 的优化系统，完成A 支架的三维模型的建立。 2 、对设计的机械结构进行虚拟样机分析和有限元分析，进而验证设计的机械结构 的正确性和合理性，同时确定A 支架系统的模态，为A 支架的稳定安全工作提供依据。 3 、设计A 支架系统中A 形门架结构的液压系统，设计A 支架系统的补偿系统， 以具备一定的波浪补偿能力，最后对A 支架的控制系统进行设计。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章A 支架系统总体方案 A 支架系统是为了实现海洋石油工程股份有限公司( 以下简称海油工程) D P 船舶 海上挖沟作业而配备的，用于实现海底犁式挖沟机在5 级海况下起升和下水以及拖带它 在海底施工等功能【1 3 】。采用A 支架系统作为起吊和拖曳海底犁式挖沟机的装置，该系 统具有操作简单、结构设计合理、安全性和可靠性强、拆装维护方便：在承载大型重物 时抗变形能力强、节省工作空间等优点【3 2 】。 2 2A 支架系统技术要求 A 支架除了要满足上述技术参数外还必须配置升沉补偿装置，该装置要求至少满 足5 级海况作业能力。补偿能力不小于+ 2 m 2 m 。能够根据设定负载自动进行自动调 节。该A 支架的起重卷扬机利用船上现有的拖带绞车。该绞车额定拉力为1 5 0 吨，钢 丝绳直径8 2 5 m m ，需要根据该绞车的参数设计相应的滑轮组等部件。图2 1 为该系统 在船上的布置图。 图2 - 1AF R A M E 在船上的布置图 A 支架各部分的具体参数根据所起吊重物和工作环境所决赳3 3 1 。表2 1 是按照海油 工程公司所需要具体的工作要求所设定的技术参数。 第2 章A 支架系统总体方案 表2 - 1A 支架技术参数 项目内容A 支架性能指标 船舶及环境工况5 级 额定载荷( 吨) 8 0 过载能力( 吨)1 l 0 ，l l O 吨 起升高度H ( 米) 1 3 向船尾变幅到最大时钩头垂线距离船体艉部L 1 ( 米) 1 0 A 形门架下部与甲板铰接点距离船体艉部L 2 ( 米) 1 两腿内侧距离L 3 ( 米) 1 0 甲板上安装的定滑轮距离起吊重物垂线距离L 4 ( 米) 7 7 5 向船舷内变幅角度0 1 ( 度) 3 5 o 向船舷外变幅角度0 2 ( 度) 4 8 。 变幅驱动方式液压缸驱动 2 3A 支架系统方案 依据上述具体A 支架在船上的布置位置和它的技术参数在进行初步的整体方案设 计之前，先对传统的A 支架系统进行分析，吸取以往的A 支架的设计方面的优势，同 时对不足的地方进行改进。设计出适合中海油公司要求的起吊和拖曳海底犁式挖沟机进 行海底施工作业任务的新型的A 支架系统。 2 3 1A 支架系统方案分析 现在国内使用最具代表性的是国家海洋局九十年代末研制的的“向阳红0 9 ”起吊 装置，它经过三十年的的海上作业，取得了不少的成果，自身具备其他起重设备不可比 拟的优越性。如图2 2 为“向阳红0 9 ”起吊装置实物图【3 4 J - 一渔善鲞 图2 - 2 “向阳红0 9 ”起吊装置 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 虽然该A 支架结构设计简单控制容易，但其中没有用于检修和维护的装置，而且 比较费材料，同时该结构主要应用于起吊物的体积和重量较小，起吊物缆绳没有导向装 置，这样工作起来会占用较大的空间。船甲板上不配备波浪补偿装置，只在海况较简单 的海域工作。由于本文设计的A 支架主要实现海底犁式挖沟机的吊装和拖曳海底犁式 挖沟机在海底的施工工作，所以只需要具备海底犁式挖沟机起升下水和海底犁式挖沟机 水下工作时候的A 支架对波浪的补偿功能即可。海底犁式挖沟机的起吊和拖曳通过起 吊滑轮组、绞车和液压机构实现，海底犁式挖沟机水下工作时A 支架系统对波浪的补 偿靠波浪补偿起吊绞车实现，整套系统具有结构紧凑、工作空间小、控制简单、节省人 力物力、起吊能力大、便于检修和维护等优点【3 5 ，3 6 1 。同时通过加速度传感器可以实时测 出船在波浪的影响下在竖直方向上的波动，并把该波动转化为绞车卷筒上旋转编码器的 输入信号，使绞车卷筒根据这些信号转换相应的转速来保持缆绳的恒张力状态，使绞车 实现A 支架系统对波浪的补偿【3 7 3 引。 2 3 2A 支架系统方案制定 通过分析和总结，在吸取传统使用的A 支架系统的优势的同时也对它的不足确定 了改进方案，制定一套安装在海油工程船上适用于在5 级海况下对海底犁式挖沟机进行 图2 3 AF R A M E 结构图 1 起吊系统2 维护装置3 液压动力系统4 固定支撑架5 A 形门架 l O 第2 章A 支架系统总体方案 该系统由A 形门架、起吊系统、液压动力系统、控制系统、固定支撑、维护系统六 部分组成，控制系统安装于驾驶台控制室，实现遥控操作。 2 3 3A 形门架 A 形门架作为海底犁式挖沟机的主要承载部件，其功能主要是在吊放海底犁式挖沟 机的过程中，将海底犁式挖沟机由D P 船舷内摆至船舷外，在回收过程中则由船舷外摆 至船舷内，其中海底犁式挖沟机是安装于横粱中间的摆动架和定滑轮上。A 形门架支腿 通过铰链与甲板上固定的底座铰接在一起。液压缸也通过铰链安装在甲板底座上，同时 液压杆通过铰链安装于支腿上。A 形门架的摆动靠两个液压缸的伸缩来实现的。A 形门 架必须具备一定的高度空间以保证海底犁式挖沟机在收放过程中与母船甲板之间有一 定的高度空间，这是为了避免海底犁式挖沟机在收放的过程中与船体发生碰撞，同时让 A 形门架具备足够的摆幅，使海底犁式挖沟机下放入水时达到工作过程中所要求的向船 舷外的摆动幅度。同样，为了保证收回的海底犁式挖沟机能被放置在船内合适的位置上， 就需要足够的向船舷内的摆幅，这个过程也需要A 形门架具有一定的高度空间。 2 3 4 起吊系统 起吊系统由摆动架、波浪补偿起吊绞车和往复丝杠排缆器三部分组成。它的主要作 用是起吊装载海底犁式挖沟机、拖拽海底犁式挖沟机进行海底施工并实现波浪的补偿。 1 ) 摆动架 摆动架是承载海底犁式挖沟机的主要构件，它由底座、长轴、滑轮套和多个圆柱滚 子轴承构成，其结构如图2 4 所示。 图2 - 4 摆动架爆炸图 1 底座2 长轴3 滑轮套4 圆柱滚子轴承 哈尔滨工程大学硕士学位论文 长轴通过底座固定于A 形门架横梁正下方，滑轮套通过多个圆柱滚子轴承与长轴连 接，滑轮依靠销轴安装于滑轮套内。当A 形门架在船舷内外的摆动时，起吊物通过滑轮、 滑轮套、圆柱滚子绕着长轴进行摆动，使得摆动架与其连接的其他装置和收放的海底犁 式挖沟机始终保持竖直状态。 2 ) 波浪补偿起吊绞车 由于船在海上运行时受到波浪的影响，船会在竖直方向上产生波动，这就会导致起 吊物相对于船存在竖直方向上的加速度，经缆绳传递到波浪补偿起吊绞车上，该波动会 导致缆绳上的拉力产生突变，当加速度过大时甚至可以导致缆绳的断裂，对A 支架系统 造成破坏，引起严重的事故，造成重大的经济损失，为了避免这种情况的发生，可以选 用波浪补偿起吊绞车帮助A 支架对波浪进行补偿，它的作用是在收放钢丝缆绳的同时为 缆绳提供恒定的线拉力以补偿船在竖直方向上的波动，并保证起吊物不发生较大的速度 突变【3 9 1 。 波浪补偿起吊绞车安装在甲板上，其主要组成部分包括控制台、电控系统、张力传 动装置、加速度传感器、液压系统、液压马达驱动绞车。波浪补偿起吊绞车的基本控制 形式如图2 5 所示1 40 | 。 波浪补偿起吊绞车的工作过程如下：操作人员通过控制台上的一系列手柄、按钮、 开关和显示仪表等装置向电控系统发送控制信号：加速度传感器检测船在竖直方向上的 加速度大小，然后传递给电控系统；张力传递装置把检测出的钢丝绳上的拉力数值转化 为张力信号，然后传递给电控系统 4 。电控系统通过上述信号值来操控液压系统中的 液压阀的开合度和液压马达里面驱动电机的启停，同时液压马达的驱动信号反馈给张力 传动装置，形成闭环控制回路以实现波浪补偿和起吊功能【4 2 】。 图2 5 波浪补偿起吊绞车基本控制框图 3 ) 往复丝杠排缆器 鉴于缆绳的工作行程，我们选用往复丝杠排缆器作为波浪补偿起吊绞车的辅助附 件，它需要和波浪补偿起吊绞车上面的多排缠绕缆绳卷筒配套使m t 4 3 1 。往复丝杠排缆器 一 第2 章A 支架系统总体方案 安装在波浪补偿起吊绞车卷筒的侧方，系统执行收放工作时，绞车上的液压系统驱动卷 筒转动，卷筒的动力通过链传动传递给往复丝杠排缆器。根据缆绳的直径调试排缆器往 复丝杠的导程，使排缆器往复丝杠的导程与缆绳直径形成合适的速比，以实现缆绳在卷 筒上的多层有序的排列，它的实物见图2 6 m 】。 图2 6 往复丝杠排缆器 1 电缆导轮2 卷筒3o 导轮夹板4 排缆器往复丝杠5o 排缆器链条 4 ) 导向装置 为了节约工作空间和制造成本并且避免在吊放海底犁式挖沟机的过程中安全事故 的发生，有必要对起吊缆绳的运动方向设计出合理的路径，如图2 7 所示。 ： - 一 图2 7 导向装置 1 定滑轮12 定滑轮23 定滑轮34 起吊缆绳 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 与起吊物最相近的定滑轮1 的轴线和与它尺寸相同的定滑轮2 的轴线平行，这两条轴 线组成的平面与甲板平行；定滑轮2 的轴线与定滑轮3 的轴线平行，由这两轴线组成的平 面与甲板垂直。这三个尺寸相同的定滑轮通过上述安装方式为起吊缆绳提供了一条合适 的路径，起吊缆绳顺着蓝色箭头的方向运动以此来改变缆绳的运动方向，在保证起吊缆 绳