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海底犁式挖沟机的设计研究及稳定性分析 摘要 海底犁式挖沟机是一种用于海底管道开沟铺设的专用水下机械设备，其主要功能是 完成对海底管道的开沟铺设作业，确保海底管道的安全。本课题来自中国海洋石油工程 公司的“硬质粘土挖沟技术与装备研究”项目。目的在于设计并研制出具有自主知识产 权的、用于海底管道开沟埋设保护的犁式挖沟机。本论文主要研究了犁式挖沟机的主体 结构部件的设计、仿真计算和整机的工作稳定性，为犁式挖沟机的设计研制提供了重要 的依据。 论文首先论述了海底挖沟的方法和海底挖沟机的研究现状，根据犁式挖沟机的工作 原理和设计指标提出了总体设计方案和整机结构布置。计算了挖沟机工作时的载荷并建 立整机受力模型，运用空间力系简化原理对整机稳定性进行了分析，验证总体设计方案 和整机结构布置的可行性。 其次进行了犁式挖沟机主体部件的详细结构设计，运用s o l i d w o r k s 建立了结构三维 模型，并对几个关键的结构部件进行了力学分析计算，然后根据分析出的部件受力状态， 运用有限元软件对零部件进行了强度校核计算，论述了焊缝的结构形式和校核方法，验 证了结构设计的合理性。 最后对犁式挖沟机主要的运动部件进行了运动仿真分析和液压缸主要参数的计算。 实地进行了犁式挖沟机试验样机的陆上挖沟试验，测量了沟型和拖拽力的大小，验证了 整个犁式挖沟机设计分析的正确性。 关键词：犁式挖沟机；结构设计；稳定性；仿真计算 哈尔滨工程大学硕十学位论文 a bs t r a c t s u b m a r i n ep l o u g ht r e n c hc u t t e ri sak i n do fs p e c i a lu n d e r w a t e rm a c h i n e r yu s e da s t r e n c h i n ga n dl a y i n gf o rp i p e l i n ei nt h eb e n t h a l i t sm a i nf u n c t i o ni st oc o m p l e t et h et r e n c h i n g a n dl a y i n go p e r a t i o n so fs u b m a r i n ep i p e l i n ea n dp r o t e c ti t ss e c u r i t y t h i ss u b j e c to r i g i n a t e d f r o mt h ep r o j e c t t h er e s e a r c ho nt r e n c h i n gt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tf o rh a r dc l a y o f o f f s h o r eo i le n g i n e e r i n gc o r p t h ep u r p o s eo ft h ep r o j e c ti st od e s i g na n dd e v e l o pt h e s u b m a r i n ep l o u g ht r e n c hc u t t e rw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s t h ep a p e rm a i n l y s t u d i e dt h ed e s i g na n ds i m u l a t i o no fm a i ns t r u c t u r ea n da n a l y s i sw o r k i n gs t a b i l i t yo ft h e w h o l em a c h i n e r y i tp r o v i d e da l li m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rd e s i g n i n ga n dp r o d u c i n gt h e s u b m a r i n ep l o u g ht r e n c hc u t t e r f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h em e t h o d so fs u b m a r i n et r e n c h i n ga n dt h e r e s e a r c h s i t u a t i o no fs u b m a r i n et r e n c h i n gc u t t e ra n dp r o v i d e do v e r a l ld e s i g ns c h e m ea n dt h ew h o l e s t r u c t u r el a y o u ta c c o r d i n gt ot h es u b m a r i n ep l o u g ht r e n c hc u t t e r i tc a l c u l a t e dw o r kl o a d sa n d e s t a b l i s h e dt h el o a dm o d e lo ft h es u b m a r i n ep l o u g ht r e n c hc u t t e r t h e ni ta n a l y z e dt h e s t a b i l i t yb yu s i n gp r i n c i p l eo fs p a c ef o r c ea n dp r o v e dt h a tt h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m ea n d t h e w h o l es t r u c t u r el a y o u tw e r ef e a s i b l e s e c o n d l y ，t h ep a p e rd e s i g n e dt h em a i nd e t a i l e ds t r u c t u r eo fs u b m a r i n ep l o u g ht r e n c h c u r e ra n de s t a b l i s h e dt h e3 dm o d e lo fs t r u c t u r eb yu s i n gs o l i d w o r k s i tc a r r y e do u t m e c h a n i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no fs o m ek e yp a r t sa n dc h e c k e ds t r e n g t ho fs t r u c t u r eb y u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea c c o n d i n g t ot h es t r e s ss t a t eo ft h ec o m p o n e n t s i td i s c u s s e d t h es t r u c t u r ef o r m sa n dc h e c k e dm e t h o d so fw e l d i n g l i n ea n dv e r i f i e dt h er a t i o n a l i t yo ft h e s t r u c t u r ed e s i g n f i n a l l y ，i tc o n d u c t e dt h ed y n a m i cs i m u l a t i o no fs u b m a r i n ep l o u g ht r e n c hc u t t e ra n d c a l c u l a t e dt h em a i np a r a m e t e r so fh y d r a u l i cc y l i n d e r t h ee x p e r i m e n to nl a n do fs u b m a r i n e p l o u g ht r e n c hc u t t e rw a sc a r r y e do u ta n dm e a s u r e dt h es i z eo ft r e n c ha n d & a g i n gf o r c e t h e r e s u l t so ft h i se x p e r i m e n tv e r i f i e dt h a tt h ed e s i g na n da n a l y s i so fs u b m a r i n ep l o u g hf r e n c h c u t t e rw a sc o r r e c t k e y w o r d ：s u b m a r i n ep l o u g hf r e n c hc u t t e r ：s t r u c t u r ed e s i g n ；s t a b i l i t y ：s i m u l a t i o na n d c a l c u l a t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 伴随着科技的迅猛发展和人类对能源的迫切需求，海洋油气资源的勘探与开发得到 了蓬勃的发展n 1 。在海洋石油和天然气开发工程中，海底管道是将海洋油气资源从海上 平台传输至陆地上的最经济有效的方法闭。因此为了向陆地或储油系统输送油气，需要 在海底挖沟铺设大量海底管道，而这些管道在使用过程中会逐步出现变形、断裂和泄漏 等破损现象，所以对管道的保护措施也变得越发重要，在诸多的保护方法中，开沟埋管 的方法是比较简单方便的p 哪。所谓开沟埋管就是：用水下开沟机械在海床上挖掘出一条 满足管线防护深度要求的沟槽，将海底管线掩埋在沟槽之中，以达到保护之目的阁。 海底犁式挖沟系统是目前国际上一种较为先进的水下挖沟系统，其主要用于完成海 底挖沟铺管作业任务。海底犁式挖沟系统主要由海底管道犁机械系统、液压控制系统、 脐带通信系统和水面作业母船系统组成阍川。由于世界各地具体海域的条件各异，在众多 种类的水下管道开沟机械设备中，目前还没有一种能够在任何水深、管径、海底土质下 都能经济地进行施工作业的万能型海底开沟机械阁。在工程应用领域，外国公司研制生 产的海底挖沟机械已经能够在较大的作业水深、较恶劣的水下环境以及较为复杂的海底 地质情况下进行挖沟作业；我国海底管道的开沟铺设技术，由于海洋工程发展缓慢，装 备与技术相对落后而起步较晚，因此较为高级的开沟设备均由国外引进嘲旧。虽然国内一 些工程单位也开发过多种海底开沟设备，但是往往与实际工程要求相去较大，具体表现 为适应性、可靠性和工作效率低下聊回。可以看出在海底挖沟机械设计与研发方面，国内 技术水平与国外先进水平之间还是存在较大差距的。 为了缩短国内开沟技术与国外的差距，我们的课题组以“海底管道犁式挖沟机样 机的研制”为课题，设计研制了一种可以满足开沟埋管作业要求的机械设备，希望通过 我们的努力可以为推动我国海底管道挖沟机械的发展做出一些贡献。 1 2 海底挖沟方法介绍 在海底挖沟领域，使用较多的挖沟方法有三种，它们分别是预挖沟法、同时挖沟法 和后挖沟法阁嗍。三种方法的用途各不相同，下面对这三种挖沟方法进行简单的介绍： 1 、预挖沟法 所谓预挖沟法，实际上就是在管线铺设之前预先开挖出一条沟来，然后再将管线铺 设到沟里的方法四。预挖沟法多用于较浅水域的短距离管线，例如过河管线、登陆段部 哈尔滨下程大学硕十学位论文 分等，对于特殊海床，例如地貌凹凸不平、岩石质海底等部位也常采用预挖沟法p 明。用 于预挖沟的设备主要有挖沟犁、铰吸式挖泥船、抓斗式挖泥船、链斗式挖泥船、铲斗式 挖泥船、水陆两用推土机等设备，也可以采用水下爆破的方法进行预挖、法【5 1 m 嘲。具体采 用何种挖掘设备进行预挖沟，应根据海况、水深、土质及工期要求等因素来确剥册嘲。 预开沟海底犁的弱点在于开沟精度难控制，一般水下犁被拖动时，左右窜动很大，另外 海底底流可能引起沟土回淤，使预开沟的深度达不到要求嘲。 2 、同时挖沟法 所谓同时挖沟法，其实就是海底管线铺设与挖沟作业同时进行的种挖沟方法聊羽。 同时挖沟法使用的设备主要是挖沟犁，其具体做法是将挖沟犁安装在拖管架末端，由铺 管船拖曳着前进完成挖沟和铺管作业5 1 嘲。铺管犁沟同步进行在时间和资金上显然十分有 利，但它只适用于较浅的水中，且所需牵引力较大，在后来的管道工程中几乎未见采用 嘲1 7 1 3 、后挖沟法 所谓后挖沟法，就是在待管线铺设在海床上之后再用海底挖沟机在管线底下进行挖 沟作业，管子靠自重落入到沟内的方法同。由于在较深的水域内，很难将管线准确地铺 设到预先挖好的沟内，所以深海铺管埋设一般多采用后挖沟方法，后挖沟法可选用的设 备有喷射式挖沟机，铰吸式挖沟机和挖沟犁聊研。具体选用哪种设备，可根据土质情况、 海况条件、水深、挖沟深度以及现有的可用挖沟设备等因素来确定跚7 1 。 1 3 国内外相关领域发展现状 1 3 1 国外海底挖沟机械发展现状 西方发达国家在海底挖沟机械方面的研究始于上世纪4 0 年代末，自1 9 4 6 年在北美 墨西哥湾出现了第一条海底油气管道和第一套用于海底管道施工的后开沟型冲射滑橇 以来，世界各地已先后铺设海底油气管道4 万余公里唧。与此相应的水下开沟施工机械， 也已从单一的高压水冲射滑撬，逐渐发展成具有各种不同类型的水力冲射开沟机械、海 底管道犁和机械式开沟机共存的水下施工机械设备体系嗍n m 。 接下来将对这三种海底挖沟机械进行详细介绍： 1 、水力冲射式挖沟机 水力冲射式挖沟机通常是由推进器、喷射系统、疏浚系统以及监控系统组成嗍。其 发展过程经历了从早期的人工式、滑橇式冲射式挖沟机发展到目前较为先进的牵引式和 自行式冲射挖沟机p 1 。 2 第1 章绪论 世界上第一台海底冲射式挖沟机出现于1 9 5 0 年，这种挖沟设备主要包括水下和水 上两个组成部分：其中水下部分包括气举摔泥管路、喷水框架和浮筒等；水上部分主要 包括空压机和水泵等，并通过软管与水下部分连接艄。这种挖沟设备在使用过程中被 不断改进，例如加大了功率、喷射水压力以及改变了喷嘴结构等，并且增加了滑橇，从 而形成了第二代传统的喷射式挖沟机锕1 q 。伴随着科技的进步，能够在水下使用的水泵 的出现使得能够提供喷射水的水泵移入了水下部分，并通过电缆对其进行控制；同时在 水下安装的泥浆泵也取代了气举排泥方式，这些关键设备的改进形成了第三代也就是近 代的喷射式挖沟机阳脚。 喷射式挖沟机的优点是结构比较简单，在软质土上挖沟工作效率很好，功能易于实 现嘲嘲。但与此同时喷射式挖沟机也有其自身的一些缺陷，如不能再硬质土上有效的工 作，不能适应恶劣的天气环境，所需要的动力比较大等等娜研。 第三代喷射式挖沟机如图1 1 所示： 图1 1d j s l 型水力冲射式挖沟机 图1 1 中的挖沟机是由英国土壤机械动力有限公司研制生产的d j s l 型水力冲射式 挖沟机，其主要作业参数为：最大作业水深可达水下3 0 0 米，最大埋管直径是6 0 英寸， 最大挖沟深度为6 米1 。 2 、犁式挖沟机 海底犁式开沟犁的设想是1 9 7 5 年首次提出的，并于1 9 7 7 年由瑞士r j 布朗联合公 司0 u b a ) 和英国土壤机械动力公司( s m d ) 联合设计制造出了世界上第一台预挖沟型海 底犁式挖沟机咖1 2 1 。后来r j b a 公司又提出了新的设计思想同时挖沟法，这一设计 思想曾经在加拿大北极地区实践过，但由于其设计的局限性，在后来的管道工程中几乎 未见采用一切。通过总结预开沟犁和同时开沟犁的特点和不足，r j b a 公司提出了后开沟 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 式海底管道犁的设计思想，并在1 9 7 9 年设计制造了世界上首台采用后挖沟方法的海底 管道犁，并应用于b a s s 海峡的工程实践当中l n 。 伴随着后挖沟式海底管道挖沟机不断的应用于工程实践当中，这些年来国外公司已 经取得了大量的工程设计和研究经验，其研制的犁式挖沟机也越来越先进，作业能力也 越来越强网n 3 1 。海底犁式挖沟犁的主要优点是，由于它是采用机械挖掘方式，沟的成型 被精确地控制，因此可以将沟挖得更窄些、更深型5 “埘。可以在各种复杂和恶劣的海底 土面进行挖沟作业，所以犁式挖沟机对海况的适应程度和作业效率与其他挖沟设备相比 是大大提高了，并且由于它是将挖沟的土翻到沟的两侧，进而增强了对海底管道的保护 效果阁n 0 1 。同时，挖沟犁的作业费用也大大降低了，只有喷射法挖沟的五分之- n 十分 之一【2 】。由于犁式挖沟机对海底管线的保护效果较好，因而深受近海管道工程界的瞩目， 成为海底挖沟机械研究开发的焦点之一，但其不足之处是挖掘反力大、控制困删5 1 n 0 1 。 图1 2 a m p 型霄遭犁 如图1 2 所示为a m p 型管道犁。这种管道犁又叫高级多行程犁，是c t c 公司研制 生产的一款海底管道犁式挖沟机。其性能指标为：单行程时最大开沟深度为2 米，多行 程时最大开沟深度为2 5 米，可保护的管道直径范围为7 5 m m - - 1 4 2 0 m m ，最大作业水深 可达海底1 0 0 0 米。这种挖沟机的外形尺寸为：长1 9 米、宽1 2 米、高9 米p 1 1 。 3 、机械式挖沟机 海底机械式挖沟机是7 0 年代初发展的一种新型水下施工机械，也是现代潜器技术 与挖掘机械的典型结合娜刀。与传统的水力冲射开沟机具和近年来迅速发展起来的海底管 道开沟犁相比，它的优点是作业水深范围大、功率消耗低、适应性强和操作方便等，因 此已开始引起工程界的重视，并且在工程实际旌工中的应用也逐渐增多，显示出非常好 的发展前景问川。机械式挖沟机对海底土质的适应性比较强，从淤泥、沙土、粘土、软性 岩石，一直到硬岩石如花岗岩，均能够进行开沟作业m 。相对于前两种挖沟机械来说， 4 第1 章绪论 机械式挖沟机的类型较多，按照其工作原理可分为链式、盘状旋削式和柱状铣削式挖沟 机川： ( 1 ) 链式挖沟机 意大利的海底石油服务公司是最早研究开发海底链式挖沟机的公司之一，其研制生 产的夹持自行链式挖沟机p b m 2 0 ，曾在北海f o r t i e s 油田水深1 3 0 m 的海底为管径5 0 c m 的天然气管道开挖管沟p 1 。荷兰近海革新工程公司研制生产的“热心海狸号履带式水 下挖沟机是目前设计最先进的链式挖沟机，该种海底机械挖沟机包含三套切削链，其中 两套安装在挖沟机机架的两侧用于挖沟，第三套安装在尾部用于清理沟型，所以开出的 管沟呈v 字形状，沟型比较深而且很狭，能起到保护管道的作用p 1 。最大管道直径为 7 5 c r a ，其挖沟过程中不需要其他潜水员的协助，而是从作业母船上通过电缆得到动力和 指令川。链式开沟机是近年来国外开沟机研究和发展的焦点之一，它的研制已开始向大 深度和全自动方向发展p 1 。 ( 2 ) 盘状旋削式挖沟机 盘状旋削式挖沟机可以在海底岩石层进行挖沟作业，早期的样机代表有英国陆地与 海洋工程公司研制的r t mi i 和r t m i i i 型挖沟机，以及法国c o f l e x i p 公司研制的履带自 行式硬海底挖沟机p 1 。这种挖沟机的特点是，在盘状旋削轮上装有可更换的硬质金属切 割锯齿，锯齿的形状可根据海底土质情况选用，但同时缺点是机械式盘状旋削开沟机受 经济因素的限制，所以目前研制的各种盘状旋削式挖沟机仅用于电缆、柔性管、以及小 口径输油管道的开沟工程当中啊m 。 ( 3 ) 柱状铣削式挖沟机 柱状铣削式挖沟机具有大型铣削头，该铣削头安装在柱状铣削式挖沟机的机架上， 而且这种类型的挖沟机主要是靠吸泥泵将泥砂排除闭川。其早期具有代表性的是m u t 型 挖沟机，该挖沟机是由美国的b r o w n & r o o t 公司研制生产的，通过四只浮球调节重量， 有四对滚轮夹持在预先铺设于海底的管道上，以管子为导轨，驱动滚轮带动整个设备前 进闭川。该机有8 个推进器，入水后无需潜水员帮助，就能自行寻找目标嘲川。在水中的 自行速度为2 m s ，开沟速度为5 0 0 m h ，开沟深度2 1 n 1 ，最大设计水深为5 0 0 m ，埋设管 径为4 0 1 2 0 c m 嘲m 。此外还有法国的t a n c d 型和意大利、t m l 0 2 型以及挪威的k b v 型挖沟机p 1 。 机械式挖沟机的优点是几乎能适应任何土质特性的海底情况，可用于砂土、粘土、岩 石等海底表面；作业水深较大，能长期在水下工作，通用性好研。其不足之处在于机构 复杂，故障率较高，停机率也较高p 1 。 5 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 通过总结上述三种挖沟机，分析其优缺点列出表1 1 进行比对。 表1 1 挖沟机类型对比 挖沟机类型冲射式挖沟机犁式挖沟机机械式挖沟机 作业原理采用高压水喷射使用犁体挖掘采用切削挖掘 结构复杂度简单简单复杂 作业效率 小 大 大 所需动力一般大小 挖掘反力 小大一般 结构简单，适应性差，所需动力大，适应性结构复杂，适应性最 综合评价 效率低好，效率高好，效率高 1 3 2 国内海底挖沟机械发展现状 我国海底挖沟机械的研究工作主要经历了以下三个阶段闭： 1 、起步阶段 该阶段主要是对国外相关资料进行分析与整理，原海洋水下工程科学研究院的张国 光老师发表了大量地文献，通过对国外相关资料的调研与总结，介绍和评价了国外在海 底开沟铺管领域的发展情况，这些工作可以很好地推动国内队海底挖沟机械的研究p 1 。 2 、理论研究与初步设计阶段 在原有理论研究的基础上，原海洋水下工程科学研究院的张国光和顾林声两位老 师，探讨了海底油气管道挖沟装备的主要指标，包括下潜的作业水深、适用海底土质土 况、挖沟作业速率、埋管直径、潜水员参与度、重量功率比、作业停机率、水面牵引母 船要求、初始投资、营运成本等十个重要的指标阁嘲。并根据海底挖沟装备的技术性、适 用性、安全性以及经济性等评价指标，提出了水下管道开沟机械选型的一些原则，包括 技术适宜原则、经济合理原则、结合实际工程原则闭嘲。采用相关矩阵评价法建立了海底 管道开沟机械评价模型，分析各种海底犁的结构类型及优缺点，讨论了我国要研制开发 海底管道开沟机械的指导思想、发展步骤和基本对策嘲嘲。 3 、工程实际应用阶段 随着我国海洋工程技术工作的不断展开，更多的专家学者和海洋工程技术人员根据 我国实际情况加入到海底开沟机械的开发研制队伍之中，国内在海底挖沟机械领域的研 究与开发工作得到了飞速地发展，在这个阶段取得了丰硕的理论和实践成果翔。这期间 6 第1 章绪论 主要的成果有：章庆生、汪仁宁两人根据胜利油田的工程特点，介绍了浅水滩海水下挖 沟装置的研制背景、提出了总体的设计方案和主要的技术指标p 删。卢瑾奉对驳撬式滩 海挖沟装置在工作原理和功能方面等进行了分析研究，并论述了此设备在海底铺设管道 时具体施工的技术细节酬堋。姜进方对管道在登陆段的预挖沟方法、测量定位和挖沟质 量控制等方面做了详细的介绍嘲n 6 1 。毛宁林主要研究探讨了驳载拖橇式滩底挖沟敷缆装 置的结构特点、工作原理及技术指标阿埘。王左祥等分析了海底水力冲射式挖沟机的工 作可靠性，并建立了挖沟机的整体受力模型，。重点分析了挖沟机垂直载荷的滑靴承载能 力的计算方法和安全系数的选取原则嘲。切。 随着我国能源的需求不断的增大，海洋资源已经得到充分的重视，相信在不远的将 来，我国的海洋工程机械将会得到更大的发展。 1 4 课题来源、目的及研究意义 本课题来源于海洋石油工程股份有限公司的硬质粘土挖沟技术与装备研究研究 项目。主要的目标是研制具有自主产权的海底犁式挖沟机试验样机，其目的是为以后能 成功开发研制海底犁式挖沟机工程样机提供依据，例如总体方案的可行性和结构设计的 可靠性以及其他各种分析的正确性。 一 课题的研究对发展我国海洋能源事业和提高海底石油管道开沟设备具有重要的意 义。随着全球能源危机的不断加剧，各个国家都加大了对海洋石油工程的发展力度，其 中石油管道的铺设和保护在工程中占据了重要位置。海底油气管道是海洋油气贮运生产 系统中的一个重要组成部分n 川。通过海底油气管道，把海上油气田的整个油气集输与贮 运系统联系起来，也使海上油气田与整个石油工业系统联系起来嘲。如果石油管道出现 问题，那么一方面海洋油气资源就不会顺利的运输到陆地上供我们使用，另一方面若管 道泄露，则会导致环境污染，造成重大的生态破坏，所以海底石油管道的保护非常重要。 而海底管道开沟机可以对管道进行开沟埋设保护，有效的减少海底各种恶劣情况对管道 的破坏。犁式挖沟机与其他各种海底开沟机相比，其性价比是最好的，所以犁式挖沟机 成为最有发展前途的开沟机械。 1 5 本论文的主要研究内容 本论文“海底管道犁式挖沟机设计研究及稳定性分析 主要要对海底犁式挖沟机的 主体部件进行结构设计和仿真计算，并对作业时整机稳定性进行了分析，通过陆上挖沟 实验来验证总体方案设计的正确性。本论文主要要进行以下几点工作： 7 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 1 、通过分析海底犁式挖沟机的工作原理和总体设计要求，以此为依据提出海底犁 式挖沟机的总体设计方案和总体结构布置方案，并应计算出海底犁式挖沟机在作业时整 体的受力情况，分析挖沟时的整机稳定性，验证总体结构方案的正确性。 2 、对海底犁式挖沟机的各个主要部件结构进行详细设计，主要部件包括机架、转 向装置、行走装置、犁体架和犁体。 3 、对海底犁式挖沟机的转向装置、行走机构和犁体开合进行力学分析计算，得出 主要部件的受力情况，并根据受力情况对关键零部件进行强度校核，验证结构设计的可 靠性。 4 、对海底犁式挖沟机的主要运动部件进行运动学分析，主要部件包括转向装置、 行走装置和犁体开合装置。根据部件受力情况和运动分析结果对转向、行走和开合液压 缸进行选型。 5 、对设计制造出来的犁式挖沟机试验样机进行陆上挖沟作业实验，验证了各个部 件的运动状态以及拖拽力的数值，挖出的沟型和其他各个指标。以此证明总体设计方案、 结构设计和各种分析是正确的、可行的。 8 第2 章海底犁式挖沟机总体设计方案和稳定性分析 第2 章海底犁式挖沟机总体设计方案和稳定性分析 2 1 引言 本次设计的海底开沟机械的机型是海底犁式挖沟机，因此应先对犁式挖沟机的工作 原理进行阐述和分析，再根据与中国海洋石油工程股份有限公司的“硬质粘土挖沟技术 与装备研究 项目合同提出的设计指标和犁式挖沟机工作过程提出了总体设计方案。对 挖沟机工作状态时的稳定性进行分析和校核，从而验证总体方案的可行性，为后来的结 构详细设计提供依据。 2 2 犁式挖沟机工作原理 海底犁式挖沟机是一种采用后开沟法式并且适用于深海挖沟的机械工程装备，主要 是用于对已铺设好的海底石油管道进行挖沟埋设作业。所谓后开沟法，就是待管道铺设 在海床后，再用海底犁在管线底下开沟，管子则靠自重落入开出的沟槽内仰。由于深海 底环境的复杂性，挖沟铺管作业的顺序不能是先挖沟再铺管，这样的话，管道在深海无 法准确的落入到沟内，所以后开沟法是保护深海石油管道的唯一途径。 海底犁式挖沟机具体工作原理是挖沟机在两个可分开的犁体打开的情况下，由水面 牵引船上的专门起吊设备吊起并控制方位，缓慢的潜入到海底，在水下r o v 的协助下 准确坐落在海底石油管道上。然后犁式挖沟机前后两个升降机械手完成抓管、抱管、提 升管等一系列动作，同时打开的犁体闭合，形成一个完整的犁体，前后两个托管架托住 管道，使管道在挖沟过程中位于犁体架腔内，起到保护管道的作用。挖沟机在海面牵引 船的拖拽下，后面的犁体面完成破土、挖土、翻土等作业，并使石油管道回填到沟内， 完成挖沟埋设工作。 2 3 犁式挖沟机的设计指标 根据中国海洋石油工程股份有限公司的“硬质粘土挖沟技术与装备研究 项目合同 要求的试验样机的设计目的和设计要求，提出了犁式挖沟机试验样机的技术要求和设计 指标： 1 、设计目的： 设计一台犁式挖沟机试验样机，试验样机应满足对石油管道进行埋设铺管、挖沟保 护，对管道可以进行抬管、挖沟。埋管等作业要求，验证犁式挖沟机试验样机方案的可 行性，为犁式挖沟机工程样机提高依据例。 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 、设计要求： 海底犁式挖沟机适用于的海底介质参数：适用于抗剪切强度为5 - 1 0 0 k p a 的硬质粘 土以及所有类型的沙土，在这些类型的海底上进行挖沟作业例； 海底犁式挖沟机的挖沟最大深度：0 8 m ； 海底犁式挖沟机作业的最大水深：5 0 m ； 海底犁式挖沟机作业的最大速率：2 0 0 r n h ； 机械手可埋设管道的最大直径：8 6 2 5 英寸，约2 1 9 r a m m l 。 根据设计目的和设计要求，就可以对犁式挖沟机进行总体方案设计。 2 4 犁式挖沟机总体方案 2 4 1 犁式挖沟机的工作过程 因为犁式挖沟机是在深海底作业，所以挖沟机在整个工作过程中，在海底现场是不 可能有人为的干预和调整，所以只能靠水下r o v 监测以及通过控制系统进行远程控制 来调整挖沟机的工作形态来完成作业任务邢1 1 。 其工作过程大致如下： 第一步：配有专用的起吊架的海面牵引船对犁式挖沟机进行起吊控制，然后将犁式 挖沟机缓慢地吊放至海底管道上方，在水下r o v 的监控下准确的坐落在石油管道上。 第二步：前后机械手下降到海底管道处，机械手由开合变为闭合，将管道抓在机械 手里，完成抱管动作，再缓慢抬高，把海底管道提升到挖沟机前后托管架上，然后托管 架闭合，使管道封闭在犁体架内，保护管道。 第三步：前端行走装置的支撑腿前倾，犁式挖沟机前趴，使挖沟机整体高度下降到 预备挖沟的深度，同时分开的犁体闭合成一体，然后挖沟机在水面牵引船的拖拽下开始 进行挖沟埋设工作。 第四步：挖沟机作业完成后，托管架托住的石油管道由于自身重力从犁体架内自行 落入到沟中，挖沟机在水下r o v 的协助下吊起回收到海面牵引船上。 简化的挖过作业过程图如图2 1 所示： 图2 1 犁式挖沟机作业过程图 1 0 第2 章海底犁式挖沟机总体设计方案和稳定性分析 2 4 2 总体方案 根据上述犁式挖沟机的工作原理和工作过程，结合课题所给的技术要求和指标，得 出了犁式挖沟机的总体方案： 1 、结构：由于犁式挖沟机的整体尺寸偏大，同时其自身重量又不能太大，以避免 工作时在较软的海底发生机体下陷情况，所以挖沟机整体用钢板拼接而成，使结构部件 内部留空，有利于减轻重量。由于焊接具有节省金属、生产率高、致密性好、操作条件 好、易于实现机械化和自动化等特点，在制造大型机件与结构件或复杂的机器零件时， 可以化大为小、化复杂为简单，加工易于实现阎，所以挖沟机的结构大部分采用焊接的 制造方法，保证整体的加工制造精度，同时便于加工制造和改装升级，个别结构采用铸 件和机加工件。 2 、驱动方式：海洋工程作业机械主要有三种驱动方式：电力驱动、气压驱动和液 压驱动嘲。电力驱动对电机的密封和系统整体的绝缘性都有很高的要求；气压驱动的适 用范围有限，工作水深较浅，且效率低，可靠性差，不适合深海工作；液压驱动具有功 率大、运动惯性小、结构紧凑、安装方便、维修简单、体积小、操纵灵、使用寿命长等 优点，液压驱动多用于臂力较大而运动速度较低的工作场合嗍。结合犁式挖沟机工作的 具体情况，本次海底犁式挖沟机的设计采用液压驱动。 3 、动力装置：因为驱动方式采用液压驱动，所以挖沟机的动力元件采用液压缸， 由海面拖船上的控制系统进行远程控制，进行驱动作业。 4 、试验数据采集装置：在需要对数据采集和监控的关键部位安装各种传感器和其 他测量装置，例如力学传感器，位移传感器等等，以方便对关键数据的监控、采集和分 析。 5 、控制系统：为了满足犁式挖沟机的一系列作业功能，控制系统应该具有三种基 本功能：一是控制系统能控制各液压缸电磁阀开合逻辑来控制挖沟机各个液压缸运动方 向；二是能采集挖沟机作业过程中的相关数据如：挖沟深度、牵引力、管道受力、挖沟 方向、故障指示等等；三是对各种紧急情况应有及时的应对方案和措施。 2 4 3 犁式挖沟机的总体结构 考虑到海底犁式挖沟机的设计要求、工作原理、总体方案和加工的复杂度，犁式挖 沟机总体结构如图2 2 所示： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 8 7 6 1 前机械手和托管架2 转向装置3 机架4 犁体架 5 后机械手和托管架6 后部大犁体7 。前部小犁体8 行走装置 图2 2 犁式挖沟机总体结构 如图2 2 所示，犁式挖沟机总体结构主要有以下几个部分t 前机械手和托管架、转 向装置、机架、犁体架、后机械手和托管架、后部大犁体、前部小犁体和行走装置，各 个部分通过各种连接方式组成一个整体。 首先考虑到开沟深度为o 8 米，所以应保证提升高度大于0 8 米，这样在开沟作业 过程中管道才不会影响犁式挖沟机的正常工作，从而保证开沟深度能够达到预期沟深。 通过分析国外相关资料，并利用a n s y s 对管道提升时的受力状态进行建模分析，最终确 定了管道提升机械手的跨距为5 米，提升高度为1 2 米【刎。这样挖沟机前后机械手之间 会有足够长的距离，可以保证挖沟机在提管和抱管过程中形成较大的跨距，以此来保护 管道在抱起的时候不被破坏。前后托管架是由滚轮组成的一个方框架，这样做的目的是 当托起的管道偏离挖沟的路径时，可以防止管道过度接触犁体结构而影响挖沟机的正常 作业，偏离过大时会损坏管道。行走机构采用支撑滑靴式结构，较大面积的滑靴底面可 以减小犁式挖沟机整体对海底的压强，使挖沟机在深海底的软土面上不至于下陷的太 深，并且可以帮助挖沟机在海底进行滑行前进，减少其前进阻力。前部小犁体用来破土， 犁头采用特殊材料制成，以加强犁头强度，后部大犁体再次破土并且进行挖土和翻土， 犁体分别进行前后两次破土和挖沟可以减少挖沟机在挖沟时所受的阻力。机架和犁体架 采用了由钢板焊接而成的桁架结构，减轻了挖沟机的整体重量，同时保证挖沟机的整体 1 2 第2 章海底犁式挖沟机总体设计方案和稳定性分析 强度。 犁式挖沟机的整体尺寸要根据设计指标来确定，其中海底管道沟型的基本尺寸要求 确定挖沟机的整体宽度和高度。其沟型基本尺寸如图2 3 所示： 6 2 3 9 图2 3 沟型基本尺寸图 根据沟型的基本尺寸，结合犁面的设计尺寸，犁式挖沟机整体宽度为4 _ _ 4 5 米。挖 沟机整体长度尺寸是根据前后两个机械手之间的距离来确定的，而两个机械手之间的距 离则由管道提升时的跨距来确定的。因为设计指标当中提出的开沟深度为0 8 米，所以 应保证管道被提升的高度至少为o 8 米，这样才能确保管道的安全和挖沟作业的顺利进 行。经过分析管道提升机械手的跨距为5 米，提升高度为1 2 米，所以挖沟机整体高度 为2 5 3 米，整体长度为7 1 5 米。据此得出挖沟机整体尺寸，具体见表2 1 ： 裹2 1 犁式挖沟机整体尺寸 整体尺寸长度宽度高度 数值7 l 一7 5 米4 _ 4 5 米2 5 - 3 米 犁式挖沟机其主视图、俯视图如图2 4 、图2 5 所示： 图2 4 挖沟机正面主视图 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 5 挖沟机俯视图 2 5 挖沟机工作载荷计算 2 5 1 挖沟机整体受力分析 犁式挖沟机在水下工作的过程中，会受到复杂的环境载荷、工作载荷以及水面母船 拖拽力的联合作用，所以必须保证犁式挖沟机在这些载荷的作用下的工作稳定性，使其 能够安全的进行挖沟作业，验证总体结构方案的正确性闭。因此，在设计时应该对挖沟 机的工作稳定性进行分析。即对挖沟机工作时的整体受力进行分析，以确定其正常工作 所需的拖拽力闭。 犁式挖沟机在工作时的主要受力主要有： 1 、海流运动所产生的作用力，包括举升力和横向力，作用力是由海水顺流、逆流 或者横流运动产生的； 2 、海底土壤面对挖沟机底面的摩擦阻力； 3 、挖沟工作时犁体切削土壤的剪切力和翻土时的阻力； 4 、海面作业牵引船对挖沟机的拖拽力，即工作拉力； 5 、海底犁式挖沟机自身的重力。 海底犁式挖沟机整体受力情况如图2 6 所示： 1 4 第2 章海底犁式挖沟机总体设计方案和稳定性分析 h q 图2 6 犁式挖沟机整体受力图 图2 6 中符号说明如下： 力f 是犁式挖沟机工作所施加的拖拽力，由水面牵引船通过绳索进行拖拽，方向与 水平线成1 5 。左右，主要作用在转向机构摆臂上；力日是海底土壤面对挖沟机滑靴的 摩擦阻力，主要作用在滑靴底面上；力q 是挖沟工作时切削的土壤对犁体曲面的剪切阻 力，主要作用在大犁体曲面上：力g 是挖沟机的有效重量；力如是海流运动产生的横 向力，均匀的作用在挖沟机竖直截面上；力兄是海流运动产生的提升力，均匀的作用 在挖沟机的横向截面上。 2 5 2 海流作用力的计算 1 、海流横向力的计算 犁式挖沟机因为海底海流运动会产生的横向力而的计算公式为： 1 兄寺c o p a v 0 2 ( 2 - 1 ) 式中：c n 流体横向拖拽力系数； p 流体的密度( n m 3 ) ； a 垂直于力的方向的平面上构件的投影面积( m 2 ) ； 屹海流对挖沟机的相对速度( m s ) 1 猁。 海流运动有顺流、逆流和横流三种情况，因此在计算时应分别考虑。5 0 米海底海洋 流速约为4 k m h 时，根据挖沟机设计要求里提出的挖沟机的速度为2 0 0 m h ，分别计算 三种情况下挖沟机最大相对速度。 在顺流情况下，海流对挖沟机的最大相对速度为v o - 1 0 6 m s ；在逆流情况下，海流 对挖沟机的最大相对速度为屹一1 1 7m s ；在横流情况下，海流对挖沟机的最大相对速度 为v o ；1 1 1 m s 。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 根据文献 2 5 1 中得出公式里c d 经验值， 具体为最大流体横向拖拽力系数c d 为1 5 ， 得出a 8 m 2 。 计算时考虑到工作的极限情况，取最大值， 最小为0 6 。系数彳的值经过软件测量估算 将上述系数的数值带入公式得出f o ；8 2 3 1 n - s k n 。 2 5 3 海流提升力的计算 对于处在近海底的物体，由于物体侵入海里，使得构件上部和下部的流线疏密程度不 等，造成上部压强低于下部压强而形成压差，所以将产生垂直方向的举升力兄嗍。兄按下 式计算： e 一去q 一匕2 ( 2 2 ) 式中：c ，流体举力系数 p 流体的密度m 3 ) ； a 垂直于力的方向的平面上构件的投影面积( m 2 ) ； 匕海流对挖沟机的相对速度( i n s ) 例硐。 计算时同样考虑到工作的极限情况，则最大流体举力系数c ，为1 5 ，最小为0 1 嗍。 系数a 的值经过测量估算得出彳一1 3 m 2 。 将上述系数带入公式得出e 一1 3 3 4 6 n 一1 3 k n 。 2 5 4 摩擦阻力 犁式挖沟机在海底工作时，挖沟机底面由于自身重量会受到海底土壤的摩擦阻力， 其摩擦阻力按以下公式计算： h = u n( 2 3 ) 式中：日滑靴与泥面的最大摩擦阻力； 肛摩擦系数； _ 犁式挖沟机底部的正压力嗍。 海底泥土的摩擦系数t = o 4 ，挖沟机产生的正压力n = 2 0 0 k n 。 将数值代入公式( 2 3 ) 得日= 8 0 k n 。 上述情况是挖沟机在正常工作状态下的摩擦力。但挖沟机在工作时，如果自身重量 超过海洋土壤的承受力，则滑靴会因为挖沟机的整机重量而产生很大的下陷。因此当滑 靴陷入海底时，由于滑靴与土的破坏面不一定在渭靴与海底的接触面上。滑靴与泥面的 摩擦阻力计算公式为： 1 6 第2 章海底犁式挖沟机总体设计方案和稳定性分析 f日-ca(2-4) 式中：日滑靴与泥面间的最大摩阻力f r o ； c 为土的不排水抗剪强度( k p a ) ； a 为滑靴与泥面的接触面积( m 2 ) 嘲。 按照总体方案要求中提到的海底泥土的不排水抗剪强度在5 - 1 0 0k p a 之间，取最大 值c - 1 0 0k p a ，经估算a 一2 5 m 2 。代入公式( 2 4 ) 得最大摩擦阻力为日一- 2 5 0 k n 这样摩擦阻力会大大超过正常情况下的摩擦力，所以挖沟机工作时要避免上述情况 的发生，以免拖拽力过大造成严重事故。 2 5 5 切削土壤阻力 犁式挖沟机挖沟作业时所受到的载荷主要来自于犁体切削土壤时受到的剪切阻力。 土力学理论认为，土体的破坏通常都是剪切破坏，剪切力的大小主要取决于土的抗剪切 强度网。土的抗剪切强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，其数值等于剪切破坏时滑 动面上的剪应力，因此抗剪强度是土的主要力学性质之一嘲。 由于犁体受力比较复杂，在把一些次要的受力因素忽略后可以把阻力简化为三个 力，包括挖土使土体破坏所需要的剪切力、土面对犁的摩擦力和翻土所需的作用力嗍。 根据文献【2 8 】里得出的犁体切削土壤的经验公式来计算阻力，即 q - g w + g 7 ，d 3 ( 2 - 5 ) 式中：c 掣体摩擦系数； 矽挖沟机重量； c 。主压力系数，随着土壤密度的变化而变化； r 土壤单位质量( n 细3 ) ： d 挖沟深度( m ) 嗍。 因为本次设计的犁式挖沟机速度很慢，所以公式( 2 5 ) 忽略了挖沟机挖土的速度 因素，抗剪切强度为i o o m p 的土壤密度一般2 8 0 0 0 n m 3 鲫。 文献 2 8 1 中运用试验方法，根据海底土壤的性质得出经验公式里c 0 的值为0 4 8 ，g 的值为1 5 。 将数值代入公式( 2 5 ) 得q ；2 9 0 k n 。 2 5 6 拖拽力 犁式挖沟机在海底进行挖沟铺管作业的全部动力来自于水面牵引船所施加的拖拽 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 力。拖拽力小则影响挖沟的质量和速度，过小的时候甚至不能进行挖沟作业；拖拽力大 时则会影响挖沟机工作的稳定性，过大也会引起严重的安全事故，造成挖沟机前倾，破 换管道。所以估算犁式挖沟机正常工作所需要的拖拽力是能否保证挖沟机安全有效工作 的最重要因素。 通过分析挖沟机整体受力情况可知：挖沟机所需要的最大水平拖拽力在数值上等 于挖沟机要克服水下