（机械电子工程专业论文）深海采矿系统纵横摇补偿装置的方案及主要参数研究.pdf

中南人学硕十学位论文摘要 摘要 纵横摇补偿装置是深海采矿系统的重要组成部分。扬矿管上端悬 挂在海面采矿船的升沉平台上，下端通过中间仓、软管连接到海底集 矿机。由于采矿船的纵摇、横摇、拖航以及集矿机行走运动的影响， 以及波浪、海流的作用，扬矿管不会处于垂直位置，下端将产生较大 的偏移。为避免扬矿管上端承受很大的弯曲应力和变形而产生破损， 使采矿系统能够安全地在大洋上进行采矿作业，必须设计出合理的纵 横摇补偿装置，能够随扬矿管作纵、横摇运动。基于实现这些目的， 本文对深海采矿系统纵横摇补偿装置进行了研究。 主要研究工作如下： 1 、根据纵横摇补偿装置的工作目的，提出了纵横摇补偿装置的 整体设计方案。确定了内、外框架结构及其内、外框架之间的连接方 案。 2 、以强度作为设计条件对纵横摇补偿装置的内、外框架以及纵、 横摇轴等主要结构进行了设计计算。 3 、将外框架结构与横摇轴、内框架结构与纵摇轴分别作为整体 组件，建立有限元模型进行了模态分析，得到各组件的低阶模态的固 有频率和振型，并对结果进行了分析。 4 、运用有限元方法对外框架组件与内框架组件进行了静力学分 析，得到了它们在最恶劣工况下的应力和位移云图，并对结果进行了 分析。 5 、根据现有的试验条件，设计了一个试验模型，对其进行静态 应变测量和有限元计算。通过试验结果与计算结果进行对比分析，验 证本文的建模方法与分析的正确性。 关键词深海采矿系统，纵横摇补偿装置，扬矿管，有限元 中南人学硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o m p e n s a t i o nd e v i c eo fp i t c h i n ga n dr o l l i n gm o v e m e n ti sa n i m p o r t a n tp a r to ft h ed e e p - s e am i n i n gs y s t e m a tt h et o p ，t h el i f t i n gp i p e i sh u n gi nt h eh e a v i n gp l a t f o r mo ft h em i n i n gs h i p ，a n da tt h eb o r o m ，i ti s c o n n e c t e dw i t ht h em i n i n gm a c h i n ev i at h eb u f f e ra n dt h es o f tp i p e u n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h ep i t c h i n g ，r o l l i n g ，t o w i n gm o v e m e n to ft h e m i n i n gs h i pa n dt h ew a l k i n go fm i n i n gm a c h i n e ，t h el i f t i n gp i p ew o u l d n o ts t a n dv e r t i c a l l y ；w i t hi t sb o t t o mh a sm u c hd e p a r t u r e i no r d e rt oa v o i d t h el i f t i n gp i p ef r o mb e a r i n gg r e a tb e n d i n gs t r e s sa n ds t r a i nw h i c hw o u l d c a u s ed a m a g e ，m o r e o v e r , t om a k et h em i n i n gs y s t e mw o r ks a f e l y , i ti s n e c e s s a r yt od e s i g nar e a s o n a b l ec o n n e c t i o nd e v i c ew h i c hc o u l dp i t c ha n d r o l lw i t ht h el i f t i n gp i p e b a s e do nt h ea b o v ea i m s ，t h i st h e s i sh a sd o n e s o m er e s e a r c h e so nt h ec o m p e n s a t i o nd e v i c eo fp i t c h i n ga n dr o l l i n g m o v e m e n t t h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 、a c c o r d i n gt ot h ew o r kp u r p o s eo ft h ec o m p e n s a t i o nd e v i c eo f p i t c h i n g a n dr o l l i n gm o v e m e n t ，t h ew h o l e d e s i g ns c h e m e o ft h e c o n n e c t i n gd e v i c ei sp r e s e n t e d t h es t r u c t u r eo ft h ei n n e ra n do u t e rf l a m e a n dt h ec o n n e c t i o ns c h e m eo ft h ei n n e ra n do u t e rf r a m ew e r ed e t e r m i n e d 2 、b a s e do nt h ei n t e n s i t yc o n d i t i o n ，t h em a i ns t r u c t u r eo ft h e c o m p e n s a t i o nd e v i c eo fp i t c h i n ga n dr o l l i n gm o v e m e n t ，s u c ha st h ei n n e r a n do u t e rf r a m e ，t h ep i t c h i n ga x i sa n dr o l l i n ga x i s ，h a v eb e e nd e s i g n e d a n dc a l c u l a t e d 3 、c o n s i d e r i n gt h eo u t e rf l a m ea n dr o l l i n ga x i s ，t h ei n n e rf l a m ea n d p i t c h i n ga x i sa ss u b a s s e m b l yr e s p e c t i v e l y , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h e mh a v eb e e ne s t a b l i s h e d ，t h e nt h e i rm o d ea n a l y s i sh a v e b e e nd o n e s o m el o w e rn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dc o r r e s p o n d i n gm o d es h a p e sh a v e b e e nc a l c u l a t e d ，t h er e s u l t sh a v eb e e na n a l y z e d 4 、t h es t a t i cs t r u c t u r a la n a l y s i so ft h eo u t e rf l a m es u b a s s e m b l ya n d i n n e rf l a m es u b a s s e m b l yh a v eb e e nf i n i s h e dw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tn e p h o g r a m so ft h em o d e li nt h ew o r s t c o n d i t i o nh a v eo b t a i n e d ，t h er e s u l t sh a v eb e e na n a l y z e d i i 中南人学硕十学位论文 a b s t r a c t 5 、at e s tm o d e lh a sb e e nm a d eb a s e do nt h ee x i s t i n ge x p e r i m e n t c o n d i t i o n s t a t i cs t r a i nm e a s u r e m e n ta n df i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o nw e r e p e r f o r m e do nt h em o d e l t h r o u g ht h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i sb e t w e e n t h er e s u l t so ft h et e s ta n dt h ec a l c u l a t i o n ，t h ev a l i d i t yo ft h em e t h o do f m o d e l i n ga n da n a l y s i si nt h i sp a p e rc o u l db et e s t i f i e d k e yw o r d s d e e p - s e am i n i n gs y s t e m ，c o m p e n s a t i o n d e v i c eo f p i t c h i n ga n dr o l l i n gm o v e m e n t ，l i f t i n gp i p e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名：翻丝塾聊签名置遂眺遗年月三日 中南人学硕十学位论文第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 深海采矿技术开发的意义 第一章绪论 深海采矿技术是深海金属矿产资源开发的核心。它包括深海矿产的采集、海 底软管输送系统、海底矿物制备装载和输配电、从深海将矿物输送到洋面的提升、 海面支持以及采矿船动力定位和采矿及输送过程的监测控制。其核心技术是适应 海底作业环境回采率高的智能化采集设备，回采过程形态复杂多变的软管输送技 术，高效、安全可靠的多相流提升技术和设备，深海j l - 采水下设备吊放回收技术 及悬吊采矿系统的起伏摇摆补偿装置，开采过程中采矿船、提升管道、采集设备 随动定位及作业过程的监测控制，水下大功率高压输配电技术。以上核心技术的 开发和完善才能建立完整的深海金属矿产的工业开采系统，使我国成为拥有这一 高新技术跻身于首批进行深海金属矿产工业开发的行列【l 】。 深海采矿是一个多环节串联的系统工程，处于数千米水深、承受海流和风浪 流影响及海水腐蚀的环境下作业，而且多金属结核赋存在强度极低的软泥，富钴 结壳产出在海山山脊，作业条件恶劣，开采技术难度很大，这就对开发技术提出 了很高的要求和需要较长的周期。根据国外的经验和我国“八五 期间的工作进 展，深海开采技术研究开发周期需要1 5 - 2 0 年的时间，才能达到深海预开采中 间试验的目标，如以美国为首的几个国际财团自六十年代中期研究开发至七十年 代末进行深海试验，花了近十五年时间，日本从1 9 8 1 年开始进行集矿机采集、 管道提升开采方案研究已达1 7 年，尚未实现深海试验目标。因此，我国必须在 “八五 、“九五 研究开发的基础上，再用1 0 年左右的时间完善开采技术的开 发研究，使其达到工业连续生产和提高资源回收率的要求，为在工业开采时机成 熟之前作好技术储备【2 ，3 】。 深海金属矿产开采技术是海洋资源开发技术的最前沿，标志着一个国家开发 海洋资源的综合能力和技术水平。它的开发成功不仅可为我国建立深海金属矿产 开采产业提供技术保证，并可为其它海洋资源开发和海洋工程提供相应的技术支 撑【4 】o 1 1 2 深海采矿技术的发展 自本世纪六十年代以来，西方发达国家相继投入大量资金和人力物力，进行 了深海多金属结核采矿系统全面开发研究。 中南人学硕仁学位论文 第一章绪论 国际社会深海采矿技术的发展均以多金属结核开采技术研发为起点。七十年 代以来，西方发达国家通过技术移植、相关技术借鉴和二次丌发及技术创新等方 面的工作，完成了深海多金属结核开采的技术储备，一旦具备商业开采的其它条 件，即可通过吸收当代技术发展的最新成果，进一步提升其技术竞争力【5 1 。 多金属结核开采的基本任务是按生产规模，从五、六千米的深海低，将多金 属结核连续、高效的采集并输送到海面采矿船上。要求开采系统和设备不但技术 上可行，而且具有高度的可靠性、先进性和经济性。在过去二、三十年的研究开 发过程中，些国家提出并试验过多种开采方案，主要有以下几种【6 7 】。 1 连续绳斗式( c l b ) 开采系统 该系统起源于日本，美国、法国和英国也进行过研究。其基本原理是在一根 绳索上每隔2 5 5 0 m 连结一个挖斗，绳子两端分别固定在采矿船船首和船尾的卷 扬机上( 单船式) 或两只船上( 双船式) 。对于单船，空斗从船尾放下去，将半装满 的铲斗从船尾收上来。对于双船空斗从一条船放下去，半装满的铲斗从另一条收 上来，通过采矿船低速航行的拖曳作用和绳、斗组成的无极绳采集环路在海底连 续运转，实现多金属结核的采集和提升。 2 自动穿梭式采矿车采矿系统 该系统由多台自动穿梭式采矿车进行多金属结核的采集和提升。采矿车由质 量很轻但强度很大的浮性材料制成，能在海中自由运行并深潜到海底。下水前采 矿车装满压舱物，然后自动潜入海底采集结核。采满结核后，弃掉压舱物，上浮 到一个半潜式的水下平台，把结核卸在平台上，然后再装上压舱物重新潜入海底。 这种系统的最大优点是设备独立、灵活性好，采集效率高，回采损失小，能大幅度 提高结核产量。主要缺点是要求非常先进的设备制作技术和遥控技术，造价很高， 开发难度较大，因而暂时被搁置下来，作为今后第二代深海采矿技术考虑。 3 集矿机加管道输送采矿系统 该系统由集矿机、输送软管、中间矿仓、扬矿管及采矿船等组成。集矿机在 海底采集结核，采集的结核在集矿机内清洗脱泥和破碎后，经软管输送到连接于 刚性扬矿管下端的中间矿仓，然后结核经扬矿管扬送到海面的采矿船上。集矿机 有自动行走式和拖曳式两种形式。扬矿方式有水力提升、气力提升和轻介质提升 3 种。水利提升系统用串接于扬矿管道中间的潜水矿浆泵作为动力装置，将中间矿 仓内的结核矿浆吸入管道泵送到采矿船上。气力提升系统则以压缩空气作为动 力，在扬矿管道的一定深度处通入压缩空气，- 因混入压缩空气后的矿浆的比重小 于管外海水的比重，利用管内j l - 的压差，便能将结核扬送到海面。轻介质提升系 统是以比重小于1 的轻介质( 固体和液体) 代替压缩空气作为扬送结核矿浆的载 体，其原理与气力提升相同。 2 中南人学硕十学位论文第一章绪论 1 1 3 我国深海采矿系统方案 我国采用的采矿系统方案是深海复合式水力提升采矿系统，它属于集矿机加 管道输送采矿系统中的一种，由集矿子系统、水力提升子系统、水面支持子系统 和监控与动力子系统等组成。由位于洋底的集矿机，将散布在海底表面的多金属 结核收集，经破碎后，通过数百米的软管输送至中继仓，再由中继仓的给料机送 至扬矿硬管，最后由两台多级泵提升到海面采矿船上，如图1 1 所示【9 1 。 1 集矿子系统 主要功能是为集矿机构和破碎机构提供工作平台的海底作业车按预定轨迹 运行，完成海底采集结核矿石，并进行脱泥、破碎、输送作业。 2 扬矿子系统 主要功能是将采集的结核矿石经管道提升到海面船上。由垂直提升硬管段、 中间仓和软管段三部分组成。为了保证自行式集矿机的机动性，避免扬矿管对其 产生动力影响，扬矿管通过一段软管与集矿机相连。中间仓设置在垂直管与软管 之间，当结核丰度化引起采集结核量改变时，保持向扬矿管供矿稳定，提高扬矿 效率。 3 测控部分 测控与动力配置是集成所有子系统信息，并提供安全可靠的动力及符合要求 的控制、通信、监测和导航定位等功能的深海采矿综合控制管理系统，它确保了 开采作业安全、可靠、高效、连续、经济地运行。 4 水面支持子系统( 采矿船) 它是采矿作业中心，为水下设备提供存放、布放、回收、作业支撑和维修、 并贮存结核矿石。水面支持子系统配置有全球导航定位系统和动力定位系统，具 有良好的操纵与回转性能；配置采矿系统水下设备所必须的布放、回收、悬吊系 统；配置发电机组和相应的变送电设备，满足水下动力供给要求；船舶中部设置 月池，具有存放水下设备的空间和操作空间以及维修间；配置水文测量系统，包 括海浪、水流、水深、风及航速、航迹等测量系统；设置结核脱水及尾矿初步处 理与排放系统；配置水下系统必须的操作控制系统及测量系统，操作定位及通信 系统；试验完成后船应较容易恢复原来的功能。 3 中南人学硕1 ：学f m 论文 t g 、 一 1 2 国内外研究现状 1 2 i 国外研究现状 图l - 1 深海采矿系统结构简囤 第一章绪论 作为深海采矿系统的支持和控制中心，在七十年代束进行的几次试验开采中 都是使用船舶作为水面支持系统，o m i 财团使用的是钻井船s e d c 0 4 4 5 改装而 成，船长1 3 5m ，宽2 1 m ，排水量1 4 0 0 0 t ，特别加装提升塔架，内有高精度重载 荷升降机构。其扬矿管通过万向接头支撑在低摩擦支撑座上，支承座坐在升降补 偿器上叫。 1 9 7 0 年夏天一艘r v 深海采矿船在大西洋深海成功完成了第一次尝试开采 锰结核的试验。这艘r v 深海采矿船是一艘由c l m a v l 型货运船改装而 成的深海采矿船，其纵横摇补偿装置采用的是一种万向架固定式吊杆结构1 1 2 。 这种万向架固定式吊杆结构采用液压油缸、万向固定架来减少船体横摇、纵 摇及升沉对采矿作业系统所产生的影响，同时二者在布放、回收过程中还能起到 辅助作用。 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 美国于1 9 7 4 年完成的深海采矿装置升沉补偿系统其承载能力达7 5 0 0 t 。它的 纵横摇补偿装置采用了一种类似陀螺平台的万向节系统【13 1 。 该万向节系统如图1 2 所示，由内万向节、外万向节、万向节轭、万向节仓、一 底部万向节仓平台五部分组成。 图1 - 2 万向节系统的结构示意图 外万向节通过升沉补偿油缸支撑并在万向节轭前后移动。升沉补偿油缸依次 由跨立在水面船开口月池两边的a 形支架固定。万向节轭和万向节二者是通过 两个纵向销钉和作为万向节滚动枢轴的大轴承来联接的。每支轭可以沿a 形支 架上的垂向导向槽滑动，滑动位移大于万向节升沉补偿幅度4 5 7 2 m 。 内万向节结构在纵摇轴上通过大轴承、在右舷通过内万向节的悬臂销与外万 向节联接。内万向节不受水面船的滚动、纵摇、升沉运动的影响，成为g l o m a r e x p l o r e r 船升沉补偿稳定平台的核心【1 4 1 。顶端一对提升油缸固定在内万向节上。 在内万向节的下端，悬挂着一个固定下端一对重力起升油缸的笼形结构。支撑钻 塔底板和管道布放的甲板的底基也与内万向节相连。万向节系统可以消除水面船 与管线系统之间2 2 8 6 m 的升沉、8 5 。的滚动和5 。的纵摇的相对运动的影 响。该吸振系统可以在水面船运动过大时有效的保护支撑结构和提升管道系统的 安全。同时还有一些措施来固定和保护万向节系统( 软制动、锁紧系统) 。 万向节仓及其底部平台( 与下侧内万向节平台相连) 支撑和放置下部的提升 系统。万向节仓底部平台同时也作为底下一对重力起升油缸和停车制动的基础。 万向节仓是一个高1 2 5 m 形状像锥形盒子。万向节仓光滑的外表面还可作为滚动 方向软制动的配合面。 5 。 中南人学硕。f ：学位论文第一章绪论 外万向节结构上基本上是一个闸形梁式的矩形环。每根梁都是经过加强了 的，宽1 2 m 、高2 7 4 m ，高度在其中心处增大到3 9 6 m 。设计为锥形是为了保证 一定的运动公差和为巨大的万向节轴承铸件提供附加截面。这些大的轴承箱可以 保证万向节轴承在巨大的载荷下不会滑出来。外万向节的前后梁通过两个滚动方 向销钉跨装在u 形万向节叉并与其相连。万向节叉通过大的弹性轴承固定在升 沉补偿油缸的活塞杆上面。每个万向节叉的内四角是四套青铜滑板轴承，它们分 别可以在a 形支架的垂向导向槽里滑动。滑板轴承把侧向和f i f 后方向上的载荷 传递到a 形支架导向槽里。这些滑板和升沉补偿油缸活塞杆是移动的万向节系 统和静止的水面船结构之间唯一的连接。滑动衬挚下垫弹性垫以调整在载荷下与 导向配合面的配合。除了万向节叉外，所有这些结构都是由h y - 1 0 0 的焊接高强 钢制成，这些高强钢可以大大减轻水面船甲板上1 8 m 高的结构的重量。h y - 1 0 0 钢同时具有良好的韧性和超高的耐疲劳性能。内万向节结构基本上是一个2 7 4 m 高、9 1 4 m 宽、4 8 8 m 长的箱形梁，且纵向锥形箱式梁的四个角都支撑着上面的 钻塔底板结构。 a 型支架是全部万向节结构重量和管道载荷的支撑平台，并为其升沉运动提 供一套导向槽。结构主要由两个跨杆组成。圆锥形的箱式梁、柱状万向节叉导向 结构就被固定在这些跨杆之上。这两个主要的a 型支架通过垂直的、斜对角线、 水平方向的桁架纵向联接起来。在两个底部弦杆的中心通过一个内置的基础结构 支撑升沉补偿油缸。同时，a 型支架及其机械甲板可用来放置很多液压和机械支 持系统。在每个主跨距的端部布置有联结a 型支架和固定在水面船甲板支撑塔 座的销钉。 1 2 2 国内研究现状 我国深海采矿技术经过“八五”、“九五的研究，已在采矿车研制、扬矿系 统、水面系统、测控系统研究等方面取得重大进展。在中国大洋协会的组织下， 长沙矿冶研究院等多家单位对深海采矿系统的控制作过长期的研究，所设计的控 制系统的结构与软件经过了湖试的验证，能通过水面支持船上的监控系统，较好 地控制集矿机按预定轨迹作业把人工铺洒的结核类似物采集并输送到水面【1 7 , 1 8 】。 “九五 湖试系统( 如图1 3 所示) 中并没有采用升沉补偿装置，扬矿管与 升沉平台之间只是做了固接处理【2 l 】。 6 中南人 硕l 学竹论文 | j 第一尊绪论 口1 4 。 目1 - 3 湖试系统简图 中试采矿系统设计的水面支持系统中在月池内上部安装有一套“液动上卡箍 装置”。在中央安装有一套与双油缸悬吊装置的两根活塞杆相连接的“液动中卡 箍装置”。在下部水线上1 0 0 0 m m 处安装有一套带液动卡箍装置的活动门装置， 该活门装置同时可以作为各种连接设备装置的对接( 拆装) 作业平台。“液动上 卡箍装置”和“带液动卡箍装置的话动门装置”相互之间设计有液压安全互锁装 置，确保“上卡箍装置”工作( 打开) 时，下部活动门装置处于关门状态汕路锁 闭，不能打开。反之，当“上卡箍装置”锁紧时( 卡住) ，下部活动门装黄的油 路开通，可以控制丌启。活动门用电动机驱动齿轮齿条装置移动，活动门的卡u 用来卡住扬矿管，如图1 _ 4 所示。 h + 嘲 困1 4 中试采矿系统纵横摇补偿装置 盆 筑第 熊 - i | 诗人学硕十学位论文第一章结论 谢龙水在其深海采矿船设计的研究中提出了两种采矿船的设计方案l 捌，在 其设计方案中介绍的纵横摇补偿装置采川了万向架固定式吊杆结构( 如图1 5 、 | 墨| i 一6 所示) ，将扬矿管安装在大致位于主甲板平而和舯部附近。安装在万向架 上的升降机由两个分别装在平衡架轴平面的扬矿管边上的大液压油缸组成。从万 向架平台向上安装液压油缸，而万向架吊杆向下架搭到平台口，且下端与随主活 塞运动而上下移动的吊架连接。吊架中心口设有扬矿管和连接装置。扬矿管夹持 装置位于中心口周围吊架上平面。这些夹持装置由四根延长金属杆( 径向地往扬 矿管或在扬矿管外进行液力定位) 组成。金属杆内端按这样的一种方法加工成型， 即支承扬矿管接头的下毂。除了固定锁板内端加工成型以啮合支承管接头卡环之 外，将四块径向定位的相同固定锁板装在万向架平台的下平面。 。蛙。 ，涮睬。 黪蓉 ”；i 目一l q i i t1 - 5 万向槊布置图 图1 - 6 万向架固定式吊杆结椅示意围 下吊杆结构与万向架平台下平面连接，为吊丰t 提供了滑动面或导向面。因此， 这种结构可阻止横向力和有关弯曲力矩作用于主伸长吊杆。 扬矿管接卸台架可从吊杆平台向船底垂直移动为扬矿管接卸操作提供支承 作用。四根大柱型窄缘工字粱从船底直通吊杆平台，可用作台架的导承。扬矿管 的重量通过万向架传递到台架。在接卸扬矿管时，台架锁定与吊杆平台：在采矿 作业中，台架下放到水线。吊架与固定锁板的移动与定位以及传送作业顺序是由 固态电子设备进行控制，亦可用半自动控制和手动控制。为了防止操作偏差，可 配备电气联锁、机械联锁和液压联锁设各。 扬矿管搬运、升降与悬挂系统以停止传送一管节起吊的方式工作。在接卸或 回收中，扬矿管挂与固定锁板，二主升降机油缸回转是做另一升降工作。位于吊 轩下端附近的下滚柱定中导向装置可使吊杆轴线与扬矿管上部轴线大致重合，因 中南人学硕十学位论文第一章绪论 而避免或减小了因离心力作用产生的管子弯曲应力。一组或两组定中导向装置随 时连接着扬矿管，对上定中导向装置和下定中导向装置的“开 与“合进行自 动控制，以让管接头通过。 郜焕秋、益其乐等提出的水面支持船系统的方案设计中纵横摇补偿装置采用 万向悬架方案【2 3 1 ，在甲板上设2 5 m 高的万向悬架底座，底座开档尺寸为1 0 x 1 0 m ， 在底座顶面安装万向铰座。在万向铰底上面用4 0 只m 4 8 的螺栓连接安装两只缸 径为4 5 0 m m 的液压升降油缸，油缸行程为1 2 m 。在油缸内侧设置提升吊钩的导 向轨道。在万向铰底上面安装上部井架，底面尺寸为3 x 3r n ，用1 6 只m 4 8 螺栓 连接在万向铰座上，上部井架主要用作液压升降油缸的支撑，上部井架顶上安装 提升纹车，用于吊放扬矿管。在万向铰座的下面用1 6 只m 4 8 螺栓连接下部井架， 下部井架的两侧设置轭架导轨，升降油缸的活塞杆与轭架相连接，活塞杆的伸缩 可以带动轭架上下运动。在轨架上安装下卡箍，在万向铰底下面安装上卡箍以及 工作平台，在下部井架外面套装用液压油缸驱动伸缩的导向架，导向架的下端设 置导向轮兼作测力装置。 1 3 课题来源及研究的目的和意义 本课题为预研课题。 深海采矿和陆地采矿有很大的不同，在这一过程中船体浮在波动的洋面上， 集矿机却在深达几千米的海底采集矿料，船体在洋面上不可避免的要产生升沉和 纵、横摇运动。扬矿系统由于悬挂在采矿船的升沉平台上，受到采矿船的纵、横 摇运动、波浪、海流、采矿船的拖航作用以及集矿机行走的影响，使扬矿系统下 端偏离了原来的垂直位置，为避免扬矿管上端承受很大的弯曲应力，不致于产生 破损，使采矿系统能够安全地在大洋上进行采矿作业，必须设计出合理的纵横摇 补偿装置，使其随扬矿管能够作纵、横摇运动。换言之，如果没有合理的扬矿管 与升沉平台的纵横摇补偿装置就不可能在大洋上进行采矿作业，这是海洋特殊的 环境条件所决定的【2 6 - 2 8 】。 1 4 本文的研究内容及基本结构 本文以实现纵横摇补偿装置的纵、横摇运动为目的，提出了一种深海采矿系 统纵横摇补偿装置的设计方案，根据强度条件对纵横摇补偿装置的主要结构进行 了设计计算，利用有限元分析软件a n s y s 对内、外框架组件进行了模态分析及 静力学分析，并根据现有试验条件，对其设计理论进行了试验验证。 本文共分七章内容，论文的基本结构如下： 9 中南人学硕 ：学位论文 第一章绪论 第一章绪论。介绍课题的研究背景、课题的国内外研究现状、课题来源及 研究的目的意义以及本文的主要研究内容。 一 第二章纵横摇补偿装置的设计方案。介绍了纵横摇补偿装置的设计方案， 确定了内、外框架结构与纵、横摇轴的结构方案；对纵横摇补偿装置的轴承进行 了选择。 第三章纵横摇补偿装置的设计计算。对纵横摇补偿装置进行了受力分析， 着重对内、外框架组件进行了受力分析，以强度设计作为设计条件对内、外框架 结构以及纵、横摇轴等纵横摇补偿装置的主要结构进行了设计计算。 第四章纵横摇补偿装置的模态分析。利用有限元分析软件a n s y s 的动力 学分析模块，对外框架组件与内框架组件分别进行了模态分析。 第五章纵横摇补偿装置的静力学分析。利用有限元分析软件a n s y s 的结 构静力分析模块，对外框架组件与内框架组件分别进行了有限元静力学分析。 第六章试验验证。根据现有的试验条件，设计一个试验模型，通过试验验 证本文的建模方法与分析的正确性与可行性。 第七章全文总结。总结了本文所完成的主要工作，提出了纵横摇补偿装置 后续完善所要进行的工作。 1 0 中南人学硕t 学位论文第二章纵横摇补偿装置的设计方案 第二章纵横摇补偿装置的设计方案 2 1 纵横摇补偿装置的方案研究 在深海采矿的过程中，采矿船浮在波动的洋面上，集矿机却在深达几千米的 海底采集矿料，扬矿管上端与升沉平台联接，垂直悬挂在采矿船上。船体在洋面 上不可避免的要产生升、沉和纵、横摇运动，扬矿系统长度达几千米，由于海水 对它的阻尼作用以及海流对它的影响，不可能及时响应和船体同步运动，并且扬 矿系统在海水中也不允许有急剧的升、沉和纵、横摇运动。因此，必须研究设计 一套补偿上述运动的装置( 如图2 1 所示) ，即升、沉和纵、横摇运动补偿装置 来减缓采矿船的纵、横摇运动、波浪、海流、采矿船的拖航作用以及集矿机的行 走对扬矿系统的影响，使其影响达到扬矿系统允许的范围。升沉平台通过双油缸 悬吊装置可以对扬矿系统进行升沉补偿，以免扬矿管上端产生巨大的动态拉伸应 力，同时还有必要在升沉平台与扬矿管之间需要设计一个纵横摇补偿装置，来补 偿采矿船的纵、横摇运动、波浪、海流、采矿船的拖航作用以及集矿机的行走对 扬矿系统的影响，以免扬矿管上端产生巨大的弯曲应力。 图2 - l 升沉补偿系统简图 扬矿管与升沉平台的联接方式可考虑有三种：固接、球铰接与十字铰接。 1 固接 将扬矿管顶端与升沉平台固接( 如图2 2 所示) 。采用这种联接方式，扬矿 管顶端将与采矿船以相同的模式运动，这样，在采矿船的纵、横摇运动、波浪、 海流、采矿船的拖航作用以及集矿机的行走的影响下，扬矿管顶端将产生巨大的 弯曲变形，必将导致扬矿管产生破损。 2 球铰接 扬矿管顶端与升沉平台采用球铰接方式联接( 如图2 3 所示) ，可以避免扬矿 管上端产生过大的弯曲变形，当采矿船在纵摇、横摇和升沉运动时，扬矿系统在 中南人学硕十学位论文第二章纵横摇补偿装置的殴计方案 水下处于相对稳定的状态，但扬矿管在海流、涡流的作用下自身会发生转动，这 是深海采矿系统所不允许的，同时其在结构设计上也不太容易实现。 图2 2 固接方式图2 - 3 球铰接方式 3 十字铰接 采用十字铰接方式联接可以实现扬矿管在两个方向进行摆动，但不能绕自身 转动，符合采矿系统的要求。另外，可以对十字铰采取一定的措施( 通过锁紧装 置) 使其在不同的工况下处于不同的联接方式，即：在采矿和拖航时，可以保证 扬矿管与升沉平台处于铰接状态；在扬矿管布放和回收时，可以使扬矿管与升沉 平台固接。 基于对上述三种联接方式的比较以及十字铰接的特点，决定在扬矿管与升沉 平台之间采用十字铰接的联接方式，提出了一种“回 字形框架结构的纵横摇补 偿装置。该纵横摇补偿装置由外框架、内框架、夹紧梁、纵摇轴与横摇轴以及纵、 横摇轴承等几部分组成( 如图2 4 、图2 5 所示) 。外框架结构通过两侧的横摇轴 支撑在安装在升沉平台上的轴承座上，通过轴承使外框架可以绕x 轴摇动，来补 偿横摇运动。内框架结构通过两侧的纵摇轴与外框架连接，通过轴承可以绕y 轴摇动，来补偿横摇运动。夹紧梁支撑在内框架上，用来夹紧扬矿管，并将其吊 装在升沉补偿平台上。 图2 _ 4 纵横摇补偿装置设计方案图 1 2 中南人牛硕 - 忙论文第漳纵横摇补偿装簧的殴计方粜 囤2 4 纵横摇补偿装置实效圈 2 2 内、外框架的结构设计 内框架结构主要用来支撑央紧粱及其扬矿系统，并与外框架联接，绕纵摇轴 作纵摇运动，凼而其结构设计必须保证足够的强度和刚度，同时还要考虑其加工 工艺性等方面的要求。 醴计的内框架结构是一个由矩形截面的箱形粱组成的矩形框架，其中心设计 为空l i , 矩形结构的同的是为了能够从中下放扬矿管，同时在其两侧梁的中心加工 对轴孔是用柬插入一对纵摇轴与外框架进行连接，使其可以实现纵摇运动。 空- l i , 矩形截面具有较好的抗弯和抗扭的综合性能，外部和内部便于安装和固 定其他零件；其外部为垂直相交的平面，使人视觉感觉良好，加工工艺性也很良 好【4 ”。考虑到内框架结构的受力状况，本次设计的内框架结构决定采用空心矩 形截面，其基本结构如图2 6 所示。 图2 - 6 内框架结构图 巾南人学硕1 。学何论_ 安= 第一章纵横摇补偿装越的设计方，粜 外框架结构用来支撑内框架结构，通过横摇轴支撑在升沉平台上的轴承座 上，其设计同样需要保证足够的强度和刚度。因此，与内框架结构类似，设计的 外框架结构也采片j 由矩形截面的箱形梁组成的矩形框架，其基本结构如图2 7 所 示。在外框架结构的i i 轴上设计一对轴孔是用来插入纵摇轴与内框架结构进 行连接，其i i - i i 轴上设计一对轴孔是用来插入横摇轴与升沉平台上的轴承座之 问进行连接，这两对孔是相互垂直的每对轴孔都需要保证同轴度的要求。 图2 - 7 外框架结构图 2 3 纵、横摇轴的结构设计 纵、横摇轴是纵横摇补偿装置的重要零件。纵摇轴的作用是用来通过其连接 内框架结构与外框架结构，横摇轴的作用是用来通过其将外框架连接在轴承座 h 。 设计的纵摇轴的结构如图2 - 8 所示。在轴的一端设计了一个法兰，将法兰面 加工成全平面，在其上均布加工出8 个通孔，将其插入内框架两端的轴孔，通过 螺钉将纵摇轴的法兰端连接在内框架结构的内侧腹板上，目的是将轴进行周向及 轴向周定，同时在轴上设计一个轴肩用来对纵摇轴承进行轴向定位。 横摇轴的结构与纵摇轴基本类似，只是其尺寸参数有所不同。将其插入图 2 7 所示的i i i i 轴的轴孔，通过螺钉可以将其法兰端连接在外框架结构的内侧腹 板上。 t i 南人学硕i j 学位论文 第一章纵横摇补偿装置的破计方案 2 4 纵、横摇轴承的设计 2 4 l 纵、横摇轴承的选择 图2 - 8 纵摇轴结构图 法兰 通孔 轴扇 内框絮 轴承分两犬类：滚动轴承和滑动轴承。滚动轴承有很多优点，一般优先选用 滚动轴承。但滑动轴承也有其独到之处，如普通滑动轴承构造简单，制造方便、 成本低廉；在高速时滑动轴承比滚动轴承寿命长，运转平稳，对冲击和振动敏感 性小等，这些优点是滑动轴承在高速、重载、强冲击以及一些不重要的场合比滚 动轴承显得优越剐。 考虑到纵横摇补偿装簧的实际工况，横、纵摇轴承需要承受巨大的载荷与冲 击同时并不要求其具备很好的转动精度，所以本次设计决定使纵、横摇轴承均 采用滑动轴承。 根据润滑情况，滑动轴承分为液体滑动轴承和非液体滑动轴承两大类。液体 摩擦轴承又可分为液体动压轴承、液体静压轴承和液体动静压轴承。转速低或作 i i j 歇回转，奉身不形成液体摩擦的轴承属于非液体摩擦。精度要求不高和不甚重 要的轴承，电没有必要设计成液体摩擦轴承。通用瑷各中大量应用的还是非液体 摩擦轴承矧。 纵、横摇轴承在工作时只是作间歇的来回摆动，而且也不要求需要较高的转 速，同时也很难保证轴承在液体摩擦条什下工作，所以本次设计决定采用非液体 摩擦轴承。 中南人学硕 学位论文第二章纵横摇补偿装置的设计方案 2 4 2 轴承结构形式的选用 滑动轴承按承受的载荷可分为径向轴承、止推轴承以及径向一止推轴承三种 类型。 纵横摇补偿装置的纵、横摇轴承在工作中需要承受巨大的径向载荷以及较小 的轴向载荷，同时，考虑到内、外框架与纵、横摇轴之间的装配，设计的纵、横 摇轴承采用径向一止推轴承。其结构如图2 - 9 所示。采用该轴承结构可以利用轴 肩与轴套的端面止推，结构简单，润滑方便。 2 4 3 轴承组件的设计 图2 - 9 滑动轴承结构示意图 纵横摇补偿装置的滑动轴承还需要配制轴套以及滑动轴承座等其他组件。 对于纵摇滑动轴承，考虑到内、外框架之间的连接与布置，可以将一对轴套 分别安装在外框架结构的一对轴孔上( 如图2 1 0 所示) ，轴套的一端设计了一个 法兰凸缘用来轴向定位轴套，防止轴套相对外框架结构发生移动。同时，为了防 止轴套在工作中发生周向转动，特别在轴套的法兰凸缘上均布加工了8 个通孔， 通过螺钉可以将轴套联接在外框架结构内侧的腹板上。这样，将连接在内框架上 的纵摇轴插入外框架上的轴套中，作为径向滑动轴承，并通过纵摇轴上的轴肩与 轴套的凸缘实现定位与止推。 1 6 t p 南人学硕j 学位论文第章纵横 i ：补偿裴置的设计方案 外框架 法兰凸缘 轴套 通孔 图2 1 0 纵樯轴承结构图 横摇滑动轴承由轴承座、轴承盖、联接螺栓以及对外轴瓦等组成。对开轴瓦 的两端设计了凸缘用米实现其与轴承座的定位轴承座与轴承盖通过失紧螺栓夹 紧对开轴瓦，防i t 其周向转动。同时，在轴承座与轴承盖的贴合面上加工一对凸 台以便轴承座与轴承盖之f l | | 进行装配。这样，将横摇轴承座安装在刀沉平台上， 连接在外框架上的横摇轴可以插入轴承座的轴乩中，并通过横摇轴上的轴肩与轴 瓦的i n l 缘实现定位与止推。 横摇轴承的结构如图2 - l l 所示。 毋2 1 l 横摇轴承结构图 * 啭接螺拄 轴e 辅 中南人学硕十学位论文 第一二章纵横摇补偿装置的设计方案 2 5 其它装置的设计 在纵横摇补偿装置的工作中，还需要一套央紧装置。扬矿系统通过央紧装置 夹紧并悬吊在内框架结构上，央紧装置可以通过电传动或者液压传动来带动夹紧 梁实现其打开与夹紧。 同时，根据深海采矿系统的作业要求，在扬矿管进行布防与回收的时候，需 要将纵横摇补偿装置进行固定，以限制其纵、横摇的运动，所以需要设计一套锁 紧装置来固定和释放纵横摇补偿装置。 由于时间有限，本次设计主要是对内、外框架结构组成的万向节部分进行重 点研究与分析，而夹紧装置与锁紧装置将后续进行研究。 2 6 本章小结 本章主要介绍了纵横摇补偿装置的设计方案，确定了内、外框架结构与纵、 横摇轴的结构方案，对纵横摇补偿装置的轴承进行了选择与设计。 中南入学硕士学位论文 第三章纵横摇补偿装置的设计计算 第三章纵横摇补偿装置的设计计算 3 1 纵横摇补偿装置设计的边界条件 本次设计参照文献 5 3 】所设计的深海采矿系统扬矿管的尺寸和力学参数进 行设计。该深海采矿系统的扬矿管由钢管和水泵组成，钢管为a p i 标准管，全 长5 0 0 0 m ，分为四段，每一段壁厚不同，但外径相同，均为2 2 4 4 7 m m 。每一段 钢管由每节1 1 5 m 的管子通过法兰接头连接而成。分别在4 0 0 m 和8 0 0 m 水深处 各安装一个水泵，水泵的外径为6 0 0 r a m 。水泵周围布置4 根电缆，水泵电缆直 径为7 0 m m 。 扬矿系统在采矿过程中受到采矿船的纵、横摇运动、波浪、海流、采矿船的 拖航作用以及集矿机的行走的影响，而且其长达数千米，犹如一条缆绳，所以其 受力情况非常复杂。文献【5 3 中对5 0 0 0 m 深海采矿系统进行了运动和动力学计 算，分别求出了七种工况下扬矿管顶端的受力状况。 根据分析，本文取扬矿系统在最恶劣的工况( 即：升沉平台做升沉运动，幅 值2 5 m ，周期1 0 s ) 下的作用力来进行分析。此时，扬矿管顶端在各个方向的作 用力的大小为e = 6 8 7 k n 、f = 0 1 6 k n 、f = ，这些力直接作用在纵z 7 1 6 10 7 k n 横摇补偿装置上。 从扬矿管顶端的作用力大小可以看出，纵横摇补偿装置主要受z 向作用力， 其值远远大于x 向与y 向的作用力。通过分析可以得知，e 、f ，很小是因为扬 矿管上端的偏角很小。据有关资料记载，在实际采矿过程中，扬矿管顶端的偏移 角度仅有1 0 0 左右。这么小的偏移角度，在纵横摇补偿装置设计时完全可以按无 偏转来进行设计，即：相当于扬矿管处于垂直状态，内、外框架处于水平状态， 转动角度为o o 。 3 2 纵横摇补偿装置布置尺寸的确定 纵横摇补偿装置布置尺寸的确定需要的因素有：一方面需要保证扬矿管，提 升泵、电缆等扬矿系统的设备能够顺利的从内框架中下放与回收，另一方面需要 考虑升沉平台的尺寸参数使纵横摇补偿装置有足够的空间在升沉平台上进行布 置，同时还需要考虑内、外框架有足够的纵摇和横摇空间进行摇动。 综合考虑上述因素，确定了纵横摇补偿装置的布置尺寸。其布置尺寸如图 3 1 所示。 1 9 o 中南人学硕： ：学位论文 第二章纵横摇补偿装置的