（机械电子工程专业论文）软管滚筒驱动装置液压系统研究.pdf

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 rt h ed e g r e eo f m e n g r e s e a r c ho nf l e x i b l ep i p er e e ld r i v e d e v i c e h y d r au l i cs y s t e m c a n d i d a t e ：x ud a 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 r o f w a n gz h u o m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d e c e m b e r , 2 0 0 9 m a r c h ，2 0 1 0 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 i 一l ，r ， 厂 f 、 0 - 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，均己在文中以明确方式 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) ：1 ，耳巡 日期：2 口，口年3 月廿日 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( 留在授予学位后即可口在授予学位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) ：专孚近 日期： 2o 年了月j f 日 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 随着陆地石油储量的减少和对其需求量的增大，海洋石油开发越来越成 为未来石油开发的战略重点。软管滚筒铺设装置作为海洋输油软管铺设大型 设备之一，它的研制对我国海洋石油开采来说显得十分重要。本文针对海上 作业环境恶劣、可靠性要求高等特点，对软管滚筒驱动装置的相关技术进行 研究。 本文通过分析国外滚筒驱动装置的特点并考虑了实际铺管作业情况和工 作要求，提出一种具有可自行更换滚筒功能、既可独立进行浅水铺管又可与 张紧器配合深水铺管的滚筒驱动装置设计方案。根据工作要求设计了本体结 构方案、液压系统方案、电气控制系统方案。 考虑到铺管船受到波浪扰动的影响，对管道铺设时软管动力学进行模型 建立与仿真分析，在其仿真的基础上对波浪扰动下的滚筒驱动装置负载进行 计算。根据滚筒驱动装置负载条件对其关键部件进行了设计并采用有限元分 析法对其校核。 根据滚筒驱动装置设计要求和负载情况，对驱动部分进行设计和选型并 提出几种滚筒核心驱动部分液压方案。对滚筒驱动装置其他部分液压回路方 案进行拟定。根据工作要求并考虑可靠性，设计了液压系统总体回路并对其 液压元件进行了设计选型。 最后对变负载下的液压系统进行建模与仿真分析。为了保证滚筒恒转速 特性，在滚筒核心驱动部分液压系统仿真的基础上设计了滚筒速度反馈控制 系统。 关键词：软管铺设；滚筒驱动装置；液压系统；仿真分析；恒速控制 哈尔演t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er e d u c t i o no fo i lr e s e r v e si nl a n da n dt h ei n c r e a s i n gd e m a n df o ri t ， m a r i n eo i le x p l o i t a t i o nh a sb e c o m em o r ea n dm o r ep r e v a l e n ti nt h ef u t u r eo i l e x p l o i t a t i o n a so n eo ft h em a r i n eo i lf l e x i b l ep i p e - l a y i n ge q u i p m e n t ，t h er e s e a r c h o ft h er e e ld r i v ed e v i c ei sn e c e s s a r yf o ro u rc o n t u r y sd e e p w a t e ro i le x p l o i t a t i o n a c c o r d i n gt ot h er e l i a b i l i t yo ff l e x i b l ep i p e - l a y i n gu n d e rb a dw o r k i n gc o n d i t i o n ， t h et e c h n o l o g yo fr e e ld r i v es y s t e mw a sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r ak i n do fr e e ld r i v ed e v i c ew a sd e s i g n e db ya n a l y z i n gt h ei n t e r n a t i o n a lr e e l d r i v ed e v i c ea n dp i p e - l a y i n gw o r k i n gc o n d i t i o ni n t h i sp a p e r t h er e e ld r i v e d e v i c ec a nr e p l a c er e e lb yi t s e l f i tc a nl a yf l e x i b l ep i p ei n d e p e n d e n t l yi nt h e s h a l l o w so rw o r kw i t ht h et e n s i o n e ri nt h ed e e pw a t e r t h eb o d ys t r u c t u r e s c h e m e 、h y d r a u l i cs y s t e ms c h e m e 、e l e c t r i cs y s t e ms c h e m eo ft h er e e ld r i v ed e v i c e w a sd e s i g n e dr e s p e c t i v e l yi nt h i sa r t i c l e t h ed y n a m i c so ff l e x i b l ep i p el a y i n go p e r a t i o nw a sa n a l y z e db e c a u s ev e s s e l w a sd i s t u r b e db yt h ew a v ei nt h ew o r k i n go p e r a t i o n t h er e e ld r i v ed e v i c el o a d s u n d e rp i p el a y i n go p e r a t i o nw a sc a l c u l a t e db a s e do nt h ed y n a m i c sa n a l y s i so f f l e x i b l ep i p el a y i n go p e r a t i o n t h ek e yc o m p o n e n t so ft h er e e ld r i v es y s t e mw a s d e s i g n e da n dc a l i b r a t i o n a c c o r d i n gt od e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dl o a dc o n d i t i o n so f r e e ld r i v es y s t e m , i t sh y d r a u l i cs y s t e m 、h y d r a u l i cc o m p o n e n t sw a sd e s i g n e do r s e l e c t e d f i n a l l y , h y d r a u l i cs y s t e mm o d e lu n d e rt h ev a r i a b l el o a dw a se s t a b l i s h e da n d s i m u l a t e di nt h i sp a p e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw a sa n a l y z e d i no r d e rt oe n s u r e r e e lc o n s t a n ts p e e df e a t u r e ，r e e ls p e e dc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nt h e s i m u l a t i o n k e yw o r d s ：f l e x i b l ep i p e l a y i n g ；r e e l d r i v e d e v i c e ；h y d r a u l i cs y s t e m ； s i m u l a t i o na n a l y s i s ；c o n s t a n ts p e e dc o n t r o l 广 哈尔溟丁程大学硕_ 七学位论文 目录 第1 章绪论l 1 1 课题来源、目的及研究意义1 1 2 海洋输油管道铺设发展现状2 1 2 1 国内外铺管船发展概况2 1 2 2 海洋输油管道铺设方式2 1 3 滚筒驱动装置国内外现状4 1 3 1 软管储存装置分类4 1 3 2 国内简易滚筒驱动装置5 1 3 3 国外滚筒驱动装置6 1 3 4 国外各部分总结9 1 4 本论文的主要研究内容。l o 第2 章软管滚筒驱动装置总体设计1 l 2 1 引言1 l 2 2 软管驱动装置总体设计方案1 1 2 2 1 滚筒驱动装置基本技术要求1 1 2 2 2 滚筒驱动装置总体系统1 2 2 2 3 滚筒驱动装置驱动方式的选择1 4 2 2 4 滚筒驱动装置主体材料选择1 4 2 3 滚筒驱动装置本体结构1 5 2 - 3 1 滚筒驱动装置机构设计1 5 2 3 2 滚筒驱动装置机构铺管功能实现1 7 2 4 滚筒驱动装置液压系统1 8 2 4 1 滚筒驱动装置液压执行元件18 2 4 2 滚筒驱动装置液压系统形式19 2 4 3 滚筒驱动装置液压回路2 0 哈尔溟t 程大学硕十学位论文 2 5 滚筒驱动装置电气系统设计2 0 2 5 1 上位机控制系统2 l 2 5 2 下位机控制系统2 1 2 6 本章小结2 2 第3 章滚筒驱动装置工况分析与关键部件设计2 3 3 1 引言2 3 3 2 输油软管铺管过程动力学分析2 3 3 2 1 波浪扰动力作用下铺管船运动分析2 3 3 2 2 输油软管模型建立2 4 3 2 - 3 软管动力学仿真分析2 9 3 3 滚筒驱动装置工况分析3 0 3 3 1 滚筒核心驱动机构负载分析3 0 3 3 2 滚筒提升机构负载的分析3 2 3 3 3 其他部分的负载分析3 5 3 4 滚筒驱动装置关键部件设计校核3 6 3 4 1 机座横推导轨设计3 6 3 4 2 机座长度尺寸设计。3 9 3 4 3 液压缸连接件强度校核3 9 3 5 本章小结4 l 第4 章滚筒驱动装置液压系统设计4 2 4 1 引言4 2 4 2 液压驱动部分设计选型4 2 4 2 1 滚筒核心驱动部分传动系统设计4 2 4 2 2 滚筒提升液压缸的尺寸计算4 6 4 2 3 其他执行原件设计计算4 6 4 3 液压系统原理图拟定4 8 4 3 1 滚筒驱动装置液压系统方案分析4 8 哈尔滨t 程大学硕 。学位论文 4 3 2 滚筒驱动装置液压系统工作原理51 4 4 滚筒驱动装置液压元件选型5 4 4 4 1 主变量泵选型5 4 4 4 2 阀类及辅助原件选型5 5 4 5 本章小结5 6 第5 章液压系统仿真与控制系统设计5 7 5 1 引言5 7 5 2 核心驱动部分液压系统仿真5 7 5 2 1 核心驱动部分液压系统建模5 7 5 2 2 核心驱动部分液压系统仿真分析6 2 5 3 滚筒速度控制6 5 5 3 1 核心驱动部分控制系统设计6 5 5 3 2p i d 控制器设计一6 6 5 4 本章小结。6 8 结论6 9 参考文献7 1 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 5 致谢。7 6 哈尔演t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源、目的及研究意义 近年来，由于陆地石油储量的减少和对其需求量的变大，世界各国都把 海洋石油开发看成未来石油开发的战略重点。我国海域辽阔，近海海洋资源 储量十分丰富，但由于海洋资源开发技术投资高、风险大，与发达国家相比 我国海域的油气勘探程度和油气资源的探明和开发程度较低，仍有较大的油 气开发潜力【l 】。随着陆地油气资源的枯竭，海洋油气资源的开发将逐步成为 世界石油开发的主力，海洋经济在国民经济中所占的比例也会变得越来越大， 海洋油气资源合理开发对我国未来经济发展和国家建设将起到很大的作用 f l 】 o 海上油田开采出的油气只有少数通过储油船运送到陆地，大多数通过海 底输油管道输送至陆地上进行加工并使用【l 】，由此可以看出海底输油管道的 铺设是海上油气田开发工程中的一个重要组成部分。海底输油管道一般须采 用铺管船及相应的铺管设备进行铺设【1 1 。软管滚筒驱动装置正是海洋软管铺 设的必备大型设备，也是海洋软管铺设过程中保证可靠性与效率的重要条件 之一，对于它的研制是十分必要的。第一，从经济角度考虑，研究制造这样 一套设备将会产生很大的经济效益。这套设备的研制费用约需要几百万，但 深水软管铺设的利润非常大，与利润相比研制费用所占的比例很小。第二， 从科研技术角度来说，在研制过程中可以积累很多的相关技术和设计经验， 当具有自主知识产权的软管滚筒驱动装置研究成功后，可形成自主知识产权 的技术，在此基础上开发更多相关的专用设备，打破国外公司在油田开采领 域的技术垄断，使得我国在油田开采领域技术能接近世界先进水平。第三， 从应用前景上说，该装置除了可用于海底输油软管滚筒的驱动以外，还可用 于电缆、锚缆等滚筒的驱动，并且既可用于深水软管铺设施工，也可用于浅 水软管铺设施工，应用前景较为广阔。为此，中国海洋石油总公司开展了软 管滚筒驱动装置和铺设技术的研究。本课题来源于海洋石油工程股份有限公 司“深水软管滚筒驱动装置研制”项目。 哈尔演t 程大学硕士学位论文 1 2 海洋输油管道铺设发展现状 1 2 1 国内外铺管船发展概况 铺管船是海上石油开采工程中不 可缺少的管道铺设装备，它的上面搭 载着相应的管道铺设装置。国外一些 发达国家，海洋油气田开发时间早，技 术设备先进，铺管能力已经能够达到 3 0 0 0 m 2 1 。我国海洋石油开发较晚，技 术相对于发达国家有一定的差距。由 于设计建造铺管船的费用巨大，为了 最大限度的利用铺管船，我国目前主 要发展多功能的铺管船，但这同时也 图1 1 海洋石油2 0 2 号外观图 削弱了铺管船本身的铺管能力，限制了管道铺设的适用范剧2 1 。目前，我国 正加快向深海铺管的步伐，有多个船型正在设计和建造之中，2 0 0 9 年7 月， 国内首艘完全自主设计、建造的大型综合铺管起重船“海洋石油2 0 2 号”正式 交付。它的研发成功提高了我国海洋石油开发工程作业的能力，填补了我国 完全自主设计制造铺管船的空白。这为我国尽早进入世界海洋石油开发先进 行列打下了基础【2 】。 1 2 2 海洋输油管道铺设方式 目前国内外常用海洋输油管道铺设方式可分为三种，分别为s 法铺设、j 法铺设、滚筒铺设【3 1 ，下面分别对各方法进行介绍。 1 “s ”型管道铺设法 该方法为钢管与钢管之间由甲板上水平方向布置的焊接站焊接起来，焊 接后的钢管由张紧器通过托管架连续的送入水中。托管架拖住刚入水中的钢 管，使之弯曲的曲率半径很大而不至于弯曲超出弹性变形范围，而使钢管损 坏，如图1 2 所示，管道在水中的形状象s 型。“s ”型铺管法多用于较浅海域 输油钢管铺设。此铺设方法的优点为使用多个焊接站对钢管同时进行焊接， 2 哈尔演t 程大学硕士学位论文 生产效率高，钢管在铺设中无塑性变形，可铺设混凝土包层管。 2 j ”型管道铺设法 该方法为钢管与钢管之间由倾斜于甲板布置的专用自动焊机焊接起来， 焊接后的钢管通过张紧器连续送入水中从而实现了管道的铺设，倾斜角度由 管道铺设的具体工况而定。如图1 3 所示，管道在水中的形状象叮型。j ” 型铺管法多用于较深海域输油钢管铺设。此铺设方法的优点为不需要铺管架 或者只需要很小的铺管架，钢管在铺设中无塑性变形。由于受到焊机高度的 限制一般只有一个焊接站对钢管进行焊接，缺点为生产效率低。 ， 图1 2 “s ”型管道铺设法示意图图i 3 j ”型管道铺设法示意图 3 滚筒式铺管法 滚筒铺设法按滚筒布置的不同又分为直放置滚筒铺管法、水平放置滚筒 铺管法、多滚筒铺管法，下面对其工作原理进行说明。 a 垂直放置滚筒铺管法 如图1 4 所示，在岸上加工好的输油管缠绕在水平放置在铺管船的滚筒 上。铺管时，滚筒以一定速度旋转从而释放软管，张紧器为管道提供张力， 输油管通过较直装置进行矫直，最后通过铺管架进入水中。由于省去了船上 管道焊接的工序，此铺设方法的优点为铺管效率非常高，输油管在岸上加工， 质量较容易控制。此铺设方法的缺点为需要为输油管准备专用的滚筒，输油 管弯曲发生塑性变形，铺管时为配合输油管在滚筒上的升降，张紧器需水平 配合移动，当深水铺管时，需很长的铺管架。 b 水平放置滚筒铺管法 如图1 5 所示，多个缠满软管的滚筒放置在甲板上，滚筒由滚筒驱动 3 哈尔滨工程大学硕十学位论文 装置驱动旋转，垂直甲板的张紧器将软管送入水中，当滚筒上的软管放完 后，滚筒驱动装置移动到下一个滚筒位置继续进行管道铺设。此铺设方法 的优点为软管在弯曲的时候没有受到张力，滚筒安装相对方便。此铺设方法 的缺点为无法铺设钢管。 图1 4 垂直放置滚筒式铺管法示意图 co 多滚筒铺管法 如图1 6 所示，多个软管滚筒垂直放 置在铺管船上。铺管时，滚筒以一定速 度旋转从而释放软管，张紧器为管道提 供张力，输油管通过较直装置进行矫直， 最后通过铺管架进入水中。此铺设方法 的优点为铺管效率很高。由于多个滚筒 布置在甲板上，所以增加了铺管长度， 并且单个滚筒相对较小，软管运送到铺 图1 5 水平滚筒式铺管法示意图 图10 6 多滚筒铺管法示意图 管船的过程相对较为简单，且布置相对灵活。此铺设方法的缺点为需要为输 油管准备专用的滚筒，输油管弯曲发生塑性变形，无法铺设水泥包层管道。 1 3 滚筒驱动装置国内外现状 10 3 1 软管储存装置分类 输油软管大多采用滚筒存储方式，滚筒存储方式按滚筒储量、滚筒固定 方式、布置位置可分为多种类型。 4 哈尔滨t 程大掌硕十学位论文 按照滚筒储量不同可分为大储量、小储量。一般将储管重量高于5 0 0 t 视 为大储量( 如图1 7 ) ，低于5 0 0 t 视为小储量( 如图1 8 ) 。 按布置位置可分为甲板上布置( 如图1 8 、图1 9 、图1 1 0 ) 、甲板下布置 ( 如图1 7 ) 。按照固定方式不同可分为固定式、普通更换式、专用更换式。 固定式为将滚筒安装在其驱动装置上，滚筒与驱动装置不可分离( 如图1 7 、 图1 1 0 ) 。普通更换式为通过起重机械实现滚筒到驱动装置上的安装与分离 ( 如图1 9 ) 。专用更换式为通过驱动装置上专门机构来实现滚筒到驱动装置 上的安装与分离( 如图1 8 ) 【4 卅。 图1 7w e i i s t r e a m 软管存储装置图1 8p o l a r ( 删铺管船滚筒驱动系统 图1 9w e l l s u e a m 滚筒驱动系统图1 1 0m c d e r m o t t 滚筒驱动系统 1 3 2 国内简易滚筒驱动装置 图1 1 1 、图1 1 2 为国内目前使用的简易软管滚筒驱动装置。这种装置采 用滚筒法兰盘底部驱动，即用四个滚轮支持软管滚筒，其中两个滚轮为主动 驱动，电机驱动滚轮，依靠滚轮与滚筒法兰盘的摩擦带动滚筒旋转，从而释 5 哈尔溟t 程大学硕二l j 学位论文 放软管。这种滚筒驱动装置有如下缺点：由于滚筒转动靠摩擦进行传动，滚 筒对软管所提供的拉力较小。软管滚筒在滚轮上不稳定，在旋转过程中极易 走偏。另外在铺管船晃动较大时易出危险。滚筒旋转的控制能力很差，在软 管施放过程中，软管安全性小，不能进行软管的回收。简易装置不能白行更 换滚筒，这增加了海上作业时间。简易装置更换滚筒时需要较大的作业空间， 而铺管船上的空间有限，这给铺管作业增加了难度。 图1 1 1 简麟动装置安装现场图一 图1 1 2 简易驱动装置安装现场图二 1 3 3 国外滚筒驱动装置 国外r d s ( r e e ld r i v es y s t e m s ) 已产品化，主要有a q u a t i c 、s a s 等 通用型滚筒驱动系统研制公司，其它还有t e c h n i p 、h u i s m a n 等大型石油工 程开发公司。 1 机架2 底座3 轨道4 滚筒座5 滚筒 图1 1 3 典型滚筒驱动系统模型图 6 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 根据具体工作条件和类型的不同，r d s 会有一些差别，但r d s 的外观 和功能基本相近。如图1 1 3 为典型滚筒驱动装置结构，它由左右两侧构成， 其包括机架、底座、轨道。 下面分别介绍a q u a t i c 、s a s 滚筒驱动系统的性能与组成。 1 a q u a t i c 滚筒驱动系统【7 j 英国a q u a t i c 生产的滚筒驱动系统，其装置可以驱动c o f l e x i p ，n k t 、 w e l l s t r e a m 和a q u a t i c 不同直径的滚筒。如图1 1 6 所示，该滚筒驱动系统 可以安放在普通开式的船甲板上。软管驱动拉力为1 3 0 t ( o 5 r m i n ) 和4 6 t ( 1 r m i n ) ，最大滚筒重量为4 0 0 t 标准滚筒，宽度为5 - 6 米，直径为6 11 4 m 。 单侧驱动装置高约6 5 m ，宽约2 5 米。 隰j 毒 j z1 !j 7 ”鼍i ￥等? 疆囊! 群耆 邂i t 譬。巍 雾f i 锈耍 i瞳 陵蟹 科 蒯 匿 矗“ 婴“_ 恐。一 一量斟 i ， 蕊f 叠雾藤愚 i 溺黝缸翻瞄黪翰麟扩璎_ 匿j 【弦釜黔妙一 - 一 辨眵哗 目幽m -一 r i醉豳i 。j 口i 产。 tp 霄、。 嘲 一嗣 4 ii i 溺 融瞄 目隆嵋 i i 5 j ， 么r j 哈尔溟t 程大学硕十掌位论文 轨移动( 图1 1 4 6 ) ，核心驱动部分的升降由液压缸提供动力( 图1 1 4 5 ) 。 机架可沿安装在底座上的导轨移动( 图1 1 4 3 ) 。底座可沿安装在甲板上的导 轨移动，如图所示采用了双轨道的形式( 图1 1 4 - 4 ) 。 2 s a s 滚筒驱动系统【8 】 s a s 滚筒驱动系统可以驱动c o f l e x i p ，n k t 、w e l l s t r e a m 和a q u a t i c 不同 直径的滚筒，其工能与a q u a t i c 滚筒驱动系统相似。其可驱动最大滚筒重量为 3 5 0 t ，直径为9 5 m ，宽度为6 m 。可以在l r m i n 速度为软管提供2 0 0 k n 拉力。 如图1 1 7 所示，该图片为0 8 年7 月中旬挪威a c e r g y 公司在南海流花项目中 使用软管滚筒驱动装置进行软管的释放。 图1 1 5s a s 滚筒驱动系统部件说明图 s a s 滚筒驱动系统采用电液混合驱动方式，其核心驱动系统由电机驱动， 其他机构由液压驱动，机架主体由焊接钢构成。如图1 1 5 所示，核心驱动机 构可沿安装在机架上的导轨移动，核心驱动机构的升降由液压缸提供动力( 图 1 1 5 1 ) 。机架可沿安装在底座上的导轨移动，其动作由液压缸驱动( 图 1 1 5 4 ) 。底座可沿安装在甲板上的导轨移动( 图1 1 5 2 ) 。 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 图1 1 6 a q u a t i c 滚筒驱动系统作业图 图1 1 7s a s 滚筒驱动系统作业图 1 3 4 国外各部分总结 根据前一节的介绍，总结出国外滚筒驱动装置的性能和一些参数，如表 表3 2 所示。 表1 1 国外滚筒驱动系统产品特征对比 名称 a q u a t i c 、s a s 驱动方式 液压 复合 主要参数 主体材料钢板焊接钢板焊接 最大重量( t ) 4 0 03 5 0 直径范围( m ) 6 1 1 4 9 5 工作性能最大宽度( m ) 5 66 最大铺管速度( r m i n ) 11 最大拉力( k n ) 2 2 02 0 0 传动方式一级开式齿轮传动 未知 核心驱动机构 驱动元件径向液压马达电机 机构方式导轨导轨 滚筒提升机构 驱动元件液压缸液压缸 机构方式导轨导轨 侧推机构 驱动元件未知液压缸 机构方式导轨 导轨 行走机构 驱动元件未知未知 根据前一节的介绍，总结出国外滚筒驱动装置所具有的功能，如下所述： 1 软管滚筒驱动装置使用液压马达或电机驱动滚筒，可带一定扭力进行 顺时针和逆时针旋转，即软管可带一定张力进行施放和回收。 2 滚筒驱动装置可以通过调节滚筒提升机构来驱动不同型号的滚筒进行 9 哈尔溟t 程大学硕十学位论文 管道铺设。 3 深水滚筒驱动装置可在船甲板轨道上移动，当某个滚筒的软管铺设完 成后，只需移动滚筒驱动装置到下一个软管滚筒继续铺设软管，无须移动空 滚筒。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文的主要内容可概括为以下几个方面： 1 介绍了海洋管道铺设方法的国内外发展概况，阐述了管道滚筒驱动装 置的国内外研究和发展情况并对其特点进行了总结。 2 分析软管滚筒驱动系统总体方案。分别对滚筒驱动装置本体结构、液 压系统、电气控制系统进行方案设计。 3 建立软管动力学模型，仿真分析铺管过程中软管动力学性能并对各执 行机构负载受力进行分析计算。根据轨道受力确定底座结构的最小长度。对 滚筒提升液压缸连接件进行有限元分析。 4 根据各执行机构负载情况，对驱动部分进行设计和选型。提曲几种核 心驱动系统液压方案，对比各方案优缺点并从中选择较为了适合方案。通过 建立仿真模型，验证已建立的液压系统性能并对系统仿真结果进行分析。 5 设计滚筒恒转速控制系统，并对其控制效果进行仿真验证。 1 0 哈尔演t 狸大学硕 学位论文 第2 章软管滚筒驱动装置总体设计 2 1 引言 软管滚筒驱动装置工作环境特殊，属于海上作业，作业时间长、环境恶 劣，铺管船晃动。在这种特殊的环境下作业，对滚筒驱动装置的工作要求较 高，所以在设计和制造的过程中应充分考虑到这些因素，使设计出的滚筒驱 动装置工作安全可靠。 软管滚筒驱动装置是一个典型的机电液一体化系统。机构包括滚筒核心 驱动机构、滚筒提升机构、侧推机构、行走机构、底座提升机构等。其液压 系统从组成原理上讲，它主要由阀控系统、供油系统、各机构相应的执行回 路构成。 2 2 软管滚筒驱动装置总体设计方案 软管滚筒驱动装置的设计可分为本体结构设计、液压驱动系统设计、控 制系统设计。机构设计包括各部分机构设计、机械传动系统设计、关键构件 的设计及其它们的校核。液压系统设计根据实际工况，从经济性、可靠性入 手对液压系统进行设计，并对液压元件进行选型，通过仿真验证系统的可行 性。为满足实际工作要求，需对电控系统进行设计，本文采用传感器、p l c 、 电液比例阀构成反馈对滚筒速度进行控制，其他各执行机构的动作也通过 p l c 统一控制。 2 2 1 滚筒驱动装置基本技术要求 滚筒驱动装置的基本技术要求主要有功能要求、使用性能要求、可靠性 要求、工况适应性要求等。 1 功能要求 软管驱动装置设计用于海洋软管铺设，具有两种作业方法，分别为深水 铺设和浅水铺设。当进行深水管道铺设时，滚筒驱动装置与张紧器配合，为 张紧器输送软管。当铺设浅水时，滚筒驱动装置可直接用来进行管道铺设。 哈尔溟t 程大学坝士掌位论文 滚筒驱动驱动装置可以完成管道铺设作业和管道回收作业。 滚筒驱动装置具备手动和自动两种操作方式。手动操作方式时，操作者 可根据经验手动操纵滚筒驱动装置来实现放管和收管。自动操作方式时，可 以给定的工作参数进行收管和放管。当滚筒驱动装置以自动方式作业时，可 以按要求实现滚筒恒速和软管恒张力两种作业功能( 一般在直接用滚筒驱动 装置铺管作业时，需达到滚筒恒转速要求，在与张紧器配合使用时，需达到 软管恒张力要求) 。 滚筒驱动装置可以驱动不同型号的滚筒进行管道铺设。 滚筒驱动装置还具备自动更换滚筒功能。软管滚筒驱动装置可将软管滚 筒提升并离开船甲板，从而驱动滚筒旋转。此外软管驱动装置还具备在轨道 上行走的功能。 2 使用性能要求 铺管速度： l r m i n ( 可在该速度内无级变速) ： 滚筒张力： l o t ( 可在该范围内设定吨位) ； 滚筒最大直径：s 1 1 4 m ： - 滚筒最大重量： _ 3 5 0 t 。 3 可靠性要求 由于滚筒驱动装置工作环境恶劣，当发生故障时，维修较困难，且出现 事故时造成损失相对较大，所以对其可靠性有下列要求。 具有液压系统超压保护、超温保护、超载保护； 具有关键元件冗余； 具有与电控系统配合可实现电液联锁保护。 4 工况适应性要求 用于海上工程施工，4 级海况条件下作业( 波浪典型周期为6 s ，浪高2 m 以下，船舶横倾3 度、纵倾2 度) ，此海况下软管滚筒驱动装置能持续正常运 转【9 1 。 2 2 2 滚筒驱动装置总体系统 目前国内软管滚筒驱动装置的研制尚处空白，正在使用的驱动装置或是 从国外进口或采用简易的驱动设备。本文所研究的软管滚筒驱动系统在充分 1 2 哈尔滨1 = 程大学硕十学位论文 参考国外相关产品的基础上，根据国内实际铺管作业情况进行的设计，采用 全液压驱动，电液比例调速控制。滚筒驱动装置总体系统结构如图2 1 所示。 囤 l 塑塑婴塑j 图2 1 滚筒驱动装置总体系统图 系统主要由五大部分组成，包括滚筒驱动装置主体、电控箱、阀箱、液 压源、控制操作台。 1 驱动装置主体为机液一体化装置，其由多个液压执行装置来驱动各机 构的动作，从而实现铺管作业，其核心驱动部分负责滚筒的旋转【1 0 1 。 2 电控箱主要由下位机p l c 和其驱动电路系统组成，负责接收滚筒驱动 装置传感器的反馈信号，实现液压动力的控制和分配、控制信号的通信处理 及电源的分配供给】。 3 阀箱内安装有各执行元件的控制阀块，阀块集成了电液比例阀、单向 阀、换向阀，装置各液压执行元件控制通过其控制【1 0 1 。 4 液压源用于为装置本体提供液压动力，液压执行元件将油源提供的液 压能转化为机械能，为装置本体各部分的动作提供动力，装置的液压油源压 力为2 8 m p a 1 0 1 。 5 控制操作台是操作者与驱动装置的交互窗口，一方面操作者接受各装 置传回的状态信息，另一方面操作者通过控制操作台对驱动装置的动作进行 操俐1 0 】【l l 】。控制操作台与上位机内部p l c 通过r s 4 8 5 数据线连接，操作者 的操作指令再由上位机传送到电控箱，再通过电控箱对阀箱的控制从而实现 驱动装置的控制功能。 1 3 哈尔滨1 二程大学硕十学位论文 2 2 3 滚筒驱动装置驱动方式的选择 滚筒驱动装置按驱动方式分为液压驱动、电机驱动两种基本类型，根据 需要也可将这两种类型组合成复合驱动系统。 液压传动优点为传动平稳、质量轻体积小、承载能力大、易于实现过载 保护、元件使用寿命长、容易实现无级调速、液压系统与电气控制相结合便 于实现自动化。但液压传动也有一些缺点，如油液容易污染、液压元件成本 较高、维护困难。 电动驱动系统是利用电机产生的力矩来驱动相关机构动作。滚筒驱动装 置属于重型机械装置，要求驱动力矩和驱动功率较大，所以应采用交流异步 电机驱动系统作为驱动源。三相异步电机由于结构简单、运行可靠、价格便 宜，得到了广泛的应用，但是由于它的调速性能较差【1 2 1 。随着变频调速技术的 发展，变频调速控制的三项异步电机也越来越得到了广泛的应用【l 2 1 。 综上所述，就本文所研究的软管滚筒驱动装置而言，其作业环境在水面 铺管船甲板上，要求可靠性高、负载较大且调速范围大，液压驱动相比之下 更能较好满足工作要求。在参考国外产品基础上并考虑实际情况，最终采用 液压驱动方式。 2 2 4 滚筒驱动装置主体材料选择 滚筒驱动装置的材料应根据其实际工作状况来进行选择，并满足滚筒驱 动装置的设计和加工要求。从设计角度出发，滚筒驱动装置的机架起到支撑 核心驱动部分与滚筒的作用，它是装置的主体部分，材料用量大，承受载荷 高，因此，对材料的要求是便于加工、价格低、满足强度。对于执行机构它 直接承受负载，如核心驱动机构处导轨、加紧机构、滚筒提升液压缸连接件 等，这些应根据具体的负载来选择符合其各项要求的材料。总之，选择滚筒 驱动装置的材料时，要综合考虑材料的密度、强度、刚度、工艺性及价格等 多方面斟1 0 1 。下面对机架材料进行选择，其他机构材料按照具体所受载荷和 工作要求来选择。 机架主要分为铸造机架和焊接机架，从本文所研究的软管滚筒驱动系统 来看，机架初步设计高约8 m ，属大型机架，且承受载荷较大。在参考机械设 1 4 哈尔演t 程大学硕1 ：学位论文 计手册、国外产品基础上并考虑实际情况，最终采用钢板焊接加工机架本体 结构。 2 3 滚简驱动装置本体结构 软管驱动装置分为相互独立运动的两部分，每个驱动装置设计高约8 米。 两部分分别可在导轨上移动，由于共用油源和控制阀组，受到管线的限制， 所以左右驱动装置相隔距离受到限制。滚筒上缠绕有软管，滚筒直径分为多 种型号，最大的直径为1 1 米，重量可达3 5 0 吨。在未作业时滚筒放在滚筒支 座上。当铺管时滚筒被软管驱动装置提升离开甲板并以一定速度放入水中， 实现铺管作业。 2 3 1 滚筒驱动装置机构设计 滚筒驱动装置本体主要由左右相同两部分构成，每部分包括机架、底座、 轨道，其上面布置有各动作机构。各机构包含关系如下： 滚筒驱动装置 左部分 机架 鎏暑篓筹蓑君机构 底座 轨道 侧推机构 底座提升机构 行走机构 夹紧机构 右部分同左部分 滚筒驱动装置结构如图2 2 所示，装置通过核心驱动机构的转动、滚筒 提升机构的升降与横移、侧推机构的横移、底座提升机构的升降、行走机构 的转动等连续动作来完成铺管作业。下面对本体结构各部进行说明。其关键 部件的具体分析设计在将下一章进行。 1 5 哈尔演t 程大学硕士学位论文 2 3 1 核心驱动机构2 滚筒提升机构3 侧推机构 4 底座提升机构5 夹紧机构6 行走机构 图2 2 滚筒驱动装置结构图 1 滚筒核心驱动机构 滚筒核心驱动机构驱动滚筒以一定速度或一定软管张力转动来完成软管 的释放和回收，其由液压马达驱动通过减速器进行减速。它与机架之间由导 轨连接。滚筒核心驱动机构可沿导轨上下移动，以适应不同滚筒半径，并提 升滚筒离开甲板。 2 滚筒提升机构 滚筒提升机构安装在机架上，负责核心驱动机构沿导轨上下运动，在滚 筒转动时起到支撑滚筒的作用。 3 侧推机构 侧推机构安装在底座上，它驱动机架沿底座上的导轨移动，从而实现滚 筒与核心驱动装置的连接与分离。它与滚筒提升机构共同动作来实现滚筒的 安装与拆卸，导轨摩擦力为其铺管作业时侧推机构进行锁紧。 4 底座提升机构 底座提升机构安装在底座上，其由四个液压缸驱动，从而实现底座在轨 道上的起落。它与行走机构配合完成底座沿安装在甲板上轨道的移动。 5 夹紧机构 加紧机构安装在底座上，其由四个加紧缸启动，从而实现底座与轨道的 1 6 哈尔溟- t 程大学硕十学位论文 加紧，以防止铺管作业时，滚筒驱动装置发生倾覆。 6 行走机构 行走机构安装在底座上，其上面装有四个可转动的滚轮，可实现底座沿 甲板上轨道的移动。滚轮由液压马达驱动，当底座移动到指定位置后，底座 下降到行走轨道上，加紧机构对行走轨道与底座接触面进行加紧，这样实现 了滚筒驱动装置在轨道上的固定。 2 3 2 滚筒驱动装置机构铺管功能实现 从滚筒上软管的铺设作业到下一个滚筒的铺设为一个循环过程，其包括 多个机构的动作，滚筒驱动装置铺管具体过程如下所示。 图2 3 滚筒驱动装置铺管过程示意图 1 滚筒上的软管己空，滚筒驱动机构减速并停止。 2 滚筒提升机构沿导轨( 方向a ) 放下滚筒，滚筒落在滚筒支座上，侧推 机构驱动左右机架沿导轨( 方向b ) 相对方向移动从而使滚筒与驱动装置分 1 7 哈尔演t 程大学硕十学位论文 离。 3 夹紧机构打开，机架底座由机架提升机构驱动离开轨道( 方向c ) ，两 机架由行走机构带动沿轨道上( 方向d ) 分别水平移动。 4 机架移动到下一个滚筒处，机架底座落下，加紧装置加紧底座。侧推 液压缸驱动驱动装置移动使滚筒与驱动装置连接，提升液压缸提升滚筒到指 定高度后，滚筒旋转继续进行铺管施工。 2 4 滚筒驱动装置液压系统 2 4 1 滚筒驱动装置液压执行元件 液压执行元件为滚筒驱动装置的动作提供动力，如图2 4 所示，滚筒驱 动装置执行元件有滚筒驱动液压马达、提升液压缸、侧推液压缸、行走马达、 夹紧液压缸、机架提升缸。 2 3 4 5 1 滚筒驱动液压马达2 提升液压缸3 侧推液压缸 4 底座提升缸5 夹紧液压缸6 行走马达 图2 4 滚筒驱动装置执行元件布置图 下面分别对各动作机构执行元件进行介绍。 1 8 6 哈尔滨t 程大学硕十学