（机械电子工程专业论文）软管滚筒驱动装置设计与研究.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 fm e n g d e s i g na n d r e s e a r c ho n f l e x i b l ep i p er e e ld r i v es y s t e m s 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 f0 r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： w a n gs o n g p r o f c h e nk a i y u n 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 l e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 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 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、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 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挚。 作者( 签字) ：讶7 日期：询口年聊 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( 晚授予学位后即可 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c 签字，：乏别歹 日期：彬柚年弓月日 聊( 签字) 粥 硼lo 年弓只 归 k 等 水软管滚筒驱动装置研制”课题。本论文的主要工作是通过对国外相关技术 的深入分析与研究，完成软管滚筒驱动装置总体设计。 通过对目前世界上广泛使用的软管铺设方法和铺设装备进行归纳，了解 其优缺点，介绍软管滚筒驱动装置国内外发展现状，研究国外软管滚筒驱动 装置基本工作原理，根据技术要求提出软管滚筒驱动装置的总体设计方案， 并对机械本体进行结构设计，建立了机具的三维结构模型，以验证结构设计 的可行性。 对软管滚筒驱动装置关键结构进行研究分析，包括对软管力学特性的分 析和对锁紧机构进行运动学仿真分析等。对软管滚筒驱动装置关键零部件进 行有限元分析，包括对重载齿轮间的啮合做动态接触应力分析和对其它重要 零件进行了强度校核，确保结构设计的可靠性。 论文最后在软管滚筒驱动装置结构设计的基础上，对液压系统和控制系 统进行设计，建立了液压原理图，设计以可编程序逻辑控制器作为主控制系 统，以上下位机辅助控制的软管滚筒驱动装置控制系统。 关键词：软管铺设；软管滚筒驱动装置；重载齿轮；液压控制系统 一铲 哈尔滨丁程大学硕士学伊论文 a bs t r a c t f l e x i b l ep i p er e e l d r i v es y s t e m s ( f p r d s ) ，o n eo ft h em o s te s s e n t i a l e q u i p m e n t si no f f s h o r eo i le x p l o r a t i o na r e a ，i su s e dt od r i v ef l e x i b l ep i p er e e lf o r t h ep u r p o s eo fr e l e a s i n ga n dr e c y c l i n gh o s e t h er e s e a r c hs u b j e c to r i g i n a t e sf r o m t h ep r o j e c to fc o o e c “r e s e a r c ho nf p r d s i nd e e p w a t e r t h i st h e s i sf o c u s e so l l t h eo v e r a l ld e s i g no ff p r d st h r o u g ht h ei n d e p t ha n a l y s i sa n dr e s e a r c ho n f o r e i g n - r e l a t e dt e c h n o l o g y w i d e l yu s e dm e t h o d sa n de q u i p m e n t so f h o s el a y i n g ，t h ef e a t u r e so ff p r d s i nt h ew o r l da r es u m m a r i z e di n t h i sp a p e r t h eg e n e r a ls c h e m eo ft h ea f a ti s i n t r o d u c e da c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r ei sa l s o d e s i g n e da n dt h et h r e e d i m e n s i o n a ls t r u c t u r em o d e l i se s t a b l i s h e d ，t h u sv e d f yt h e f e a s i b i l i t yo fs t r u c t u r a ld e s i g n t h ek e ys t r u c t u r e so ff p r d sa r es t u d i e di n c l u d i n gr e s e a r c ho nt h ef l e x i b l e p i p em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o no ft h ec l a m p i n g m e c h a n i s mc o m p l e t e d t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fe a c hi m p o r t a n tp a r ti s p e r f o r m e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e d y n a m i cc o n t a c to fg e a rp a i r i se m u l a t e da n dt h es t r e n g t ho ft h eo t h e rm a i np a r t so ft h ef p r d sa r ec h e c k e dt o e n s u r et h er e l i a b i l i t yo fs t r u c t u r a ld e s i g n f i n a l l y , o nt h eb a s i so ft h es t r u c t u r a ld e s i g n ，t h eh y d r a u l i ca n dc o n t r o l l i n g s y s t e mo ff p r d sa r er e s e a r c h e da n da n a l y z e d ，h y d r a u l i cc i r c u i to ff p r d si s e s t a b l i s h e da n dc o n t r o l l i n g s y s t e mo fp l c i s a d o p t e d u p p e r a n dl o w e r c o m p u t e r - a s s i s t e dc o n t r o li sa l s ou s e di nt h ec o n t r o l l i n gs y s t e m o ff p r d s k e yw o r d s ：f l e x i b l ep i p el a y i n g ；f l e x i b l ep i p er e e ld r i v es y s t e m s ；h e a v y 。d u t y g e a r ；h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m 、 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论l 1 1 引言1 1 2 课题的来源及意义2 1 3 海洋软管铺设国内外发展概况3 1 3 1 海洋软管铺设方法一4 1 3 2 海洋软管铺设装备”6 1 4 软管滚筒驱动装置国内外发展概况9 1 4 1 软管滚筒驱动装置国外发展概况9 1 4 2 软管滚筒驱动装置国内发展概况1 l 1 5 论文研究的主要内容1 2 第2 章软管滚筒驱动装置总体方案1 3 2 r 软管滚筒驱动装置设计条件”1 3 2 1 1 设计依据1 3 2 1 2 设计条件1 3 2 2 软管滚筒驱动装置总体方案“1 8 2 2 1 软管滚筒驱动装置工作原理18 2 2 2 软管滚筒驱动装置结构方案的确定2 1 2 2 3 总体方案研究2 4 2 2 4 设计技术参数2 5 2 3 本章小结一2 5 第3 章软管滚筒驱动装置结构的研究2 6 3 1 引言“2 6 3 2 核心驱动装置”2 6 3 2 1 核心驱动装置的组成2 6 3 2 2 驱动力矩的确定2 7 3 2 3 行星齿轮减速器2 9 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 3 2 4 重载齿轮减速器2 9 3 3 锁紧机构3 l 3 3 1 锁紧机构的组成3 l 3 - 3 2 夹紧力的计算3 2 3 3 3 锁紧机构运动学仿真分析3 4 3 4 行走机构3 7 3 4 1 行走机构的组成3 7 3 4 2 行走机构的力学计算3 8 3 5 顶升机构与对接机构”4 0 3 5 1 顶升液压缸选型4 0 3 5 2 对接液压缸选型4 2 3 6 本章小结”4 2 第4 章有限元软件辅助分析- 4 3 4 1 引言一4 3 4 2 齿轮副鲍动态接触应力分析4 3 4 2 1a n s y s l s d y n a 软件介绍4 3 4 2 2 齿轮副动态接触应力分析4 4 4 3 其他零部件强度分析一5 0 4 3 1 驱动支架强度分析5 0 4 3 2 车轮轴承座强度分析5 2 4 3 3 驱动盘与滚筒接触分析5 3 4 4 本章小结”5 6 第5 章软管滚筒驱动装置的液压控制系统5 7 5 1 引言一5 7 5 2 液压系统的研究与设计5 7 5 2 1 液压系统的基本原理5 7 5 2 2 恒张力控制阶段分析6 1 5 3 控制系统的研究与设计”6 2 5 3 1 控制系统方案的研究6 2 5 3 2 主控制系统的设计6 3 c ， “ i i i 哈尔滨工稃大学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 能源问题己成为世界各国社会发展和经济发展过程中的首要问题。随着 全球社会和科技的进步，人类对能源的需求在不断的膨胀，世界各国对能源 的争夺日趋激烈。根据b p 世界能源统计2 0 0 8 ) ) 的数据资料，在过去的3 0 年里世界能源消费量年均增长率为1 8 左右。美国能源信息署最新预测，到 2 0 1 0 年时，全球能源的需求量将在1 0 5 9 9 亿吨油当量左右，到2 0 2 0 年时， 需求量将会增长到1 2 8 8 9 亿吨油当量左右1 。 然而，陆上大型油田却在日益枯竭，国际能源署最近对全球8 0 0 多处陆上 主要油田所做的评估显示，多数大油田已过产油高峰期。能源问题将经成为 制约2 1 世纪世界经济发展的重大瓶颈口1 。于是人们逐渐将目光投向海洋，因 为那里蕴藏着更为丰富的油气资源。目前，海上油气资源正成为世界各国竞 相开发的热点，我国在海洋石油开发领域也从未停下过前进的脚步，中海油 作为我国海上石油开发的主力军，公司计划到2 0 1 0 年，实现最高产量约7 5 0 0 万吨油当量，为了实现这一目标，中海油不断加大装备投入，计划投资1 0 0 亿元打造深海石油开发专用设备。中海油的一揽子计划包括在未来几年内， 陆续建造包括深水钻井船、深水铺管起重船在内的多种深水作业大型装备， 并建设自己的深水实验室和深水作业船队p 1 。深水软管滚筒驱动装置是深海 以及浅海石油开发中必不可少的装备，因此被列为研制开发的装备计划之中。 由于海洋软管具有挠性大、易安装和可回收再利用的特点，所以在海上 油气输送中应用广泛，它的用途如下【4 1 ： 在海上石油生产平台和油轮间进行原油输送； 代替立管和膨胀弯，以解决立管安装及管道过大的热膨胀问题； 代替普通钢管，铺设在海床不稳定区域，例如，冲刷区和沉降区等； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 利用挠性软管可回收重复再利用的特点，在油田试采的输送管道中使 用，短期开采后，还可以在另油田中使用。 正因为如此，随着我国海洋石油开采量的逐年增加，海洋输油软管的铺 设任务也会越来越多，因此，设计出一套高效率、高可靠性的深水软管滚筒 驱动装置显得尤为重要。 1 2 课题的来源及意义 本课题来源于中国海洋石油工程股份有限公司的科研项目“深水软管滚 筒驱动装置研制 课题。该课题的主要研究目标是：通过对国内外软管铺设 方法和软管滚筒驱动装置现状的研究，以及对软管滚筒驱动装置实际作业环 境和工作状况的分析，研制出具有我国自主知识产权的软管滚筒驱动装置， 填补国内技术空白。 在进行软管铺设作业过程中，特别是在使用专用动力定位船进行深水长 距离软管铺设作业时，必须使用深水软管滚筒驱动装置。由于目前我国没有 研制出该项设备，所以在进行海洋软管铺设任务时，还要向国外公司租用设 备，雇佣外方操作人员，费用极其高昂，例如，在2 0 0 8 年7 月，a c e r g y 公 司在我国进行的流花软管铺设工程，工期只有一个月，而合同额却高达2 0 0 0 万美元。面对深水软管铺设技术被国外公司垄断的局面，急需设计出一套具 有自主知识产权的软管滚筒驱动装置，打破国外技术壁垒，为我国海洋油气 田的勘探开发提供技术支撑，实现我国深海油气勘探开发技术的跨越式发展。 本课题的研究意义可归纳如下： ( 1 ) 在技术开发价值上 深水滚筒驱动装置的研制成功，可大幅提高工作效率和施工的安全性。 由于海上施工成本巨大，效率的提高会有效减少海上施工作业时间，从而大 大降低海上施工成本。 ( 2 ) 在经济效益上 使用具有自主知识产权的软管滚筒驱动装置，施工费用和安装成本可大 2 哈尔滨工程大学硕十学何论文 幅降低，同时将该套设备出租给国外石油公司，也会带来巨大的利润，由此 产生的经济效益不言而喻。 ( 3 ) 在操作人员上 当我国的深水软管滚筒驱动装置研制成功后，可以由此培训出大量的国 内操作人员，这样既节省开支，又可有效地保证海上施工。 ( 4 ) 在推广应用前景上 该装置不仅可应用于软管滚筒的驱动，还可应用于电缆、钢缆、锚缆等 的滚筒驱动，不仅可用于深水施工，也可用于浅水施工，应用前景十分广阔。 1 3 海洋软管铺设国内外发展概况 海洋输油软管主要用于在石油生 产平台和油轮相互之间输送原油以及 代替普通钢管，铺设在海床不稳定区 域，解决了许多依靠常规作业技术和方 式难以解决的问题，被誉为“万能作业 装备”。输油软管通常盘卷在软管滚筒 之上，如图1 1 所示p 1 。目前全球大型 的海洋石油输油软管及软管滚筒的生 产厂家有3 家，分别是美国的 w e l l s t r e a m 公司、法国的c o f l e x i p 公司 和荷兰的p i p e l i f e 公司。滚筒的各项参 数现己标准化，滚筒法兰盘直径在2 5 图1 1 输油软管及软管滚筒 米到1 1 4 米之间不等，缠满软管的滚筒的重量最小为2 5 吨，最大为3 7 5 吨。 输油软管的结构包括内互锁钢骨、抗压塑料层、交织抗拉层、中间塑料 层、热绝缘层和外塑料层等部分旧，如图1 2 所示。软管的这种特殊结构使得 它具有耐高压、耐低温和高强度的特性。 立式滚筒式和自行组合式几种。 1 、卷盘式 如图1 3 所示，卷盘式铺管法 是事先在陆地预制场地上将软管 盘卷在专用大卷盘上，吊装到铺 管船进行铺设施工的方法。 该方法是2 0 世纪末开始发展 起来的种新型的铺管方法，这 种方法铺管效率高，铺管费用低， 既能铺设软管( f l e x i b l ep i p e ) 又能 铺设硬管( ( r i g i dp i p e ) ，适合于深水 怂， “、7 一 ：寸0 j 曩j 誓o 。t ：i ；：o 一】j 图1 3 卷盘式软管铺设方法 区域的管道铺设。由于上述该方法特殊的优点而受到许多铺管作业商的青睐， 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 在挪威、美国和英国等国家应用尤其广泛。目前，这些国家己经拥有多艘可 以进行卷盘式铺管作业的专用船只，担当了世界上大部分的卷盘式铺管作业 任务用。 大卷盘的直径在2 0 米左右，一旦卷满了软管之后重量可达近千吨，如果 缺少相应的起重设备会给卷盘的搬运带来一定的困难。因此，在考虑使用该 方法时，必须清楚卷管作业是在陆地预制场上还是铺管船上进行。如果相应 的作业程序在铺管船上进行，铺管船就必须处于停泊状态，否则，就必须提 供一座大型起重机和充足的辅助设备来搬运卷满软管的滚筒伟。叼。 2 、卧式滚筒式 如图1 4 所示为卧式滚筒式铺 设方法，是专为软管铺设设计的方 法，输油软管盘绕在软管滚筒上， 滚筒直径在6 1 1 米不等，铺管船 可根据作业情况及铺管船甲板面 积大小一次放置2 5 个滚筒。 卧式滚筒式铺设方法与卷盘 式铺管法类似，区别在于卷盘式只 有一个卷盘，直径在2 0 米左右， 一氚 j ；厂_ j 7 【， 力 j ：；：。：、：j0 ：- 、： ：j ：j ，：j j 一，：_ = ： ：i? ：一j 一- 图1 4 卧式滚筒式软管铺设方法 即可盘卷软管又可以盘卷钢管，而滚筒式铺设方法用到的滚筒直径在1 1 米以 内，只能用来盘卷曲率半径相对较小的软管。 3 、立式滚筒式 该方法被广泛的用于软管铺设。与前两种方法类似，都是先将软管盘好 然后将滚筒吊装到船上进行铺设，不同点在于这种方法需要在船头加装一个 长约1 0 0 米的托管架，防止软管在入水过程中由于过度弯曲而破损，图1 5 所示为立式滚筒法示意图。 4 、自行组合式 根据现场作业环境和设备的允许使用情况，并综合上述几种方法的优点， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可自行组合相关设备进行作业。例如，在浅海域内进行铺管施工时，从甲板 到海底这段软管在水中的重量不是很大，滚筒驱动装置完全能够承受，可以 不使用张紧器而直接采用滚筒驱动装置施放软管的方法进行铺设，在船尾部 放置托管架防止软管弯曲破损，这种方法简单而又有效，如图1 6 所示。本 文所讨论的滚筒驱动装置就是第二种和第四种方法中所要使用到的设备。 图1 5 立式滚筒式软管铺设方法 图1 6 自行组合式软管铺设方法 1 3 2 海洋软管铺设装备 软管的铺设在铺管船上完成，铺管船上装备有各种软管铺设专用设备， 例如：张紧器、管道拉直器、管道收放绞车、软管滚筒、软管滚筒驱动装置、 支撑滚轮、舷吊、托管架和定位设备等2 1 ，下面对将其中经常要用到的装备 6 图1 7 张紧器图1 8 立式软管滚筒 2 、立式软管滚筒 如图1 8 所示为正在进行铺管作业的立式软管滚筒，立式滚筒的直径在 2 0 米左右，根据船上的实际条件，可将立式滚筒放于甲板上面或者下面，根 据空间大小可放置一到两个。立式软管滚筒体积庞大，只能在专业的大型铺 管船上使用，向立式滚筒上卷管要在陆地上完成，并且要为此准备出一块面 积很大的专用场地，这些因素都限制了它的使用。 3 、软管卷盘 软管卷盘的直径在2 0 米以上，可一次盘卷重量为2 5 0 0 吨的输油软管， 如图1 9 所示。软管卷盘上面安装有巨大的驱动装置，可以保持作用在软管 上的拉力。与立式滚筒类似，庞大的体积限制了软管卷盘只能在大型专业船 只上使用，并且也需要在陆地上为它准备出面积很大的配套卷管场地。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 9 软管卷盘图1 1 0 拉直器 4 、拉直器 拉直器的作用是用来消除软管的塑性变形，由于软管要缠绕在卷盘或滚 筒上，从而会产生一定的塑性变形，在拉直器的作用下，可以消除这种影响， 如图1 1 0 圆圈中所示即为拉直器。 图1 1 1 滚轮式托管架图1 1 2 软管滚筒 5 、托管架 托管架的作用是保证在铺管过程中，软管从甲板到水中这段长度的弯曲 半径在允许范围内，以防止输油软管过度弯曲导致损坏。托管架分为滚轮式 和漂浮式两种形式。图1 1 1 所示为滚轮式托管架的示意图。在卧式滚筒式和 哈尔滨工程大学硕士学伊论文 自行组合式铺管方法中都要用到它。 6 、软管滚筒 为了方便石油行业进行海上作业，卧式软管滚筒( 在下文中简称软管滚 筒) 的法兰盘直径现己标准化，直径从2 5 米到1 1 4 米不等，如图1 1 2 所示 为直径6 米的软管滚筒图片。软管滚筒相比立式滚筒和软管卷盘体积要小很 多，对船上空间限制要小得多，布置也更加灵活。软管滚筒需要由软管滚筒 驱动装置进行驱动从而完成输油软管的铺设与回收，软管滚筒驱动装置将在 后文中详细进行介绍。 1 4 软管滚筒驱动装置国内外发展概况 软管滚筒驱动装置是用来驱动前文中提到的软管滚筒的。需要被施放的 滚筒按顺序放置在甲板上，根据需要铺设的长度确定好滚筒的数量，通常放 置3 到6 个。到达铺管地点后，由滚筒驱动装置驱动滚筒进行软管的铺设与 回收。滚筒驱动装置性能的好坏直接影响其他作业装备，国外在这方面占有 绝对的垄断地位。 1 4 1 软管滚筒驱动装置国外发展概况 1 、s a s 软管滚筒驱动装置 图1 1 3 所示为s a s 公司研制的软管滚筒驱动装置，该装置主要由机座、 机架、轨道、驱动盘、顶升液压缸、驱动马达以及对接液压缸等部分构成， 这种滚筒驱动装置有如下特点引： 这种软管滚筒驱动装置使用液压马达驱动滚筒，可带一定扭力进行顺时 针和逆时针旋转，即可带力进行软管的施放和回收。这种功能对于软管有很 好的保护作用，避免软管在施放和回收过程中因松弛而使软管的局部受损。 而软管一旦受损，其经济上损失巨大。 该滚筒驱动装置可将软管滚筒顶升离开船甲板，从而驱动滚筒旋转。 该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， o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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。 这样做的好处就是可以将几个滚筒都一次装到动力定位船上，从而减少海上 待机时间，也为了软管铺设的连续作业。 1 机座2 机架3 轨道4 滚筒驱动盘5 顶升液压缸 6 驱动马达7 对接液压缸8 滚筒9 滚筒托架 图1 1 3s a s 软管滚筒驱动装置 2 、a c e r g y 软管滚筒驱动装置 a c e r g y 公司是一家全球性的海洋油气工程公司，主要从事海底管道的铺 设、检测和维修业务4 1 。图1 1 4 所示为2 0 0 8 年7 月中旬a c e r g y 公司在我国 南海流花软管铺设项目中所使用的软管滚筒驱动装置，该套设备的主要构成 部分与其他公司的产品类似，包括轨道、机架、驱动盘等部分，a c e r g y 公司 的产品特点是在进行驱动装置与滚筒对接时，不是通过移动整个机架来完成， 而是机架与底座成为一体，通过驱动盘支座的轴向移动实现，这种机架与基 座同体结构的优点是提高了整套装置的对接精度，但同时也增加了核心驱动 结构的复杂性。 3 、a q p r 软管滚筒驱动装置 图1 1 5 所示为a q p r 公司研制的软管滚筒驱动装置在海上施工作业照 1 0 哈尔滨工稃大学硕十学位论文 i i 片，该公司的软管铺设设备具有结构简单且实用的特点“5 1 。 图1 1 4 a c e r g y 滚筒驱动装置 图1 1 5a q p r 滚筒驱动装置 1 4 2 软管滚筒驱动装置国内发展概况 、 我国海洋石油行业起步较晚，各种 海洋油气开采、管道运输及维修设备研 制水平与欧美发达国家相比还很落后， 在软管铺设技术上更是处在极低的水 平，中国海洋工程股份有限公司曾经自 行设计了一套简易的软管施放机具，但 只能在浅海域内进行作业，且存在诸多 问题，对于百米以上的深海则无能为力， 只能租用海洋石油开发技术发达国家的 设备。 图1 1 6 国内简易软管滚筒驱动装置 图1 1 6 所示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， 由它们带动旋转滚筒，从而施放软管。这种滚筒驱动装置虽然结构简易，但 同时缺点也很明显： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 安全性差：软管滚筒放在该装置的滚轮上不稳定，在旋转过程中极 易走偏，另外，海上外部环境不好预测，风力与海浪变化无常，在动力定位 船晃动较大时极易发生滚筒脱落事件，造成巨大人身伤害与财产损失。 ( 2 ) 控制性低：该套装置是靠滚轮与滚筒法兰盘摩擦来驱动滚筒旋转的， 对于滚筒旋转的控制能力很差。 ( 3 ) 功能性弱：该套装置只能进行软管的施放，不能进行软管的回收。 性能单一给操作者带来了不便。 ( 4 ) 效率很低：该套装置不能自行移动，当某一滚筒软管铺设完成，必 须通过吊装设备吊走空滚筒，再吊来新滚筒，众所周知，船上作业空间有限， 吊装工作耗费时间很多，即延长了工期又增加了运营成本。 正因为如此，设计出一套拥有自主知识产权的高安全性、高效率的软滚 滚筒驱动装置显得尤为重要，中国海洋石油工程股份有限公司已经对此组织 成立了课题组进行深入的分析研究。相信在不久的将来，不仅在中国的海域 内，在全世界的软管铺设现场都会出现由我国自主研制开发的软管滚筒驱动 装置的身影。 1 5 论文研究的主要内容 论文主要是依据软管滚筒驱动装置研究任务，针对直径不大于1 1 4 米， 重量不大于3 7 5 吨的软管滚筒进行驱动装置的设计。 论文主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 通过阅读和吸收国内外参考文献，了解国内外软管滚筒驱动装置的 发展、研究状况，对软管滚筒驱动装置总体方案进行研究和论证。依据所能 驱动的软管滚筒的最大直径、最大重量及实际的作业工况确定软管滚筒驱动 装置的基本参数，并对机具的机械本体结构进行设计。 ( 2 ) 对软管滚筒驱动装置关键结构进行研究。 ( 3 ) 对软管滚筒驱动装置的关键零部件进行有限元分析。 ( 4 ) 对软管滚筒驱动装置的液压系统和控制系统进行设计。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 萱i i i i 宣i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 一- 一 t i tti l li i i i i i i i i i 第2 章软管滚筒驱动装置总体方案 深水软管滚筒驱动装置是深水软管铺设的专用机具，机具的设计要求不 同于普通的设备，本章根据深水软管滚筒驱动装置的设计要求和设计参数， 提出方案并进行分析，确定最佳方案，并对总体结构和工作原理进行阐述。 2 1 软管滚筒驱动装置设计条件 2 1 1 设计依据 此设计依据与海洋石油工程股份有限公司签订的“深水软管滚筒驱动装 置的研制”合同而进行的。该机具主要用于深水软管的铺设与回收，主要服 务内容如下： 可驱动软管滚筒法兰盘的最大直径为1 1 4 m ； 可驱动软管滚筒的最大重量为3 7 5 t ； 软管收放速度为：1 1 5 m m i n 。 2 1 2 设计条件 1 、软管的材料与性能参数 海上作业用柔性软管主要应用于三个领域：勘探工作( 石油钻井) 、建井 和运输、开采。软管的种类有石油钻井用软管、用于海上建井的桩锤用软管 和喷射柔性管以及原油和天然气开采运输用软管，本文所应用的软管的类型 为原油和天然气开采运输用软管q 。 原油和天然气开采运输用软管( 本文简称软管) 具有易安装、可回收、 重复再利用等优点，且具有耐高压、耐低温和高强度等特性，所以在全球各 大海洋油气田中广泛应用，可用来运输天然气、石油和海水的排出。 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 表2 1 不同功能海洋软管的材料构成 层号天然气海水石油 1 不锈钢3 1 6 l不锈钢3 1 6 l不锈钢3 1 6 l 2 尼龙尼龙尼龙 3 碳钢碳钢碳钢 4 合成带聚乙烯带合成带 5碳钢碳钢碳钢 6 尼龙纤维聚乙烯尼龙纤维 7 聚乙烯碳钢聚乙烯 8 聚乙烯聚氨脂泡沫 9 改性聚氨脂泡沫 1 0聚乙烯 不同功能的海洋软管的基本构成以及材料大同小异，如表2 1 所示，软 管的基本材料可分成以下五种”7 j 8 1 ： ( 1 ) 密封材料 密封材料有两种：尼龙和聚乙烯。尼龙材料通常选用n y l o n ll ，该材料 在8 5 摄氏度的温度下寿命能够长达3 0 年左右，除此之外n y l o n l1 还具有很 好的弹性。经过测试，在零下4 0 摄氏度的低温下，该材料的弹性应变仍可达 到7 5 。聚乙烯材料通常选用高密度聚乙烯，这种材料的密度为9 4 0 k g m 3 ， 它的极限拉伸可高达4 0 0 ，具有良好的抵抗海水环境破坏的性能。 ( 2 ) 加强材料 加强材料通常采用不锈钢与碳钢。不锈钢型号选择3 1 6 l ，它的作用除了 能够承受内压力和外压力以外，还具有很高的抵抗海水腐蚀的能力，该材料 强度一般6 9 0 m p a 。而碳钢材料的作用主要是用来承受环向力和轴向力，经 过验证，这种材料的强度可在7 5 9 m p a 到1 5 5 2 m p a 范围内。 ( 3 ) 保温材料 保温材料一般采用聚氨脂泡沫。这种材料的导热系数为o 0 5 5 w ( m 。c ) ， 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在一个较低的范围内，保温性能良好。但是聚氨脂泡沫材料的熔点较低，在 制造工艺上不能采用挤压成型的方法，因此不能与加强材料较好地接合，值 得高兴的是，目前市场上已经有了一种改进性能的聚氨脂泡沫材料，这种材 料熔点较高，可以实现挤压成型，但缺点是导热系数稍大，由于保温材料属 脆性材料，所以厚度不能过大，一般不能超过4 0 m m ，否则软管的挠性和强 度会被削弱。 ( 4 ) 抗滑及抗磨材料 抗滑及抗磨材料放置在各层加强材料之间，为了防止过大的滑动和磨蚀， 软管中放置了一层合成材料，它的主要作用是将碳钢条紧固，防止其间进行 滑动以及磨蚀。 ( 5 ) 外部保护材料 外部保护材料通常选用高密度的聚乙烯，该材料具有良好的防腐蚀性能 和防冲击性能，能够很好的保护软管，使它的使用寿命延长。 软管内管内侧设置一个螺旋缠绕的金属软管。扩散到管壁中的气体可以 向外排出。缠绕的金属软管上聚合物层具有微弱的透气性和良好的抗压力骤 降性，这种压力骤降可能在某个循环次数后引起材料龟裂。 在短管线的情况下，软管的主要参数如下：在最大内径2 0 0 m m 时，长度 2 0 0 m ；在最大内径6 0 0 r a m 时，最大长度3 0 m ；最大工作压力1 0 3 5 m p a ；最 高温度1 0 0 。c ( 已经发展到1 3 0 。c ) 。对石油、天然气、海水和火焰的抗耐性 都可以保证1 9 1 。 2 、软管力学特性分析 国内对管道进行力学特性分析时通常采用小变形线性梁理论和悬链线理 论，但是这两种方法都有一定的局限性，只能适用于极深或极浅的水深范围 内，对常见的中等深度水深并不适用珊1 ，对此国外有一个非线性求解程序， 但缺点是计算复杂、费时费力。下面将软管看成非线性梁进行求解，用以解 决上述问题队2 2 1 。 现对放入到海水中的软管进行力学特性分析，如图2 1 所示a b 段为选 l5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 取的软管微元的受力状况图，仔细分析软管微元受到的各种力和弯矩，对其 列力学平衡方程： o x，1 图2 1 软管微元受力平衡图 d f c p - l = 一 d xc o s 口 # s s ：o d x 掣：bs i 。n 口一疋c o so f_ 2 s0 【一 c 口s f = f ss i n j r f c c o s o f 式中：p 单位长度的软管在海水中的重量； 口软管上任一点切线方向与水平方向上的夹角； s 软管弧长； 瓦软管在任意位置处受到的水平方向力，弓为一恒值； 只软管在任意位置处受到的垂直方向力； f 软管在任意位置处受到的合力； m 软管在任意位置处受到的弯矩。 d x = c o s t x d s a y = s i n a ：d s 1 6 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 日面d 4 y b 万d 2 y + 口= 。 ( 2 1 3 ) 式中： 删s e c 饥舯d 口，鲁一c o s 2 口 3 微郴c o s u 4 恬( d 2 y ) j 3 ( 2 - 1 4 ， 公式( 2 1 3 ) 即为软管受力的数学模型。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 软管滚筒驱动装置总体方案 2 2 1 软管滚筒驱动装置工作原理 在确定软管滚筒驱动装置总体方案之前，首先要弄清机具的工作原理。 图2 2 到图2 5 所示的是软管滚筒驱动装置的工作过程，通过这些图片可以很 容易的了解该装置的工作原理。 软管滚筒驱动装置成对工作，两套机具完全相同，如图2 2 所示，首先由 操作者确定好待施放滚筒的位置，然后控制软管滚筒驱动装置a 和装置b 分 别沿着轨道移动到待施放滚筒处停下，如图2 3 所示。 234 1 滚筒2 软管滚筒驱动装置a3 软管滚筒驱动装置b4 轨道 图2 2 软管滚筒驱动装置工作过程图解( 一) 在提升液压缸的驱动下，软管滚筒驱动装置a 和b 的驱动盘调整各自位 置，使驱动盘轴线与滚筒法兰中心孔轴线对齐，此后装置a 和b 的驱动盘分 别调整各自旋转角度，使驱动盘上的圆周外侧的4 个凹槽与软管滚筒法兰盘 哈尔滨工程大学硕士学位论文 中心孔上的4 个对接块对准。 1 滚筒法兰2 法兰中心孔上的对接块3 驱动盘上的凹槽4 驱动盘 图2 3 软管滚筒驱动装置工作过程图解( 二) 图2 4 软管滚筒驱动装置工作过程图解( 三) 驱动盘位置调整好后如图2 4 所示。接下来对接液压缸带动软管滚筒驱 动装置a 和b 的机架沿滚筒轴向移动，机架带动驱动盘与滚筒法兰中心孔实 现对接。此后，提升液压缸再次工作，在它的驱动下滚筒被驱动装置a 和b 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 抬升脱离滚筒托架。此时软管铺设或回收的前期准备工序全部完成。 下一个工序进入到软管铺设或回收阶段。驱动马达工作，液压马达经过 减速机组将力矩传递到驱动盘，驱动盘带动软管滚筒旋转，从而实现软管的 施放，如图2 5 所示。如果要进行软管的回收工作，则只需控制液压马达反 向旋转驱动即可完成。 图2 5 软管滚筒驱动装置工作过程图解( 四) 待一个滚筒上软管铺设或回收完毕后，软管滚筒驱动装置a 和b 配合工 作，将滚筒放回到滚筒托架上，对接液压缸带动软管滚筒驱动装置a 和b 的 驱动盘从滚筒法兰盘中心孔撤出，完成机具与滚筒的分离。若要进行下一个 滚筒上软管的铺设或回收工作，则需要重复以上步骤。 通过以上叙述很容易对软管滚筒驱动装置的工作过程有一个比较清晰的 了解。在对国外相关技术与产品图片分析后以及对软管滚筒驱动装置现场作 业环境和工作状况研究后，可以确定软管滚筒驱动装置的功能如下： 在轨道上移动； 与滚筒实现对接； 可将软管滚筒顶升离开船甲板； 2 0 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 能够逆时针或顺时针驱动滚筒旋转，实现软管的施放与回收； 提供一定的拉力。 基于上述功能可以得到软管滚筒驱动装置的工作原理：由液压动力源提 供压力油供给液压系统，软管滚筒驱动装置的行走机构负责将机具移动到滚 筒处，顶升机构负责驱动盘与滚筒中心孔轴线对准以及将软管滚筒顶升离开 船甲板或放回甲板，驱动机构负责调整驱动盘对接角度以及驱动滚筒逆时针 或顺时针旋转，对接机构则负责完成与滚筒的对接与分离。 2 2 2 软管滚筒驱动装置结构方案的确定 根据工作原理的要求，对软管滚筒驱动装置结构设计提出了第一种方案， 并用p r o e 三维绘图软件进行模型的建立，最后对方案不合理的地方进行改 进设计，最终确立一种较为合理的方案。 p r o e 是美国参数技术公司开发的c a d c a e c a m 软件。其全新的概念 几乎成为当今世界机械c a d c a e c a m 领域的一面旗帜和标准，尤其是第3 代产品野火版，受到企业界的一致认同。同时，该软件与有限元软件接口较 好，因而己成为国内应用最为广泛的三维建模软件口1 。 方案( 一) ： 图2 6 中所示是对软管滚筒驱动装置结构设计提出的第一种方案，所设 计的机构由机架、驱动支架、重载小齿轮、重载大齿轮、驱动盘、主液压缸、 对接液压缸、机座、车轮、驱动马达等主要部件构成。该方案基本能实现所 要求的功能。机体由机架与机座组成，驱动支架可在机架内框中上下滑动， 大小重载齿轮以及驱动盘装于驱动支架上，驱动马达通过行星齿轮减速器驱 动小齿轮，重载小齿轮传动重载大齿轮，重载大齿轮通过主轴将扭矩传递到 驱动盘上，驱动盘与滚筒对接后，整套机具便可带动滚筒逆时针或顺时针旋 转完成软管的施放与回收。机架放置在机座上的滑轨之上，通过对接液压缸 连接，对接液压缸伸缩带动机架在机座上滑动，实现软管滚筒驱动装置与滚 筒的对接。机座下面装有轨道车轮，车轮由液压马达驱动并在轨道上行走， 2 i 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 轨道采用大型龙门起重机用轨道，固定于铺管船甲板之上。 1 机架2 驱动支架3 小齿轮4 大齿轮 5 驱动盘6 主液压缸 7 对接液压缸8 机座 9 车轮1 0 甲板1 1 轨道 图2 6 软管滚筒驱动装置方案( 一) 这种结构设计方案可以满足软管滚筒驱动装置的基本功能要求，但考虑 到机具现场实际作业情况，该方案还存在很多的问题。 首先，软管滚筒驱动装置工作地点在海上，海上风浪较大而且天气通常 变幻莫测，作业条件错综复杂，所以对海上工作的机械的结构设计不能同于 陆地上作业的机具。海上作业机具设计的最重要一点是要能够保证作业安全， 机具