（机械电子工程专业论文）海底犁式挖沟机动力学分析与结构优化设计.pdf

海底犁式挖沟机动力字分析与结构优化设计 ；i i i i i i i i i i i i i i i ；i i i i i i i i i i i i i i i i i ；i i i i i i i i i i i i i i i i i i ；i ；i ；i ；i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ；i i i i i i i i i i i 摘要 世界石油能源供应日趋紧张，海洋油气开发广受重视，海底犁式挖沟机作为一种水 下开沟设备，广泛应用于海底管道保护的沟渠施工作业。本论文选题源自中海油“硬质 土挖沟技术与装备研究”项目，旨在研究海底犁式挖沟机的动态作业特性，同时对其关 键部件进行结构分析与优化。现根据课题进展，叙述本文主要研究内容： 本文概述了海底犁式挖沟机的发展历史及现状。根据犁式挖沟机的工作原理及作业 程序，确定了其机械系统方案及其子系统构成，然后利用s o l i d w o r k s 软件进行三维 建模；同时根据存在的问题，提出了一种具有减震及锁死保护功能的新型抱管装置；利 用机构分析与综合理论，对行走机构、转向机构、犁开合机构及抱管装置进行了运动学 建模，为后续整机动力学分析奠定基础。 本文讨论了基于库伦被动土压力理论的犁土壤力学相互作用数学模型，并建立了 挖沟机的整机受力模型。同时，依据拉格朗日方法建立i r 简化的海底犁式挖沟机动力学 方程。根据以上力学模型及a d a m s 相关理论，建立了挖沟机的虚拟样机模型，并通过 样机陆上试验数据验证了模型的正确性。 本文重点研究了海底犁式挖沟机的动态作业特性，主要包括其挖沟作业性能、转向 性能及犁开合性能研究。挖沟作业着重讨论了在直线挖沟时，海底地面为水平路面、纵 倾路面、侧倾路面及水平冲击载荷等工况下，海底犁式挖沟机的挖沟作业动态性能。转 向性能仿真试验则探讨了在拖船转向及转向机构微调两种情况下挖沟机的转向性能。通 过样机的辅助犁开合试验及白行犁开合试验研究了犁开合作业程序的可行性。 将动力学分析结果作为输入载荷，本文对海底犁式挖沟机的机架进行了结构强度分 析；并利用a d a m s 及a n s y s 软件，以对接装置的对接头为例，进行了其机构及结构 优化设计。 通过以上分析研究，掌握了犁式挖沟机的作业性能，校核、优化了挖沟机的关键部 件，为挖沟机控制策略提供了参考依据，并提供了可用二于工2 程样机概念设计及详细设计 的研究方法。 关键词：海底犁式挖沟机；动力学建模；动态特性；结构优化 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee n e r g ys u p p l yt e n s e ，a l lc o u n t r i e sf o c u st h e , i ra t t e n t i o no nt h ed e v e l o p m e n to f o f f s h o r eo i la n dg a s a sak i n do fu n d e r w a t e rt r e n c h i n gm a 。c h i n e r i e sf o rt h ep r o t e c t i n go f p i p e l i n ei nt h es e a b e d ，s u b m a r i n ep l o u g hi su s e dw i d e l y t h ei s s u ec o m e sf r o mt h ep r o j e c t “r 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 fc n 0 0 c t h e g o a li s t or e s e a r c hd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs u b m a r i n ep l o u g l 口【t r e , n c h i n gd e e p l y ，a n dt od i s c u s s s t r u c t u r a la n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h ek e yp a r t s t h ep r i n c i p a lr e s e a r c hc o n t e n t sb a s e do n t h ed e v e l o p m e n to ft h es u b j e c ta r ea sf o l l o w s t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n th i s t o r y a n ds t a t u so fs u b m a r i n e p l o u g h a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l ea n dw o r k f l o wo ft h ed e v i c e ，i t sm e c h a n i c a ls y s t e ma n ds u b s y s t e m s a r ed e s i g n e d ，a n dt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l sa r eb u i l tw i t hs o l i d w o r k s i no r d e rt os o l v e t h ee x i s t i n gp r o b l e mo fh o l d i n gp i p ed e v i c e ，an e wa d a p t i v e ，d a m p i n ga n ds e l f - l o c ko n ei s d e s i g n e d m a t h e m a t i c a lm o d e l sa b o u tt h ek i n e m a t i c so f ：s k i d s ，s t e e r i n gs y s t e m ，p l o u g ha n d h o l d i n gr o l l e r sa r ee s t a b l i s h e dw i t hm e c h a n i s m sa n a l y s i sa n d s y n t h e s i st h e o r yf o rt h el a t t e r d y n a m i ca n a l y s i s m a t h e m a t i cm o d e lo fs o l i d - b l a d ei n t e r a c t i o nb a s e do l q lc o u l o m b st h e o r yo fp a s s i v ee a r t h p r e s s u r ew 、i t ht h ew h o l ee q u i p m e n t sm e c h a n i c a lm o d e li sp r e s e n t e d a tt h es a m et i m e ，a s i m p l i f i e dd y n a m i ce q u a t i o no fs u b m a r i n ep l o u g hi sb u i l t d nt h eb a s i so fl a g r a n g i a nm e t h o d r e l a t e dv i r t u a l p r o t o t y p i n g m o d e l sb a s e do na d a m sw e r ea l s o e s t a b l i s h e d ，a n di t q u a l i t a t i v e l yv e r i f i e da n dv a l i d a t e df r o mt h ee x p e r i m e n t a ld a t ao f l a n dt e s t d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs u b m a r i n ep l o u g ha r er e s e a r c 1 e dd e e p l y ，i n c l u d i n gt r e n c h i n g p e r f o r m a n c e ，s t e e r i n gp e r f o r m a n c e ，a n do p e n i n ga n dc l o s i n gp r o p e r t i e so fp l o u g h t r e n c h i n g f o c u so nt h ep e r f o r m a n c ei ns e v e r a lt y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n sw h i c hc o n s i s to fg e n e r a lr o a d ， t r i mr o a d ，r o l lr o a da n dh o r i z o n t a li m p a c tw h e ng o i n gf o r w a r di nas t r a i g h tl i n e s t e e r i n g s i m u l a t i o nt e s t sd i s c u s st h ep e r f o r m a n c ei nt u r n i n gb yb o t hs h i pa n d s t e e r i n gm e c h a n i s m i t a l s os t u d i e st h ef e a s i b i l i t yo fo p e r a t i n gp r o c e s sb a s e do no p e n i n ga n dc l o s i n gt e s to ft h e p r o t o t y p e s t r u c t u r es t r e n g t h e no fc h a s s i so fs u b m a r i n ep l o u g hi sc a l c u l a t e da n ds i m u l a t e do nt h e b a s i so ft h er e s u l to fd y n a m i ca n a l y s i s m e c h a n i s ma n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h e d o c k i n gp r o b ea sae x a m p l ea r er e s e a r c h e dw i t ha d a m s a n d a n s y s a c c o r d i n gt ot h ea b o v es t u d i e s ，g r i p sw i t hs u b m a r i n ep l o u g hp e r f o r m a n c ea r eg o t ，t h e k e yp a r t s a r ea n a l y z e da n do p t i m i z e di ns t r u c t u r a l s t r e n g t h e n i tn o to n l yp r o v i d e sa n 哈尔滨一 程大学硕士学位论文 ；i i ；ii ；i i i i i i i ；i i i ；i i i i i i i ；i ；i ；i i i ；i i ；葺i i i ；i i i ；i ；i i ；i i ；i i ；i i m p o r l a n tr e f e r e n c ef o rt h ec o n t r o lm e t h o do ft h es u b m a r i n ep l o u g h ，b u ta l s oo f f e r sm e t h o d s f o rt h ed e s i g no fe n g i n e e r i n gs a m p l e k e y w i ) r d ：s u b m a r i n ep l o u g h ；d y n a m i cm o d e l i n g ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ；s t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o n 第1 章绪论 ；i i ；i i i 暑i ；i i i ；i i i i i ；i ；i i i i ；i ；i i ；i i ；i i i i ；i 苗；i i ；i i ；i i ；i i 赢i i ；i i ；i i ；i i i i ；i i i i i i i ；i i i ； 第1 章绪论 1 1 引言 由于电讯、能源工业需求旺盛，目前世界海底电缆管道、石油管道磅礴发展，尤其 是在海洋石化能源领域，海底管道作为一种流体输送工具，具有快速、经济、可靠等诸 多优点，使其在水下能源设施中占据极其重要的地位【1 】。截至2 0 0 7 年，世界上已经有 6 0 十多个国家在海洋开采石油，占整个世界石油产量的3 5 ，其中绝大部分采用海底 管道输送【2 】。由于海底环境恶劣，且监控检测困难，与陆地油气管道相比，海底管道使 用风险很大。海底管道时刻遭受到周期性波浪、海流、潮汐、腐蚀等作用，同时又面临 船锚、平台或船舶掉落物、渔网等撞击拖挂危险，很容易发生失效或安全事故，而且这 些人为因数造成的损失占绝大比例 弘6 | 。因此，对于海底管道保护尤为重要。目前，对 海底石油或电缆管道保护，除自身恺装防护之外，在施工技术方面主要采取开沟埋设、 覆盖防护材料稳定和锚固这三种方式，其中开沟埋设效果最好刀。所谓开沟埋设，就是 用水下开沟机械在海床上挖出一条满足管道保护要求的指定深度指定形状的沟槽，并将 尸 海底管道埋藏在沟槽之中，以达到保护管道的目的【8 】。：关于沟槽的保护效果、沟型及坡 面稳定性等，i 副 1 - 相关机构做了一系列研究 9 - 1 2 】。由于：具体海域条件各异，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：，亍施工作业的全能型海底开沟机 械 1 3 1 。为解决埋管施工中的各种问题，促进了各种开沟方法及开沟设备的研究和发展， 目前主要有水力冲射法、机械开沟法及海底管道犁 1 4 - 1 5 】。目前，国外海底开沟技术相对 成熟，国内处于起步阶段，而且仅限于较为低端的水力冲射式挖沟机，与国外差距很大。 结合国内重大工程需求，同时追赶世界先进水平，我们课题组以“硬质土挖沟技术与装 备研究”项目为依托，在国内首次对海底犁式挖沟技术：进行了深入研究，本文侧重于海 底犁式挖沟机的动力学分析与结构优化设计，期望能为我国海底挖沟事业发展做出一份 贡献。 1 2 海底开沟机械介绍 2 0 世纪中叶，海洋石油矿产资源开发仅限于近海、滩海地区，水力冲射式挖沟就可 以满足施工作业要求。到6 0 年代末，随着更大水深的北海油田开发，机械式开沟机开 始在海底管道挖沟作业中出现。至7 0 年代中期，北海油田向海况更为复杂的深远海域 发展，管道犁及其相关技术由于安全可靠、稳定高效，开始在海底管道水下施工中大展 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；i 墨i i 暑i i ；i i i i i i i i i ；i i i i i i i i i 宣；i i i i i i i i 宣；审i i i i 宣i i i 宣；i i i i i i 宣皇i ；i i 蜀i i i i i i 高i ；i i i 身手；8 0 年代以后，国外海底管道犁式挖沟技术就渐近成熟。进入9 0 年代以后，海底 开沟机械向智能化、大型化发展。纵观海底管道施工发展历程，可以看出海底开沟机械 主要包括：水力冲射式挖沟机、机械式挖沟机和海底管道犁三种，海底管道犁又称海底 犁式挖沟机，以上三种海底挖沟机械分别适用于不同的水深、海底土壤环境。 1 2 1 水力冲射式挖沟机 水力冲射式挖沟机一般由推进器、喷射系统、疏浚系统以及监控系统等组成，如图 1 1 所主专，水力冲射式挖沟机利用前后独立的两套系统来实施水下挖沟和清除海泥作业， 其中挖沟作业由位于前端的喷嘴喷出的高速水流切削土壤完成，清除海泥系统则是指利 用巨大的吸力将挖掘出的泥沙清除沟外的装置。在挖沟过程中，海沟的深度可根据需要 调整，其由行走机构完成。最大挖掘深度取决于海底土壤类型、挖掘速度和拖船功率。 水力冲射式挖沟机能适应于较软的海底环境，特别在某些性质的海床土壤，当海底犁式 挖沟机工作效率不佳或拖拽力过大时，水力冲射式挖沟机尤为适用；但是，在松散的沙 质海床上，由于沟型不稳定，坡面迅速崩塌使得海沟变得非常浅且形状不规则，而不利 于海底管道的保护【1 酬。 图1 1 水力冲射式挖沟机图1 2 机械式挖沟机 世界上第一台水力冲射式挖沟机出现于1 9 5 0 年，其主要包括机体框架、排泥管、连 接软管、浮筒、空压机、水泵、喷头等，后来经过改进，整机功率、喷射水压力不断增 大，并优化了喷嘴结构，增加了支撑滑橇，这是第二代传统的喷射式挖沟；饥的主要特征。 目前该挖沟机型已发展到第三代产品，其特征是具有能够在水下使用的水泵喷射系统， 其被置于海床，然后通过水下通讯设施如电缆等对其进行远程遥控，同时原先的气压排 泥也由水下安装的泥浆泵所取代，这些关键设备的应用及改进形成了第三代也就是近代 的喷射式挖沟机1 1 7 j 。 2 0i；翻溺篓j鬻 第1 苹绪论 i i i i ；i i i i ；i i i i ；i i i i ；i i i ；i i i i ；i i i ；i i i ；i i i i i i i i i ；i i ；i i i i ；i i i i i ；i 高i i ；i i i ；i ；i ；i ；i 1 2 2 机械式挖沟机 机械式挖沟机是一种利用机身上的旋转铰刀进行土：壤挖掘的水下开沟设备，如图1 2 所示，其是通过铰刀将泥土切碎并搅拌成泥浆，再由排：泥泵喷出。机械式挖沟机通常有 有两种前进方式，一种常用方法是由动力船或拖轮牵引前进，另一种是依靠自身动力以 履带形式前进【1 8 】。 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，他是现代潜器与挖 掘机械的结合产品，与其他类型管道开沟机械比较，其优点突出：作业水深范围大、功 率消耗低、适应性强，且操作方便，目前工程应用逐渐增多应用前景看好。机械式挖沟 机类型众多，据其工作装置作业原理可分为链式、盘状旋削式和柱状铣削式挖沟机【1 8 】： ( 1 ) 链式挖沟机 链式挖沟机包含三套切削系统，其中两套对称布置，安装在机架两侧用于挖沟，第 三套安装在尾部用于清理沟型，沟型深且狭窄，呈v 字形状，该型挖沟机技术主要代表 有意大利海底石油公司和荷兰近海革新工程公司【1 8 】。 ( 2 ) 盘状旋削式挖沟机 盘状旋削式挖沟机的特点是其可以在海底岩石层等坚硬海床进行挖沟作业，代表机 型为英国陆地与海洋工程公司研制的r t m i i 型挖沟机及法国c o f l e x i p 公司研制的履带 自行式硬海底挖沟机【1 8 】。该类型挖沟机特点在于盘状旋转切屑轮上装有可更换的硬质合 金切割齿，目前仅适用于海底电缆、通信缆、柔性管及小口径输油管道的开沟工程中。 ( 3 ) 柱状铣削式挖沟机 柱状铣削式挖沟机的特征是在其机架上装有大型柱状铣削头，其早期代表性产品是 美国b r o w n & r o o t 公司研制m u t 型挖沟机，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，另外，其通过四只浮球调节净重以适 应海底土壤环境【1 8 】。 机械式挖沟机几乎能适应沙土、粘土、岩石等表层的任何土质特性的海底环境，且 作业水深较大，能长期在水下工作，通用性强，不足之! 处在于其机械结构复杂，可靠性 较低，易出故障，停机率较高，使用成本远远高于其他开沟方法。 1 2 3 海底犁式挖沟机 海底犁式挖沟机适用于深水、流沙海床，如图1 3 所示，它通过深潜船( d s v ) 、多 用供应船( m s v ) 和拖轮定位。挖沟机完成水下定位后，伸长位于其前后两端的升降机 械手，将海床的管道抓起，到达指定高度后，抱管机构抓住管道，升降机械手张开，恢 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i 一 1 i i ；ii i i i 宣宣i ；i 墨i i i i i 高；i i i 晶；i i ；i i i i i i ；i i i 复到初始位置，挖沟机尾部两侧己展开的犁铧合拢，并形成需要的沟型，由拖轮牵引， 雪橇式行走机构支撑，犁铧海底土壤进行挖沟，随着挖沟机的前进，管道被放置在低于 海底哥：面的管沟中，通过土壤回填保护管道【1 6 】。 图1 - 3 海底犁式挖沟机 1 3 海底犁式挖沟机发展现状 1 3 1 国外海底犁式挖沟机发展现状 佳：界上第一台预开沟型海底犁由英国陆地与海洋工程有限公司于1 9 5 ；9 年研制成功， 其与现代意义上的犁式挖沟机有很大区别，仅限应用于离岸附近的近海等较浅水域的小 口径管道埋设。1 9 7 6 年，瑞士r j 布朗联合公司与英国土壤机械动力公司s m d 联合研 制的预开沟海底犁，在1 5 0 m 水深处挖沟获得成功。1 9 7 9 年第一台后开沟犁s n a p p e r p o s t t ：e n c h i n gp l o u g h ，成功应用于澳大利亚b a s s 海峡的海底管道工程，此后，各种后 开沟犁开始服务于北海，马来西亚，澳大利亚等海域。上世纪9 0 年代初，主要针对海 底石油管道的海底犁式挖沟机的基本技术已经成熟。随着工程作业的增加，针对海底土 壤的硬度，海底作业深度及经济效益的优化，出现了各种改进型海底犁式挖沟机【l 引。 11 ) 8 9 年，s m d 为s t o l to f f s h o r e 公司研制的模块化犁系统m p s ，如图1 4 所示，该 系统配置浮力单元，可以适应软土海底环境，m p s 的最大作业深度为1 0 0 0 米，最大拖 拽力为1 0 0 吨。模块化犁系统可同时提供或配置填埋小直径柔性管道，如电力和通信电 缆和控制接合缆【20 1 。 4 第1 章绪论 图1 4 模块化犁系统图1 5a p p 1 9 9 0 年，s m d 为s t o l to f f s h o r e 公司研制了a p p ，如图1 5 所示，可以挖掘和填埋 刚性和柔性管道，沟槽深达2 5 米，最大工作水深达1 0 0 0 米，拖拽力高达2 5 0 吨。a p p 配备了一个额外的预切割犁，可以进一步提高挖掘性能；同时，可通过追加回填犁实现 一次作业完成土壤回填作业【2 1 | 。 2 0 0 4 年，s m d 为c t cm a r i n e 公司研制了高级多行程犁a m p 5 0 0 ，其具有类似射流 式和机械式挖沟机的作业速度和能力，以应付异常坚硬的粘土海底土壤，如图1 6 所示。 a m p 5 0 0 采用新“h i t o wp o i n t s ”技术，能显著减少拖拽力需求，增强挖沟能力。主动 犁面驱动装置包括一个放置在犁体后面的驱动履带式轨道，它可以消除大比例的摩擦力 并为挖沟提供更多的驱动力；同时，a m p 5 0 0 犁面上还安装有高压喷射系统，以应付低 渗透率沙土环境，提高挖沟能力，其5 0 0 吨挖沟能力仅需3 5 0 吨的拖船即可【2 2 i 。 图1 6 a m p 5 0 0图1 7v m p 当前s m d 公司研制的最新产品是多行程海底犁v m p ，如图1 7 ，其可以提供远程 可变多行程挖沟能力，同时其也采用“h i - t o wp o i n t s ”技术，并利用活动犁头，使其成 为目前世界上挖掘能力最强最为先进的海底犁式挖沟机，代表了世界最高水平【2 3 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i ；品i i ；i ；i i 宣i i i ；i i i ；i ；i ；i i i i i i i i ；i ；i 暑i i i i 昌暑i i ；i i i i i i i 薯；i i i i i i i i i i i i i ；蔷i i i i i i 1 3 2 国内海底犁式挖沟机械发展现状 上世纪九十年代，原海洋水下工程科学研究院的张国光最早将海底挖沟机这一概念 引入国内，对世界著名水下挖沟机设计施工公司及其主要机型进行了介绍，并对海底管 道挖沟技术的发展及其总体技术状况进行了综述，但仅限于各机型功能特点及其适应场 合的概括性描述。 逆：二十年来，国内主要针对射流式挖沟机及机械式挖沟机进行了理论研究与样机研 制，但对于海底犁式挖沟机鲜有涉足，仅张国光对海底管道开沟犁及其组成进行了概述 性描述【2 4 】。1 9 9 5 年开始，胜利石油管理局及上海交通大学研制了第一代、第二代浅水 滩海水下挖沟装置，主要用于0 8 m 到1 5 m 浅滩的管道铺设问题，至1 9 9 7 年该装置在 胜利泊田累计已经完成4 6 k m 的挖沟任务，其中管道沟2 6 k m ，铺设海底电缆2 0 k m ，该 技术获得2 0 0 3 年中国优秀专利奖【2 5 27 1 ，后来还更换了高压水泵系统，挖沟深度及沟型 质量更高f 2 8 】。 2 1 ) 0 6 年，世界海底犁式挖沟技术引领者s m d 及e b 公司分别为海洋石油工程股份 有限么? 司概念设计了适用于南海水域的多行程海底犁式挖沟机e m p 及海洋大力神3 ”， 分别如图1 8 、图1 9 所示【2 9 - 30 1 。 图1 8s m d 多行程犁式挖沟机图1 9e b 多行程犁式挖沟机 2 i ) 0 7 年，海洋石油工程股份有限公司联合上海交通大学研制了一种具有双重功能的 海底挖沟机，如图1 1 0 所示，它是一种既能对海底管道进行开挖基础维修，又能对海底 管道逆! 行开沟埋设的多功能海底挖沟机【3 l 】。 截止目前为止，国内仅哈尔滨工程大学与海洋石油股份有限公司组织联合课题组对 犁式挖沟技术进行了初步研究，并研制了陆地试验样机，实现了抱管、合犁、挖沟等基 本功能【3 2 】。 6 第l 章绪论 宣i i i i i ；i i i i i i ；i i i i ；篁；i i i i ；i i i i i i ；i i i i ；i i i ；i i ；i ；宣i i i i i ；宣；i i i ；i i i i i ；i i i i i ； 图1 1 0 双重功能的海底挖沟机 1 3 3 海底犁式挖沟机动力学研究现状 海底犁式挖沟机通过犁体剪切破坏土壤完成管道保护所需要的沟型的挖掘。目前国 外针对犁式挖沟机的犁土壤系统力学分析主要有采用基于库伦土压力的理论分析法、 基于试验的经验公式法、以及基于商业软件的有限元法。 1 9 9 9 年，j c c o y n e 等人基于库伦土压力理论，分析了海底土壤对挖沟犁体的相互 作用力，除此之外，还描述了海底挖沟过程中的孔隙水效应，气穴效应以及土壤颗粒破 坏效应，完整地给出了各种工况下犁体受力理论计算公式，：迂中得出拖拽力与挖沟速度、 深度、犁体尺寸及海底土壤参数均有关系，对犁式挖沟机设计具有重要参考价值1 3 3 】。 英国邓迪大学m f b r a n s b y 等人根据现有海底犁式挖沟机，利用相似原理建立了 1 ：5 0 的缩小模型，并利用分层土壤模拟海底土壤环境，设计了缩小模型的挖沟试验，得 出了拖拽力相对土壤参数、挖沟深度、挖沟速度的关系，并描述了沟型效果，验证了相 关拖拽力经验公式【3 4 j 。m j b r o w n 等人利用该1 ：5 0 模型，在不同密度的干土及饱和沙土 进行了挖沟机拖拽性能相关实验，再次验证了拖拽力与挖沟深度及速度的经验公式，并 给出相关系数参考数据【35 | 。k e i t hl a u d e r 等人利用该1 ：5 0 模型研究了挖沟机在不同密度 沙土下的拖拽力，指出土壤密度及深度控制对挖沟机体的稳定性及挖沟性能影响，并讨 论了犁体架形状及沟型稳定性问题【3 6 】。a n d r e wh a t h e r l e ) r 等人也利用上述1 ：5 0 模型研究 了挖沟机在波浪形海底的挖沟作业动态性能，给出了挖沟机通过波形障碍的条件及波形 地面对挖沟深度及沟型的影响p 7 | 。 1 9 9 9 年，u a r o s a 等人依据可变杨氏模量和泊松比理论描述了犁土壤模型，利用 有限元方法研究了农业犁土壤之间的动态响应，并比较了数值仿真与试验数据，为评 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；i i ；ii i i ；i 置i i i ；暑i i i i ；i i i i ；i i ；i i ；i i i ；i i i i i ；i i i i i ；i i i i i i ；罱 估犁的工作性能提供了一种方法【3 8 1 。2 0 0 3 年，m o o t a za b o e l n o r 等人利用弹塑性理论模 型，借助高级有限元软件a b a q u s ，完整描述了犁一土壤系统的有限元分析方法，指出 精准预测土壤对犁面的作用力，同时结合试验数据，修正犁的几何形状，可以有效提高 犁的作业性能例。 糯! 据以上文献，可以总结出：关于犁土壤系统相互作用关系的描述，理论分析法 可以姐l 过公式直接得出相关曲线，且便于编程应用，利于软件应用，但参数众多，确定 困难；经验公式法是基于特定试验得出，试验参数无法确定，适用范围也不明确；有限 元法z ? 便快捷，但结果难以评判。 匡1 内对于水下挖沟机的研究目前主要集中在射流式挖沟机的力学模型研究。2 0 0 5 年，王佐详等建立了喷射式挖沟机整机的受力模型，计算分析了挖沟机在牵引力、海流 力、土壤阻力等多种载荷作用下的可靠性，重点分析了在垂直载荷作用下，支撑滑靴的 承载能力及下陷深度，给出了海底承载力计算方法及安全系数。同年，刘润等对海洋 石油工程股份有限公司设计的挖沟机进行了受力状态分析，依据整机稳定分析理论，计 算了名工况下挖沟机所需要的拖拽力，为挖沟机关键部件强度校核及控制操作方法提供 依据1 4 。2 0 0 8 年，大连理工大学的高激研究了水力冲射海底挖沟机的参数，优化了影 响水射流破土性能的喷嘴结构参数和射流破土过程相关参数，并确定喷嘴内部结构的改 进方案，研究了射流过程参数对破二e 效果的影响，确定了射流参数和破土效果之问的关 系和射流角度的优化值1 4 2 。 国内海底犁式挖沟机的动力学研究几乎为空白，但类似海底挖掘设备的动力学分析 文献则已见诸期刊。2 0 0 3 年，长沙矿山研究院的胡佳音等探讨了自行海底作业车履带式 底盘虚拟样机的建模方法，大幅提高复杂机械系统a d a m s 建模与仿真速度【43 i 。2 0 0 4 年，中南大学陈峰等人考虑深海底履带机器车的特殊工作环境、车体的特殊设计，建立 了海扈：履带机器车的动力学模型，适用m a d y m o 多刚体动力学软件，建立了机器车结 构模型，进行仿真并与试验结果验证，取得较好效果【4 4 1 。同年，中南大学的徐昱等人应 用机械系统动力学软件a d a m s 建立了深海采矿系统的不妨回收装置的虚拟样机，对深 海采矿作业集矿机的布放过程进行了仿真，为布放装置设计、布放作业程序提供了参考 4 5 1 。2 ：) 0 8 年，李力等人针对复杂恶劣的海山地形表面，提出了钴结壳采矿车采用铰接 式履带i 车的技术方案，利用a d a m s a t v 工具，建立了铰接履带式海底采矿车的三维 动力学模型和虚拟样机，进行了其障碍通过性仿真试验，为试验样机研制提供了一定的 技术参考【4 刨。2 0 0 9 年，常宗瑜等人利用多体动力学方法，基于海底土壤特征建立了挖 掘过程中工具一土壤之间相互作用的土动力学模型及水阻力学模型，并将其融合到整体 r 第1 章绪论 挖掘动力学模型之中，利用a d a m s 软件对海底机器人挖掘过程动力学进行了分析【4 7 】。 1 4 课题来源、目的及研究意义 本课题来源于中国海洋石油总公司硬质土挖沟技术与装备研究的横向研究项目， 主要目标是研制具有自主产权的适合中国海域环境的海底犁式挖沟机，首期目标是研制 试验样机，其目的是验证犁式挖沟原理及关键技术攻关，如整机系统集成、挖沟机整机 动力学分析及关键部件结构优化设计等。 目前，能源问题日益严重，各国均十分重视海洋资源的开发，而我国南海地区石油 含量惊人却为他国窃取，开发南海石油已刻不容缓! 在海洋石油开发过程中，石油管道 的铺设和保护占据了极其重要的位置，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，海底管道的建造费用约占整个海上油气开发费8 1 4 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。海底犁 式挖沟机与其他各种海底开沟机相比，综合经济效益最高，结合南海及渤海石油开发环 境，我们认为开发犁式挖沟机是最适合中国目前国情的1 4 8 1 。 1 5 本论文的主要研究内容 硬质土挖沟技术与装备研究，主要是指海底犁式挖沟机的应用开发与研究，本论文 “海底犁式挖沟机动力学分析与结构优化设计”是在总结前期科研成果与试验数据基础 上，深入研究海底犁式挖沟机整机动力学响应，为挖沟机控制提供参考数据，并以动力 学分析结果为依据，进行关键部件的结构优化设计。依据课题进展需要，本论文主要进 行了以下几个方面工作： 一、海底犁式挖沟机机械系统方案确定与机构运动学建模。本部分主要是介绍海底 犁式挖沟机的工作原理、系统组成、部分结构改进及机构运动学建模，其中运动学建模 包括挖沟深度调节机构、犁开合机构、转向调节机构与抱管装置高度调节四部分。挖沟 深度是海底管道挖沟作业的关键性控制指标，监控作业时需要时刻知道沟型深度；犁开 合是后开沟作业必备程序；管道高度( 应力) 是管道作业安全的控制指标，需要时刻监 视；转向角度动作直接关系管道侧向应力，涉及管道安i 全。 二、海底犁式挖沟机动力学建模与虚拟样机模型验：正。本部分主要包括犁一土壤相 互作用模型描述、挖沟机动力学方程推导、挖沟机虚拟样机模型建立及其验证。犁一土 壤力学分析主要有四种方法：库伦被动土压力理论法、经验公式法，有限元分析法，以 及离散元法，本文着重分析库伦理论法；动力学方程则是基于拉格朗日乘子法；虚拟样 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 机建模采用a d a m s 软件，动态直观，便于修改试验；最后利用已有的试验数据验证仿 真结身! 并修正边界参数细化模型。 三、海底犁式挖沟机动态特性研究。建立挖沟机动力学虚拟样机模型的最终目的是 要分析其挖沟作业特性以指导实际设计应用，主要包括三个部分：海底犁式挖沟机的挖 沟作业性能、转向性能及犁开合性能研究。挖沟作业性能包括在直线前进挖沟情况下， 海底地面为水平路面、纵倾路面、侧倾路面及水平冲击载荷作用下海底犁式挖沟机的挖 沟作业动态性能。转向性能仿真包括拖船转向及转向机构微调两种情况下挖沟机的转向 性能仿真研究。犁开合性能研究主要包括辅助犁开合试验及自行犁开合试验研究。 四、海底犁式挖沟机关键零部件结构优化设计。在整体布局合理的前提下，保证足 够的务i 构强度，同时轻量化以减少拖拽力，需对关键部件进行结构优化设计。根据虚拟 样机亏j 力学分析结果，得到各关节的载荷，以此载荷为基础，对关键部件如机架、对接 头等逆：行有限元分析，校核并优化其结构，达到优化挖沟性能及减重的目的。 1 0 第2 章海底犁式挖沟机机械系统方案设计与运动学建模 ；i ；i ；i ；i i i ；i i ；i 宣；宣i i i i ；i 宣；i i i i ；罱i ；薯宣暑i i ii 眚i i i 箍宣暑；i i 昌；i i 眚i 宣；i ；i 高i i ；i ；i i i ；i i 宣i ； 第2 章海底犁式挖沟机机械系统方案与运动学建模 2 1 引言 根据本文主旨海底犁式挖沟机的挖沟作业动态特性研究需要，本章节将先简要描述 海底犁式挖沟机的工作原理、系统组成及作业流程，再利用现有三维模型依次建立各关 联机械子系统的运动学模型，最后就试验样机出现的问题，对抱管装置做相应改进。本 节是后续动力学及虚拟样机建模的基础。 2 2 海底犁式挖沟机工作原理及系统组成 2 2 1 海底犁式挖沟机工作原理 海底犁式挖沟机适用于深水海域，流沙、砾石及粘土海床施工，如图2 1 为海底犁 式挖沟机挖沟作业模拟图，它通过一条深潜船( d s v ) 、多用供应船( m s v ) 和一或两 艘拖船定位并且作为动力拖动，在海底指定位置定位后，通过液压驱动将位于机体前后 两端的升降机械手伸长，抓取位于海底表面的管道并提升，到达指定高度后，抱管装置 闭合托住管道，升降机械手爪张开，恢复到初始位置，然后挖沟机尾部两侧已展开的犁 铧合拢，形成需要的管道保护沟形，合犁动作完毕后，：拖船牵引前进，在雪橇式行走机 构支撑下，犁铧在提升的管道的海底地面下挖掘管沟，随着海底挖沟机的前进，管道被 放置在低于海底水平面的管沟中，再通过回填犁回填或自然回填的方式将管道掩埋，从 而保护海底管道并且能够使其位置稳定引。 图2 1 海底犁式挖沟机挖沟作业模拟 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i 置ii 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 i ；i 高；i i ；i i ；i i ；i i i 2 2 2 海底犁式挖沟机机械系统组成 海底犁式挖沟机是典型的机电液一体化水下综合作业装备，其主要由整机机械系 统、液压系统、控制系统、水下监视系统、拖船及动力定位系统、潜水作业辅助系统等 组成。机械系统是其他所有功能实现的载体，其主要由机架、行走机构、转向机j 陶、犁 开合机构、抱管装置、布放回收对接装置、浮力调节系统等组成。结合本课题已经完成 的试验样机及工程样机概念设计，海底犁式挖沟机机械本体组成三维模型如图2 2 所：示。 1 机架2 行走机构3 转向机构 4 犁开合机构5 抱管装置6 对接装置7 浮力调节系统 图2 2 海底犁式挖沟机机械系统组成 机架是整机其他各部分的载体，与各子系统结合分别实现不同的功能。行走机构通 过深度调节液压装置改变挖沟深度，通过俯仰角度调节液压装置适应崎岖不平的海底地 面环境。转向机构可以小范围改变挖沟方向，其与抱管装置配合，可以微调挖沟作业方 向偏差，以保护管道不受损伤。犁开合机构主要是实现左右犁体的张开与闭合，在开始 挖沟作业时，张开犁体然后抓取管道使之进入犁体腔内，完毕后闭合犁体准备挖沟作业； 在结殊：挖沟作业时，需要张开犁体，将管道放置到海底平面上。抱管装置主要包括管道 提升耖械手及抱管机构，提升机械手抓取管道提升至指定高度，然后闭合抱管机构，实 现对笮：道的支撑作用，同时抱管机构还能时刻监测管道与托辊的接触压力，放置管道应 力超标。对接装置主要作用是布放回收海底挖沟机。浮力调节系统则是根据海底土壤的 剪切殖 度，调节系统浮力大小，防止挖沟机陷入海泥之中。关于机架、行走机构、转向 12 第2 章海底犁式挖沟机机械系统方案设计与：匡动学建模 ；i i ；i i i ；i i i ；i i ；i i ；i i 占；i i i ；i i i ；i i i ；i i i ；i i i i i ；i i ；i ；i ；i ；i ；i ；i i 机构、犁开合机构及抱管装置的具体组成及机构原理此处不再详述，可参考文献【4 9 - 5 1 。 为方便下文展开，本节给出挖沟机各机械子系统组成示意图，图2 3 分别为行走机构、 转向机构、犁开合机构、后抱管装置和对接装置的组成示意图。 1 机架2 深度调二13 装置液压缸3 深度凋，仃装置活塞杆 4 支撑腿5 滑靴6 湖0 速轮7 俯仰调节装置活塞杆8 俯仰调节装置液压缸 ( a ) 行走机构 1 机架2 三角架3 连杆4 转向臂 5 转向架构液压缸6 转向机构活塞杆 ( b ) 转向机构 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i ；蔷i i i i ；i i i 暑i i i i i ；i 暑i i i i ；i ；i ；i i i i i ；i i i i i i ；i i i i i ；葺i i i i i ；i i i ；i i i i ；i i 1 机架2 犁开合机构液压缸 3 左犁体4 右犁体5 犁开合机构活塞杆 ( c ) 犁开合机构 1 后悬架2 抱管机构3 机械手 ( d ) 后抱管装置 1 4 第2 章海底犁式挖沟机机械系统方案设计与运动学建模 1 导引口2 对接口3 转轴4 锁紧块 5 对接头6 弹簧7 液压缸8 活塞杆9 1 果护箱 ( e ) 对接装置 图2 3 挖沟机各机械子系统组成 对接装置的任务是完成对接头与对接口的对接与释放作业，对接头由起吊钢缆连接 工作船上的绞车，对接口固定在挖沟机的整机重心上方。 对接过程：下放起吊钢缆，对接头在导引口导引作用下进入对接口：此时液压缸进 油口出油口连通，锁紧块在自身重力和弹簧拉力作用下，处于下垂自锁状态。继续下放 起吊钢缆，对接头开始接触锁紧块啮合斜面，由于对接头及起吊钢缆重力相对于锁紧块 转轴的转矩大于锁紧块重力及弹簧拉力提供的转矩，故对接