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深水软管滚筒驱动装置结构及液压系统研究 摘要 随着海洋油气资源勘探技术的发展，我国海洋油气资源的开采正从浅海向深海迈 近。海洋油气资源通过海底管线输送到相应的存储设备，海洋输油软管以其特有的质量 轻、挠度大、安装方便等特点被广泛应用于海底管线。海洋铺管装备正是进行海底管线 铺设的重要设备之一，深水铺管装备及铺管技术的发展对深海油气资源的开采起着决定 性的作用，而我国的铺管设备只能在浅海进行铺管作业与国外具有一定差距。本文来源 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，目的 在于研制出具有自主知识产权的深海铺管作业装置。 论文对国内外深水铺管装置的技术发展进行了系统的介绍，详细研究了其工作原 理。分析了软管在海水中的受力情况，研究了深水软管铺设的适用方法。本文以国外先 进技术为参考根据设计要求确定了“深水软管滚筒驱动装置”的总体方案，并对其工作原 理进行了详尽介绍。 论文对“深水软管滚筒驱动装置”进行了总体结构设计，利用u g 软件建立了装置的 三维模型。针对“深水软管滚筒驱动装置”工作的特殊环境，研究了海洋波浪载荷对装置 的外力作用情况。利用a n s y s l s d y n a 软件对装置的主要受力部件进行了静力学有 限元强度分析，根据分析结果对部分构件进行了结构改进设计。 论文对“深水软管滚筒驱动装置”的液压系统进行了研究设计，介绍了各分系统的工 作原理建立了系统的数学模型。利用m a t l a b s i m e l i n k 软件分析了闭环系统的响应速度以 及开环传递函数的博德图，并对影响系统性能的参数进行了研究。 关键词：深水软管滚筒驱动装置；铺管；有限元分析；液压系统；数学模型 深水软管滚筒驱动装置结构及液压系统研究 a b s t r a c t w i t hm a r i n eo i la n d g a se x p l o r a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，s e a o i la n dg a s d e v e l o p m e n ti st u r n i n gf r o mt h es h a l l o ws e at od e e ps e ai nc h i n a 。s e ao i la n dg a sr e s o u r c e s w i l lb et r a n s p o r t e dt ot h ea p p r o p r i a t es t o r a g ed e v i c et h r o u g ht h ep i p e l i n ei nt h es e a b e d w i t h c h a r a c t e r i s t i c so fs m a l lm a s s 、l a r g ed e f l e c t i o na n de a s yi n s t a l l a t i o n ，t h ef l e x i b l ep i p e sa r e w i d e l yu s e d 。p i p e - - - l a y i n ge q u i p m e n ti si m p o r t a n tf o rl y i n gp i p e l i n ei nt h eb o t t o mo fs e a 。 p i p e - l a y i n ge q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g yp l a yd e t e r m i n e dr o l ei nt h ee x p l o r i n go fs e ao i ls o u r c e h o w e v e r , c h i n e s ep i p e - l a y i n ge q u i p m e n tc a l lo n l yw o r k si nt h es h a l l o ws e a ，a n df a l lb e h i n d w i t ht h ef o r e i g nc o u n t r i e s 。t h i sp a p e rr o o t e dr e s e a r c hp r o i e c t s “f l e x i b l ep i p er e e ld r i v ed e v i c e o ft h ed e e p s e a o fc o o e c ，w h i c hh a st h ep u r p o s et oc o n t r o lt h er e l a t e dt e c h n o l o g y t h ef o r e i g na n dc i v i ld e v e l o p m e n to ft h e f l e x i b l ep i p er e e ld r i v ed e v i c eo ft h e d e e p s e a i si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a n a l y s i so ff o r c ea b o u tt h ef l e x i b l ep i p ei ns e a w a t e ra n d s t u d yo fl a y i n gm e t h o di sa l s os t u d i e d 。i nt h i sp a p e r ，a d v a n c e dt e c h n o l o g ya st h er e f e r e n c e ， t h eo v e r a l lp r o g r a mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ed e f i n e dr e q u i r e m e n t s ，a n di t sw o r k i n g p r i n c i p l ei sa l s od e s c r i b e di nd e t a i l 。 o v e r a l ls t r u c t u r a ld e s i g no ft h e f l e x i b l ep i p er e e ld r i v ed e v i c eo ft h ed e e p s e a ”i s d e s i g n e d ，at h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ed e v i c ei se s t a b l i s h e db yu s i n gu g s o f t w a r e 。 a i m i n ga tt h es p e c i a lw o r k i n ge n v i r o n m e n tf o rt h e f l e x i b l ep i p er e e ld r i v ed e v i c eo ft h e d e e ps e a ”，f o r c e so nt h ed e v i c eg e n e r a t e db y w a v el o a d si ss t u d i e d 。t h i sp a p e ru s e sa n s y s l s - d y n as o f t w a r et oc a r r yo u tt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fi m p o r t a n tp a r t s ，i no r d e rt o i m p r o v e t h ed e s i g no ft h es t r u c t u r e 。 p a p e rh a sd e s i g n e dt h eh y d r a u l i cs y s t e mo f f l e x i b l ep i p er e e ld r i v ed e v i c eo ft h e d e e p s e a ”，d e s c r i b e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fv a r i o u ss u b - s y s t e m sa n d e s t a b l i s h e sf o r m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eh y d r a u l i cs y s t e m 。b yu s i n gm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e ，t h e p a p e ra n a l y s i s e st h es y s t e mr e s p o n s es p e e da n db o d ed i a g r a mo fo p e n - l o o pt r a n s f e r f u n c t i o n ，s t u d yt h ep a r a m e t e r st h a ta f f e c ts y s t e mp e r f o r m a n c e 。 k e yw o r d s ：f l e x i b l ep i p er e e ld r i v ed e v i c eo ft h ed e e ps e a ：p i p el a y i n g ：f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ：h y d r a u l i cs y s t e m ：m a t h e m a t i c a lm o d e l 第1 章绪论 1 1 课题的来源和意义 第1 章绪论 随着全球经济的发展，深海石油的开采对未来人类社会的发展具有极其重要的意 义。世界海洋石油资源量占全球石油资源总量的3 4 ，全球海洋石油的蕴藏量约为1 0 0 0 多亿吨，其中已探明的储量为3 8 0 亿吨【1 1 。 随着海上油气资源开采技术的发展，海洋石油用输油软管以其特有的性能：耐腐蚀、 耐高压、易安装等特点被广泛应用于海洋石油的输送。海洋石油用输油软管卷盘在专用 的滚筒上，用吊车吊装在铺管船上。目前世界范围内普遍采用的铺管方法主要采用铺管 船进行铺设，海洋铺管铰车作为海洋铺管船用主要设备之一，它与铺管张紧器、管道输 送架或铺管塔等组成铺管船的a r 系统，通过a r 系统的工作进行海洋石油软管的铺设 和回收作业1 2 l 。 然而国内的海洋石油开采起步比较晚，相应的海洋装备相对国外设备技术比较落 后，同样作为铺管的重要设备软管滚筒驱动装置的研制也是处于起步阶段。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：通过对国外深水软管铺管设备的解读与分析，掌握其工作原理， 研制出满足国内海洋石油软管铺设作业的深水软管滚筒驱动装置。 深水软管滚筒驱动装置是海上铺设海洋石油软管必备的大型设备，是深海软管铺设 过程中效率和可靠性的保证条件。深水软管滚筒驱动装置研制成功，可以彻底改变深水 软管铺设作业对国外技术的依赖，打破国外技术的垄断，降低铺管作业的费用，提高经 济效益。 1 2 深水软管滚筒驱动装置国内外发展概况 目前，国外对深水软管滚筒驱动装置的研究在不断的发展，针对不同尺寸的滚筒已 经研制出了一系列的深水软管滚筒驱动装置，铺管水深已达2 5 0 0 米【3 】。国内对深水软 管滚筒驱动装置的研究还处于起步阶段，海洋输油软管的铺设主要租用国外设备。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 1 深水软管滚筒驱动装置国外发展概况 国外对深水软管滚筒驱动装置的研究已有几十年的历史，具有一定的技术储备和丰 富的海洋石油软管铺设经验【4 1 。目前，世界上生产铺管设备的外国公司主要有英国的 a q u a t i c 公司、挪威的a c e r g y 公司以及荷兰的s a s 公司。 1 英国a q u a t i c 公司的深水软管滚筒驱动装置 英国a q u a t i c 公司作为全球性的公司主营业务是海洋石油软管的铺设、检测与维 修 其开发的a q p r 系列海洋石油软管铺设装置共有8 大系列2 0 余种产品，具体参数如表 1 1 所示。可驱动软管滚筒的重量从4 0 吨到4 0 0 吨，滚筒的直径从2 8 米到1 1 4 米，可 满足从浅水到深水的海洋石油软管的铺设。 表1 1 驱动装置型号 名称 可驱动滚筒重量f d 驱动力矩( t m ) 滚筒尺寸( 曲 宽度：0 5 o 6 a q p r - 0 6 b - 6 0 8 02 0 直径：5 2 宽度：0 5 0 6 a q p r - 0 6 c 8 0。8 0 2 5 直径：5 2 宽度：5 6 a q p r 0 7 a - 1 2 0 1 2 04 0 直径：2 5 - 9 2 宽度：1 9 - 6 4 a q p r - 0 8 a - 1 5 01 5 05 0 直径：2 5 9 2 宽度：1 9 6 4 a q p r m 8 b 2 0 0 2 0 08 0 直径：2 5 - - 9 8 宽度：5 6 a q p r - 0 2 c - 2 9 0 2 9 01 1 2 直径：6 9 8 宽度：5 6 a q p r - 0 1 a - 3 0 03 0 01 2 0 直径：1 1 4 宽度：5 6 a q p r - 0 2 a - 4 0 0 3 7 51 0 0 直径：6 - 1 1 4 英国a q u a t i c 公司典型铺管设备的结构如图1 1 【5 】所示，主要结构包括左侧驱动装 2 第1 章绪论 置、右侧驱动装置、底座以及轨道系统组成。 1 左侧架体2 左侧接合工具3 垂直滑块系统4 液压马达驱动系统 5 架体底座6 右侧架体7 右侧接合工具8 - 主驱动液压缸9 轴向进给液压缸 图1 1a q u 虹l l c 公司铺管设备 铺管设备安装在铺管船甲板的轨道上如图1 2 所示，轨道固定在甲板上，驱动装置 在轨道上移动到工作位置进行铺管作业。 图1 2 a q u a t i c 铺管设备安装位置图 a q u a t i c 公司软管滚筒驱动装置工作原理如下： 1 ) 两侧驱动装置沿轨道移动到滚筒所在位置； 2 ) 如图1 1 所示的主液压缸8 工作，使左侧接合工具2 、右侧接合工具7 的中心线与滚 筒的中心线重合； 3 哈尔滨：程人学硕士学位论文 3 ) 如图1 1 所示的轴向进给液压缸工作，推动左、右侧驱动装置沿滚筒轴线方向移动， 使接合工具2 、7 的法兰盘与滚筒的法兰盘相配合； 4 ) 如图1 1 所示主液压缸8 开始工作，推动垂直滑块系统3 向上移动将滚筒顶升离开 滚筒座； 5 ) 液压马达驱动系统工作，通过齿轮传动系统驱动接合工具旋转，进而驱动滚筒旋转 完成铺管作业； 6 ) 当一个滚筒的软管铺放完毕，重复1 6 的步骤进行下一滚筒的铺放软管作业。 2 挪威a c e r g y 公司的深水软管滚筒驱动装置 挪威a c e r g y 公司的深水软管滚筒驱动装置如图1 3 【6 】所示，是由机械系统及液压控 制系统组成。机械系统包括：机架、垂直滑块系统、水平滑块系统、架体固定装置、台 车系统及轨道系统组成。 1 架体2 一水平及垂直滑块系统3 架体顶升装置4 轨道系统 5 接合工具6 笼梯7 重载液压缸8 阀架 图1 3a c e r g y 公司深水软管滚筒驱动装置 液压控制系统主要包括，液压站、液压马达、架体顶升液压缸、主液压缸、 架体锁紧液压缸及水平滑块推进液压缸，如图1 4 所示： ”一灞鬃一，勰娶踟 ，重i 女国懋酸翻 瞄黼 洼审，霹争啼v p 砩 扩薷。型 型 钆 曩：l t 弛。i ，zl 槊体顶升掖压缸 主液压缸 姆去固定液压缸 u l r o e 州嘲 舢q _ - h - “唧嗍岛熟娜 图1 4 液压元件位置图 4 第1 章绪论 因为结构不同，挪威a c e g y 公司铺管装置的工作原理与英国a q u a t i c 公司铺管装 置的工作原理有所不同。挪威公司的铺管设备在接合工具与滚筒的对接过程中机架不移 动，而是在垂直滑块上安装了水平滑块系统，通过液压缸推动水平滑块来实现接合工具 与滚筒的对接。 3 荷兰s a s 公司的深水软管滚筒驱动装置 荷兰s a s 公司的铺管装置，如图1 5 f 7 】所示，与英国a q u 矧c 公司的铺管装置结构 相差不大，工作原理基本相同。 图1 5 荷兰s a s 公司的铺管装置 1 2 2 软管滚筒驱动装置国内发展现状 我国在软管滚筒驱动装置的研究领域还处于起步阶段，中海油研制出了一套简易的 软管滚筒驱动装置，如图1 6 8 1 所示。该装置在架体座上安装四个驱动轮靠液压马达提 供动力，驱动方式采取滚筒法兰盘底部驱动，如图1 7 所示。 图1 6 国内软管滚筒驱动装置 1 一滚筒2 一竣筒法兰盘3 一驱动轮4 一液压马达 图1 7 驱动部分 5 哈尔滨下程大学硕十学位论文 铺管作业时必须使软管在海水中保持恒张力状态，伴随水深的变化驱动系统提供的 张力是可调的，国内的滚筒驱动装置不具备这样的功能，所以国内的铺管装置只适用于 浅水区软管的铺设作业。国内的铺管装置优点是结构简单，但也存在不足： ( 1 ) 铺管作业对环境要求高； ( 2 ) 只能用于软管铺设作业； ( 3 ) 铺管周期长。 综合分析国内、外软管滚筒驱动装置的发展情况，国内的铺管装置功能单一，只适 用于浅水区的软管铺设；国外的铺管装置能实现软管的铺放和回收功能，同时适用于深 水和浅水区的铺管作业。伴随我国海洋石油工业的发展，深水石油的开采正在稳步推进， 碍于我国铺管设备发展现状只能租用国外设备进行深水石油软管的铺设，铺管的费用可 想而知。所以，研制出一套能够满足深水铺管作业的设备，不但可以打破国外垄断，还 可以节省出相当一部分费用。 1 3 论文主要研究内容 1 本文对国外深水软管滚筒驱动装置相关资料的解读，掌握其工作原理，根据中 国海洋石油工程有限公司提出的设计要求进行深水软管滚筒驱动装置方案设计； 2 对驱动装置的关键机构进行详细研究设计，包括：机架、机架顶升装置、机架 锁紧装置、垂直滑块系统、水平滑块系统及轨道系统； 3 利用a n s y s 软件对关键部件受力情况进行有限元强度分析； 4 对深水软管滚筒驱动装置的液压系统进行研究。 6 第2 章深水软管滚筒驱动装置总体方案设计 2 1 引言 第2 章深水软管滚筒驱动装置总体方案设计 本章根据海洋软管的铺设方法和本课题的设计要求，对海洋输油软管及软管的受力 情况进行研究。研究深水软管滚筒驱动装置的总体方案，对机械系统和液压系统的构成 进行论述。通过对总体方案的研究，介绍深水软管滚筒驱动装置的工作原理。 2 2 海洋软管简介 海洋软管是由不同层组成的复合管线，具有优良的耐腐蚀性、饶性以及安装方便等 特性【9 l ，被广泛用于输底输油管线的铺设。海洋软管不仅可以用于输送原油，还可以用 来输送天然气等。针对不同的输送介质，海洋软管的结构也是不同的，其具体构成如表 2 1 e 1 0 j 所示 表2 1 海洋软管的结构 层号天燃气海水原油 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 1 1 哈尔滨一1 ：程人学硕士学位论文 按软管构成各部分所起的作用不同可以分为5 个大的部分，如图2 1 所示【1 1 j 1 、骨架 骨架是由金属带制成的互锁结构，用来防止内衬2 塌陷； 2 、内衬 对压力护面3 、拉伸护面4 起到防腐蚀作用，还具有 一定的保温作用； 3 、径向压力护层 其是由金属丝按螺旋缠绕组成的结构层，用来抵抗 o o 8 第2 章深水软管滚筒驱动装置总体方案设计 ii i 2 3 2 “s ”型铺管法 这种铺管方法，管线从张紧器到海底这部分悬跨段呈现为“s ”型，因而定义为“s ” 型铺管法【1 5 】，如图2 3 所示。从力学分析来看，张紧器的张力随着铺管水深的变化而变 化，水深越深所需要张紧器提供的张力越大。从结构分析来看，水深越深管线在海水中 的悬空段越长，这就要求托管架的要有足够的长度。综合铺管装置力学和结构分析，受 船体空间和制造成本限制“s ”型铺管法一般只适用于浅水区的铺管作业。 0 ，即g 始终大于f 。从三个曲线的比较看，r = o 1 0 1 5 m 的软管受力最大，在设计时取其为参考标准进行设计，取其极限值e 一1 0 0 0 0 0 n 。 取软管卷盘滚筒的有效直径为8 m ，合力e 作用在滚筒上的转矩m 如图2 7 所示。 第2 章深水软管滚筒驱动装置总体方案设计 若滚筒重为4 0 0 t ，传动系统的摩擦系数取0 0 3 ，则传动系统的摩擦力矩约为2 9 4 0 0 n m 。 在铺放软管的初始阶段e 作用在滚筒上的转矩m 还不足以克服传动系统摩擦力矩，这 时驱动系统中的液压马达工作提供所需的转矩通过传动系统驱动滚筒旋转进行软管铺 设。随着软管入水深度的增加，e 作用在滚筒子上的转矩越大，当转矩m 大于传动系 统的摩擦力矩时，为了保证匀速铺管这时驱动系统中的阻力泵工作产生一定的阻力矩以 保证匀速铺管。 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 9 0 8 0 0 8 0 0 0 0 7 0 0 0 0 6 0 0 0 0 5 0 0 0 0 弓4 0 0 0 0 3 0 0 0 0 2 0 0 0 0 1 0 0 图2 6 软管合力图 瓣 2 5 深水软管滚筒驱动装置总体方案设计 2 5 1 深水软管滚筒驱动装置的设计要求 t o o2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0 9 0 01 0 0 0 圈2 7 滚筒转矩 深水软管滚筒驱动装置主要是用来进行海洋软管的铺放和回收作业，并且针对海洋 的特殊作业环境，要求该装置具有一定的调节功能来适应不同的海况。要完成上述的功 能，该装置需完成以下的基本动作，首先驱动装置就位并调整位姿使接合工具中心与滚 筒中心重合；然后顶升系统将滚筒顶升离开甲板，液压马达工作驱动滚筒旋转从而进行 软管的铺放和回收作业。综上所述，深水软管滚筒驱动装置的设计要求为： 1 ) 滚筒的直径为8 - - - ，1 1 4 m ； 2 ) 滚筒最大重量4 0 0 t ； 3 ) 收放软管速度为2 n d m i n a 4 ) 系统张力术1 0 t ； 5 ) 机架纵向移动距离术5 0m ； 6 ) 机架纵向移动速度术1 5m m i r a 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 7 ) 水平滑块移动距离术2 0 0m m ； 8 ) 垂直滑块移动距离术5 0 0m m ； 2 5 2 深水软管滚筒驱动装置设计方案 根据该装置的功能确定深水软管滚筒驱动装置由机械系统、液压控制系统组成，各 部分之间的关系如图2 8 所示。机械系统和液压系统构成了深水软管滚筒驱动装置的本 体结构，如图2 9 所示。机械系统主要包括：机架、垂直滑块装置、水平滑块系统、轨 道系统以及机架顶升装置等。液压系统包括：液压站、液压缸、液压马达、电磁阀、液 压集成块。 图2 8 各系统之间关系图 1 液压站2 滚筒3 机架4 垂直滑块系统5 水平滑块系统6 液压马达 7 水平进给液压缸8 主液压缸9 架体项升装置1 0 轨道系统 图2 9 深水软管滚筒驱动装置机械结构图 1 2 第2 章深水软管滚筒驱动装置总体方案设计 1 ) 机架 机架采用结构用方形冷弯空心型钢焊接而成，结构用方型冷弯空心型钢具有厚壁、 高刚度、高强度等特点，机架承受一定的倾覆力矩。 2 ) 垂直滑块装置 垂直滑块装置采用结构用方形冷弯空心型钢焊接而成，垂直滑块安装在机架的滑轨 上，在主液压缸的顶升下沿滑轨上下移动，承受一定的倾覆力矩。 3 ) 水平滑块系统 水平滑块系统包括水平滑块和主驱动系统。水平滑块用结构用方型冷弯空心型钢焊 接而成。深水软管滚筒驱动装置包括左右两部分，滚筒的两侧各为一部分，根据设计要 求每部分完成相应的功能。通过对国外软管铺设技术和工作原理的分析可以得出，该装 置的核心部分在于主驱动系统驱动滚筒旋转，进行铺管作业。由于装置分为左右两个部 分，所以在主驱动系统采用液压马达、泵作为动力源驱动滚筒旋转时，可以有两个方案， 方案一：驱动装置一侧采用液压马达、泵驱动，另一侧为从动部分只起支撑滚筒作用； 方案二：采用双侧液压马达、泵驱动。针对以上两种方案，深入分析各自的优缺点，再 综合各方面的信息选出一个最优的方案。 方案一：采用单侧驱动，另一侧为从动只起支撑滚筒作用t 采用此方案驱动装置的结构如图2 1 0 所示。一侧装置包括机架、水平滑块系统、垂 直滑块系统、驱动系统及轨道系统，该侧为主驱动部分，液压马达和泵根据铺管要求进 行工作。另侧装置包括机架、水平滑块系统、垂直滑块系统以及轨道系统组成，该侧 为从动部分，只起来支撑滚筒的作用。装置驱动部分的传动原理图如图z l l 所示，左侧 驱动部分包括液压马达、液压泵、离合器、减速器、齿轮传动系统以及接合工具，这些 部件安装在水平滑块上；右侧从动部分包括结合工具，装配在水平滑块上下面对各部 件的选用和功能进行简单介绍。 液压马达。液压马达通常是指能够输出旋转运动的，将液压泵提供的液压动力转 变为机械动力的能量转换装置【1 7 1 。液压马达选用径向柱塞液压马达，其特点是速 度低、扭矩大，改变液压油的流向可以实现液压马达反转。在驱动系统中的作用： 提供驱动力矩； 液压泵。液压泵是液压系统的动力元件，其作用是将原动机的机械能转换成液体的 压力能，向整个液压系统提供液压动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵 和柱塞泵i 堋。驱动系统选用径向柱塞泵，其特点是工作压力高、系统噪音低。在驱 动系统中的作用：提供阻力矩； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 离合器。在传动系统运转过程中，可使两轴随时接合、分离的装置。能够保证 传动系统平稳起步，分离迅速而彻底。离合器选用液压离合器，其特点是运行安全、 可靠、离合迅速平稳【1 9 】。在驱动系统中的作用：在铺管的初始阶段，液压马达处的 离合器处于接合状态，使液压马达产生的扭矩通过齿轮传动系统驱动滚筒旋转，此 时液压泵的离合器处于断离状态，液压泵不工作；当软管对滚筒产生的力矩m 大于 驱动系统的摩擦力矩时，液压泵处的离合器处于接合状态，通过液压泵产生的阻力矩 平衡掉一部分力矩m 以保证滚筒匀速转动，此时液压马达处的离合器处于断离状 态，液压马达不工作； 减速器。减速器可以使系统的转速降低并能增大传递的转矩。减速器选用行星齿轮 减速器，其特点是重量轻、体积小、传动比范围大等 2 0 i 。在驱动系统中的作用：通 过减速器的减速作用，使接合工具的转速达到需要的速度； 齿轮传动机构。选用直齿圆柱齿轮机构作为传动机构，直齿圆柱齿轮机构可以分为 外啮合直齿圆柱齿轮机构、内啮合直齿圆柱齿轮机构及齿轮齿条机构【2 1 1 。由于船上 空间有限对驱动装置的外形尺寸有一定的限制，所以采用内啮合直齿圆柱齿轮机构， 其特点是结构紧凑、效率高。在驱动系统中的作用：传递扭矩，减速( 使大齿轮的 转速达到设定的速度) ； 接合工具。接合工具与滚筒的法兰相配合，用来承受滚筒的重量同时将液压马达产 牛的驱动力矩或液压泵产牛的阻力矩传递到滚筒。 图2 1 0 方案一结构图图2 1 1 传动原理图 本方案采用单侧驱动，从经济方面看，减少了一侧的驱动部分可以降低制造成本； 从机械结构设计方面看，软管合力瓦对滚筒产生的力矩m 都由单个的马达、泵来提供， 这就必须选用大扭矩的马达、泵、离合器及减速器，同时齿轮传动机构的尺寸也要相应 的增大，以上这些都会增加设计成本，驱动装置的外型尺寸也会加大；从控制方面看， 1 4 第2 章深水软管滚筒驱动装置总体方案设计 有驱动系统的部分为主动端，没有驱动系统为从动端，这样控制起来就比较简单；从安 全性方面看，海上天气多变风大浪大，若在铺管的过程中驱动系统出现故障，对驱动装置、 铺管船乃至船员的人身安全可能造成不可预料的后果。 方案- - - 采用双侧驱动 采用该方案的驱动装置的结构与图2 1 0 的结构基本相同，在从动端也加上驱动系 统。整个装置驱动部分的原理图如图2 1 2 所示，左侧驱动部分包括液压马达、液压泵、 液压离合器、行星齿轮减速器、内啮合齿轮传动系统以及接合工具，这些部件安装在水 平滑块上；右侧驱动部分与左侧驱动部分结构相同，也安装在水平滑块上。 液 图2 1 2 传动原理图 本方案采用双侧驱动，从经济方面看，相比较方案一多了一套驱动装置，增加了成 本；从结构设计方面看，软管合力e 对滚筒产生的力矩m 由两侧装置承担，液压马达、 液压泵、行星齿轮减速器会选用小一些的，内啮合齿轮传动机构的尺寸也会减小，从而 驱动装置的外型尺寸也会减小，对于船上有限的空间这是非常重要的；从结构工艺性方 面看，采用双侧驱动更合理；从控制方面看，采用双侧驱动来驱动滚筒旋转就要求两侧 的驱动装置必须同步，这在控制上是可以实现的；从安全性方面看，可以克服方案一中 出现的问题，等于给驱动装置加上了保险。 综上所述，通过对比方案一和方案二可以看出，方案二在经济上不如方案一，但在 其他方面都是方案一所不具备的。所以选用方案二更合理，能满足铺设软管的需要。 4 ) 轨道系统 轨道系统包括若干组轨道( 根据船上甲板长度以及放置滚筒数量确定) ，轨道之间通 过对接板用螺栓联接。 5 ) 机架顶升装置 机架顶升装置是通过液压缸的上下移动，将机架顶升离开轨道，使架体在定行程液 哈尔滨工程大学硕士学位论文 压缸的作用下沿轨道移动到达工作位置。 6 ) 机架锁紧装置 机架锁装置是在铺管的过程中将机架与轨道锁紧的装置，锁紧装置结构采用连杆机 构。 2 6 深水软管滚筒驱动装置工作原理 软管滚筒驱动装置的主要用来进行深水软管的铺放作业。驱动装置和软管滚筒在船 的甲板上就位以后，进行铺管作业。其工作原理如下： 1 ) 机架顶升液压缸工作，如图2 1 3 中箭头方向所示，液压缸活塞杆向外伸出顶升机架 离开轨道。 图2 1 3 驱动装置项升离开轨道图2 1 4 行走机构液压缸工作 2 ) 行走机构定行程液压缸工作，如图2 1 4 所示。拖动架体沿轨道移动到软管滚筒 所在位置，使驱动装置接合工具中心轴线x 1 、x 2 与滚筒中心轴线x 3 处在同一竖直平 面y - z 内，如图2 1 5 所示； 图2 1 5 接合工具中一t l , 线与滚筒中一t l , 线在同一竖直平面 1 6 第2 章深水软管滚筒驱动装置总体方案设计 2 ) 机架顶升液压缸回油，如图2 1 3 所示，液压缸反向动作使机架落回轨道面。机 架锁紧装置工作，锁紧液压缸如图中箭头方向所示，活塞杆向上移动使驱动装置的机架 底座与轨道固定锁紧，如图2 1 6 所示。通过机架底座与轨道面之间产生的预紧力来平 衡软管传递到滚筒的张力、风力以及海浪的冲击载荷，保证铺管工作的安全、可靠； 图2 1 6 锁紧装置工作 3 ) 主驱动液压缸工作，推动垂直滑块系统沿垂直轨道移动，如图2 1 7 所示。使接 合工具的中心轴线y 1 、y 2 与滚筒的中心轴线y 3 处于同一水平平面x z 内，并且使轴 线y 1 、y 2 、y 3 同轴，如图2 1 8 所示； 主驱动 液压缸 图2 1 7 主驱动液压缸工作 1 7 主驱动 液压缸 统一门一!：一 一冢w“怂懑撼照 藏 童_妊藿黉鬣 一蠹l i 哈尔滨_ 程人学硕士学位论文 嘲”，引j 蛩”：0嘲71 t 图2 1 8 轴线y 1 、y 2 、y 3 同面同轴 4 ) 通过液压马达微调，使接合工具的对接卡槽与滚筒的突起对齐，如图2 1 9 所示。 水平液压缸工作，如图2 1 8 箭头指向，液压缸活塞杆伸出推动水平滑块沿滚筒中心线 移动，使接合工具的法兰盘与滚筒的法兰盘对接。如图2 2 0 所示； 襄俺戚麈 幽2 1 9 滚筒及接合上具不意图图2 2 0 对接不惫幽 5 ) 主液压缸工作，顶升滚筒离开滚筒座，如图2 2 1 所示 6 ) 液压马达工作，液压马达产生的扭矩经过减速器与齿轮传动系统传递到接合工 具，通过接合工具的卡槽与滚筒凸起将扭矩传递到滚筒，从而驱动滚筒旋转进行铺管作 业，如图2 2 2 所示。 当一个滚筒的软管铺设完毕，重复1 - - 6 的步骤进行下一滚筒的软管铺设。 第2 章深水软管滚筒驱动装置总体方案设计 图2 2 1 滚筒与滚筒座分离 2 7 本章小结 图2 2 2 铺管 本章首先确立了铺管方法采用j ”形铺管法，并对软管在海水中的受力情况进行了 分析为总体方案提供理论依据。其次，根据设计要求确立了深水软管滚筒驱动装置的总 体方案，方案的核心在于驱动装置主驱动系统方案的确立。最后，详细介绍了深水软管 滚筒驱动装置的工作原理。 1 9 哈尔滨丁程人学硕士学位论文 第3 章深水软管滚筒驱动装置的结构设计 3 1 引言 深水软管滚筒驱动装置是用来驱动滚筒旋转从而完成铺管作业的装置，其中机架、 机架顶升装置、机架锁紧装置、垂直滑块装置、主驱动系统以及轨道系统是其主要组成 部分。本章对深水软管驱动装置结构进行设计时，将对其中一些零件进行结构优化设计， 利用a d a m s 软件对机架锁紧装置进行仿真分析。 3 2 深水软管滚筒驱动装置机架的设计 机架通过自身的滑轨与垂直滑块装置的滑轨相配合安装在一起，机架主要包括架 体、底座及滑动导轨，如图3 1 所示，机架承受一定的倾覆力矩。架体采用结构用方型 冷弯空心型钢焊接而成，底座采用结构用h 型钢焊接而成，滑轨采用铸铁铸造而成。 缓荔彩缴缀黝籀糍黪凝搿鳓黝黝鳓缀 图3 1 机架 3 2 1 架体与底座的结构设计 图3 2 焊接形式 架体采用结构用方型冷弯空心型钢采用衍架的方式焊接而成，其主要结构特点在 于，各方型空心型钢受力均以单向拉、压为主，通过对加强用方型型钢的合理布置，可 有效的改善结构内部的受力分布。由于水平方向力的作用基本平衡，整个结构不对机架 底座产生水平推力。机架底坐采用h 型钢焊接而成，其特点是承受压力的同时还能承 受一定的弯曲应力。架体与底座之间也通过焊接的方式连接构成一个整体，所有 第3 章深水软管滚筒驱动装置的结构设计 焊接采用手工电弧焊，焊接形式如图3 2 所示。 在架体与底座焊接的过程中型钢受热不均会使材料局部产生变形，当温度恢 复初始状态后就会产生残余应力，而残余应力的存在对焊接的结构存在着一定的 影响【2 2 】： 焊接产生的残余应力大于材料强度时会对焊接件造成损坏，使焊接的结构失 效。 对焊接构件尺寸精度要求高的，必须采用其他的机械加工方法保证精度。 使焊接构件的稳定性降低。 通过对焊接结构残余应力对结构影响的分析可以看出，残余应力的存在对焊接 结构能否正常工作至关重要。下面通过残余应力基本方程的分析来判断机架的焊 接是否存在残余应力，并分析消除残余应力的一些方法。焊接残余应力的基本方 程如下【2 3 j ： x t8 x 七钆 ；2 ( 3 1 、 8 y | y ， 7 x1 7 x + y x 上式中：厶，g ，以一总应变分量，单位1 1 1 1 1 1 ； ：， ，：弹性应变分量，单位m m ； ，f ；，y ：一非弹性应变分量，单位1 1 1 1 1 1 ； 弹性应变与应力之间的关系符合虎克定律，即 ；一吉( 巳。q ) f ；i 砉b 肛叹) y - 掣岛 应力平衡条件为 堡+ 堡。o a o r y + 蔓。o 砂 缸 总应变必需满足变形协调条件，即 2 i ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 s ) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 等+ 等一等，+ 等+ 兽一等一b 9 ) 根据上式可用下式作为判断是否出现残余应力的条件，即 c 等+ 兽一等 当r = o 时，不产生残余应力；当r 0 时，产生残余应力。机架的焊接形式如图3 2 所示，方形钢管的接触平面属于多连通域，通过高等数学的知识可知r 0 ，即存在一定 的焊接残余应力。消除焊接残余应力的方法有热处理、锤击法、震动消除法等，根据实 际情况机架焊接后可以选用锤击法来消除焊接机架时产生的残余应力。 3 2 2 滑动导轨的设计 滑轨通过螺栓与机架的主立柱连接在一起，与垂直滑块装置的滑轨组成导轨副配合 使用，用来承受一定的压力和倾覆力矩。滑动导轨的类型有以下几种刚： v 形导轨。分为对称v 形导轨、非对称v 形导轨。特点是导向精度高，磨损后能 自动补偿； 矩形导轨。特点是制造简单，承载能力大； 圆柱形导轨。主要用于承受轴向载荷场合。 根据机架上导轨的受力情况选用导轨的类型为矩形导轨，导轨上的受力都可以简化 为一个集中力f 和一个倾覆力矩m ，导轨的受力情况如图3 3 所示 f 图3 3 导轨受力图 由第二章的软管受力分析可知软管的受的最大拉力f 。= 1 0 0 0 0 0 n ，可以确定导轨上的集 中力f = f 。= 1 0 0 0 0 0 n ，倾覆力矩是由海浪对船体的冲击产生的，可以确定 m = 9 8 0 0 0 n m 。根据导轨所承受压强的公式来确实导轨的长度l 及宽度a ，导轨的压 慰弋 强公式如下所示1 2 5 l ： 厂p 眦一。+ 乓一主o + 警u i v i 1 p 眦l o + 乓。主( 1 + 瓦) 0 且p 觚 0 进行设计以确实导轨的长度l ，以p 眦 5 4 ，a 0 0 3 3 2 9 ， 根据机架导轨与垂直滑块导轨组成导轨副的行程，圆整取l = 7 m ，a = 0 0 3 5 m 。 3 3 机架顶升装置的设计 驱动装置的机架安放在轨道上，当一个滚筒的软管铺放完毕，驱动装置沿轨道行进 到下一个滚筒位置，如果行进是在驱动装置机架座底面与轨道上平面组成平面副进行， 会产生很大摩擦力对装置的具有一定的破坏性。机架顶升装置的正是将机架与轨道的平 面摩擦转换为通过自身的承重轮与轨道面的滚动摩擦，不但减小了摩擦阻力也对机架和 轨道起到了保护作用。机架顶升装置安装在机架底座上，安装位置如图2 1 2 所示。机 架顶升装置由液压缸、对接板、壳体、支架、轴、轴承及承重轮组成，如图3 4 所示， 液压缸缸体与壳体通过螺栓连接为一体，液压缸的活塞杆通过螺栓与支架连接，承重轮 安装在支架上。工作时机架顶升装置液压缸工作活塞杆向下伸出，承重轮与轨道面接触， 哈尔滨二r ：程大学硕士学位论文 此时活塞杆有向下伸出趋势但不动作，当液压油压力持续增加，其对液压缸缸体产生的 作用力与单侧驱动装置的重力相等时会顶升单侧驱动装置离开轨道。工作过程如图3 5 所示。机架顶升装置的壳体与支架采用焊接制造，下面将着重对螺栓联接的设计、液压 缸的选型进行研究。 1 对接板2 壳体3 轴承4 液压缸 5 支架6 轴7 承重轮 图3 4 机架顶升装置 3 3 1 螺栓组联接的设计 辜九遵 图3 5t 作过程 如图3 4 所示，螺栓组是将液压缸缸体与壳体联接为一体并承受一定的拉力作用。 液压缸的法兰盘为圆形，所以螺栓组按圆形排布数目为1 0 个。螺栓组承受轴向载荷，单 侧驱动装置的重量为6 0 t ，则每个螺栓组承受的总载荷s f = 1 5 t 。下面根据以下公式进 行螺栓的设计瞄1 l f ：y f l z e = 墨+ f( 3 1 3 ) i b 、，署4 x 1 3 f 2 式中：f 一工作载荷，单位n ； z f 一螺栓组总载荷，单位n ； z 一螺栓个数； f 2 一螺栓总拉力，单位n ； 互一预紧力，墨= ( 0 2 , - 。0 6 ) f ，单位n ； 第3 章深水软管滚筒驱动装置的结构设计 吐一螺栓危险截面直径，单位i l l m ： p 】一螺栓许用拉应力，材料为4 5 钢2 6 7 m p a ； 将已经参数代入式3 1 3 可解得，, 1 1 0 4 6 r a m ，圆整选取螺栓为m 1 2 。 3 3 2 液压缸的选型 2 7 1 每个机架顶升装置液压缸承受的压力为1 5 t ，液压缸的机械效率取o 9 2 ，所以每个 液压缸需产生的推力为1 6 3 t 。 ( 1 ) 液压缸工作压力的确定 不同功能的液压设备，随着工作环境的变化，对工作压力的要求也不同。机架顶升 装置属于工程机械范畴，所以取液压缸的工作压力为1 6 m p a 。 ( 2 ) 液压缸尺寸的确定 液压缸缸简直径按下式计算 d i 躁 ( 3 1 4 ) 将f - 1 6 3 t = 1 5 。9 7 4 0 n ，p - - - 1 6 m p a 代入上式求得，d = 1 1 2 7 m m ，按标准取d = 1 2 5 m m , d = 7 0 m m ，行程为2 0 0 r a m ，缸筒壁厚d = 1 5 m m ，缸筒材料为2 0 c r m o ，查表sb = 8 8 5 m p a 。 ( 3 ) 液压缸缸体壁厚的校核 计算出的缸简直径d = 1 2 5 m m ，选取的壁厚为d = 1 5 m m ，d d = 8 3 。当缸筒d d 9 3 7 5 m m ，满足使用要求。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 活塞杆稳定性校核 当液压缸的活塞杆受到轴向压力时，它所承受的轴向力f 不能超过工作时的临界负 载，以免发生轴向弯曲使液压缸不能正常工作。活塞杆稳定性的校核可以依下式进 行： 耻南1 + a - - - ( ) 2 ( 3 - 1 6 ) 仍 f 墨墨 式中：，一由材料强度决定的实验值，单位n m ，a 为