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密 級(jí) 公開 學(xué) 號(hào) 090545 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 水下海底管道金剛石 繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) 院 （ 系 、 部 ） ： 機(jī)械工程學(xué)院 姓 名： 年 級(jí)： 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指 導(dǎo) 教 師 ： 教 師 職 稱 ： 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) 2 2015 年 6 月 16 日 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) 北京石油化工學(xué)院 學(xué)位論文電子版授權(quán)使用協(xié)議 論文水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì)系本人在北京石油化工學(xué)院學(xué)習(xí) 期間創(chuàng)作完成的作品，并已通過論文答辯。 本人系作品的唯一作者，即著作權(quán)人?，F(xiàn)本人同意將本作品收錄于“北京 石油化工學(xué)院學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫”。本人承諾：已提交的學(xué)位論文電子版與 印刷版論文的內(nèi)容一致，如因不同而引起學(xué)術(shù)聲譽(yù)上的損失由本人自負(fù)。本人 完全同意本作品在校園網(wǎng)上提供論文目錄檢索、文摘瀏覽以及全文部分瀏覽服 務(wù)。公開級(jí)學(xué)位論文全文電子版允許讀者在校園網(wǎng)上瀏覽并下載全文。 注：本協(xié)議書對(duì)于“非公開學(xué)位論文”在保密期限過后同樣適用。 院系名稱： 作者簽名： 學(xué) 號(hào)： 年 月 日 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) III 北 京 石 油 化 工 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 任 務(wù) 書 學(xué)院（系、部） 機(jī)械學(xué)院 專業(yè) 機(jī)械工程及自動(dòng)化 班級(jí) 機(jī) 112 學(xué)生姓名 閆啟亮 指導(dǎo)教師/職稱 高輝/講師 1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 海底管道金剛石繩鋸切割系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.任務(wù)起止日期： 2015 年 2 月 21 日 至 2015 年 5 月 27 日 3.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容與要求 （含課題簡介、任務(wù)與要求、預(yù)期培養(yǎng)目標(biāo)、原始數(shù)據(jù)及應(yīng)提交的成果） （1）課題簡介 我國在南海海域擁有近 10 個(gè)油氣田群，近年來不僅油氣田開發(fā)數(shù)量不斷增長，而且開 采深度也在不斷加深。例如：西江油田平均水深 100 米、惠州油田群平均水深 98116 米、 流花油田平均水深 305 米、陸豐 221 油田平均水深 332 米、番禺 51 油田平均水深 110 米、崖城 13 1 氣田平均水深 100 米、文昌 131 油田平均水深 117 米。另外，從投產(chǎn)時(shí) 間上來看絕大多數(shù)油田服役期限已達(dá)到 10 年以上，有的甚至超過 20 年。例如：潿洲 10 3 油田 1986 年 08 月投產(chǎn)、惠州 211 油田 1990 年 9 月投產(chǎn)、陸豐 131 油田 1993 年 10 月投產(chǎn)、崖城 131 氣田 1995 年 10 月投產(chǎn)。不論從油田數(shù)量還是從服役年限來看， 可以預(yù)計(jì)在未來幾年中，水下鋼結(jié)構(gòu)物（包括：采用平臺(tái)、FPSO、海底管道、吸力錨等） 和海底管道維修工作量必將大幅攀升。因此，研究一套用于海底管道切割的金剛石繩鋸切 割系統(tǒng)具有重要意義。通過本課題的研究，力爭使學(xué)生掌握基本的設(shè)計(jì)方法和技巧，提高 知識(shí)的綜合運(yùn)用的能力。 （2）任務(wù)與要求 1) 查閱相關(guān)國內(nèi)外文獻(xiàn)資料 2) 總體方案設(shè)計(jì) 3) 液壓系統(tǒng)計(jì)算及元件選型 4) 液壓系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真 5) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) （3）預(yù)期培養(yǎng)目標(biāo) 通過該畢業(yè)設(shè)計(jì)，使學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)系統(tǒng)化，并得到擴(kuò)展和補(bǔ)充，將理論與實(shí)踐相 結(jié)合使其學(xué)會(huì)獨(dú)立解決實(shí)際工程技術(shù)問題的初步技巧，掌握基本的文獻(xiàn)檢索方法，至少熟 練掌握fluid-sim、protel及SolidWorks、UG、PROE等三維繪圖軟件中的一種，提高綜合運(yùn) 用所學(xué)知識(shí)獨(dú)立解決問題的能力，為將來的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) I （4）原始數(shù)據(jù) 1) 管道直徑 30 寸 2) 最大切割速度 30mm/min 3) 液壓系統(tǒng)最高工作壓力 21.5MPa （5）應(yīng)提交的成果 1) 外文資料翻譯 2) 設(shè)計(jì)計(jì)算過程報(bào)告 3) 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖及仿真動(dòng)畫 4) 控制系統(tǒng)原理圖 5) 開題報(bào)告 6) 畢業(yè)論文 7) 工作日記 4.主要參考文獻(xiàn) 1) 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 趙衛(wèi)軍主編 科學(xué)出版社 2) 液壓元件及選用 王守城, 段俊勇主編 化學(xué)工業(yè)出版社 3) 液壓系統(tǒng)原理圖分析技巧 李松晶，叢大成，姜洪洲編著 化學(xué)工業(yè)出版社 5.進(jìn)度計(jì)劃及指導(dǎo)安排 周次 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 1 完成課題相關(guān)文獻(xiàn)檢索 2 完成并提交外文資料翻譯 3 閱讀所有文件并完成文獻(xiàn)綜述 4 完成總體方案設(shè)計(jì)、開題報(bào)告，進(jìn)行開題報(bào)告答辯 5 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 零部件及裝配體的二維圖繪制 7 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 液壓系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真 9 液壓系統(tǒng)原理圖繪制 10 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 電控系統(tǒng)原理圖繪制 13 書寫畢業(yè)論文 14 預(yù)答辯；所有畢業(yè)設(shè)計(jì)資料的修改、整理及定稿打印 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) II 任務(wù)書審定日期 年 月 日 系（教研室）主任（簽字） 任務(wù)書批準(zhǔn)日期 年 月 日 教學(xué)院（系、部）院長（簽字） 任務(wù)書下達(dá)日期 年 月 日 指導(dǎo)教師（簽字） 計(jì)劃完成任務(wù)日期 年 月 日 學(xué)生（簽字） 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) III 摘 要 隨著科技步伐的加快，液壓技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，液壓系統(tǒng) 已成為主機(jī)設(shè)備中最關(guān)鍵的部分之一。但是，由于設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用和 維護(hù)等方面的因素，影響了液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，了解系統(tǒng)工作原理， 懂得一些設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用和維護(hù)等方面的知識(shí)，是保證液壓系統(tǒng)能正 常運(yùn)行并極大發(fā)揮液壓技術(shù)優(yōu)勢(shì)的先決條件。 本文主要研究的是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要與主機(jī)的總體 設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行。設(shè)計(jì)時(shí)，必須從實(shí)際情況出發(fā)，有機(jī)地結(jié)合各種傳動(dòng)形式，充 分發(fā)揮液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，力求設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低、效率高、 操作簡單、維修方便的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。 本文介紹了國內(nèi)外水下作業(yè)工具、水下作業(yè)系統(tǒng)、常用的水下切割方法和 管道切割的發(fā)展現(xiàn)狀，歸納和總結(jié)了國內(nèi)外金剛石繩鋸機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r，提出了 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)進(jìn)行海底油氣管道切割的思路,設(shè)計(jì)出繩鋸機(jī)的 液壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)，并對(duì)動(dòng)力源的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和校核。本論文主 要完成了如下工作： 1、 完成了水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)機(jī)方案確定與分析設(shè)計(jì)。 2、 完成了水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 3、 完成了繩鋸機(jī)的液壓系統(tǒng)動(dòng)力源，計(jì)算了液壓執(zhí)行元件的主要參數(shù)， 并對(duì)繩鋸機(jī)的夾緊裝置、張緊裝置、進(jìn)給裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 4、 設(shè)計(jì)出水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖，并對(duì)液壓 動(dòng)力源的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和檢驗(yàn)，選擇了液壓泵、電機(jī)、 控制閥等元件。 5、 完成了水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)專用液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)，金剛石繩鋸切割機(jī)，設(shè)計(jì) 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) III Abstract With the development of the technology, hydraulic technology has been widely used in various fields, and hydraulic system has become one of the most important parts of the host equipment. However, due to the design, manufacture, installation, use and maintenance of factors, the impact of the normal operation of the hydraulic system. Therefore, to understand the working principle of the system, to understand some of the design, manufacture, installation, use and maintenance of knowledge is a hydraulic system to ensure normal operation and great play a prerequisite for hydraulic technology advantage. This paper mainly studies the hydraulic transmission system, the design of hydraulic drive system and the overall design of the host. Design, we must proceed from the actual situation, and organically combined with various forms of transmission, give full play to the advantages of hydraulic transmission, strive to design a simple structure, reliable work, low cost, high efficiency, simple operation, convenient maintenance hydraulic transmission system. Is introduced in this paper the development status of the at home and abroad work tools, underwater operation system, common water cutting method and cutting the pipe, and sums up the developing situation at home and abroad of diamond wire saw, put forward the idea of underwater submarine pipeline diamond wire saw cutting machine for cutting the seabed oil-gas pipeline design wire saw machine hydraulic drive and control system, and main technical parameters of the power is calculated and checked. This thesis mainly completes the following work: 1, the underwater submarine pipeline diamond wire saw cutting machine plan and analysis design. 2. The hydraulic system design of the diamond wire saw cutting machine for underwater submarine pipeline is accomplished. 3, the power source of the hydraulic system of the rope saw is finished, and the main parameters of the hydraulic execution element are calculated, and the clamp device, the tensioning device and the feeding device of the rope saw machine are designed. 4, design of underwater submarine pipeline diamond wire saw cutting machine hydraulic system principle diagram, and calculating and checking the main technical 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) I parameters of the hydraulic power source, choose the hydraulic pump, motor, control valves and other components. 5. The design of the special hydraulic system for the diamond wire saw cutting machine of underwater submarine pipeline is accomplished. Key word:underwater submarine pipeline diamond wire saw cutting machine, diamond wire saw cutting machine, design 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) III 目 錄 摘 要 .I ABSTRACT.VI 第 1 章 概述 .1 1.1 課題的來源、目的和意義 .1 1.1.1 水下金剛石繩鋸切割技術(shù)的國內(nèi)發(fā)展 .1 1.1.2 水下金剛石繩鋸切割技術(shù)的國外發(fā)展 .2 1.1.3 國外水下金剛石繩鋸機(jī)作業(yè)技術(shù)方案分析 .1 1.2 本文的主要研究的內(nèi)容 .2 1.3 液壓傳動(dòng)特點(diǎn) .4 第 2 章 水下海底管道金剛石繩鋸切割總體方案設(shè)計(jì) .7 2.1 課題簡介及任務(wù)要求 .7 2.2 金剛石繩鋸機(jī)的基本組成及工作原理 .7 2.3 進(jìn)給傳動(dòng)絲桿螺母副的計(jì)算和造型 .9 2.3.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及流程 .11 2.3.2 工作原理 .12 第 3 章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) .13 3.1 液壓執(zhí)行元件的配置 .13 3.2 夾緊裝置液壓缸的主要結(jié)參數(shù) .13 3.3 活塞桿強(qiáng)度計(jì)算 .14 3.4 液壓缸活塞的推力及拉力計(jì)算 .15 3.5 活塞桿最大容許行程 .16 3.6 液壓缸內(nèi)徑及壁厚的確定 .17 3.7 主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的計(jì)算與選擇 .17 3.8 液壓泵及其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇 .19 3.8.1 液壓泵的最大工作壓力 .20 3.8.2 計(jì)算液壓泵的最大流量 .20 3.8.3 選擇液壓泵的規(guī)格 .21 3.8.4 計(jì)算液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率并選擇原動(dòng)機(jī) .22 3.9 其他液壓元件的選擇 .23 3.9.1 液壓閥及過濾器的選擇 .23 3.9.2 油管的選擇 .24 3.9.3 油箱及其輔件的確定 .25 3.10 液壓系統(tǒng)壓力損失驗(yàn)算 .26 第 4 章 實(shí)驗(yàn)臺(tái)面板的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) .28 4.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)面板的結(jié)構(gòu) .28 4.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)面板的設(shè)計(jì) .28 4.2.1 分析液壓系統(tǒng)，確定實(shí)驗(yàn)臺(tái)面板結(jié)構(gòu) .28 4.2.2 液壓元件的布局 .28 4.2.3 確定油孔的位置與尺寸 .28 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) I 4.2.4 繪制實(shí)驗(yàn)臺(tái)面板零件圖 .29 第 5 章 液壓站設(shè)計(jì)與維護(hù)保養(yǎng) .30 5.1 油箱的設(shè)計(jì) .30 5.2 液壓站結(jié)構(gòu) .33 5.3 液壓站的組裝 .34 5.4 液壓站注意事項(xiàng) .35 第 6 章 管路的設(shè)計(jì) .35 6.1 管路的選擇與布置 .36 6.2 管路的連接 .36 6.2.1 焊接式管接頭 .36 6.2.2 卡套式管接頭 .36 6.2.3 擴(kuò)口式管接頭 .36 6.2.4 選擇管路連接方式 .37 第 7 章 液壓站的組裝調(diào)試、使用維護(hù) .38 7.1 液壓站的組裝 .38 7.2 液壓元件和管道安裝 .38 7.3 液壓站的使用與檢查 .39 7.3.1 使用的一般注意事項(xiàng) .39 7.3.2 檢查 .39 第 8 章 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析 .40 參考文獻(xiàn) .43 總 結(jié) .44 致 謝 .45 聲 明 .47 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) 0 第 1 章 概述 1.1 課題的來源、目的和意義 海洋石油開發(fā)企業(yè)正在策劃這項(xiàng)龐大的工程，包括相關(guān)技術(shù)和工程的研究。 海底管道維修作業(yè)系統(tǒng)這一重大課題研制成功，不僅能提高海上石油平臺(tái)維修 和拆除的效率，降低拆除的費(fèi)用，使有用材料的回收、再利用。同時(shí)還能使我 國在相關(guān)領(lǐng)域的科技水平得到提高，避免受國外公司技術(shù)保密的限制。在該項(xiàng) 課題研發(fā)成功和該設(shè)備建成并投入使用之后，可以形成對(duì)水深60米以淺的、直 徑為4護(hù)石油平臺(tái)導(dǎo)管架的快速拆除能力。實(shí)現(xiàn)由國內(nèi)工程公司完成石油平臺(tái)的 拆除工作，達(dá)到縮短周期，降低作業(yè)成本，減少國家和企業(yè)的損失，保護(hù)海洋 環(huán)境，不妨礙其它海洋資源開發(fā)的目的。20余年時(shí)間我國也樹起了近百座平臺(tái)。 這些海中建筑為人類帶來了滾滾能源和財(cái)富，也在一定程度上改變、破壞了海 洋環(huán)境。隨著資源的枯竭，平臺(tái)也就完成了它的使命，如何處置這些海上怪物， 就提到油田開發(fā)者面前。根據(jù)國際公約、國際慣例和國內(nèi)有關(guān)法律、法規(guī)要求， 為保護(hù)海洋環(huán)境和不妨礙對(duì)其它海洋資源的開發(fā)，海上構(gòu)筑物退役后，如無其 它用途，通常應(yīng)予以拆除或部分拆除。我國海上油氣田壽命一般約為1020 年。 根據(jù)國內(nèi)有關(guān)研究部門預(yù)測(cè)，到2016年，現(xiàn)已投產(chǎn)的海上油氣生產(chǎn)設(shè)施中的 60%70%，將陸續(xù)退役并進(jìn)行廢棄處置，而 2006年左右則是我國海上采油平臺(tái) 拆除的第一個(gè)高峰期 2-3。 1.1.1 水下金剛石繩鋸切割技術(shù)的國內(nèi)發(fā)展 國內(nèi)繩鋸產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚，比起國外存在一大段差鋸。一方面是市場(chǎng)需求。 國內(nèi)繩鋸機(jī)主要還是應(yīng)用在石材開采加工領(lǐng)域，而建筑領(lǐng)域處于剛起步階段， 海洋開發(fā)領(lǐng)域尚未有太大成績。另一方面，國內(nèi)串珠繩產(chǎn)品的質(zhì)量很低。僅有 少數(shù)幾個(gè)廠家研發(fā)出適合大理石開采電鍍金剛石串珠繩，且切削效率遠(yuǎn)低于進(jìn) 口產(chǎn)品，僅僅占有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。金剛石繩鋸機(jī)的廣泛應(yīng)用與強(qiáng)大的生命力,主要是 由于它在制造、性能和使用上具有一系列優(yōu)越性,目前已經(jīng)顯示出它的廣闊發(fā)展 前景,很值得矚目,金剛石繩鋸機(jī)正向著切割控制計(jì)算機(jī)化、高效重型切割、海 底切割等方面發(fā)展5。 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) 1 1.1.2 水下金剛石繩鋸切割技術(shù)的國外發(fā)展 20 世紀(jì) 80 年代末,金剛石繩鋸開始用于切削鋼材,最初用繩鋸切削的鋼件 是鋼管。當(dāng)時(shí)有少數(shù)公司開始了用金剛石繩鋸切割鋼質(zhì)材料的試驗(yàn)。剛開始繩 鋸加工僅限于小規(guī)格碳鋼型材(如管材),后來應(yīng)用于維修海底構(gòu)件和核電站部件,如 熱交換器和集束管。 英國的 TECNOSPAMEC 公司在 1991 年研制出了用于切割海底油氣管道金剛石 繩鋸切割系統(tǒng)，對(duì)于使用特殊設(shè)計(jì)的金剛石繩鋸機(jī)進(jìn)行水下結(jié)構(gòu)切割來講，它 是一種高效的切割系統(tǒng)和方法 5。這個(gè)系統(tǒng)在一次操作中能夠切割任何金屬和 非金屬(聚氨酯保溫層、鋼筋混凝土、聚乙烯涂層等)，也包括切削各種合成物 質(zhì)，由于它出色的質(zhì)量和極為卓越的價(jià)格競爭優(yōu)勢(shì)而廣泛的用于切除各種海上 結(jié)構(gòu)。它與弓型鋸相比較，金剛石繩鋸的切割速度快，與爆炸方法相比較，它 切割過程清潔，并且對(duì)操作人員和環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生危害 6。 1 海底 2 張緊液壓缸 3 切割框架動(dòng)輪 4 驅(qū)動(dòng) 5 進(jìn)給液壓缸 6 夾緊框架 7 串珠繩 8 夾緊液壓缸 9 導(dǎo)向輪 10 輸油管 圖 1-1 TECNOSPAMEC 公司的 TL 2A 10 型金剛石繩鋸機(jī) 圖 1-1 為英國 TECNOSPAMEC 公司 TL2A 10 型金剛石繩鋸機(jī)，它結(jié)構(gòu)簡單， 全液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)構(gòu)等組成?？芍苯釉谒逻M(jìn)行 海底管道的切割 9。繩鋸機(jī)通過夾緊機(jī)構(gòu)中兩個(gè)夾緊液壓缸分別推動(dòng)夾緊瓣實(shí) 施在管道上夾緊和松開；驅(qū)動(dòng)輪由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，為串珠繩的循環(huán)運(yùn)動(dòng)提供動(dòng) 力；利用張緊液壓缸保證串珠繩在工作過程中的張緊力；兩端鉸鏈的進(jìn)給液壓 缸使切割框架繞驅(qū)動(dòng)輪軸完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)串珠繩的徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。采用液 壓驅(qū)動(dòng)、控制，可以宜接在水下完成海底油氣管道的切割作業(yè)。繩鋸機(jī)所有的 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) 2 動(dòng)作都是受海面上的操作人員監(jiān)控。TL 2A 10 型繩鋸機(jī)的性能指標(biāo)見表 11。 表 11 TL 2A 10 型金剛石繩鋸機(jī)主要性能指標(biāo) 1 進(jìn)給操作手柄 2 串珠繩 3 導(dǎo)向輪 4 海管 5 導(dǎo)向部分 6 夾緊液壓缸 7 切割框架 8 夾緊爪 9 驅(qū)動(dòng)輪 lO 液壓馬達(dá) 圖 1-2 挪威 Global Tool Management 的金剛石繩鋸機(jī)工作原理圖 圖 1-2 為挪威的 Global Tool Management 生產(chǎn)的金剛石繩鋸機(jī)。不但結(jié)構(gòu)緊湊，而且 適用管道的管徑較大。繩鋸機(jī)也同樣包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)構(gòu)等部 分。采用單個(gè)液壓缸實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)夾緊的方式，使液壓系統(tǒng)相對(duì)簡單：利用兩個(gè)液壓馬達(dá)帶動(dòng) 兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，可以提供較大的切削力；徑向采用手動(dòng)或 ROV 操作的方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)給 8,9。 當(dāng)金剛石繩鋸機(jī)在水下工作時(shí),可能會(huì)有安裝、恢復(fù)、配置、校驗(yàn)的操作,如果采用 ROV 協(xié)助的方法,就能使這個(gè)系統(tǒng)可以更好地完成它的任務(wù)。這種金剛石繩鋸機(jī)的部件都由 輕質(zhì)材料制成,并且操作方便。繩鋸機(jī)安裝就位后,切割工作從海面進(jìn)行控制,機(jī)器的動(dòng)力來 自于海面上或水下的液壓動(dòng)力源。因此,這個(gè)系統(tǒng)對(duì)于在海面上調(diào)整最適宜的繩速、進(jìn)給速 度、工作壓力的操作者來講是絕對(duì)安全的。整個(gè)切割的進(jìn)程是 ROV、受儀器或潛水員攜帶 的攝像機(jī)進(jìn)行監(jiān)視 10。 金剛石繩鋸水下切割最引人矚目的有兩次，一個(gè)是在 2000 年 8 月,俄羅斯 的核潛艇“KURSK”號(hào)，另一個(gè)為 2003 年 7 月英吉利海峽“TRICOLOR”貨船打 撈過程中分離切割。繩鋸切割方法的優(yōu)點(diǎn)是精度高、效率高,并且降低了 30%的 工程時(shí)間,節(jié)約了工程費(fèi)用。該切割設(shè)備重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、易于運(yùn)輸,施工設(shè) 備要求也比較低,可自下而上或自上而下進(jìn)行沉船切割,并可在沉船的非破損部 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) 3 位開始切割 7,11。2000 年 8 月俄羅斯的核潛艇“KURSK”號(hào)在巴倫支海沉沒,在 之后的打撈過程中,庫爾斯克號(hào)的艇身和艇首的分割工作就是利用金剛石繩鋸來 完成的。這項(xiàng)技術(shù)在首次成功運(yùn)用于“KURSK”號(hào)核潛艇打撈后,又在 “TRICOLOR”號(hào)沉船打撈中發(fā)揮了重要作用。2003 年 7 月在英吉利海峽同樣的 方法打撈 TRICOLOR 號(hào)貨船,“TRICOLOR”號(hào)貨船打撈行動(dòng)是歷史上最大的一次 清航打撈行動(dòng)。圖 1-3 為金剛石繩鋸切割“TRICOLOR”號(hào)的試驗(yàn)工作圖。 圖 1-3 繩鋸切割“TRICOLOR”號(hào)試驗(yàn) 目前在國外的一些公司中，有不少海底的金剛石繩鋸機(jī)的樣式。在 Wachs Subsea 的網(wǎng)站中有很多不同型號(hào)的繩鋸機(jī)，它的海底產(chǎn)品水下切割技術(shù)簡化視 圖如下所示： 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) 4 圖 1-4 水下切割技術(shù)簡視圖 如圖 1-4 為海下金剛石繩鋸機(jī)的簡化圖頂部為液壓控制系統(tǒng)，往下一次為 軟管、控制室、軟管軸。再有此向下進(jìn)行延伸分別為繩鋸機(jī)、往復(fù)式樣、磨粉 機(jī)、分離的框架和鉆頭組成。詳細(xì)的各個(gè)部位見下圖： 圖 1-5 繩鋸機(jī) 圖 1-6 張緊輪 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) 5 圖 1-7 夾緊裝置 圖 1-8 金剛石繩 上四幅圖為水下金剛石繩鋸機(jī)的詳細(xì)照片，圖 1-5 為可自我調(diào)節(jié)自動(dòng)進(jìn)給 系統(tǒng)和液壓動(dòng)力的繩鋸機(jī)得整體設(shè)計(jì)；圖 1-6 是切割的導(dǎo)向輪，它可以自動(dòng)進(jìn) 給系統(tǒng)自動(dòng)控制鋼絲繩的張力，進(jìn)給量自動(dòng)匹配切割速度；圖 1-7 為完全可調(diào) 功率的夾持系統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)臂；圖 1-8 是金剛石繩它可以快速干凈的切削不同 材料、厚度的管道結(jié)構(gòu)。 圖 1-9 為金剛石繩鋸混合材料和多串套管的理想且這部金剛石繩鋸是一個(gè) 自我調(diào)節(jié)的自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)控制線張力、自動(dòng)匹配的機(jī)器。實(shí)物圖見圖 1-10 和 1-11： 圖 1-9 繩鋸機(jī)串管模型 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) 6 圖 1-10 陸地上要下水的繩鋸機(jī) 0 圖 1-11 繩鋸機(jī)下水和對(duì)應(yīng)的不同的管徑型號(hào) 這種水下金剛石繩鋸機(jī)具有以下特點(diǎn)： 易于更換使用長久的金剛石繩鋸組件 擁有耐腐蝕的陽極保護(hù) 可任意安裝在垂直、水平之間的位置 液壓手臂同步的方形安全夾 擁有自動(dòng)過載系統(tǒng)保護(hù)的離合器 外徑(dn100-2100) 1.1.3國外水下金剛石繩鋸機(jī)作業(yè)技術(shù)方案分析 通過對(duì)國外海底油氣管道切割用金剛石繩鋸機(jī)工作原理的分析,可以得出以 下基本設(shè)計(jì)方案: (1)金剛石繩鋸機(jī)動(dòng)力源應(yīng)該采用全液壓驅(qū)動(dòng)的方式。因?yàn)樵谒鹿ぷ鲿r(shí), 大功率的水密電機(jī)將會(huì)使機(jī)體的體積和質(zhì)量都大幅增加,給潛水員的水下協(xié)助操 作帶來不便,此外,在水下采用液壓控制更加安全、可靠。 (2)金剛石繩鋸機(jī)在進(jìn)行海底油氣管道切割時(shí),由于海底特殊的泥土環(huán)境,使 機(jī)體的固定方式不能采用普通的基座固定形式。如果將繩鋸機(jī)基座設(shè)計(jì)成可適 應(yīng)一定直徑管道的、可實(shí)施夾持動(dòng)作的結(jié)構(gòu)形式,將其夾持在待切割管道的指定 位置,既可以起到機(jī)體固定的作用,又兼具有保持機(jī)體在進(jìn)行工件切削作業(yè)時(shí)切 口位置的準(zhǔn)確性,即使海管發(fā)生移動(dòng)現(xiàn)象,機(jī)體與海管的相對(duì)位置仍然會(huì)保持不 變,保證作業(yè)的可靠性和穩(wěn)定性。 (3)金剛石繩鋸機(jī)的核心部分切割裝置,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,所需動(dòng)力源功率 較大,其中主動(dòng)輪需要完成高速的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作,同時(shí)液壓張緊機(jī)構(gòu)與徑向進(jìn)給機(jī)構(gòu) 需要協(xié)調(diào)配合,保證合適的張緊力和進(jìn)給速度。 (4)金剛石繩鋸機(jī)所需的液壓動(dòng)力源可以設(shè)置在工作母船上、ROV 中或使用 水下液壓動(dòng)力源。設(shè)置在工作母船上的液壓動(dòng)力源可采用電力、氣源或柴油機(jī) 驅(qū)動(dòng)的方式,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,但繩鋸機(jī)作業(yè)深度增加時(shí),管路損耗將增大;如 果將液壓動(dòng)力源設(shè)置在 ROV 中,其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單,管路損耗也會(huì)減小,但從國內(nèi)現(xiàn) 有條件來看這種油源提供方式還是很難實(shí)現(xiàn)的;水下液壓油源體積相對(duì)較大,設(shè) 計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,密封問題較難解決。 (5)金剛石繩鋸機(jī)的操作主要由潛水員直接操作、輔助操作和 ROV 機(jī)械手操 作等方式。潛水員直接操作的金剛石繩鋸機(jī)屬于手動(dòng)操作的形式,其結(jié)構(gòu)簡單, 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) 1 體積小,徑向進(jìn)給依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)來完成,整個(gè)作業(yè)過程都需要潛水員的參與, 當(dāng)工作過程中出現(xiàn)斷繩時(shí),可能會(huì)給潛水員帶來危險(xiǎn),因此必須事先做好防護(hù)工 作。潛水員輔助操作的金剛石繩鋸機(jī),基本屬于自動(dòng)作業(yè)的形式,首先潛水員使 繩鋸機(jī)夾緊裝置的 V 型定位結(jié)構(gòu)與待切割管道的指定位置相接觸,然后執(zhí)行夾緊 動(dòng)作將機(jī)體固定在油氣管道上,潛水員離開,繩鋸機(jī)按照預(yù)先設(shè)置好的張緊力和 切削指標(biāo)進(jìn)行作業(yè),作業(yè)過程受工作母船上的工作人員監(jiān)控,作業(yè)靈活性大,可以 在渾濁的水質(zhì)中工作;此外,還可以避免潛水員工作中的危險(xiǎn),減輕他們的勞動(dòng)強(qiáng) 度。ROV 機(jī)械手的形式可以更大程度地使?jié)撍畣T從惡劣的環(huán)境中解放出來,繩鋸 機(jī)由機(jī)械手操作,但是,這種操作方式需要很高的技術(shù)條件和大量的人力、物力 和財(cái)力投入,實(shí)現(xiàn)的難度較大,應(yīng)該屬于遠(yuǎn)期發(fā)展的目標(biāo)。 1.2 本文的主要研究的內(nèi)容 1 收集閱讀國內(nèi)外關(guān)于繩鋸機(jī)研發(fā)資料，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和目標(biāo)提出關(guān)于水 下金剛石鋸繩實(shí)驗(yàn)臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行論證。 2 金剛石繩鋸機(jī)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 3 進(jìn)行水下金剛石繩鋸機(jī)液壓控制系統(tǒng)的研究,對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì), 將電液比例流量閥引入液壓控制系統(tǒng),建立液壓電液比例流量閥控馬達(dá)速度控制 系統(tǒng)模型,對(duì)其主要性能進(jìn)行仿真分析。 4 研究金剛石繩鋸機(jī)的控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng),用于對(duì)水下金剛石繩鋸機(jī)工作狀態(tài) 的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),從而便于閉環(huán)控制系統(tǒng)的研制。 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)是液壓機(jī)械的一個(gè)組成部分，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要同主機(jī) 的總體設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行。著手設(shè)計(jì)時(shí)，必須從實(shí)際情況出發(fā)，有機(jī)地結(jié)合各種傳 動(dòng)形式，充分發(fā)揮液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，力求設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低、 效率高、操作簡單、維修方便的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。 液壓傳動(dòng)裝置主要由以下四部分組成： 1）能源裝置把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液液壓能的裝置。最常見的形式就是液 壓泵，它給液壓系統(tǒng)提供壓力油。 2）執(zhí)行裝置把油液的液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。它可以是作直線運(yùn) 動(dòng)的液壓缸，也可以是作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液壓馬達(dá)。 3)制調(diào)節(jié)裝置對(duì)系統(tǒng)中油液壓力、流量或流動(dòng)方向進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)的 裝置。例如溢流閥、節(jié)流閥、換向閥、開停閥等。這些元件的不同組合形 成了不同功能的液壓系統(tǒng)。 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) 2 4)輔助裝置上述三部分以外的其它裝置，例如油箱、濾油器、油管等。 它們對(duì)保證系統(tǒng)正常工作也有重要作用。 液壓傳動(dòng)有以下一些優(yōu)點(diǎn)： 1）在同等的體積下，液壓裝置能比電氣裝置產(chǎn)生出更多的動(dòng)力，因?yàn)?液壓系統(tǒng)中的壓力可以比電樞磁場(chǎng)中的磁力大出 3040 倍。在同等的功率下， 液壓裝置的體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。液壓馬達(dá)的體積和重量只有同等功率 電動(dòng)機(jī)的 12%左右。 2）液壓裝置工作比較平穩(wěn)。由于重量輕、慣性小、反應(yīng)快，液壓裝置 易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和頻繁的換向。液壓裝置的換向頻率，在實(shí)現(xiàn)往復(fù)回 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)可達(dá) 500 次/min，實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)可達(dá) 1000 次/min。 3）液壓裝置能在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速（調(diào)速范圍可達(dá) 2000） ，它還 可以在運(yùn)行的過程中進(jìn)行調(diào)速。 4）液壓傳動(dòng)易于自動(dòng)化，這是因?yàn)樗鼘?duì)液體壓力、流量或流動(dòng)方向易 于進(jìn)行調(diào)節(jié)或控制的緣故。當(dāng)將液壓控制和電氣控制、電子控制或氣動(dòng)控制結(jié) 合起來使用時(shí)，整個(gè)傳動(dòng)裝置能實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜的順序動(dòng)作，接受遠(yuǎn)程控制。 5）液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。液壓缸和液壓馬達(dá)都能長期在失速狀 態(tài)下工作而不會(huì)過熱，這是電氣傳動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)裝置無法辦到的。液壓件 能自行潤滑，使用壽命較長。 6）由于液壓元件已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、 制造和使用都比較方便。液壓元件的排列布置也具有較大的機(jī)動(dòng)性。 7）用液壓傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)比用機(jī)械傳動(dòng)簡單。 液壓傳動(dòng)的缺點(diǎn)是： 1）液壓傳動(dòng)不能保證嚴(yán)格的傳動(dòng)化，這是由液壓油液的可壓縮性和泄 漏等原因造成的。 2）液壓傳動(dòng)在工作過程中常有較多的能量損失（摩擦損失、泄漏損失 等） ，長鋸離傳動(dòng)時(shí)更是如此。 3）液壓傳動(dòng)對(duì)油溫變化比較敏感，它的工作穩(wěn)定性很易受到溫度的影 響，因此它不宜在很高或很低的溫度條件下工作。 4）為了減少泄漏，液壓元件在制造精度上的要求較高，因此它的造價(jià) 較貴，而且對(duì)油液的污染比較敏感。 5）液壓傳動(dòng)要求有單獨(dú)的能源。 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) 3 6）液壓傳動(dòng)出現(xiàn)故障時(shí)不易找出原因。 總的說來，液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是突出的，它的一些缺點(diǎn)有的現(xiàn)已大為改 善，有的將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)一步得到克服。 1.3 液壓傳動(dòng)特點(diǎn) 液壓傳動(dòng)有機(jī)械傳動(dòng)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。 液壓元件的布置不受嚴(yán)格的空間位置限制，系統(tǒng)中個(gè)部分用管道連接，布局安 裝有很大的靈活性，能構(gòu)成用其他方法難以組成的復(fù)雜系統(tǒng)。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)可 以在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)大范圍的無級(jí)調(diào)速。另外液壓傳動(dòng)傳遞運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn)，易 于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和頻繁的換向。除此以外，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)操作控制方便、 省力，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、中遠(yuǎn)程鋸離控制、過載保護(hù)。與電氣控制、電子控 制相結(jié)合，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工作循環(huán)和自動(dòng)過載保護(hù)。 而且液壓元件屬機(jī)械工業(yè) 基礎(chǔ)件，標(biāo)準(zhǔn)化和通用化程度較高，有利于縮短機(jī)器的設(shè)計(jì)、制造周期和降低 制造成本。 本世紀(jì)的 60 年代后，原子能技術(shù)、空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)（微電子技術(shù)） 等的發(fā)展再次將液壓技術(shù)推向前進(jìn)，使它發(fā)展成為包括傳動(dòng)、控制、檢測(cè)在內(nèi) 的一門完整的自動(dòng)化技術(shù)，使它在國民經(jīng)濟(jì)的各方面都得到了應(yīng)用。液壓傳動(dòng) 在某些領(lǐng)域內(nèi)甚至已占有壓倒性的優(yōu)勢(shì)，例如，國外今日生產(chǎn)的 95%的工程機(jī) 械、90%的數(shù)控加工中心、95%以上的自動(dòng)線都采用了液壓傳動(dòng)。因此采用液壓 傳動(dòng)的程度現(xiàn)在已成為衡量一個(gè)國家工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。 當(dāng)前，液壓技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高壓、高速、大功率、高效率、低噪聲、經(jīng)久耐用、 高度集成化等各項(xiàng)要求方面都取得了重大的進(jìn)展，在完善比例控制、數(shù)字控制 等技術(shù)上也有許多新成就。此外，在液壓元件和液壓系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、 計(jì)算機(jī)仿真和優(yōu)化以及微機(jī)控制等開發(fā)性工作方面，更日益顯示出顯著的成績。 我國的液壓工業(yè)開始于本世紀(jì) 50 年代，其產(chǎn)品最初只用于機(jī)床和鍛壓設(shè)備， 后來才用到拖拉機(jī)和工程機(jī)械上。自 1964 年從國外引進(jìn)一些液壓元件生產(chǎn)技術(shù)、 同時(shí)進(jìn)行自行設(shè)計(jì)液壓產(chǎn)品以來，我國的液壓件生產(chǎn)已從低壓到高壓形成系列， 并在各種機(jī)械設(shè)備上得到了廣泛的使用。80 年代起更加速了對(duì)西方先進(jìn)液壓產(chǎn) 品和技術(shù)的有計(jì)劃引進(jìn)、消化、吸收和國產(chǎn)化工作，以確保我國的液壓技術(shù)能 在產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益、人才培訓(xùn)、研究開發(fā)等各個(gè)方面全方位地趕上世界水 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) 4 平。 液壓傳動(dòng)突出的優(yōu)點(diǎn)還有單位質(zhì)量輸出功率大，以空氣為工作介質(zhì)，處理 方便，無介質(zhì)費(fèi)用、泄露污染環(huán)境、介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充等問題。 由于液壓傳動(dòng)是封閉的，多數(shù)情況下其元件均可由傳動(dòng)液壓自行潤滑，因 此磨損很小。液壓元件體積小、重量輕、標(biāo)準(zhǔn)化程度高，便于集中大批量生產(chǎn)， 加上近年發(fā)展起來的疊裝、插裝技術(shù)，裝配也很容易，因此造價(jià)低，比起其他 機(jī)械傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)常為一種最為經(jīng)濟(jì)的選擇。 驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng)，它由油箱、濾油器、液壓泵、溢流閥、開停閥、節(jié)流閥、 換向閥、液壓缸以及連接這些元件的油管組成。它的工作原理：液壓泵由電動(dòng) 機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)后，從油箱中吸油。油液經(jīng)濾油器進(jìn)入液壓泵，當(dāng)它從泵中輸出進(jìn) 入壓力管后，將換向閥手柄、開停手柄方向往內(nèi)的狀態(tài)下，通過開停閥、節(jié)流 閥、換向閥進(jìn)入液壓缸左腔，推動(dòng)活塞和工作臺(tái)向右移動(dòng)。這時(shí)，液壓缸右腔 的油經(jīng)換向閥和回油管排回油箱。 如果將換向閥手柄方向轉(zhuǎn)換成往外的狀態(tài)下，則壓力管中的油將經(jīng)過開停 閥、節(jié)流閥和換向閥進(jìn)入液壓缸右腔，推動(dòng)活塞和工作臺(tái)向左移動(dòng)，并使液壓 缸左腔的油經(jīng)換向閥和回油管排回油管。 工作臺(tái)的移動(dòng)速度是由節(jié)流閥來調(diào)節(jié)的。當(dāng)節(jié)流閥開大時(shí)，進(jìn)入液壓缸的 油液增多，工作臺(tái)的移動(dòng)速度增大；當(dāng)節(jié)流閥關(guān)小時(shí)，工作臺(tái)的移動(dòng)速度減小。 為了克服移動(dòng)工作臺(tái)時(shí)所受到的各種阻力，液壓缸必須產(chǎn)生一個(gè)足夠大的 推力，這個(gè)推力是由液壓缸中的油液壓力產(chǎn)生的。要克服的阻力越大，缸中的 油液壓力越高；反之壓力就越低。輸入液壓缸的油液是通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)的，液 壓泵輸出的多余的油液須經(jīng)溢流閥和回油管排回油箱，這只有在壓力支管中的 油液壓力對(duì)溢流閥鋼球的作用力等于或略大于溢流閥中彈簧的預(yù)緊力時(shí)，油液 才能頂開溢流閥中的鋼球流回油箱。所以，在系統(tǒng)中液壓泵出口處的油液壓力 是由溢流閥決定的，它和缸中的油液壓力不一樣大。 液壓傳動(dòng)是由 17 世紀(jì)帕斯卡提出的靜壓傳遞原理、18 世紀(jì)末英國制造出 世界上第一臺(tái)水壓機(jī)開始發(fā)展起來的，但液壓傳動(dòng)在工業(yè)上被廣泛采用和有較 大幅度的發(fā)展卻是本世紀(jì)中期以后的事情，特別是被 20 世紀(jì)第二次世界大戰(zhàn)期 間戰(zhàn)爭的激勵(lì)，取得了很大進(jìn)展，整體上經(jīng)歷了開關(guān)控制，伺服控制，比例控 制 3 個(gè)階段。比例控制技術(shù)是 20 世紀(jì) 60 年代末人們開發(fā)的一種可靠，廉價(jià)， 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) 5 控制精度和響應(yīng)特性，均能滿足工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)際需要的控制系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)，點(diǎn) 液伺服技術(shù)已日益完善，但電液伺服閥成本高，應(yīng)用和維護(hù)條件苛刻，難以被 工業(yè)界接受。希望有一種廉價(jià)，控制精度能滿足需要的控制技術(shù)去替代，這種 需求背景導(dǎo)致了比例技術(shù)的誕生和發(fā)展。隨著液壓機(jī)械自動(dòng)化程度的不斷提高， 液壓元件應(yīng)用數(shù)量急劇增加，元件小型化、系統(tǒng)集成化是必然的發(fā)展趨勢(shì)。 液壓控制閥在液壓系統(tǒng)中被用來控制液流的壓力、流量和方向，保證執(zhí)行 元件按照負(fù)載的需求進(jìn)行工作。電液比例閥是比例控制系統(tǒng)中的主要功率放大 元件，它可以根據(jù)輸入的電信號(hào)大小連續(xù)地成比例地對(duì)液壓系統(tǒng)的參量實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn) 鋸離控制、計(jì)算機(jī)控制，與伺服控制系統(tǒng)中的伺服閥相比，在某些方面還有一 定的性能差鋸，但它顯著的優(yōu)點(diǎn)是抗污染能力強(qiáng)，大大地減少可由污染而造成 的工作故障，提高了液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性；另一方面比例閥的成本 比伺服閥低，結(jié)構(gòu)也簡單，已或得了廣泛的運(yùn)用。 比例閥按主要功能分類，分為壓力控制閥，流量控制閥和方向控制閥三大 類，每一類又可以分為直接控制和先導(dǎo)控制兩種結(jié)構(gòu)形式，直接控制用的小流 量小功率系統(tǒng)中，先導(dǎo)控制 用的大流量大功率系統(tǒng)中。 這些年來國內(nèi)在液壓件清洗設(shè)備的研制和生產(chǎn)方面發(fā)展很快，但使用經(jīng)驗(yàn) 表明，還存在一些需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善的問題。首先是通用清洗設(shè)備的適用 性問題。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜和具有內(nèi)部油路的零部件，采用通用清洗設(shè)備往往 效果不理想，內(nèi)部殘留的污染物很難沖洗出來，因而應(yīng)考慮選用或設(shè)計(jì)專用的 清洗設(shè)備。其次是關(guān)于清洗液的潔凈性問題。零件清洗過程中清洗液應(yīng)保持一 定的清洗度，這對(duì)于零件裝配前的精密清洗尤為重要。目前國內(nèi)清洗設(shè)備較普 遍地存在過濾裝置不夠完善的問題，過濾精度低，納垢容量小，不能有效的濾 除從零件沖洗出來的顆粒污染物。有的清洗設(shè)備甚至沒有過濾設(shè)備，而是定期 對(duì)清洗設(shè)備的清洗液進(jìn)行過濾凈化。這樣，在清洗的初期清潔度可能符合要求， 但清洗到后期，由于污染物積累清洗液污染越來越嚴(yán)重，不僅達(dá)不到清洗的目 的，反而污染了零件。因此，清洗設(shè)備必須裝社具有足夠高的過濾精度和納垢 容量的過濾器。采用可清洗濾芯和增加外過濾系統(tǒng)，可提高過濾凈化能力并節(jié) 約費(fèi)用。 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：液壓總裝圖，非標(biāo)準(zhǔn)零件的設(shè)計(jì)，液壓缸的設(shè)計(jì)， 電機(jī)及泵、閥、管件的選擇使用等等。為了使設(shè)計(jì)更趨于合理化、標(biāo)注化、絕 大多數(shù)零件都按照國家標(biāo)注進(jìn)行。 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)計(jì) 6 7 第 2 章 水下海底管道金剛石繩鋸切割總體方案設(shè)計(jì) 2.1 課題簡介及任務(wù)要求 我國在南海海域擁有近 10 個(gè)油氣田群，近年來不僅油氣田開發(fā)數(shù)量不斷增 長，而且開采深度也在不斷加深。例如：西江油田平均水深 100 米、惠州油田 群平均水深 98116 米、流花油田平均水深 305 米、陸豐 221 油田平均水深 332 米、番禺 51 油田平均水深 110 米、崖城 131 氣田平均水深 100 米、文 昌 13 1 油田平均水深 117 米。另外，從投產(chǎn)時(shí)間上來看絕大多數(shù)油田服役期 限已達(dá)到 10 年以上，有的甚至超過 20 年。例如：潿洲 103 油田 1986 年 08 月投產(chǎn)、惠州 211 油田 1990 年 9 月投產(chǎn)、陸豐 131 油田 1993 年 10 月投 產(chǎn)、崖城 131 氣田 1995 年 10 月投產(chǎn)。不論從油田數(shù)量還是從服役年限來看， 可以預(yù)計(jì)在未來幾年中，水下鋼結(jié)構(gòu)物（包括：采用平臺(tái)、FPSO、海底管道、 吸力錨等）和海底管道維修工作量必將大幅攀升。因此，研究一套用于海底管 道切割的金剛石繩鋸切割系統(tǒng)具有重要意義。通過本課題的研究，力爭使學(xué)生 掌握基本的設(shè)計(jì)方法和技巧，提高知識(shí)的綜合運(yùn)用的能力。 任務(wù)與要求 6) 查閱相關(guān)國內(nèi)外文獻(xiàn)資料 7) 總體方案設(shè)計(jì) 8) 液壓系統(tǒng)計(jì)算及元件選型 9) 液壓系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真 10) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 原始數(shù)據(jù) 4) 管道直徑 30 寸 5) 最大切割速度 30mm/min 6) 液壓系統(tǒng)最高工作壓力 21.5MPa 2.2 金剛石繩鋸機(jī)的基本組成及工作原理 金剛石繩鋸機(jī)進(jìn)行切割作業(yè)時(shí),它的切削“刀具”金剛石串珠繩通常 為閉合環(huán)狀的形式,靠安裝在軌道上的或者沿固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)備以理想的速度驅(qū) 動(dòng),水下金剛石繩鋸機(jī)主要由主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、金剛石串珠繩、張緊裝置、 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)等部件組成 9，12 。 切割海底油氣管道或海上石油平臺(tái)導(dǎo)管架用金剛石繩鋸機(jī)工作原理簡圖如 圖 1-12 所示:工作時(shí),先用夾緊裝置將金剛石繩鋸機(jī)固定在輸油管道待切割位置,使 油氣管道或?qū)Ч芗艹蔀槔K鋸機(jī)的“基座”;4 個(gè)導(dǎo)向輪中有一個(gè)或兩個(gè)兼做主動(dòng) 輪,由其中一套驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)主動(dòng)輪高速旋轉(zhuǎn),使張緊的金剛石串珠繩做循環(huán)運(yùn) 動(dòng),實(shí)現(xiàn)其沿管道的切向進(jìn)給運(yùn)動(dòng);同時(shí)另一套驅(qū)動(dòng)裝置推動(dòng)切割裝置作直線運(yùn) 動(dòng),實(shí)現(xiàn)串珠繩相對(duì)管道的徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng);張緊裝置可以保證金剛石串珠繩在工 作過程中始終處于張緊狀態(tài),保證切割所需的張緊力;如果繩鋸機(jī)是在干式環(huán)境 8 中工作,在串珠繩進(jìn)行切削的工作區(qū)附近必須設(shè)有冷卻系統(tǒng),以保證串珠繩良好 的切削環(huán)境和切削狀態(tài) 13，14 。 圖 1-12 繩鋸機(jī)方案示意簡圖 1 切割框；2 導(dǎo)向滑輪； 3 夾緊框；4 繩鋸； 水下金剛石串珠繩鋸主要由主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(驅(qū)動(dòng)裝置)、進(jìn)給系統(tǒng)(進(jìn)給裝置)、張 緊裝置、夾緊裝置、導(dǎo)向裝置、鋸弓板框架、切割框架、控制系統(tǒng)、液壓動(dòng)力 源系統(tǒng)等組成。如圖 1 所示。 9 2.3 進(jìn)給傳動(dòng)絲桿螺母副的計(jì)算和造型 (1) 計(jì)算進(jìn)給牽引力 縱向進(jìn)給選為兩根導(dǎo)桿滑動(dòng)導(dǎo)軌。參考表 6.22，6.23 兩表機(jī)床設(shè) 計(jì)手冊(cè).3 查書綜合作業(yè)指導(dǎo)書P22 )(GFfkZxm 在正常情況下： 考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取 K=1.15 滑動(dòng)導(dǎo)軌磨擦系數(shù) 0.150.18f 移動(dòng)部件重量，取 =1200N =1.15 2648.66+0.16 (4237.85+800)=2175.94(N)(FfkZxm (2) 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 C C= 3Lwf106nTvs 參考機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).3P185P210 選用滾珠絲桿導(dǎo)軌 式中： 滾珠絲桿導(dǎo)程。 初選0L06Lm 為最大條件下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的 1/21/3sv 取 3m/minmaxV 使用壽命（h） ，對(duì)于數(shù)控取 =15000h 0T 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取 1.21.5（查表 314綜合作業(yè)指wf 導(dǎo)取 為 1.2wf 壽命以 轉(zhuǎn)為 1 單位L6 絲桿轉(zhuǎn)速 r/minn01vs350 1136TL61 C= =19512.57mwFf3 (3) 滾珠絲桿螺母副的選型 可采用 WD6008 外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母珠絲桿副，1 列 2.5 圈，其額 定功動(dòng)負(fù)載為 18200（N ） ，精度等級(jí)按表綜合作業(yè)指導(dǎo)書表 3-17 選為 3 級(jí)。 (4) 傳功效率計(jì)算： =)tan(/r 式中：r 螺旋升角，WD6008 r= 2530 磨擦角取 10 滾動(dòng)磨擦系數(shù) 0.0030.004 10 953.0)1253tan()ta(0r (5) 剛度驗(yàn)算 先畫出此進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如 A 圖所示，最大牽引力 2175.94(N)。 支承 L=1500mm，絲桿螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷 1/3。 絲杠的拉伸或壓縮變形量 1 查綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖 3-4，根據(jù) =2175.94(N), mFmD60 查出 10-5 可算出65.0L = =(0.6510-51500)mm=0.97510-2 mm1 由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲桿進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可 以提高 4 倍。其實(shí)際變形量 (mm)為1 =1/4 =0.97510-2/2=0.24410-2mm1 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 2 查綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖 3-5，W 系列 1 列 2.5 圈滾珠和螺紋滾道接觸變形 量 Q =6.0mQ 因進(jìn)行預(yù)緊 =1/2 =1/26.0=3.0m2 支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形 3 采用 D8208 型推力球軸承， =35mm,滾動(dòng)體直徑 =6.35mm,滾動(dòng)體數(shù)量1dQd Z=18, mZFQmc 0956.1835.6290.052.3 22 注意此公式中單位應(yīng)為 N 因施加預(yù)緊力，故 =1/2 =1/20.009065=0.004528mm3c 根據(jù)以上計(jì)算 = =0.002440.00300.004528=0.009968 定位精度21 因?yàn)椴楸磉_(dá) 1-1綜合作業(yè)指導(dǎo)書定位精度為0.01 (6) 穩(wěn)定性校核 滾珠絲桿兩端采用推力球軸承，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。 (7) 縱向滾珠絲桿副幾何參數(shù) 表 3：WD6008 滾珠絲桿副幾何參數(shù) 參數(shù)名稱 符號(hào) 關(guān)系式 WD6006 公稱直徑 0d 60 螺 導(dǎo) 程 L6 11 接觸角 2.183 鋼球直徑 qd 3.969 滾道法面半 徑 Rd52.02.064 偏心鋸 esinpR0.0030 紋 滾 道 螺紋升角 r= L0arct2530 外 徑 d= -(0.20.25) 0dqd59.2 內(nèi) 徑 1= 2 21eR55.878螺 桿 接觸直徑 2= Cos0q56.034 螺紋直徑 D= 2 2d64.122螺 母 內(nèi) 徑 1 = (0.2 0.25) 10qd60.7938 2.3.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及流程 液壓的設(shè)計(jì)一般泛指液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓控制系 統(tǒng)從結(jié)構(gòu)和工作原理而言，并無本質(zhì)上的區(qū)別。通常所說的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，皆 指液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與主機(jī)的設(shè)計(jì)是緊密聯(lián)系的，當(dāng)從必要 性、可行性和經(jīng)濟(jì)性幾方面對(duì)機(jī)械、電氣、液壓和氣動(dòng)等傳動(dòng)形式進(jìn)行全面比 較和論證，決定應(yīng)用液壓傳動(dòng)之后，二者往往同時(shí)進(jìn)行。所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)首 先應(yīng)滿足主機(jī)的拖動(dòng)、循環(huán)要求，其次還應(yīng)符合結(jié)構(gòu)組成簡單、體積小重量輕、 工作安全可靠、 總體看來，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程是： a.明確系統(tǒng)的設(shè)計(jì) b.分析系統(tǒng)工況 c.確定主要參數(shù) d.擬定液壓系統(tǒng)原理圖 e.選擇液壓元件 f.驗(yàn)算液壓系統(tǒng)性能 g.繪制工作圖編織技術(shù)文件。 課題的基本要求： 查閱 20 篇以上參考文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)一液壓綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，完成總裝圖和零部 件圖，并按規(guī)定格式撰寫文獻(xiàn)綜述、開題報(bào)告、畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。要求： 方案可行，機(jī)構(gòu)合理，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，并滿足給定的設(shè)計(jì)技術(shù)條件，實(shí)驗(yàn)臺(tái)能 滿跑液壓基本實(shí)驗(yàn)液阻特性實(shí)驗(yàn)、液壓泵性能實(shí)驗(yàn)、節(jié)流調(diào)帶回路性能 12 實(shí)驗(yàn)、溢流閥靜/動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)、減壓閥靜/動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)等。 2.3.2 工作原理 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)的液壓系統(tǒng)的油源為定量液壓泵（葉片泵） ，其最高工作壓力由溢流閥設(shè)定，二位二通電磁換向閥用于控制液壓泵的卸荷 和供油。系統(tǒng)的執(zhí)行器為豎直液壓缸和液壓缸，其中豎直液壓缸和液壓缸的運(yùn) 動(dòng)方向均采用電磁換向閥作為導(dǎo)閥的液控順序閥控制。豎直液壓缸進(jìn)回油路中 并聯(lián)的順序閥和單向閥用于該缸差動(dòng)反饋連接，液控順序閥在缸差動(dòng)時(shí)關(guān)閉回 油路，在非差動(dòng)時(shí)，提供回油路。液壓缸的回油路上串聯(lián)的溢流閥起背壓作用。 系統(tǒng)中壓力繼電器作為電磁鐵通斷電的發(fā)信裝置，控制電磁換向閥的換向動(dòng)作。 壓力表及其開關(guān)分別用于調(diào)整系統(tǒng)最高壓力和壓力繼電器的動(dòng)作壓力時(shí)的顯示 和觀測(cè)。 圖 2.2 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖 13 第 3 章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)的制作過程包括：液壓缸的結(jié)構(gòu)、裝置、 機(jī)架。并根據(jù)系統(tǒng)壓力、流量選擇了液壓閥、電機(jī)、泵。本文的設(shè)計(jì)能夠滿足 水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)要求。 3.1 液壓執(zhí)行元件的配置 由于水下海底管道金剛石繩鋸切割機(jī)要求布置，行程較小，故選用缸筒固 定的單桿活塞桿（取缸的機(jī)械效率 ） 。1.90cm 3.2 夾緊裝置液壓缸的主要結(jié)參數(shù) 因?yàn)檎n題要求液壓系統(tǒng)最高工作壓力 21.5Mpa，考慮到液壓損失等因數(shù)，結(jié) 合常見機(jī)床的壓力選擇要求，初步選擇該切割機(jī)液壓系統(tǒng)的壓力為 16Mpa. 根據(jù)表 2.3 以及液壓缸內(nèi)徑尺寸系列與活塞桿直徑系列推薦的優(yōu)選尺寸， 選擇缸的尺寸。 表 2.3 液壓缸內(nèi)徑 D 與活塞桿直徑 d 之間的關(guān)系 按機(jī)床類型選取 d/D 按液壓缸工作壓力選取 d/D 機(jī)床類別 d/D 工作壓力 p/（ MPa） d/D 磨床及研磨機(jī)床 0.20.3 25 0.50.58 鉆、鏜、車、銑、床 0.7 57 0.620.70 其他 =%） 輸出 扭矩 （N/m） 重量 （kg） 80 20 25 600 2000 2500 90 203 13.5 3.8 液壓泵及其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇 確定液壓執(zhí)行元件的形式 液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸或液壓泵。前者實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，后者完成回 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，二者的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合見下表 4.1 表 4.1 各執(zhí)行元件的特點(diǎn) 名 稱 特 點(diǎn) 適 用 場(chǎng) 合 雙活塞桿液壓缸 雙向?qū)ΨQ 雙作用往復(fù)運(yùn)動(dòng) 柱塞缸 結(jié)構(gòu)簡單 單向工作，靠重力或其他 外力返回 齒輪泵 結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜 高轉(zhuǎn)速低扭矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 葉片泵 體積小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小 高轉(zhuǎn)速低扭矩動(dòng)作靈敏的 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 擺線齒輪泵 體積小，輸出扭矩大 低速，小功率，大扭矩的 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 軸向柱塞泵 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、扭矩大、轉(zhuǎn)速 大扭矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 20