海洋廢棄平臺(tái)樁基拆除繩鋸機(jī)研制及其動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、隨著海洋石油工業(yè)的迅猛發(fā)展，廢棄的油氣平臺(tái)越來(lái)越多，如何安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的拆除掉這些平臺(tái)，成為世界各國(guó)海洋工程公司越來(lái)越關(guān)心的問(wèn)題。金剛石繩鋸機(jī)在廢棄平臺(tái)樁基拆除領(lǐng)域的應(yīng)用歷史不長(zhǎng)，但是它在此領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越為人們所認(rèn)識(shí)。我國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展方面起步較晚，提出研制一種繩鋸機(jī)使它完成廢棄平臺(tái)樁基拆除任務(wù)，并且能安全、穩(wěn)定和高效的工作越來(lái)越成為該領(lǐng)域急需解決的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 本課題來(lái)源于中國(guó)海洋石油總公司科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：C

2、/KJFH001—2005)，此項(xiàng)目是以國(guó)家“863”計(jì)劃重大專項(xiàng)(項(xiàng)目編號(hào)：2002AA6020212—1)“渤海大油田勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”所屬專題“海底管道修復(fù)技術(shù)”中的管道切割金剛石繩鋸機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)。目的是研制出一種能夠完成廢棄平臺(tái)樁基拆除任務(wù)的金剛石繩鋸機(jī)，并且對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提高它的智能化作業(yè)水平，為我國(guó)的海洋石油工程進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備，進(jìn)而為參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)打下一定的基礎(chǔ)。 論文綜述了國(guó)內(nèi)外海洋廢棄平臺(tái)樁基拆除的現(xiàn)狀及

3、其常用的五種切割方法，并且對(duì)它們進(jìn)行了分析比較，其中重點(diǎn)概述了金剛石繩鋸機(jī)的發(fā)展歷程及其在樁基拆除領(lǐng)域的最新進(jìn)展。 根據(jù)廢棄平臺(tái)樁基拆除繩鋸機(jī)的技術(shù)要求，參考國(guó)外的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，考慮國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的技術(shù)條件，提出了廢棄平臺(tái)樁基拆除繩鋸機(jī)的總體方案，包括機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和檢測(cè)控制系統(tǒng)。在充分論證的基礎(chǔ)上，完成了機(jī)械本體各部分結(jié)構(gòu)和測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，研制出了廢棄平臺(tái)樁基拆除繩鋸機(jī)工程樣機(jī)。 文中對(duì)繩鋸機(jī)夾緊裝置的最小夾緊力計(jì)算進(jìn)行

4、了研究。針對(duì)繩鋸機(jī)工作時(shí)的特殊受力狀態(tài)，進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，對(duì)夾緊位置處的受力進(jìn)行了理論分析，并且證明了繩鋸機(jī)夾緊裝置能實(shí)現(xiàn)型封閉。分別對(duì)繩鋸機(jī)靜態(tài)條件下一次夾緊，分步夾緊兩種情況進(jìn)行了分析，提出了各自條件下最小夾緊力的多目標(biāo)優(yōu)化求解數(shù)學(xué)模型。分析了夾緊瓣與樁基接觸部分在夾緊時(shí)的動(dòng)態(tài)相互作用后，提出了動(dòng)態(tài)條件下的最小夾緊力多目標(biāo)優(yōu)化求解數(shù)學(xué)模型。根據(jù)繩鋸機(jī)的實(shí)際作業(yè)工況，采用三種數(shù)學(xué)模型對(duì)最小夾緊力進(jìn)行了求解。比較三種計(jì)算結(jié)果，為繩鋸機(jī)的結(jié)

5、構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。 根據(jù)繩鋸機(jī)切割框架的結(jié)構(gòu)，采用圖形理論建模法，建立了串珠繩閉環(huán)切割運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程。分析了驅(qū)動(dòng)輪與串珠繩之間的相互作用，得到了驅(qū)動(dòng)輪穩(wěn)定和非穩(wěn)定運(yùn)行情況下的力矩傳遞計(jì)算方法。分析了串珠繩切割運(yùn)動(dòng)時(shí)的橫向振動(dòng)誘因，建立了橫向振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程，將方程的求解結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，提出了切割樁基時(shí)減小串珠繩橫向振動(dòng)的切割工藝。針對(duì)串珠繩切割單層管樁基的沖擊特性，進(jìn)行了理論分析，得到了串珠繩軸

6、向沖擊時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型，采用有限元瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真的方法對(duì)沖擊過(guò)程進(jìn)行了仿真，分析了仿真結(jié)果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較了切割單層管樁基和復(fù)合樁基時(shí)串珠繩的工作狀態(tài)和切割后的樁基斷面，并且得到了切割單層管樁基時(shí)切割效率與串珠間距的關(guān)系。 通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的柔性體張力檢測(cè)裝置，針對(duì)廢棄平臺(tái)樁基拆除繩鋸機(jī)的實(shí)際工作特點(diǎn)，自行研制了一種張緊檢測(cè)裝置，它同時(shí)具有串珠繩張緊和張力測(cè)量?jī)煞N功能。文中論述了檢測(cè)裝置中壓力傳感器的設(shè)計(jì)原理和方法。考慮到檢測(cè)裝置

7、中張緊輪的動(dòng)態(tài)偏心特性對(duì)張力測(cè)量結(jié)果的影響，提出了一種理論修正公式，實(shí)驗(yàn)表明了此公式的合理性。 在建立的廢棄平臺(tái)樁基拆除繩鋸機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行切割性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明繩鋸機(jī)能完成直徑為48"的樁基切割任務(wù)，并且驗(yàn)證了液壓系統(tǒng)和檢測(cè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。測(cè)量了繩鋸機(jī)的切割工藝參數(shù)，給出了各參數(shù)之間的相互影響關(guān)系，得到了切割樁基截面不同位置時(shí)切削速度和進(jìn)給速度的最佳配合關(guān)系，建立了徑向切削力和切向切削力的經(jīng)驗(yàn)公式。切割實(shí)驗(yàn)為繩鋸機(jī)實(shí)際工程施