【文章內(nèi)容簡介】 意簡圖。故軸所受的最大彎矩根據(jù)算選馬達其轉(zhuǎn)矩為38373N/m，由于其最高轉(zhuǎn)速為20r/min，故采用聯(lián)軸器直接與卷筒軸相連故卷筒軸所受扭矩為38373N/m。危險截面處的最大彎曲應力為彎矩與扭矩共同作用產(chǎn)生的彎曲應力： （32）為折合系數(shù)，當扭矩切應力為靜應力時。取=，當扭轉(zhuǎn)切應力為脈動循環(huán)變應力時，取=，當扭矩切應力為對稱循環(huán)變應力時，取=。在這里我們?nèi)?。通過計算得：對于調(diào)質(zhì)處理的45鋼，其彎曲疲勞極限,扭轉(zhuǎn)疲勞極限，故中間軸的強度合格。由于轉(zhuǎn)速較低而載荷大，且軸承同時承受徑向載荷和軸向載荷，故在此我們選擇圓錐滾子軸承，依據(jù)軸承國家標準匯編 ISBN7506602326/。本章主要對卷筒的結(jié)構尺寸進行了設計計算，對中間支撐部分進行了結(jié)構設計和材料的選擇。卷筒進行了尺寸的設計，以保證系統(tǒng)在鋪管作業(yè)中安全可靠的運行。主要進行了一下內(nèi)容：（1） 卷筒的結(jié)構尺寸計算（2） 卷筒軸的結(jié)構強度計算（3） 依據(jù)計算選擇了圓錐滾子軸承第4章 彎管器與校直器的選型軟管纏繞在卷筒上，管道內(nèi)存在一定的彎曲應力，當進行海底管道水平鋪設系統(tǒng)作業(yè)時，軟管從卷筒上退纏繞會使軟管產(chǎn)生一定角度α內(nèi)的擺動。為減小管道在水平方向的擺動以及管道內(nèi)彎曲應力對校直的影響，我們在校直器和卷筒之間架設了彎管器。彎管器的作用是對管道曲率和彎曲應力進行初步調(diào)節(jié)初步調(diào)節(jié)，校準軟管的鋪設軌跡并支撐軟管，將管道送入校直器中。 卷筒示意圖彎管器主要依靠管道自身的重力和導輪的位置分布對軟管進行曲率調(diào)節(jié)，依靠外擋板對來防止管道因為從卷筒上退纏繞而造成的水平擺動。為了防止在運輸和安裝過程中不損壞柔性管道，導輪的分布呈圓弧狀。 彎管器結(jié)構示意圖19第4章 彎管器與校直器的選型本論文中的管道鋪設系統(tǒng)可鋪設的管道直徑在1~3寸范圍內(nèi)，隨著管道半徑的增大，管道在空氣中的質(zhì)量逐漸增大，考慮極限情況，在選擇彎管器時應根據(jù)管道的直徑的最大值131mm選取合適的彎管器。校直器系統(tǒng)在鋪管作業(yè)中的作用十分的重要，當管線通過卷筒鋪設時，在管道下放至海底前需要通過校直器對管道進行校直，因為管線纏繞在卷筒上會產(chǎn)生彎曲應變，加之后續(xù)鋪管過程中張緊器及止動器對管道的作用力，會對管道的結(jié)構產(chǎn)生很大的破壞，因此在管道進入張緊器之前，管道中存留的殘余應力應減至最小，這就需要校直器對管道進行校直，使管道中的彎曲應力減至最小。當管道鋪設系統(tǒng)正常運作時，管道經(jīng)過導輪后，對管道的曲率有了初步的調(diào)整，通過校直器對對其彎曲程度經(jīng)行進一步調(diào)整后，減少其彎曲形變，最后通過張緊器將其放入水中。根據(jù)要實現(xiàn)的功能，此次畢業(yè)設計的校直器結(jié)構采用三點反彎曲法設計，其系統(tǒng)結(jié)構如下圖所示，校直器系統(tǒng)主要由六部分組成，包擴 1活動履帶 2液壓缸 3滾輪裝置 4連接臂 5固定支架 6固定履帶，滾輪裝置與固定履帶外緣要保持在一條直線上，校直器的工作流程是通過液壓缸驅(qū)動，使可活動的校直器履帶向管道施加夾緊力，履帶將夾緊力傳遞給管道，滾輪裝置與固定履帶分別屬于支撐管道的兩個點，與活動履帶配合，通過三點反彎曲法校直管道。此履帶鏈輪式結(jié)構的有點是履帶與管道之間是線接觸，這樣比較容易對管道上施加的矯直力進行控制，管道由于與校直器的接觸面積較小而產(chǎn)生的二次彎曲的可能性降低，提高了校直的可靠性。：1活動履帶 2液壓缸 3滾輪裝置 4連接臂 5固定支架 6固定履帶 校直器系統(tǒng)結(jié)構圖海底管道水平鋪設系統(tǒng)樣機能提供15噸張緊力,對管徑為三寸以內(nèi)軟管進行鋪設，矯直機的選擇取決于軟管的直徑，壁厚，屈服強度和涂層。一般來說，采用三點反彎曲法進行校直，由于此次設計是針對三寸以內(nèi)軟管進行鋪設。我們依據(jù)COFLEXIP公司三寸柔性軟管的工作壓力69MPa,管道外徑131mm。本章主要介紹了彎管器以及校直器的工作原理以及作用，并依據(jù)軟管外徑進行了選型。主要進行了： （1）彎管器的作用與原理的介紹 （2）依據(jù)管道尺寸對彎管器進行了選型 （3）校直器的工作原理的介紹 （4）依據(jù)管道的工作壓力和尺寸對校直器進行了選型21第5章 張緊器結(jié)構設計第5章 張緊器結(jié)構設計張緊器是鋪管鋪設的重要設備,管線鋪設深度取決于張緊力的大小,管線恒張力通過張緊器張緊系統(tǒng)控制。在鋪設過程中, 管道受自身重量、海況的影響,管道內(nèi)有較大的彎曲應力,由于海況的的變化彎曲應力也在不斷變化。為使管道彎曲應力控制在材料的屈服極限內(nèi),確保管道不被破壞, 用張緊器進行送管并實時調(diào)整管道的張緊力,使管道的張力基本恒定不變,始終保持在允許的范圍內(nèi)。[11] 張緊器由上履帶、下履帶、機架和液壓缸構成, 上履帶通過液壓缸驅(qū)動沿導桿上下運動, 下履帶驅(qū)動機構固定在底座上。張緊系統(tǒng)由管道張緊系統(tǒng)、管道輸送系統(tǒng)組成。在鋪管作業(yè)中, 張緊系統(tǒng)通過液壓缸將上履帶緊壓管道,通過履帶板V型結(jié)構將管道固定在下履帶上，保持恒定的夾緊力。管道從鋪管船船尾進行鋪設，從鋪管船船尾到海底有很長的懸空段, 由于鋪管船受海況影響上下擺動, 管道從鋪管船船尾到海底之間的距離受海況影響而不斷變化, 這就使得管線內(nèi)的應力不斷變化。,5—夾緊裝置 4—導向桿 3—機架 8—驅(qū)動軸 9—履帶管道在進行鋪設, 當鋪管船船由于風浪影響上升時, 管道將承受到較大的拉應力, 拉力可能使管道超過其應力極限, 引起管道破裂或使鋪管船定錨走錨造成安全事故。 當鋪管船由于風浪影響下降時, 管線受自身重力和海浪力的作用, 將承受很大彎曲應力, 該應力將超過管線材料的屈服極限, 使管道產(chǎn)生塑性變形。張緊器張緊系統(tǒng)可實現(xiàn)管線的恒張力控制。鋪管作業(yè)時, 監(jiān)測系統(tǒng)通過安裝在驅(qū)動軸上的編碼器和張緊器與船體之間的傳感器實時監(jiān)測管道鋪設速度和管道張緊力。鋪管船平穩(wěn)地工作時, 管道輸送系統(tǒng)使鋪管鋪設速度控制在設定值。當船體由于風浪上升, 管道輸送系統(tǒng)加快放管速度。 當船體下降時, 管道輸送系統(tǒng)降低放管速度, 確保張緊力控制在設定的范圍內(nèi)。[12] 本次畢業(yè)設計，張緊器總體結(jié)構包括：張緊機構，履帶機構，驅(qū)動機構，箱體，底座，安裝臺。張緊機構通過履帶向管子提供正壓力，是決定張緊力大小的關鍵部分，他通過垂直對成分布置的2個液壓缸將軟管夾持在兩個履帶中間。張緊機構包括主張緊液壓缸和導軌。導軌是運動部件導向和承載的部件可分為直線運動導軌和回轉(zhuǎn)運動導軌，導軌設計的要求是準確的導向精度，精度保持性好結(jié)構簡單，工藝性好，便于調(diào)整和維修，在此次畢業(yè)設計中，當行走單元沿著導軌運動時，到會主要起支撐和導向作用，即支撐和保證履帶機構在外力（系統(tǒng)本身的重力和張緊力）的作用下，沿給定的方向進行直線運動。根據(jù)海底管道水平鋪設系統(tǒng)張緊器的工作環(huán)境，本次設計對導軌有如下要求：運動輕便穩(wěn)定。輕便省力，速度均勻，低速時應無爬行現(xiàn)象，工作穩(wěn)定。 導軌結(jié)構示意圖1導軌 2滑塊 （1）良好的耐磨性。導軌在使用過程中會磨損，但應使磨損最小，且磨損后能自動補償或便于調(diào)整。 （2）足夠的剛度。行走單元所受外力，是由導軌面承受的。故導軌應具有足夠接觸剛度。 （3）結(jié)構工藝性好。在保證導軌其他要求的前提下，應使導軌結(jié)構簡單，便于加工、測量、裝配和調(diào)整，以降低其成本。張緊器張緊系統(tǒng)的主要作用是保證管線的恒張力控制，在此基礎上，全面考慮系統(tǒng)結(jié)構、操作、能耗等因素。通過分析國內(nèi)外張緊系統(tǒng)的組成，可將張緊方式分為：（1）螺旋夾緊液壓馬達驅(qū)動（2）螺旋夾緊電機驅(qū)動（3）液壓缸夾緊液壓馬達驅(qū)動下面我們將分別詳細介紹這三種張緊方式： （1）螺旋夾緊和液壓馬達驅(qū)動螺旋夾緊裝置結(jié)構簡單，通過電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，使上履帶通過導軌上下運動。但是夾緊過程必須有工人在現(xiàn)場進行調(diào)節(jié)。螺旋夾緊屬于剛性夾緊，自適能力比較差。且在鋪管作業(yè)過程中，管線由于凃?qū)硬痪鶆?，在鋪設過程中的磨損等因素，會造成管道直徑有所不同。管道直徑的變化會影響張緊力，從而影響到張緊力的調(diào)節(jié)。液壓馬達結(jié)構簡單且維護成本低，但無論在馬達驅(qū)動履帶進行管道鋪設還是由于管線焊接而馬達停止工作的過程中，液壓泵站不會停止工作，從而造成不必要的資源浪費。 （2）螺旋夾緊和電動機驅(qū)動螺旋夾緊用電動機代替液壓馬達驅(qū)動，從而將整體長進系統(tǒng)簡化。電動機的驅(qū)動主要有兩種方式：直流電動機驅(qū)動和交流伺服電動機驅(qū)動。隨著交流電動機的發(fā)展和控制工程的進步，使用交流伺服電動機比直流電動機控制方式更可靠，啟動更加平順。在管道焊接過程中，與液壓馬達相比，電動機停止運動，更加節(jié)約且環(huán)保。因此，現(xiàn)在普遍采用交流伺服電動機進行驅(qū)動，但是交流伺服電動機含有控制系統(tǒng)，成本較高，維護較為困難。 （3）液壓缸夾緊和液壓馬達驅(qū)動液壓缸夾緊的方式屬于柔性夾緊，通過控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)張緊力的實時控制，當張緊力達到預定值的時候，將液壓缸的進油口斷路，液壓缸保持壓力恒定，蓄能器平衡液壓缸因泄露而引起壓力變化。液壓泵站停止工作，檢測系統(tǒng)檢測到張緊力小于設定值時，監(jiān)控系統(tǒng)會自動啟動液壓泵站，液壓缸增大壓力以滿足張緊力要求，因此張緊過程是個閉環(huán)控制系統(tǒng)，自適能力強。[13] 此次海底管道水平鋪設系統(tǒng)的張緊器選用液壓缸夾緊和液壓馬達驅(qū)動的張緊方式。因為此次畢業(yè)設計需要提供15T的張緊力，在鋪管的過程中要考慮較大海浪影響，要求加夾緊系統(tǒng)穩(wěn)定、驅(qū)動系統(tǒng)可靠性高，因此采用液壓缸夾緊和液壓馬達電驅(qū)動的張緊方式。通過查閱相關資料，此次設計采用履帶式結(jié)構。履帶對管道壓力較小，工作室也較為穩(wěn)定，履帶是張緊器結(jié)構設計的關鍵，但其工作條件較差，受力復雜，容易產(chǎn)生磨損。履帶的運動選用鏈傳動，其優(yōu)點為無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，平均傳動比準確，工作可靠，效率高；傳遞功率大，過載能力強，相同工況下的傳動尺寸??；所需張緊力小，作用于軸上的壓力小；能在高溫、潮濕、多塵、有污染等惡劣環(huán)境中工作。1—張緊輪1 2—張緊輪2 3—張緊輪3 履帶結(jié)構履帶機構由若干鏈節(jié)組成，鏈節(jié)之間用緊鎖銷軸和銷套鏈接。每個鏈節(jié)外側(cè)連接有V型板，履帶板上安裝有橡膠緩沖墊塊，用于加大摩擦力和使載荷均勻，進而加大與管外壁的接觸面積，降低接觸比壓。在履帶中心架的下方由9個液壓缸向下推動張緊輪3從而張緊履帶，在履帶中心架的左邊有兩個液壓缸向下推動左邊張緊輪1張緊履帶，這11個液壓缸共同作用履帶實現(xiàn)履帶的張緊。在履帶中心架上方兩個張緊輪2支撐履帶。在履帶中心架右邊有一個鏈輪，通過電機帶動鏈輪實現(xiàn)履帶的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)鋪設管道的水平移動。原理分析：履帶板上安裝有橡膠緩沖墊塊，用于加大摩擦力和使載荷均勻，進而加大與管外壁的接觸面積，降低接觸比壓，履帶板的傳動是依賴于鏈傳動而實現(xiàn)的，在校直器中起固定軟管作用，履帶板采用對稱結(jié)構，其結(jié)構尺寸主要是依靠所鋪設軟管的尺寸和鏈節(jié)間的裝配間距所決定的。履帶板兩端受到支撐輪向上的支撐力F,履帶板v型斜面與管道接觸點受到