水下运载器打捞机械手的设计及试验研究

摘要

随着我国港航运输事业的飞速发展与建设海洋强国步伐的不断迈进，海洋活动的范围与密度不断扩大，其风险也随之增加，各类海洋运载器沉没事故及飞行器坠海事故时有发生，相关救助打捞作业风险高、耗时长。加强水下打捞相关装备的研究与试验，对于提升我国应急抢险救捞能力具有重要意义。本课题来源于中船重工750试验场“大深度打捞技术”，针对课题面临的大吨位大深度打捞要求，设计出一种适用于水下运载器的大型打捞装置，以提高打捞作业效率，减小作业强度。
　　本文根据打捞作业环境和技术要求，选择机械手抓取、绳索对接起吊的方式，采用模块化方法设计出打捞机械手的本体结构、对接锁紧装置、液压系统、观测系统、供电单元和控制系统，并对部分元件进行选型和布置，结合机械手的结构组成阐述了打捞作业的具体流程和主要技术参数。
　　重点对打捞过程中的机械手水下姿态调整、抓取物体、穿泥对接和起吊作业四个阶段进行分析计算及仿真，作为机械手设计和改进的参考。通过浮性与稳性的计算确定机械手小倾角倾覆时的复原力矩，并对手爪夹紧状态进行强度校核以验证其是否满足水下使用要求。通过建立D-P土体模型在ABAQUS中对土体剪切过程进行仿真，讨论了土体参数对牵引力的影响，得出不同土工条件下的牵引力变化曲线。海底结构物离底时不可避免地受到土体对物体的吸附作用，本文运用太沙基极限承载理论分析了起吊初始阶段的离底吸附力，同时计算了起浮运动中的附连水质量，作为确定起吊载荷的依据。锁紧接头是起吊过程的主要承力部件，在对其进行强度校核后，以受拉时的最大应力和接头体积作为优化目标，采用响应面法对其进行尺寸优化，降低最大承载应力。
　　机械手动力装置采用基于补偿原理的液压系统，根据打捞动作要求和所需驱动力对液压系统进行设计。液压系统包括夹紧回路、对接回路、应急回路与动力源，根据相应的回路绘制出液压系统的原理图，通过计算确定主要液压元件的参数并进行选型。在计算机中建立液压系统的模型并进行仿真，验证液压系统设计的合理性，并运用 Matlab工具箱对阀控马达系统进行校正，使得其动态性能满足要求。
　　根据作业过程和水下控制系统的要求设计出整体控制方案，控制系统的设计包括上位机和下位机以及两者间的通信方式。上位机的核心是控制台，下位机的控制核心是PLC，通过控制液压阀，完成对液压执行器的控制，从而实现相应动作。通过原理样机水下150m深处的圆筒模型打试验验证了设计方案的可行性，为工程样机的研制和改进提供参考。
　　本文的研究是水下运载器打捞机械手设计的基础，为后续的改进工作及样机水下试验提供参考，也开阔了大型水下打捞装备的设计和研究思路。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1引言

1.2课题来源、研究目的和意义

1.3大型打捞工程的发展概况

1.4水下打捞装备发展概况

1.5论文主要研究内容

第2章 水下运载器打捞机械手总体方案设计

2.1引言

2.2水下作业环境分析

2.3打捞机械手的总体方案

2.4打捞机械手结构设计

2.5打捞机械手作业过程与技术参数

2.6本章小结

第3章 打捞作业过程力学分析及仿真

3.1引言

3.2打捞机械手水力特性分析

3.3夹紧过程强度校核

3.4对接过程土力学分析与仿真

3.5起吊过程物体受力分析

3.6锁紧装置受力分析及尺寸优化

3.7海流载荷对作业过程的影响

3.8本章小结

第4章 水下运载器打捞机械手液压系统设计及仿真

4.1引言

4.2基于补偿原理的水下液压系统

4.3打捞机械手液压设计及分析

4.4液压元件计算与选型

4.5基于AMESim的液压系统仿真

4.6马达系统频率特性分析与PID校正

4.7本章小结

第5章 水下运载器打捞机械手控制系统设计与试验研究

5.1引言

5.2控制系统的组成

5.3控制系统分析及设计

5.4样机水下打捞试验

5.5本章小结

结论

参考文献

致谢