3000米深海吊放系统A架结构设计与分析

摘要

随着对海洋的探索，我们的水下作业、探测和记录仪器下潜深度越来越大。同时吊放目标也越来越多样，包括海洋岩心钻机、沉积物取心器、海底观测站、ROV/AUV、生物取样器等。为了配合水下作业装置的稳定入水和顺利回收，需要通过一整套布放回收系统来实现。国内起吊装置多依赖于海外租赁，且国产起吊装置一般以固定于船艉的大型门架为主，小型A型门架功能单一，在海况复杂或负载较大情况下不具备作业能力。为了改变这种状况，本论文设计了一种便于运输的紧凑型A型门架布放回收系统。
　　该系统由钢架结构、伸缩液压缸和液压绞车组成，用于实现A型门架的摆动和缆绳的收放。钢架结构分为A型门架和基架，A型门架上安装定滑轮，缆绳穿过定滑轮，分别连接负载和绞车。基架主要起到固定保护作用，液压缸、绞车、排缆器、防滑板、液压元器件、操作面板、工具箱等均安装在基架上。
　　由于本文的布放回收系统应用于3000米深海环境，波浪升沉起伏会影响缆绳的收放，通过比较常用的五种补偿方式，本文选用可控绞车的方案。同时对缆绳受力进行分析，计算出绞车排缆速度上限，结合额定负载和钢缆直径进行绞车选型。本文对门架收放过程建立了运动方程，推算出液压缸理想的安装位置，并结合工况对液压缸进行选型。同时本文给出了滑轮、钢架结构和销轴的详细设计方案，以及设计中涉及的配合制和焊接问题。并对设计方案进行可行性评估，通过ForceEffect对门架横梁进行剪切力和弯矩分析，对危险截面进行校核并对失效结构更换许用应力更大的材料。通过HyperMesh和Ansys对整体钢架和销轴进行有限元分析，确保设计具有足够刚度、强度及稳定性。
　　最后进行了液压系统设计，包括补偿回路、绞车回路以及同步双缸系统回路。其中补偿回路集成在可控绞车内部，起到减小波浪升沉起伏引起的负面作用。绞车回路主要具有两个功能，包括绞车的收放和制动。同步双缸系统回路起到对门架调整角度的作用，使A型门架能稳定在船舷内外运动。本文对所有回路进行详细的可行性分析，并通过AMESim建立液压系统回路，验证双缸同步性。本文阐述了液压控制原理和电磁铁控制顺序，并列举出主要液压元件选型，包括液压泵、电动机、溢流阀、电磁换向阀、平衡阀、节流阀、油管、油箱等。同时本文将绞车和门架的控制面板安放在布放回收系统的后部，与液压元件和管线集成一体。控制面板可显示各路油压，并有自动和手动控制功能。通过连接控制盒，能实现对绞车和液压缸的远程控制。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2课题应用

1.3国内发展现状

1.4国外发展现状

1.5国内外研究现状分析

1.6本文研究内容

第二章 总体结构设计

2.1引言

2.2设计指标

2.3运动补偿

2.4总体设计

2.5基架设计

2.6 A型门架设计

2.7排缆器

2.8绞车

2.9本章小结

第三章 机械结构设计

3.1引言

3.2缆绳拖拽负载设计要点

3.3缆绳载荷

3.4 A型门架结构建模

3.5液压缸抬升力

3.6液压缸选型

3.7绞车选型

3.8滑轮设计

3.9钢架结构设计

3.10销轴设计

3.11配合制选用

3.12焊接工艺

3.13本章小结

第四章 强度校核及有限元分析

4.1引言

4.2门架横梁弯曲切应力核算

4.3整体钢架模态分析

4.4整体钢架应力分析

4.5销轴有限元分析

4.6本章小结

第五章 液压系统

5.1引言

5.2总体液压图

5.3液压回路控制顺序

5.4主要液压元件选型

5.5分支液压回路

5.6控制系统简介

5.7本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

附录