7液壓伸縮裝置研究設(shè)計報告

（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告目錄伸縮裝置研究設(shè)計報告 11緒論 11.11.21.3課題研究背景、目的及意義 1海洋平臺受損分析 1海洋平臺受損結(jié)構(gòu)修復(fù)方法 21.3.1裂紋打磨修理 21.3.2水下焊接修理 21.3.3板殼加強(qiáng)法修理 31.3.41.3.5節(jié)點灌漿修理 3卡箍修理 41.4灌漿卡箍修理國內(nèi)外發(fā)展概況 51.4.1灌漿卡箍修理國外發(fā)展概況 61.4.2灌漿卡箍修理國內(nèi)發(fā)展概況 71.5研究主要內(nèi)容 8伸縮灌漿卡箍裝置的總體方案研究 922.1引言 92.22.2.1伸縮灌漿卡箍加固裝置總體方案設(shè)計 9伸縮灌漿卡箍加固裝置總體方案設(shè)計要求 92.2.2伸縮灌漿卡箍加固裝置總體設(shè)計方案（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告目錄伸縮裝置研究設(shè)計報告 11緒論 11.11.21.3課題研究背景、目的及意義 1海洋平臺受損分析 1海洋平臺受損結(jié)構(gòu)修復(fù)方法 21.3.1裂紋打磨修理 21.3.2水下焊接修理 21.3.3板殼加強(qiáng)法修理 31.3.41.3.5節(jié)點灌漿修理 3卡箍修理 41.4灌漿卡箍修理國內(nèi)外發(fā)展概況 51.4.1灌漿卡箍修理國外發(fā)展概況 61.4.2灌漿卡箍修理國內(nèi)發(fā)展概況 71.5研究主要內(nèi)容 8伸縮灌漿卡箍裝置的總體方案研究 922.1引言 92.22.2.1伸縮灌漿卡箍加固裝置總體方案設(shè)計 9伸縮灌漿卡箍加固裝置總體方案設(shè)計要求 92.2.2伸縮灌漿卡箍加固裝置總體設(shè)計方案 92.32.3.1伸縮灌漿卡箍加固裝置總體結(jié)構(gòu) 10伸縮灌漿卡箍加固裝置機(jī)械結(jié)構(gòu) 102.3.2系統(tǒng) 112.3.3系統(tǒng) 132.4本章小結(jié) 143海洋平臺伸縮灌漿卡箍裝置設(shè)計 223.1引言 22I（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告3.2卡箍加固裝置加固主體設(shè)計 223.2.1卡箍加固主體結(jié)構(gòu)設(shè)計 223.2.2卡箍加固 缸動力裝置選型 223.33.3.1自鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計 23自鎖裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 233.3.2鎖緊缸選型 273.4彈簧銷自鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計 283.4.1彈簧銷自鎖裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 283.4.2鎖緊缸選型 293.5本章小結(jié) 30卡箍裝置鎖緊加固力學(xué)特性研究 3544.1引言 354.2彈簧銷自鎖裝置靜態(tài)特性分析 354.2.1彈簧銷自鎖裝置整體靜態(tài)特性分析 364.2.2彈簧自鎖銷結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 384.3卡箍加固裝置疲勞分析 434.3.1構(gòu)件損傷本構(gòu)關(guān)系的研究 444.3.2研究確定構(gòu)件損傷演化方程 524.3.3構(gòu)件材料屬性定義 554.3.4裝置載荷狀態(tài)分析（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告3.2卡箍加固裝置加固主體設(shè)計 223.2.1卡箍加固主體結(jié)構(gòu)設(shè)計 223.2.2卡箍加固 缸動力裝置選型 223.33.3.1自鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計 23自鎖裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 233.3.2鎖緊缸選型 273.4彈簧銷自鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計 283.4.1彈簧銷自鎖裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 283.4.2鎖緊缸選型 293.5本章小結(jié) 30卡箍裝置鎖緊加固力學(xué)特性研究 3544.1引言 354.2彈簧銷自鎖裝置靜態(tài)特性分析 354.2.1彈簧銷自鎖裝置整體靜態(tài)特性分析 364.2.2彈簧自鎖銷結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 384.3卡箍加固裝置疲勞分析 434.3.1構(gòu)件損傷本構(gòu)關(guān)系的研究 444.3.2研究確定構(gòu)件損傷演化方程 524.3.3構(gòu)件材料屬性定義 554.3.4裝置載荷狀態(tài)分析 554.3.5裝置疲勞分析 574.4基于ADAMS的卡箍碰撞力分析 594.4.1模型的建立 594.4.2卡箍碰撞模擬及結(jié)果分析 604.4.3缸速度優(yōu)化及結(jié)果分析 624.5本章小結(jié) 645基于的系統(tǒng)同步性分析 635.1引言 63II（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告5.25.3建立自鎖裝置回路數(shù)學(xué)模型 63自鎖裝置 系統(tǒng)同步性分析 695.4本章小結(jié) 736伸縮灌漿卡箍裝置樣機(jī)與開合運動試驗 74伸縮灌漿卡箍加固裝置樣機(jī) （七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告5.25.3建立自鎖裝置回路數(shù)學(xué)模型 63自鎖裝置 系統(tǒng)同步性分析 695.4本章小結(jié) 736伸縮灌漿卡箍裝置樣機(jī)與開合運動試驗 74伸縮灌漿卡箍加固裝置樣機(jī) 74伸縮運動開合功能實驗 756.16.27論 73參考文獻(xiàn) 74III（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告伸縮裝置研究設(shè)計報告1 緒論1.1 課題研究背景、目的及意義進(jìn)入21世紀(jì)，人們對尤其枯竭，因此，我國將海洋油氣的需求量日漸提高，而陸地油氣卻逐漸減少甚至開發(fā)列為重點項目。海洋油氣開發(fā)離不開海洋平臺的輔助作用，但是由于海洋生物及意外碰撞、海水的日益腐蝕、平臺自身磨損、材料自身疲勞等一系列，搭建海洋平臺的水下桿件和管道的接觸節(jié)點的局部應(yīng)力會超出應(yīng)的剛度和強(qiáng)度會超出應(yīng)用的規(guī)范要求[i][ii]。這些局部的破損會用標(biāo)準(zhǔn)。某些局部的重降低整個海洋平臺結(jié)構(gòu)的可靠度，降低了平臺的安全性，從而影響到海洋油氣開發(fā)。的正常本文主要研究海洋平臺水下局部受損結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)和加固技術(shù)，設(shè)計開發(fā)相應(yīng)的灌漿卡箍加固裝置?？ü垦b置研發(fā)包括其設(shè)計、生產(chǎn)、安裝操作流程。通過灌漿卡箍加固裝置的設(shè)計研發(fā)解決目前國內(nèi)海洋平臺水下桿件及管道的接觸節(jié)點局部加強(qiáng)技術(shù)的中的，為導(dǎo)管架水下破損桿件和局部重要節(jié)點，尤其是強(qiáng)度不足的節(jié)點和桿件，提供簡便可行的加固加強(qiáng)措施[iii]。灌漿卡箍加固技術(shù)可以用簡便可行的方法修復(fù)平臺，大幅度降低油田日常保養(yǎng)和檢修、維護(hù)費用，同時大幅度提高海洋平臺整體的安全性和可靠性[iv]。1.2 海洋平臺受損分析海洋平臺損傷復(fù)雜，通過對平臺損傷的分析研究，可以有效的了解收到損傷的主要。結(jié)合受損可以有效的選擇合理的修復(fù)方法。因此必須做好受損的分析[v]1.1是對近幾年百起損傷平臺結(jié)果。由表可見：（（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告伸縮裝置研究設(shè)計報告1 緒論1.1 課題研究背景、目的及意義進(jìn)入21世紀(jì)，人們對尤其枯竭，因此，我國將海洋油氣的需求量日漸提高，而陸地油氣卻逐漸減少甚至開發(fā)列為重點項目。海洋油氣開發(fā)離不開海洋平臺的輔助作用，但是由于海洋生物及意外碰撞、海水的日益腐蝕、平臺自身磨損、材料自身疲勞等一系列，搭建海洋平臺的水下桿件和管道的接觸節(jié)點的局部應(yīng)力會超出應(yīng)的剛度和強(qiáng)度會超出應(yīng)用的規(guī)范要求[i][ii]。這些局部的破損會用標(biāo)準(zhǔn)。某些局部的重降低整個海洋平臺結(jié)構(gòu)的可靠度，降低了平臺的安全性，從而影響到海洋油氣開發(fā)。的正常本文主要研究海洋平臺水下局部受損結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)和加固技術(shù)，設(shè)計開發(fā)相應(yīng)的灌漿卡箍加固裝置?？ü垦b置研發(fā)包括其設(shè)計、生產(chǎn)、安裝操作流程。通過灌漿卡箍加固裝置的設(shè)計研發(fā)解決目前國內(nèi)海洋平臺水下桿件及管道的接觸節(jié)點局部加強(qiáng)技術(shù)的中的，為導(dǎo)管架水下破損桿件和局部重要節(jié)點，尤其是強(qiáng)度不足的節(jié)點和桿件，提供簡便可行的加固加強(qiáng)措施[iii]。灌漿卡箍加固技術(shù)可以用簡便可行的方法修復(fù)平臺，大幅度降低油田日常保養(yǎng)和檢修、維護(hù)費用，同時大幅度提高海洋平臺整體的安全性和可靠性[iv]。1.2 海洋平臺受損分析海洋平臺損傷復(fù)雜，通過對平臺損傷的分析研究，可以有效的了解收到損傷的主要。結(jié)合受損可以有效的選擇合理的修復(fù)方法。因此必須做好受損的分析[v]1.1是對近幾年百起損傷平臺結(jié)果。由表可見：（1）落物、安裝損傷、混凝土施工造成的損傷比例日漸減少。說明操作施工過程中安裝施工技術(shù)水平顯著提高，但仍存在安全隱患且不可避免，但日益減少的趨勢已非常顯著。（2）由于疲勞損傷造成的平臺受損呈上升趨勢。說明平臺老化效果明顯，隨著平臺哈爾濱工程大學(xué)第1頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告使用年數(shù)的增加，造成的損傷所占比例會持續(xù)上升。應(yīng)引起足夠重視，減少疲勞損傷將是平臺修復(fù)的主要任務(wù)。（3）通過對上述幾種數(shù)據(jù)的對比，不難發(fā)現(xiàn)，平臺受損的主要為疲勞損傷和碰撞。而比例持續(xù)增長的則是疲勞損傷，因此對疲勞損傷問題的解決可以大幅度提高平臺的。1.1百起損傷平臺1.3海洋平臺受損結(jié)構(gòu)修復(fù)方法裂紋打磨修理由于外界環(huán)境動力載荷的持續(xù)作用或者焊接等因素易使平臺產(chǎn)生延遲裂紋，致使平臺承載能力下降。裂紋容易導(dǎo)致局部的高強(qiáng)應(yīng)力，長期的累積容易對平臺安全造成性影響。我們采用打磨裂紋[vi]，使裂紋變成凹槽，從而降低局部尖端應(yīng)力，該方法適用于產(chǎn)生微小裂紋的管道和局部節(jié)點。水下焊接修理水下焊接技術(shù)的產(chǎn)生主要是為了滿足日益增長的海上鉆井平臺和生產(chǎn)平臺的修復(fù)和哈爾濱工程大學(xué)第2頁共80頁損傷至1981年損傷（起）1982~1986年損傷（起）兩時間總計（起）落物9（15%）09(9%)碰撞17（28%）5(13%)22(22%)安裝損傷4（6%）（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告使用年數(shù)的增加，造成的損傷所占比例會持續(xù)上升。應(yīng)引起足夠重視，減少疲勞損傷將是平臺修復(fù)的主要任務(wù)。（3）通過對上述幾種數(shù)據(jù)的對比，不難發(fā)現(xiàn)，平臺受損的主要為疲勞損傷和碰撞。而比例持續(xù)增長的則是疲勞損傷，因此對疲勞損傷問題的解決可以大幅度提高平臺的。1.1百起損傷平臺1.3海洋平臺受損結(jié)構(gòu)修復(fù)方法裂紋打磨修理由于外界環(huán)境動力載荷的持續(xù)作用或者焊接等因素易使平臺產(chǎn)生延遲裂紋，致使平臺承載能力下降。裂紋容易導(dǎo)致局部的高強(qiáng)應(yīng)力，長期的累積容易對平臺安全造成性影響。我們采用打磨裂紋[vi]，使裂紋變成凹槽，從而降低局部尖端應(yīng)力，該方法適用于產(chǎn)生微小裂紋的管道和局部節(jié)點。水下焊接修理水下焊接技術(shù)的產(chǎn)生主要是為了滿足日益增長的海上鉆井平臺和生產(chǎn)平臺的修復(fù)和哈爾濱工程大學(xué)第2頁共80頁損傷至1981年損傷（起）1982~1986年損傷（起）兩時間總計（起）落物9（15%）09(9%)碰撞17（28%）5(13%)22(22%)安裝損傷4（6%）1(2%)5(5%)疲勞損傷17（28%）14(36%)31（31%）設(shè)計提高7（11%）9(23%)16（16%）焊接缺陷1（2%）2(5%)3（3%）混凝土施工1（2%）01（1%）其他5（8%）8（21%）13（13%）總計6139100（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告建設(shè)需求。目前水下焊接通常采用電弧焊，從工作環(huán)境方面進(jìn)行區(qū)分，水下焊接可分為：濕法焊接和干法焊接[vii]。濕法焊接，顧名思義就是將焊接過程露于水中，不采取特殊的排水技術(shù)，對焊接電弧的保護(hù)工作僅僅是依靠焊接過程中因焊接產(chǎn)生熱量致使水汽化產(chǎn)生的氣泡來進(jìn)行。因此濕法焊接存在焊接質(zhì)量差的缺點，難以得到滿意的焊接接頭。但是隨著的變遷，逐漸產(chǎn)生專門水下焊接的焊條以及柔性連接基座法等一系列技術(shù)[viii]。這些技術(shù)的產(chǎn)生為操作方便，成本較低的水下焊接技術(shù)注入新的活力和生機(jī)。干法焊接按焊接形式不同可分為高壓焊接（如圖1.1所示）和局部焊接。其中前者在目前水下焊接中被廣泛采用。高壓干法焊接通常配備了智能化和自動化技術(shù)，其焊接質(zhì)量高，速度快，可靠性高[ix]。局部干法水下焊接是為焊接區(qū)域營造一個人為的氣室[x]，隔絕與外接水環(huán)境的交互。整個焊接的過程是在氣室內(nèi)完成，焊接質(zhì)量高。板殼加強(qiáng)法修理當(dāng)水下連接部件某些結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較為細(xì)微的破損時，通常采用板殼加強(qiáng)法進(jìn)行修理。其（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告建設(shè)需求。目前水下焊接通常采用電弧焊，從工作環(huán)境方面進(jìn)行區(qū)分，水下焊接可分為：濕法焊接和干法焊接[vii]。濕法焊接，顧名思義就是將焊接過程露于水中，不采取特殊的排水技術(shù)，對焊接電弧的保護(hù)工作僅僅是依靠焊接過程中因焊接產(chǎn)生熱量致使水汽化產(chǎn)生的氣泡來進(jìn)行。因此濕法焊接存在焊接質(zhì)量差的缺點，難以得到滿意的焊接接頭。但是隨著的變遷，逐漸產(chǎn)生專門水下焊接的焊條以及柔性連接基座法等一系列技術(shù)[viii]。這些技術(shù)的產(chǎn)生為操作方便，成本較低的水下焊接技術(shù)注入新的活力和生機(jī)。干法焊接按焊接形式不同可分為高壓焊接（如圖1.1所示）和局部焊接。其中前者在目前水下焊接中被廣泛采用。高壓干法焊接通常配備了智能化和自動化技術(shù)，其焊接質(zhì)量高，速度快，可靠性高[ix]。局部干法水下焊接是為焊接區(qū)域營造一個人為的氣室[x]，隔絕與外接水環(huán)境的交互。整個焊接的過程是在氣室內(nèi)完成，焊接質(zhì)量高。板殼加強(qiáng)法修理當(dāng)水下連接部件某些結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較為細(xì)微的破損時，通常采用板殼加強(qiáng)法進(jìn)行修理。其原理就是在受損面包覆一層板殼（如圖1.2所示）或增加加強(qiáng)筋，通過增大截面積，提高該部件的承載能力、強(qiáng)度及剛度。但對于其此選用該方法時需要對其進(jìn)行疲勞分析[xi][xii]。卻沒有任何提高，反而可能降低1.1水下干式高壓艙1.2板殼加強(qiáng)法節(jié)點灌漿修理節(jié)點灌漿修理技術(shù)就是對于局部破損的管道破損部位灌注水泥漿，通過內(nèi)部填充的水泥漿增強(qiáng)局部節(jié)點的抗壓能力。填充水泥漿的存在提高了管道局部的徑向剛度[xiii]，有效的增加了受力面積，從而使應(yīng)力分布更加均勻。此方法減少了脆弱節(jié)點的應(yīng)力集中，提高其哈爾濱工程大學(xué)第3頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告承載能力。該技術(shù)因其低耗高效的特點廣泛應(yīng)用于受損平臺的加固工作?？ü啃蘩砜ü啃蘩硎鞘軗p的管道或節(jié)點形狀，制作的兩瓣或多瓣的外包管夾結(jié)構(gòu)。將受損的管道夾在中間，通過設(shè)置內(nèi)部剪力鍵來傳力，也可不設(shè)置剪力鍵同步卡箍與管道之間的摩擦力來傳力?？ü啃蘩矸譃椋浩胀C(jī)械卡箍、灌漿卡箍、加壓灌漿卡箍、樹脂卡箍[xiv]。實際操作過程中灌漿卡箍的應(yīng)用最為廣泛，其操作簡便，加固效果良好，實用。機(jī)械卡箍是卡箍修理早期出現(xiàn)的一種修理形式，主要是采用金屬之間相互作用產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行傳力[xv]。如圖1.3所示，前者是整體包覆型，后者為兩瓣夾緊型。兩瓣夾緊型卡箍可以有效減小工件重量，該結(jié)構(gòu)主要是通過螺栓連接將力傳遞到曲面鞍型托板，通過曲面鞍型托板將作用力施加于受損管道或節(jié)點，達(dá)到維修或加固的作用。但該卡箍要求曲（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告承載能力。該技術(shù)因其低耗高效的特點廣泛應(yīng)用于受損平臺的加固工作?？ü啃蘩砜ü啃蘩硎鞘軗p的管道或節(jié)點形狀，制作的兩瓣或多瓣的外包管夾結(jié)構(gòu)。將受損的管道夾在中間，通過設(shè)置內(nèi)部剪力鍵來傳力，也可不設(shè)置剪力鍵同步卡箍與管道之間的摩擦力來傳力?？ü啃蘩矸譃椋浩胀C(jī)械卡箍、灌漿卡箍、加壓灌漿卡箍、樹脂卡箍[xiv]。實際操作過程中灌漿卡箍的應(yīng)用最為廣泛，其操作簡便，加固效果良好，實用。機(jī)械卡箍是卡箍修理早期出現(xiàn)的一種修理形式，主要是采用金屬之間相互作用產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行傳力[xv]。如圖1.3所示，前者是整體包覆型，后者為兩瓣夾緊型。兩瓣夾緊型卡箍可以有效減小工件重量，該結(jié)構(gòu)主要是通過螺栓連接將力傳遞到曲面鞍型托板，通過曲面鞍型托板將作用力施加于受損管道或節(jié)點，達(dá)到維修或加固的作用。但該卡箍要求曲因此，雖然機(jī)械卡箍安裝方便，價格合理，但目前應(yīng)用仍然較少。1.3機(jī)械卡箍結(jié)構(gòu)灌漿卡箍，顧名思義就是用水泥漿[xvi]填充卡箍與受損部件之間的環(huán)形區(qū)域，以達(dá)到保1.4所示。在卡箍內(nèi)添加剪力鍵可以有效提高卡箍的加固效果。灌漿卡箍按結(jié)構(gòu)不同可分為有了無剪力鍵灌漿卡箍與有剪力鍵灌漿卡箍[xvii]兩種，其中無剪力鍵灌漿卡箍由于填充水泥漿的作用，其承載能力優(yōu)于機(jī)械卡箍。有剪力鍵灌漿卡箍由于剪力鍵和膨脹水泥[xviii]等的存在，其承載能力大幅度提高且性能優(yōu)良，目前得到廣泛的應(yīng)用。哈爾濱工程大學(xué)第4頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告1.4灌漿卡箍結(jié)構(gòu)及應(yīng)用加壓灌漿卡箍[xix]顧名思義就是在灌漿卡箍的基礎(chǔ)上增加灌漿。其工作原理是灌漿卡箍由螺栓預(yù)緊提供的來實現(xiàn)加壓。加壓灌漿卡箍的工作強(qiáng)度與水泥漿性能、張緊螺栓[xx]性能及接觸面結(jié)構(gòu)確定。而考慮其工作環(huán)境是在深水中完成，較大的螺栓張力難以提供，因而操作較繁瑣，應(yīng)用并不廣泛。樹脂卡箍的結(jié)構(gòu)與灌漿卡箍大致相同，但其填充物是用具有高粘結(jié)強(qiáng)度的樹脂取代水泥漿[xxi][xxii]。樹脂卡箍不需要設(shè)置剪力鍵，也不用提供額外的螺栓力。但目前為止，樹脂結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強(qiáng)度在海水環(huán)境下的相關(guān)參數(shù)仍沒有可靠的實驗數(shù)據(jù)支持，因此樹脂卡箍僅應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)修復(fù)工作，在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還需要相應(yīng)的理論分析及實驗數(shù)據(jù)支持。綜合以上幾種卡箍修復(fù)形式的修復(fù)結(jié)果及性價比，本文主要采用灌漿卡箍加固技術(shù)對平臺進(jìn)行修復(fù)。1.4灌漿卡箍修理國內(nèi)外發(fā)展概況1911年世界上第一座海上鉆井平臺在美國路易斯安那州和科克薩斯州之間的海上建立。海上鉆井平臺的產(chǎn)生為海洋的開發(fā)和利用提供了很大的便利。但由于工況及其復(fù)雜，承受著環(huán)境載荷、波浪力、自然災(zāi)害等不確定因素[xxiii]，設(shè)計時平臺計劃通常為20年左右。而關(guān)鍵部件節(jié)點的可能難以滿足長時間使用的要求，為了節(jié)約（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告1.4灌漿卡箍結(jié)構(gòu)及應(yīng)用加壓灌漿卡箍[xix]顧名思義就是在灌漿卡箍的基礎(chǔ)上增加灌漿。其工作原理是灌漿卡箍由螺栓預(yù)緊提供的來實現(xiàn)加壓。加壓灌漿卡箍的工作強(qiáng)度與水泥漿性能、張緊螺栓[xx]性能及接觸面結(jié)構(gòu)確定。而考慮其工作環(huán)境是在深水中完成，較大的螺栓張力難以提供，因而操作較繁瑣，應(yīng)用并不廣泛。樹脂卡箍的結(jié)構(gòu)與灌漿卡箍大致相同，但其填充物是用具有高粘結(jié)強(qiáng)度的樹脂取代水泥漿[xxi][xxii]。樹脂卡箍不需要設(shè)置剪力鍵，也不用提供額外的螺栓力。但目前為止，樹脂結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強(qiáng)度在海水環(huán)境下的相關(guān)參數(shù)仍沒有可靠的實驗數(shù)據(jù)支持，因此樹脂卡箍僅應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)修復(fù)工作，在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還需要相應(yīng)的理論分析及實驗數(shù)據(jù)支持。綜合以上幾種卡箍修復(fù)形式的修復(fù)結(jié)果及性價比，本文主要采用灌漿卡箍加固技術(shù)對平臺進(jìn)行修復(fù)。1.4灌漿卡箍修理國內(nèi)外發(fā)展概況1911年世界上第一座海上鉆井平臺在美國路易斯安那州和科克薩斯州之間的海上建立。海上鉆井平臺的產(chǎn)生為海洋的開發(fā)和利用提供了很大的便利。但由于工況及其復(fù)雜，承受著環(huán)境載荷、波浪力、自然災(zāi)害等不確定因素[xxiii]，設(shè)計時平臺計劃通常為20年左右。而關(guān)鍵部件節(jié)點的可能難以滿足長時間使用的要求，為了節(jié)約生產(chǎn)成本，提高平臺，需要對關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行維修加固。灌漿卡箍加固技術(shù)是目前平臺維修加固中應(yīng)用最廣[xxiv]，性價比最高的維修方式。目前，國內(nèi)外 學(xué)者及相關(guān)的工程并取得顯著的成效。都對灌漿卡箍修理技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究，哈爾濱工程大學(xué)第5頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告灌漿卡箍修理國外發(fā)展概況在海洋平臺修復(fù)、加固技術(shù)領(lǐng)域，美國、英國、、挪威、荷蘭及新加坡等起步較早。許多大型公司也認(rèn)識到海洋平臺維護(hù)方面的巨大利益，開展了大量的科研研究。美國的QualityConnectorSystems公司研發(fā)的QCSPerma-SealLeakRepairClamp1.5所示，具有一定的代表性。他的主要功能是性解決海洋平臺水下重要節(jié)點小范圍破損或局部裂紋帶來的管道泄漏。由于整個加固過程需要在水下完成如圖1.6所示，因此對卡箍的密封性，抗腐蝕性及整個加固過程的自動化要求較高。該卡箍的主要特點是：采用了氟橡膠密封；采用了圓周密封結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步加強(qiáng)裝置的密封性[xxv]；在抗腐蝕方面采用了陰極保護(hù)技術(shù)[xxvi]，陰極保護(hù)技術(shù)是電化學(xué)保護(hù)技術(shù)的一種，其原理是向被（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告灌漿卡箍修理國外發(fā)展概況在海洋平臺修復(fù)、加固技術(shù)領(lǐng)域，美國、英國、、挪威、荷蘭及新加坡等起步較早。許多大型公司也認(rèn)識到海洋平臺維護(hù)方面的巨大利益，開展了大量的科研研究。美國的QualityConnectorSystems公司研發(fā)的QCSPerma-SealLeakRepairClamp1.5所示，具有一定的代表性。他的主要功能是性解決海洋平臺水下重要節(jié)點小范圍破損或局部裂紋帶來的管道泄漏。由于整個加固過程需要在水下完成如圖1.6所示，因此對卡箍的密封性，抗腐蝕性及整個加固過程的自動化要求較高。該卡箍的主要特點是：采用了氟橡膠密封；采用了圓周密封結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步加強(qiáng)裝置的密封性[xxv]；在抗腐蝕方面采用了陰極保護(hù)技術(shù)[xxvi]，陰極保護(hù)技術(shù)是電化學(xué)保護(hù)技術(shù)的一種，其原理是向被腐蝕金屬結(jié)構(gòu)物表面施加一個外加電流，使被保護(hù)結(jié)為陰極，從而使導(dǎo)致金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發(fā)生；整個裝置在安裝過程中的開啟和閉合過程通過鉸鏈和 缸輔助完成[xxvii]；在裝置閉合后由整個加固過程高效、簡便。螺栓鎖緊兩瓣卡箍，實現(xiàn)預(yù)緊，1.5灌漿卡箍1.6卡箍加固施工圖美國的T.D.Williamson最安全的陸地及海洋管道完整性解決方案。他們研制的20ROV-installedpipelineleakircm（如圖7所示主要用于修復(fù)泄漏的原油管道以及otrxyisinctdintoaleakrepairclamp.(1.8所示)主要是作用于海底的天然蝕[xxviii]或損壞的管道。這兩種卡箍同時設(shè)計了具有保壓能力的結(jié)構(gòu)，通過在管道和卡箍之間注入灌漿液來提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，實現(xiàn)密封。該可作用于淺海及深海等多種環(huán)境，整個施工過程實現(xiàn)自動化，且加固過程迅速。裝置可以有效減少船只在海洋的?？繒r間，同時哈爾濱工程大學(xué)第6頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告減少因管道修復(fù)時間過長導(dǎo)致的設(shè)備停機(jī)，延誤生產(chǎn)。1.720ROVrepairclamp1.8groutrepairclamp灌漿卡箍修理國內(nèi)發(fā)展概況2060推移，許多重部件產(chǎn)生了不同程度的損傷，而這些損傷的的存在嚴(yán)重威脅到平臺的安全生產(chǎn)。為了延長整個平臺的，增加平臺安全可靠性，國內(nèi)一些大型公司開始著手于平臺修復(fù)技術(shù)的研究。其中包括中國海洋石油總公司，該公司對“渤海八號”進(jìn)行修復(fù)（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告減少因管道修復(fù)時間過長導(dǎo)致的設(shè)備停機(jī)，延誤生產(chǎn)。1.720ROVrepairclamp1.8groutrepairclamp灌漿卡箍修理國內(nèi)發(fā)展概況2060推移，許多重部件產(chǎn)生了不同程度的損傷，而這些損傷的的存在嚴(yán)重威脅到平臺的安全生產(chǎn)。為了延長整個平臺的，增加平臺安全可靠性，國內(nèi)一些大型公司開始著手于平臺修復(fù)技術(shù)的研究。其中包括中國海洋石油總公司，該公司對“渤海八號”進(jìn)行修復(fù)[xxix][]過沖中，使用到灌漿卡箍維修技術(shù)對受損桿件進(jìn)行加固加強(qiáng)。渤海八號平臺建于渤海中部海域，工作水深24.5m；最大風(fēng)速為28.8m/s；百年一遇最大波高為12.9m，周期12.4s1025kg/m3；最低工作溫度為-22C。另一個比較突出的案例則是位于南中國海的海洋平臺。平臺主要采用鋼質(zhì)導(dǎo)管件，導(dǎo)120m89m1829mm。因海洋環(huán)境的復(fù)雜性以及施工過程中的一系列不確定性，導(dǎo)管架在安裝過程中就受到鋪管船的撞擊，如圖1.9所示。導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞的兩次撞擊分別發(fā)生在平臺搭建時導(dǎo)管架離船入水過程中以及導(dǎo)管架安裝完成后。這種損傷，制定的加固方案為灌漿修理以及灌漿卡箍修理兩套方案[i]。綜合評比加固效果及施工效率最終選擇了灌漿卡箍加固技術(shù)進(jìn)行加1.10所示。通過灌漿卡箍修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，為導(dǎo)管架水下重要節(jié)點和桿件，尤其是強(qiáng)度不足的節(jié)點和桿件，提供簡便可行的加固和加強(qiáng)措施。灌漿卡箍修復(fù)技術(shù)推動導(dǎo)管架平臺水下結(jié)構(gòu)加固和加強(qiáng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，大幅度降低油田日常保養(yǎng)和維修改造費用，有效提高了平臺整體安全可靠性[ii]。哈爾濱工程大學(xué)第7頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告1.9船舶撞擊平臺導(dǎo)管架示意圖1.10灌漿卡箍加固示意圖1.5研究主要內(nèi)容本文通過對海洋平臺日常工作中受到的各種損傷形式的對比分析，研究對平臺損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)及加固的有效方法。主要其中的灌漿卡箍修復(fù)裝置進(jìn)行設(shè)計研究，具體包括以下幾個方面：1）通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)閱讀和吸收，對灌漿卡箍加固裝置總體方案進(jìn)行研究和論證；2）根據(jù)灌漿卡箍加固裝置的總體方案進(jìn)行卡箍加固裝置樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計 控制系統(tǒng)，解決裝置水下工作的動力及問題；3）卡箍加固裝置中的鎖緊問題提出兩種解決方案：彈簧銷自鎖結(jié)構(gòu)及自鎖結(jié)構(gòu)。對自鎖結(jié)構(gòu)中薄弱零部件進(jìn)行靜力學(xué)分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)。結(jié)合實際工況對卡箍加固后的平臺導(dǎo)管架進(jìn)行疲勞分析。增強(qiáng)系統(tǒng)同步性。（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告1.9船舶撞擊平臺導(dǎo)管架示意圖1.10灌漿卡箍加固示意圖1.5研究主要內(nèi)容本文通過對海洋平臺日常工作中受到的各種損傷形式的對比分析，研究對平臺損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)及加固的有效方法。主要其中的灌漿卡箍修復(fù)裝置進(jìn)行設(shè)計研究，具體包括以下幾個方面：1）通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)閱讀和吸收，對灌漿卡箍加固裝置總體方案進(jìn)行研究和論證；2）根據(jù)灌漿卡箍加固裝置的總體方案進(jìn)行卡箍加固裝置樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計 控制系統(tǒng)，解決裝置水下工作的動力及問題；3）卡箍加固裝置中的鎖緊問題提出兩種解決方案：彈簧銷自鎖結(jié)構(gòu)及自鎖結(jié)構(gòu)。對自鎖結(jié)構(gòu)中薄弱零部件進(jìn)行靜力學(xué)分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)。結(jié)合實際工況對卡箍加固后的平臺導(dǎo)管架進(jìn)行疲勞分析。增強(qiáng)系統(tǒng)同步性。PID器調(diào)節(jié)整個 系統(tǒng)，哈爾濱工程大學(xué)第8頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告2伸縮灌漿卡箍裝置的總體方案研究2.1 引言本章主要通過對課題內(nèi)容及相關(guān)設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行分析研究，制定出 伸縮灌漿卡箍加固裝置的總體方案。設(shè)計系統(tǒng)配合卡箍工作，實現(xiàn)海上工程船水下卡箍加固及灌漿過程，實現(xiàn)整個工作過程自動化。分析卡箍加固工作流程，制定設(shè)計方案。2.2伸縮灌漿卡箍加固裝置總體方案設(shè)計本課題的最終目的是研制一種用于海洋平臺水下導(dǎo)管架受損結(jié)構(gòu)修復(fù)及加固的動力灌漿卡箍加固裝置。通過系統(tǒng)水下卡箍裝置的開啟或閉合，在損管道與卡箍之間填充水泥漿。過卡箍鎖緊及水泥漿凝固膨脹提供鎖緊力，對受損結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)加強(qiáng)。伸縮灌漿卡箍加固裝置總體方案設(shè)計要求灌漿卡箍加固裝置的設(shè)計中需要解決卡箍深水密封問題，卡箍自動鎖緊方案設(shè)計，水泥漿成分配比，整個加固過程自動化等一系列問題。據(jù)課題要求，灌漿卡箍加固裝置主要設(shè)計技術(shù)指標(biāo)如下：卡箍工作水深100采用水壓試驗?zāi)M方法；加固的結(jié)構(gòu)管桿件規(guī)格為610x25mm；3）水下電磁閥24V；4）16MPa；5）水壓試驗10~25MPa；8~24h；灌漿卡箍加固過程通過系統(tǒng)自動；設(shè)計選取與卡箍配套的水泥漿，選定合適的水灰比；制作工程樣機(jī)，模擬水下環(huán)境實驗，達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。伸縮灌漿卡箍加固裝置總體設(shè)計方案（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告2伸縮灌漿卡箍裝置的總體方案研究2.1 引言本章主要通過對課題內(nèi)容及相關(guān)設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行分析研究，制定出 伸縮灌漿卡箍加固裝置的總體方案。設(shè)計系統(tǒng)配合卡箍工作，實現(xiàn)海上工程船水下卡箍加固及灌漿過程，實現(xiàn)整個工作過程自動化。分析卡箍加固工作流程，制定設(shè)計方案。2.2伸縮灌漿卡箍加固裝置總體方案設(shè)計本課題的最終目的是研制一種用于海洋平臺水下導(dǎo)管架受損結(jié)構(gòu)修復(fù)及加固的動力灌漿卡箍加固裝置。通過系統(tǒng)水下卡箍裝置的開啟或閉合，在損管道與卡箍之間填充水泥漿。過卡箍鎖緊及水泥漿凝固膨脹提供鎖緊力，對受損結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)加強(qiáng)。伸縮灌漿卡箍加固裝置總體方案設(shè)計要求灌漿卡箍加固裝置的設(shè)計中需要解決卡箍深水密封問題，卡箍自動鎖緊方案設(shè)計，水泥漿成分配比，整個加固過程自動化等一系列問題。據(jù)課題要求，灌漿卡箍加固裝置主要設(shè)計技術(shù)指標(biāo)如下：卡箍工作水深100采用水壓試驗?zāi)M方法；加固的結(jié)構(gòu)管桿件規(guī)格為610x25mm；3）水下電磁閥24V；4）16MPa；5）水壓試驗10~25MPa；8~24h；灌漿卡箍加固過程通過系統(tǒng)自動；設(shè)計選取與卡箍配套的水泥漿，選定合適的水灰比；制作工程樣機(jī)，模擬水下環(huán)境實驗，達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。伸縮灌漿卡箍加固裝置總體設(shè)計方案2.1所示，海洋平臺受損導(dǎo)管架灌漿卡箍加固裝置主要由卡箍裝置，傳動系統(tǒng)，船上系統(tǒng)等裝置。卡箍加固過程中工作船停泊于海面上，整個卡箍裝置哈爾濱工程大學(xué)第9頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告由ROV5船上柜發(fā)出系統(tǒng)作用缸收縮，使卡箍兩瓣開啟。當(dāng)卡箍一側(cè)與管道貼合后船上柜發(fā)出指令，經(jīng)系統(tǒng)作用，負(fù)責(zé)卡箍開啟閉合的缸伸出，卡箍兩瓣閉合，完成受損管道卡箍包覆過程后。通過自鎖裝而后船上 柜繼續(xù)發(fā)出灌漿指令，13灌漿水泥漿箱中攪拌均勻的水泥漿通過15灌漿管流入卡箍中。當(dāng)卡箍與受損管道間縫隙被水泥漿充滿后，多余的水泥漿通過出漿管返回灌漿水泥漿箱中。灌漿水泥漿箱將返回的指令上傳至船上柜后，船上柜發(fā)出指令，結(jié)束灌漿。切斷電源，灌漿管出漿管脫離卡箍裝置，工作母船離開施工現(xiàn)場。待24小時后灌漿卡箍內(nèi)水泥漿凝固，將受損管道與卡箍固結(jié)成一體。通過水泥漿的填充與貼合在卡箍與管道之間傳遞力，提高受損管道的承載能力及抗疲勞強(qiáng)度，實現(xiàn)加固的任務(wù)。1-海面2-工作母船3-油管箱4-電纜箱5-船上柜6-輸送電纜7-進(jìn)油管8-回油管9-10-懸吊繩索11-管道12-（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告由ROV5船上柜發(fā)出系統(tǒng)作用缸收縮，使卡箍兩瓣開啟。當(dāng)卡箍一側(cè)與管道貼合后船上柜發(fā)出指令，經(jīng)系統(tǒng)作用，負(fù)責(zé)卡箍開啟閉合的缸伸出，卡箍兩瓣閉合，完成受損管道卡箍包覆過程后。通過自鎖裝而后船上 柜繼續(xù)發(fā)出灌漿指令，13灌漿水泥漿箱中攪拌均勻的水泥漿通過15灌漿管流入卡箍中。當(dāng)卡箍與受損管道間縫隙被水泥漿充滿后，多余的水泥漿通過出漿管返回灌漿水泥漿箱中。灌漿水泥漿箱將返回的指令上傳至船上柜后，船上柜發(fā)出指令，結(jié)束灌漿。切斷電源，灌漿管出漿管脫離卡箍裝置，工作母船離開施工現(xiàn)場。待24小時后灌漿卡箍內(nèi)水泥漿凝固，將受損管道與卡箍固結(jié)成一體。通過水泥漿的填充與貼合在卡箍與管道之間傳遞力，提高受損管道的承載能力及抗疲勞強(qiáng)度，實現(xiàn)加固的任務(wù)。1-海面2-工作母船3-油管箱4-電纜箱5-船上柜6-輸送電纜7-進(jìn)油管8-回油管9-10-懸吊繩索11-管道12-13-灌漿水泥漿箱14-15-灌漿管2.1灌漿卡箍加固裝置總體2.3伸縮灌漿卡箍加固裝置總體結(jié)構(gòu)根據(jù)卡箍加固裝置總體方案，伸縮灌漿卡箍加固裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括：卡箍機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、動力系統(tǒng)和系統(tǒng)三部分。伸縮灌漿卡箍加固裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)哈爾濱工程大學(xué)第10頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告伸縮灌漿卡箍加固裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分是實現(xiàn)卡箍加固工作的具體實施部分，其2.2所示。伸縮灌漿卡箍加固裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要由卡箍加固機(jī)構(gòu)、控制開合機(jī)構(gòu)以及鎖緊機(jī)構(gòu)組成?？ü考庸虣C(jī)構(gòu)主要由兩瓣可開合的半圓形卡箍水泥漿與卡箍之間的摩擦系數(shù)；卡箍與管道接觸部?？ü績?nèi)側(cè)設(shè)置剪力鍵，以便增大密封槽；采用三元乙丙橡膠密封條進(jìn)行水下密封，使卡箍內(nèi)形成密閉的腔室，防止海水進(jìn)入卡箍腐蝕受損管道，稀釋灌漿水泥漿。缸[33]開合機(jī)構(gòu)主要由兩個同步。通過中間回轉(zhuǎn)軸作用，依靠系統(tǒng)及系統(tǒng)發(fā)出的指令實現(xiàn)雙缸同步，完成卡箍的開啟與閉合工作。同時需要設(shè)置位移傳感器，通過位移傳感器與上位機(jī)的信息交互缸的行程及作用方向。鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)置主要是為了在卡箍閉合后提供鎖緊功能。分別由兩種不同的自動鎖緊方式代替螺栓鎖緊的形式，實現(xiàn)卡箍工作過程的自動化。如圖2.2所示，兩種不同的鎖緊方式動力源均為一組同步形式實現(xiàn)鎖緊功能；右邊采用缸提供。左邊采用彈簧銷自鎖結(jié)構(gòu)，通過彈簧銷自動鎖緊的自鎖結(jié)構(gòu)，通過兩同步縮緊桿來實現(xiàn)鎖緊功能。兩種方式均實現(xiàn)了鎖緊過程的自動化，降低操作性，提高工作效率。1- 2-3-鎖緊機(jī)構(gòu)2.2灌漿卡箍加固裝置結(jié)構(gòu)示意圖伸縮灌漿卡箍加固裝置系統(tǒng)哈爾濱工程大學(xué)（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告伸縮灌漿卡箍加固裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分是實現(xiàn)卡箍加固工作的具體實施部分，其2.2所示。伸縮灌漿卡箍加固裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要由卡箍加固機(jī)構(gòu)、控制開合機(jī)構(gòu)以及鎖緊機(jī)構(gòu)組成?？ü考庸虣C(jī)構(gòu)主要由兩瓣可開合的半圓形卡箍水泥漿與卡箍之間的摩擦系數(shù)；卡箍與管道接觸部?？ü績?nèi)側(cè)設(shè)置剪力鍵，以便增大密封槽；采用三元乙丙橡膠密封條進(jìn)行水下密封，使卡箍內(nèi)形成密閉的腔室，防止海水進(jìn)入卡箍腐蝕受損管道，稀釋灌漿水泥漿。缸[33]開合機(jī)構(gòu)主要由兩個同步。通過中間回轉(zhuǎn)軸作用，依靠系統(tǒng)及系統(tǒng)發(fā)出的指令實現(xiàn)雙缸同步，完成卡箍的開啟與閉合工作。同時需要設(shè)置位移傳感器，通過位移傳感器與上位機(jī)的信息交互缸的行程及作用方向。鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)置主要是為了在卡箍閉合后提供鎖緊功能。分別由兩種不同的自動鎖緊方式代替螺栓鎖緊的形式，實現(xiàn)卡箍工作過程的自動化。如圖2.2所示，兩種不同的鎖緊方式動力源均為一組同步形式實現(xiàn)鎖緊功能；右邊采用缸提供。左邊采用彈簧銷自鎖結(jié)構(gòu)，通過彈簧銷自動鎖緊的自鎖結(jié)構(gòu)，通過兩同步縮緊桿來實現(xiàn)鎖緊功能。兩種方式均實現(xiàn)了鎖緊過程的自動化，降低操作性，提高工作效率。1- 2-3-鎖緊機(jī)構(gòu)2.2灌漿卡箍加固裝置結(jié)構(gòu)示意圖伸縮灌漿卡箍加固裝置系統(tǒng)哈爾濱工程大學(xué)第11頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告海底的特殊工作環(huán)境以及卡箍裝置的工作要求，本課題設(shè)計采用傳動方傳動[34]案。其系統(tǒng)由船上動力源、柜與水下傳動部分組成。采用主要有以下幾點優(yōu)點：1)2)3)4)5)系統(tǒng)的水下密封比電氣系統(tǒng)密封簡單，易于實現(xiàn)。通過電控閥實現(xiàn)系統(tǒng)流量實現(xiàn)缸速度。原件體積小、缸較電機(jī)質(zhì)量輕、功率大。對整個系統(tǒng)的操作性要求低，對工件的保護(hù)性高，易于實現(xiàn)長期停機(jī)保壓功能。傳動平穩(wěn)，無急啟急停，較電機(jī)傳動動力源穩(wěn)定，進(jìn)給轉(zhuǎn)換方便。伸縮灌漿卡箍加固裝置系統(tǒng)設(shè)計主要是通過系統(tǒng)實現(xiàn)伸縮灌系統(tǒng)的設(shè)計6個缸伸縮工作，為卡箍開合與鎖緊提供動力。2.3612、13共同作用實現(xiàn)現(xiàn)兩缸同步運動，卡箍開啟、閉合的 缸10、11工作。通過分流集流閥9的作用實87共同作用實現(xiàn)系統(tǒng)保壓。18、1917實現(xiàn)同步運動，由于 缸18、19、26、27均為鎖緊26，2725實現(xiàn)同步運動。缸，需要實現(xiàn)四缸同步。在 缸19、27伸出桿處分別設(shè)置兩位移傳感器p1、p2，分別兩對缸的運動參數(shù)。參數(shù)輸入伺服放30，通過2226、27運動，從而實現(xiàn)26、27從動于 缸18、19。通過調(diào)速閥（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告海底的特殊工作環(huán)境以及卡箍裝置的工作要求，本課題設(shè)計采用傳動方傳動[34]案。其系統(tǒng)由船上動力源、柜與水下傳動部分組成。采用主要有以下幾點優(yōu)點：1)2)3)4)5)系統(tǒng)的水下密封比電氣系統(tǒng)密封簡單，易于實現(xiàn)。通過電控閥實現(xiàn)系統(tǒng)流量實現(xiàn)缸速度。原件體積小、缸較電機(jī)質(zhì)量輕、功率大。對整個系統(tǒng)的操作性要求低，對工件的保護(hù)性高，易于實現(xiàn)長期停機(jī)保壓功能。傳動平穩(wěn)，無急啟急停，較電機(jī)傳動動力源穩(wěn)定，進(jìn)給轉(zhuǎn)換方便。伸縮灌漿卡箍加固裝置系統(tǒng)設(shè)計主要是通過系統(tǒng)實現(xiàn)伸縮灌系統(tǒng)的設(shè)計6個缸伸縮工作，為卡箍開合與鎖緊提供動力。2.3612、13共同作用實現(xiàn)現(xiàn)兩缸同步運動，卡箍開啟、閉合的 缸10、11工作。通過分流集流閥9的作用實87共同作用實現(xiàn)系統(tǒng)保壓。18、1917實現(xiàn)同步運動，由于 缸18、19、26、27均為鎖緊26，2725實現(xiàn)同步運動。缸，需要實現(xiàn)四缸同步。在 缸19、27伸出桿處分別設(shè)置兩位移傳感器p1、p2，分別兩對缸的運動參數(shù)。參數(shù)輸入伺服放30，通過2226、27運動，從而實現(xiàn)26、27從動于 缸18、19。通過調(diào)速閥32實現(xiàn)四缸同步調(diào)速運動。由于鎖緊系統(tǒng)需要缸持續(xù)作用，設(shè)計蓄能器16、24。當(dāng)缸運動完成，需要持續(xù)保持 時，當(dāng)閥14、22失電回到中位后，單向閥15、23關(guān)閉。由于蓄能器在缸運動過程中儲存了足夠的油16、24缸，保證鎖緊機(jī)構(gòu)不至于回退，實現(xiàn)鎖緊功能。12回到油箱，實現(xiàn)系統(tǒng)卸載。當(dāng)蓄能器中的不夠時，可通過變量泵1為蓄能器供油，維持保壓作用[35]。該系統(tǒng)實現(xiàn)了 卡箍開啟、閉合的兩缸同步開合，并持續(xù)給壓，同時實現(xiàn)了卡箍鎖緊系統(tǒng)的四缸同步運動。并能在鎖緊運動完成后持續(xù)給壓，保持卡箍持續(xù)鎖緊狀態(tài)。該系統(tǒng)采用了調(diào)壓限壓回路，調(diào)壓限壓回路是用閥來系統(tǒng)油源。通過改變油源 獲得工作所需的動力，有效防止系統(tǒng)過載、減少沖擊以及有效提高系統(tǒng)能源利用率。如系統(tǒng)圖中所示，溢流2能夠限定系統(tǒng)的最高3調(diào)定的。系統(tǒng)采用了隨運動，實現(xiàn)鎖緊缸同步。3為2的工作是由27跟伺服回路，以19為基準(zhǔn)，保持哈爾濱工程大學(xué)第12頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告p226271819p1101128292021121325179241682376303231541-2-3-4-5-30-伺服放大器用32-p1、p2-位移傳感器2.3系統(tǒng)原理圖伸縮灌漿卡箍加固裝置系統(tǒng)海洋平臺伸縮灌漿卡箍加固裝置的系統(tǒng)如圖2.4所示。其中監(jiān)測界面、上位機(jī)系統(tǒng)、鍵盤鼠標(biāo)均位于工作母船上。通過監(jiān)測界面可全程監(jiān)測灌漿卡箍加固過程的運行情況。指令由鼠標(biāo)鍵盤鍵入上位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)系統(tǒng)將信號傳輸入主器。由主器按照操作指令分別對灌漿開關(guān)、卡箍開啟閉合的一對缸以及負(fù)責(zé)卡箍鎖緊的一對同時位移傳感器檢測到缸下達(dá)工作指令，完成卡箍安裝，鎖緊，灌漿等一系列動作。缸伸出桿位移信號、灌漿流量檢測傳感器灌漿流量信號，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號反饋到主器。上傳至上位機(jī)系統(tǒng)，將信號顯示于監(jiān)測界面，以便操作者下達(dá)進(jìn)一步指令。系統(tǒng)配合系統(tǒng)及卡箍裝置共同工作實現(xiàn)整個卡箍的加固工作。哈爾濱工程大學(xué)第13頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告p226271819p1101128292021121325179241682376303231541-2-3-4-5-30-伺服放大器用32-p1、p2-位移傳感器2.3系統(tǒng)原理圖伸縮灌漿卡箍加固裝置系統(tǒng)海洋平臺伸縮灌漿卡箍加固裝置的系統(tǒng)如圖2.4所示。其中監(jiān)測界面、上位機(jī)系統(tǒng)、鍵盤鼠標(biāo)均位于工作母船上。通過監(jiān)測界面可全程監(jiān)測灌漿卡箍加固過程的運行情況。指令由鼠標(biāo)鍵盤鍵入上位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)系統(tǒng)將信號傳輸入主器。由主器按照操作指令分別對灌漿開關(guān)、卡箍開啟閉合的一對缸以及負(fù)責(zé)卡箍鎖緊的一對同時位移傳感器檢測到缸下達(dá)工作指令，完成卡箍安裝，鎖緊，灌漿等一系列動作。缸伸出桿位移信號、灌漿流量檢測傳感器灌漿流量信號，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號反饋到主器。上傳至上位機(jī)系統(tǒng)，將信號顯示于監(jiān)測界面，以便操作者下達(dá)進(jìn)一步指令。系統(tǒng)配合系統(tǒng)及卡箍裝置共同工作實現(xiàn)整個卡箍的加固工作。哈爾濱工程大學(xué)第13頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告2.4灌漿卡箍加固裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2.4 本章小結(jié)本章主要是伸縮灌漿卡箍加固裝置總體方案設(shè)計要求制定伸縮灌漿卡箍加固裝置的總體設(shè)計方案，并將總體設(shè)計方案分機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、系統(tǒng)部分、系統(tǒng)部分三個方面進(jìn)行分步設(shè)計。同時對灌漿水泥漿的配比，膨脹劑的選擇進(jìn)行分析計算，完成了膨脹劑的膨脹與滑動應(yīng)力關(guān)系的經(jīng)驗公式的歸納總結(jié)，完成了伸縮灌漿卡箍加固裝置的總體設(shè)計。哈爾濱工程大學(xué)第14頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告2.4灌漿卡箍加固裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2.4 本章小結(jié)本章主要是伸縮灌漿卡箍加固裝置總體方案設(shè)計要求制定伸縮灌漿卡箍加固裝置的總體設(shè)計方案，并將總體設(shè)計方案分機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、系統(tǒng)部分、系統(tǒng)部分三個方面進(jìn)行分步設(shè)計。同時對灌漿水泥漿的配比，膨脹劑的選擇進(jìn)行分析計算，完成了膨脹劑的膨脹與滑動應(yīng)力關(guān)系的經(jīng)驗公式的歸納總結(jié)，完成了伸縮灌漿卡箍加固裝置的總體設(shè)計。哈爾濱工程大學(xué)第14頁共80頁灌漿卡箍力學(xué)實驗及分析研究服務(wù)系列報告（七）： 伸縮裝置研究設(shè)計報告3 海洋平臺伸縮灌漿卡箍裝置設(shè)計3.1 引言本章主要是對卡箍的夾緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，同時伸縮灌漿卡箍的鎖緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。通過鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)卡箍水下自鎖，完成卡箍加固過程的的自動化。3.2卡箍加固裝置加固主體設(shè)計卡箍加固主體結(jié)構(gòu)設(shè)計卡箍主體，即完成受損管道包覆動作的筒型結(jié)構(gòu)。目標(biāo)管道型號為610x25mm，設(shè)計卡箍外徑為760mm20mm55mm?？紤]到增大45mm灌漿卡箍力學(xué)實驗及分析研究服務(wù)系列報告（七）： 伸縮裝置研究設(shè)計報告3 海洋平臺伸縮灌漿卡箍裝置設(shè)計3.1 引言本章主要是對卡箍的夾緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，同時伸縮灌漿卡箍的鎖緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。通過鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)卡箍水下自鎖，完成卡箍加固過程的的自動化。3.2卡箍加固裝置加固主體設(shè)計卡箍加固主體結(jié)構(gòu)設(shè)計卡箍主體，即完成受損管道包覆動作的筒型結(jié)構(gòu)。目標(biāo)管道型號為610x25mm，設(shè)計卡箍外徑為760mm20mm55mm。考慮到增大45mm20mm的剪力鍵。兩卡箍U型密封槽，下文中對密封件進(jìn)行選型?？紤]到卡箍固定過程存在運動端與固定端，因此卡箍與卡箍接觸部分在固定端卡箍位置設(shè)置密封槽。固定端卡箍上部開有出漿口，用于排出卡箍內(nèi)部空氣及多余灌漿液，運動端卡箍底部開有灌漿口，用于完成灌漿工作。卡箍結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。3.1灌漿卡箍結(jié)構(gòu)示意圖卡箍加固缸動力裝置選型卡箍驅(qū)動裝置如圖3.2所示，在兩瓣卡箍之間設(shè)置兩同步的驅(qū)動缸，與回轉(zhuǎn)軸共同完成卡箍主體的開啟與閉合動作。由于卡箍開啟后開口直徑至少需要大于610mm，哈爾濱工程大學(xué)第22頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告因此計算驅(qū)動 缸行程不小于200mm。壓缸回轉(zhuǎn)軸體3.2卡箍驅(qū)動部分示意圖根據(jù)實際工況及卡箍YL-DG-J80E2E2E，設(shè)定，結(jié)合海底工作環(huán)境需求，選定230mm3.1。缸的型號為表3.1 缸技術(shù)參數(shù)選用的缸為雙作用單活塞桿16MPa，安裝形式為雙耳環(huán)安裝型。3.3自鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計自鎖裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計由于卡箍閉合后需要在水下完成自鎖動作，因此需要設(shè)計一套卡箍自鎖裝置實現(xiàn)此功能。當(dāng)機(jī)械裝置從結(jié)構(gòu)上分析其本身是可以運動的，但實際作用時無論其施加的力有多大都不能使其運動的現(xiàn)象即被稱為機(jī)械自鎖。在機(jī)械運動中，當(dāng)驅(qū)動力作用在原動件上，使哈爾濱工程大學(xué)第23頁共80（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告因此計算驅(qū)動 缸行程不小于200mm。壓缸回轉(zhuǎn)軸體3.2卡箍驅(qū)動部分示意圖根據(jù)實際工況及卡箍YL-DG-J80E2E2E，設(shè)定，結(jié)合海底工作環(huán)境需求，選定230mm3.1。缸的型號為表3.1 缸技術(shù)參數(shù)選用的缸為雙作用單活塞桿16MPa，安裝形式為雙耳環(huán)安裝型。3.3自鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計自鎖裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計由于卡箍閉合后需要在水下完成自鎖動作，因此需要設(shè)計一套卡箍自鎖裝置實現(xiàn)此功能。當(dāng)機(jī)械裝置從結(jié)構(gòu)上分析其本身是可以運動的，但實際作用時無論其施加的力有多大都不能使其運動的現(xiàn)象即被稱為機(jī)械自鎖。在機(jī)械運動中，當(dāng)驅(qū)動力作用在原動件上，使哈爾濱工程大學(xué)第23頁共80頁型號缸徑桿徑積cm2積cm2推力N（16MPa）拉力N（16MPa）程mmYL-DG-J80E804550.2734.2780430548902500（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告運動自原動件向從動件傳遞時，稱為正行程；反之，當(dāng)將正行程生產(chǎn)的阻力作為驅(qū)動力作用到原來的從動件上，使運動自正行程時的從動件向原動件傳遞時，稱為反行程。凡使機(jī)器反行程自鎖的機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為自鎖機(jī)構(gòu)。因為任何實際的有害阻力所作的功都不等于零，故的效率總是小于1。如果WdWf，則機(jī)械效率0。在這種情況下如果原來就在運動，那么他仍能運動，但此時Wr0，故不做任何有用的功，的這種運動通稱為空轉(zhuǎn)；如果原來就不動，那么不論其驅(qū)動力多么大，它能夠完成的功總是剛夠克服相應(yīng)的有害阻力所需之功，即發(fā)生自鎖。如果W（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告運動自原動件向從動件傳遞時，稱為正行程；反之，當(dāng)將正行程生產(chǎn)的阻力作為驅(qū)動力作用到原來的從動件上，使運動自正行程時的從動件向原動件傳遞時，稱為反行程。凡使機(jī)器反行程自鎖的機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為自鎖機(jī)構(gòu)。因為任何實際的有害阻力所作的功都不等于零，故的效率總是小于1。如果WdWf，則機(jī)械效率0。在這種情況下如果原來就在運動，那么他仍能運動，但此時Wr0，故不做任何有用的功，的這種運動通稱為空轉(zhuǎn)；如果原來就不動，那么不論其驅(qū)動力多么大，它能夠完成的功總是剛夠克服相應(yīng)的有害阻力所需之功，即發(fā)生自鎖。如果WdWf，則0，此時全部驅(qū)動力所作的功尚不足以 有害阻力的功，所以不論其原來情況如何，最終必處于靜止?fàn)顟B(tài)。也就是說， 必定發(fā)生自鎖。綜上所述，可得 發(fā)生自鎖[36]的條件為0（3-1）必須指出，上式中=0是有條件的自鎖，必須是非?？煽俊Ｔ瓉砭挽o止不動，這種自鎖一般不3.3楔形自鎖原理當(dāng)裝置靜止時，要達(dá)到自鎖的目的，必須滿足03.3所示，使用兩同樣大小的力F作用于梯形塊上，欲將其提起。摩擦力為：F'F（3-2）其中為摩擦系數(shù)，豎直方向上的驅(qū)動力為：'sinFsin（3-3）豎直方向上的阻力為：哈爾濱工程大學(xué)第24頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告FsFcos（3-4）FsinFcos0（3-5）1（3-6）tan由此可見，裝置的自鎖僅與梯形塊的形狀及表面摩擦系數(shù)有關(guān)，要實現(xiàn)自鎖只需要滿足（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告FsFcos（3-4）FsinFcos0（3-5）1（3-6）tan由此可見，裝置的自鎖僅與梯形塊的形狀及表面摩擦系數(shù)有關(guān)，要實現(xiàn)自鎖只需要滿足表面摩擦系數(shù)小于cot。設(shè)計如圖3.4所示的楔形自鎖結(jié)構(gòu)用于卡箍的自動鎖緊其原理是：鎖緊缸推動楔形塊水平運動，從而使鎖緊桿沿回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動達(dá)到卡箍鎖緊的效果。當(dāng)完成卡箍鎖緊后，通過楔形自鎖裝置完成鎖緊作用，使卡箍鎖緊后即使不持續(xù)施加作用力依然保持鎖緊效果。3.4卡箍楔形自鎖結(jié)構(gòu)要完成整個鎖緊動作，更具鎖緊原理，要保證楔形塊的角度與摩擦系數(shù)存在以下關(guān)系：（3-7）FsinFcos由于是經(jīng)過粗糙處理后的鋼材質(zhì)，因此其表面的摩擦系數(shù)0.4，則可得21.80。當(dāng)鎖緊桿兩端等重時，保證楔形塊角度滿足上述條件，就可以實現(xiàn)卡箍自鎖過程。但是考慮到該種自鎖形式需要將缸固定在水平位置，楔形塊水平移動，較長的運動空間在水下難以滿足，因此對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。缸放置與固定端卡箍斜面上（如圖3.5所示），重新計如果將推動楔形塊運動的算是否能實現(xiàn)楔形自鎖。哈爾濱工程大學(xué)第25頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告圖3.5位置改進(jìn)后自鎖前后位置關(guān)系對鎖緊后楔形塊和鎖緊桿的位置關(guān)系進(jìn)行分析，分析楔形塊受力，計算如果不使其沿3.61為楔形塊斜面與水平面傾角，2為缸安裝角度，根據(jù)楔形自鎖原理計算1大小為：Fsin（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告圖3.5位置改進(jìn)后自鎖前后位置關(guān)系對鎖緊后楔形塊和鎖緊桿的位置關(guān)系進(jìn)行分析，分析楔形塊受力，計算如果不使其沿3.61為楔形塊斜面與水平面傾角，2為缸安裝角度，根據(jù)楔形自鎖原理計算1大小為：Fsin1Fcos1（3-8）由于是粗糙處理后鋼材質(zhì)表面的摩擦系數(shù)，因此0.4，則可得68.20900。由于210，0為楔形塊底角，因為楔形塊的底角大小決定了楔形塊斜面的長度，角度越大，長度越小，越便于安裝。因此，楔形塊底角取200,則缸安裝角度為0289，在一個幾乎垂直的位置上安裝缸，同時完成推動鎖緊動作顯然是不現(xiàn)實的，因此可以看出使用該方式進(jìn)行鎖緊不可行。3.6自鎖狀態(tài)下楔形塊受力分析綜合分析裝置整體可用空間，考慮到可以通過設(shè)計系統(tǒng)的保壓功能來實現(xiàn)卡箍鎖哈爾濱工程大學(xué)第26頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告緊過程的持續(xù)給壓、鎖緊功能。因此對鎖緊系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，采用如圖3.7所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行桿鎖緊。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點為可以合理的利用卡箍下部空間，且安裝方便。通過鎖緊桿和缸的共同作用實現(xiàn)鎖緊動作，同時通過卡箍的持續(xù)鎖緊功能。系統(tǒng)的保壓作用對運動端卡箍持續(xù)施加作用力實現(xiàn)3.7自鎖結(jié)構(gòu)考慮到卡箍的長度為800mm，在卡箍底部固定端設(shè)計四個同步鎖緊缸，經(jīng)系統(tǒng)同步實現(xiàn)卡箍的鎖緊。為了實現(xiàn)整體鎖緊結(jié)構(gòu)的緊湊性及安裝的方便性，鎖緊液壓缸采用單耳環(huán)吊裝式的安裝形式通過缸的配合轉(zhuǎn)動實現(xiàn)鎖緊動作。鎖緊缸選型由于卡箍底部空間過小，因此不能選用缸徑過大的40mm的鎖緊3.7所示。缸，同時為了保證整個卡箍鎖缸，缸行程為110mm，具體3.7鎖緊缸參數(shù)鎖緊缸采作用單活塞桿缸，工作為16MPa，安裝方式為（E1E1）單耳環(huán)吊裝式。哈爾濱工程大學(xué)第27頁共80頁型號缸徑桿徑積cm2積（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告緊過程的持續(xù)給壓、鎖緊功能。因此對鎖緊系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，采用如圖3.7所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行桿鎖緊。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點為可以合理的利用卡箍下部空間，且安裝方便。通過鎖緊桿和缸的共同作用實現(xiàn)鎖緊動作，同時通過卡箍的持續(xù)鎖緊功能。系統(tǒng)的保壓作用對運動端卡箍持續(xù)施加作用力實現(xiàn)3.7自鎖結(jié)構(gòu)考慮到卡箍的長度為800mm，在卡箍底部固定端設(shè)計四個同步鎖緊缸，經(jīng)系統(tǒng)同步實現(xiàn)卡箍的鎖緊。為了實現(xiàn)整體鎖緊結(jié)構(gòu)的緊湊性及安裝的方便性，鎖緊液壓缸采用單耳環(huán)吊裝式的安裝形式通過缸的配合轉(zhuǎn)動實現(xiàn)鎖緊動作。鎖緊缸選型由于卡箍底部空間過小，因此不能選用缸徑過大的40mm的鎖緊3.7所示。缸，同時為了保證整個卡箍鎖缸，缸行程為110mm，具體3.7鎖緊缸參數(shù)鎖緊缸采作用單活塞桿缸，工作為16MPa，安裝方式為（E1E1）單耳環(huán)吊裝式。哈爾濱工程大學(xué)第27頁共80頁型號缸徑桿徑積cm2積cm2推力N（16MPa）拉力N（16MPa）程mmE402212.578.6320160138001500（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告3.4 彈簧銷自鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計彈簧銷自鎖裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計卡箍的鎖緊系統(tǒng)動力是由缸提供。如果對缸輸出桿的末端進(jìn)行處理，設(shè)計一個類似于傘狀的結(jié)構(gòu)。當(dāng)缸輸出桿穿過固定端安裝板與運動端安裝板開孔后，傘狀結(jié)構(gòu)自動打開；缸輸出桿收縮，傘機(jī)構(gòu)卡死，實現(xiàn)鎖緊功能，如圖3.8傘狀結(jié)構(gòu)自鎖示意圖為安裝使用及實驗測試帶來許多難以解除的麻煩。由于卡箍實驗過程中需要對同一種卡箍的不同鎖緊形式進(jìn)使用成本。試，因此需要對傘狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使裝置變?yōu)榭刹鹦堆b置，減少通過進(jìn)一步分析，確定了將卡箍的傘狀鎖緊結(jié)構(gòu)改進(jìn)為彈簧銷鎖緊結(jié)構(gòu)，如圖3.9所示，通過在卡箍運動端安裝板上安裝彈簧自鎖式實現(xiàn)卡箍自鎖。銷配合缸輸出桿末端開 槽的形哈爾濱工程大學(xué)第28頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告3.4 彈簧銷自鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計彈簧銷自鎖裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計卡箍的鎖緊系統(tǒng)動力是由缸提供。如果對缸輸出桿的末端進(jìn)行處理，設(shè)計一個類似于傘狀的結(jié)構(gòu)。當(dāng)缸輸出桿穿過固定端安裝板與運動端安裝板開孔后，傘狀結(jié)構(gòu)自動打開；缸輸出桿收縮，傘機(jī)構(gòu)卡死，實現(xiàn)鎖緊功能，如圖3.8傘狀結(jié)構(gòu)自鎖示意圖為安裝使用及實驗測試帶來許多難以解除的麻煩。由于卡箍實驗過程中需要對同一種卡箍的不同鎖緊形式進(jìn)使用成本。試，因此需要對傘狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使裝置變?yōu)榭刹鹦堆b置，減少通過進(jìn)一步分析，確定了將卡箍的傘狀鎖緊結(jié)構(gòu)改進(jìn)為彈簧銷鎖緊結(jié)構(gòu)，如圖3.9所示，通過在卡箍運動端安裝板上安裝彈簧自鎖式實現(xiàn)卡箍自鎖。銷配合缸輸出桿末端開 槽的形哈爾濱工程大學(xué)第28頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告3.9彈簧銷自鎖裝置示意圖彈簧銷自鎖裝置的工作原理是通過自鎖桿與一對鎖緊銷釘及鎖緊彈簧共同作用實現(xiàn)裝置的鎖緊。當(dāng)運動端安裝板與固定端安裝板對接后，鎖緊缸推動自鎖桿穿過固定端安裝板與運動端安裝板。鎖緊裝置前端進(jìn)入自鎖裝置，自鎖桿前端推動鎖緊銷釘，鎖緊彈簧壓縮。自鎖桿繼續(xù)向前運動，當(dāng)自鎖桿前端溝槽位置到達(dá)鎖緊銷釘位置時，鎖緊彈簧作用下鎖緊銷釘彈出，卡入自鎖桿的溝槽位置。之后鎖緊缸收縮，自鎖桿回程運動，通過溝槽前端的豎直擋板與鎖緊銷釘共同作用實現(xiàn)運動端安裝板與固定端安裝板鎖緊的動作，從而實現(xiàn)卡箍自鎖。鎖緊動作完成后缸持續(xù)保壓，保證鎖緊。這種自鎖形式可以通過拆卸鎖緊蓋子的形式取出鎖緊彈簧與鎖緊銷釘，解除鎖定，方便拆卸，便于后期實驗操作。鎖緊缸選型為了減小驅(qū)動缸的工作負(fù)荷，將鎖緊缸固定在固定端安裝板上。由于固定端安裝板及運動端安裝板厚度各為40mm，設(shè)計的自鎖裝置厚度為40mm，因此選定的鎖緊90mm。選定的示。缸型號為：YL-DG-J40E1F1L90。缸具體參數(shù)如表3.8鎖緊缸參數(shù)哈爾濱工程大學(xué)第29頁共80頁型號徑徑大腔面積cm2小腔面積cm2推力N（16MPa）拉力N（16MPa）最大行程mmG-J40E0212.578.6320160138001500（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告3.9彈簧銷自鎖裝置示意圖彈簧銷自鎖裝置的工作原理是通過自鎖桿與一對鎖緊銷釘及鎖緊彈簧共同作用實現(xiàn)裝置的鎖緊。當(dāng)運動端安裝板與固定端安裝板對接后，鎖緊缸推動自鎖桿穿過固定端安裝板與運動端安裝板。鎖緊裝置前端進(jìn)入自鎖裝置，自鎖桿前端推動鎖緊銷釘，鎖緊彈簧壓縮。自鎖桿繼續(xù)向前運動，當(dāng)自鎖桿前端溝槽位置到達(dá)鎖緊銷釘位置時，鎖緊彈簧作用下鎖緊銷釘彈出，卡入自鎖桿的溝槽位置。之后鎖緊缸收縮，自鎖桿回程運動，通過溝槽前端的豎直擋板與鎖緊銷釘共同作用實現(xiàn)運動端安裝板與固定端安裝板鎖緊的動作，從而實現(xiàn)卡箍自鎖。鎖緊動作完成后缸持續(xù)保壓，保證鎖緊。這種自鎖形式可以通過拆卸鎖緊蓋子的形式取出鎖緊彈簧與鎖緊銷釘，解除鎖定，方便拆卸，便于后期實驗操作。鎖緊缸選型為了減小驅(qū)動缸的工作負(fù)荷，將鎖緊缸固定在固定端安裝板上。由于固定端安裝板及運動端安裝板厚度各為40mm，設(shè)計的自鎖裝置厚度為40mm，因此選定的鎖緊90mm。選定的示。缸型號為：YL-DG-J40E1F1L90。缸具體參數(shù)如表3.8鎖緊缸參數(shù)哈爾濱工程大學(xué)第29頁共80頁型號徑徑大腔面積cm2小腔面積cm2推力N（16MPa）拉力N（16MPa）最大行程mmG-J40E0212.578.6320160138001500（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告為16MPa，安裝方式為前法蘭安裝型缸采（E1F1）。作用單活塞桿缸，工作由于 缸桿徑標(biāo)準(zhǔn)直徑為22mm，但是如果在直徑22mm的桿上開彈簧銷鎖緊用的溝槽顯然不夠。因此在固定端安裝板及運動端安裝板上開32mm的孔，在缸鎖緊桿端部設(shè)計一個30的末端裝置（如圖3.10所示）。這樣可以給鎖緊銷釘足夠的余量進(jìn)入鎖緊溝槽，且使開槽后的自鎖桿軸徑過小。3.10桿鎖緊頭1位置與缸伸出桿采取螺紋連接。25位置均為彈簧銷可通過斜面，彈簧銷斜面為45°，兩斜面均為60°。接觸后可推動彈簧銷彈簧壓縮，因此整個作用的。當(dāng) 缸伸出桿收縮運動時位置3處鎖緊銷釘在3處溝槽內(nèi)。當(dāng)（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告為16MPa，安裝方式為前法蘭安裝型缸采（E1F1）。作用單活塞桿缸，工作由于 缸桿徑標(biāo)準(zhǔn)直徑為22mm，但是如果在直徑22mm的桿上開彈簧銷鎖緊用的溝槽顯然不夠。因此在固定端安裝板及運動端安裝板上開32mm的孔，在缸鎖緊桿端部設(shè)計一個30的末端裝置（如圖3.10所示）。這樣可以給鎖緊銷釘足夠的余量進(jìn)入鎖緊溝槽，且使開槽后的自鎖桿軸徑過小。3.10桿鎖緊頭1位置與缸伸出桿采取螺紋連接。25位置均為彈簧銷可通過斜面，彈簧銷斜面為45°，兩斜面均為60°。接觸后可推動彈簧銷彈簧壓縮，因此整個作用的。當(dāng) 缸伸出桿收縮運動時位置3處鎖緊銷釘在3處溝槽內(nèi)。當(dāng)4處的卡槽卡緊鎖緊銷釘，缸伸出桿不能繼續(xù)收縮，持續(xù)作用力可以保證卡箍的持續(xù)鎖緊。當(dāng)需要卡箍打開時，可以通過擰下桿鎖緊頭來解除鎖緊，拆卸方便。3.5 本章小結(jié)本章對伸縮灌漿卡箍的主體裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時設(shè)計了兩套卡箍自動鎖緊裝置。通過對密封膠條材料性能的分析對比，結(jié)合卡箍的水下工作環(huán)境及卡箍形狀特征選取合適的密封材料，根據(jù)卡箍的特殊結(jié)構(gòu)采用膠條密封的密封形式。同時對卡箍開啟閉合運動提供動力的驅(qū)動缸；對卡箍兩種鎖緊運動提供動力的兩組鎖緊缸進(jìn)行設(shè)計選型，完成了灌漿卡箍的結(jié)構(gòu)設(shè)計及驅(qū)動選擇。哈爾濱工程大學(xué)第30頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告4 卡箍裝置鎖緊加固力學(xué)特性研究4.1 引言在工程應(yīng)用中經(jīng)常會遇到計算在固定不變的載荷作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。主要有平面應(yīng)力、平面應(yīng)變、軸對稱量及桁架分析、殼分析、接觸分析等問題的求解，這些問題均是線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)問題。本章主要對卡箍閉合后鎖緊裝置持續(xù)受到的靜態(tài)載荷進(jìn)行分析，計算鎖緊裝置的可靠性。通過分析計算結(jié)果對鎖緊裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，確保鎖緊裝置的可靠性。最后對灌漿卡箍裝置加固后的破損管道及節(jié)點進(jìn)行疲勞分析，對比驗證卡箍對管道的保護(hù)作用。4.2 彈簧銷自鎖裝置靜態(tài)特性分析彈簧銷自鎖裝置的靜態(tài)特性分析主要是對鎖緊銷釘和桿鎖緊頭進(jìn)行有限元強(qiáng)度與剛度分析，分析過程主要包括：前期模型處理、計算求解、模型后期處理等三個步驟。前期模型處理主要包括三維建模，模型簡化處理。首先需要使用三維建模軟件對彈簧銷自鎖裝置內(nèi)的主要零部件進(jìn)行零件建模及裝配。將生成的三維模型導(dǎo)入ansysworkbench（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告4 卡箍裝置鎖緊加固力學(xué)特性研究4.1 引言在工程應(yīng)用中經(jīng)常會遇到計算在固定不變的載荷作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。主要有平面應(yīng)力、平面應(yīng)變、軸對稱量及桁架分析、殼分析、接觸分析等問題的求解，這些問題均是線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)問題。本章主要對卡箍閉合后鎖緊裝置持續(xù)受到的靜態(tài)載荷進(jìn)行分析，計算鎖緊裝置的可靠性。通過分析計算結(jié)果對鎖緊裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，確保鎖緊裝置的可靠性。最后對灌漿卡箍裝置加固后的破損管道及節(jié)點進(jìn)行疲勞分析，對比驗證卡箍對管道的保護(hù)作用。4.2 彈簧銷自鎖裝置靜態(tài)特性分析彈簧銷自鎖裝置的靜態(tài)特性分析主要是對鎖緊銷釘和桿鎖緊頭進(jìn)行有限元強(qiáng)度與剛度分析，分析過程主要包括：前期模型處理、計算求解、模型后期處理等三個步驟。前期模型處理主要包括三維建模，模型簡化處理。首先需要使用三維建模軟件對彈簧銷自鎖裝置內(nèi)的主要零部件進(jìn)行零件建模及裝配。將生成的三維模型導(dǎo)入ansysworkbench軟件。此過程中需要對模型中一些對研究對象力學(xué)性能沒有影響的倒角，凸臺等結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，使用盡量簡單的模型表達(dá)結(jié)構(gòu)關(guān)系。根據(jù)彈簧銷自鎖裝置的實際結(jié)構(gòu)重新定義裝配體各零件之間的接觸關(guān)系。接觸關(guān)系定義完成之后對零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格形狀主要有四面體、六面體、棱錐、棱柱等幾種形式，其中四面體網(wǎng)格可以施加于所有幾何體，通用性強(qiáng)；在關(guān)鍵區(qū)域容易使用曲度和近似功能自動細(xì)化網(wǎng)格；可以使用膨脹細(xì)化實體邊界附近的網(wǎng)格（即邊界識別），邊界層有助于面法向網(wǎng)格的細(xì)化；為捕捉一個方向的梯度，網(wǎng)格在所有的三個方向細(xì)化，即等向細(xì)化。因此在網(wǎng)格劃分時選用四面體網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的目的主要是對FEA(結(jié)構(gòu))模型實現(xiàn)離散化，是把求解域分解成可等效精確解的適當(dāng)數(shù)量的單元。施加載荷主要是根據(jù)彈簧銷自鎖裝置實際應(yīng)用過程中承受的各種不同載荷在對應(yīng)的平面施加載荷。計算求解主要是前期處理過程中得到的數(shù)字化模型信息結(jié)合需要得到的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的有限元計算分析，得到求解結(jié)果。模型后期處理是整個有限元分析的部分。通過前期處理，計算求解得到大量數(shù)字哈爾濱工程大學(xué)第35頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告化信息。通過對信息結(jié)果的處理、分析，結(jié)合實際情況對模型進(jìn)行后期結(jié)構(gòu)改進(jìn)、優(yōu)化，使模型更好的完成鎖緊任務(wù)。彈簧銷自鎖裝置整體靜態(tài)特性分析4.14.2所示的桿鎖緊頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行自缸提供的鎖緊拉力為13800N，鎖。鎖緊桿鎖緊頭與兩彈簧自鎖銷共同作用，因此需要實現(xiàn)裝置的鎖緊動作。彈簧自鎖銷與缸鎖緊頭接觸面承受較大的對二者進(jìn)行靜力學(xué)分析，確保鎖緊機(jī)構(gòu)的安全可行性。4.1鎖緊箱示意圖4.2對桿鎖緊頭及彈簧自鎖銷二者進(jìn)行靜態(tài)特性分析需要將二者裝配后的模型導(dǎo)入ansysworkbench軟件。導(dǎo)入前需要對模型進(jìn)行簡化處理，一些對結(jié)構(gòu)沒有影響的倒角，退刀槽，螺紋等結(jié)構(gòu)從模型中去除，防止有限元計算時由于網(wǎng)格劃分問題產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中，影響分析結(jié)果。導(dǎo)入的簡化模型如圖4.3所示。由于桿鎖緊頭與彈簧自鎖（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告化信息。通過對信息結(jié)果的處理、分析，結(jié)合實際情況對模型進(jìn)行后期結(jié)構(gòu)改進(jìn)、優(yōu)化，使模型更好的完成鎖緊任務(wù)。彈簧銷自鎖裝置整體靜態(tài)特性分析4.14.2所示的桿鎖緊頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行自缸提供的鎖緊拉力為13800N，鎖。鎖緊桿鎖緊頭與兩彈簧自鎖銷共同作用，因此需要實現(xiàn)裝置的鎖緊動作。彈簧自鎖銷與缸鎖緊頭接觸面承受較大的對二者進(jìn)行靜力學(xué)分析，確保鎖緊機(jī)構(gòu)的安全可行性。4.1鎖緊箱示意圖4.2對桿鎖緊頭及彈簧自鎖銷二者進(jìn)行靜態(tài)特性分析需要將二者裝配后的模型導(dǎo)入ansysworkbench軟件。導(dǎo)入前需要對模型進(jìn)行簡化處理，一些對結(jié)構(gòu)沒有影響的倒角，退刀槽，螺紋等結(jié)構(gòu)從模型中去除，防止有限元計算時由于網(wǎng)格劃分問題產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中，影響分析結(jié)果。導(dǎo)入的簡化模型如圖4.3所示。由于桿鎖緊頭與彈簧自鎖銷之間存在，定義二者的接觸關(guān)系為Frictional；將三個零件分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格形式選取四面體網(wǎng)格，劃分成116114個節(jié)點，79296個單元，如圖4.4所示。在液壓桿鎖緊頭與 缸伸出桿螺紋接觸面施加13800N的拉力，將兩彈簧自鎖 銷與桿鎖緊頭接觸面定義為固定端，僅給出彈簧壓縮伸長方向的自由度。哈爾濱工程大學(xué)第36頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告4.3簡化處理后模型4.4網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分完成后需要對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查。用到的工具為ElementQuality工具，其主要功能是基于一個給定單元的體積與邊長之間的比率其結(jié)果是處于0與1之間的數(shù)值，其中（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告4.3簡化處理后模型4.4網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分完成后需要對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查。用到的工具為ElementQuality工具，其主要功能是基于一個給定單元的體積與邊長之間的比率其結(jié)果是處于0與1之間的數(shù)值，其中0表示單元質(zhì)量 ，1表示單元質(zhì)量最好[37]。如圖4.5所示，網(wǎng)格單元質(zhì)量大部分趨近于1，平均可達(dá)0.85，可見單元質(zhì)量良好，可以滿足計算需要。4.5單元質(zhì)量分布圖前期工作處理完成后，對工件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變求解，獲得彈簧銷自鎖裝置實際工作過程中的應(yīng)力、應(yīng)變云圖。圖4.5為彈簧銷自鎖裝置鎖緊過程中的應(yīng)變云圖，依次為整體裝置應(yīng)變云圖、 桿鎖緊頭應(yīng)變云圖。從圖（a）中可以看出工作過程中整體裝置的最大應(yīng)變出現(xiàn)在桿鎖缸伸出桿 位置大小為0.0275mm由于彈簧自鎖緊頭與圖（b）中銷按照固定端處理，桿鎖緊頭的最大形變量即為整體結(jié)構(gòu)最大形變量。主要桿鎖緊頭的強(qiáng)度進(jìn)行分析。哈爾濱工程大學(xué)第37頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告（a）(b)4.5彈簧銷自鎖裝置應(yīng)變云圖圖4.6缸鎖緊頭等效應(yīng)力云圖。從圖（a）中可以看出工作過程中整體裝置的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在缸鎖緊頭與彈簧自鎖447.11MPa。。由于材質(zhì)選用DH36高強(qiáng)度船體用結(jié)構(gòu)剛，屈服強(qiáng)度為355MPa。最大等效應(yīng)力點超過屈服強(qiáng)度，工件損壞，難以滿足工況需求。（a）(b)4.6（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告（a）(b)4.5彈簧銷自鎖裝置應(yīng)變云圖圖4.6缸鎖緊頭等效應(yīng)力云圖。從圖（a）中可以看出工作過程中整體裝置的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在缸鎖緊頭與彈簧自鎖447.11MPa。。由于材質(zhì)選用DH36高強(qiáng)度船體用結(jié)構(gòu)剛，屈服強(qiáng)度為355MPa。最大等效應(yīng)力點超過屈服強(qiáng)度，工件損壞，難以滿足工況需求。（a）(b)4.6彈簧銷自鎖裝置等效應(yīng)力云圖從彈簧銷自鎖裝置的等效應(yīng)力、應(yīng)變云圖分析可以得出以下結(jié)論：（1）從應(yīng)變方面分析，置滿足設(shè)計需要。桿鎖緊頭受力變形量可以滿足鎖緊工況需求，鎖緊頭裝（2）從等效應(yīng)力方面分析，出鋼材結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度限制。桿鎖緊頭與彈簧自鎖銷接觸局部應(yīng)力過大，超桿鎖緊頭裝置結(jié)構(gòu)不能滿足鎖緊工況需求，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計。彈簧自鎖 銷結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計哈爾濱工程大學(xué)第38頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告分析局部應(yīng)力較大 主要是由于彈簧自鎖銷與桿鎖緊頭接觸形式為彈簧銷圓柱面與 桿鎖緊頭平面接觸，接觸為線接觸形式[38]。由于接觸為線接觸，缸提供的回程拉力為13800N，較大的拉力結(jié)合非常小的接觸面積很容易產(chǎn)生很載荷。由此可見破損主要出現(xiàn)在應(yīng)力集中的接觸線上。想要改變應(yīng)力集中問題必自鎖須對接觸形式進(jìn)行改進(jìn)，采用面接觸的形式替換線接觸，因此需要對彈簧自鎖4.7所示。銷結(jié)構(gòu)4.7改進(jìn)后的彈簧自鎖銷對改進(jìn)后的彈簧自鎖銷與桿鎖緊頭配合的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到改進(jìn)裝4.8（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告分析局部應(yīng)力較大 主要是由于彈簧自鎖銷與桿鎖緊頭接觸形式為彈簧銷圓柱面與 桿鎖緊頭平面接觸，接觸為線接觸形式[38]。由于接觸為線接觸，缸提供的回程拉力為13800N，較大的拉力結(jié)合非常小的接觸面積很容易產(chǎn)生很載荷。由此可見破損主要出現(xiàn)在應(yīng)力集中的接觸線上。想要改變應(yīng)力集中問題必自鎖須對接觸形式進(jìn)行改進(jìn)，采用面接觸的形式替換線接觸，因此需要對彈簧自鎖4.7所示。銷結(jié)構(gòu)4.7改進(jìn)后的彈簧自鎖銷對改進(jìn)后的彈簧自鎖銷與桿鎖緊頭配合的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到改進(jìn)裝4.84.9所示。4.8改進(jìn)后裝置應(yīng)變云圖圖4.9改進(jìn)后裝置等效應(yīng)力云圖對改進(jìn)后的裝置進(jìn)行與原裝置相同的結(jié)構(gòu)簡化處理方式，相同的網(wǎng)格密度劃分，加載相同的力，得到改進(jìn)后的裝置應(yīng)變、等效應(yīng)力云圖。由圖4.8可以看出改進(jìn)后裝置的最大變形量為0.0207mm，圖4.9可以看出改進(jìn)后裝置的最大等效應(yīng)力為279.8MPa。對比改進(jìn)前后的裝置，可以發(fā)現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)改變并沒有改變最大形變點及最大等效應(yīng)力點的位置；哈爾濱工程大學(xué)第39頁共80頁（七）：伸縮裝置研究設(shè)計報告改進(jìn)后裝置的最大形變量較改進(jìn)前有一定幅度的降低；改進(jìn)后裝置的最大等效應(yīng)力為279.8