（机械电子工程专业论文）水下卧式金刚石绳锯机实验样机的研制.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学位论文 捅要 本课题是在“十五 期间国家“8 6 3 计划“海底管道修复技术 专题“中 的子课题“水下专用机具设备 基础上进行课题研究，根据中国海洋石油总 公司技术发展项目废弃桩基平台拆除水下切割机具研制的要求来开展研 究工作的，主要针对4 8 ” 6 0 ”的海洋石油平台导管架桩基，研究适用于6 0 米水深竖管切割作业的技术和装备，从而实现对废弃海洋石油平台的快速拆 除。 本文通过对金刚石绳锯机国内外发展、研究现状的分析，研究了其基本 工作原理，确定了针对废弃海洋石油平台导管架桩基切割的水下卧式金刚石 绳锯机的总体设计方案，完成了绳锯机本体结构三维设计，建立了金刚石串 珠绳在不同条件下的力学模型，为液压系统动力元件的选择提供了理论依据。 本文重点进行了液压控制系统的研制工作。控制系统以p l c 为核心，集 中完成数据处理和控制任务。单片机作显示、输入模块，完成参数设定和显 示的功能。单片机与p l c 通过串口通讯。 通过模拟的导管架桩基切割试验，验证了采用水下卧式金刚石绳锯机切 割海底导管架桩基的可行性和实验样机设计的合理性。 结合试验研究了金刚石串珠绳的磨损机理。分析了金刚石串珠绳微观磨 损形态和特性。针对模拟的导管架桩基切割分析了串珠的磨损过程和规律。 通过试验得到了串珠绳的切割效率、耐磨损率与切割工艺参数的关系。 关键词：金刚石绳锯机；液压控制系统；试验研究：导管架桩基 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i ss t u d yi sb a s e do nas u bp r o j e c to fr e h a b i l i t a t i o nt e c h n o l o g yf o r s u b m a r i n e p i p e l i n e o f n a t i o n a l “8 6 3 ”p l a np r o j e c t s ，s u b m a r i n es p e c i a l e q u i p m e n t , t os t a r ts u b j e c tr e s e a r c hd u r i n gt h ep e r i o do ft e n t hf i v 争y e a rp l a n a t t h es a m et i m e ，t h es t u d yi ss u p p o r t e db yas e i t e c hd e v e l o p m e n tp r o j e c ts p o n s o r e d b yc n o o c ，j a c k e tp i l e sd e c o m m i s s i o n i n ga n dr e m o v a lu n d e r w a t e rc u t t i n g i m p l e m e n t t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ha t o o lw h i c hc a nb eu s e dt o c u tt h el a u n c h i n go f j a c k e t ( 6 0md e p t h ，d = 4 8 ”“o ) o f t h eo i lp l a t f o r m i nt h i sp a p e r , t h ew o r l d w i d er e s e a r c h e so ft h ed i a m o n dw i r es a wa r e i n t r o d u c e d a f t e rt h ea n a l y s i so ft h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，t h eg e n e r a ls t r u c t u r eo ft h e u n d e r w a t e rh o r i z o n t a ld i a m o n dw i r ew h i c hi su s e dt oc u tt h ej a c k e tp i l e so f d e c o m m i s s i o n e do f f s h o r eo i lp l a t f o r mi sd e s i g n e d ，w i t h3 ds t r u c t u r em o d e la n d m e c h a n i c sm o d e lo ft h ed i a m o n dw i r eb e i n gb u i l t a l lt h ew o r kp r o v i d e s t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g no fp o w e rp a r t so fh y d r a u l i cp r e s s u r ed r i v i n g s y s t e m t h ep a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h es t u d yo ft h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m t h e c o n t r o ls y s t e mc o l l e c t i v e l yp e r f o r m st h ed a t ap r o c e s s i n ga n dc o n t r o lb yt a k i n gt h e p l ca sac o r e t h em c uf u l f i l l st h ef u n c t i o n so fp a r a m e t e rs e t t i n ga sai n p u t m o d u l ea n dd a t ad i s p l a ya sad i s p l a y t h em c ua n dt h ep l cc o m m u n i c a t ew i t h e a c h o m e r o ns e r i a l b u s t h ef e a s i b i l i t yo fc u r i n gt h es e a b e dj a c k e tp i l e s 耐t l lt h eu n d e r w a t e rd i a m o n d w i r es a wa n dt h er a t i o n a l i t yo ft h ee n g i n e e r i n gs a m p l em a c h i n ea r cv a l i d a t e d t h r o u g ht h ee x a m i n a t i o no fc u t t i n gs i m u l a t ej a c k e tp i l e s t h eg r i n d i n gm e c h a n i s mo fd i a m o n ds t r i n gb e a dw i r e si sr e s e a r c h e dt h r o u g h e x p e r i m e n t sa n dt h em i c r o c o s m i ca b r a s i o nf o r m sa n dc h a r a c t e r i s t i e sa r ca n a l y z e d t h ea b r a s i o np r o c e s sa n dt h er u l eo ft h es t r i n gb e a da r es t u d i e dt h r o u g ht h e e x a m i n a t i o no fc u t t i n gt h em o d e l so f j a c k e tp i l e s t h er e l a t i o n so fc u t t i n ge f f i c i e n c y o ft h es a w , c u t t i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n da b r a s i o nr a t ea r ed i s c o v e r e dt h r o u g h 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t h e s ee x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：d i a m o n dw i r es a w , h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ；e x p e r i m e n tr e s e a r c h ； j a c k e tp i l e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：量蕉 魄珈牌弓月1 7 日 ：i ：i 鎏：；垒奎茎些：；茎竺兰圣 第1 章绪论 1 1 引言 2 0 世纪6 0 年代以来是海上石油 的开发高潮，在海上建起了千百座导 管架平台和其它海上结构物，如图 1 1 所不为海上石油平台。我国海上 石油开发较晚，但发展很快，经过2 0 余年建设，在我国大陆架上也树起了 近百座平台。这些海中建筑为人类带 来了滚滚能源和财富，也在一定程度 上改变、破坏着海洋环境。随着资源 的枯竭，海洋石油平台也就完成了它 的使命，如何处置这些海上建筑物， 已经提到油田开发者面前。与海洋开 发初期相比，人们对海洋环境的看法 图1 1 海上石油平台 有了很大的改变，从环保工作者的呼吁，群众的认同，到政府的立法，使保 护海洋生态成，全人类的共识，要求海上建筑物的开发者在开发了海洋资源 以后，不能把这些东西扔下不管，要负责到底，而且还要还海洋原来的面貌。 根据国际公约、国际惯例和国内相关法律、法规要求，为保护海洋环境和不 妨碍对其它海洋资源的开发，海上构筑物退役后，如无其它用途，通常应予 以拆除或部分拆除。我国海上油气田寿命一般约为1 0 2 0 年。根据国内有关 研究部门预测，到2 0 1 6 年，现己投产的海上油气生产设旋中的6 0 7 0 ， 将陆续退役并进行废弃处置，而2 0 1 0 年左右则是我国海上采油平台拆除的第 个高峰期”捌。可见，废弃海洋石油平台拆除问题也成了一门新的工程技术 领域。海洋石油开发企业正在策划这项庞大的工程，包括相关技术和工程的 研究。对于浅海导管架采油平台应针对各组成部分的具体特点分别制定拆除 方案。 我国是一个能源需求大圜，石油是国民经济发展最需要的能源资源，也 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是一项重要的战略物质，关系到国家战略与军事安全，在陆地石油资源开采 日渐萎缩的今天，加速开发海洋石油资源已经成为未来我国能源战略的重中 之重。海洋石油工程行业是一个高投入、高风险、高技术含量的行业【3 】。随 着中国海域海上油田的大规模开发与生产周期的延伸，维修作为油田生产的 一个重要支持系统，必将日益体现出它的市场价值。 目前，我国海上石油平台的维修、拆除设备、技术和科研水平与世界先 进水平还存在着一定的差距，一些相关维修的设备都需要花费大量资金从国 外租用专用设备、聘请专家进行维修，因此根据国内具体问题研究出符合自 己实际情况的海上石油平台的维修、拆除作业系统确实是当务之急。 1 2 课题的来源、目的和意义 海洋结构物( 海洋平台) 的拆除是一个建造新结构相当或更加复杂的、 涉及许多技术领域的综合性系统工作，并且要受到经济、技术、安全、环境 保护等多种因素的制约，是一项极具危险性的工程，不能将其视为安装建造 过程的简单逆向操作。而且该工程本身对海洋环境也是一个潜在的污染源， 一旦发生事故，将造成巨大的损失。另外，退役( 废弃) 海上结构物的服役 时间一般都在1 0 - - - , 2 0 年以上，在长期运营过程中，其整体结构性能受到了极 大的削弱和破坏。并且其上部的各种设备、仪器、管线以及输送油气的海底 管道也同样存在年久老化等问题，一旦在拆除的过程中发生任何泄漏或损坏， 将对结构系统，工作人员、环境造成巨大的伤害。为了保障施工人员的安全， 防止海洋环境遭受污染，保护生态平衡，对拆除工程的全过程必须进行严格 的管理【4 】。 本课题是结合“十五期间中国高技术研究发展计划“8 6 3 ”计划( 项 目编号2 0 0 2 a a 6 0 2 0 1 2 - - 1 ) 的研究成果，根据中国海洋石油总公司技术发展 项目( 项目编号c k j f h 0 0 1 2 0 0 5 ) 的要求来开展研究工作的。主要针对4 8 f 6 0 的海洋石油平台导管架桩基，研究适用于6 0 米水深竖管切割作业的技术 和装备，从而实现对废弃海洋石油平台的快速拆除。 我国海上油气开发工程已有近4 0 年的历史，截止到2 0 0 1 年底，共建成 投产各种固定式平台7 0 余座。但在海洋平台拆除方面，却处于起步阶段。前 些年虽已拆除了一些小型平台( 共计1 5 座，主要是早期的简易平台) ，但从 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 总体上讲，与国外相比，差距很大。预计今后1 5 年内，我国将有4 0 多座平 台要进行拆除。为了尽快熟悉和进入该领域，海洋总公司、平台业主与相关 研究部门，对海上结构物拆除进行了一系列研究，其成果是：对海上结构物 拆除的技术路线、作业流程、所需专业工具做了比较详细的介绍与分析，并 对拆除费用也做了概括的定性分析。这些成果均为原则上介绍，具有一定局 限性，还不能满足我国海洋平台拆除工程的需要。另外，在极为重要的拆除 工程方案、技术经济可行性分析、危险辨识与控制和拆除工程中的一些力学 分析方面的问题还没有涉及。 海上石油平台的拆除作业系统的研制开发具有重大的研究价值和实际意 义。它的研制成功将使我国在相关领域的科技水平得到提高，缩短与国外最 先进技术的差距，并能提高我国在海洋开发方面的国际地位和竞争能力，同 时降低海洋石油平台的拆除、维修费用，提高工作效率。 基于上述研究背景，海洋石油工程股份有限公司和哈尔滨工程大学联合 开展了“废弃海洋桩机平台拆除方法研究课题，目的是对海上桩基平台的 拆除方法进行系统全面的研究，为今后具体拆除作业打下良好的基础。 1 3 金刚石绳锯机国内外发展现状 利用移动钢绳带动耐磨质点研磨石材这一应用已有很长的历史了，其中 以砂子做为研磨介质这一事实早在公元7 5 年就已有记载。但由于该技术有许 多内在的问题，因此发展比较缓慢，后来人们改进了这个系统，研制出了金 刚石串珠绳，并于2 0 世纪7 0 年代在世界范围内用来从采石场采取软岩，到 了8 0 年代初已在世界许多著名的采石场得到了广泛应用【5 一。， 金刚石绳锯机，又称金刚石串珠锯，也称金刚石串珠绳切割机，是目前 世界上最先进的石材开采设备，它作为金刚石工具发展过程中的第三代产品， 作为新一代切削工具，经过二十多年来的研究、开发与完善，已经被广泛应 用于石材行业、机械行业及建筑施工领域，随着国外对金刚石绳锯锯切钢件 研究的进展，它还被应用于海底构件的维修、核电厂的拆除等特殊领域的工 作中。金刚石绳锯机的广泛应用与强大的生命力，主要是由于它在制造、性 能和使用上具有一系列优越性，目前已经显示出它的广阔发展前景，很值得 瞩目，金刚石绳锯机正向着切割控制计算机化、高效重型切割、海底切割等 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 方面发展【7 。9 1 。 1 3 1 金刚石绳锯机国外发展现状 金刚石串珠串应用到钢绳上的第一次试验于1 9 5 5 至1 9 5 7 年在英国进行。 1 9 6 8 年，一位在意大利c a r r a r a 石材加工区工作的英国人d h p r o w s e 正确评 价了用传统钢绳加工石材所遇到的问题，并且利用电镀金刚石串珠在钢丝绳 上进行石材的切割，这是在静止机械上加工方形料的第一次试验。1 9 7 0 年由 h a u e z 在一次研讨会中做了使用电镀金刚石串珠绳从采石场取出荒料试验的 报告。最早的成品串珠绳及串珠绳锯机是1 9 6 9 年和1 9 7 0 年意大利v e r o n a 的s a m b r o g i o 石材博览会上展出的，同时套有电镀金刚石串珠的串珠绳在意 大利的大理石矿山进行了试验。1 9 7 4 年在德国汉诺威大学首次尝试了使用串 珠绳切割硬质石材，开始了半官方的使用串珠绳切割花岗石的实验。1 9 7 7 年 1 0 月，意大利人l u i g im a d r i g a l i 开始生产被称作“m a d r i g a l i 自行车”的金刚 石绳锯机，用于意大利闻名于世的c a r r a r a 大理石矿物的石材开采，这标志着 大理石开采和加工工艺技术进入了一个全新的领域，金刚石绳锯将成为开采 大理石技术的主宰【1 0 , 1 1 l 。 1 9 9 0 年第一台数控串珠绳锯投入工厂实际使用，标志着串珠绳锯进入高 技术含量的数控时代。9 0 年代中期，多绳锯开发研制成功，直接对框架锯机 生产大理石、花岗石大板的传统加工方法提出了挑战。 今天的串珠绳锯已日臻完善，已经成为一项成熟并被各国的石材矿山和 加工厂所接受的技术。 ( 1 ) 单绳式金刚石绳锯 早期生产的金刚石绳锯属于单绳式金刚石绳锯，新加坡的d i a m a n tb o a r t 公司在开发金刚石绳锯方面作了大量工作，如该公司早期生产的d i a f i l l 8 0 型、d i a f i l l0 0 0 型、d i a f i l 2 0 0 0 型金刚石绳锯。此外还有德国的c a r lm e y e r 与a t b e s ，比利时的d e b e l l e 、s m e t c o r e n ，意大利的p e c o b l i t z 、d f 2 0 0 0 金刚 石绳锯。如图1 2 所示，加工花岗石大板的切锯机，它是由意大利人发明的， 该机是由环绕四个滑轮运行的无级金刚石串珠绳和大型框架构成。它的导轮 装有水平固定轴，至少一个导轮配有机械化装置，并在一个变向轮上装上张 紧装置。它具有设计结构简单；性能稳定、可靠；快速加工花岗石板材；切 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 割均匀性好：金刚石绳锯容易更换；拉紧装置可在最佳状态下工作；只需变 换导轮间不同厚度的隔片，便可改变加工板材的厚度等优点i l “。 意大利玛瑞尼石材开采设备集团近期生产的m i n if i le l e c t r o n i c 金 剐石绳锯机如图13 所示，用于切断钢筋混凝土和几种人造的土木工程用特 殊石材。它体积小，可以安装在较小的作业空间内，大扭矩的电机能完成大 尺寸的切割任务。3 6 0 。旋转的调速轮配以适当的附件可以适应任意方向的切 割任务。 蕊曩 图1 2 切锯机图13 m i n i f l l e l e c t r o n i c 绳锯机 单绳式金刚石绳锯一般用于矿山的开采、石材荒料整形、道路或建筑物 的修整、拆除、搬迁等，但在石板材的切割和切片等方面比多绳式金刚石绳 锯的加工效率低。 ( 2 ) 多绳式金刚石绳锯 9 0 年代中期，多绳式金刚石绳锯机开发研制成功，通常用于切割大理石、 花岗石板材，多绳式金刚石绳锯机是很有发展前景的一种大板锯切设备，在同 一台多绳式金刚石绳锯机上，只要更换不同的金刚石串珠绳、改变串珠绳线 速度，就可以方便的切割大理石和花岗石大板，通过调整金刚石串珠绳的间 距，可以灵活地改变成品板材的厚度，生产效率很高 1 4 , 1 5 】。 1 9 9 4 年，日本的y a m a h a 公司研制成y c n i 型排式金刚石串珠绳锯机。 该机装有1 0 条长2 0 米的金剐石串珠绳，被切石料最大尺寸3 5 m 3 8 m x 38 m ，切板速度1 0 埘h ，采用计算机控制”q 。 1 9 9 7 年，意大利的w i r e se n g i n e e r i n g 公司开发了f a l c o n6 0 0 型多绳式 金刚石绳锯机，可安装1 0 条金刚石串珠绳。图1 4 所示，它包括主机、辅助支 架、串珠绳、料车系统、电控系统和基础几大部分。用来锯切大理石或花岗 石大板，可以加工荒料的尺寸为3 5 5 m 2 5 m 2l m ，厚度1 l o e m 板材的 平面度公差在l m m 之内。该机特点是每根串珠绳都有单独的张紧系统，所有 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 加工工艺参数均由计算机控制，操作灵活，自动化程度高【i ”。 意大利的b i d e s e i m p i m a t i 公司经过数年的研制开发，向市场推出了可安装 5 0 条金刚石串珠绳的绳锯机，这是目前世界上在一道工序中切割花岗石方料 最经济的系统。现在该公司开发了g o l d6 0 系统，可以安装6 0 条金刚石绳锯。 如图l5 所示。 目前开发的多绳式金刚石绳锯，与早期的可安装1 0 根串珠绳、占地面积 很大的多绳串珠锯相比，已经变得更加轻巧实用，设各外形尺寸与普通的串 珠整形机相仿，生产效率也在不断的提高，而能源消耗却相对降低，操作和 机器的保养也更为简单方便。 图1 4f a l c o n6 0 0 型l o 绳金刚石绳锯图1 5g o l d6 0 型6 0 绳金刚石绳锯 ( 3 ) 数控金刚石绳锯机 金刚石绳锯在异型石材加工时，借助设备的仿形系统或数控系统，能够 实现其它加工设备和加工方法所无法实现、或者实现起来很困难的各种复杂 形状和图案制品的加工。1 9 9 0 年第一台数控绳锯机投入工厂实际使用，标志 着金刚石绳锯进入高技术含量的数控时代【”】。 意大利的c a n d i a n i 公司研制的v i n c a6 型绳锯机是六维金刚石绳锯异形 加工设各，是目前能够加工石材立体制品的形状虽为复杂的金刚石串珠绳异 形加工设备。绳锯机的每侧的飞轮可单独升降，使金刚石串珠绳与水平面成 角度，配合料车工作台的旋转，可锯切加工出内外表面都是曲面的空心的 或者外表面是曲面的实心的螺旋圆柱、螺旋圆锥及各种复杂形状的回转立体 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 石材制品。该机可以实现料车的进退、料车工作台的旋转、每个飞轮的单独 升降、两个飞轮的同时升降、每对导向轮分别旋转共六个运动方向的独立控 制【 1 1 9 。 ( 4 ) 水下切割用的金刚石绳锯机 2 0 世纪8 0 年代末期，金刚石绳锯开始用于切削钢材，最初用绳锯切削 的钢件是钢管。2 0 世纪8 0 年代有少数公司开始了应用金刚石绳锯切割钢质 材料的试验。刚开始绳锯加工仅限于小规格碳钢型材( 如管材) ，后来应用于 维修海底构件和核电站部件，如热交换器和集束管。以后扩展到奥氏体钢材 料制成的大直径零件的切割2 0 捌】。 随着对金刚石绳锯切割钢制构件研究的深入以及相应串珠绳制作工艺水 平的提高，它已经在实际工程中逐步得到应用，尤其是在水下工程中的应用 更具独特的优势。如图1 6 所示为在印度利用金刚石绳锯切割4 8 英j 码头管 线的工作情况；如图17 所示，为在印度尼西亚切割驳船舱内的管线工作情况。 图1 6 切割4 8 英寸码头管线圈17 切割驳船舱内的管线 i e v g r o u po f c o m p a n i e s 公司在马来西亚雪兰莪州，它在过去的2 0 年里 为欧洲、北美洲、中东、远东以及澳大利亚的石油和海运事业提供了独一无 二的产品和服务。如图18 、1 9 所示为该公司的产品正在切割竖管和复合管。 金刚石绳锯切割钢制构件最引人瞩目的次应用是在2 0 0 0 年8 月，俄罗 斯的核潜艇库尔斯克号在巴伦支海沉没，在随后的打捞过程中，库尔斯克号 的艇旨和艇身的分割工作是使用金刚石绳锯来完成的。为了确保在打捞工作 中不出现意外情况，俄罗斯圣彼得堡市克雷洛夫中央科学院完成了大规模的 综合试验，有关专家在试验中对即将用于打捞工作的各种设备和零部件进行 了严格的检验，如图i1 0 所示为金刚石绳锯切割库尔斯克号前的试验2 ”，图 11 1 所示为金刚石绳锯水下切割库尔斯克号的工作图。 7 图18 切割竖管作业圈1 9 切割复合管 图1 1 0 切割试验图1 1 1 水下切割库尔斯克号 目前，金刚石绳锯在国外已被用来切割发电站中的大型热交换机部件、 核电站、海底输油管线或海上钻井平台等。特别是在核电厂拆除工程中，与 传统方法相比，金刚石绳锯可达到晟佳的切削效果。 1 3 2 金刚石绳锯机国内发展现状 与国外金刚石绳锯发展相比较，国产金刚石绳锯起步较晚，发展很不充 分。国内金刚石绳锯应用面还很窄，小部分用于大理石矿山开采，其余部分 主要用于荒料整形和分割以及异形石材的加工等，建筑施工领域金剐石绳锯 仍未涉足，玻璃、复合木板等硬脆材料和钢材加工方面更是一片空白。国内 金刚石串珠绳的研究和生产能力也远远落后于国外同行，目前仪有少数几个 厂家已开发出大理石切割用的电镀金剐石串珠绳，凭借低廉的价格，可以取 代小部分进口串珠绳：花岗石切割用的烧结金刚绳锯，尽管目前有不少厂家 参与研制开发，但均处于探索性试验阶段，试制的样品串珠绳在试用过程中 存在断绳频繁，胎体与基体剥离，串珠胎体性能与切割对象不匹配，串珠固 定效果差等诸多技术问题，从而表现出绳锯整体性能差，根本无法与进口绳 哈尔滨工程大学硕士学位论文 锯进行竞争 2 4 1 。 八十年代以来我国已有不少大理石矿山引进了国外的金刚石绳锯机，据 不完全统计，国内金刚石绳锯约有2 0 0 3 0 0 台左右，如贵阳大理石厂1 9 8 5 年引进了意大利贝纳蒂公司的金刚石绳锯机。为解决金刚石绳锯国产化问题， 贵阳第六砂轮厂承担了串珠绳的研制任务，于1 9 8 7 年完成了电镀金刚石串珠 绳试制工作，并通过了部省级鉴定。六砂的金刚石绳锯装配于贝纳蒂公司8 4 0 型绳锯机上，用于切割贵阳大理石厂纹脂奶油大理石( 莫氏45 级) ，切割效率 和寿命都达到了当时意大利进口配套产品的水平，而价格不足其5 0 ，具有 好的性能价格比。广西桂林矿产地质研究院从9 7 年开始从事金刚石串珠绳的 研制开发，先后解决了串珠绳钢丝断绳频繁，胎体从基体上剥离，串珠固定 不牢，串珠胎体性能与切割对象的匹配性等关键技术问题，所研制开发的审 1 0 r a m 串珠绳在广东和福建试用，切削性能达到国际先进水平的8 0 9 0 ； 而士85 m m 串珠绳达到国际先进水平的6 0 - - 7 0 。 目前，国产金刚石绳锯机的厂家还 有有巩义市红波机械有限公司、山西机 床厂、云浮市长益机械厂、云浮市广达 机械厂等。如图1 1 2 所示为红波机械有 限公司生产的s c 2 0 0 0 b 型微机控制金刚 石串珠绳切割机，采用w i n d o w s 9 5 全中 文操作系统，操作方便，工艺编排简单、 快捷，并可自动跟踪、补偿加工中因切图11 2s c 2 0 0 0 b 型金刚石绳锯机 削力产生的变形，改变切割方向，主要用于花岗岩和大理石等异形加工，如 不同规格的圆弧板、圆柱、罗马柱、墓碑石、大型花线条、字母等复杂形状。 该设备丰要由立柱系统、金刚石串珠绳旋转系统、金刚石串珠绳张紧机构、 导向系统、前后行工作台系统、微机控制系统等部分组成。s c 2 0 0 0 b 型微机 控制金刚石串珠绳切割机的性能达到国内领先水平，填补了国内使用微机控 制系统的控制金刚石串珠绳进行异形石材制品加工的空白，微机控制系统及 适用范围达到国外同类产品的先进水平，可以替代进口设备1 2 5 2 叼。 我国的金刚石绳锯经过近2 0 多年的发展和改进，已在机器构造、工作性 能和金刚石绳锯机的制造方法、结构、质量水平等方面都已获得很大进步。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 随着大理石锯切开采技术的提高、人们对金刚石绳锯的进一步认识以及串珠 绳类型的增加、质量的提高，在不久的将来，金刚石绳锯必将在我国各加工 领域得到广泛的运用【2 7 】。 1 4 论文研究的主要内容 本课题主要任务是针对水下竖管切割作业进行水下卧式金刚石绳锯机实 验样机的研制。在水下作业的环境中和海底导管架的特殊结构情况下，使金 刚石绳锯机能够满足工程使用技术要求。 本论文主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 了解国内外金刚石绳锯机的发展、研究状况，分析金刚石绳锯机的 基本工作原理，提出水下卧式金刚石绳锯机实验样机的总体方案。针对水下 竖管切割作业的实际工况确定绳锯机的基本参数。 ( 2 ) 进行水下卧式金刚石绳锯机机械本体结构设计，对金刚石串珠绳空 载和工作情况下的受力状况进行分析计算，确定实验样机的基本结构参数和 主要技术参数。根据其实际的工作环境和条件确定液压系统动力源的主要参 数。 ( 3 ) 设计水下卧式金刚石绳锯机液压控制系统，主要完成主控制器p l c 的硬件和软件设计，单片机显示模块、通信模块、输入模块的程序设计。 ( 4 ) 结合串珠绳切割钢管的实验，分析金刚石串珠绳的磨削机理和串珠 绳在切削时的磨损机理。 ( 5 ) 对金刚石绳锯机实验样机进行实验研究，并根据实验获得的数据， 对串珠绳磨损的一般规律、主要切削参数之间的关系进行研究分析，以获得 最佳切削参数。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章水下卧式金刚石绳锯机总体方案 及本体设计 通过对国内外金刚石绳锯机在海底油气管道切割和海上石油平台拆除等 领域实际应用的研究，本章分析了金刚石绳锯机的基本工作原理，确定了水 下卧式金刚石绳锯机的总体设计方案，并对绳锯机的本体结构进行了设计， 建立了金刚石串珠绳在不同条件下的力学模型，为液压系统动力元件的选择 提供了理论依据。 2 1 金刚石绳锯机的组成及工作原理 金刚石串珠绳切割本质上不是破坏性工艺，尤其是串珠绳切割的切口比 较精确、规整。它便于安装、可控性好、作业的时候冲击低、对操作者和环 境不产生有害影响。此外，金刚石绳锯机既能够在陆地上作业，又能在水下 工作，可以针对所切割的物体形状和尺寸以及工作环境进行针对性设计，是 非常理想的加工机具【2 8 】。 2 1 1 金刚石绳锯机的基本组成 金刚石串珠绳在切削时通常为闭合环状式，靠安装在轨道上的设备以理 想的速度驱动。如图2 1 所示，为金刚石绳锯垂直切割和水平切割时的工作 示意图。金刚石绳锯机主运动可以由液压马达或电机驱动，它主要由主运动 系统、进给系统、金刚石串珠绳、张紧装置、导向机构、控制系统、冷却系 统等部件组成。 2 1 2 金刚石绳锯机的基本工作原理 切割管道用金刚石绳锯机工作原理如图2 2 所示：工作时，先用夹紧框 将金刚石绳锯机固定在输油管道待切割位置，四个导向轮中有一个或两个兼 做主动轮，由其中一套驱动装置带动主动轮旋转，使张紧的金刚石串珠绳做 循环运动，实现其沿管道的切向进给运动；同时另一套驱动装置推动切割框 架作直线运动，实现串珠绳相对管道的径向进给运动；张紧装置可以保证金 刚石串珠绳在工作过程中始终处于张紧状态，保证切割所需的张紧力；如果 些玺鎏三堡叁茎鎏圭茎垒鎏兰 绳锯机是在于式环境中工作，在串珠绳进行切削的工作区附近必须设有冷却 系统，保证串珠绳良好的切削环境和切削状态。 度为6 0 米以浅：切割作业介质温度 图2 3 c f d i ，6s p m 导管架现状照片 低于4 5 ”c 。 ( 2 ) 作业对象：管径在4 8 ”6 0 “之间的导管架桩基。最大切割桩基外径为出 1 5 2 4t u r n ( 6 0 ”) ，壁厚3 5 n m a ：最小切割桩基外径为中1 2 1 9 2m m ( 4 8 ”) ，壁厚 3 0 m m o 水下卧式金剐石绳锯机设计参数： 1 2 哈尔滨工程大学硕士学何论文 水下主机规格( 高宽x 厚) ：4 9 5 3 m m 3 6 9 6 m m 2 3 9 0 m m ； 主机空气中静重：7 3 1 8 1 0 3 k g 主机水下浮力：8 5 3 8 n 切割进给速度：快进6 0 m m m i n 、工进一1 7 m m m i n 、工进二3 - - 5m m m i m 切割回退最大速度：31 3 m m m i n ： 最大直径桩基理论切割时间：5 4 7 m i n ； 最大直径桩基切割后回退时间：5 5 m i n ； 桩基夹持固定方式：液压缸活塞杆推动杆机构机械夹紧； 施加桩基夹持力：5 8 8 0 0 n ； 控制方式：p l c 控制； 水下液压阀控制电压：2 4 v ； 检测物理量：串珠绳张力、切削进给速度； 液压动力源额定工作压力：3 1 5m p a ； 液压动力源最大流量：1 5 0 l m i n ： 液压动力源电机功率：7 5 k w ： 装置设计符合船用标准。 2 2 2 水下卧式金刚石绳锯机的总体方案 水下卧式金刚石绳锯机主要有四大部分组成：机械本体、检测系统、液 压控制系统和液压动力源。 机械本体主要由驱动装置、进给装置、张紧装置、夹紧装置、导向装置 及切割框架等组成。 液压控制系统根据检测系统检测到的串珠绳的力和进给的位移，对主动 轮马达的速度和方向，进给马达的速度和方向进行控制。 液压动力源位于工作母船上，用于为金刚石绳锯机提供液压动力。 检测系统主要是对串珠绳张力和进给位移进行检测。水下卧式金刚石绳 1 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 锯机在水下作业时，需要实时检测金刚石串珠绳上的张紧力和金刚石串珠绳 切割位置。通过检测这两个物理量，操作人员可以了解金刚石串珠绳的切割 位置，并根据串珠绳上张紧力，可以手动或自动调节串珠绳的径向进给速度， 以保证金刚石绳锯机安全高效的工作。 2 2 3 水下卧式金刚石绳锯机的工作原理 水下卧式金刚石绳锯机切割竖管作业时，首先通过手动张紧装置，使串 珠绳保持一定的工作张紧力；接着由液压动力源提供压力油供给液压系统， 由夹紧液压缸驱动夹紧瓣夹紧导管架桩基，即将绳锯机固定在的导管架桩基 待切割位置上；然后驱动装置和进给装置开始工作，对导管架进行切割。在 主运动系统中，驱动马达高速旋转，直接驱动主动轮并传递扭矩，这样马达 就带动主动轮高速旋转，使张紧的金刚石串珠绳做循环运动，实现其沿管道 的切向进给运动；同时进给系统中，进给用的低速马达使升降机的丝杠转动， 带动切割框架作直线运动，实现串珠绳相对管道的径向进给运动；张紧装置 可以使金刚石串珠绳在工作过程中始终处于张紧状态，确保切割所需的张紧 力。 2 3 水下卧式金刚石绳锯机的本体设计 2 3 1 水下卧式金刚石绳锯机的机械本体 水下卧式金刚石绳锯机的机械本体结构如图2 4 所示，主要包括主运动系 统( 驱动装置) 、进给系统( 进给装置) 、张紧装置、液压夹紧装置、导向装置 以及切割框架等组成。 进给装置包括：轴向配油摆线液压马达、液压缸驱动的变速器、联轴器、 蜗轮蜗杆升降机等部件。 驱动装置包括：齿轮马达、联轴器、主动轮、导向轮、金刚石串珠绳等 部件。 液压夹紧装置包括：液压缸、夹紧瓣、夹持垫块等部件。 手动张紧装置包括：张紧螺母、张紧丝杠、螺母导轨和丝杠锁紧等部件。 1 4 图2 4 金刚石绳锯机本体结构 1切割装置2 一导向装置3 一张紧装置4 一液压夹紧装置 5 一进给装置6 一驱动装置 2 32 水下卧式金刚石绳锯机的工作过程 ( 1 ) 通过控制面板液晶显示屏输入的对话框，将待切割工件的信息及 选择的基本切削参数输入操作系统，为绳锯机自动切割作业做好 准备： ( 2 )手动张紧装置使串珠绳达到一定的张紧力： ( 3 ) 通过液压油管及缆绳将金刚石绳锯机从母船上下放到待切割导 管架附近，由潜水员协助绳锯机夹紧装置定位部分与导管架指定 哈尔滨工程大学硕士学位论文 位置接触，完成就位动作； ( 4 )潜水员通过通讯设备向母船操作人员发出实施夹紧动作的信息， 操作人员通过操作系统发出夹紧指令，夹紧液压缸动作。夹紧动 作完成后，潜水员避开到安全位置或者返回工作母船； ( 5 )确认潜水员离开危险区后，母船上的操作人员发出切削指令，金 刚石绳锯机开始切削作业：主运动马达带动主动轮高速旋转，串 珠绳进行切向进给运动，进给运动马达驱动丝杠低速旋转，丝杠 螺母带动切割框架向下直线运动，使串珠绳完成径向进给运动； ( 6 )削任务完成后，主运动马达和进给运动马达停止旋转，由潜水员 剪断串珠绳，回收到工作母船上； ( 7 )串珠绳剪断后，进给运动马达反转，丝杠螺母带动锯弓板退回原 位，夹紧液压缸放松夹紧瓣，仍然通过液压油管及缆绳将金刚石 绳锯机吊回工作母船。 ( 8 )如果在切削过程中出现断绳现象，如果可以由潜水员利用夹子在 水下直接更换新的串珠绳时，首先锯弓板退回原位，停止所有的 切割动作，潜水员将联结好的串珠绳安装到驱动轮和导向轮上， 然后离开，金刚石绳锯机即可按照上述步骤( 4 ) ( 7 ) 继续进行切 削作业。如果不能由潜水员在水下直接更换新的串珠绳时，则需 要重新吊回工作母船上进行安装。 2 3 3 水下卧式金刚石绳锯机驱动装置设计 水下卧式金刚石绳锯机的驱动装置如图2 5 所示，主要由液压马达，驱 动轴，轴承座和驱动轮组成，马达和驱动轴，驱动轴和驱动轮采用普通平键 进行联接，液压马达通过驱动轴带动驱动轮高速转动，以实现封闭环形金刚 石串珠绳的高速切向切削运动。 1 6 图25 驱动装置示意图 从切割效率和串珠绳寿命两方面来考虑，串珠绳的线速度保持在2 2 3 m s 时，它处在比较合理的切削状态，当驱动轮直径为4 0 0 m m 时，可以得到主动 轮理论转速为： 。：上： 竺! 。6 0 。1 0 6 5r m i n 2 7 0 2 31 4 02 式中：n 驱动轮的转速，r r a i n ； v 串珠绳的线速度，m s ： r _ 驱动轮的半径，1 3 1 ； 234 水下卧式金刚石绳锯机进给装置设计 水下卧式会刚石绳锯机进给装置包括轴向配油摆线液压马达、联轴器、 液压缸驱动的变速箱、蜗轮蜗杆升降机等部件，变速箱将液压马达干u 升降机 联接在一起，即液压马达工作时，通过变速箱带动引降机的丝杠旋转，从而 推动切割框架贸现进、退的运动，进给装置如罔2 6 所示。 呈尘篓三堡奎茎些圭茎譬鎏圣 图2 6 进给机构的结构 1 一变速箱推杆油缸2 一液压马达3 一变速箱4 一联轴器 5 一蜗轮丝杆升降机6 一丝杠 工作原理是：液压马达输出轴，通过联轴器和变速箱的输入轴连接。变 速箱的输出轴通过联轴器和升降机的输入轴连接。当液压马达工作时，通过 联轴器和变速箱带动蜗杆蜗轮带动丝杠旋转，从而拖动切削机构的切割框架 上下运动。 ( 1 ) 升降机的选择 进给装置部件升降机选用国内的成型 产品蜗轮丝杠升降机。如图2 7 所示， s n l 系列蜗轮丝杠升降机是一种基础起重部 件，它承载能力可达2 5 - - 1 2 0 吨。具有结构 紧凑、体积小、重量轻、动力源广泛、无噪 音、安装方便、使用灵活、功能多、配套形 式多、可靠性高、使用寿命长等许多优点， 可以用电动机或其它动力直接带动，也可手 动。该装置有不同的结构型式和装配方图2 7 s w l 系列蜗轮丝杠升降机 式，可以自锁 2 9 1 。根据对国内几个厂家 1 8 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 产品性能的对比，选择了山东德州金宇机械有限公司的s w l l 0 l - i i b 一1 7 0 0 f z 型蜗轮丝杠升降机，它的主要技术指标见表2 1 。 升降机安装在丰机的顶板中部，其主要作用是带动切割部件实现径向的 进给和退回运动。 表2 1 s w l l 0 l 型蜗轮丝杠升降机主要性能参数 丝杠螺纹尺寸蜗杆每转行程 满负荷蜗杆扭矩 最大拉力( k n )传动比 ( m m ) ( n u n )( n m ) 9 95 8 1 22 4 ：1o 5 9 0 最大轴伸k 度 许用功率( k w )总效率 不加行程重量 丝杠每1 0 0 m m 的 ( m i l l ) ( k g )重量( k g ) 2 5 0 0261 5 2 5 16 7 ( 2 ) 变速箱 水下卧式金刚石绳锯机在水下对桩基的切削主要是利用金刚石的硬度与 绳索的柔性对切割对象进行磨削以完成切割任务，工作时进给速度要求很慢 的，当导管架桩基被切断时，需要进给装置以较快的速度退回到原位。为此 设计了变速箱，如图2 8 所 示。变速箱由两对齿轮组 成，变速箱为两级变速，减 速比为29 4 ，增速比为i 8 ， 增速齿轮z 1 = 4 3 、z 2 - 2 4 ，减 速齿轮z 3 - 1 7 、五= 5 0 。进给 装置切削导管架桩基时，变 速箱为减速配合：当进给装 置回退时，由液压缸中活塞 杆推动拨叉，使得增速齿轮 啮合，变速箱变为升速配 合，从而实现机械式调整回 退速度。 ( 3 ) 进给速度的确定 9 图2 8 变速箱 哈尔滨工程大学硕士学位论文 绳锯机切割进给运动由液压马达驱动，进给速度有三档，由液压控制系 统实现，通过变速箱实现增减速，再经过升降机减速并将旋转运动转换为直 线运动，带动切割框架上下运动。 绳锯机进给装置的液压马达选宁波中意液压马达有限公司的轴配流摆线 油马达b m r - 5 0 ，是一种低速大扭矩液压马达，参数如表2 2 ： 表2 2b m r - 5 0 型液压马达的性能指标 公称排量重量 ( m l r ) 压力( a )转速( r r a i n ) 最大流量最大功率输出扭矩 ( k g ) ( l m i n )( k w )( n m ) 额定 最高 最低最高 5 01 4 1 7 51 07 7 5 4 079 36 5 空载进给速度 锯绳在接触工件前的进给为空载进给，可以为全速进给，按齿轮箱减速， 液压传动回路三导通，此时，马达可输出最大稳定转速7 0 0 r m i n ，可得： ：竺：兰：坠：5 9 5m m m i n ，= 一= 一= = y n l n 衄2 f 们 2 9