《海洋废弃平台桩基拆除绳锯机研制及其动力学研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
海洋废弃平台桩基拆除绳锯机研制及其动力学研究摘要随着海洋石油工业的迅猛发展，废弃的油气平台越来越多，如何安全、环保、经济的拆除掉这些平台，成为世界各国海洋工程公司越来越关心的问题。金刚石绳锯机在废弃平台桩基拆除领域的应用历史不长，但是它在此领域的优势越来越为人们所认识。我国在该项技术发展方面起步较晚，提出研制一种绳锯机使它完成废弃平台桩基拆除任务，并且能安全、稳定和高效的工作越来越成为该领域急需解决的一项关键技术。本课题来源于中国海洋石油总公司科技发展计划项目(项目编号：C／KJFH001．2005)，此项目是以国家“863"计划重大专项(项目编号：2002AA6020212．1)“渤海大油田勘探开发关键技术”所属专题“海底管道修复技术”中的管道切割金刚石绳锯机技术为基础。目的是研制出一种能够完成废弃平台桩基拆除任务的金刚石绳锯机，并且对其关键技术进行研究，提高它的智能化作业水平，为我国的海洋石油工程进行技术储备，进而为参与国际市场竞争打下一定的基础。论文综述了国内外海洋废弃平台桩基拆除的现状及其常用的五种切割方法，并且对它们进行了分析比较，其中重点概述了金刚石绳锯机的发展历程及其在桩基拆除领域的最新进展。根据废弃平台桩基拆除绳锯机的技术要求，参考国外的设计经验，考虑国内现有的技术条件，提出了废弃平台桩基拆除绳锯机的总体方案，包括机械本体结构、液压系统和检测控制系统。在充分论证的基础上，完成了机械本体各部分结构和测控系统的设计，研制出了废弃平台桩基拆除绳锯机工程样机。文中对绳锯机夹紧装置的最小夹紧力计算进行了研究。针对绳锯机工作时的特殊受力状态，进行了模型简化，对夹紧位置处的受力进行了理论分析，并且证明了绳锯机夹紧装置能实现型封闭。分别对绳锯机静态条件下一次夹紧，分步夹紧两种情况进行了分析，提出了各自条件下最小夹紧力的多目标优化求解数学模型。分析了夹紧瓣与桩基接触部分在夹紧时的动态相互作用后，提出了动态条件下的最小夹紧力多目标优化求解数学模型。根据绳锯机的实际作业工况，采用三种数学模型对最小夹紧力进行了求解。比较三种计算结果，为绳锯机的结构优化设计和液压系统的设计提供了～定的理论依据。 哈尔滨工程大学博士学佗论文根据绳锯机切割框架的结构，采用图形理论建模法，建立了串珠绳闭环切割运动的动力学方程。分析了驱动轮与串珠绳之间的相互作用，得到了驱动轮稳定和非稳定运行情况下的力矩传递计算方法。分析了串珠绳切割运动时的横向振动诱因，建立了横向振动的动力学方程，将方程的求解结果与实验相结合，提出了切割桩基时减小串珠绳横向振动的切割工艺。针对串珠绳切割单层管桩基的冲击特性，进行了理论分析，得到了串珠绳轴向冲击时的动力学模型，采用有限元瞬态动力学仿真的方法对冲击过程进行了仿真，分析了仿真结果。通过实验比较了切割单层管桩基和复合桩基时串珠绳的工作状态和切割后的桩基断面，并且得到了切割单层管桩基时切割效率与串珠间距的关系。通过分析国内外现有的柔性体张力检测装置，针对废弃平台桩基拆除绳锯机的实际工作特点，自行研制了一种张紧检测装置，它同时具有串珠绳张紧和张力测量两种功能。文中论述了检测装置中压力传感器的设计原理和方法。考虑到检测装置中张紧轮的动态偏心特性对张力测量结果的影响，提出了一种理论修正公式，实验表明了此公式的合理性。在建立的废弃平台桩基拆除绳锯机实验平台上进行切割性能实验，实验表明绳锯机能完成直径为48”的桩基切割任务，并且验证了液压系统和检测控制系统的稳定性。测量了绳锯机的切割工艺参数，给出了各参数之间的相互影响关系，得到了切割桩基截面不同位置时切削速度和进给速度的最佳配合关系，建立了径向切削力和切向切削力的经验公式。切割实验为绳锯机实际工程施工的参数选择提供了依据。关键词：废弃平台桩基；金刚石绳锯机：串珠绳；动力学 AbstractWiththeswirlandviolentdevelopmentoftheoffshoreoilindustry,discardedoilgasplatformsbecomemoreandmore，howtoremovethoseplatforminasafer,moreefficient，moreenvironmentallycompatiblewaybecomesaquestionthateachcountryOffshoreEngineeringCompanyisincreasinglyinterestedin．ItshistorylSnotverylongthatwiresawwasappliedinthefieldofremovingdiscardedplatformpiles，butitsadvantageinthisfieldisbeingincreasinglyrecognizedbypeople．Ourcountryhasfallbehindtheothercountryinthefieldoftechnology．Todevelopawiresawthatcansafely,stably,efficientlycutdiscardedplatformpileisaurgentkeytechnology．ThestudyisfundedbyCNOOCtechnologydevelopmentproject(itemnumbers：C／KJFH001-2005)，itbasesontechnologicalwhichbelongstospecialdiamondwiresawcuttingpipelinetopic‘‘Seabedpipelinerestorationtechnologies’’ofthenational“863’’projectimportantspecialitems’'Bohaibigoilfieldsexplorationandexploitationkeytechnologies’’(itemnumbers：2002AA6020212—1)．Itspurposeistodevelopadiamondwiresawthatcallcutdiscardedplatformpiles，researchonitskeytechnologies，improveitsintelligentlevelofoperation，implementtechnicalstorageforourcountryotishoreindustry，andthenlaymefoundationforcompetitionintheinternationalmarket．Presentsituationandfiveroutinecuttingproceduresofoffshorediscardedplatformpilesremovalathomeandabroadaresummarizedandcompared，ofwhichdiamondwiresawdevelopmenthistoryanditslatestapplicationinpilesremovalfieldareparticularlysummarized．Accordingtotechnicalrequirementsofdiscardedplatformpilesremovalwiresaw,referringtothedesignexperienceofforeign，andbasingondomestictechnicalcondition，thewholeschemeofdiscardedplatformpilesremovalwiresawispresented,includingmechanicalstructure，hydraulicsystem，sensorsystemandcontrolsystem．Basingonsufficientdemonstration，allstructureofthemachinebasebodyandthemeasurementandcontrolsystemaredesigned，anddiscardedplatformpilesremovalwiresawengineeringsamplemachineisdeveloped． 哈尔滨T程大学博十学位论文Minimalclampfocecalculationofclampdeviceisresearchedinthesis．Modelissimplifiedtospecialstrainedconditionofwiresawworking，forceofclamppositionisanalysedtheoretically,andform-closeofclampdeviceisproved．Basingontheanalyseforwiresawonceclamporsubstepclampmstaticcondition，theirminimalclampfocemultiple—objectiveoptimizationcalculationmodelsarepresented．0nt11ebaseofinteractinganalyseofclampjawwithpilesinworking，minimalclampfocemultiple-objectiveoptimizationcalculationmodelofdynamicconditonispresented．Minimalclampfoceofthreeconditionsarecalculatedaccordingtopracticableworkingcondition，andthreeresultsarecompared，whichprovidetheoreticalbasisforstructureoptimizationdesignandhydraulicsystemparameterselection．DynamicequationofstringbeadwirecutmotioniSestablishedwithgraphtheoreticmodellingaccordingtothestructureofcutflame．Interactionofdrivingsheavewithstringbeadwireisanalysed，drivingtorquecomputationalproceduresarepresentedwhensheavesmoothanderraticturn．Causesofstringbeadwiretransversevibrationareanalysed，transversevibrationdynamicsequationisobtained,cuttechnologyofminishingstringbeadwiretransversevibrationispresentedbycombiningtheoreticalsolutionwithtest．ImpactpropertyiSanalysedwhenstringbeadwirecutsmonolayerpipelinepile，dynamicmodelofstringbeadwireaxialimpactisobtained，courseofimpactissimulatedwithfiniteelementtransientdynamicsanalyticalmethod，simulationresultsareanalysed．Workingsituationandpilescrosssectionthatstringbeadwirecutmonolayerpipepileandcombinedpipepilearecompared，merelationofcuttingefficiencywithstringbeadspacingisgainedbytest．Existingflexiblebodytensiondetectdevicesathomeandabroadareanalysed，contraposingpracticableworkcharacteristicsofdiscardedplatformpilesremovalwiresaw,atensiondetectdevicewithtensionanddetectionfunctioniSdeveloped．Principleandmethodofpressuretransducerintensiondetectdevicearediscussed．Fordynamicoff-centercharacteroftensionsheavehavingeffectontensionmeasurement，atheoreticalcorrectionfomulaiSpresentedandprovedbyteSt．Discardedplatformpilesremovalwiresawtestingplatformisestablished．Cutperformancetestiscarriedoutonit,testshowthatwiresawcan ——一海洋废弃平台桩摹拆除绳锯机研制及其动力学研究lUItil48“pilediametercuttask，hydraulicsystem，sensorsystema11dcontrolsystemcallstablyoperate·CuttechnologicalparametersofwiresawaremeaSured．Interactionofparametersisanalysed，bestmatchofcuttingspeedandfeedrateisgainedwhenwiresawcutpileindifferentstage，experimentalf0彻ulaSofradialcuttlngforceandtangentialcuttingforceareestablished．CuttingtestsprovideparametersselectionbaseforwiresawactualworkKeywords：Discardedplatformpiles；Diamondwiresaw；Stringbeadwire：Dynamics 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。除文中己注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己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)：王沟泼日期：7．007年／0月7Et 第1章绪论第1章绪论1．1课题研究的背景和意义当今世界正面临着人口、资源、环境三大问题。随着人口数量的急剧膨胀，能源消耗的日益增多，环境污染的加剧，人类陆地生存空间受到了越来越大的威胁，于是人们将目光转向了海洋，开始争夺这一新的“制高点”。海洋拥有相当于陆地2．4倍的面积，是个名副其实的“聚宝盆”，蕴藏着极其丰富的生物、矿产、化学、动力、热能等资源。鉴于此，向海洋进军已日渐成为各国的共识，一个在世界范围内开发利用海洋的高潮已经掀起。高新技术促进了海洋产业的发展，海洋经济的作用日益重要。由于科学技术的迅速发展、加速了传统海洋产业的技术改造，促进了新兴海洋产业的形成和发展。而当今海洋与世界生产力的分布、结构发生的变化趋势进一步证明了人类同海洋的关系越来越密切。人类向海洋求生存、求发展已成为世界发展的方向和趋势。现代高新技术已经为海洋与人类铺设了桥梁，开辟了通途，同时也提出了许多新课题，只有不断地把高新技术应用于海洋开发，才能极大地提高人类开发利用海洋的能力，保护好海洋环境，才能促使海洋开发向更大的深度和广度发展。世界海洋矿产开发中最重要的组成部分是海洋油气的开采，其产值占海洋开发总产值的70％以上。与陆上石油工业相比，海洋石油工程行业更是一个高投入、高风险、高技术含量、高综合性的行业【1】。经过几十年的建设，全球海域油气平台等结构物的数量愈来愈多(约6,500座)，随着油气田的逐步开采，逐渐达到可开采量的尽头时，其衍生的潜在问题也日趋复杂，例如，开采的经济性、潜在的污染、对环境的危害等。因此，及时、适时地停止生产，并将废弃结构物进行适当的处置问题，业已受到全球普遍重视。根据国际公约和国内相关法规的规定，油气田停产一年之内必须进行拆除【2'3】。海洋结构物(海洋平台)的拆除是一个和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的系统工程，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 哈尔滨工程大学博十学位论文源，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10"--'20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露或损坏，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。自从1973年，第一座海洋平台在墨西哥湾被拆除，迄今为止全世界已有1500座平台被拆除。预计未来，墨西哥湾与北海地区还将有5000座平台将要被拆除，拆除费用将达到170"-200亿美元，这就形成了一个巨大的、利润丰厚的国际市场【4J。因而对此项问题进行研究，提出解决方案，参与国际市场竞争，就成为世界各海洋大国势在必行的工作重点。目前，国外在此工程领域己具有较成熟的经验(如PHILIPS公司、SAIPEM公司、OSMCS公司和GLOBA公司等)，正从浅水小型平台向深水大型海洋平台方向发展。而且针对这种新兴产业，发展了一些实业公司，专门承担拆除工程的论证、设计与实施。我国海上油气开发工程已有近40年的历史，截止到目前，共建成投产各种固定式平台100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15座，主要是早期的简易平台)，但从总体上讲，与国外相比，差距很大，在不久的将来，我国也有一大批退役平台面临拆除问题。截止到2005年底，渤海海域即将废弃的导管架平台超过40座，南海海域即将废弃的导管架平台有6座。为了尽快熟悉和进入该领域，海洋石油总公司、平台业主与相关研究部门，如中海石油研究中心及中石化胜利油田有限公司规划设计研究院等单位，对海上结构物拆除进行了一系列研究，其成果是：对国外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，并对拆除费用也做了概括的定性分析【5】。总的看来，这些成果均为原则上的介绍，具有一定的局限性，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。因此，为退役平台的拆除进行技术储备，占领国内市场进而进军国际市场，也就是本项研究的目的和意义。管道切割水下金刚石绳锯是国家“863”计划重大专项“渤海大油田勘探开发关键技术”所属专题“海底管道修复技术”中的一项很重要的研究内容(项目编号：2002AA6020212．1)。此绳锯机已研制成功并且进行了海上实验，2 第1章绪论i●E．．．．-：-iSI-ffTIiiiiiiiiiiiiiii■取得了预期效果。以此项目技术为基础，中国海洋石油总公司立项“废弃平台桩基拆除水下切割机具研制”课题(项目编号：C／KJFH001．2005)。此课题的主要目的是研制出一台安全、高效可以在水下60米以浅完成直径在48”(1219．2ram)～60”(1524mm)之间废弃平台桩基拆除任务的金刚石绳锯机。1．2海洋废弃平台拆除现状概述图1．1废弃平台拆除基本步骤Fig．1．1Abandonmentplatformremovalbasicsteps目前，海洋废弃平台的拆除方式有全部拆除、部分拆除和海上弃置三种。全部拆除是指平台残留的桩腿等结构物应切割到海底泥面以下4米，而其它结构与设备均应全部拆除并运至岸上处理；部分拆除是指平台残留的桩腿等3 哈尔滨T程大学博七学何论文结构物可以切割至距水面不小于55米处，而其它结构与设备均应全部拆除并运至岸上处理：海上弃置是指对海洋环境和生态造成污染与损害的设施全部拆除后，残留部分经切割倾倒，留置原地或移到其它海域改作它用。这三种方式中，完全拆除的技术难度是最大的，风险也是最高的。考虑到各种影响因素，平台拆除的基本步骤如图1．1所示，其中每步都需要精心准备，以确保拆除工作万无一失。1．3废弃平台桩基拆除切割方法切割是海洋废弃平台拆除作业中一项非常密集的施工操作，在水面和泥面上下对撑条、管线、垂直井、脐带、集合管、链条和甲板装备等的切割是很普遍的16。8J。水面上的切割方法比较成熟，比较困难的切割操作发生在被打入海底的部分，比如多束管、桩基、裙桩等，它们需要从泥面以下割断、拔出和移除一J。对于桩基切割来说，目前国际上采用潜水员水下火焰切割、聚能爆破切割、机械内切割、磨料高压射流切割、金刚石绳锯切割五种方法。潜水员水下火焰切割、爆破切割和机械内切割的历史相对比较长，磨料高压射流切割和金刚石绳锯切割是近些年来发展起来的新技术。桩基切割时具体选用哪种切割方法需要综合考虑花费、安全性、技术、环境和操作等因素。1．3．1潜水员水下火焰切割水下火焰切割方法是1908年最早在德国实现的。水下火焰切割机理与空气中火焰切割很相似。不同的是水下火焰切割过程中，需要有管子在被切割桩基附近喷射出氧气和压缩空气，为火焰切割创造一个气室。随着切割深度的增加，所需要的空气压力也增大【lo】。水下火焰切割在25米以浅可以使用乙炔，超过25米深度要使用氢气。由于人身体条件的限制，潜水员水下火焰切割一般用于浅水桩基。一般来说这种方法花费要远远大于其它切割方法，还有可能对潜水员的人身安全构成威胁，所以它在实际桩基切割工程中应用的比较少【lI】。1．3．2聚能爆破切割1885年门罗发明了聚能爆破，后来被称为“门罗效应”，它是由聚能破甲武器(锥形聚能装置)转变而来的一种先进的切割技术，可用于常规机械工艺手段(如锯切、磨削、车削、气割等)无法实施的特殊情况下进行切割。4 第1章绪论如图1．2所示，这种方法采用聚能装药结构，当装药爆破时，靠近聚能穴的炸药所产生的爆破产物向穴的轴线方向汇聚，碰撞喷射出一股密度大、速度高的细长气体流。对于具有金属药型罩的聚能装药，爆破形成的金属射流头部的平均速度约4000m／s√8000m／s，温度达几千摄氏度，每平方厘米横断面上聚积的动能可达106Kg．m量级，因此与目标相遇撞击压力可达数十万兆帕，所以对任何目标都能穿出一定深度的孔洞，同时爆破气体迅速膨胀的压力使目标的孔洞加深和扩大。炸外药型靶d一罩宽2Q一锥角6一罩厚H一药高A一炸高l一罩母线长图1．2聚能装药结构Fig．1．2Shapedchargestructure聚能切割器最初于60年代首先用于军事和宇航，70年代以后，苏联和美国逐渐将这种技术推广用于工程技术领域。在救捞工程、沉船打捞及水下工程施工中，经常需要在沉船船体、甲板上切槽开洞或对水下钢体结构进行切割，有时甚至需要对整个沉船进行切割分离，以便进行施工，这种情况往往要求紧急，若采用通常的切割方法，不仅时间不允许，而且耗费器材量大，成本高，若采用水下聚能爆破切割，会很有成效[12．14】。但是爆炸产生的割口或撕裂是很不规则的，有可能损坏邻近部件和构件。在海洋工程领域，由于聚能爆破对环境的影响比较大，所以除了军事用途外，目前国内已经明令禁止采用此种方法拆除海上结构物。1．3．3旋转式内部机械切割旋转式内部机械切割采用液压驱动，硬质合金钨刀片割断管状结构。这种切割方法应用的历史比较长，很难追溯它的起源，当外部切割管状物受限制而内部又很方便工作时才考虑此种工作方式。它一般由三个刀片组成并且折叠安放在钻杆上。工作时，内切割机通过钻杆索具下放到开口的桩基里面，5 哈尔滨工程大学博士学位论文在液压系统的作用下，刀片向外张开并且开始旋转切割，切割过程中必须保证切割机在管状桩基的中间。操作者可以通过观察液压源压力的变化和刀片所设定的切断标记来判断切割是否完成。这种系统的切割工作图如图1．3所一／J、。机械内切割常受很多条件限制。对于没有水泥填充的多层套管桩基切割，套管的不同心可能使外层套管切割变得不均匀，并且每次切割都需要将钻杆从套管中取出。对于用水泥填充的套管，需要不断更换破损的刀片来完成切割，这些操作都会花费很多时间，并且更换刀片后重新定位继续切割需要潜水员来辅助操作，过程很复杂。此外采用机械内切割法来切割桩基，桩基必须开口并且能容纳液压动力源，因此切割前，必须首先移除油气平台的上部。机械内切割由于操作很费时、效率很低，一般很少用在使用浮吊拆除的工程中。它常用来切割浅水，带有小直径垂直桩基的平台，应用范围很窄【15,16J。1．3．4磨料高压射流切割图1．3机械切割工作图Fig．1．3Machinecuttingworkingdiagram上世纪五十年代高压水切割技术发源于原苏联。到六十年代初，美国、英国、意大利和日本等国家也投入了大量的人力和物力研究开发超高压水射流技术。美国在1982年设计制造出超高压磨料射流切割机。它是用水或压缩空气作为动力源将石榴石或铜矿渣以高压(50，00070，000psi)、低流量(50"-～809al／min)在喷嘴处喷出，来研磨钢或混凝土，研磨剂提供切割力，水或空气作为载体。这种技术在工业上的应用已有很长的历史，应用到船舶行业也有很多年了【l7'博J。但是磨料高压射流切割技术应用到废弃平台桩基拆除是近些年才发展起来的，它用一个旋转机构来辅助完成桩基的切割，工作时，既可以在桩基外部切割，也可以在桩基内部切割，但是一般来说从桩基6 第l章绪论内部进入到泥面以下预定深度进行内切割是最理想的，这样便于安装和操作。图1．4所示为一种可以完成直径在30”～70”之间桩基切割任务的磨料高压水射流切割机。磨料高压射流切割机在桩基内部工作时可以实现的最小切割直径大约为7”，可以完成的切割距离超出200～250m，图1．5所示为一种用于小直径桩基切割的磨料高压水射流切割机。—黪雾赫图14磨料高压水射流切割机(桩基直径30“～70“)Fi914Abrasivewaterjetcuttingtoolforpilesdianaeterfrom30to70inches图1．5小直径桩基磨料高压水射流切割机Fi915Abrasivewaterjetcuttingtoolforsmalldiameterpiles气体驱动的磨料高压射流切割机只能应用在浅水领域，液体驱动的磨料高压射流切割机在桩基拆除领域应用的水深度已经超出600m，如果采用ROV辅助，那么它可以完成水深超出1100m桩基的切割任务[1⋯。但是磨料高压射流切割在切割偏心或者中空并且没有水泥添塞的套管时会出现不完全切割的现象，这是由于空隙中的水会消耗射流中喷射的能量。在使用磨料高压射流切割方法切割桩基时，怎样判断切割己经完成也是一个问题。不同于爆破切割，这种方法完成桩基切割后，由于切割的宽度很小，再加上泥土的阻尼，桩基并不倾倒，所以很难观察到桩基是否已经被切断，要证明完成了切割，必须采用浮吊将桩基提起，起吊力必须克服桩基重量和泥土的摩擦力。一般来说，如果起吊力在近似大于两倍桩基重量的情况下，还不能将其提起，则表明切割不成功，这时候必须重新切割或者采用其它方法来完成余下的工作【2⋯。7鬣 哈尔滨丁程大学博士学位论文1．3．5金刚石绳锯机切割砂子做为研磨介质这一事实早在公元75年就已有记载，但最初发展比较缓慢，后来人们改进了这个系统，研制出了金刚石绳锯机，并于20世纪70年代在世界范围内用来从采石场采取软岩，到了80年代初已在世界许多著名的采石场得到了广泛应用【2122】。金刚石绳锯机是金刚石工具发展过程中的第三代产品，又称金刚石串珠锯，也称金刚石串珠绳切割机，作为新一代切削工具，经过二十多年来的研究、开发与完善，不但广泛应用于大理石开采，还可用于砂岩、花岗岩等的切割；不但可以用于露天采石场，还可用于地下窄矿脉及岩爆危险的地下金矿的开采；既可用于异型石材制品的加工，又可用于建筑与道路工程中钢筋混凝土的拆毁与修整；既可应用于海底构件的维修，又可以应用于核电厂的拆除工作中。由于它在制造、性能和使用上具有一系列优越性，目前已经显示出强大的生命力和广阔的发展前景，很值得瞩目【23．281。1．国外金刚石绳锯机的发展现状金刚石串珠串到钢丝绳上的第一次试验于1955．1957年在英国进行。1968年，一位在意大利Carrara石材加工区工作的英国人D．H．Prowse正确评价了用传统钢丝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，结合钢丝绳柔软性与金刚石坚硬锋利切削性的金刚石串珠绳出现了。1970年由Hallez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。1977年10月，意大利人LuigiMadrigali开始生产被称作“Madrigali自行车”的金刚石绳锯机，至1980年已生产了105台，全部用于意大利闻名于世的Carrara大理石矿的石材开采，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陟32】。金刚石绳锯机的发展主要包括以下阶段：(1)单绳式金刚石绳锯机早期生产的金刚石绳锯机属于单绳式金刚石绳锯机，单绳式金刚石绳锯机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机的jjn-r效率低。新加坡的DiamantBoart公司在开发金刚石绳锯机方面作了大量工作，如该公司早期生产的DIAFILl80型、DIAFILl000型、DL盯IL2000型金刚石绳锯机。此外还有德国的CarlMeyer与Atbes，比利时的DebeLLe、Smetcoren，意大利的Pecoblitz、DF2000金刚石绳锯机【23|。图1．6所示为意大利玛瑞尼石8 材开采设备集团生产的MINIFILELECTRONIC单绳式金刚石绳锯机，用于切断钢筋混凝土和几种人造的土木工程用特殊石材【33】。图1_6MINIFILELECTRONIC金刚石绳锯机Fig1．6MINIFILELECTRONICdiamondwiresBw(2)多绳式金刚石绳锯机多绳式金刚石绳锯机是很有发展前景的种大板锯切设备，通常用于切割大理石、花岗石板材。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[34．36】。90年代中期，多绳式金刚石绳锯机开发研制成功。1994年，日本的Yamaha公司研制成YcK—I型排式金刚石串珠绳锯机，该机装有10条长20米的金刚石串珠绳，被切石料最大尺寸35m×38mx38m，切板速度10xIm2／h，采用计算机控制f37-39]。1997年，意大利的WiresEngineering公司开发了FALCON600型多绳式金刚石绳锯机，可安装10条金刚石串珠绳。如图17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355m×2．5m×2im，厚度i～lOcm板材的平面度公差在l衄之内。该机特点是每根串珠绳都有单独的张紧系统，所有加工工艺参数均由计算机控制，操作灵活，自动化程度高[40,41]。意大利的Bideseimpiami公司经过数年的研制开发，向市场推出了可安装50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Gold60系统，如图18所示，可以安装60条金刚石串珠绳H⋯。9 兰尘鎏三堡奎兰量圭兰堡鎏圣。。!籁图17FALCON600型10绳金刚石绳锯图18Gold60型60绳金刚石绳锯Fig1．7FALCON60010一wirediamondFig．1．8Gold6060-wirediamandwiresawwiresaw(3)数控金刚石绳锯机1990年第一台数控绳锯机投入工厂实际使用，标志着金刚石绳锯机进入高技术含量的数控时代【4”。这种金刚石绳锯机在异型石材加工时，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)JH2-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Ⅲ】。意大利的CANDIANI公司研制的VINCA一6型绳锯机是六维金刚石串珠绳异形加工设备，是目前能够加工石材立体制品形状最为复杂的金刚石绳锯机【4“。绳锯机每侧的飞轮可单独升降，使金刚石串珠绳与水平面成一角度，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。(4)切削钢材的金刚石绳锯机金刚石绳锯机在石材加工领域的应用极为普遍。多年来，金刚石绳锯机一直用于切削天然石材(石灰岩、大理石和花岗岩)和建筑材料(混凝土和钢筋混凝土)。20世纪80年代有少数公司开始了用金刚石绳锯机切割钢质材料的试验。刚开始绳锯机加工仅限于小规格碳钢型材，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14¨”。德国汉诺威大学工程切削工具研究所是较早开始对用金刚石绳锯机切割钢件的课题进行研究的单位，其研究目的之一是确定绳锯在核电站修复和拆除使用中的切削机理，更进一步的目标是研制出能够达到高效、长寿命和低磨损的工具。此项课题的研究重点主要放在基础研究方面，0 第i章绪论即工具和工件之间的相互作用、工具的最佳性能及切削工艺。用金刚石串珠绳切削钢件需要有与之相匹配的机械设备。该研究所在使用金剐石串珠绳切割钢材的课题研究中，开发了用于本项目特殊性能试验的装置，试验装置由驱动单元、工具、导向轮及系统控制器组成。这个装置也可用于核电站的现场切割试验。(5)海洋工程中的金刚石绳锯机随着对金剐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。绳锯机水下切割最引人瞩目的～次应用是在2000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，库尔斯克号的艇首和艇身的分割工作是使用绳锯机来完成的。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，图1．9所示为绳锯机切割库尔斯克号前的试验，圈110所示为绳锯机水下切割库尔斯克号的工作图[49】。图19切割试验图I10水下切割库尔斯克号Fig1．9CuttingtestFig．1．10CuttingoftheKursk’sbowunderwater在1991年，意大利的Tecnospamec公司研制成功了具有专利权的用于水下结构物切割的金刚石绳锯机切割系统(DWCS)哪】。DWCS使用的是经过特殊设计的金刚石绳锯。这个系统在一次操作中能够切割任何金属和非金属物质(橡胶、木材、陶瓷、塑料聚乙烯等)和合成物质。由于它高质量的切割和较低的成本优势，己被广泛的应用到海上结构物的拆除中。如图l11所示，切割系统中的金刚石绳锯机(DWCM)是液压驱动的，可用于切割任何尺寸和形状的水下结构物。闭环金刚石绳锯被安装在一定数量的绳轮上，其中一个或几个为驱动轮。工作时，驱动轮旋转，两个绳轮之间的绳锯与被切 哈尔溟工程大学博士学位论文割物体接触，通过对绳锯连续的进给，来完成对物体的切割。DWCM的液压系统主要用来完成绳锯的驱动、进给，张紧和夹紧功能。除了金刚石绳锯机的张紧系统在切割开始前需预先设定和保持外，其它的所有系统都通过水面母船或ROV来进行控制。为防止夹锯，切割过程中的切口间隙需要由潜水员人工或者自动系统插入垫板来保持。强@切割框架雪夹紧框架萤金刚石绳锯D锯切垫板图l】iDWCM的结构示意图Figl1DWCMsmlct【lmIrepresentationDWCM几乎能在水下环境的任何位置完成任务，重量轻，容易操作。在定位、安装、复位、检查和垫板操作过程中，通过潜水员或者ROV辅助完成。切割过程在母船上进行控制，液压动力源由母船或者ROV携带。通过控制面板，母船上的操作者控制切割速度、工作压力和流量使绳锯机达到最佳的切割效率，切割过程可以通过仪表监控和水下电视来观察。对于操作者来说，这个系统是十分安全。Tecnospamec公司于1999年专门成立了水下切割公司，切割公司的使命主要是为北海地区和世界主要产油区提供先进的海洋石油领域的拆除服务。切割公司自成立以来已经发展了一系列用于海上结构物拆除的金刚石绳锯机，其典型产品如图112所示。ajIO”金刚石绳锯机伯)18”金河Ⅱ石绳锯机 藏瞄fC)30”金刚石绳锯机(d)36”金刚石绳锯机(e)64”金刚石绳锯机(f)102”金刚石绳锯机图1．12水下金刚石绳锯机系列Fig1．12Seriesofunderwaterdiamondwiresaw金刚石绳锯机在切割过程中，对环境不会产生有害的产物和影响。它可以在水上或水下任何方向工作。通过对基本的切割系统进行配置，绳锯机几乎可以用来切割任何物体。配置的方法依靠被切割物体的尺寸和几何形状、空间大小、工作环境等。目前，Tecnospamec公司已经对金刚石绳锯机切割不同的海洋结构物提出了不同的解决方法，这些方法都已经进行了工程应用或试验，效果非常理想。图i13ROV操作锚链切割．1995ShellSPARFi91．13ROVChainCutler一1995ShellS眦通过特殊夹紧系统，可以采用ROY操作金剐石绳锯机来切割锚链，这个 哈尔滨工程大学博士学位论文特殊夹紧系统使ROV在切割完成后链分离的关键阶段处于稳定和安全的位置。图113所示为ROV链切割的应用实例。此外金刚石绳锯机可以象外科手术一样进行分层切割，也可以采取轨道进给方式切割。海洋工程领域的切割任务中，废弃油气平台桩基拆除工程占有很大的比例，Tecnospamec公司利用金刚石绳锯机完成了这方面大量的应用试验和工程，在实践上证明了金刚石绳锯机在此领域的重要地位。图114所示为绳锯机用于桩基拆除的施工效果图，图115所示为DWCS用于桩基拆除工程实例川。啭。r霉弋陶，’黟k图114桩基拆除施工效果图Fig114Pilesremovalexecutionschematicplan(a)S1dkJacketRedSeal995(b)CPCJacketsTaiwan2001(c)DevonPlatform2001图115桩基拆除应用实例Fig1．15Applicationexamplesofpilesremoval 第l章绪论在2001年3月1日，四个企业(ShellUK,BP，TotalFinaElLAmeradaHess)和两个科研单位(意大利的UniversityofGenoa和希腊的UmversityofAthells)联合发起了SBC(SubBoRomCuRer)项目，此项目得到了欧盟VResearchProgramme“Growth”研究基金的资助。SBC发展计划主要是针对国际法要求的在海底泥面以下1到5米安全和有效的移除海上结构物(例如导管架桩基和井口)，研究出一种新型的切割系统[52-5q。SBC项目历时两年，提出了一种新概念的水下机器人切割系统，这种系统在海床泥面以下结构物拆除作业中，改善和整合了绳锯机切割技术和挖泥技术。与普通施工方法相比，可以减少泥沙的挖掘量(少于10m3)和挖掘对环境的影响。系统的主要结构如图1．16所示，支撑平台在运输和出现紧急情况时是可拆卸的，它主要的作用是将机器人系统定位、调平和锚定在海床上，切割轨迹由系统的最终定位决定，支撑平台下部由吸力锚来固定。挖掘臂有两个自由度，后臂与支撑平台采用转动关节联接，前臂由两个类似的管子制成，可以在后臂上滑动，挖掘臂的前端有挖掘头和吸泥系统，工作时将水和泥浆泵进前臂的两个管子里。切割系统执行器由闭环的金刚石串珠绳和滑轮构成，滑轮、动力系统和控制单元安装在一个可以移动的切割框架上，工作动力缆动力和控制单元支撑平台切割结构挖掘系统主体框架圈116SBC机器人切割作业系统Fig116SBCrobotcuringworkingsystem 哈尔滨工程大学博士学位论文时它们在前臂的内部完成进给运动。机器人切割系统动力由电力和液压两部分构成。系统的控制主要有三部分：水面控制单元(虚拟水下现实模块和通信模块)、水下定位控制单元和切割过程控制单元(定位、调整姿态、挖掘、切割和报警)。水下机器人切割系统的传感器主要包括：移动平台和挖掘臂传感器、吸泥过程传感器、挖泥传感器和切割过程传感嚣。如图117所示，SBC试验样机已经研制成功并且进行了海上试验。图117SBC机器人切割系统海上试验Fig．117SBCrobotcuttingsystemoffshoretest2国内金刚石绳锯机的发展现状国内金刚石串珠绳的研究和生产能力远远落后于国外，目前仅有少数几个厂家已开发出大理石切割用的电镀金刚石串珠绳，凭借低廉的价格，可以取代小部分进口。花岗石切割用的烧结金刚石串珠绳，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，从而表现出串珠绳整体性能差H5铀J。国产金刚石绳锯机的研究起步较晚，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。国内也有多个企业生产或试制过这种设备，其中建新机械厂经过两年多的艰苦努力，在1996年下半年研制成功我国第一台数控绳锯机，结束了我国此类设备依赖进口的局面，标志着我国在石材加工设各方面又提高到一个新水平口“"J。国产金刚石绳锯机的厂家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。图1．18所示为红波机械有限公司生产的SC2000B型微机控制金刚石绳锯机。采用全中文操作系统，操作方便，6 工艺编排简单、快捷，并可自动跟踪、补偿加工中囡切削力产生的变形，能改变切割方向，主要用于花岗岩和大理石等异形制品加工[60,61]。图118SC2000B型金刚石绳锯机Fig118SC2000Bdiamondwiresaw我国的金刚石绳锯机经过近20多年的发展和改进，已在机器构造、工作性能和金刚石串珠绳的制造方法、结构、质量水平等方面获得很大进步。但是，用于海洋废弃平台桩基拆除的金刚石绳锯机在国内还处于空白，在理论和实践方面都有待于深入研究。随着人们对金刚石绳锯机的进一步认识以及串珠绳类型的增加、质量的提高。随着海洋石油工业的迅猛发展，金刚石绳锯机必将在我国的海洋工程废弃平台桩基拆除领域得到越来越广泛的应用，为我国海洋产业的可持续发展做出重要的贡献。136桩基切割方法比较通过前面的分析可知，五种切割方法中潜水员水下火焰切割人员保护成本高，并且切割受水深限制，主要用于浅水桩基切割，目前应用的比较少；聚能爆破切割耗时少，效率高，设备简单，但是对环境影响比较大，考虑到环保，目前国内限制使用：旋转式内部机械切割设备对切割条件要求高，操作复杂费时，实际工程中用的较少；磨料高压射流切割设备小，切割过程环保，但是容易出现不完全切割现象，并且应用受水深限制；与上述切割方法相比较，绳锯机在废弃平台桩基拆除方面的应用具有以下优点：1安全，可靠，可以保证被切割物完全切割。2快速，可控，在切割阶段可以100％进行全程监控。3易于操作，切割完成的比较整洁。4切割能力不受水深、被切割物尺寸和被切割物质限制。5费用比较低廉。 哈尔滨丁程大学博十学位论文I1．4论文研究的主要内容本课题主要任务是进行废弃平台桩基拆除金刚石绳锯机的研制，并在此基础上对绳锯机的关键技术进行理论研究。使金刚石绳锯机能够在水下危险、复杂的桩基拆除作业环境中安全、高效的工作。本论文主要研究内容包括以下几个方面：(1)介绍了国内外海洋废弃油气平台桩基拆除的现状，论述了五种目前比较常用的废弃平台桩基拆除方法并且进行了比较研究，其中重点概述了水下金刚石绳锯机的发展及其在国外废弃平台桩基拆除领域的最新研究和应用。(2)通过分析国内外相关文献资料，提出了废弃平台桩基拆除金刚石绳锯机的总体方案。在充分论证的基础上，针对切割对象和作业工况确定了绳锯机的基本参数，研制出了废弃平台桩基拆除绳锯机。(3)对金刚石绳锯机夹紧装置进行了六点模型简化，分析了绳锯机切割桩基时的受力情况后，针对绳锯机的实际工作条件，采用多目标优化方法分别确定了绳锯机静态条件下的一次夹紧、分步夹紧和动态条件下的夹紧这三种情况下稳定工作时所需的最小夹紧力，为绳锯机本体的优化设计和液压系统的参数选择提供了一定的理论依据。(4)采用图形理论建模的方法对绳锯机的闭环切割串珠绳进行了动力学建模，为串珠绳切割速度的控制打下了一定的基础，从理论上分析了驱动轮的不平稳运行对传递力矩的影响，为实际驱动力矩的选择提供了部分依据。(5)串珠绳横向振动是影响金刚石绳锯机切割效率和精度的一个重要因素，在分析了串珠绳横向振动的诱因后，建立了横向振动的动力学方程，求解方程，分析了影响串珠绳横向振动的机械参数，提出了从切削工艺上减振的方法，从而为提高切割效率打下了部分理论基础。(6)由于金刚石串珠绳的特殊结构，当切割废弃平台单层管桩基时，会发生冲击，本文对串珠绳与桩基的冲击特性进行了理论和实验研究，为合理选择金刚石串珠绳提供了～定依据。(7)研制出了串珠绳张紧检测装置，并且分析了张紧轮的动态偏心特性，对动态偏心特性造成的测量结果误差提出了理论修正公式。可以根据该装置测量的张力值人工或者自动调整绳锯机的切割参数，使金刚石串珠绳在安全的张力范围内进行工作。(8)对废弃平台桩基拆除绳锯机工程样机进行了实验室调试和实验研18 第1章绪论究。通过直径48”桩基的切割实验，验证了绳锯机工作过程中的动作执行和整个控制系统的工作性能，并且进行了相关参数测定，分析了各参数之间的变化关系。通过实验获得了合理的切割工艺参数。给出了切削力的经验公式。这些都为绳锯机实际施工的参数选择提供了依据。19 第2章绳锯机总体方案分析及工程样机研制21引言废弃平台桩基拆除绳锯机在国外已经有TI程化应用实例，这种技术被国外几家公司垄断，国内在此方面还处于空自状态。本文借鉴了国外已有的相关资料，结合国内的相关技术经济条件，提出了废弃平台桩基拆除绳锯机的总体方案，并研制出了样机。葸大利的Tecnospamec公司在水下绳锯机的研制方面处于世界领先地位，同时具有很多实际工程经验，它的水下绳锯机切割系统(DWCS)构成如图21所示，其中可用于废弃平台桩基拆除的绳锯机本体如图2．2所示，本体主要由三部分构成：支撑和夹紧框架、切割框架和进给机构。支撑和央紧框架主要用来支撑切割框架和将绳锯机夹紧到废弃平台桩水面动力模式ROV动力模式直接连接图21DWCS的构成Fig21StructureofDWCS 薹：兰堡垒坠皇竺至圣竺堑竺三至至兰竺型进给零墓声埋)∥^—～氏高蠡》，卢≯弋超：：进给机构切割框架(a)切割36”桩基的绳锯机(b)切割64”桩基的绳锯机图2．2Tecnospamec公司的桩基拆除绳锯机Fig2PileremovalwiresawsofTecnospamec∞mpally基上，夹紧部分主要由两个静止的v型块和四个夹紧瓣构成，每个夹紧瓣可以绕固定在支撑框架上的销轴转动，每个夹紧瓣由安装在它后面的液压缸驱动，工作时，在夹紧瓣和v型块的共同作用下，绳锯机被牢牢的固定在桩基上。切割框架主要由两个滚轮和四个由串珠绳闭环连接到一起的绳轮构成。四个绳轮的功能是：一个是驱动轮，用来驱动串珠绳旋转运动切割：一个是张紧轮，用来张紧串珠绳，使串珠绳在切割时保持适当的张力；另外两个对串珠绳起导向作用，它们与驱动轮和张紧轮在同一平面内旋转，提供切割桩基所需要的串珠绳闭环空间。进给动作主要通过两个滚轮在支撑和夹紧框架上的两个滑道滚动来实现。滚轮进给机构包括进给液压马达、减速齿轮、导引槽和链传动系统，它们都采用螺栓连接的方法被固定在切割框架上。绳锯机切割、进给、夹紧和张紧全部采用液压动力。其中切割和进给是通过液压马达来驱动，夹紧和张紧是通过液压缸来实现。液压动力源可以由ROV携带或者工作母船携带。控制系统是采用工作母船远程控制或者ROV水下直接控制的方式。对于工作母船控制方式，操作者可以通过操纵控制面板上的按钮控制绳锯机的夹紧、切割和进给动作，控制面板上的仪表能实时显示串珠绳切割速度、串珠绳切割液压马达和进给液压马达的压力和流量等参数。对于ROV控制方式，操作比较复杂，需要很复杂的控制系统来工作。 哈尔滨工稗大学博士学位论文2．2废弃平台桩基拆除绳锯机方案分析2．2．1绳锯机技术要求所设计的绳锯机用来完成海洋废弃平台桩基拆除任务。根据工作时的具体环境和操作要求，绳锯机的具体技术指标如下：①作业环境广，包括水中、水上、泥面以下5米，且能在浑水中作业，水下切割作业深度为60米以浅。②机具可由潜水员水下安装、水上操纵，或者由ROV协助完成水下安装。潜水员水下安装工作量小。③切割目标范围广，切割桩基直径在48”(1219．2ram)--60”(1524mm)之间。④切割材质广，能切割金属、非金属与合成材料。⑤切割速度可调，切割钢材速度达到350cm2／h，切割混凝土速度达到2m2／h。⑥能对绳锯机进行远程控制，对切割过程进行实时监控。2．2．2绳锯机总体方案通过对国外废弃平台桩基拆除绳锯机相关资料的分析及国内现有条件，结合课题的总体要求可以得出以下基本设计方案：(1)绳锯机的动力采用液压动力源，因为在水下工作时采用大功率的水密电机将会使机体的体积和重量都大幅增加，更有可能对潜水员的人身安全构成威胁，给潜水员水下协助安装带来不便，动力执行元件为液压马达或液压缸。(2)绳锯机所需的液压动力源可以设置在工作母船上或者水下ROV中。设置在工作母船上的液压动力源可采用电力、气源或者柴油机驱动的方式，设计结构相对简单，但是绳锯机作业深度增加时，管路损耗也将增大。如果将液压动力源设置在ROV中，其管路损耗会相应减小，但是水下液压油源体积相对较大，设计结构复杂，密封问题较难解决，从国内现有条件来看这种水下液压油源提供方式还是很难实现的。(3)绳锯机切割废弃平台桩基过程是串珠绳在驱动轮和导向轮带动下高速循环运动与切割框架沿着导向机构作进给运动的合成过程。为了能使串珠绳锯在切割桩基过程中高效、长寿命的工作，需要使驱动轮的转速和进给速 第2章绳锯机总体方案分析及T程样机研制度协调工作。(4)绳锯机在进行废弃平台桩基切割时，此时绳锯机基本上处于立管条件下工作，再加上水下复杂的工作环境，绳锯机工作时受力很不好。需要将绳锯机夹紧装置设计成能够适应一定桩基直径变化的、可实施夹紧控制的结构形式。能将绳锯机夹紧在待切割桩基的指定位置，通过控制夹紧力，使绳锯机在进行切割作业时，保证可靠性和稳定性。(5)绳锯机切割作业过程中，由于桩基的自重会使切口闭合，从而会影响绳锯机的正常工作，甚至会发生事故，这就需要设计一种能够防止切口闭合的锯切垫板系统，保证切割过程的正常进行。(6)绳锯机切割桩基时直接在海水中工作，海水具有腐蚀性，并且当绳锯机在水下一定深度工作时，还会受到海水压力的作用，所以绳锯机应考虑采用防腐材料或者采用防腐漆来预防腐蚀，需要密封的部位应选择相应的水下密封方式，结构设计时要考虑到外压失稳的校核。(7)绳锯机在进行废弃平台桩基拆除作业时，操作主要有ROV机械手和潜水员辅助安装、母船遥控两种方式。平台桩基拆除作业是一项危险系数非常高的工程，整个作业过程人员都需要远离。ROV机械手操作的方式可以更大程度的使潜水员从恶劣的环境中解放出来，但是这种操作方式需要很高的技术条件和大量的人力、物力和财力投入，实现的难度较大，应该属于远期发展的目标。比较而言，潜水员辅助安装、母船遥控作业方式比较现实，这种方式可以使工作过程受母船上的人员监控，作业灵活性大，并且可以在浑浊的水质中工作。(8)为防止误操作、或者无人操作情况下，绳锯机也能完成相应的工作，控制系统应采用自动和手动两种控制方式，并且绳锯机应该有报警信号、急停按钮和限位开关等相应的安全保护措施。2．2．3绳锯机工作原理绳锯机切割作业时，首先通过张紧装置，使串珠绳保持一定的张力。接着由液压动力源提供压力油供给液压系统，夹紧液压缸驱动夹紧瓣夹紧桩基，将绳锯机固定在桩基待切割位置上。然后驱动装置和进给装置开始工作，对桩基进行切割。在主运动系统中，驱动马达带动驱动轮旋转，使张紧的金刚石串珠绳做循环运动，实现其对管道的切向切削运动。同时进给马达使升降机的丝杠转动，丝杠螺母带动切割框架作直线运动，实现串珠绳相对管道的23 哈尔滨工程大学博士学位论文径向进给和回退运动。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，确保切割所需的张力。切割过程中的需要根据测得的张紧力来自动或者手动控制绳锯机的进给速度或者切削速度，使串珠绳处于最佳的切割状态。23废弃平台桩基拆除绳锯机工程样机23．1绳锯机系统总体构成根据前面介绍的绳锯机总体方案和工作原理，研制的废弃平台桩基拆除绳锯机如图2．3所示，绳锯机系统构成如图2．4所示，它主要由绳锯机本体、脐带缆(进、出油管和电缆)、液压动力源、控制系统组成。由于废弃平台桩基拆除切割作业环境主要在水下，所以设计的绳锯机没有设置冷却装置。液压动力源和控制面板设置在工作母船上。考虑到所设计的绳锯机结构及现场工作条件，绳锯机切割废弃平台桩基的过程主要包括如下几步：1．通过挖泥工具，挖掘出适合绳锯机的作业空间，然后清理桩基表面，为绳锯机在桩基上的安装做准各。2．在母船甲板上将绳锯机液压动力源的油管及电源连接好，同时将水下电缆和油管连接到绳锯机上，串珠绳张力调整到设定的数值，为绳锯机的下水做好准备。3通过浮吊将绳锯机从母船上下放到待切割桩基附近，由潜水员或ROV辅助使绳锯机夹紧装置v型块与桩基指定位置接触，完成就位动作。图2．3废弃平台桩基拆除绳锯机Fig．2．3Discardedplatformpilesremovalwiresaw 第2章绳锯机总体方案分析及工程样机研制图2．4绳锯机切割系统构成Fig．2．4Structureofwiresawcuttingsystem4．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，操作人员通过控制系统发出夹紧指令，夹紧液压缸动作，夹紧动作完成，浮吊撤离，潜水员返回工作母船。5．确定人员离开危险区后，将待切割工件的信息及选择的基本切削参数输入控制面板，为绳锯机切割作业做好准备。母船上的操作人员发出切削指令，绳锯机在自动或手动状态下开始切割作业。6．切削任务完成后，切削马达和进给马达停止转动，潜水员下水割断金刚石串珠绳。进给马达反转，通过变速箱增速，丝杠螺母带动切割框架快速退回原位，挂上浮吊，夹紧液压缸放松夹紧瓣，通过浮吊将绳锯机吊回工作母船。装上新的串珠绳，准备下一个桩基的切割。2．3．2绳锯机本体结构如图2．5所示，绳锯机本体结构主要可以分为支撑和夹紧框架、切割框架和进给机构。其各部分的具体结构设计如下。1．绳锯机夹紧装置夹紧装置采用液压缸驱动，设计的本体结构相对简单，容易产生较大的夹紧力，虽然由于液压系统中存在着一些不可避免的缺点，四个夹紧瓣施力的同步性较差，但是对于本设备来讲，它的夹紧动作同步性要求不高，采用等量分流阀即可满足要求，关键是保证切割过程中夹紧力的稳定。夹紧框架与桩基之间的支撑部位采用V型块定位支撑的方式进行设计，可以适应管道25 哈尔滨工程丈学博士学位论文的直径范围较大，定位效果好【6“。为了保证夹紧瓣与桩基之间可靠的接触，作业过程中不出现打滑现象，在夹紧瓣或V型块与桩基的接触面上要进行增大摩擦系数的粗糙处理，并且考虑管径的变化，设计了适应不同直径桩基的夹紧瓣，并在夹紧框架本体上为夹紧瓣设计了相应的安装位置。设计的夹紧装置结构尽量紧揍，实旌夹紧动作过程中不能出现因“卡死”形成的夹紧假象，如果绳锯机未能夹紧就进行切割作业将会对绳锯机造成损坏，出现事故。设计中采用做图法确定了夹紧缸的行程、运动轨迹和缸底铰链的安装位置，能够确保夹紧动作的顺利完成【6Mq。张紧榆测装置导向轮据切垫扳切割框架v型夹紧：簿篓翼一爨篓冀涡轮丝杆升降机I一兰图25绳锯机本体结构Fig2．5Mainbodystructureofwiresaw 第2章绳锯机总体方案分析及丁程样机研制II'|"I--I[III'iii■i宣ii置|2．绳锯机切割框架机构废弃平台桩基拆除绳锯机主运动为串珠绳的循环切削运动。串珠绳由驱动轮带动，沿着驱动轮和导向轮支撑形成闭环运动，驱动轮采用液压马达作为动力源，它在重量和体积上极具优势，根据意大利Tecnospamec公司切割64”桩基的金刚石绳锯机给出的主要性能指标分析计算可知：在水下切割64Ⅳ桩基时，绳锯机液压动力源的输出功率为40．3kw。当设计驱动轮直径为420mm时，根据国外提供的串珠绳切削钢制材料的实验数据表明，如果从切割效率和串珠绳寿命两方面来考虑，当进给速度保持在1．5--．5mm／min时，串珠绳的线速度保持在20m／s左右时，它处在比较合理的切削状态，因此本课题串珠绳设计的线速度取值为20rn／s，从而可以得到驱动轮理论转速为910r／min，考虑到系统的损失和工作时水的阻力矩，驱动轮液压马达的最大理论转矩为200N．m。根据分析计算得到的主运动参数，选用天津市液压件一厂的CMG4--100型液压马达，该马达具有可靠性高，同功率下重量轻和体积小等优点，主要性能参数如表2．1所示。设计中将液压马达直接与驱动轮轴相连，液压控制系统中利用调速阀可以对液压马达在(400"--2000)r／min之间进行无级调速，以满足绳锯机切割不同类型桩基的要求。表2．1CMG4—100型液压马达的性能参数Table2．1PerformanceparametersofCMG4—100hydraulicmotor排量扭矩(kgf·m)压力(kgf／cm2)转速范围重量(mL／r)P=200kgf／cm2时额定最高(r／min)(kg)10028160200150～2000283．绳锯机进给框架机构绳锯机的切割过程本质上属于磨削方式，所以它的径向进给速度不能过快。如果金刚石串珠绳的进给速度大于被切割工件的去除量，从几何角度上看，串珠绳的挠度会逐渐加大；从串珠绳的受力上看，串珠绳的张力会逐渐增加，与桩基之间的作用力也会加大，严重时会出现断绳的情况；从金刚石磨粒的工作状态上看，单颗磨粒切入工件的深度增加，所受切削反力增大，磨粒磨损加快，甚至会发生脱落现象；从切削区温度上看，单位时间产生的热量增大，如果不能将热量及时排出，不仅会烧伤工件，使工件表面加工质量下降，还可能使金刚石磨粒发生石墨化，磨粒强度降低，使串珠失去切削能力。由于蜗轮蜗杆传动可用于空间交错轴之间传递运动及动力，并且它具有27 哈尔滨丁程大学博十学位论文传动比大、工作稳定、噪声低、可以自锁等优点。因此绳锯机设计中进给系统选用江苏淮安巨象减速机制造有限公司的SWLlO．2．B．2116蜗轮丝杠升降机，蜗轮蜗杆传动比为24：1，丝杠的螺距为6唧，它是一种基础起重部件，安装在切割框架的顶板和底板中部，承载能力可达100KN，工作时，蜗轮旋转带动丝杠转动，通过丝杠螺母的上下运动，来完成切割框架的径向进给和回退的工作要求。根据计算分析进给马达选用宁波中意液压马达有限公司的轴配流摆线油马达BMR．50。它是一种小型、低速、大扭矩液压马达，其结构简单、低速稳定性能好、短期超载能力强，与同排量的其它类型液压马达相比，具有体积小、重量轻、可靠性高、输出扭矩大、转速范围宽等优点。不同的油流方向，可以得到不同的旋转方向，其主要性能参数如表2．2所示。该液压马达也可以通过调速阀进行无极调速。进给马达与蜗轮丝杠升降机之间安装有自行设计的变速箱，进给时降速比为2．94，回退时增速比为1．8，变速箱采用液压缸完成增速和降速的切换。金刚石绳锯机切割不同材料时的径向进给速度范围为1．5mm--一188．75ram，该进给系统能完全满足要求。表2．2BMR．50型液压马达的性能参数Table2．2PerformanceparametersofBMR一50hydraulicmotor压力转速最大功公称排量(MPa)(r／min)最大流量窒输出扭矩重量(mL／r)额最(L／min)(N·m)(kg)(Kw)定同低同501417．510775407936．54．绳锯机张紧检测装置绳锯机在完成桩基拆除工作时，为了使切割过程始终保持在最佳的状态，金刚石绳锯机的串珠绳需要张紧。对于串珠绳张力的计算，由于其自身和传动机构的独特性，目前国内外尚没有成熟的计算方法可以借鉴。参考国外同类机床串珠绳张力大小的基础上，结合本机自身特定的工作环境和工作要求，初步确定串珠绳的初始张力为1000N。为了方便金刚石串珠绳的安装和更换，金刚石绳锯机驱动轮和导向轮之间的初始安装距离应该能够适应串珠绳的长度误差，尽可能地保证串珠绳处于张紧状态，同时绳锯机加工完成后，串珠绳可以不必保持太大的张力，这就需要专门设置一套张紧装置来保证串珠绳初始张力和工作过程中的张力，并能保证串珠绳装拆的方便。由于驱动部件结构相对复杂，所以将张紧轮部 第2章绳锯机总体方案分析及工程样机研制分设计成可以移动的形式。国外废弃平台桩基拆除绳锯机张紧方式有两种，一种是液压张紧，另一种是手动张紧。其中液压张紧方便绳锯机工作过程中串珠绳张力的直接控制，并且液压具有较高的自保持能力，即使停止该油路的供油，该装置仍然可咀维持一个稳定的压力，但是结构相对复杂。手动张紧是在绳锯机开始工作之前预先设定串珠绳的张力，切割过程中通过控制进给速度和驱动轮速度来间接控制串珠绳的张力，结构简单，维护和使用方便。无论是液压张紧还是手动张紧，绳锯机在工作过程中都需要准确测定串珠绳的张力，以便于对进给速度和驱动轮速度的控制。本绳锯机采用手动张紧，自行研制的张紧检测装置如图2．6所示，绳锯机下水工作之前，先通过调整曲柄将串珠绳调整到设定的张力，此时，串珠绳的张力透过张紧轮的轴座对张紧检测装置中的压力传感器产生一个压缩作用，通过传感器中相应的应变片敏感元件、信号转换电路和仪表将张力数值显示出来。工作时，串珠绳张力的大小变化同样会实时显示出来。此种张紧检测装置具有结构简单、紧凑和使用安全的特点。图2．6绳锯机张紧检测装置Fig26Tensiondetectiondeviceofwiresaw5切割框架锯切垫板绳锯机在切割桩基过程中，当切割到桩基直径的一定深度时，切口由于桩基的重力作用可能会闭合，从而使绳锯机出现夹锯的情况，发生事故，为避免这种情况的发生，工作过程中需要将桩基切1：3插入垫板，以防止切12的闭合，使切割过程顺利进行。设计中，提出了切割框架进给过程中自动插入前边开有坡口的垫板，垫板两端与垫板座采用螺钉把持的方式，当桩基压紧 哈尔滨丁程大学博十学位论文到垫板上时，进给系统会克服螺钉把持力，继续进给，而锯切垫板则保留在桩基切口中，起到防止切口闭合的作用。2．3．3绳锯机液压系统绳锯机在工作过程中共需要七个执行元件。两组(每组由两个液压缸组成)夹紧液压缸、一个变速箱的变速切换液压缸、一个径向进给液压马达、一个切向主运动液压马达。在液压系统的设计中，两组夹紧缸需要考虑保压和同步的问题。径向进给马达属于低速双向马达，应该保证系统提供的工作压力稳定和调速的准确性，并能进行快进、工进和快退的切换。切向主运动马达只保证一个方向的高速旋转即可，也要求保证系统提供的工作压力稳定和调速的准确性。整个液压系统中的执行元件既要互不干扰又要能协调工作。系统中夹紧缸采用蓄能器进行保压，由于液压缸同步精度要求不高，所以利用等量分流阀实现同步运动。两个马达的转速利用比例流量阀来控制。设计的液压系统工作原理图如图2．7所示。绳锯机的液压动力源及阀箱内部结构如图2．8所示。图2．7绳锯机液压系统原理图Fig．2．7Hydraulicsystemschematicdiagramofwiresaw30绳锯机水下液压系统 耋：耋．翟彗銎呈竺：蚕2盐垩王叠芏翟2型图2．8绳锯机液压动力源和阀箱Fig28Hydraulicpowersupplyandvalvehousingofwiresaw2．34绳锯机控制系统图2．9绳锯机控制系统组成框图Fig．29ConTxo]systemconstructionflowchartofwiresaw■～●t,tlI●闻0●●●e·凰‘图210绳锯机控制柜及控制面板Fig210Controlchestandcontrolfi'ontpanelofwiresaw31 哈尔滨工程大学博士学位论文如图2．9所示，绳锯机的控制系统主要由四个模块构成：检测模块、控制模块、执行模块和报警模块。系统的控制柜及控制面板如图210所示，控制面板主要包括系统初始参数设定及切割参数显示区、操作控制区、报警区和电源控制区。径向进给和切向主运动根据不同的切割阶段采用不同的速度，这样可以使绳锯机有比较高的切割效率。1绳锯机的检测传感器为了保证绳锯机在海底作业时能够准确地根据指定的切削参数和预设的工作进程进行桩基的切割，需要利用多种传感器来实时检测绳锯机在海底作业的基本情况，然后操作人员根据反馈给主控机的信号来监测和及时调整主要的切削参数。需要检测的物理量以及所选用的传感器如下：①金刚石串珠绳张力的检测绳锯机在工作时，需要根据检测到的张力来判断串珠绳是否处于最佳的工作状态，是否需要调整切割参数。根据绳锯机的特殊工作环境和特性，自行研制了串珠绳张紧检测装置，它的结构如图2．6所示。张紧检测装置中的压力传感器如图21I所示，由于绳锯机结构较大，压力传感器与阀箱之间的距离较远，信号需要远距离传输，为防止信号衰减太大，压力传感器采用4～20mA电流向阀箱输出张力信号。图211压力传感器Fig2lIPressuresensor②切割框架进给位移的检测由于绳锯机切割的桩基直径不唯一，工作时又需要潜水员远离现场，所以对于工作母船上的操作人员来说，如何远程判断绳锯机的切割进程就显得很重要。通过检测进给位移，再结合其它相关参数，操作人员可以判断出绳锯机是否完成切割任务。如图212所示．进给位移检测是通过安装在蜗轮丝杠升降机头部的增量式编码器来实现，编码器通过检测升降机的转数来间接 霍尔元件转轴外壳电缆接口图2．13液压限位开关Fig．2．13Hydrauliclimitswitch测得切割框架的进给位移。根据使用环境的要求设计了利用磁极形成A、B两通道的增量式磁编码器。编码器由10块磁钢磁鼓、霍尔元件及电路、防护外壳、水密电缆接口等构成。因为霍尔元件以及磁鼓均由水密胶管封，所以外壳内部进水并不会影响到编码器的正常工作。为防止编码器出现异常情况，在绳锯机的支撑和夹紧框架上安装有液压限位开关。如图213所示，液压限位开关是由北京华德液压工业集团有限公司生产的。当切割框架运动到极限位置时，如果位移检测系统出现问题，则液压限位开关会启动，使切割框架停止进给，从而保证了绳锯机的结构安全。③电磁阁箱漏水检测由于绳锯机的电磁阀箱安装在机械本体上，水下工作时，如果水进入阀箱，会使阀箱内的电路损坏。所以要有漏水检测传感器，以便操作人员及时发现漏水情况，进行处理。根据使用环境及相应的技术参数，如图214所示， 錾ii鎏士彗奎兰!圭茎；鲁譬兰。选择了深圳市柏特瑞电子有限公司的HW-58型漏水检测传感器。图215压力变送器Fig．215Pressuretransducer绳锯机在海底作业时，其夹紧动作自动完成。绳锯机夹紧定位过程中，夹紧力的取值并不是越大越好。因此，需要通过主控机预先设定夹紧力的大小，然后通过设在夹紧液压缸进油口处的压力变送器反馈的压力信号，来确定夹紧力是否合适、夹紧动作是否完成。如图215所示，夹紧力检测使用的是余姚市环工自动化仪表厂生产的PB8300CNM型压力变送器。⑤液压油源回油检测液压油源是整个绳锯机安全，稳定工作的保证，回油管路的堵塞，会对绳锯机的正常工作产生影响，严重的情况下，会对液压油源产生破坏，所以 第2章绳锯机总体方案分析及工程样机研制液压油源设置了回油检测报警系统。如图216所示，回油检测报警传感器使用的是中国黎明液压有限公司生产的RFB-400x20FY型过滤器中自带的压力传感器。图2．16压力传感器Fig．216Pressureuansducer2绳锯机的检测信号处理电路绳锯机通过传感器获得的张力、进给位移等信号需要进行一定的处理之后才能送到控制系统和显示系统。信号获取的流程如图2．17所示，阀箱内信号处理电路和母船控制柜信号处理电路如图2．18所示。控制系统的液晶显示界面如图219所示。图217信号获取过程Fi92．17Signalacquisitionprocess(a)闻箱内信号处理电路(b)控制柜信号处理电路图218信号处理电路Fi9218Signalprocessingcircuits 图219液晶显示界面Fig219Liquidcrystalindicatorinterface235绳锯机防腐与密封1防腐绳锯机工作在海水中，因此防腐技术是首要考虑的问题，这些腐蚀包括：海洋大气的盐雾腐蚀、海水的化学腐蚀、不同金属在海水中电位差腐蚀、海水中金属的应力腐蚀和会属零件之间的间隙腐蚀等”“。必须采取一定的措旌使绳锯机抵抗海水的侵蚀。在选用材料时，除了考虑材料的机械性能和制造工艺性能外，还要优先考虑选用耐海水腐蚀的合金材料，不锈钢、铜合金、铝合金、非金属耐海水腐蚀材料(特种尼龙、丁腈橡胶)等。考虑到成本因素，海洋工程中大量使用的是低碳钢和低合金钢，这类钢在海洋环境中是不耐蚀的，一般采用有机涂层的方法。有机涂层在海洋工程结构表面保护中应用最广，而且发展很快。环氧漆、氧化橡胶漆和乙烯漆是新型高性能涂料，近年来已在海洋工程结构中普遍应用，其漆膜总厚度大(可达300～400um)，大大提高了涂层的使用寿命．且具有良好的耐碱性和耐电位性能。聚氨酯漆也是近年来发展的新品种，它干燥迅速，附着力强，漆膜坚硬而富有弹性，耐磨性好。海洋工程设备结构中常常需要不止一种材料，这时电位差腐蚀问题在选材和设计时应给以充分考虑，应尽可能选用同种材料，或选用电位序中比较靠近的材料，以防止发生电偶腐蚀。在选择焊接材料时，为防止焊缝与母材之间的电偶腐蚀，应使焊缝金属呈阴极性，而且焊缝金属与母材的电位差应尽可能小。当两种电位差较大的金属连接时，连接处应采用绝缘材料进行电绝缘，也可在两种金属连接处加入第三种金属，降低两种金属间电位差。当 第2章绳锯机总体方案分析及T程样机硼f制iIriiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii宣iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii宣iiiiiii两种材料不得不相互接触时，要使阴、阳极面积比尽可能小，并施以可靠的绝缘涂层保护。当采用耐蚀涂料来防止电偶腐蚀时，保护涂层应涂在阴极表面上，或同时涂在阴、阳极表面上，切不可仅涂在阳极表面上，因为涂层的任何缺陷都会导致整个阴极与面积很小的阳极耦合，使涂层缺陷处金属(阳极)很快蚀穿[68,69J。通过综合分析后，金刚石绳锯机的导向柱、升降机丝杠、手动张紧丝杠、连接螺栓采用不锈钢材料；升降机丝杠端部滑动轴承和手动张紧丝杠端部滑动轴承采用铜合金整体轴套，升降机上下移动螺母和与手动张紧丝杠配合的螺母采用铜合金材料；驱动轮和导向轮采用铝合金铸造。其它部位采用表面喷涂防腐漆的方法来进行防腐。防腐漆选用的是天津中远关西涂料化工有限公司的船用氯化橡胶漆。2．密封绳锯机的设计工作深度是水下60m以浅，为了防止海水进入到一些关键部位对这些部位造成损害，就必须进行密封保护。升降机中的蜗轮蜗杆工作腔是升降机能否正常工作的关键部位，为了防止海水进入到腔中，对蜗轮蜗杆造成腐蚀，采用锂基脂润滑，氟橡胶油封的密封发法。绳锯机液压阀箱工作在水下，如果阀箱进水，绳锯机将不能正常工作，这里采用O型圈密封的方法来进行密封。如图2．20所示，由轴承盖、密封附件和特康旋转泛塞组成的密封组件可以实现驱动轮轴承室的动态密封。特康旋转泛塞组件具有对中性好，结构紧凑，密封性能好，使用寿命长，便于安装等优点。驱动轴旋转时特康旋转泛特康旋转泛塞隔挡O型圈唇型密封0型圈密封图2．20驱动轴密封结构Fig．2．20Drivingaxlesealedstructure37 哈尔滨T程大学博士学位论文塞和驱动轴之间的接触面紧密贴合并相对滑动，能阻止流体泄漏。当驱动轴在一定转速范围内时，两个接触面之间会形成一层极薄的流体膜。这层液膜具有流体动压力和静压力，它一方面起润滑作用，另一方面起着平衡压力的作用，从而获得良好的密封性能。由轴承盖、轴承座、液压马达安装面和O形圈组成的密封形式可以隔离泄漏介质通道，建立一个有效的封闭体系，达到无泄漏的目的，实现了静态密封。并且密封腔里充满润滑脂，这样绳锯机在海水中工作时密封腔内外压力容易达到平衡，从而更好的达到密封效果。2．4本章小结本章首先分析了国外海洋废弃平台桩基拆除绳锯机的工作原理和工作过程，结合国内的实际技术条件，提出了废弃平台桩基拆除绳锯机的总体方案，在对绳锯机本体，液压系统和控制系统方案充分论证的基础上，完成了样机的研制工作。38 第3章绳锯机夹紧装置夹紧力的分析第3章绳锯机夹紧装置夹紧力的分析3．1引言废弃平台桩基拆除绳锯机在海底作业时，其夹紧动作在潜水员辅助作用下完成。绳锯机能安全高效工作的条件是夹紧装置将它稳定的固定到桩基上。由于平台桩基几乎处于直立状态，绳锯机工作时受力状况较差，需要有适当大小的夹紧力夹紧桩基，如果夹紧力小，则绳锯机不能稳定夹紧在桩基上，反之夹紧力的取值并不是越大越好，如果夹紧力过大，一是会对夹紧瓣和V型块的强度、液压系统的工作参数提出更高的要求。二是会使桩基发生塑性屈服，切割时，绳锯机的振动会造成夹紧力下降，从而使夹紧装置失去对绳锯机的固定能力。因此，夹紧瓣的夹紧力需要预先计算，夹紧时需要根据计算的夹紧力大小，通过设在夹紧液压缸进油口处的压力传感器反馈的压力信号，来确定夹紧动作的完成。3．2绳锯机夹紧桩基时力学模型3．2．1绳锯机夹紧时模型简化废弃平台桩基拆除绳锯机的夹紧装置主要包括V型块和夹紧瓣，V型块属于被动约束，夹紧瓣属于主动约束。工作时，夹紧瓣在液压缸的作用下会产生一定的主动力，同时V型块在夹紧瓣的作用下会产生一定的被动力，它们统称为夹紧力。根据绳锯机的实际结构。将夹紧装置简化为六点夹紧。绳锯机夹紧时简化的模型如图3．1所示。(D一．踟)表示系统的整体坐标，(c(U一玉y，以，)江1，⋯，6表示夹紧点上的局部坐标。对于绳锯机的每个夹紧力，：，都可以在相应的局部坐标空间分解为{t=Li七Li々{晡=厶露+厶乙十厶0i=1，⋯，6(3—1)式中元，和乙，乙分别为第i个夹紧点处局部坐标的单位方向矢量，它们之间39 哈尔滨T程大学博士学位论文／一一一～＼＼、一一一／’-～一-_一图3．1绳锯机夹紧时的模型Fig．3．1Modelofwiresawclamping满足正交关系，正，，厶，厶分别为夹紧力在各个方向上的分量。根据库仑摩擦定律，绳锯机在桩基上稳定工作的约束可以用公式表示为 第3苹缝锯机夹紧装置夹紧力的分析fai>0tI无l<∥厶，I厶I<∥厶江l，⋯，6(3-2)由于只有夹紧瓣或V型块与桩基接触才能保证摩擦约束的存在，所以厶>0是式(3-2)存在的先决条件，从而式(3-2)当中的约束可以表示为蚓
此文档下载收益归作者所有
