【摘要】：海底蘊(yùn)藏著豐富的資源,是人類未來可持續(xù)發(fā)展的食物、礦產(chǎn)、水和金屬等資源基地。對(duì)海洋資源的積極探索和開發(fā),將為人類普遍關(guān)心的一些全球性問題提供理想的解決方案。然而,深海探索難度巨大,設(shè)備在海底工作,不僅要承受海水的巨大壓力,還要耐腐蝕,同時(shí)海底能見度極低,環(huán)境十分惡劣,人無法及時(shí)觀察和控制設(shè)備的工作狀況。因此,人類目前對(duì)深海海底的了解甚至還不如月球的表面。 本文研究的“海床式錐鉆設(shè)備(簡(jiǎn)稱SCCDS)自動(dòng)存取桿系統(tǒng)”是依托中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金——“海洋勘探設(shè)備與儀器”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目,主要用于海床式錐鉆設(shè)備鉆桿(鉆桿、巖心管、探桿統(tǒng)稱為鉆桿)的自動(dòng)存取,從而實(shí)現(xiàn)錐鉆過程的自動(dòng)化管理。 海床式錐鉆一體化裝備用于完成錐探和鉆探兩大任務(wù)。本文在分析陸地錐鉆工藝的基礎(chǔ)上,結(jié)合海底復(fù)雜地層環(huán)境,對(duì)深海海底錐鉆工藝進(jìn)行了研究,提出了不連續(xù)靜力錐探工藝、金剛石繩索取芯工藝以及“多層鉆進(jìn)、多孔徑鉆進(jìn)”的鉆探工藝,即采用階梯孔的鉆探方式。設(shè)計(jì)的二級(jí)臺(tái)階形鉆孔結(jié)構(gòu)不僅很好地解決了更換鉆頭的問題,也滿足了在不同地層采用不同鉆探工藝的要求。深海錐鉆工藝直接決定了鉆桿自動(dòng)存取系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式。 目前,海床式錐鉆設(shè)備鉆桿自動(dòng)存取系統(tǒng)主要有兩種典型的結(jié)構(gòu)型式：圓形庫和方形庫。圓形庫主要用于鉆桿數(shù)量較少的淺孔鉆探取芯工況,而方形庫適用于鉆桿數(shù)量較多的深孔鉆探過程。海床式錐鉆一體化裝備工作過程中鉆桿種類和數(shù)量較多,因此采用方形庫設(shè)計(jì)方案。即鉆桿庫不動(dòng),機(jī)械手沿著矩形導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)鉆桿的移送、存儲(chǔ)和定位。通過分析計(jì)算,對(duì)鉆桿自動(dòng)存取系統(tǒng)的鉆桿庫、機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)以及給進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì),經(jīng)優(yōu)化后運(yùn)用Solidworks建立三維模型。 在建立鉆桿自動(dòng)存取系統(tǒng)幾何模型的基礎(chǔ)上,利用ANSYS軟件對(duì)齒輪齒條的接觸應(yīng)力進(jìn)行靜力學(xué)分析,得出其接觸應(yīng)力為223MPa,滿足設(shè)計(jì)的要求。同時(shí),利用D-H方法設(shè)定機(jī)械手中各桿件的坐標(biāo)系,采用齊次坐標(biāo)變換描述各桿件間的相對(duì)位置和方向,建立機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,通過各連桿的參數(shù)確定機(jī)械手在空間的位姿。 液壓驅(qū)動(dòng)作為水下鉆桿自動(dòng)存取系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式,具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、功率大等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)鉆桿自動(dòng)存取系統(tǒng)的液壓回路進(jìn)行設(shè)計(jì),并采用AMEISM對(duì)節(jié)流閥和分流集流閥的同步回路進(jìn)行建模和仿真,得出分流集流閥在偏載情況下也能很好地實(shí)現(xiàn)同步要求。對(duì)水下液壓系統(tǒng)的控制方式進(jìn)行研究,選用PLC來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的順序控制以及多點(diǎn)定位控制。同時(shí)提出采用壓力補(bǔ)償密封技術(shù)和機(jī)械密封技術(shù)分別解決水下靜密封和動(dòng)密封問題。 利用各種傳感器和NI PXIe-6363數(shù)據(jù)采集卡搭建了海床式錐鉆一體化裝備鉆桿自動(dòng)存取系統(tǒng)的測(cè)控平臺(tái),測(cè)控參數(shù)主要包括：動(dòng)力頭的輸出扭矩、動(dòng)力頭的轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)的工作壓力、機(jī)械手行走位移、動(dòng)力頭的給進(jìn)行程等。采用Labview2010軟件建立用戶登錄、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集和顯示、機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等上位機(jī)界面,從而實(shí)現(xiàn)了鉆桿自動(dòng)存取過程的實(shí)時(shí)顯示和控制。 本文的創(chuàng)新點(diǎn)：①提出了深海復(fù)雜地層的錐鉆工藝；②設(shè)計(jì)了滿足海底錐鉆工藝的鉆桿自動(dòng)存取系統(tǒng)；③設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制等上位機(jī)界面,實(shí)時(shí)顯示和控制鉆桿自動(dòng)存取的過程。 本文的研究?jī)?nèi)容為海床式錐鉆一體化裝備的水下自動(dòng)化作業(yè)提供了很好的解決方案,也為海洋資源的開發(fā)和探索奠定了理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：P715

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2626229