SCCDS自动存取杆系统设计及关键技术研究

发布时间：2020-04-13 17:17

【摘要】：海底蕴藏着丰富的资源,是人类未来可持续发展的食物、矿产、水和金属等资源基地。对海洋资源的积极探索和开发,将为人类普遍关心的一些全球性问题提供理想的解决方案。然而,深海探索难度巨大,设备在海底工作,不仅要承受海水的巨大压力,还要耐腐蚀,同时海底能见度极低,环境十分恶劣,人无法及时观察和控制设备的工作状况。因此,人类目前对深海海底的了解甚至还不如月球的表面。本文研究的“海床式锥钻设备(简称SCCDS)自动存取杆系统”是依托中央高校基本科研业务费专项资金——“海洋勘探设备与仪器”创新团队项目,主要用于海床式锥钻设备钻杆(钻杆、岩心管、探杆统称为钻杆)的自动存取,从而实现锥钻过程的自动化管理。海床式锥钻一体化装备用于完成锥探和钻探两大任务。本文在分析陆地锥钻工艺的基础上,结合海底复杂地层环境,对深海海底锥钻工艺进行了研究,提出了不连续静力锥探工艺、金刚石绳索取芯工艺以及“多层钻进、多孔径钻进”的钻探工艺,即采用阶梯孔的钻探方式。设计的二级台阶形钻孔结构不仅很好地解决了更换钻头的问题,也满足了在不同地层采用不同钻探工艺的要求。深海锥钻工艺直接决定了钻杆自动存取系统的结构型式。目前,海床式锥钻设备钻杆自动存取系统主要有两种典型的结构型式：圆形库和方形库。圆形库主要用于钻杆数量较少的浅孔钻探取芯工况,而方形库适用于钻杆数量较多的深孔钻探过程。海床式锥钻一体化装备工作过程中钻杆种类和数量较多,因此采用方形库设计方案。即钻杆库不动,机械手沿着矩形导轨往复运动来实现钻杆的移送、存储和定位。通过分析计算,对钻杆自动存取系统的钻杆库、机械手、行走机构以及给进机构进行详细设计,经优化后运用Solidworks建立三维模型。在建立钻杆自动存取系统几何模型的基础上,利用ANSYS软件对齿轮齿条的接触应力进行静力学分析,得出其接触应力为223MPa,满足设计的要求。同时,利用D-H方法设定机械手中各杆件的坐标系,采用齐次坐标变换描述各杆件间的相对位置和方向,建立机械手运动学方程,通过各连杆的参数确定机械手在空间的位姿。液压驱动作为水下钻杆自动存取系统的驱动方式,具有运动平稳、功率大等优点。对钻杆自动存取系统的液压回路进行设计,并采用AMEISM对节流阀和分流集流阀的同步回路进行建模和仿真,得出分流集流阀在偏载情况下也能很好地实现同步要求。对水下液压系统的控制方式进行研究,选用PLC来实现机械手的顺序控制以及多点定位控制。同时提出采用压力补偿密封技术和机械密封技术分别解决水下静密封和动密封问题。利用各种传感器和NI PXIe-6363数据采集卡搭建了海床式锥钻一体化装备钻杆自动存取系统的测控平台,测控参数主要包括：动力头的输出扭矩、动力头的转速、系统的工作压力、机械手行走位移、动力头的给进行程等。采用Labview2010软件建立用户登录、参数设置、数据采集和显示、机械手运动控制以及数据存储等上位机界面,从而实现了钻杆自动存取过程的实时显示和控制。本文的创新点：①提出了深海复杂地层的锥钻工艺；②设计了满足海底锥钻工艺的钻杆自动存取系统；③设计了数据采集和运动控制等上位机界面,实时显示和控制钻杆自动存取的过程。本文的研究内容为海床式锥钻一体化装备的水下自动化作业提供了很好的解决方案,也为海洋资源的开发和探索奠定了理论基础。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P715

【参考文献】