水力冲射式海底挖沟机的支撑结构设计与分析(附件)
在如今高速发展的时代，人们对于资源的需求越来越大，对海洋资源的开发利用变得越来越迅猛，而海洋资源可以通过管道运输到陆地，在管道的铺设过程中，海底挖沟机是主要机械设备，虽然犁式的海底挖沟机不少，但是水力冲射式的海底挖沟机并不多，对其的设计并不是相当完善。本文概述了海底挖沟机的发展与现状，对现有的支撑结构进行分析比较，然后利用Solidworks软件进行三维建模并静态分析，从而进行优化设计。通过分析研究，掌握海底挖沟机支撑结构的各种形式，本文重点研究海底挖沟机工作时所受的力的情况下依然可以凭借其支撑结构保持其机体稳定，并对重要零件进行校核。关键词：海底挖沟机，静态分析，结构优化 目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外海底挖沟机研究现状 2
1.2.1 国内海底挖沟机的研究 2
1.2.2国外海底挖沟机的研究 3
1.3 课题的目的及意义 6
1.4 本论文的主要研究内容 6
第二章 水力冲射式海底挖沟机支撑结构的总体设计 8
2.1 引言 8
2.2 水力冲射式海底挖沟机的工作原理 8
2.3 水力冲射式海底挖沟机的总体支撑结构 8
2.4 水力冲射式海底挖沟机支撑结构在工作时的载荷 11
2.5 水力冲射式海底挖沟机支撑结构在工作时的稳定性 15
2.6 本章小结 16
第三章 水力冲射式挖沟机主要结构部件设计 18
3.1 引言 18
3.2 滑橇 18
3.2.1滑橇的设计说明 18
3.2.2滑橇的受力分析 20
3.3 主梁 21
3.4 纵梁 22
3.5 横梁 24
3.6 支座 25
3.7本章小结 26
第四章 水力冲射式挖沟机支撑结构强度分析 27
4.1 引言 27
4.2滑撬拉耳的静力分析 27
4.3 主吊耳的静力分析 30
4.4导向架安
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
分析 20
3.3 主梁 21
3.4 纵梁 22
3.5 横梁 24
3.6 支座 25
3.7本章小结 26
第四章 水力冲射式挖沟机支撑结构强度分析 27
4.1 引言 27
4.2滑撬拉耳的静力分析 27
4.3 主吊耳的静力分析 30
4.4导向架安装座的静力分析 33
4.5本章小结 36
总 结 38
致 谢 40
参考文献 41
绪论
1.1研究背景
随着时代的发展，人类对于资源的需求日渐增大，而海洋中有着丰富的资源，对于这一资源，我们称之为海洋资源。海洋资源是指存在海洋环境中可以被人类利用的物质和能量以及与海洋开发有关的海洋空间。海洋生物资源、海底矿产资源、海水资源、海洋能与海洋空间资源这些都是海洋资源的不同分类。在当今全球粮食、资源、能源供应紧张与人口迅速增长的矛盾日益突出的情况下，开发海洋资源已迫在眉睫。海洋资源开发利用的主要行业有海洋交通运输业、滨海砂矿、海盐及盐化工业、海洋油气业、海洋渔业、滨海旅游业以及海水直接利用等。
海底石油的开采，可以追溯到19世纪末。在1896年，美国就已经开始在加利福尼亚的圣巴巴腊海峡钻井；1947年，第一口商业性油井诞生了，它是美国在墨西哥湾钻出的，这是浅海开发石油的起点。自那以后，海底采油技术在不断发展。到了1973年，爆发了第四次中东战争，那时阿拉伯石油禁运，导致油价不断的上涨，海底开采石油的利润也就被大大的提高了。如今，海底油气资源的勘探和开发，已引起沿海国家的高度重视，并把它当做重要的经济活动内容，甚至已经成为某些国家的经济支柱。 据估计，世界海底石油集中在大陆边缘地区的潜在可采储量约有3000亿吨，其中80％95％分布在离岸200海里范围内，包括大陆架和上部陆坡。大陆架的面积约为2750万平方千米，由此可以估计出大陆架可能蕴藏海底石油总储藏量的55％70％。
对于海洋中如此丰富的资源，开发运输上陆地而又不会对海洋造成太多的污染，这是一个重要的环节，利用海底挖沟机进行挖沟埋管是解决这一问题比较简单，比较经济的方法。
所谓开沟埋管就是：利用水下开沟机械在海床上挖出一条满足管线防护深度要求的沟槽，将海底管道掩埋在沟槽之中，来达到保护之目的。上世纪4060年代，挖泥船能够解决在工程施工过程中遇到的问题，因此，挖泥船就被广泛应用于近海浅海区域。到60年代末期，挖泥船已经不能满足解决工程问题，随着北海油田的深度开发，冲射式开沟机及机械式开沟机陆续在海底管道施工作业中被应用。直至70年代中期以后，为了可以应对更深更远更为恶劣的海底油气开发，海底管道犁开始出现，此后，开始不断的对其改良，使其适应不同的海底环境。
海底管道埋管按开沟方式可分为预开沟、同时挖沟和后开沟方式三种，根据作业海域及环境条件特征，选择不同的开沟方式。
1.2 国内外海底挖沟机研究现状
1.2.1 国内海底挖沟机的研究
在上世纪九十年代之前，我国对于海底挖沟机这一概念是一片空白，最早将海底挖沟机这一概念引入国内的是原海洋水下工程科学研究院的张国光，他在引入这一概念的同时也对一些世界著名的水下挖沟机进行了概括性的介绍。
近二十年来，国内不断努力研究，不仅是理论上的，同时进行了样机的研制。1995年胜利石油管理局及上海交通大学共同合作研制了第一代和第二代浅水滩海水下挖沟装置，该装置主要用于15m以上浅滩的管道铺设，至2000年，该装置累计挖沟长度达60km，共记计完成了46条海底管沟的开沟任务，为海底油田的开发做出了巨大贡献。此外，该技术还获得了2003年中国优秀专利奖。后来为了更高质量的挖沟深度和沟型，就更换了高压水泵系统。
2006年，分别如图11、图12 所示是SMD及EB公司分别为海洋石油工程股份有限公司的概念性设计，还设计是专为南海水域环境而设计的多行程海底犁式挖沟机，这两家公司都是世界海底犁式挖沟技术引领者，他们有着丰富的经验，更有先进的技术。
图11SMD 多行程犁式挖沟机 图12EB 多行程犁式挖沟机
2007年，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院成功研发出海底管道维修专用挖沟机系统工程样机，如图13所示，该机械是用于水下管道维修舱作业前的基础性开挖，已经成功的完成了海试。该机可以最深在水下60m工作，空气中的重量为36~42 t，移动速度、可达1 m/min~2m/min，适用于松软的泥沙海况，是水力冲射式挖沟机械。
图13 水利冲射式挖沟机
到2012，国内已经对犁式挖沟技术进行初步研究，海洋石油股份有限公司与我国的海尔滨大学已成功研制了陆地试验样机，并且该样机已经可以完成抱管、合犁、挖沟等挖沟机的基本功能。
相信再过不久，挖沟机的开沟技术会更加成熟，中国也可以自行研究制造，并投入适用，已解决国内资源紧缺的现况。
1.2.2 国外海底挖沟机的研究
国外对于挖沟机的研究早在20世纪中叶就开始了，最先出现
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外海底挖沟机研究现状 2
1.2.1 国内海底挖沟机的研究 2
1.2.2国外海底挖沟机的研究 3
1.3 课题的目的及意义 6
1.4 本论文的主要研究内容 6
第二章 水力冲射式海底挖沟机支撑结构的总体设计 8
2.1 引言 8
2.2 水力冲射式海底挖沟机的工作原理 8
2.3 水力冲射式海底挖沟机的总体支撑结构 8
2.4 水力冲射式海底挖沟机支撑结构在工作时的载荷 11
2.5 水力冲射式海底挖沟机支撑结构在工作时的稳定性 15
2.6 本章小结 16
第三章 水力冲射式挖沟机主要结构部件设计 18
3.1 引言 18
3.2 滑橇 18
3.2.1滑橇的设计说明 18
3.2.2滑橇的受力分析 20
3.3 主梁 21
3.4 纵梁 22
3.5 横梁 24
3.6 支座 25
3.7本章小结 26
第四章 水力冲射式挖沟机支撑结构强度分析 27
4.1 引言 27
4.2滑撬拉耳的静力分析 27
4.3 主吊耳的静力分析 30
4.4导向架安
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
分析 20
3.3 主梁 21
3.4 纵梁 22
3.5 横梁 24
3.6 支座 25
3.7本章小结 26
第四章 水力冲射式挖沟机支撑结构强度分析 27
4.1 引言 27
4.2滑撬拉耳的静力分析 27
4.3 主吊耳的静力分析 30
4.4导向架安装座的静力分析 33
4.5本章小结 36
总 结 38
致 谢 40
参考文献 41
绪论
1.1研究背景
随着时代的发展，人类对于资源的需求日渐增大，而海洋中有着丰富的资源，对于这一资源，我们称之为海洋资源。海洋资源是指存在海洋环境中可以被人类利用的物质和能量以及与海洋开发有关的海洋空间。海洋生物资源、海底矿产资源、海水资源、海洋能与海洋空间资源这些都是海洋资源的不同分类。在当今全球粮食、资源、能源供应紧张与人口迅速增长的矛盾日益突出的情况下，开发海洋资源已迫在眉睫。海洋资源开发利用的主要行业有海洋交通运输业、滨海砂矿、海盐及盐化工业、海洋油气业、海洋渔业、滨海旅游业以及海水直接利用等。
海底石油的开采，可以追溯到19世纪末。在1896年，美国就已经开始在加利福尼亚的圣巴巴腊海峡钻井；1947年，第一口商业性油井诞生了，它是美国在墨西哥湾钻出的，这是浅海开发石油的起点。自那以后，海底采油技术在不断发展。到了1973年，爆发了第四次中东战争，那时阿拉伯石油禁运，导致油价不断的上涨，海底开采石油的利润也就被大大的提高了。如今，海底油气资源的勘探和开发，已引起沿海国家的高度重视，并把它当做重要的经济活动内容，甚至已经成为某些国家的经济支柱。 据估计，世界海底石油集中在大陆边缘地区的潜在可采储量约有3000亿吨，其中80％95％分布在离岸200海里范围内，包括大陆架和上部陆坡。大陆架的面积约为2750万平方千米，由此可以估计出大陆架可能蕴藏海底石油总储藏量的55％70％。
对于海洋中如此丰富的资源，开发运输上陆地而又不会对海洋造成太多的污染，这是一个重要的环节，利用海底挖沟机进行挖沟埋管是解决这一问题比较简单，比较经济的方法。
所谓开沟埋管就是：利用水下开沟机械在海床上挖出一条满足管线防护深度要求的沟槽，将海底管道掩埋在沟槽之中，来达到保护之目的。上世纪4060年代，挖泥船能够解决在工程施工过程中遇到的问题，因此，挖泥船就被广泛应用于近海浅海区域。到60年代末期，挖泥船已经不能满足解决工程问题，随着北海油田的深度开发，冲射式开沟机及机械式开沟机陆续在海底管道施工作业中被应用。直至70年代中期以后，为了可以应对更深更远更为恶劣的海底油气开发，海底管道犁开始出现，此后，开始不断的对其改良，使其适应不同的海底环境。
海底管道埋管按开沟方式可分为预开沟、同时挖沟和后开沟方式三种，根据作业海域及环境条件特征，选择不同的开沟方式。
1.2 国内外海底挖沟机研究现状
1.2.1 国内海底挖沟机的研究
在上世纪九十年代之前，我国对于海底挖沟机这一概念是一片空白，最早将海底挖沟机这一概念引入国内的是原海洋水下工程科学研究院的张国光，他在引入这一概念的同时也对一些世界著名的水下挖沟机进行了概括性的介绍。
近二十年来，国内不断努力研究，不仅是理论上的，同时进行了样机的研制。1995年胜利石油管理局及上海交通大学共同合作研制了第一代和第二代浅水滩海水下挖沟装置，该装置主要用于15m以上浅滩的管道铺设，至2000年，该装置累计挖沟长度达60km，共记计完成了46条海底管沟的开沟任务，为海底油田的开发做出了巨大贡献。此外，该技术还获得了2003年中国优秀专利奖。后来为了更高质量的挖沟深度和沟型，就更换了高压水泵系统。
2006年，分别如图11、图12 所示是SMD及EB公司分别为海洋石油工程股份有限公司的概念性设计，还设计是专为南海水域环境而设计的多行程海底犁式挖沟机，这两家公司都是世界海底犁式挖沟技术引领者，他们有着丰富的经验，更有先进的技术。
图11SMD 多行程犁式挖沟机 图12EB 多行程犁式挖沟机
2007年，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院成功研发出海底管道维修专用挖沟机系统工程样机，如图13所示，该机械是用于水下管道维修舱作业前的基础性开挖，已经成功的完成了海试。该机可以最深在水下60m工作，空气中的重量为36~42 t，移动速度、可达1 m/min~2m/min，适用于松软的泥沙海况，是水力冲射式挖沟机械。
图13 水利冲射式挖沟机
到2012，国内已经对犁式挖沟技术进行初步研究，海洋石油股份有限公司与我国的海尔滨大学已成功研制了陆地试验样机，并且该样机已经可以完成抱管、合犁、挖沟等挖沟机的基本功能。
相信再过不久，挖沟机的开沟技术会更加成熟，中国也可以自行研究制造，并投入适用，已解决国内资源紧缺的现况。
1.2.2 国外海底挖沟机的研究
国外对于挖沟机的研究早在20世纪中叶就开始了，最先出现
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