海上嵌岩钢管桩内卷边切除机器人的研究

作     者：唐柯岩 

作者单位：中国石油大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：赵宏林

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：钢管桩 海上风电桩 内卷边 切割机器人 磨料水射流 

摘      要：海上风电桩的基础工程建设作为海上风电系统建设的基础保障工程,施工时使用大能量液压锤锤击钢管桩,将其下插至海床上。在打桩过程中,钢管桩遇到岩石,继续锤击钢管桩,容易导致钢管桩下端出现内卷边现象。内卷边的出现,增加了下插的阻力,极大地影响钻头在钢管桩内部下钻破岩,必须将影响下钻的内卷边切除,提高风电桩插桩效率。现阶段内卷边的处理多是潜水员下水切割或更换钻头切削,处理过程较为繁琐,难以应对复杂的工况,且有一定的危险性。为解决以上问题,本文设计了一种用于海上嵌岩式钢管桩内卷边切除的内卷边切割机器人。本文通过对钢管桩内卷边切割现有的施工工艺、水下复杂的工况环境和施工作业要求进行分析,总结了内卷边切割机器人所需满足的设计要求。根据设计要求分析不同形式的切割方案,采用磨料水射流进行切割。在此基础上,首次提出了适用于切割钢管内卷边的多轴联动机器人系统,确定了总体方案,并进行具体结构设计,包括支撑机构、多轴联动机构、切割机构等,对切割轨迹规划进行了研究。基于SPH-FEM耦合算法,对磨料水射流切割钢管壁过程进行研究,确定切割工艺参数,对射流反作用进行分析。建立了钢管桩内卷边切割机器人的力学模型,对动力元件选型,并结合切割参数进行算例验证,建立DPM冲蚀模型对枪头寿命进行分析。建立ADAMS动力学模型进行运动学仿真,验证了所选择的液压缸以及驱动电机等均符合设计要求。建立Fluent两相流模型,对清水柱冲击作用下的浑浊水域流场进行分析,通过实验对比,分析了水下能见度。对水下的密封性能进行了仿真验证。通过ANSYS对机器人整机和主要结构件进行了模态分析,为避免共振,优化了仰俯调节架的结构。内卷边切割机器人的控制系统分为电路控制系统与液压控制系统,进行了初步设计并介绍了所使用的液压泵、水射流高压泵的参数以及辅助系统。通过理论分析以及仿真模拟验证,所设计的内卷边切割机器人符合施工要求,为海上风电桩基础建设工程中内卷边问题的解决,提供建设性方案,丰富了相关理论基础。