随着我国对海洋资源的深入开发,水下油气作业范围已经逐步由浅海走向深海,对水下作业的能力要求越来越高,以往的作业方式已经无法满足深水作业的需求。根据实际作业条件,解决水下作业这一问题的关键在于加速水下机器人及其辅助作业系统的研制,拓展水下机器人的应用范围,丰富其作业功能并提高工作效率。本文针对深水作业的特点,以配备有作业机械手和其他多种作业系统的水下ROV为核心,设计出一种水下ROV扭转工具,使ROV能够在深水环境下对水下生产设备进行旋转操作。 结合现有水下生产系统旋转对接接口标准,确定水下ROV扭转工具设计要求及技术指标。参考目前常用ROV性能,提出一种可对接多种等级接口并能提供宽范围变扭矩的水下ROV扭转工具设计方案,完成水下ROV扭转工具液压驱动方案、对接锁紧方案、液压驱动与监测方案、密封及压力补偿方案的总体方案设计。 针对ROV扭转工具宽范围扭矩输出需求,规划液压驱动机构的扭矩传递路线,拓展了单台液压马达的扭矩输出范围,完成对传动机构包括离合器、换挡机构、扭矩倍增器及其锁定机构的结构设计及强度校核,对关键结构进行有限元分析,确保结构满足使用要求。 通过分析扭转工具接口结构尺寸对对接精度的影响,计算出接口的最佳外形尺寸以及对接过程中的最大允许误差,找到能够衡量扭转工具接口对操作对象接口捕捉能力的设计指标,求出了在满足结构强度要求下允许对接范围最大的接口尺寸。完成了扭转工具接口及锁紧机构的结构设计及静力学分析。 通过分析水下ROV扭转工具的工作环境及作业要求,完成了液压控制系统及监测系统的原理设计及元件选型。对液压马达回路建立数学模型并进行仿真计算,通过试凑法找到合适的PID控制器数值;在AMESim软件中搭建液压系统,对三个液压回路分别进行仿真,得到液压系统输出特性曲线,验证其性能能够满足设计要求。 本文的研究成果为水下ROV扭转工具工程样机的研制和水下作业提供了理论基础,为水下ROV扭转工具的国产化研究提供了可借鉴的经验。