劉廣治

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

占地球表面積71%的海洋蘊(yùn)藏著豐富的國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)所必需的重要戰(zhàn)略資源。目前，陸上資源消耗嚴(yán)重，深海資源勘探迫在眉睫。隨著深海高技術(shù)裝備的迅猛發(fā)展，深海資源勘探進(jìn)入了全面發(fā)展的階段。我國(guó)在海洋擁有超過(guò)16萬(wàn)km2的礦區(qū)，包括多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和硫化物等，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)不可或缺的潛在礦產(chǎn)資源。然而，在大規(guī)模開(kāi)采之前必須開(kāi)展前期的取樣分析，完成規(guī)模、儲(chǔ)量、成分、前景、環(huán)境評(píng)估等工作，這些工作主要依靠海底鉆機(jī)來(lái)完成。

海底鉆機(jī)以其鉆探成本低、效率高，對(duì)樣品擾動(dòng)小、易保壓，設(shè)備體積小、易操作，船舶適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為海底資源勘探、海洋地質(zhì)調(diào)查以及海洋科學(xué)考察不可或缺的重要技術(shù)裝備，得到了世界各海洋強(qiáng)國(guó)的重視和應(yīng)用。

海底鉆機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括動(dòng)力頭裝置、給進(jìn)和提升機(jī)構(gòu)、鉆桿存儲(chǔ)以及機(jī)械手機(jī)構(gòu)等，其中動(dòng)力頭裝置是核心部件。動(dòng)力頭裝置不僅為鉆進(jìn)提供所需的轉(zhuǎn)速和扭矩，還具備可靠、快速擰卸鉆桿的能力，同時(shí)兼顧繩索取心功能。海底鉆機(jī)的動(dòng)力頭裝置在功能設(shè)計(jì)上與陸地鉆機(jī)的動(dòng)力頭設(shè)計(jì)有很多相似之處，但并不等于可以直接將陸地鉆機(jī)動(dòng)力頭應(yīng)用于海底鉆機(jī)上。由于海底鉆機(jī)是完全工作于海底的鉆探設(shè)備，水下工作時(shí)與母船僅靠一條具有承載能力的臍帶纜實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)人為干預(yù)能力有限，海底工作環(huán)境的不可控因素較多，因此海底鉆機(jī)的動(dòng)力頭裝置在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)要考慮其特殊的工作環(huán)境和工作方式帶來(lái)的影響，根據(jù)可能出現(xiàn)的情況設(shè)計(jì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，以保證海底鉆機(jī)能夠順利、可靠地工作。

1 海底鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置設(shè)計(jì)時(shí)需要解決的問(wèn)題

根據(jù)實(shí)際的工作環(huán)境和方式，海底鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置在設(shè)計(jì)時(shí)需要解決以下4個(gè)問(wèn)題。

(1)大鉆深時(shí)，鉆桿的擰卸過(guò)程要重復(fù)多次。海底鉆機(jī)靠動(dòng)力頭裝置上卸鉆桿時(shí)，動(dòng)力頭裝置旋轉(zhuǎn)1周需要同步驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭裝置移動(dòng)一個(gè)螺距，通過(guò)遠(yuǎn)程遙控來(lái)控制很難保證，因此除動(dòng)力頭的重量外，還會(huì)產(chǎn)生額外的拉力或壓力作用在連接螺紋上，易造成螺紋損傷。因此，需要海底鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置能夠消除作用于連接螺紋上的額外負(fù)載，保護(hù)連接螺紋不受損傷，提高連接螺紋的使用壽命。

(2)海底鉆機(jī)整個(gè)鉆探系統(tǒng)完全工作于海底，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，包括動(dòng)力頭裝置在內(nèi)的各個(gè)部件都需要解決海水腐蝕問(wèn)題。同時(shí)，伴隨著水深的變化，周圍環(huán)境的壓力也在發(fā)生變化，水深每增加100 m，環(huán)境壓力大約增加1 MPa。淺水時(shí)，可考慮通過(guò)設(shè)計(jì)大壁厚的齒輪箱殼體去抵抗外部環(huán)境壓力。深水時(shí)，若仍采用增加齒輪箱體壁厚的方式抵抗外部環(huán)境壓力，會(huì)造成整個(gè)動(dòng)力頭重量過(guò)大，加大了動(dòng)力頭裝置上卸扣時(shí)作用于連接螺紋上的負(fù)載，易造成連接螺紋損傷，引發(fā)事故。

(3)大鉆深時(shí)，為提高海底鉆機(jī)取心效率，取心方式也會(huì)從傳統(tǒng)的提鉆取心轉(zhuǎn)變?yōu)槔K索取心。對(duì)陸地鉆機(jī)來(lái)說(shuō)，繩索取心是非常成熟的技術(shù)，但海底鉆機(jī)的繩索取心結(jié)構(gòu)與陸地鉆機(jī)不同。海底鉆機(jī)的繩索取心通過(guò)采用遠(yuǎn)程遙控的方式完成，包括打撈裝置投放、解卡等，其結(jié)構(gòu)通常要集成在動(dòng)力頭上，因此在設(shè)計(jì)海底鉆機(jī)的動(dòng)力頭裝置時(shí)，要結(jié)合繩索取心這個(gè)功能，設(shè)計(jì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)還要避免在增加繩索取心功能后給動(dòng)力頭裝置帶來(lái)的其他不利影響。

(4)海底鉆機(jī)在上卸扣時(shí)，若直接在動(dòng)力頭裝置的動(dòng)力頭主軸上加工出螺紋與鉆桿連接，在反復(fù)擰卸鉆桿過(guò)程中，難免會(huì)給動(dòng)力頭主軸螺紋造成損傷。動(dòng)力頭主軸為精密件，在現(xiàn)場(chǎng)條件下拆裝和更換都很困難，因此需要在動(dòng)力頭主軸上設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接頭，保護(hù)動(dòng)力頭主軸不受損傷。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接頭時(shí)，要保證轉(zhuǎn)接頭與動(dòng)力頭主軸可靠連接，能夠滿足設(shè)計(jì)需要的最大提升力，并且轉(zhuǎn)接頭要具備易于快速更換、密封可靠等特點(diǎn)。

2 海底鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置設(shè)計(jì)方案

海底鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置的設(shè)計(jì)方案就是針對(duì)每一個(gè)需要解決的問(wèn)題，設(shè)計(jì)相應(yīng)的功能。海底鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置應(yīng)具備浮動(dòng)緩沖功能，為動(dòng)力頭裝置設(shè)計(jì)浮動(dòng)行程，保證海底鉆機(jī)動(dòng)力頭上卸扣時(shí)，作用在連接螺紋上負(fù)載僅為本身的重量。海底鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置應(yīng)具備壓力補(bǔ)償功能，避免靠殼體壁厚去抵抗外部環(huán)境壓力。同時(shí)動(dòng)力頭的結(jié)構(gòu)件浸在海水中的部分采用316 L不銹鋼或7075鋁合金，用于防止海水腐蝕。海底鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置兼顧繩索取心功能，用于提高海底鉆機(jī)取心效率，縮短作業(yè)時(shí)間。海底鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置設(shè)置快速更換功能的轉(zhuǎn)接頭，用于保護(hù)海底鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置中的動(dòng)力頭主軸。

根據(jù)海底鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置需要具備的功能，提出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。海底鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置主要由浮動(dòng)緩沖機(jī)構(gòu)、動(dòng)力頭組件和繩索取心機(jī)構(gòu)組成。

1.浮動(dòng)緩沖機(jī)構(gòu)；2.動(dòng)力頭組件；3.繩索取心機(jī)構(gòu)

2.1 浮動(dòng)緩沖機(jī)構(gòu)

海底鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置中的浮動(dòng)緩沖機(jī)構(gòu)主要由上鏈條接頭、上緩沖彈簧、浮動(dòng)桿、下緩沖彈簧、下鏈條接頭和滑板組成，如圖2所示。

1.上鏈條接頭；2.上緩沖彈簧；3.浮動(dòng)桿；4.下緩沖彈簧；5.下鏈條接頭；6.滑板

滑板可以沿立柱導(dǎo)軌面滑動(dòng)，海底鉆機(jī)動(dòng)力頭固定在滑板上。上鏈條接頭一端與液壓缸鏈條倍速機(jī)構(gòu)的上鏈條連接，另一端與浮動(dòng)桿上端連接。下鏈條接頭一端與液壓缸鏈條倍速機(jī)構(gòu)的下鏈條連接，另一端與浮動(dòng)桿下端連接。浮動(dòng)桿穿過(guò)滑板上的導(dǎo)向孔，并可沿著導(dǎo)向孔滑動(dòng)一個(gè)行程L。上下緩沖彈簧穿過(guò)導(dǎo)向桿。上卸扣時(shí)的瞬間沖擊通過(guò)上下彈簧的緩沖來(lái)消除，浮動(dòng)桿的行程L就是上卸扣的扣長(zhǎng)，浮動(dòng)行程L的存在可以保證上卸扣時(shí)作用在螺紋上的負(fù)載僅有動(dòng)力頭本身的重量。緩沖彈簧的存在，也可以在上卸扣時(shí)抵消部分動(dòng)力頭的重量。

2.2 動(dòng)力頭組件

海底鉆機(jī)動(dòng)力頭組件主要由動(dòng)力頭齒輪箱、液壓缸解卡組件、壓力補(bǔ)償組件、水龍頭組件和轉(zhuǎn)接頭構(gòu)成，如圖3所示。

1.動(dòng)力頭齒輪箱；2.液壓缸解卡組件；3.壓力補(bǔ)償組件；4.水龍頭組件；5.轉(zhuǎn)接頭

2.2.1 動(dòng)力頭齒輪箱

動(dòng)力頭齒輪箱為封閉式箱體，內(nèi)部充滿液壓油，并靠壓力補(bǔ)償組件對(duì)箱體內(nèi)進(jìn)行壓力補(bǔ)償，壓力補(bǔ)償組件如圖4所示。

1.壓力補(bǔ)償器缸體；2.壓力補(bǔ)償器活塞；3.壓力補(bǔ)償器彈簧

壓力補(bǔ)償器由補(bǔ)償器缸筒、補(bǔ)償器活塞和補(bǔ)償器彈簧構(gòu)成，補(bǔ)償器缸體與齒輪箱連接，齒輪箱中的液壓油進(jìn)入到補(bǔ)償器的無(wú)桿腔，外部海水進(jìn)入到補(bǔ)償器的有桿腔。達(dá)到平衡后，齒輪箱內(nèi)部壓力等于外部海水壓力與補(bǔ)償彈簧的彈簧力之和。內(nèi)外相對(duì)壓力僅為補(bǔ)償彈簧的設(shè)計(jì)壓力。補(bǔ)償器彈簧的壓力設(shè)計(jì)值很小，因此，齒輪箱的殼體不用設(shè)計(jì)得太厚，隨著水深的增加，齒輪箱內(nèi)外壓差不變，內(nèi)部壓力始終大于外部壓力，即使有泄漏，也是內(nèi)部液壓油外泄。

2.2.2 液壓缸解卡組件

液壓缸解卡組件主要由解卡液壓缸和解卡管構(gòu)成(圖5)，解卡管與解卡液壓缸活塞桿連接，內(nèi)置于動(dòng)力頭組件主軸中，用于對(duì)繩索取心機(jī)構(gòu)中的打撈機(jī)構(gòu)解卡。解卡管需要液壓缸驅(qū)動(dòng)一段距離后才對(duì)打撈機(jī)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)解卡，不會(huì)發(fā)生提前解卡造成樣品管掉落的情況。液壓缸解卡組件中的限位密封蓋主要用于對(duì)打撈裝置限位，配合解卡液壓缸解卡。同時(shí)限位密封蓋與打撈裝置構(gòu)成端面密封，避免正常鉆進(jìn)時(shí)泥漿從主軸上端流出。

1.解卡液壓缸；2.解卡管；3.限位密封蓋

2.2.3 轉(zhuǎn)接頭

轉(zhuǎn)接頭主要用于保護(hù)動(dòng)力頭組件中的主軸，轉(zhuǎn)接頭主要由分體法蘭、接頭和平鍵組成，見(jiàn)圖6。

1.動(dòng)力頭主軸；2.分體法蘭；3.下接頭；4.平鍵；5.端面密封

轉(zhuǎn)接頭與主軸構(gòu)成端面密封，分體法蘭通過(guò)螺釘與主軸上加工的槽連接，用于承受給進(jìn)的壓力和提升的拉力，下接頭通過(guò)平鍵傳遞扭矩。通過(guò)使用轉(zhuǎn)接頭，避免了主軸輸出端直接與鉆桿螺紋連接，轉(zhuǎn)接頭的連接形式也便于現(xiàn)場(chǎng)拆卸，保護(hù)了動(dòng)力頭輸出軸。

2.3 繩索取心機(jī)構(gòu)

海底鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置中的繩索取心機(jī)構(gòu)主要由打撈絞車、打撈鋼絲繩、導(dǎo)向輪、鋼絲繩預(yù)緊機(jī)構(gòu)、安裝座和打撈裝置構(gòu)成。海底鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置的繩索取心機(jī)構(gòu)如圖7所示。

1.打撈絞車；2.打撈鋼絲繩；3.導(dǎo)向輪；4.鋼絲繩預(yù)緊機(jī)構(gòu)；5.安裝座；6.打撈裝置

打撈絞車設(shè)置有排繩機(jī)構(gòu)，避免打撈鋼絲繩亂繩。打撈鋼絲繩通過(guò)導(dǎo)向輪導(dǎo)向，通過(guò)鋼絲繩預(yù)緊機(jī)構(gòu)對(duì)鋼絲繩進(jìn)行預(yù)緊，防止打撈鋼絲繩跳繩。打撈裝置內(nèi)置于動(dòng)力頭組件的主軸中，通過(guò)主軸的導(dǎo)向作用，便于打撈裝置順利進(jìn)入鉆孔中下放和打撈。繩索取心機(jī)構(gòu)和動(dòng)力頭組件都固定在滑板上，兩者之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，便于打撈裝置與液壓缸解卡機(jī)構(gòu)的限位蓋構(gòu)成端面密封。

3 海底鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置關(guān)鍵部件有限元分析

動(dòng)力頭齒輪箱材料使用的是7075鋁合金，既能保證強(qiáng)度又能減重，齒輪箱箱體承受的最大設(shè)計(jì)載荷為80 kN。利用有限元軟件對(duì)動(dòng)力頭齒輪箱體進(jìn)行分析，當(dāng)齒輪箱處于最大載荷時(shí)，最大變形量為0.08 mm，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求，如圖8所示。

動(dòng)力頭主軸在實(shí)際工作中既承受拉力載荷又承受扭矩載荷，設(shè)計(jì)承受最大拉力載荷為80 kN，設(shè)計(jì)最大的扭矩為1200 N·m。利用有限元軟件針對(duì)主軸分別處于最大拉力載荷和最大扭矩載荷時(shí)，進(jìn)行有限元分析，檢驗(yàn)主軸設(shè)計(jì)的強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。分析結(jié)果顯示主軸在80 kN拉力載荷下的變形量為0.087 mm，在最大設(shè)計(jì)扭矩1200 N·m的載荷下最大變形量0.0035 mm，滿足設(shè)計(jì)要求，如圖9和圖10所示。

圖8 齒輪箱80 kN載荷下有限元分析

圖9 主軸在80 kN拉力載荷下有限元分析

圖10 主軸在1200 N·m扭矩下有限元分析

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)海底鉆機(jī)的工作環(huán)境和工作方式，分析了作為海底鉆機(jī)的關(guān)鍵部件的動(dòng)力頭裝置在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮和解決的問(wèn)題,并以這些問(wèn)題為導(dǎo)向，提出了海底鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具備的功能，最后根據(jù)這些功能設(shè)計(jì)了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。