本文是一篇机械论文，本文根据深水液压动力扭矩工具所需实现的功能，完成液压系统的驱动模块、旋转型模块、往复型模块的设计，建立了任务可靠性模型、数学模型；给出可靠性遵循指数分布公式，根据可靠性与维修性数据，计算平均无故障时间、平均故障修复时间；定义分析系统残酷度、故障模式等级及危害性；最后提出具体的提高系统可靠性的方法。结果表明：相比之前所设计系统可靠性提高。
第一章 绪论
1.1 课题背景、目的及意义
随着人类科技的日新月异，对资源需求也日渐增加。地球上海洋与陆地面积比差距较大，同时，海洋资源蕴含量是陆地资源蕴含量的数倍[1-3]。过去人类注重对陆地资源的开采，而忽视了海洋资源的开发。如今，陆地资源的开采量已经无法满足人类对资源的需求量，随即目光投向了蕴含无数宝藏资源的海洋[4-5]。
我国对于能源的需求量十分巨大，无论是人民的日常生活，还是科研工作都需要物资能源的提供。其中，对石油、天然气等资源的需求量相对于其他资源来说，占比更为巨大。早先我国对陆地油气资源的开采量远远大于海洋油气资源的开采，但相对于西方国家对海洋资源的开发时间上来说，我国起步相对较晚。对于海上石油资源的开发是上世纪六十年代才刚刚出现，海洋资源开采技术与海洋工程装备也相对较为落后[6]。但现今，随着我国对海洋油气资源开采技术的发展，已经将油气资源的开采重心逐渐从陆地转向海洋，海洋油气资源正在将陆地油气资源逐步替代[7]。据海洋工程领域相关数据统计，相对于浅海区，深海区的石油蕴含量足足能够供给人类超过一千亿桶，深海区的石油开采已经成为全世界国家的主要区域。海洋石油开采系统如图1.1所示。
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1.2 国内外发展研究现状
1.2.1 深水扭矩工具研究状况
1、国外发展状况
Seanic Ocean Systems公司是一家可以为客户提供完全集成服务，旨在支持主要石油运营商和服务公司在复杂海底作业中需求的外国公司。
核心产品包括ROV工具包，潜水工具，切割和退役设备，甲板起重机，绞车，动力站，张紧器，线轴，测量和部署设备以及相关辅助设备。KIS17D4 1-4级潜水员扭矩工具如图1.4所示，是一种基本的旋转扭矩工具，符合 API 17D 1-4 级标准。一款坚固、轻便、无装饰的工具，可进行潜水员操作的本地控制。最大扭矩为 2700 Nm；最大转速20 rpm；特点是：可根据要求通过扭矩验证单元、扭矩歧管和转弯计数器提供支持；化学武器/特定常规武器行动；可根据要求配置ROV使用。
Seanic的另一种扭矩工具如图1.5所示，采用了机械计数器以避免与电子数字计数器相关的固有问题。强大的自锁系统能够让扭矩工具被安全地锁定在海底水桶中，并将保持这种状态，直到选择脱离。在不可预见的电源故障的情况下，自锁是弹簧加载的，并且会缩回，可以安全地断开与工作现场的连接。特点是：电机更换方便；电机覆盖整个扭矩范围；手柄功能作为关键部件周围的保护笼。
Zetechtics公司是ROV工具干预海底控制系统的市场领导者，Jupiter系统提供一系列应用以满足客户要求。典型的模具应用包括（但不限于）扭矩工具，吸锚，切割/磨削，流体注入，清洁，ROV机械手，ROV钻孔工具以及任何需要可重复和精确的电/液压控制的应用。Zetechtics公司为巴西国家石油公司设计的扭矩工具如图1.7所示。Jupiter Subsea智能"Petrobras Style"扭矩工具与海底生产系统连接，包括项目特定的接口，其中只有末端执行器插座不同，能够产生高达2711 N.m（2000 lbf-ft）的扭矩。
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第二章 总体研究方案
2.1 设计要求及指标
1、设计要求
本论文研究的深水液压动力扭矩工具主要用于海底石油管道阀门的开关，设计要求如下： 结构紧凑、体积小及重量轻，扭矩工具作为ROV外接设备中的一种旋扭类工具，其搭载于ROV上，进行水下作业，为了满足这一复杂环境，设计时应注意结构与体积大小问题；
抗压能力强，密封性能良好，作业环境为深海1500 m，压强较高，内置传动系统，为了满足这一状况，设计时应注意工具的抗压能力及密封性问题；
执行机构实用性，在进行水下作业时，执行机构应以实现功能为目的作为设计第一准则，应使用较少的零件，减小扭矩损失，组成执行机构，实现其功能； 控制方便易于操作，所选材料耐腐蚀。由于深海环境下，寻常金属材料易于腐蚀，工具壳体及相关元件外壳需耐腐蚀，耐高压。
2、设计指标
前端接口：前端接口按国际水下阀门接口标准ISO13628-8来进行设计；
扭矩大小：等级Class6；
最大水深：1500 m；
反馈功能：流量反馈、压力反馈、转速反馈等。
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2.2 总体方案
根据设计要求与指标，深水液压动力扭矩工具分为机械结构、液压系统、控制系统三部分对其进行设计与相关理论验证。
1、机械结构包括前端接口、传动系统、执行机构等主要部分；
2、液压系统包括可靠性研究、选型设计、水下节能研究等主要部分；
3、控制系统包括软硬件设计。
4、所需辅助软件：Solidworks及其simulation模块（三维建模及仿真）；AMESim（液压系统建模及仿真）；LabVIEW（软件控制设计）。
总体方案如图2.1所示。
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第三章 机械结构设计与仿真研究 .........................13
3.1 前端接口设计及仿真 ..................................13
3.1.1 接口设计 .................................13
3.1.2 力学分析 ..................................15
第四章 液压系统设计与仿真研究 ......................................40
4.1 液压系统设计方案 ..........................40
4.1.1 液压系统原理 ................................40
4.1.2 元件选型及压力损失 ...............................42
第五章 扭矩工具控制系统研究 .....................61
5.1 硬件控制系统的设计 ......................................62
5.2 软件控制系统的设计 ..........................62
第五章 扭矩工具控制系统研究
5.1 硬件控制系统的设计
深水液压动力扭矩工具控制系统如图5.1，主要由三部分组成：
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1、动力控制部分：此部分主要通过控制伺服驱动器，控制电机转速，电机与液压泵相连，同转速，进而控制流量大小，达到控制液压缸、液压马达的目的，实现力臂座耳锁紧动作、拧紧或松开球阀的动作。
2、介质流向、系统压力控制部分：此部分主要通过电磁换向阀来控制介质流动方向，实现液压缸活塞杆伸出与收回、液压马达正转与反转的目的。同时通过控制溢流阀的压力值，保证系统能够在稳定压力下进行水下作业，使得系统在出现压力高的状况下，能够使得多余流量通过溢流阀排除，保证系统压力的稳定性。
3、转速、流量、压力、电机电流反馈部分：为能够实时监测水下液压系统的状态，当设有输出轴转速传感器、流量传感器、压力传感器及电机电流互感器，以便操作者能够对系统状态实时掌握，能够及时做出反应，调控整个水下液压系统。
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第六章 总结与展望
6.1 总结
我国是能源消耗大国。现今，陆地油气资源的开采量已经无法满足各行各业对油气资源日益增长的需求，从而对海洋油气资源的开发逐渐重视，其中ROV外接工具对于海洋石油的水下开采与运输作业是极其重要的。本文通过对机械结构、动力系统、控制系统三方面进行可靠性研究，成功研究出一种等级Class6 ROV外接旋扭类工具，用于启闭深海石油管道球阀。本文主要工作内容如下：
根据海底阀门接口标准ISO13628-8，确定了等级Class6阀门接口的尺寸大小，提出了接口座的设计方案，描述了接口座的尼龙1010端口、力臂座、力臂座耳，设计了锁紧机构、微型液压缸、抗压外壳、传动系统、系统密封方案、抓取结构、底座。利用Solidworks三维建模；根据静力学及其空心轴转动受力公式，利用simulation模块对接口座有限元分析，分析力臂座厚度，校核螺栓强度；根据输出扭矩，计算了液压马达的排量、最大流量，确定了液压马达型号；根据滑块行程及工作压力，计算了液压缸的壁厚、内径、外径、活塞宽度、杆径，校核活塞杆 ；根据扭矩传递及抗压外壳受力，对联轴器有限元分析，抗压外壳屈曲模态分析，马达输出轴连接频率模态分析；根据密封方式，计算选取密封圈；根据抓取方式，对抓取结构有限元分析。结果表明：整体机械结构设计满足设计要求。
根据深水液压动力扭矩工具所需实现的功能，完成液压系统的驱动模块、旋转型模块、往复型模块的设计，建立了任务可靠性模型、数学模型；给出可靠性遵循指数分布公式，根据可靠性与维修性数据，计算平均无故障时间、平均故障修复时间；定义分析系统残酷度、故障模式等级及危害性；最后提出具体的提高系统可靠性的方法。结果表明：相比之前所设计系统可靠性提高。
参考文献（略）