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海底管道是海上油气田的“生命线”，深水海底管道的安装、维修广泛采用无潜机械连接技术，依靠管道作业装备来完成。欧美国家在深水海底管道连接技术及装备研究领域居世界领先地位，而我国的研究才刚刚起步。随着我国深水海洋油气资源的逐步开发，深水海底管道连接技术研究与装备工程化研制愈显重要，对打破国外技术壁垒，保障我国深海油气田的安全运营具有重大现实意义。 机械连接器连接深水海底管道前，需对管道完成预处理作业。目前，管道的预处理作业由多台机具配合完成，作业时多次吊放机具，深水环境下，机具吊放、二次定位非常困难，作业效率极低。为解决上述问题，本文提出一种集管道切割、内外倒角、焊冠和防腐涂层去除功能于一体的新型深水海底管道多功能作业机具。论文围绕机具的作业装置集成、大切深铣削、稳定作业、倒角吃刀深度控制等关键技术展开理论分析与试验研究。 根据深水海底管道连接工艺和技术要求，确定了深水海底管道多功能作业机具总体设计方案。针对机具水下大切深、多功能的作业要求，采用波形刃复合钻铣、锪组合刀具、燕尾式端铣刀，实现管道切断、外倒角、焊冠去除、内倒角；采用研磨盘实现管道防腐涂层的去除；提出双臂抱紧式双摇杆“自定心”夹紧装置设计方案，满足机具对不同管径管道进行切削作业时，刀盘回转中心与管道圆心同心以及夹持稳定、可靠的要求；机具采用两个小齿轮同步驱动开口刀盘，实现刀盘周向旋转；采用两套夹紧装置，通过交替夹紧管道并与轴向液压缸配合，实现机具轴向爬行。明确了机具作业原理，完成了机具虚拟样机模型设计，规划了机具作业流程。 根据立铣刀径向偏斜理论，建立了波形刃铣刀切屑厚度数值计算模型，对铣刀刃口正弦波幅值与每齿进给量的比值对切屑形成的影响进行了研究。在此基础上，研制了一次切断深水海底管道的专用波形刃钻铣刀，通过样刀切削性能实验，获得了切削参数对铣削力及刀具磨损的影响规律，确定了最优切削参数。建立了波形刃立铣刀等效剪切铣削力模型，预测了铣削深水海底管道时的动态铣削力。 针对机具夹紧管道时，因超静定导致夹紧装置驱动力难求解的问题，建立了机具夹紧管道的力学模型，分析了机具稳定作业的力学条件，获得了机具稳定作业的判定准则。基于该准则，建立了机具夹紧作业阶段和顶升阶段的夹紧装置驱动力求解数学模型，对机具切管作业稳定性进行了动力学仿真分析。 机具作业时，由于刀盘回转中心与管道圆心存在同心误差，导致倒角作业时少切或过切管道，严重时出现打刀现象。针对此问题，提出了管道圆心相对刀盘回转中心偏差的测量方法，建立了刀位点吃刀深度误差数学模型，确定了误差控制策略。针对机具爬行作业中双液压缸同步工作的要求，基于双缸主从同步控制策略，建立了控制系统数学模型，进行了系统仿真与分析，确定了控制系统的PI参数。 设计并制造了深水海底管道多功能作业机具试验样机，搭建了陆地试验系统。进行了管道防腐涂层去除、管道切断、管端内外倒角、机具轴向爬行试验，对机具的设计方案、波形刃铣刀的切管性能与切削参数、机具的作业稳定性、控制系统的误差控制性能进行了验证。试验结果验证了机具设计理论的正确性和控制策略的可行性，满足了深水管道连接作业的要求，证明了本文研究成果的有效性和可行性。 本文的研究成果为深水海底管道多功能作业机具工程样机的研制和水下作业提供了理论基础，同时为我国深水作业装备的研究提供了可借鉴的经验。