随着海洋资源勘探、开发和交通运输等海上经济活动日益增多,船舶向大型化、专业化发展,由此所引发的沉船数量不断上升,打捞难度也越来越大。为保障海洋经济发展,保护人民生命财产安全,迫切需要我国建立“大吨位、大深度沉船打捞和快速清障打捞”的应急保障能力。水下导向攻泥器攻打过底千斤洞技术是沉船救捞工程中常用的一项关键技术,千斤洞攻打的效率和精度往往直接决定了打捞作业的成败。本论文以我国交通部的“到2020年建设先进沉船救助打捞体系”为目标[1],研究围绕沉船打捞的水下导向攻泥器展开,根据其驱动力、钻进速度等工作需求计算和设计了总体液压系统,考虑到海底底质复杂性诸多因素会产生负载突变等状况,基于压力流量复合控制优化了现有钻机模块的液压驱动系统,通过AMESim仿真完成钻头在复杂海况下钻进力和钻速的协调控制。运用土力学原理分析实际钻进时土体破坏的原因,按照导向钻进原理确定各时刻钻头的运动状态,以此建立负载力学模型进行轨迹设计。将导向板向前移动与绕钻头中心点转动分别建立数学模型,采用牛顿—欧拉方程建立动力学模型,通过MATLAB中S函数的建模与仿真研究液压驱动力、海底底质、钻杆材质等参数对钻进轨迹的影响。最后对所建立的牛顿—欧拉动力学模型进行陆地非开挖技术验证,实验结果与仿真一致验证了模型的准确性。本文主要创新性成果如下:(1)钻进液压系统为水下导向攻泥器提供动力,为避免钻进过程中负载突变所造成的液压冲击,同时提高钻进效率,本研究提出一套基于压力流量复合控制的动力头液压系统。动力头旋转运动采用四个液压马达驱动,经过中心大齿轮、齿轮减速器等装置减速后输出转矩,动力头推拉运动通过钻架将液压马达的旋转变为机械系统中齿轮齿条的平移。将比例溢流阀并联在液压马达两端调节其两腔压力,调节比例换向阀的阀口开度控制液压马达流量[2],动力头在AMESim仿真中能完成复杂海况下钻进力和钻速的协调控制。(2)运用土力学原理建立导向钻进负载力模型,从土体破坏的基本原理分析钻进过程,分别计算钻头轴向、周向的力。由于导向板的上下两部分受力不均而出现偏转力,钻头向一侧发生弯曲,从而使压缩变形区域的土体刚度变化[3],加入圆孔扩张理论进行分析,钻杆变化角度越大,所压缩变形的土壤越多,等效合力越大,从而改变钻进弯矩模型。(3)将钻头的进给过程分解为沿导向板向前移动与绕钻头中心点转动,并运用牛顿-欧拉方程建立了钻头导向动力学模型[4]。通过MATLAB中S函数的建模与仿真,结合实验验证,得出钻头液压系统驱动力、海底底质属性、初始钻进角度和钻杆与土壤共同作用的总刚度均会对钻头导向过程产生影响。