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摘 要
為適應(yīng)大型管道事業(yè)的發(fā)展，加速我國(guó)管道切割修復(fù)技術(shù)的前進(jìn)步伐，需要研發(fā)一種可以在大型油氣管道、桁架、大直徑單雙層罐體上進(jìn)行周向爬行切割的切割裝置。
首先對(duì)國(guó)內(nèi)外的切割裝置和切割技術(shù)進(jìn)行分析研究，并根據(jù)設(shè)計(jì)的切割裝置要實(shí)現(xiàn)的功能，工作環(huán)境和工作方式，進(jìn)行傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選型；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中占據(jù)重要地位，而傳動(dòng)類(lèi)型卻是各式各樣的，通過(guò)設(shè)計(jì)要求，確定機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的較理想的方案；在此基礎(chǔ)上確定切割裝置的總體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)切割裝置的本體結(jié)構(gòu)由主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，徑向進(jìn)給系統(tǒng)，周向爬行系統(tǒng)，機(jī)殼和固定裝置四部分組成；分別對(duì)主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、徑向進(jìn)給系統(tǒng)、周向爬行系統(tǒng)、機(jī)殼和固定裝置進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)并進(jìn)行關(guān)鍵零部件的校核。
關(guān)鍵詞：切割裝置 液壓回路 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
Abstract
To meet the development of the large-scale pipelines and accelerate the pace of technological development of pipeline cutting and rehabilitation, the thesis is focused on designing a cutting machine, which can crawl around for cutting on large oil and gas pipelines, truss, and large-diameter single or double tanks.
Cutter device and cutting technology home and abroad are analyzed. Driving mechanism type is chosen according to the function, working environment and operating mode. Driving mechanism, which plays an important role in the designing process, has various types. By means of vague and comprehensive evaluation, the overall scheme of the cutting device is presented. On this basis, the overall designing scheme of the cutting device is confirmed. The overall designing scheme of the cutting device consists of four parts, the main moving system, the radial feeding system, the circle crawling system and the device of fixtures. Each part is designed in detail respectively, and the main parts are calculated.
Key words: cutter device hydraulic circuit driving mechanism vague evaluation
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒 論 1
1.1 設(shè)計(jì)的背景及意義 1
1.2 切割技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.2.1 熱切割 2
1.2.2 冷切割 3
1.3 研究對(duì)象及發(fā)展趨勢(shì) 5
1.4 本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 5
第2章 總體方案設(shè)計(jì) 6
2.1 切割裝置的工作原理及技術(shù)要求 6
2.1.1 工作原理 6
2.1.2 技術(shù)要求 7
2.2 切割裝置功能的綜合分析 7
2.3 工藝動(dòng)作的分解 8
2.4 本章小結(jié) 9
第3章 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)及校核 10
3.1 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10
3.1.1 液壓馬達(dá)的選擇 11
3.1.2 圓弧圓柱蝸桿減速器的設(shè)計(jì) 11
3.1.3 切削主軸設(shè)計(jì)與校核 16
3.2 徑向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 23
3.2.1 液壓馬達(dá)的選擇 24
3.2.2 螺旋傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì) 25
3.2.3 圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì) 25
3.3周向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 28
3.3.1 液壓馬達(dá)的選擇 29
3.3.2 CWU圓弧圓柱蝸桿的設(shè)計(jì) 30
3.3.3 鏈傳動(dòng)減速器的設(shè)計(jì) 31
3.3.4 鏈輪基本參數(shù)的確定 31
3.3.5 中心距的確定 32
3.4 齒形鏈輪的設(shè)計(jì) 34
3.5 行走輪及導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 35
3.6 本章小結(jié) 36
第4章 動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 37
4.1 動(dòng)力機(jī)的選擇 37
4.2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 38
4.2.1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的分類(lèi) 38
4.2.2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的基本回路簡(jiǎn)介 39
4.3 液壓基本回路的設(shè)計(jì) 39
4.4 本章小結(jié) 41
結(jié) 論 42
致 謝 43
參考文獻(xiàn) 44
附錄1 45
附錄2 48
56
第1章 緒 論
1.1 設(shè)計(jì)的背景及意義
隨著管道事業(yè)的發(fā)展，建造石油平臺(tái)和鋪設(shè)管道的基礎(chǔ)—大型輸油管道、下水管道、導(dǎo)管架及類(lèi)似管狀截面的焊接桁架，包括巨形輸油管道和普通管構(gòu)成的鋼結(jié)構(gòu)被大量采用。在鋪設(shè)過(guò)程中，由于需要長(zhǎng)度不一的管道，就需要對(duì)管道進(jìn)行截?cái)嗲懈?；在使用過(guò)程中，由于來(lái)自外界腐蝕性物質(zhì)的長(zhǎng)期侵蝕或受到外來(lái)突然巨大壓力，管道就會(huì)破損或爆裂，這就需要進(jìn)行管道修復(fù)，進(jìn)而需要對(duì)管道進(jìn)行切割開(kāi)破口。為了提高管道切割焊接及修復(fù)的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，關(guān)鍵是提高焊縫的焊接質(zhì)量和焊接速率，也就是對(duì)管頭在焊前進(jìn)行坡口的精確切割和實(shí)現(xiàn)切口的自動(dòng)焊接，而這兩者又是緊密相連的。若管頭切割質(zhì)量不高、焊縫間隙和坡口準(zhǔn)備不良、是很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接的，大大影響了維修質(zhì)量和效率，進(jìn)而影響社會(huì)生活及管道事業(yè)的發(fā)展[1]。
進(jìn)行管道建設(shè)及管道修復(fù)，就需要一整套鋪設(shè)及維修管道的設(shè)備，在這些設(shè)備中，維修作業(yè)機(jī)具是其重要的組成部分之一，維修作業(yè)機(jī)具設(shè)計(jì)水平質(zhì)量的高低直接影響管道事業(yè)的發(fā)展速度。該維修作業(yè)機(jī)具能夠?qū)?00—1000mm的管道進(jìn)行切割、去表皮、開(kāi)坡口、對(duì)口、焊接，清理等作業(yè)，為快速實(shí)現(xiàn)管道的鋪設(shè)及維修提供良好服務(wù)。而切割裝置是這一套維修機(jī)具中重要的設(shè)備之一，其工作質(zhì)量直接影響維修質(zhì)量的高低[2]。
多年來(lái)國(guó)內(nèi)切割領(lǐng)域在這方面做了大量的研究和開(kāi)發(fā)工作，引進(jìn)和研制了系列化的切割、鉆孔、打磨工具等。這些技術(shù)被廣泛用于民用以及軍用的管道作業(yè)系統(tǒng)，也為工程建設(shè)提供了重要手段，大大提高了工作效率和工作質(zhì)量。雖然在切割技術(shù)方面取得了很大成就，但技術(shù)還不夠完善，存在著局限性，比如：功能有限，不能滿足大范圍管道直徑、管壁厚度的作業(yè)要求；切割的管道端面不平整，質(zhì)量不高，極大影響了焊接速率和焊接質(zhì)量；需要針對(duì)性開(kāi)發(fā)的設(shè)備，專(zhuān)具專(zhuān)用，浪費(fèi)人力物力等。為解決這一難題，使切割技術(shù)日臻完善，所設(shè)計(jì)的切割裝置應(yīng)該適用于不同直徑、不同壁厚的管道，切割精度要高，效率要高，操作要簡(jiǎn)易[3]。
目前我國(guó)管道及桁架的截?cái)嗷蚝附訒r(shí)的切割作業(yè)主要是采用手動(dòng)熱切割工具，但由于熱切割要產(chǎn)生高熱，對(duì)所切割管道處的材料性能產(chǎn)生很大影響，且切割端面不夠平整，所以加工質(zhì)量不高。若在特殊情況下，需要高精度的加工，則必須從國(guó)外進(jìn)口或者租用國(guó)外公司的切割設(shè)備，費(fèi)用十分昂貴，經(jīng)濟(jì)性差[4]。
本次設(shè)計(jì)的意義是通過(guò)借鑒國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)，經(jīng)過(guò)自主設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出一種新型的切割裝置，用于實(shí)現(xiàn)油氣管道、大型罐體、大直徑桁架的精確割提高管道切口的切割質(zhì)量和效率，以提高我國(guó)的管道建設(shè)及修復(fù)的技術(shù)水平，為我國(guó)管道事業(yè)的發(fā)展盡綿薄之力。
1.2 切割技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
切割技術(shù)同焊接一樣，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要加工工藝，在橋梁、造船、化工、建筑、機(jī)械制造和國(guó)防工業(yè)等許多部門(mén)都有廣泛應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，切割領(lǐng)域已取得了巨大的成就，為適應(yīng)管道及其它工程的建造，提高切割速度和質(zhì)量，以及適應(yīng)特殊環(huán)境、特殊結(jié)構(gòu)，相繼開(kāi)發(fā)了各式各樣切割方法和設(shè)備。根據(jù)切割原理和切割狀態(tài)的不同，可以分為冷、熱兩類(lèi)切割方法[5]。
1.2.1 熱切割
熱切割:利用熱能對(duì)金屬進(jìn)行加熱，使金屬熔化并采取某種措施將某種金屬或熔渣去除而形成切口的切割方法。熱切割可按物理現(xiàn)象、加工方法、能源進(jìn)行分類(lèi)[6]。
(1) 氣割—利用預(yù)熱火焰加熱切割區(qū)并送進(jìn)高純度切割氧流，借助氧與鐵（或金屬）的反應(yīng)使金屬迅速氧化，同時(shí)用高速切割氧流的動(dòng)量將熔渣排除，從而形成割縫的切割方法。
(2) 氧—熔劑切割—利用熱源對(duì)待切割的金屬預(yù)熱使其熔化，然后供氧使金屬熔化，并將燃燒產(chǎn)生的熔渣及剩余的熔化金屬吹掉而形成切口的切割方法，如水下電弧—氧切割、熱切割矛切割和熱切割纜切割等。
(3) 空氣碳弧切割—利用碳極電弧的熱量使金屬局部熔化，借助于壓縮空氣流將熔化金屬吹除，從而形成槽道或割縫的切割方法。
(4) 激光切割—利用聚集成后直徑很小的激光束照射切割區(qū)，是被切割材料迅速地升華和熔化，從而形成割縫的切割方法。
(5) 另外還有電弧—氧切割，等離子切割，熔化極氣體保護(hù)電弧切割等等。
1.2.2 冷切割
冷切割:利用某種器具或某種高能量，在金屬處于固態(tài)狀態(tài)下直接破壞分子間的結(jié)合而形成切口的切割方法，如機(jī)械切割和高壓水射流切割等[7]。
1.機(jī)械式切割
國(guó)內(nèi)外在發(fā)展其它熱切割技術(shù)的同時(shí)，也發(fā)展了機(jī)械式的切割手段，設(shè)計(jì)了機(jī)械式的切割裝置，這些切割裝置首先經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，然后試用，最后定型生產(chǎn)。由于其加工精度高，所以常用于管件與罐體的端面加工與切割，而且在加工精度要求不斷增長(zhǎng)的情況下，這種機(jī)械切割方法完全能滿足管件斜切的日益增長(zhǎng)的精確性要求，因此應(yīng)用范圍正在逐步擴(kuò)大，機(jī)械式切割方法主要分為三種:
第一種是銑削型的切割機(jī)，它用的是齒形鏈?zhǔn)叫D(zhuǎn)環(huán)繞管件進(jìn)行周向銑削。有品種各異的切割刀具，以適用于加工簡(jiǎn)單的直線形以及復(fù)雜的斜角形的切割要求。傳動(dòng)方式可以是氣動(dòng)的，也可以是液壓傳動(dòng)的。液壓傳動(dòng)型的機(jī)械本體與動(dòng)力源分離，廣泛用于各種場(chǎng)合下的機(jī)械切割，即切割機(jī)可以完全裸露于水中也可用于干式環(huán)境切割。這類(lèi)銑削切割機(jī)己被廣泛的用于干式艙，特別適合于截割一定長(zhǎng)度的管段，加工管端為焊接做準(zhǔn)備，然后嵌入
圖1.1 國(guó)產(chǎn)液壓開(kāi)坡口切割機(jī) 圖1.2 瓦奇T—L—C型切割機(jī)
整個(gè)管道的切割和開(kāi)坡口。它由液壓驅(qū)動(dòng)，可以在管道水平或者垂直方向作業(yè)，可以在壕溝和180米深水下作業(yè)。它可以在帶高壓的管道或者罐體上進(jìn)
行冷切割和坡口加工，加工精度高，安全防爆，特別適合惡劣環(huán)境(風(fēng)沙、污泥、水下)工作，適合海上鉆井、鋪管及各種水上安裝工程。瓦奇公司的T-L-C
剪裁適當(dāng)?shù)墓芏蔚葓?chǎng)合。如圖1.1是北京賽諾靜遠(yuǎn)科技發(fā)展有限公司開(kāi)發(fā)的液壓爬管式切割機(jī)，它是一種便攜式銑削機(jī)，它可以在所有壓力等級(jí)及材
料的管道或者罐體上進(jìn)行冷切割和坡口加工。它通過(guò)鏈條將機(jī)體固定在管道上，驅(qū)動(dòng)鏈輪使機(jī)體帶著旋轉(zhuǎn)的切割刀具和坡口刀沿管道爬行一周，完成對(duì)
切割機(jī)工作原理與北京賽諾的產(chǎn)品基本相同，如圖1.2所示。
第二種機(jī)械切割用的機(jī)具是鋸割式切割機(jī)，它將切割機(jī)固定于被切物體
上，用鋸割的方式工作，刀具為專(zhuān)用鋸條，設(shè)備可以是氣動(dòng)的，也可以是液壓傳動(dòng)的。不受能見(jiàn)度影響，但不能用于切斜角。
第三種機(jī)械切割用的切割機(jī)是車(chē)床式切割機(jī)，它用一種橋式切割裝置工作時(shí)環(huán)繞管子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割，原理與車(chē)床相同，刀具裝在橋頭上。它也適用于直切或各種斜切。如圖1.3為內(nèi)卡式坡口機(jī)，如圖1.4為管端坡口車(chē)床[8]。
圖1.3 內(nèi)卡式切割機(jī) 圖1.4 管端坡口機(jī)
2.高壓水射流切割
高壓水射流切割是近20年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型的冷切割方法，它可以用來(lái)切割其它熱切割方法不能勝任或難以切割的材料，應(yīng)用于各種金屬及非金屬的切割。其基本原理是以水為工作介質(zhì)，將水增至超高壓(100-400MPa)后，經(jīng)截流小孔噴射出，使水勢(shì)能轉(zhuǎn)變成水射流的動(dòng)能，借助高速高密度水射流的巨大沖擊作用來(lái)進(jìn)行切割[9]。
高壓水射流切割優(yōu)點(diǎn)很多，但最大的特點(diǎn)是利用非熱源的高能量水射流束對(duì)材料進(jìn)行加工，切割無(wú)過(guò)熱過(guò)程，避免切割對(duì)象的熱變形，故可以切割幾乎任何金屬及非金屬材料。由于水的冷卻作用，被切割工件的溫升特別小，這樣不會(huì)影響材料的力學(xué)性能。切割速度快，質(zhì)量高、沒(méi)有毛刺、飛邊，切割平面平整、垂直、光潔度高、切口小、確保切口品質(zhì)，可以在工件的任何位置進(jìn)行切割和終止切割、不會(huì)產(chǎn)生有毒害的氣體，可保環(huán)境清潔，無(wú)污染。高壓水射流切割有著其它切割技術(shù)無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于高精密加工方面，同時(shí)也是水下切割的一個(gè)重要研究方向[10]。
國(guó)內(nèi)機(jī)械切割技術(shù)起步較晚，而且現(xiàn)有的切割裝置大多屬于專(zhuān)項(xiàng)專(zhuān)用，所見(jiàn)到的產(chǎn)品還有電動(dòng)小直徑內(nèi)外卡式管端切割機(jī)。另外還有很多其它的切割方式，但大都未形成產(chǎn)品投向市場(chǎng)，只有少量的文獻(xiàn)敘述。高壓水射流技術(shù)也取得了很大進(jìn)步，但技術(shù)還不是很成熟[11]。
以上是作者通過(guò)查閱資料，對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的切割方法及切割裝置進(jìn)行的簡(jiǎn)單介紹，根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，結(jié)合我國(guó)切割技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，迫切需要研制出一種全新的切割作業(yè)裝置，來(lái)提升我國(guó)管道切割修復(fù)的能力。
1.3 研究對(duì)象及發(fā)展趨勢(shì)
主要針對(duì)管徑在500-1500mm范圍內(nèi)的單層和雙層油氣輸送管道、下水道及大口徑桁架，研究適用管道高度高效率切割修復(fù)的一套技術(shù)和裝置，實(shí)現(xiàn)管道快速切割修復(fù)。
本次開(kāi)發(fā)的切割裝置是適用于不同管徑、不同壁厚的高精度切割機(jī)具。我們切割的對(duì)象是大型的管道及油井平臺(tái)大型支架，因此我們最好不要采用熱切割的方法來(lái)完成切割任務(wù)，以免影響焊接質(zhì)量。經(jīng)過(guò)對(duì)比甄選，可供采用的方法有:機(jī)械式切割和高壓水射流切割。本文只對(duì)機(jī)械銑削切割進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，這種切割工具能夠滿足大范圍圓柱形構(gòu)件的切割/開(kāi)坡口作業(yè)。
雖然國(guó)內(nèi)外在切割領(lǐng)域取得了很大發(fā)展，我國(guó)的切割技術(shù)也獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但在科技日新月異的今天，機(jī)械切割/開(kāi)坡口技術(shù)對(duì)機(jī)械切割行業(yè)提出了許多新的更高的要求:如加工精度、材料強(qiáng)度、防腐技術(shù)等技術(shù)需要更高的發(fā)展，并且要求加強(qiáng)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，作業(yè)高精度、高可靠性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等相關(guān)技術(shù)的研發(fā)設(shè)計(jì)。
1.4 本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
(1) 分析了解國(guó)內(nèi)外切割裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，掌握切割裝置的工作原理。
(2) 確定切割裝置的總體設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)切割裝置的機(jī)構(gòu)選型進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定較理想的機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案。
(3) 對(duì)切割裝置的主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，徑向進(jìn)給系統(tǒng)，周向進(jìn)給系統(tǒng)，機(jī)殼和固定裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵零部件的校核。
第2章 總體方案設(shè)計(jì)
本章主要根據(jù)切割裝置的技術(shù)要求，確定其工作原理；進(jìn)行切割裝置功能的綜合分析，在功能分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選型；
2.1 切割裝置的工作原理及技術(shù)要求
2.1.1 工作原理
本論文設(shè)計(jì)的切割裝置是一種體積小安裝方便的銑削型切割機(jī)，機(jī)體通過(guò)柔性齒形鏈條固定在被修復(fù)的管道上，由驅(qū)動(dòng)輪在鏈條上作周向爬行，切割刀具作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)隨機(jī)體繞管道作公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，爬行一周即可完成切割任務(wù)。該機(jī)具可以對(duì)不同管徑的單雙層管道和罐體進(jìn)行切割和加工坡口。
切割裝置進(jìn)行切割作業(yè)的過(guò)程為將管道加工的相關(guān)信息的基本切削參數(shù)輸入操作系統(tǒng)。由技術(shù)人員進(jìn)行切割裝置的安裝，整機(jī)縱向軸線平行于管道軸線，在可拆裝環(huán)節(jié)處打開(kāi)齒形鏈，按照管徑的不同來(lái)調(diào)節(jié)鏈條的長(zhǎng)度，包繞在待加工的管道上，并旋緊拉緊螺桿使其扣緊在管道上。然后開(kāi)動(dòng)切割裝置進(jìn)行空載運(yùn)動(dòng)。由控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整刀具的切削速度和進(jìn)刀量，在切削過(guò)程中也可以隨時(shí)調(diào)整這兩個(gè)速度的大小;當(dāng)徑向切透后，周向爬行進(jìn)給裝置帶動(dòng)主機(jī)沿管道外圓緩慢爬行，爬行的速度、刀具的轉(zhuǎn)速可以由計(jì)算機(jī)來(lái)協(xié)調(diào)控制。當(dāng)爬行一周后，即完成了加工任務(wù)，對(duì)于不同的材質(zhì)和不同角度的坡口的切割可以通過(guò)更換刀具的尺寸和組合來(lái)完成。當(dāng)加工完后，由操作人員卸下切割裝置即可。
根據(jù)切割裝置要實(shí)現(xiàn)的功能，可以確定切割裝置主要有五大組件組成：
(1) 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)刀具對(duì)切割對(duì)象的旋轉(zhuǎn)切割。
(2) 徑向進(jìn)給系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)切割對(duì)象的徑向進(jìn)給切割。
(3) 周向進(jìn)給系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)切割裝置沿切割對(duì)象進(jìn)行周向切割。
(4) 機(jī)殼和固定裝置，是前三大系統(tǒng)的支撐裝置和定位裝置。
(5) 控制系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)切割裝置的自動(dòng)控制。
切割機(jī)的方案簡(jiǎn)圖如圖2.1所示：
圖2.1 切割機(jī)方案簡(jiǎn)圖
2.1.2 技術(shù)要求
(1) 功能：切割金屬管道
(2) 管道直徑：500－1500mm
(3) 制造成本：10萬(wàn)元
(4) 切割壁厚：17－48mm
(5) 壽命：5年
(6) 使用性：操作簡(jiǎn)單、維修容易
2.2 切割裝置功能的綜合分析
對(duì)切割裝置的功能的綜合分析在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中是必不可缺少的環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)中，原理方案的擬定一般從功能分析入手，利用創(chuàng)造性構(gòu)思擬訂出多種方案，通過(guò)分析—綜合—評(píng)價(jià)，求得較理想的方案。本次設(shè)計(jì)主要依據(jù)物理功能元實(shí)現(xiàn)對(duì)切割裝置的功能分析。
切割裝置的任務(wù)是分開(kāi)物料，以便為下一步工作做好準(zhǔn)備，分開(kāi)物料的方法有很多種，如表2.1所示。
根據(jù)給定條件，要求方案盡可能簡(jiǎn)單等方面來(lái)考慮，我們選擇原理三，“剪切”效應(yīng)。切割裝置系統(tǒng)可分為驅(qū)動(dòng)、切割、傳動(dòng)、移位四個(gè)子系統(tǒng)，這樣有利于對(duì)各自系統(tǒng)分開(kāi)求解。
表2-1 切割原理表
效應(yīng)
拉力
高壓水注切割
剪切
彎曲
局部溫升
原理
材料延伸超過(guò)可塑變形范圍
原子從晶格結(jié)合處被分開(kāi)并沖掉
擠壓變形
材料延伸超過(guò)可塑變形范圍
材料加熱超 過(guò)熔點(diǎn)
應(yīng)用實(shí)例
拉斷
高壓水切割
刀具等
切斷，粉碎機(jī)等
氣割，電弧切割
2.3 工藝動(dòng)作的分解
切割裝置的功能是切割管道。由于采用圓盤(pán)刀具切割的方式，切割裝置必須完成以下工藝動(dòng)作：
(1) 圓盤(pán)刀具旋轉(zhuǎn)。
(2) 刀具沿管道徑向運(yùn)動(dòng)。
(3) 刀具沿管道圓周運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)全部管壁的加工。
切割機(jī)圓盤(pán)刀具旋轉(zhuǎn)、刀具徑向運(yùn)動(dòng)和刀具沿管道圓周運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件均采用液壓馬達(dá)。所以，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)條件為：
(1) 圓盤(pán)刀具旋轉(zhuǎn)：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) －＞ 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
(2) 刀具沿管道徑向運(yùn)動(dòng)：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) －＞ 單向直線運(yùn)動(dòng)
(3) 刀具沿管道圓周運(yùn)動(dòng)：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) －＞ 單向直線運(yùn)動(dòng)
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在整個(gè)裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中占據(jù)重要地位，本次設(shè)計(jì)確定切割裝置的總體方案：
(1) 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)刀具對(duì)切割對(duì)象的旋轉(zhuǎn)切割，主要通過(guò)圓弧圓柱蝸桿減速器傳遞動(dòng)力。
(2) 徑向進(jìn)給系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)切割對(duì)象的徑向進(jìn)給切割，主要通過(guò)絲杠螺旋傳動(dòng)來(lái)傳遞動(dòng)力。
(3) 周向進(jìn)給系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)切割裝置沿切割對(duì)象進(jìn)行周向切割，主要通過(guò)圓弧圓柱蝸桿減速器和鏈傳動(dòng)減速器傳遞動(dòng)力。
(4) 機(jī)殼和固定裝置，是前三大系統(tǒng)的支撐裝置和定位裝置。
(5) 控制系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)切割裝置的自動(dòng)遠(yuǎn)程控制。
2.4 本章小結(jié)
在對(duì)切割裝置要實(shí)現(xiàn)的功能及工藝動(dòng)作的綜合分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選型，最后確定切割裝置的總體設(shè)計(jì)方案。
第3章 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)及校核
本章主要進(jìn)行切割裝置本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵零部件的校核。分別進(jìn)行主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、徑向進(jìn)給系統(tǒng)和周向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。爬管式切割機(jī)近年來(lái)來(lái)國(guó)內(nèi)外都有了許多成熟的產(chǎn)品，本次設(shè)計(jì)主要參照著瓦奇T-L-C型切割機(jī)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其主要參數(shù)如表3-1
表3-1 T-L-C型切割機(jī)主要參數(shù)
作業(yè)能力
管徑153-1829mm
主運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)
BMF-D80型擺線液壓馬達(dá)
徑向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)
QJM-001型球塞式液壓馬達(dá)
周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)
BMD-D80型液壓馬達(dá)
刀具速度
0-60轉(zhuǎn)/分鐘可調(diào)
送刀方式
絲杠螺旋
切割速度
10"的管子需要10分鐘。
重量
工作機(jī)凈重：98公斤
運(yùn)輸重量：190公斤
尺寸
61cm×51cm×28cm
切割刀規(guī)格
割刀直徑
適用壁厚
6"
25.4mm
7"
38.1mm
8"
50.8mm
切割壁厚
15.8—50.8mm
由于本次設(shè)計(jì)的切割管徑為500－1500mm，切割管壁厚度為17－48mm，所以本設(shè)計(jì)液壓馬達(dá)的選擇采用瓦奇T-L-C型切割機(jī)中的設(shè)計(jì)。
3.1 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要包括主液壓馬達(dá)，減速器，切削主軸，圓盤(pán)刀具，聯(lián)軸器，緊固螺母等。減速器為圓弧圓柱蝸桿減速器，主液壓馬達(dá)借助于聯(lián)軸器與蝸桿相連，蝸輪軸與切削主軸為同一軸，圓盤(pán)刀具套裝在主軸的一端并用緊固螺母鎖緊。
3.1.1 液壓馬達(dá)的選擇
主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)刀具旋轉(zhuǎn)所需要的動(dòng)力有液壓馬達(dá)提供，根據(jù)表3.1選擇BMF-D80型擺線液壓馬達(dá)，其參數(shù)值如表3.2所示
表3-2 BMF-D80型液壓馬達(dá)技術(shù)參數(shù)
參數(shù)
數(shù)值
排量
80ml/r
額定壓力
10MPa
轉(zhuǎn)速范圍
500r/min
最大輸出轉(zhuǎn)矩
95.5
額定轉(zhuǎn)速
500r/min
最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速
20r/min
額定流量
40L/min
3.1.2 圓弧圓柱蝸桿減速器的設(shè)計(jì)
由于要求切割機(jī)的體積盡量的小，結(jié)構(gòu)盡量緊湊，效率盡量高 ，所以選擇圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)，它是一種新型的蝸桿傳動(dòng)，實(shí)踐證明，這種蝸桿傳動(dòng)
比普通圓柱蝸桿傳動(dòng)承載能力大，傳動(dòng)效率高，使用壽命長(zhǎng)[7]。因蝸桿傳動(dòng)功率大，故蝸桿采用45號(hào)鋼，為使蝸桿傳動(dòng)效率高，耐磨性好，故蝸桿螺旋面要求淬火，硬度為45-55HRC，蝸輪用錫青銅[8]。
1.蝸桿蝸輪基本參數(shù)的確定
馬達(dá)在額定壓力，額定轉(zhuǎn)速下可連續(xù)使用，若實(shí)際工況為1/3額定壓力， 1/3-2/3額定轉(zhuǎn)速時(shí)，液壓馬達(dá)將在高效率狀態(tài)下工作[9]。
液壓馬達(dá)的背壓差為3.3MPa，則液壓馬達(dá)的輸出功率為：
(3-1)
=
=2.09kW
式中 —液壓馬達(dá)的輸出功率；
—液壓馬達(dá)的輸入功率；
—液壓馬達(dá)的總效率，取0.95；
—液壓馬達(dá)的實(shí)際流量；
—液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓差。
則馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩為：
（3-2）
=
=
=
式中 —馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩；
—液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓差；
—液壓馬達(dá)的實(shí)際流量；
—馬達(dá)的轉(zhuǎn)速；
—馬達(dá)的排量,
—馬達(dá)的總效率。
液壓馬達(dá)的輸出功率隨著外載的變化而變化，若液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為300r/min時(shí)，則馬達(dá)所需流量：
（3-3）
=80300/1000=24L/min
此時(shí)馬達(dá)的輸出功率為：
（3-4）
= （3-5）
=3.3240.95/60=1.25kW
根據(jù)刀具旋轉(zhuǎn)速度與液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速，確定選用承載能力大，傳動(dòng)效率高，使用壽命長(zhǎng)的圓弧圓柱蝸桿減速器，輸入功率為2.09kW，最大輸入轉(zhuǎn)速為500r/min,減速比=5，則減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速范圍為4—100轉(zhuǎn)，此時(shí)切削的轉(zhuǎn)速大約為60r/min,切削轉(zhuǎn)矩
=
通過(guò)查齒面疲勞強(qiáng)度承載能力曲線圖，知蝸桿蝸輪的中心距=63mm,根據(jù)圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)參數(shù)匹配原則（如表3.3圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)參數(shù)匹配表）選用如下參數(shù)為減速器的主要設(shè)計(jì)依據(jù)：
，，=35.4mm，=0.583mm，=3.6mm
表3-3 圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)參數(shù)匹配表
中心矩
/mm
參數(shù)
公稱傳動(dòng)比
5
6.3
8
10
12.5
63
24/5
25/4
34/4
31/3
38/2
3.6
3.6
3
3
2.5
35.4
35.4
30.4
32
30
0.583
0.083
0.433
0.167
0.2
80
24/5
25/4
33/4
31/3
37/3
4.5
4.5
3.6
3.8
3.2
43.6
43.6
35.4
38.4
36.6
0.933
0.433
0.806
0.5
0.781
通過(guò)計(jì)算得齒輪的幾何尺寸如下：
蝸桿齒頂圓直徑： =35.4+23.6=42.6mm
蝸桿齒根圓直徑： =35.42.43.6=26.76mm
蝸輪分度圓直徑：=3.624=86.4mm
蝸輪齒頂圓直徑： =86.4+23.6=93.6mm
蝸輪頂圓直徑： =93.6+3.6=97.2mm，取整后為97mm
蝸輪齒根圓直徑： =86.4-2.43.6=77.76mm
蝸輪寬度： =0.6842.6=29mm
蝸輪齒根圓弧半徑： =0.577.76+0.23.6=39.6mm
蝸輪齒頂圓弧直徑：=0.593.6+0.23.6=47.5mm
蝸輪軸上最大轉(zhuǎn)速為100r/min,則蝸輪軸上最大輸入轉(zhuǎn)矩：
（3-6）
=95502.090.85/100=169
2.蝸輪強(qiáng)度的校核
和齒輪傳動(dòng)一樣，蝸桿傳動(dòng)的失效形式也有點(diǎn)蝕，齒根折斷，齒面膠合，即過(guò)度磨損等。由于材料上的原因，蝸桿螺旋齒部分的強(qiáng)度總是高于蝸輪輪齒的強(qiáng)度，蝸輪的強(qiáng)度相對(duì)較弱，所以失效經(jīng)常發(fā)生在蝸輪輪齒上，因此一般只對(duì)蝸輪輪齒進(jìn)行強(qiáng)度校核。
(1) 校核蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)
當(dāng)滿足條件時(shí)，則蝸輪齒面滿足接觸疲勞強(qiáng)度要求。式中，為蝸輪齒面接觸應(yīng)力單位為MPa，為蝸輪齒面接觸疲勞極限，單位為MPa，為最小安全系數(shù)。
蝸輪齒面接觸應(yīng)力：
（3-7）
式中 為分度圓上的圓周力，
為系數(shù)，
為蝸輪平均齒寬，
=25.65mm
為蝸桿齒的齒形系數(shù)，經(jīng)查表
所以蝸輪齒面接觸應(yīng)力：
=2.184MPa
蝸輪齒面接觸疲勞極限：
式中 為蝸輪蝸桿配對(duì)材料系數(shù)，經(jīng)查表=7.84，
為壽命系數(shù)，
為速度系數(shù)，經(jīng)查表取0.666。
為載荷系數(shù)，載荷比較平穩(wěn)，取=1
（3-8）
經(jīng)查表，，，所以蝸輪齒面接觸強(qiáng)度符合要求。
(2) 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
（3-9）
蝸輪齒根應(yīng)力系數(shù)極限值，單位為，經(jīng)查表，錫青銅應(yīng)力極限值為39.2MPa.
齒根最大應(yīng)力系數(shù)，單位為，
（3-10）
蝸輪平均圓周上的最大圓周力，單位N，
蝸輪齒弧長(zhǎng)，單位mm，，蝸輪材料為錫青銅時(shí)，
法向模數(shù)，
（3-11）
則
所以蝸輪齒根彎曲強(qiáng)度符合要求。
3.1.3切削主軸設(shè)計(jì)與校核
1.軸的強(qiáng)度計(jì)算
軸的計(jì)算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求，必要時(shí)還應(yīng)校核軸的振動(dòng)穩(wěn)定性。
軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算：
（1）按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為
(3-12)
式中 —扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力單位為；
—軸所受的扭矩，單位為；
—軸的抗扭截面系數(shù)，單位為mm；
—軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；
—軸傳遞的功率，單位為；
—計(jì)算截面處軸的直徑，單位為mm；
—許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為。
由上式可得軸的直徑
(3-13)
式中 對(duì)于空心軸，則
(3-14)
式中 , 即空心軸的內(nèi)徑與外徑之比，通常取。
應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)軸截面上開(kāi)有鍵槽時(shí)，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的削弱。對(duì)于直徑的軸，有一個(gè)鍵槽時(shí)軸徑增大3﹪；有兩個(gè)鍵槽時(shí)應(yīng)增大7﹪,對(duì)于直徑的軸，有一個(gè)鍵槽時(shí)軸徑增大5%～7﹪；有兩個(gè)鍵槽時(shí)，應(yīng)增大10%～15﹪,然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。
(2)按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算
1)作軸受力分析
在受力分析時(shí)，應(yīng)先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應(yīng)把空間力分解為圓周力，徑向力和軸向力，然后把它們?nèi)哭D(zhuǎn)化到軸上），并將其分解為水平分力和垂直分力。然后求出各支承處的水平反力和垂直反力。
根據(jù)上述，分別按水平面彎矩、垂直平面彎矩，然后按矢量法計(jì)算合成彎矩（）
(3-15)
由已求的合成彎矩和轉(zhuǎn)矩，根據(jù)第三強(qiáng)度理論相當(dāng)彎矩
(3-16)
式中是考慮彎矩和轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的應(yīng)力的循環(huán)特性不同而引入的修正系數(shù)。
的取值由扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的循環(huán)特性決定：
(1)扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力按對(duì)稱循環(huán)變化時(shí)，；
(2)扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化時(shí)，；
(3)扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，。
2）計(jì)算軸的直徑
表3.4 軸常用材料的和值
軸的材料
Q235-A,20
Q275,35
45
/
15～25
20～35
25～45
149～126
135～112
126～103
軸計(jì)算截面上的強(qiáng)度條件為
(3-17)
式中 —軸計(jì)算截面上的相當(dāng)彎曲應(yīng)力（）；
—軸傳遞的扭矩（）；
—軸的抗彎截面系數(shù)(mm)；
—對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)軸的許用彎曲應(yīng)力()。
選取軸的材料為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理。
由表3.4選取 A0為110。
已知：傳遞扭矩為，輸出轉(zhuǎn)速為，蝸輪分度圓直徑為， 壓力角
求切削主軸上蝸輪齒上的作用力
水平面支反力
圓周力
徑向力
2.確定軸的最小直徑
根據(jù)使用條件，選取軸的材料為鋼，調(diào)質(zhì)處理，
, 其中 =110
由式3-15得：,取
3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
定各軸段的直徑和長(zhǎng)度
各軸段的直徑是在由扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算而得的最小直徑的基礎(chǔ)上，考慮軸上零件的軸向定位及裝拆等要求，由軸端起加以確定的。安裝滑動(dòng)軸承，聯(lián)軸器，密封圈等標(biāo)準(zhǔn)件的軸段，其直徑應(yīng)取相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件的內(nèi)徑或孔徑。
各軸段的長(zhǎng)度，主要取決于各零件與軸配合部分的軸向尺寸和零件間必要的軸向間隔距離。確定時(shí)應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，又要保證零件所需的裝配和調(diào)整空間。
經(jīng)確定軸上各段直徑，長(zhǎng)度如圖3.5所示。
圖3.5 切削主軸
（1）按彎曲合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算
當(dāng)軸的支承位置和軸所受載荷的大小、方向及作用點(diǎn)等均已確定，支點(diǎn)反力及彎矩可以求得時(shí)，可按彎扭合成強(qiáng)度條件對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，具體步驟如下：
作軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖
通常將軸當(dāng)作置于鉸鏈支座上的雙支點(diǎn)梁，其支點(diǎn)位置可根據(jù)軸承類(lèi)型及組合方式，按圖3.5確定；由傳動(dòng)件傳遞到軸上的載荷，通常簡(jiǎn)化為作用于零件輪緣寬度中央的集中應(yīng)力，軸上轉(zhuǎn)矩則假定從傳動(dòng)件輪轂寬度的中點(diǎn)算起；若各載荷構(gòu)成空間力系，則將其分解到兩個(gè)互相垂直的平面內(nèi)。把主軸簡(jiǎn)化為圖3.6a段中受集中力作用的鉸支梁。
已知條件知
，
由
代入數(shù)據(jù)得：
，。
由
代入數(shù)據(jù)得：
，
由以上數(shù)據(jù)畫(huà)出主軸在水平面和豎直面的受力簡(jiǎn)圖，如圖3.6b段、3.6c段所示。
1)根據(jù)圖3.6，分別計(jì)算軸上的水平面內(nèi)彎矩、豎直面內(nèi)彎矩。
由式得：
作出水平面內(nèi)的彎矩圖如圖3.6d段、豎直面內(nèi)彎矩如圖3.6e段，以及合成彎矩如圖3.6f段。
圖3.6軸的載荷分析圖
2)作軸的扭矩圖 如圖3.6g段
3）作主軸的當(dāng)量彎矩圖
由已知得到的合成彎矩和扭矩，根據(jù)第三強(qiáng)度理論計(jì)算相當(dāng)彎矩，并做出當(dāng)量彎矩圖。
(3-18)
式中 是考慮彎矩和轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的應(yīng)力的循環(huán)特性不同而引入的修正系數(shù)，取。
由式（3-19）得：
由式（3-18）得：
軸的材料為鋼，查參考文獻(xiàn)得。
，故軸的強(qiáng)度滿足要求。
3.2 徑向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
徑向進(jìn)給系統(tǒng)包括徑向進(jìn)給液壓馬達(dá)，一根進(jìn)給絲杠，一個(gè)進(jìn)給螺母，四根導(dǎo)向光杠，四個(gè)導(dǎo)向套，四組緩沖彈簧。其中固裝在整機(jī)殼體頂部外側(cè)的徑向液壓馬達(dá)與旋入進(jìn)給螺母的進(jìn)給絲杠的上端相連，而進(jìn)給螺母固裝在減速箱方形體的一側(cè)，四根固裝在整機(jī)殼體內(nèi)壁上的導(dǎo)向光杠穿過(guò)固裝在上述減速器方形體的四個(gè)導(dǎo)向套，這樣，當(dāng)徑向進(jìn)給液壓馬達(dá)帶動(dòng)進(jìn)給絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)借助進(jìn)給螺母，就可拖動(dòng)整個(gè)減速器連同圓盤(pán)刀具沿導(dǎo)向光杠實(shí)現(xiàn)進(jìn)給或退刀，四組彈簧置于導(dǎo)向光杠的根部，起緩沖作用。
3.2.1 液壓馬達(dá)的選擇
徑向進(jìn)給速度和功率由液壓馬達(dá)帶動(dòng)螺旋傳動(dòng)來(lái)提供，液壓馬達(dá)由表3.1選擇QJM-001型球塞式液壓馬達(dá)，參數(shù)值如表3.7所示
表3.7 QJM001技術(shù)參數(shù)
參數(shù)
數(shù)值
排量
64ml/r
額定壓力
10Mpa
轉(zhuǎn)速范圍
5—630r/min
額定輸出扭矩
95Nm
假設(shè)液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓差=3.3Mpa，轉(zhuǎn)速12r/min情況下，馬達(dá)所需流量：
（3-19）
=6412/(0.951000)=0.81L/min
式中 為馬達(dá)的排量
則馬達(dá)的輸出功率為：
（3-20）
=3.30.810.95/60=0.042kW
馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩：
（3-21）
式中 為液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓差；
為馬達(dá)的實(shí)際流量；
為液壓馬達(dá)的總效率。
3.2.2 螺旋傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)
螺旋傳動(dòng)主要是將螺旋運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行能量和力的傳遞，或者調(diào)整零件的相互位置，也有將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為螺旋運(yùn)動(dòng)的，本次設(shè)計(jì)螺旋傳動(dòng)的目的是將螺旋傳動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)螺紋摩擦性質(zhì)的不同，可分為滑動(dòng)螺旋，滾動(dòng)螺旋和靜壓螺旋；根據(jù)其用途，可分為傳力螺旋，傳動(dòng)螺旋和調(diào)整螺旋。根據(jù)各自的特點(diǎn)和本設(shè)計(jì)的要實(shí)現(xiàn)的功能及參照表3.1，決定選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的滑動(dòng)傳動(dòng)螺旋，即絲杠傳動(dòng)[10]。馬達(dá)的動(dòng)力通過(guò)絲杠傳遞給減速器，絲杠可選用牙型角為30度，螺紋工藝性好的梯形螺紋，內(nèi)外螺紋以錐面結(jié)合，對(duì)中性好，能傳遞較大力矩，使用壽命長(zhǎng)。
3.2.3 圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì)
在徑向進(jìn)給系統(tǒng)中，在徑向切削過(guò)程中，要有彈簧起到緩沖作用。在設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)彈簧的最大載荷、最大變形、以及結(jié)構(gòu)要求等來(lái)決定彈簧絲的直徑、中徑、工作圈數(shù)、彈簧的螺旋升角和長(zhǎng)度等。在此結(jié)構(gòu)中，采用四根彈簧并聯(lián)共同受力來(lái)完成切削進(jìn)給任務(wù)，而并聯(lián)彈簧的剛度是每一根彈簧剛度之和，當(dāng)進(jìn)給平穩(wěn)時(shí)，載荷平均分配到每根彈簧上。
1.設(shè)計(jì)要求
最小載荷
安裝高度
最大工作載荷
工作行程
要求剛度
載荷作用次數(shù)次
彈簧中徑30mm
載荷類(lèi)型為Ⅱ類(lèi)
抗拉強(qiáng)度，許用切應(yīng)力
端部型式，端部并緊，磨平，支撐圈為一圈
2.材料
材料名稱 彈簧用不銹鋼絲B組;
切變模量；彈性模量；
抗拉強(qiáng)度；許用切應(yīng)力；
3.彈簧基本參數(shù)
選擇旋繞比，取，則曲度系數(shù)：
（3-22）
材料直徑：,取
則實(shí)際旋繞比：
初算彈簧的剛度：
有效圈數(shù)：
，取8圈。
此時(shí)彈簧的剛度：
因是二類(lèi)工作載荷，極限載荷：
根據(jù)彈簧變形量應(yīng)在變形區(qū)域20%-80%的規(guī)定，取壓并時(shí)的變形量：
，
壓并高度：
節(jié)距：
自由高度：
取95mm
彈簧內(nèi)徑：
彈簧外徑：
最小載荷下彈簧高度：
最大載荷下彈簧高度：
實(shí)際工作行程:
彈簧螺旋升角:
（3-23）
在對(duì)范圍內(nèi)。
4.強(qiáng)度校核
疲勞強(qiáng)度：
（3-24）
式中 —彈簧材料的脈動(dòng)循環(huán)剪切疲勞極限，對(duì)于高優(yōu)質(zhì)鋼絲，不銹鋼絲，鈹青銅，對(duì)于不銹鋼絲
為最大工作載荷產(chǎn)生的最大切應(yīng)力。
故彈簧的疲勞強(qiáng)度符合要求。
靜應(yīng)力強(qiáng)度校核
（3-25）
所以該彈簧設(shè)計(jì)合理。
3.3周向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
周向進(jìn)給系統(tǒng)包括裝在這機(jī)殼內(nèi)部的周向進(jìn)給液壓馬達(dá)，過(guò)載保護(hù)器，CWU減速器，鏈傳動(dòng)減速器，周向行走輪，齒形鏈導(dǎo)鏈輪和整機(jī)行走輪等等。液壓馬達(dá)經(jīng)過(guò)過(guò)載保護(hù)器與CWU減速器的主軸相連，其輸出經(jīng)鏈傳動(dòng)減速器降速后拖動(dòng)固裝在大鏈輪軸上的驅(qū)動(dòng)鏈輪，，閉合的齒形鏈繞過(guò)待加工的管道驅(qū)動(dòng)齒形鏈，張緊齒形鏈，而機(jī)殼底部的兩套周向行走輪從齒形鏈外側(cè)壓緊之，使得齒形鏈與管道之間有較大的包角。人工旋轉(zhuǎn)拉緊螺桿，使張緊鏈齒輪沿導(dǎo)軌外移，使齒形鏈與管道緊密接觸。此處的驅(qū)動(dòng)鏈輪還是整機(jī)沿管道周向運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)輪，它轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于齒形鏈已牢牢箍在管道的外壁上，便可在它的限定下拖動(dòng)整機(jī)沿管道圓周運(yùn)動(dòng)。
3.3.1 液壓馬達(dá)的選擇
整機(jī)沿管道爬行的動(dòng)力由液壓馬達(dá)提供，根據(jù)表3.1選用BMD-D80型液壓馬達(dá)，其技術(shù)參數(shù)如表3.8所示。液壓馬達(dá)在額定壓力，額定轉(zhuǎn)速下可連續(xù)使用，若工況選擇在1/3額定壓力，1/3-2/3額定轉(zhuǎn)速時(shí)，馬達(dá)將在高效率區(qū)域工作。
設(shè)液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓差為3.3Mpa，則馬達(dá)的輸出功率為：
（3-26）
=3.3320.95/60
=1.67kW
表3.8 BMD-D80型液壓馬達(dá)技術(shù)參數(shù)
參數(shù)
數(shù)值
排量
80ml/min
額定壓力
10Mpa
額定轉(zhuǎn)速
400r/min
最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速
20r/min
額定扭矩
95Nm
額定流量
32L/min
額定功率
4kW
馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩：
（3-27）
=
式中 為液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓差；
為液壓馬達(dá)的實(shí)際流量。
3.3.2 CWU圓弧圓柱蝸桿的設(shè)計(jì)
1.選擇蝸桿傳動(dòng)類(lèi)型
由于要求結(jié)構(gòu)緊湊，減速比較高，根據(jù)GB10085-88DE推薦，選擇承載能力高，傳動(dòng)效率高，使用壽命長(zhǎng)的圓弧圓柱蝸桿。
2.選材料
因蝸桿傳動(dòng)功率大，故蝸桿采用45號(hào)鋼，效率要求高，耐磨性好，則蝸桿螺旋面要求淬火，硬度為45-55HRC，蝸輪用錫青銅。
3.蝸輪蝸桿的具體設(shè)計(jì)
查圓弧圓柱蝸桿功率曲線圖知，當(dāng)CWU圓弧圓柱蝸桿減速器、中心距=80mm、減速比為=8、轉(zhuǎn)速=400r/min時(shí)，輸入的最大功率為2kW，又液壓馬達(dá)的最大輸出功率為1.67kW。所以選中心矩=80mm,又根據(jù)圓弧圓柱減速參數(shù)匹配表（表3.3）知：
蝸桿頭數(shù): =4, =33, =35.4mm, =0.806mm
通過(guò)計(jì)算得：
蝸桿齒頂圓直徑：=35.4+23.6=42.6mm
蝸桿齒根圓直徑：=35.42.43.6=26.76mm
蝸輪分度圓直徑：=3.633=118.8mm
蝸輪齒頂圓直徑：=118.8+23.6=126mm
蝸輪頂圓直徑：=93.6+3.6=97.2mm，取整后為97mm
蝸輪齒根圓直徑（中間平面）：
=118.82.43.6=110.2mm
蝸輪寬度：=0.6842.6=28.96mm，圓整后取29mm
蝸輪齒根圓弧半徑：
（3-28）
=0.5110.2+0.23.6=55.8mm
蝸輪齒頂圓弧直徑：
（3-29）
=0.5126+0.23.6=63.7mm
3.3.3 鏈傳動(dòng)減速器的設(shè)計(jì)
鏈傳動(dòng)是應(yīng)用較廣的一種機(jī)械傳動(dòng)，它是由鏈條和主從鏈輪所組成，鏈輪上有特殊的齒，依靠鏈輪與鏈節(jié)的嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。它屬于帶有中間撓性件的嚙合傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)無(wú)彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，能保持準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率高，作用于軸上的徑向壓力較小，結(jié)構(gòu)較為緊湊，制造安裝精度要求低，成本低廉，可以大中心距傳動(dòng)。
設(shè)液壓馬達(dá)的輸出功率為120r/min,則液壓馬達(dá)所需流量：
=80120/1000=9.6L/min
液壓馬達(dá)所需功率：
=3.39.60.95/60=0.5kW
3.3.4 鏈輪基本參數(shù)的確定
第一級(jí)圓弧圓柱蝸桿減速器減速比=8,則小鏈輪的轉(zhuǎn)速為15r/min，假設(shè)液壓馬達(dá)上的功率不損失的傳到鏈輪上1.8kW,則鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率為1.8kW，根據(jù)查滾子鏈的額定功率曲線圖，選用鏈號(hào)為20B系列，鏈節(jié)距=31.75mm，查表得滾子鏈直徑=19.05mm。
鏈傳動(dòng)推薦傳動(dòng)比在2.5~3.5之間，取=3，本設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)緊湊，體積要小，在鏈傳動(dòng)中，當(dāng)鏈傳動(dòng)線速度很小時(shí)，鏈輪齒數(shù)可以取得很小，查設(shè)計(jì)手冊(cè)鏈傳動(dòng)部分，最小齒數(shù)可取9，所以本次設(shè)計(jì)就按最小齒數(shù)來(lái)計(jì)算，小鏈輪=9，則大鏈輪。
小鏈輪的分度圓直徑：
齒頂圓直徑：
=92.83+1.2531.7519.05=113.47mm
=d+(1－1.6/z1)p－d1=92.83+（11.6/9）=102.66mm
則取=107mm
大鏈輪=27，則其分度圓直徑：
=273.5+1.2531.7519.05=294.14mm
=d+(1－1.6/z2)p－d1=273.5+（11.6/27）=284.32mm
則取=（294.14+284.32）/2=289.32mm取整后為290mm
齒根圓直徑=273.519.05=254.45mm
3.3.5 中心距的確定
1.確定鏈條鏈節(jié)數(shù)
初定中心距=300mm，則鏈節(jié)數(shù)為
（3-30）
=18.89+18+0.87
=37.75 節(jié) 取整38節(jié)
2.確定鏈條長(zhǎng)度及中心距
（3-31）
=303.8mm
因?yàn)殒湕l在安裝時(shí)應(yīng)有一個(gè)垂度，所以中心距應(yīng)該有一個(gè)減小量：
=（0.002~0.004）=（0.002~0.004）303.8
=0.6~1.21mm
實(shí)際中心距mm
取=303mm
3.鏈條速度
4.作用在軸上的壓軸力
（3-32）
作用在軸上的有效圓周力：
=7042N
按水平布置軸，取壓軸力系數(shù)=1.15，故=1.157042=9313N
5.驗(yàn)算小鏈輪彀空
查得小鏈輪的彀孔的許用最大直徑=50mm大于所設(shè)計(jì)軸徑=40mm，所以小鏈輪彀孔直徑選擇合適。
第一級(jí)蝸桿蝸輪減速器減速比為=8，第二級(jí)鏈傳動(dòng)減速比為=3，則整個(gè)切割裝置沿管道爬行的總減速比為24，則由液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速為120r/min可算得大鏈輪的最小轉(zhuǎn)速為5r/min。
3.4 齒形鏈輪的設(shè)計(jì)
周向進(jìn)給系統(tǒng)保證整機(jī)在齒形鏈的限定下沿管道圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)完成對(duì)全部管道的切割加工，齒形鏈傳動(dòng)平穩(wěn)準(zhǔn)確，振動(dòng)噪聲小，強(qiáng)度高，承受沖擊性好，傳動(dòng)效率高，工作可靠。齒形鏈又稱無(wú)聲鏈，它是由一組帶有連個(gè)齒的鏈板左右交錯(cuò)并列鉸接而成，鏈外側(cè)是直邊，工作時(shí)鏈齒外側(cè)邊與鏈輪輪齒相嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，齒形鏈上設(shè)有導(dǎo)板以防止鏈條在工作時(shí)發(fā)生側(cè)向竄動(dòng)。
鏈條采用標(biāo)準(zhǔn)齒形鏈條，鏈節(jié)距=15.875mm，查表選鏈輪齒數(shù)=21，齒形角=60°，則鏈輪分度圓直徑：
(3-33)
齒頂圓直徑：mm
齒槽定位半徑：=0.37515.875=5.95mm
分度角：
齒槽角：
齒面工作段最低至節(jié)線的距離:=8.73mm
齒根間隙：=1.27mm
齒根圓直徑： （3-34）
=86.32mm
3.5 行走輪及導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)
行走輪是爬行裝置的一個(gè)重要組成部分，可以使切割裝置在管道表面形成整體滾動(dòng)。它嵌于機(jī)殼底部的凹槽里，通過(guò)螺栓和抗剪銷(xiāo)釘固定。齒型帶鏈正好置于中間的導(dǎo)鏈輪上，工作時(shí)不會(huì)脫落或產(chǎn)生偏差。
導(dǎo)軌是被加工管道端面垂直度的重要保證裝置。管道上首先由工作人員安裝導(dǎo)軌，然后再將切割裝置的導(dǎo)輪嵌放在該導(dǎo)軌的槽中，可以使該切割裝置在光線灰暗甚至零能見(jiàn)度的情況下進(jìn)行水下垂直切割。如果不用導(dǎo)軌系統(tǒng)，不僅由于齒形鏈的柔性的原因，切出來(lái)的端面不能和管道軸線垂直，大大影響接下來(lái)的焊接加工工作，而且切割裝置在安裝時(shí)要浪費(fèi)很多時(shí)間。
1-導(dǎo)軌輪 2-導(dǎo)軌 3-鎖緊螺母
圖3.9 導(dǎo)軌裝置簡(jiǎn)圖
3.6 本章小結(jié)
本章主要進(jìn)行切割裝置本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件的校核。首先進(jìn)行主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)液壓馬達(dá)的選擇及圓弧圓柱蝸桿減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和校核。接著進(jìn)行徑向進(jìn)給機(jī)構(gòu)和周向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的液壓馬達(dá)的選擇及蝸桿減速器和和圓柱壓縮彈簧的設(shè)計(jì)及校核。
第4章 動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
本章主要進(jìn)行切割裝置動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括動(dòng)力機(jī)的選擇，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
4.1 動(dòng)力機(jī)的選擇
1.應(yīng)選用何種形式的動(dòng)力機(jī)，主要應(yīng)從以下三個(gè)方面進(jìn)行分析比較
(1) 分析工作機(jī)械的負(fù)載特性和要求，包括工作機(jī)械的載荷特性、工作制度，結(jié)構(gòu)布置和工作環(huán)境等。
(2) 分析動(dòng)力機(jī)本身的機(jī)械特性，包括動(dòng)力機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等特性，以及動(dòng)力機(jī)所能適應(yīng)的工作環(huán)境。應(yīng)使動(dòng)力機(jī)的機(jī)械特性與工作機(jī)械的負(fù)載特性相匹配。
(3) 進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性的比較，當(dāng)同時(shí)可用多種類(lèi)型的動(dòng)力機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，經(jīng)濟(jì)性的分析是必不可少的，包括能源的供應(yīng)和消耗，動(dòng)力機(jī)的制造，運(yùn)行和維修成本的對(duì)比等。
除上述三方面外，有些動(dòng)力機(jī)的選擇還要考慮對(duì)環(huán)境的污染，其中包括空氣污染和噪聲污染等。
動(dòng)力機(jī)主要包括電動(dòng)機(jī)，內(nèi)燃機(jī)，氣動(dòng)馬達(dá)和液壓馬達(dá)等，由于切割裝置有時(shí)在潮濕條件下使用，所以驅(qū)動(dòng)裝置不能選用電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)，只能在液壓馬達(dá)和氣動(dòng)馬達(dá)之間選擇。
2.液壓馬達(dá)作為動(dòng)力機(jī)時(shí)具有以下特點(diǎn)
(1) 可以獲得很大的機(jī)械力或轉(zhuǎn)矩。
(2) 與電動(dòng)機(jī)相比在相同功率時(shí)的外形尺寸小、重量輕，因而運(yùn)動(dòng)件的慣性小，快速響應(yīng)的靈敏度高。
(3) 液壓馬達(dá)可以通過(guò)改變油量來(lái)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度，傳動(dòng)比較大，低速性能好，容易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速和過(guò)載保護(hù)，操作和控制