毕业设计（论文）-石油钻井平台桩管热熔机设计及仿真.doc

北华航天工业学院毕业生论文毕业设计报告(论文)报告(论文)题目： 石油钻井平台桩管热熔机设 计及仿真（800-1100） 作者所在系部： 机械工程系 作者所在专业： 测控技术与仪器 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 2013年6月14日 北华航天工业学院教务处制34摘 要由于海底的石油能源在当代能源行业中的地位非常重要，对此课题研究提供了有力的条件和保证。此课题的设计要求源于石油钻井平台上废弃后桩管的切割和处理，对深入海底以下桩管进行火焰热切割。由于海上石油钻井平台桩管形状有不确定性，工作环境的特殊性，所以首先要完成理论研究，尺寸的计算，模型的设计，结构力学的计算，电机的选取以及最后的实践生产。此课题研究结合了工程力学，机械设计，机械制造的知识。根据此课题生产出的产品非常具有独创性，填补了海上石油钻井平台桩管切割机的空白。不但将热熔机切割所涉及领域延伸到海上的能源行业，其实际的意义在于将废弃工业残留物进行了彻底清除以便再次利用，也同时保护了海洋的环境，造福于人类。本课题的研究成果主要适用于海上石油钻井平台桩管的切割，具有工作效率高，降低劳动的强度，经济效益提高等特点。关键词 桩管 热熔机 设计仿真 电机 力学计算 Abstract As the offshore oil in energy industry is very important ,it provide favorable conditions to the research on this subject .The design requirements of this subject stems from the cutting and processing waste pile pipe oil drilling platform .Depth below the seafloor pile pipe flame thermal cutting .Uncertainly due to offshore oil drilling platform tube shape .The particularity of the work environment .First complete theoretical study ,size calculation ,model design ,structural mechanics calculations ,motor selection .The research of this subject combine mechanics ,precision mechanical design ,engineering and manufacturing knowledge .The production produce originality and it fill the blank of oil drilling platform pipe cutting machine .Not only extends to the hot melt cutting the areas covered by the offshore energy industry .Its real significance lies in abandoned industry residues were cleared for reuse .While protecting the marine environment ,the benefit of mankind. The research results are mainly applicable to offshore oil drilling platform tube remove with a high, reduce labor intensity and high economic efficiency.Key words pile pipe hot melt machine simulation motor machine calculations 目 录第1章 绪论11.1 热熔机的介绍11.2 热熔机在中国的发展概况11.2.1 我国热熔机的发展概况11.2.2 热熔机分类21.2.3 热熔机的概况21.2.4本课题设计技术现状、水平和发展趋势31.3 相关工作背景31.3.1 机械设计的总体要求31.4 研究的内容和要求51.4.1重点解决的技术问题51.4.2预期的成果和提供的形式61.4.3总体的设计及技术要点：61.4.4设计及仿真的步骤6第2章 本课题研究说明72.1 本课题设计研究背景72.2 机械结构设计要求72.2.1 机械结构设计的任务72.2.2机械结构设计特点72.2.3机械结构设计要求82.2.4机械结构设计准则8第3章 支撑臂电机的选择与计算93.1 支撑臂机械结构配置图93.2 机构各个装置的理论数值93.3 理论计算93.3.1 丝杠、电机转速93.3.2 负载扭矩、负载转动惯量103.3.3 直线运动部件负载惯性103.3.4 电机轴负载转动惯量103.3.5 支撑臂展开时间113.4 电机选择123.4.1 轴承外套转动惯量133.4.2 大齿轮转动惯量133.5 关于电机控制的说明133.5.1 支撑臂电机133.5.2 割据展开电机143.5.3 割据回转电机15第4章 机械结构设计与计算164.1 机械结构设计组成164.1.1 组成框图164.1.2 执行机构164.1.3 驱动系统184.1.4 控制系统184.1.5 位置检测装置184.2 主要结构设计与计算184.2.1 传动轴设计与计算184.2.2 主体结构力学模拟214.3 机构外观及工程图展示234.3.1 机构及主要零部件外观展示234.3.2 机构及主要零部件部分工程图展示25参考文献28附 录29第1章 绪论1.1 热熔机介绍热熔机在日常生活中有着广泛的应用，它是利用火焰切割将金属制成自己需要的形状和大小，热熔机在桩管切割方面有不可替代的重要作用。在不断加大的科学研究，使得深海海底的探测切割管道技术有所创新，扩大了热熔机的使用范围：在环境保护和经济效益方面有了更大的优势，既保护了海洋的自然环境又节约了钢铁等自然资源。此类产品在目前海洋资源越发成为国家能源战略重点背景下，有很广的发展和应用创新空间。1.2 热熔机的发展概况1.2.1 热熔机概况：热熔机利用电热熔化原理，控制温度变化，配合机械装置来达到产品的熔接，埋植螺母和铆接等效果！铜钉、螺丝埋植、塑料铆合成型。适用于大、中型工件热埋植、铆接、点焊等工艺，能满足螺丝埋植及铆接，如电脑面框、键盘、电子电器等大面积、多点位塑胶加工之需求，金属机构件与塑料机构件镶嵌、熔接、螺丝、螺母等五金的热熔、埋植。 热熔焊接机焊接优点：1、夹具固定于相应的上、下压板的位置上；2、在上、下压板的动力、定位导向系统作用下，能高速、平稳、无冲击地使胶件接触到热烫模进行热烫，使胶件接合面材料至熔融状态；3、在较短的时间内完成平稳、快速地离开热烫模；4、将热烫模加热板及上夹具、下夹具设计成为一个独立组装部件，便于安装和搬运。 热熔焊接机应用范围：金属机构与塑料机构镶嵌、熔接、螺丝、螺母等五金件的热熔、埋植；广泛应用于数码相机存储卡、氩弧焊学校 喇叭网罩、MP3、MP4、电脑内置件，蓝牙、手机壳固定铜螺母的熔接；特别适用地汽车、电子、电器、玩具、包装、仪表仪器、数码产品、通信器材等行业。手机外壳、电脑键盘、计算机、电话机、汽车灯、户外冰箱、门板、吸尘器、洗衣机平衡图、洞洞球、CD盒、韵律舞踏板、洗衣机出水栓、蓄电池、蒸汽烫斗，水密气密、高强度的产品。热熔机主要适用于热塑性塑料管材,如 PERT、PP-R、PE、PP-C等的热熔承插焊接,被广泛用于给排水、排污、空调制冷系统、通信系统等塑胶管道的安装施工和维修，也适用于家用电器、车灯、汽车溶器等塑件焊接。更换模头即可用于各种口径大小的塑料管材管件的焊接。热熔机具有温度控制精确，可靠性高，安全指数高，环境适应性强的特点，结构坚固，方便快捷，所焊管材管件接口更强于管材本身，永不渗漏.1.2.2 我国热熔机发展概况热切割在现代工业中的作用在机械工业领域中,热切割和焊接都是采用面很广的重要基础工艺。随着机械工业的迅速发展,热切割技术也相应地获得了快速的发展。近20年来,已从单一的火焰切割发展成为包括火焰切割、等离子弧切割、激光切割、水射流切割等多种工艺方法在内的现代化切割技术。可切割的材料由通常的碳钢和低合金钢发展到高合金钢、不锈钢、多种有色金属和陶瓷、塑料、橡胶、皮革及其他非金属材料;应用领域覆盖了机械、造船、石油、化工、矿山、冶金、交通运输和轻工等许多工业部门。热切割的应用有两个特点:一是与焊接生产的配套,二是用于物料的分离。我国热切割工艺现状我国的热切割技术长期处于简单落后的状态,发展缓慢。目前切割生产的85%左右仍为手工切割,切口留量大、精度低、割缝宽,不仅耗用大量的加工工时，影响结构件的质量,而且材料的利用率低,约为60%(国外工业发达国家已在80%以上)。按我国一年切割钢材2000万t计算,如能将材料利用率提高到80%,则每年可节省钢材400万t,价值近百亿元。我国切割材料利用率低的主要原因是切割生产的机械化、自动化水平低。目前我国每年耗用手工割炬120万把,由此可见其在切割生产中的比例;自制和进口的CNC切割机不足500台,按每台机床每年切割2000t钢材计,CNC切割机所切割的钢材仅占应切割钢材的5%;此外,我国小型切割机拥有量约5万台。如按日本的焊机与切割机的比例为 41计算,我国现拥有焊机200万台,应拥有50万台切割机才相适应。对我国热切割发展的建议。大力推广小型切割机及精密割嘴,减少手工切割量我国小型切割机种类很多,价格便宜,大小企业都有条件配备,且可显著提高切割质量和材料利用率。目前我国已有小型切割机生产厂24家,主要产品有:半自动手持式、小车式、割圆式、仿形式、全位置多向式等切割机,此外还有钢管切割机,型钢切割机,马鞍型切割机,U型、X型、Y型、K型坡口及球瓣坡口切割机,相贯线切割机,等等,品种较齐全。这些产品的基本功能和内在质量相当于国外70年代末80年代初同类产品水平。目前,我国每年生产小型切割机约6 500台,并有少量出口。在大中型焊接车间有选择地采用CNC切割机，我国现有CNC切割机生产厂12家,其中有三家分别与国外梅萨、伊萨、田中等公司合作生产,其余厂家全部为自主开发生产。国产CNC切割机有单边和双边驱动两种形式,形成跨距为38m的系列产品,最高划线速度为12m/min,技术指标达到国外80年代初水平,每年产量约50台。与CNC切割机相配套的编程器,国内已有几家开发成功并批量生产,以TZ-EPNS数控自动编程套料系统为代表,完全可以满足国内不同用户的需要。但由于CNC切割机价格昂贵,又需要相应地解决编程及维修人员等问题,所以对一些钢材耗量少,板料比重小的生产车间不宜采用。大型焊接车间采用CNC切割机也应相应地建立备料工段,集中备料、套料,这样有利于提高材料的利用率。改革热切割能源结构,目前我国火焰切割采用的燃气90%以上是乙炔气,而国外一些工业发达国家乙炔气用量只占燃气量的35%左右,其余均为石油气和天然气等。乙炔气是由电石产生出的,生产电石需耗费大量的电能。今后还要继续结合我国经济建设发展的需要,积极开发和推广新的热切割设备和工艺,主要应从以下几方面着手:实现数控切割机系列化,开发和推广适合中小企业使用的简易CNC切割机和数控编程器;完成CNC切割机的备件国产化;完成等离子切割机产品系列化和防干扰电控等离子电源及割炬、水再压缩及水下切割等项技术;发展电解水氢氧切割技术;数控热切割及钻铰组合机;大截面铸锻件数控精切成形技术;水射流切割技术;数控激光切割技术;专用于报废核装置解体切割的遥控切割技术。1.2.3 热熔机的分类按所用热能种类，热切割分为：气割(火焰切割)。用可燃气体同氧混合燃烧所产生的火焰熔化金属并将其吹除而形成切口。可燃气体一般用乙炔气，也可用石油气、天然气或煤气。等离子弧切割。用等离子弧作为热源，借助高速热离子气体(如氮、氩及氩氮、氩氢等混合气体)熔化金属并将其吹除而成割缝。同样条件下等离子弧的切割速度大于气割，且切割材料范围也比气割更广。有小电流等离子弧切割、大电流等离子弧切割和喷水等离子弧切割3种。电弧切割。利用电弧作为热源进行的切割。其切割质量较气割差，但切割材料种类比气割广泛，所有金属材料几乎都可用电弧切割。又可分为碳弧切割、气刨和空心焊条电弧切割3种。激光切割。利用激光 束作为热源 进行的切割。其温度超过11000，足以使任何材料气化。激光切割的切口细窄、尺寸精确、表面光洁，质量优于任何其他热切割方法某些计量机构在传统的检测方法基础上，利用自有的仪器进行了改造或程序设计，解决了一些特定测试问题。1.2.4本课题设计的技术现状、水平和发展趋势目前在几类广泛应用的海洋石油钻井平台里，桩管的切割是个世界性难题。既要考虑高质量、高精度和高强度，又要加强使用可靠性和使用寿命。各个国家都在投入不小的精力研发最新技术。基于海洋石油钻井平台位于较深的海基基底，所以热熔机切割一定要适应深海海底环境的要求。在日常工业用途中的板材切割技术和设备只要做相应的改造即可应用到石油钻井平台桩管切割作业。目前常用热熔机分为PE管道热熔机和EPS管道热熔机等分类。热熔机的发展适用于热塑性塑料管材,如等的热熔承插焊接,被广泛用于给排水、排污、空调制冷系统、通信系统等塑胶管道的安装施工和维修。更换模头即可用于各种口径大小的管材管件的焊接。热熔机具有温度控制精确，可靠性高，安全指数高，环境适应性强的特点，结构坚固，方便快捷，所焊管材管件接口更强于管材本身，永不渗漏。在未来石油钻井平台桩管切割领域热熔机有很广阔的应用前景。1.3 相关工作背景1.3.1 机械设计一台完整机器的设计是一个复杂的过程。机械设计是一项创造性的工作。设计工程师不仅在工作上要有创造性，还必须在机械制图、运动学、工程材料、材料力学和机械制造工艺学等方面具有深厚的基础知识。一、 对于在校基础知识的要求：1、制图基础：必须达到可以按照实物娴熟地画出任何一个零件的三视图；并且可以把在脑海中想象出的形状通过三视图表现出来。2、公差配合：必须清楚地理解并记住各种符号的意义，并能知道常用加工方法所能达到的粗糙度、配合公差、形位公差。3、机械原理：各种常用传动方式的原理、计算和应用。4、加工工艺：需要了解各种加工手段，以及各种加工手段的性能、能达到的精度、加工方法、设备基本原理等。5、金属材料：了解常用材料的性能、热处理方法等6、液压、气动原理：了解各元器件原理、功能、使用方法以及表示符号等。能够根据实物画出原理图。7、材料力学、理论力学：需要达到理论层面的理解和娴熟，即可以明确地知道力学性能、变化趋势，但不要求记住具体公式或数值。8、电路电工基础知识：自动设备的机械功能最终都要依靠电气元器件来实现，因此对基本的电气原理、电路图、常用元器件功能要有所了解。9、计算机知识：CAD、solidword等三维软件，必须娴熟，可以熟练地绘制零件。其它常用办公软件也需适当了解。如word、excel等。二、 实际应用需要具备的能力：1、读图能力：对给出的图纸能够看懂其工作原理以及每部分结构。在脑海里形成完整清晰甚至可以动起来的图像。2、拆图能力：对给出的总图，可以绘制出其中的每一个零件，并用三视图表达清楚所有细节。同时要求对每一个零件的可装配性、可加工性、成本、性能要有足够的考虑。对于好的拆图要求能够发现并修改总图设计上的缺陷或错误。3、标注能力：对绘制出的零件图进行标注，尤为重要的是学会给出适当的粗糙度、公差配合、形位公差的要求。尺寸要齐全，并不得有封闭尺寸。注意标注的尺寸起点以及误差累积问题。表面处理要适当。4、工艺能力：清楚地设计出每一个零件或结构所使用的材料、加工方法、热处理方法等，对于任何一个公差或尺寸提出的要求都是基于实际结构的需要以及加工工艺的要求来共同决定的。5、结构设计能力：为了实现某一种功能，可以想象并绘制出可用、可装配、可加工、成本适中的结构，对于好的结构设计要求结构要简单可靠、成本低廉、美观大方。6、测量和质量、安全管理：了解基本的测量检测手段、了解并理解质量管理、安全管理的方法和规定，把质量和安全的理念应用到零部件设计中。7、解决问题能力：在生产过程中，会出现很多加工工艺、失误、意外因素等原因造成的问题，这需要通过丰富的设计和实践经验，灵活的头脑和智慧找出快捷、简便、低成本的解决方法。8、判断能力：对于一个零件其强度是否足够？一个结构其性能是否可靠？一台设备其总体是否合理美观？成本孰高孰低？性能孰优孰劣？诸如此类问题，要求设计者在头脑中有基本准确的直觉判断。9、准确性：机械设计人员的第一要求是准确，其次才是巧妙。要求避免任何形式的错误，尤其是疏忽大意造成的错误坚决要避免。三、 思想方面的要求1、热爱本专业：机械设计是一种枯燥并且成长较慢的行业，需要大量地积累经验才能逐渐成熟以致精通。这就需要从心底里热爱甚至崇尚自己的专业才能有足够的信心和耐心来坚持、才能有足够的动力和兴趣去学习钻研，才能真正地进步。2、求知欲：对于本专业需要有强烈的求知欲望和探究精神，勇于向同事请教、探讨甚至争论，在探讨知识的时候永远不要自满和耻于下问。3、社会生存能力：任何职业都离不开社会，所以团队精神、协作能力、沟通能力、包容互助、乐观上进也是一个合格工程师必须具备的品质。4、人生观：一个人的一切行为归根结底取决于他的人生观和生活态度，只有具备积极乐观的生活态度，才会懂得创造生活、享受生活、珍惜生活，也才谈得上工作的积极和上进。不懂得生活也必然不懂得工作。产品的责任诉讼迫使设计人员和公司在选择材料时，采用最好的程序。在材料过程中，五个最常见的问题为：（a）不了解或者不会使用关于材料应用方面的最新最好的信息资料；(b)未能预见和考虑材料的合理用途（如有可能，设计人员还应进一步预测和考虑由于产品使用方法不当造成的后果。在近年来的许多产品责任诉讼案件中，由于错误地使用产品而受到伤害的原告控告生产厂家，并且赢得判决）；(c)所使用的材料的数据不全或是有些数据不确定，尤其是当其性能数据长期不更新；(d)质量控制方法不适当和未经验证；(e)由一些完全不称职的人员选择材料。通过对上述五个问题的分析，可以得出这些问题是没有充分理由而存在的结论。对这些问题的研究分析可以为避免这些问题的出现而指明方向。尽管采用最好的材料选择方法也不能避免发生产品责任诉讼，设计人员和工业界按照适当的程序进行材料选择，可以大大减少诉讼的数量。从以上的讨论可以看出，选择材料的人们应该对材料的性质，特点和加工方法有一个全面而基本的了解。在随后生产和售后服务的几年中，要接受新观念的变化，或者由试验和经验为基础，进一步分析并改进。1.4 研究的内容和要求1.4.1重点解决的技术问题（1）热熔机切割头要求连续双向运转、载荷平稳，并且避免热熔后柱头过小，热熔时温度过低，热熔头和热熔柱不成直线关系。这对仪器设备的制造精度和设计原理性要求增加。既要使用方便又要运行平稳易于管道的切割。（2）10年的使用寿命和大批量的生产：要求热熔机要在经济性的前提下选材精良，经久耐用。结构上要简单易拆解组装可清洗，更要偏于在生产线上大批量生产。（3）空载启动且切割速度波动误差稳定在5%：在没有任何载荷的情况下启动设备可热机又可检验设备是否出现问题，以便及时修理。而5%的波动误差要求设备具有反馈系统，可时时检测设备的运行情况。 (4)结构设计要适应深海严峻的环境和桩管形状的不确定性：在真实工作环境温度-30+50和湿度30%80% 范围内不影响仪器设备的运行；在进入管道内壁下降到切割处时可以自动检测位置误差：在下降过程中要避免由于桩管形状的不规则造成的仪器重心的不稳定而使牵引绳索的受力不均造成的断裂。 1.4.2预期的成果和提供的形式1.4.2.1提供的形式：(1)石油钻井平台桩管热熔机的机械结构设计装配图；(2)solidworks软件设计出的三维实体装配图；(3)关键零部件图纸。1.4.2.2预期成果：(1)在-30+50温度和30%80%湿度环境下工作；(2)装管热熔机切割速度为0100mm/min；(3)输送的管道直径在800mm1100mm，厚度为5mm20mm：(4)桩管深度为30m60m。1.4.3总体设计及技术要点：(1)该系统应用于深海石油钻井平台桩管热熔切割；(2)切头连续双向运转；(3)载荷平稳、空载启动；(4)速度波动在5%；(5)使用寿命为10年；(6)可两班制工作、大批量生产。1.4.4设计及仿真的步骤(1)了解石油钻井平台桩管的设计结构、材料类型、发展种类。查找文献和现有技术论文寻找适合的热熔机切割类型。(2)应用本科专业现有知识设计热熔机切割结构图，进行力学计算，材料筛选，装备图的平面绘制。(3)进行零件及细节设计绘制。(4)利用三维实体绘制软件设计绘制仪器设备的三维实体和主要零部件。(5)热熔机仪器设备的仿真。 第2章 本课题研究说明2.1 本课题的设计研究背景第一次工业革命开始后，石油逐渐取代了原始的材料成为人类的生活和生产中必不可少的能源。经过一个多世纪的消耗与浪费，陆基石油储量锐减，不少国家出于对国家和地区的战略安全考量开始着手与储备石油能源。这又无形的增加了陆基石油的使用量。不过，在近代海上石油钻井平台的出现以后，给我们提供了可以说是额外的石油能源，其储量的巨大，引起了许多国家和地区的争夺。随着已探明拥有巨大石油的储量的海域上不断的建起钻井平台，因为老旧毁坏而无法使用的钻井平台矗立在大海之中。这些所谓的海上固定的国土遗留，不仅了提高了航道上过往船只的危险系数，更是污染了海洋的生态环境。基于这样的大背景之下，紧跟时代，应企业要求遂研究开发出此类的产品：海上石油钻井平台的桩管热熔机。其意义在于提出研制一种石油钻井平台桩管热熔机使它能完成海下废弃平台桩基拆除任务，并且能够安全、稳定和高效的工作越来越成为该领域急需解决的一项关键技术，为我国在该领域的突破书写了新篇章，也为人类在海上石油钻井平台桩管的切除提供了有效的方法。2.2 机械结构的设计要求2.2.1 机械结构设计的任务设计的任务是在总体设计基础上，根据之前所确定的原理方案，确定并绘出具体结构图，以体现所要实现的功能。是将抽象的工作原理具体化为某类构件或着零部件，具体内容为在确定了结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理的方式和表面状况的同时，还必须考虑其加工的工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题。所以，结构设计的直接产物虽是技术图纸，但结构设计工作不是简单的机械制图，图纸只是表达设计方案的语言，综合技术的具体化是结构设计的基本内容。2.2.2机械结构设计特点（1）机械设计是集思考、绘图、计算（有时进行必要的实验）于一体的设计过程，是机械设计中涉及的问题最多、最具体、工作量最大的工作阶段，在整个机械设计过程中，平均大约80%的时间用于结构设计，对机械设计的成败起着关键性的作用。 （2）机械的结构设计问题的多解性，即满足同一设计要求的机械结构并不是唯一性的。（3）机械的结构设计阶段是一个很活跃的设计环节，常常需反复交叉的进行。为此，在进行机械结构设计时，必须了解从机器的整体出发对机械结构的基本要求。2.2.3机械结构设计要求 机械产品应用于各个行业，结构设计的内容和要求也是有千差万别，但都有相同的共性部分。机械结构设计要求有三个不同层次。（1）设计功能满足主要机械功能要求，在技术上的具体化。如工作原理的实现、工作的可靠性、工艺、材料和装配等方面。（2）质量的设计兼顾各种要求和限制，提高产品的质量和性能的性价比，它是现代工程设计最主要的特征。具体为操作、美观、成本、安全、环保等众多其它要求和限制。在现代设计中，质量设计相当重要，往往决定产品的综合竞争力。那种只满足技术功能要求的机械设计时代已经过去，统筹兼顾各种实际要求，提高产品的质量，是现代机械设计理论的关键所在。（3）优化设计和创新设计 用结构的设计变元等方法系统的构造优化设计空间，用创造性设计思维方法和其它科学方法进行优选和创新。 对产品质量的提高永无止境，市场的竞争日趋激烈，需求向个性化方向发展。因此，优化设计和创新设计在现代机械设计中的作用越来越重要，它们将是未来技术产品开发的竞争焦点。2.2.4机械结构设计准则机械设计的最终结果是以一定的结构形式表现出来的，按所设计的结构进行加工、装配，制造成最终的产品。所以，机结构设计应满足作为产品的多方面要求，基本要求有功能、可靠性、工艺性、经济性和外观造型等方面的要求。此外，还应改善零件的受力，提高强度、刚度、精度和寿命。机械结构设计过程中应考虑如下的结构设计准则。（1） 实现预期功能的设计准则（2）满足强度要求的设计准则（3）满足刚度结构的设计准则（4）考虑加工工艺的设计准则（5）考虑装配的设计准则（6）考虑造型设计的准则 第3章 支撑臂电机的选择与计算3.1 支撑臂机械结构配置图 3.2 机构各个装置的理论数值负载速度Vl=600mm/min机械效率=摩擦系数=0.1负载质量M=45kg丝杠直径DB=40mm,梯形螺纹丝杠长度LB=600mm丝杠螺距PB=6mm(或10mm)减速比1/R=2/13.3 理论计算3.3.1 丝杠、电机转速丝杠转速 Nl=600/6=100r/min电机转速 NM=100*2=200r/min3.3.2 负载扭矩、负载转动惯量螺纹升角，tan=PB/(d2)=6/(3.1435)=0.091 =3.1 （PB =10mm时=5.2）当量摩擦角 v =arctan(/cos)=arctan(0.1/cos1) =acrtan0.1035=6丝杠效率 tan/tan(+v)=0.05416/0.016=33.8% （PB =10mm时=0.46）负载扭矩 TL=(Mg+ M g)PB/2R =(0.1459.8+459.8)6/23.1420.338=1371Nmm=1.37Nm负载转动惯量 JL=JW+JG+JB/R23.3.3 直线运动部件负载惯性直线运动部件负载惯性 JW=M(PB/2R)2 = 45(0.006/22)2 =3.2710-6同步轮惯性 JG=(L1D14+ L2D24 /R2)/32 =3.142.71030.0350.0754/32+3.142.71030.0270.154/（22*32） =0.0003+0.0009=0.0012联轴器惯性 JI=3.1481030.0950.0814/（2232）=0.0003 kg.m2丝杠惯性 JB=3.148103*0.60.044/（2232）=0.0003 kg.m23.3.4 电机轴负载转动惯量电机轴负载转动惯量 JL=3.2710-6+0.0012+0.0003 kg.m2+0.0003 kg.m2 =0.0018 kg.m2 =1810-4 kg.m2负载运行功率 PO=2NMTL/60=23.1420001.37/60=286.79W3.3.5 支撑臂展开时间撑开时间 t=25060/600=25S加减时间分别为0.1S负载加速功率为 Pa=(2NM/60)2(0.0018/0.1)=789.6W3.4 电机选择电机选择RSMZ-10B(950W)csmd-10b (1000w)CSMD-08B (800w) 额定转速3000r/min20002000额定扭矩3Nm 4.83.57最大瞬间转矩9.13Nm14.410.7电机轴转动惯量1.4710-4 kg.m26.172.82伺服控制器容许负载转动惯量14.710-4 kg.m261.710-4 kg.m228.210-4 kg.m23.4.1 轴承外套转动惯量轴承外套转动惯量 Jzcwt= 61049829.79( 克平方毫米)= 61049829.7910-9 kg.m2=6110-3 kg.m23.4.2 大齿轮转动惯量大齿轮转动惯量 JDCL= 8250453.26( 克平方毫米)=82.510-4 (kg.m2)3.5 关于电机控制的说明3.5.1 支撑臂电机电机型号为MDME 022G1C，不带制动，编码器参数为20位增量式驱动器型号为 MADHT1507(1)该电机采用力矩控制方式；(2)工作时首先支撑臂返回原点，原点处有死挡铁（考虑工作环境、安装及可靠性问题，未采用行程开关控制），碰到死挡铁后，力矩增加，当增加到预定的力矩后电机停转，即为返回原点动作完成；注：该预定力矩需在机电联机调试时根据试验确定。(3)电机向相反方向转动，支撑臂展开，当遇到预切割管的管壁时，支撑臂无法继续展开，力矩增加，当增加到预定的力矩后电机停转，即为展开臂展开动作完成；注：支撑臂展开速度请钻井研究院确定。(4)到位后，根据脉冲编码器的反馈信号计算预切割管的内径；与此相关数据如下：有关编码器每转反馈脉冲数请查阅伺服电机和伺服驱动手册；传动丝杆的螺距为6mm;齿轮传动比为100；有关预切割管的内径计算公式：D 撑紧杆丝杠螺母座的上升移动距离，可根据编码器反馈脉冲数、丝杆螺距和齿轮传动比计算。D的工作行程为0315mm。(5)当整个切割动作完成后，支撑臂返回原点。注：此电机控制不需轨迹运动曲线。另撑紧臂电机工作时应进行转矩监控，当达到前面的预定转矩时应停机报警。3.5.2 割据展开电机电机型号为MDME 022G1D，带制动，编码器参数为20位增量式驱动器型号为 MADHT1507(1)该电机采用位置控制方式；(2)工作时割炬展开机构首先返回原点，原点处有死挡铁（考虑工作环境、安装及可靠性问题，未采用行程开关控制），碰到死挡铁后，力矩增加，当增加到预定的力矩后电机停转，即为返回原点动作完成；注：该预定力矩需在机电联机调试时根据试验确定。(3)电机向相反方向转动，割炬展开机构展开，当展开到要求的位置时，即为割炬展开动作完成；有关割炬展开位置的确定：根据前面支撑臂的撑紧动作，已经知道预切割管的内径，根据下面的公式即可计算割炬展开位置：F= K=2037.5K值初选37.5，可根据需要调整；G的取值范围为099.31，G值为割炬展开机构展开拨叉的转角，可根据割炬展开电机脉冲编码器的反馈脉冲和割炬展开电机与展开拨叉机构的齿轮传动比计算获得，割炬展开电机与展开拨叉机构的齿轮传动比为300。(4)当时，为防止冲击割炬，割炬展开电机应减速接近管壁。当时即认为到达展开切割位置，电机制动，割炬回转，进行割炬回转动作。注：割炬展开速度和接近速度请钻井研究院确定。另割炬展开电机工作时应进行转矩监控，当转矩超过前面的预订转速时应停机报警。建议编码器电子齿轮比选512，割炬展开控制精度可达0.5mm(5)切割完毕后，割炬机构返回原点并进行制动。注：此电机控制亦不需轨迹运动曲线3.5.3 割据回转电机电机型号为MDME 022G1D，带制动，编码器参数为20位增量式驱动器型号为 MADHT1507(1)该电机采用位置控制方式；(2)工作时割炬回转机构首先返回原点，原点处有死挡铁（考虑工作环境、安装及可靠性问题，未采用行程开关控制），碰到死挡铁后，力矩增加，当增加到预定的力矩后电机停转，即为返回原点动作完成；注：该预定力矩需在机电联机调试时根据试验确定。(3)电机向相反方向转动，割炬回转，当割炬回转到预定角度时，即为切割动作完成；与割炬回转有关的的机构齿轮传动比为300。注：割炬回转角度及回转速度请钻井研究院确定。(4)切割完毕后，割炬机构返回原点并进行制动。注：此电机控制亦不需轨迹运动曲线。割炬回转电机工作时应进行转矩监控，当转矩超过前面的预订转速时应停机报警第4章 机械结构设计与计算4.1 机械结构设计组成4.1.1 组成框图机构主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1-1所示。位置检测装置执行机构驱动系统控制系统 图1-1机构组成方框图4.1.2 执行机构包括支撑臂，传动轴，导向扶正机构，电机，还有其他外设机构。3.1.2.1 支撑臂即与管道内壁接触的部件。其与内壁支撑方式为静摩擦力产生的向上的支撑力。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。支撑臂前段安装有滑轮，橡胶制成，可在接触壁上自由移动，防止支撑臂因受到较大力而损坏。支撑臂的材料取决于工作环境，制造工艺和材料本身的力学性能，因此选择铝镁合金（机构大部分都采用铝镁合金材料） 4.1.2.2 传动轴由电机驱动齿轮，进而使齿轮旋转将传动轴的旋转通过螺纹结构进行支撑臂的打开与闭合。 4.1.2.3导向扶正机构 其机构设计由上、下导向扶正机构两个组成，均由一个电机驱动。4.1.2.4 拔杆转盘机构通过独立电机控制，与减速器配合固定在悬挂臂伤的切割探头伸展出去，在传感器将关闭与切割头距离控制好后可进行切割。 拔杆转盘机构4.1.3 驱动系统驱动系统是驱动工业机构执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机构按规定的要求运动的系统。目前工业机构的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机构按规定的程序运动，并记忆人们给予机构的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机构的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。4.1.4 控制系统控制系统是支配着工业机构按规定的要求运动的系统。目前工业机构的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机构按规定的程序运动，并记忆人们给予机构的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机构的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。4.1.5 位置检测装置控制机构执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。4.2 主要结构设计与计算4.2.1 传动轴设计与计算传动轴机构是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。通常由螺杆、螺母、机架及其他附件组成。它主要用于将回转运动变为直线运动，或将直线运动变为回转运动，同时传递运动或动力，应用十分广泛。4.2.1.1螺旋传动的几种常见类型（1）按传动形式分螺杆轴向固定、转动，螺母运动，如图448（a）所示。常用于机床进给机构，如车床横向进给丝杠螺母机构。螺杆转动又移动，螺母固定，如图448（b）所示。多用于螺旋压力机构中，如摩擦压力加压螺旋机构。螺母原位转动，螺杆移动，常用于升降机构，如图448所示。（2）按用途分传力螺旋主要用于传递动力。主要特点：工作速度低、间歇工作，传递轴向力大、能自锁。如举重器、千斤顶、加压螺旋。传导螺旋用来传递运动和动力，主要特点：一般具有较高的运动速度、连续工作、传动精度高。如机床进给机构。调节螺旋一般用于调整并固定零件或部分之间的相对位置，要求自锁性能好，有时也有较高的调节精度要求。如车床尾座调整螺旋机构。4.2.1.2螺旋传动的应用常用的螺旋机构有单螺旋机构和双螺旋机构。其中，单螺旋机构应用广泛，如螺旋千斤顶、车库丝杠传动机构、虎钳螺旋机构等。如图449所示，双螺旋机构有两种情况：当两螺旋副中的螺旋线旋向相同而导程不同时，该螺旋机构称为差动螺旋机构。应用时，一个螺母固定，一个螺母移动。差动螺旋机构中可移动螺母移动距离与螺杆转角的关系为：（s1s2）/2（s1、s2为螺杆的导程）（4-7）如果s1、s2相差很小时，位移也可以很小，常用的螺旋微调机构都是利用这个特性，如千分尺，镗刀微调装置。当两螺旋副的螺旋线旋向相反时，该机构称为复式螺旋机构。在复式螺旋机构中，可移动螺母移动距离与螺杆转角的关系为（s1+s2）/2复式螺旋机构的位移与（s1+s2）成正比，常用在快速夹紧机构中。4.2.1.3滚动螺旋机构简介若在普通螺杆与螺母之间加入钢球，同时将内、外螺纹改成内、外螺旋滚道，就成为滚动螺旋机构。如