DN300液动胀管器的设计

第1章绪论1.2研究目的及意义非开挖设备在近几十年的发展中从无到有，在整个建筑机械设备中所占比例愈来愈三是与开挖工程相比，其综合成本(直接成本+间接成本)较低。承包商达4000余家，各种非开挖施工方法达百余种。设备和材料分为管道安装设备、管道更换与修复设备、管线更换设备、人员可进入管道修复设备、工作井掘进设备、监控我国非开挖技术的使用始于20世纪50年代，在80年代中期开始稳步发展，近十年萌芽期：20世纪80年代中期以前张家口探矿机械总厂、西北探矿机械厂、北京探矿发展期：20世纪80年代中期到20世纪末地矿部勘探技术研究所生产的GBS-10型导公司合作研制的DZ-200型导向钻机；壮大期：21世纪以来，目前我国约有400多家工程承包商、100多家设备制造商和材本章主要介绍了DN300液动胀管器的设计这一课题的研究背景，研究目的及意义和国内外研究现状。分析了我国目前下水管道更换的施工环境，介绍了开挖施工的缺点，强调了非开挖施工的意义和重要性。说明非开挖管道施工对城市建设有着积极的作用，进而强2.1非开挖管道更换技术(1)该技术具有广泛的应用；(2)非开挖胀管工具的结构简单；(4)采用非开挖形式施工工期短，效率高。(5)明显的经济效益；(6)安全性和可靠性高。(1)管道爆裂技术被认为适用于脆性管材(见管道脱开)。管道爆裂在非开挖式管道更换方法中的应用较为(2)管道脱开技术过现有管道。管道脱开系统用于更换非脆性管(3)管道的腐蚀和更换技术(4)钻机定向扩管技术扩孔工艺变形来将现有管道破碎然后拉入新管道来替换旧管。碎片悬浮在钻井液中，并(5)管道顶出和抽出技术管道顶出和抽出技术(主要用于铅管抽取和更换)涉及将现有管道完全从地下移除，(6)其它技术控制管线和等级(CLG)系统和内爆(管道破碎)方法。②内爆(管道破碎)技术是从内部使现管道破裂，钢锥向外推动管道碎片，并将接污水管或更大管径的污水管道更换因为非开挖施工需要在地面下进行一定程度的挖掘工2.3非开挖液压胀管法施工过程操纵台2缠绕机提升机双源动力站(手动操纵台)(3)操纵台1拐角器旧管道胀管器新管道顶管器(1)胀头动力管(2)提升机动力管(3)顶管器动力管非开挖施工过程包括8个步骤：3.1DN300液动胀管器的设计条件3.1.1DN300混凝土管原来旧管DN300混凝土管的公称内径300mm,壁厚30mm,外径360mm,埋深4米，管长2米。所需更换的HDPE新管为DN355,管的公称外径355mm。依照国家2006年颁一：最小管径的间距在40米至50米一个，中等管径的间距在60米至90米，大管径间距在120米。本文假定接收井和发射井之间距离为75m。3.2液动胀管器工作原理及总体方案设计压缸缸体与法兰盘通过6*M20螺栓进行连接。本文胀管器材料选取45号钢，咖为600MPa,可s为355MPa.允许抗剪强度应为178MPa。66xM12螺栓底盘外究M20螺栓螺母 M80螺母6xM10螺栓连杆图3.3DN300液动胀管器零件示意图3.3DN300液动胀管器主要零部件选型液动胀管器受力分析如图3.4所示。由于一开始撑开板与混凝土管接触，将其胀破。故可认为在开始状态时整个胀管器所承受的力最大。对六瓣中的一瓣的工作过程进行分析，液压缸工作时，液压缸产生一个向左的拉力F₀,对于其中一瓣来说所受到液压缸的拉力F1。通过连杆从而给撑开板产生一个沿连杆方向的推力FAs,当FA沿与板垂直方向的分力大于混凝土管破坏强度时，则可破坏混凝土管。即对于胀管器来说要受到管对它的反作用力=。当破坏300mm管径混凝土管时，假设起始接触长度为=1mm,相对与整个胀管器长度，可认为初始为点接触，接触面积为s,图3.4液动胀管器受力分析图F₂=[a]*C*S=30*2*78.53.3.1液压缸的选型首先确定供油方式：考虑到该压力机在工作进给时需要承受较大的工作压力，系统功率较大，速度较低。考虑到节能降热、系统结构、效率和工作压力，泵源系统应选用轴向柱塞泵。然后是调速方式的选择：在小型压力机液压系统中，通常采用节流阀或调速阀来控制进给速度。最后是速度切换方式的选择：为了提高系统的速度切换平稳性，可以采用行程阀切换速度的切换回路代替。系统采用电磁阀控制的快、慢切换电路。其结构简单，调节行程方便，阀门安装方便，但速度切换稳定性差。液压系统原理如图3.5所示。1.油箱2.液压缸3.活塞4.换向阀5.节流阀6.开停阀7.溢流阀8.液压泵9.滤油器图3.5液压系统原理图表3.1液压缸尺寸标准名称公称尺寸系列(部分)液压缸的公称压力液压缸活塞行程液压缸内径尺寸液压缸活塞杆外径尺寸如表3.1所示，初步选择液压缸内径d=160mm,工作压力20MPa。一般安装方式分三种法兰安装、铰支安装和脚架安装，本文选用后法兰安装。液压缸所能产生的最大拉力oF=PS₂=20*π*(160=-90=)/4=27故选用液压缸内径d=160mm,液压杆杆径d=90mm,工作压力为20MPa的液压缸。经过选区后选用星宇液压科技有限公司的50吨高压缸，类型为工程液压油缸，型号169*90 (FA),压力范围20MPa,速度范围8-300m/s,缸外径190mm,缸内径160mm,液压杆杆径90mm,行程50mm,最大压力32MPa,总重66kg,常态320mm。2图3.6液压缸尺寸(dhl1)和D型(du8)四种不同规格的圆柱销。业图3.7圆柱销规格表3.2圆柱销尺寸尺寸8d81公称本文所设计的DN300液动胀管器主要选取C型圆柱销，材料为40Cr,热处理之后硬开板之间的连接销2和撑开板与外壳之间的连接销3。本文所选取的圆柱销规格为销1DN300液动胀管器外壳与端盖的连接选用6个M10螺栓，液压缸与法兰盘的连接选用6个M20螺栓连接，法兰盘与底盘之间选用6个M16螺栓连接，底盘与外壳之间采用3.4DN300液动胀管器主要零部件的设计DN300液动胀管器外壳材料为45号钢，为对称结构。总长530mm,壁厚20mm,最大直径420mm,最小直径277.6mm,外壳锥度8°,头部6个M10尾部6个M12螺纹孔均匀分布，沿外壳切向均匀分布6个直径为10mm的通孔。壁厚34.97mm,最小壁厚21.04mm。尾部通孔10mm长度20mm。头部两通孔12mm,长度10mm,距离20mm。最大宽度110mm,边线角度4°。撑开板头部与撑开板上表面垂DN300液动胀管器连杆连接块材料45号钢，中心螺纹孔M80,与液压杆配合。厚度20mm,外圆直径169mm,6个直径为10mm的通孔沿切向均匀分布，通孔距圆心72.5mm,中间槽深20mm,宽20mm。DN300液动胀管器连杆材料45号钢，总长82.5mm,一端外圆10mm,通孔直径12mm,另一端外圆10mm,通孔直径12mm,壁厚20mm,两通孔圆心连线62.5mm。DN300液动胀管器端盖材料45号钢，外圆直径277.51mm,壁厚15mm,最外圈6个DN300液动胀管器底盘材料45号钢，外圆直径220mm,壁厚15mm,最外圈6个M12螺纹通孔沿直径400的圆切向均匀分布，将通过螺钉与外壳相连。6个M16螺纹通孔沿直块包括电磁场分析、结构分析(可进行线性分析、高度非线性分析和非线性分析)、声场显示、粒子流迹显示、彩色等值线显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)、矢量显建立DN300混凝土管的几何模型(300*2000);建立材料属性：添加混凝土材料；设定边界条件：假定管道一端固定，另一端为加载端；网格划分：用6000多个四面体网格轴向呈82°的力。F₂=F/sin37°*cos(53°+8y方向36.552kN的应力，且考虑周围土壤条件在管道表面添加土壤压应力70k由ANSYS分析产生的应力和形变图可以看出，最大应力297MPa,远大于DN300混4.2销的校核采用的销的材料为40Cr,根据机械设计手册，该材料的抗拉强度极限o=735MPa,许用图4.2销受力分析图图4.3销位置图(1)连杆连接块与连杆相连接的销的校核销的剪切应力达到安全极限时的拉力F故连杆连接块与连杆相连接的销满足销的剪切强度校核要求。(2)撑开板与连杆相连接的销的校核销的剪切应力达到安全极限时的拉力F故撑开板与连杆相连接的销满足销的剪切强度校核要求。(3)撑开板与外壳相连接的销的校核销的剪切应力达到安全极限时的拉力F故撑开板与外壳相连接的销满足销的剪切强度校核要求。4.3螺栓的校核由于选用件为标准件，所以强度设计主要为确定或验算螺栓危险界面的尺寸。螺栓的其他部分，螺母，垫圈等，一般都可从标准中选取。因为在制定标准时，已考虑了螺栓螺母的各部分以及垫圈的强度。栓拉断截面状况归纳出的经验公式：DN300液动胀管器的螺栓连接为受拉松螺栓联接，该联接只受静载荷。螺栓强度等级是根据力学性能划分的。本文选用性能等级为10.9级的螺栓，螺栓材质公称抗拉强度达900MPa级；螺栓材质的屈强比值为0.8;螺栓材质的公称屈服强度达1000×0.9=900MPa4.3.1液压缸与法兰盘之间的螺栓校核载荷通过螺栓组形心，各螺栓分担的工作载荷相等。螺栓个数为z=6个，则F=F₀/z6xM20其螺纹连接部分的强度条件表4.1螺栓安全系数材料碳素钢合金钢故液压缸与法兰盘之间的螺栓满足强度校核要求。4.3.2底座与法兰盘之间的螺栓校核载荷通过螺栓组形心，各螺栓分担的工作载荷相等。螺栓个数为z=6个，则6xM16其螺纹连接部分的强度条件4.4本章小结本章介绍了DN300液动胀管器的分析校核过程。首先介绍了有限元分