爬管式切割装置的结构设计

摘要绪论1.1课题研究背景目的及意义1.1.1课题研究背景随着中国管道行业的不断发展，建设行业中对包括建设石油平台的大型石油管道、大型下水管道、巨型输油管道和长输油气管道等大型管道的需求也越来越高。在建设过程中，在工程建设中，由于现场工作要求，可能需要现场削减或切断大型管、管道。在使用过程中，管道可能被从外部突发性的巨大外部压力破坏或因腐蚀性物质的长期腐蚀出现缺口，因管道维修需要，就必须要对破损管道进行切割。在实际工作中，管切割的工作效率以及焊接质量是很重要的问题，若管道切割速度慢，会影响整个工程进度，若切割后管道坡口质量较差、焊缝间隙较大，则会增加后续焊接工作难度和焊接后管道的质量。这是影响管道事业发展，进而影响社会生活进步的关键性问题。目前在我国大型管道切割现场中应用较为普遍的切割方式是人工热切割工具，虽然成本较低，但是热切割产生的管道切口质量较差，对后续焊接工作带来困难，而且对管道进行加热也会对被加工管道的性能造成不良影响，所以该种切割方式切割管道质量较低。如果在特殊情况下需要加工高精度的坡口，就必须从国外进口或者租用较先进的切割设备，造成不小的经济负担，经济性差。1.1.2课题研究目的现代社会人们对石油及其天然气的使用更加广泛，特别是我国国民经济的发展，使得石油及其天然气的使用量大大增加，怎样更好的运输成为人们越来越关心的问题了。虽然输送方式很多，但是管道运输仍然是一中最重要的方式，并且所占比例越来越大，管道需要焊接，而切割又是焊接的首道工序。然而切割的好坏直接影响到焊接的质量。我们国家的经济及其国力却直接影响到切割的质量，所使用的大多依靠进口。所以我们国家便研制出有这本国特色及其高质量、高效率、操作简便的管道爬行切割机。多年来国内在管道切割领域方面做了很多投入，引进和研制了各种各样的用于切割、焊接和打磨的机械。这些机械被广泛用于管道建设行业中，为管道工程建设的发展出了一份力，大大提高了管道作业的工作效率和工作质量。但是虽然在管道切割和管道焊接方面获得了较大突破，但是管道切割的技术还不够完善，存在着很多局限性，例如无法满足大范围的对管道直径、管壁厚度的工作要求；切割的管道端面参差不齐，坡口质量不好，这极大影响了管道作业的后续焊接工作的速率和焊接后管道的质量；且大多数为特定开发的设备，专具专用，不仅为器械运输提供了困难，同时也是资源商的浪费。为了解决这一难题，节省人力物力，同时提高工作效率，所设计的管道切割装置应能满足可以加工不同直径、不同管道壁厚的需要，同时方便安装操作，利于搬运，并且切割后坡口质量要高，效率要高。管道切割机的共用主要是为了降低人力成本，节省劳动时间，提高加工产品质量。随着社会经济建设的高速发展，机械工业在经济建设中的作用日益突出，许多建设中的原材料以及人们日常所需的生活物资都要通过管道来运输，因此，管道在我国工业发展中有着举足轻重的地位，管道的安装以及保养也就极为重要了。而管道切割机的液压站就显得尤为重要，设计好一个性能优越的切割机液压站就可以对管道的顺利运输起到重要的作用，一个性能优越的管道切割机可以让管道切割机的性能得到最大限度的提升。1.1.3课题研究意义为了快速高效的完成管道建设或管道修复，就需要一整套专业设备铺设管道，或完成修复管道的前期准备工作。在这些设备中，管道切割机具是其中较为重要的一环，管道切割机的研究水平高低将直接影响工作效率和维修质量的高低。在实际生活中,许多例如长输油管道的大型管道难以使用小型管道切割设备加工,而专用的大型管道切割设备难以运输，同时大型管道切割设备的造价也相对昂贵。在传统的工程作业中,多以人工手持焊枪的方式切割为主,不仅劳动强度大,工作效率低，而且存在一定安全隐患，工人在施工时很容易受伤。本次爬管式切割装置的结构设计旨在提供一种切割大型金属管道呵加工坡口的新思路，提高实际作业中的工作效率和工作质量，同时也能为工人们工作时的安全提供保障，以提高我国的大型管道事业建设及修复的工艺水平，为我国管道事业的发展尽绵薄之力。同时本次设计也能较大提升我的个人能力，更好的运用所学知识处理分析问题。1.2国内外发展现状1.2.1国内发展现状在实际工程作业中，很多需要对管道进行铺设或对管道切割修复的情况，需要切割切割管道，开出适合焊接的坡口，以便进后续加工作业。所以切割/坡口机是管道加工作业中极为重要的专业设备，与其相关的各项技术在国外发展程度较高，已有相关成形产品出售。中国的管道切割技术和水平相对于国外处于落后状态，但中国的管道切割技术在近几十年来有了十足的进步，中国本地企业逐渐在科技研发领域投入更多资源，加快提高了中国关刀切割技术的发展速度。同时因为中国经济的迅速发展，更多的外企公司将投资目光投向中国，越来越多的外企工厂在国内建立，加快了国内外管道切割技术的交流，也因此各种层出不穷的手动、半自动和自动的管道切割设备出现在各处施工现场中，大大加快了整体管道切割工作效率。近年来，气体火焰切割方式也逐渐出现在大众视野中，其以乙炔为主要燃料，通过对被切割管材加热熔断，达到管道切割的目的。气体火焰切割也逐渐扩展了包括天然气、煤气和氢气等新型燃料的能源种类，为燃气能源高度利用和管道切割发展，开辟了更为广阔的前景。切割技术和焊接同样是现代工业生活中的重要加工方式，在建桥、造船、化工、建筑、机械制造等诸多部门都有极为广泛的应用。经过多年的发展，切割领域已取得了巨大的成就，为适应管道及其它工程的建造，提高切割速度和质量，以及适应特殊环境、特殊结构，相继开发了各式各样切割方法和设备。根据切割原理和切割状态的不同，可以分为冷、热两种切割方式REF_Ref29094\w\h[4]。热切割是通过对金属加热，以熔化金属材料的方式，并采取其他措施将产生的金属熔渣除去，从而使金属管道断裂达到切割金属管道目的的切割方法。例如国内的一款火焰管道切割机，该火焰切割机采用了重量轻小的铝制机身，较为突出的特点是其特有的切割机导轨，该种导轨通过钢带搭建连接，可以调整安装直径，安装较为方便，适合多种管径的切割工作。同时该切割机配有遥控器，可以调整爬行速度、行进方向，适合在干燥工况下工作。图1-1国产火焰管道切割机国内较为经典的火焰管道切割机还有马鞍形环齿轮式火焰切割机，该种切割机以电动机作为动力机，同样采取重量轻小的铝制机身。马鞍形环齿火焰切割机特有的机构是鞍座，鞍座的设计可以对管道进行孔加工，且可以产生多种切口形状。由于鞍座和环齿轮的同轴度较高，所以该种火焰切割机的装配精度较高，可以调整不同坡口，并能适应圆度不是很高的金属管道。该种机型适用于切割四种管径相近的金属管道，配有的双割把架和圆度靠轮可以同时切割被加工管道的双侧坡口。图1-2马鞍形环齿轮式火焰管道切割机国内外在发展其它热切割技术的同时，也发展了机械式的切割手段，设计了机械式的切割装置，这些切割装置经过设计阶段，然后实验定型改进，逐渐最后投入生产。由于机械式切割管道加工精度高，所以常用于加工切割需要较好切割断面的管件与罐体，而且该切割方式能够满足管道切割日益增长的加工精度要求，因此机械式切割的应用范围渐渐变大。机械式管道切割机主要分为三种：

第一种是以铣削为切割方式的管道切割机，大多数利用齿形链加紧管件并进行环绕铣削。该类切割机可以使用不同品类的切割刀具，以适用不同加工破口的切割要求。以液压传动为动力源的管道切割机与动力源分离，可以广泛用于不同恶劣场合下的管道切割作业，即切割机可以在水中进行管道切割，也可用于在飞沙环境下切割。该种铣削切割机因其较好的工作环境适应性被广泛的采用，特别适合在施工现场切割一定长度的管道，并加工好管端坡口为后续的焊接工作做准备。由液压驱动的管道切割机稳定性较好，可以完成水平和垂直方向的管道切割作业。该种管道切割机具有多种管道切割特点优势，能在工作环境恶劣的壕沟和深水中切割管材，也可以对高压管材进行管道切割和坡口加工，加工后的坡口质量好，安全性高，特别适合工作在沙尘、污泥、水下等较为恶劣的环境。例如北京赛诺静远科技发展有限公司开发的以液压驱动的爬管式切割机，是一种适合运输的铣削坡口切割机，不但适合在海上进行管道铺设和安装作业，也可以在大多数压力等级的管材上完成冷切割和加工坡口任务，通过链条加紧管道固定在代加工管道上，液压马达驱动链轮带动机体绕行代加工管道，带动旋转的切割刀具绕行管道完成切割加工工作。第二种是以锯割式为加工方式切割机，将该类切割机固定在被加工工件上，用锯割的方式进行切割，切割刀具是专用切割锯条锯条，动力源可以是气动的，也可以通过液压提供动力。该类管道切割机的特点是不受视野能见度影响，可在视野不好的环境下工作，但缺点是不能用于加工斜角。

第三种机械式切割机是车床式切割机，是一种桥式切割装置，该装置将刀具固定在桥头上，通过环绕被加工管道进行周向旋转切割，工作原理与管道切割车床类似。该种切割机可以对被加工管道进行直切或者各种角度的斜切。1.2.2国外发展现状国外几种具有代表性的切割管道机产品有如下所示：1火焰切割/坡口机美国H&M公司生产的钢带式火焰管道切割和坡口机是火焰切割机的代表，切割机的机身为铝制，重量较轻，适合运输至现场进行切割管道工作，该管道切割机采用以不锈钢制作的凸缘导轨，这种导轨通过钢带搭接方式，可以调整为不同直径大小，安装在多种不同管径的管道上，安装导轨的管道切割机行走路线准确稳定，加工端口平整不错位。2.管端切割机管段切割机的工作原理是从管道内或外进行切割，主要实现被加工管道坡口的精细处理。意大利“古倍喜”公司生产的内卡式、外卡式坡口机和管端坡口车床就是其中较为典型的范例。该公司生产的内卡式管道切割机有两个型号，主要适用于对较小管径的管材加工坡口。它由气动作为动力源，特点是防爆，适用于炼油石化管道的切割和维修工作。内卡式管道切割坡口机具有超强自锁内卡芯轴，可牢牢卡于管道内，不会打滑，不会振颤，不会产生弯曲变形。外卡式管道切割坡口机有多种类型，多采用多刀具进行车削的方式，同样适用于较小管径的管道切割。管端坡口车床特点是内径可卡紧，轻小便携，尤其适合较厚管道的管端坡口加工处理。3.全自动柔性切管机由日本板桥生产的全自动柔性切管机有较为特别的结构，该种切管机的机头没有安装任何动力马达，其主要动力来源是柔性扭矩传输缆轴。该种全自动柔性管道切割机可以切割管道、或在管道上开槽。适用于多种材料的管道切割，例如铸铁管、水泥管、钢管、石棉管和塑料管等。能够高效率的进行管道切割作业，安全行较高，也可在水下作业，切割厚度最大可达60mm。4.刀具切割/坡口机以刀具切割为切割方式的管道切割机最有名的是美国瓦奇T-L-C爬管式切割坡口机，该种切割机是一种便携的铣削机，它通过齿形链条夹紧管道，将装置固定在代加工管道外部，切割刀具旋转后，液压马达带动齿形链链轮，带动整机绕代加工金属管道爬行一周，可以对管道进行切割和开坡口工作。由液压驱动的该管道切割机稳定性较好，可以完成水平和垂直方向的管道切割作业。该种管道切割机具有多种管道切割特点优势，能在工作环境恶劣的壕沟和深水中切割管材，也可以对高压管材进行管道切割和坡口加工，加工后的坡口精度高，安全防爆，特别适合工作在风沙、污泥、水下等较为恶劣的环境。同样由美国瓦奇公司生产的闸刀式管道切割锯也是较为经典的系列产品。该系列管道切割装置可以割锯实心或空心的管材和棒料，被自来水公司、石油公司等行业广泛采用。该种管道切割机的闸刀式管锯通过带有链条的台钳夹紧刀锯和待加工管道固定，同时切割机上的V形马鞍底座可以确保管道切割后管段的平直。闸刀式管锯可以安装在管外的任何位置，这样使得该管道切割机在垂直和水平不同方向作业的能力同样出色。它支持气动、液动或电动等多种动力源提供动力，上段的手动摇把可以使装置完成径向进给功能，马达带动刀具进行锯割，可达到较高的工作效率，6min内就可以切割完成一件壁厚为150mm的代加工管材。该种管道切割机采用了高质量的硬质合金锯条，且更换方便，因为在切割回程工序中是将刀刃直接提远加工割口，减少了不必要的磨损，因此极大延长的刀刃的使用寿命。除了上述的几种典型切割/坡口机外，还有很多类型的管道切割机功能也较为出色，例如美国Mathey公司生产的一种类似于瓦奇爬管式切割机的管道切割机。德国GF公司生产的BA系列管道切割机，非常适合切割薄壁的细长管道；生产的DBD系列管道切割机，主要用途为施工现场活施工车间对管道坡口进行精细加工。还有美国力得BRB公司生产的一种手动式切割刀，对城市供暖管道切割较为方便。综上所述，相比于国内生产的管道切割机，国外的成型产品可靠性较高，适应范围较广，但某些程度上自动化程度不高，多需要工人手工操作。总体方案设计2.1爬管式切割装置的技术要求功能：切割金属管道；管道直径：500－1500mm；制造成本：≤10万元；寿命：5年；使用性：操作简易、维修方便。2.2爬管式切割装置的方案设计2.2.1切割方式的选择管道切割方式引用较多的有火焰切割、机械式切割、高压水射流切割和激光切割。考虑到切割装置的经济型与便携性，火焰切割或机械式切割较为适合。传统火焰切割方式经济性较好、切割范围广，并因此得到广泛应用。但火焰切割方式加工管道坡口质量较差，为后续焊接工作带来困难，同时其切割精度较低，对工作环境要求相对于机械式切割来说较为苛刻，对环境污染也较为严重。传统机械式切割虽然成本相对火焰切割高，但其加工精度高，维修方便。更换不同刀具可以加工不同坡口，为之后的焊接工作提供了较大方便。同时传统机械式切割对环境要求低，可以在各种恶劣环境下工作。通过对火焰切割和机械式切割的优缺点对比，本次设计决定采用机械式切割，在切割管道的同时加工好坡口，为后续焊接工作提供便利，同时加快了整体工程的工作进度。2.2.2驱动装置的选择1.选用驱动装置的类型，主要应从以下三个方面进行分析比较(1)明确设计机械装置工作时的负载特性，包括设计机械装置的载荷要求、工作方式、结构构造和工作环境等。(2)明确驱动装置自身的原理特性，包括驱动装置的工作原理、工作转矩、工作转速等特性，以及驱动装置适合选用的工作环境。原则应使驱动装置的原理特性与设计机械装置的负载特性相适应。(3)从经济性的角度分析，当不止一种类型的驱动装置满足设计机械装置的工作要求时，各种驱动装置经济性的比较尤为重要，包括消耗能源的多少，动力机的制作、工作和维护成本的比较等。除上述几个方面外，有些情况选择驱动装置时还应考虑驱动装置在设计的工作环境下是否会对该工作环境造成污染，包括空气污染、水质污染、光污染和噪声污染等。驱动装置的类型主要有电动机，内燃机，气动马达和液压马达等，考虑到本次设计的爬管式切割装置有时需要在较为潮湿的环境下工作，所以动力机的宣布则应排除使用电动机或内燃机，只能选择液压马达或者气动马达。2.液压马达作为驱动装置时的特点(1)可以传递给输出装置较大的机械力或转矩。(2)与其他驱动装置对比，具有体积外形相对较小、重量较轻的特点，也因此运动件产生的惯性小，可以达到较快的响应速度。(3)液压马达可以有较大的传动比，在低速转动情况下性能较好，而且可以通过更改油量大小的方式来调节液压马达的工作特性，易于实现液压马达的无级调速，操作方式较为简单，容易实现过载保护，同时可以满足复杂工艺过程的设计要求和性能要求。(4)液压马达的供油系统必须保持高压，在设计安装时若不能保证相关液压系统元件的制作和装配精度，就容易产生漏油，不仅影响液压马达的工作效率，而且还影响设计机械装置工作的稳定性和精度。3.气动马达作为驱动装置时的特点(1)与液压马达工作原理相，具有工作介质（空气）容易获得的优点，且其使用前后的工作介质无害无污染，工作介质压缩后还完成集中和远距离的供给和运输。(2)气动马达的响应速度较快、维护成本低、经济性好，在多种恶劣环境下适应能力强，适合在易燃、易爆、烟尘较多和振动明显等恶劣环境下工作。(3)因工作介质密度较低，容易压缩，因此气动马达提供的动力不够稳定，而且因工作介质流动速度较快，所以会产生较大噪声，又因其相对低的工作压力，气动马达输出的转矩不能过高，只能适用作为小型和轻型的机械装置的驱动装置。由于本次设计的机械装置要求的工作稳定性好，而且圆盘刀具在完成切割工作的过程中工作阻力很大。因此，通过对比分析两种驱动装置的特点，结合本次设计的实际要求，最终选定液压马达作为本次设计的爬管式管道切割装置的驱动装置。2.2.3总体方案的设计本论文设计的爬管式切割装置是一种铣削型切割机，体积空间小，使用方便，装置通过齿形链条夹紧需要加工的管道和切割装置，由液压马达带动驱动轮驱动链条转动，从而带动切割装置绕代加工管道作周向爬行，切割刀具由液压马达提供旋转动力，随机体做周向运动，运行一周后就可以完成切割。该机具可以对不同管径的单双层管道和罐体进行切割和加工坡口。切割装置进行切割作业的过程为将管道加工的相关信息的基本切削参数输入操作系统。由技术人员进行切割装置的安装，整机纵向轴线平行于管道轴线，在可拆装环节处打开齿形链，按照管径的不同来调节链条的长度，套在待切割的管材上，并旋动拉紧丝杠使切割装置紧扣在待切割管材上。然后启动切割装置进行刀具的旋转运动。可通过对液压系统中液压元件的调试，达到调整切割刀具的切割速度和进刀量的目的，在完成加工管道径向切透后，液压马达驱动链轮转动，从而带动整机绕加工管道缓慢爬行切割，切割装置的行进速度和圆盘刀具的转速可以通过调整液压回路中的液压元件来进行调节。当切割装置绕加工管道切割一周后，即对管道完成了切割。可以通过改变切割装置的刀具种类，来完成切割不同材质的管道和加工出不同角度的坡口的目的。待加工完成后，需工作人员按正确操作顺序卸下该爬管式切割装置。根据本切割装置设计思路，确定切割装置分为五大组成部分：(1)主切割系统，主要实现圆盘刀具的旋转运动。(2)径向进给系统，主要实现对旋转的切割刀具径向进给切割。(3)周向爬行系统，实现带动机体绕切割对象切割一周。(4)机壳和支撑装置，是整个装置的支撑装置和固定装置。(5)液压控制系统，主要通过液压回路实现对装置的控制。切割机的方案简图如图2-1所示：图2-1切割装置方案简图2.3本章小结本章对爬管式管道切割装置拟定的几种切割方式进行了对比分析，最终选择了可同时切割管道和加工坡口的传统机械式切割。同时对爬管式切割装置的整体方案进行了阐述，简单介绍了该装置的工作原理和结构设计。介绍了组成该装置的五大组件，和各个组件的工作用途。爬管式切割装置的各部分结构设计爬管式切割装置主要由主切割系统、径向进给装置、周向爬行装置和外壳支承装置组成，各部分结构如图3-1所示。图3-1切割装置整机三维模型3.1切割部分结构设计本论文所指的切割部分是提供刀具的主旋转运动的结构设计，该切割部分主要由圆盘刀具、圆弧圆柱蜗轮蜗杆减速器和液压马达组成。如图3-2所示，圆盘刀具固定在减速器蜗轮轴上，两端通过刀具夹套加紧，端部由锁紧螺母锁紧。减速器蜗杆与液压马达通过套筒联轴器相连，另一侧端盖是丝杠螺母，达到径向进给的功能。图3-2主切割部分结构三维模型3.1.1液压马达的选择因本次设计装置为行走机械，且该装置体积要求小，排量要求低，又根据连接法兰和轴伸，最终选择马达型号为BMS-80-E4-A-D，其参数值如表3-1所示。表3-1BMS-80-E4-A-D型液压马达技术参数参数数值排量80.6ml/r额定压力16MPa额定转速675r/min扭矩175重量9.8kg额定流量65L/min3.1.2圆弧圆柱蜗轮蜗杆减速器的设计由于要求切割机的体积尽量的小，结构尽量紧凑，效率尽量高，所以选择圆弧圆柱蜗轮蜗杆减速器，实践证明，圆弧圆柱蜗轮蜗杆传动与普通圆柱蜗轮蜗杆相比有更高的承载能力，更高的传动效率以及更长的使用寿命。因蜗杆需要传动的功率较大，故蜗杆材料选用45号钢，为使圆弧圆柱蜗轮蜗杆减速器传动效率更高高，耐磨性更好，所以蜗杆螺旋面加工要求淬火，硬度为45-55HRC，蜗轮材料选用锡青铜。减速器上盖带有两个导向孔和一个通气塞，蜗轮一端侧盖带有丝杠螺母，另端侧盖为液压马达支架，如图3-3所示。图3-3减速器外部三维模型减速器内部构造如图3-4所示，蜗杆两端各有一个甩油环，并装有一对角接触球轴承，轴向靠端盖固定。切削主轴一端装有一深沟球轴承，通过小圆螺母将深沟球轴承固定在轴上，该端通过轴承套杯和端盖完成轴向固定。切削主轴另一端装有一对角接触球轴承，轴伸处并装有毛毡，以达到密封效果。切削主轴中间装有蜗轮，蜗轮两侧有两个不同的甩油环。图3-4减速器内部三维模型1.蜗杆蜗轮基本参数的确定马达在额定压力，额定转速下可连续使用，若实际工况为1/3额定压力，1/3-2/3额定转速时，液压马达将在高效率状态下工作。由此设定BMS-80-E4-A-D液压马达的背压差为6MPa，则液压马达的输出功率为： （3-1） （3-2）式中—液压马达的输出功率，—液压马达的工作压差，—液压马达的实际流量，—液压马达的总效率—液压马达的排量，—液压马达的转速，—液压马达的机械效率，取其为80%则马达的输出转矩为： （3-3） 式中—马达的输出转矩，液压马达的输出功率随着外载的变化而变化，若液压马达转速为300r/min时，则马达所需流量： （3-4）=80300/1000=24L/min此时马达的输出功率为： （3-5） = （3-6）=3.3240.95/60=1.25kW根据刀具旋转速度与液压马达的输出转速，确定选用承载能力大，传动效率高，使用寿命长的圆弧圆柱蜗杆减速器，输入功率为，最大输入转速为，减速比，则减速器输出轴的转速范围为0—120转，此时切削的转速大约为。通过齿面接触疲劳强度承载能力线图，差得圆弧圆柱蜗杆蜗轮的中心距,根据圆弧圆柱蜗杆传动参数匹配原则选用减速器中蜗轮蜗杆的参数如下：，，=，，，蜗杆齿顶圆直径：蜗杆齿根圆直径：蜗轮分度圆直径：蜗轮齿顶圆直径：蜗轮顶圆直径：，取整为蜗轮齿根圆直径：蜗轮宽度：，取整为切削主轴的设计按扭转强度条件计算 （3-7）式中—扭转切应力，—轴所受的扭矩，—轴的抗扭截面系数，—轴的转速，—轴传递的功率，—计算截面处轴的直径，—需用扭转切应力，由该式得 （3-8）根据使用条件，选取轴的材料为钢，调质处理，，由式3-8得：,取。各轴段的直径是在由扭转强度计算而得的最小直径的基础上，考虑轴上零件的轴向定位及装拆等要求，由轴端起加以确定的。安装滑动轴承，联轴器，密封圈等标准件的轴段，其直径应取相应的标准件的内径或孔径。各轴段的长度，主要取决于各零件与轴配合部分的轴向尺寸和零件间必要的轴向间隔距离。确定时应尽可能使结构紧凑，又要保证零件所需的装配和调整空间。经确定轴上各段直径，长度如图3-5所示。图3-5切削主轴3.2径向进给装置结构设计径向进给系统包括径向进给液压马达，一根进给丝杠，一个进给螺母，两根导向光杠，两个导向套。其中固装在整机壳体顶部外侧的径向液压马达与旋入进给螺母的进给丝杠的上端相连，而进给螺母固装在减速箱方形体的一侧，两根固装在整机壳体内壁上的导向光杠穿过固装在上述减速器方形体的两个导向套，这样，当径向进给液压马达带动进给丝杠旋转时借助进给螺母，就可拖动整个减速器连同圆盘刀具沿导向光杠实现进给或退刀。图3-6径向进给装置三维模型3.2.1液压马达的选择径向进给速度和功率由液压马达带动螺旋传动来提供，液压马达主要提供扭矩，又因该马达固定在装置上端，高度应尽可能选小，且所需排量不高，转速较低，所以通过机械设计手册选择1QJM001-0.063型球塞式液压马达，参数值如表3-2所示。表3-21QJM001-0.063技术参数参数数值排量64ml/r额定压力10MPa转速范围8—600r/min额定流量65L/min扭矩95假设液压马达进出口压差=3.3Mpa，转速12r/min情况下，马达所需流量： （3-9） 式中—液压马达排量，则马达的输出功率为： （3-10） 马达的输出转矩： （3-11）式中—液压马达的进出口压差，—马达的实际流量，—液压马达的总效率3.2.2螺旋传动部件的设计液压马达通过螺旋传动传动动力，将液压马达输出轴的旋转运动转换为圆弧圆柱蜗轮蜗杆减速器的直线运动，即丝杠传动。丝杠传动有两种类型，一种是滚珠丝杠传动，一种是梯形丝杠，根据要实现的功能，决定选用自锁性好、结构简单和成本相对低廉的梯形丝杠。马达的动力通过丝杠传递给减速器，丝杠可选用牙型角为30度，螺纹工艺性好的梯形螺纹，内外螺纹以锥面结合，对中性好，能传递较大力矩，使用寿命长。图3-7梯形丝杠剖视图图3-8带有丝杠螺母端盖三维模型3.3周向爬行装置结构设计周向进给系统包括装在这机壳内部的周向进给液压马达，过载保护器，CWU减速器，链传动减速器，周向行走轮，齿形链导链轮和整机行走轮等等。液压马达经过过载保护器图3-9周向爬行装置三维模型与CWU减速器的主轴相连，其输出经链传动减速器降速后拖动固装在大链轮轴上的驱动链轮，闭合的齿形链绕过待加工的管道驱动齿形链，张紧齿形链，而机壳底部的两套周向行走轮从齿形链外侧压紧之，使得齿形链与管道之间有较大的包角。人工旋转拉紧螺杆，使张紧链齿轮沿导轨外移，使齿形链与管道紧密接触。此处的驱动链轮还是整机沿管道周向运动的主动轮，它转动时，由于齿形链已牢牢箍在管道的外壁上，便可在它的限定下拖动整机沿管道圆周运动。3.3.1液压马达的选择整机沿管道爬行的动力由液压马达提供，选用BMS-160-E2-A-D型摆线液压马达，其技术参数如表3-3所示。液压马达在额定压力，额定转速下可连续使用，若工况选择在1/3额定压力，1/3-2/3额定转速时，马达将在高效率区域工作。设液压马达的进出口压差为6MPa，则马达的输出功率为： （3-12）表3-3BMS-160-E2-A-D型液压马达技术参数参数数值排量157.2ml/min额定压力15MPa额定转速337r/min扭矩316重量9.8kg额定流量75L/min马达的输出转矩为： （3-13）=3.3.2CWU减速器的选择根据本次爬管式切割装置的结构设计要求，需选用传动效率较高，经久耐用的圆弧圆柱蜗轮蜗杆减速器，又由切割装置周向爬行系统的结构安排，选用CWU型减速器，蜗杆在蜗轮之下。本装置所选部件的体积应尽可能地小，并且传动比满足设计要求，最终根据机械设计手册选择CWU80-8-Ⅱ型减速器。3.3.3链传动的参数计算链传动是一种被广泛使用的机械传动方式，链传动由链条和主从两个链轮所构成，链轮有特殊的齿型结构，它依靠主链轮的转动，通过与链节啮合将动力传输到从链轮，从而达到传动的目的。链传动方式属于带有中间挠性件的啮合传动，链传动不仅能必变弹性滑动和打滑的现象，还能保证稳定的传动比。链传动还有效率较高，作用于轴上的径向压力较小的优点，尤其结构较为紧凑，制造安装精度要求低，制作成本低，可以完成大中心距传动。设液压马达的输出转速为120r/min,则液压马达所需流量：液压马达所需功率：第一级圆弧圆柱蜗杆减速器减速比,则小链轮的转速为，假设液压马达上的功率不损失的传到链轮上,则链传动的设计功率为，根据查滚子链的额定功率曲线图，选用链号为20B系列，链节距，查表得滚子链直径。链传动推荐传动比在2.5~3.5之间，取，本设计要求结构紧凑，体积要小，在链传动中，当链传动线速度很小时，链轮齿数可以取得很小，查设计手册链传动部分，最小齿数可取9，所以本次设计就按最小齿数来计算，小链轮，则大链轮。小链轮的分度圆直径：齿顶圆直径：则取大链轮=27，则其分度圆直径：则取为。初定中心距=300mm，则链节数为 （3-13），取整为38节2.确定链条长度及中心距 （3-14） （3-15）因为链条在安装时应有一个垂度，所以中心距应该有一个减小量：=（0.002~0.004）=（0.002~0.004）315.28=0.63~1.26实际中心距取3.链条速度 （3-16）4.作用在轴上的压轴力 （3-17）作用在轴上的有效圆周力：=7042N按水平布置轴，取压轴力系数=1.15，故5.验算小链轮彀空查得小链轮的彀孔的许用最大直径大于所设计轴径，所以小链轮彀孔直径选择合适。第一级蜗杆蜗轮减速器减速比为=8，第二级链传动减速比为=3，则整个切割装置沿管道爬行的总减速比为24，则由液压马达输出转速为可算得大链轮的最小转速为。图3-10大链轮三维模型3.3.4夹紧装置结构设计周向进给系统保证整机在齿形链的限定下沿管道圆周运动的同时完成对全部管道的切割加工，齿形链传动平稳准确，振动噪声小，强度高，承受冲击性好，传动效率高，工作可靠。齿形链由一组带有多个齿的齿板交错连接构成，分为内导式和外导式。外导式齿形链导片在边侧，轴向尺寸较窄，为使其能更好的加紧切割装置和被加工管道，决定选用尺寸较宽的内导式齿形链。链条采用标准齿形链条，链节距=15.875mm，查表选链轮齿数=21，齿形角=60°，则链轮分度圆直径： （3-18）齿顶圆直径：mm齿槽定位半径：=0.37515.875=5.95mm分度角：齿槽角：齿面工作段最低至节线的距离:=8.73mm齿根间隙：=1.27mm齿根圆直径： （3-19）=86.32mm3.3.4导向装置结构设计为了保证加工管道后的坡口质量，即是否平整，能够保证切割装置严格在同一平面切割管道就显得尤为重要。本次设计的爬管式管道切割装置的导向装置设计思路是通过切割装置远离刀具侧的两个导向轮与导轨贴合，在加紧装置后，切割装置就会沿着固定好的导轨路线加工出平整的管道端口。导轨是保证被加工管道切口端面垂直度高低的重要装置。管道上首先由工作人员安装导轨，然后再将切割装置的导轮嵌放在该导轨的槽中，可以使该切割装置在光线灰暗甚至零能见度的情况下进行水下垂直切割。如果不用导轨系统，不仅由于齿形链的柔性的原因，切出来的端面不能和管道轴线垂直，大大影响接下来的焊接加工工作，而且切割装置在安装时要浪费很多时间。1-导轨轮2-导轨3-锁紧螺母图3-11导轨装置简图3.4本章小结本章主要进行了爬管式切割装置切割部分、径向进给装置和周向爬行装置的详细结构设计，完成了各部分液压马达的选型，并介绍了切割装置中设计的圆弧圆柱蜗轮蜗杆减速器的详细参数和具体结构设计，列举了其中较为重要的部件的三维模型图。同时也对径向进给装置和周向爬行装置中关键的部分，如链传动的参数进行了详细的设计计算，完成CWU减速器的选型，和导向装置结构设计等。并展示了各个部分装置的三维模型图以及整机三维建模图。主要零部件的校核4.1蜗轮强度的校核与齿轮传动类似，蜗杆传动的失效形式也有点蚀，齿根折断，齿面胶合和过度磨损等。由于材料上的原因，蜗杆螺旋齿部分的强度总是高于蜗轮轮齿的强度，蜗轮的强度相对较弱，所以失效经常发生在蜗轮轮齿上，因此一般只对蜗轮轮齿进行强度校核。(1)校核蜗轮齿面接触疲劳强度的安全系数当满足条件 （4-1）则蜗轮齿面满足接触疲劳强度要求。式中—蜗轮齿面接触应力，—蜗轮齿面接触疲劳极限，—最小安全系数蜗轮齿面接触应力： （4-1）式中—分度圆上的圆周力，—系数—平均齿宽，—蜗杆的齿形系数，经查表估取0.90所以蜗轮齿面接触应力：蜗轮齿面接触疲劳极限： （4-2）式中—蜗轮蜗杆配对材料系数，经查表=7.84—寿命系数，—速度系数，经查表取0.7—载荷系数，载荷比较平稳，取=1 （4-3）经查表，，，所以蜗轮齿面接触强度符合要求。(2)校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度（4-4）式中—蜗轮齿根应力系数极限值，单位为，经查表，为39.2MPa.—齿根最大应力系数，，（4-5）式中—蜗轮平均圆周上的最大圆周力，N，—蜗轮齿弧长，单位mm，，蜗轮材料为锡青铜时，—法向模数，所以蜗轮齿根弯曲强度符合要求。4.2切削主轴校核1.作轴受力分析在受力分析时，应先求出轴上受力零件的载荷（若为空间力系，应把空间力分解为圆周力，径向力和轴向力，然后把它们全部转化到轴上），并将其分解为水平分力和垂直分力。然后求出各支承处的水平反力和垂直反力。根据上述，分别按水平面弯矩、垂直平面弯矩，然后按矢量法计算合成弯矩（） （4-6）由已求的合成弯矩和转矩，根据第三强度理论相当弯矩 （4-7）式中—是考虑弯矩和转矩所产生的应力的循环特性不同而引入的修正系数。的取值由扭转剪应力的循环特性决定：(1)扭转剪应力按对称循环变化时，；(2)扭转剪应力按脉动循环变化时，；(3)扭转剪应力为静应力时，。轴计算截面上的强度条件为 （4-8）式中—轴计算截面上的相当弯曲应力，—轴传递的扭矩，—轴的抗弯截面系数，mm—对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，选取轴的材料为45号钢，调质处理。已知：传递扭矩为，输出转速为，蜗轮分度圆直径为，压力角求切削主轴上蜗轮齿上的作用力圆周力径向力2.按弯扭合成强度条件计算当轴的支承位置和轴所受载荷的大小、方向及作用点等均已确定，支点反力及弯矩可以求得时，可按弯扭合成强度条件对轴进行强度计算。1）作轴的计算简图，通常将轴当作置于铰链支座上的双支点梁，其支点位置可根据轴承类型及组合方式，由传动件传递到轴上的载荷，通常简化为作用于零件轮缘宽度中央的集中应力，轴上转矩则假定从传动件轮毂宽度的中点算起；若各载荷构成空间力系，则将其分解到两个互相垂直的平面内。把主轴简化为图3.6a段中受集中力作用的铰支梁。已知条件知，由代入数据得：，。由代入数据得：，由以上数据画出主轴在水平面和竖直面的受力简图，如图3.6b段、3.6c段所示。根据图3.6，分别计算轴上的水平面内弯矩、竖直面内弯矩。由式得：作出水平面内的弯矩图如图4-1d段、竖直面内弯矩如图4-1e段，以及合成弯矩如图4-1f段。图4-1轴的载荷分析图2）作轴的扭矩图，如图4-1g段3）作主轴的当量弯矩图由已知得到的合成弯矩和扭矩，根据第三强度理论计算相当弯矩，并做出当量弯矩图。 （4-8）式中—是考虑弯矩和转矩所产生的应力的循环特性不同而引入的修正系数，取。由式（4-8）得：由式（4-7）得：轴的材料为钢，查参考文献得。由，故轴的强度满足要求。4.3本章小结本章主要进行了所设计的蜗轮蜗杆减速器中蜗轮和切削主轴的校核计算，通过对蜗轮齿面接触疲劳强度的计算得知所设计的蜗轮蜗杆满足工作强度要求，对切削主轴进行弯扭合成强度的计算，分析切削主轴上所受圆周力、径向力和支反力，计算并绘制轴的弯矩图、扭矩图以及弯扭合成图等，校核切削主轴的强度，并最终得出结论，设计的切削主轴满足工作要求。液压系统回路的设计5.1液压传动系统的分类一般情况下，工作介质的循环方式，液压泵及执行元件的数量与组合形式，均可作为液压系统的分类依据，他们的具体分类如下：(1)按工作介质的循环方式，可分为开式系统和闭式系统。开式系统具有以下特点：液压油需要经过油箱-液压泵-控制阀-执行元件-控制回路-油箱的重复运动。然后，冷却过程在油箱中进行。并且，冷却时会使空气和沉淀产生的杂质从中析出，最后，工作系统会重复进行同样过程，使液压油运动；对于闭式系统来说，液压油直接经过液压泵-执行元件-液压泵这样的工作过程，这样，吸油管带的存在保证了液压油就不会有较多损失。(2)按一台液压泵向多个执行元件或执行机构的供油方式分为串联系统，并联系统，独联系统和复联系统等。(3)以系统中液压泵的数量作为衡量标准，可分为单泵系统和多泵系统单泵系统。顾名思义，单泵系统是由一个液压泵向一个或多个工作元件供油的系统。多泵系统是由两个或以上的液压泵向一个或多个工作元件供油的系统。5.2液压传动系统的基本回路简介压力控制回路，速度控制回路，方向控制回路是属于液压传动系统的基本回路的三大类，同时，还有其他控制回路。(1)压力控制回路是在压力控制阀作为总控制元件的情况下，整个液压系统或局部油路工作压力的回路。调压，减压，卸载，保压，以及工作机构平衡和缓冲等回路是常见的压力控制阀类别。(2)速度控制回路是指具有能够调节或改变液压执行元件的运动速度的工作特点的贿赂，即执行元件从一种速度变换到另一种速度的回路，包括增速回路，减速回路和速度换接回路。(3)方向控制回路在液压系统中，各油路中油液的接通，切断和变向，都由此回路进行控制，从而使各元件按需要相应的要求实现启动，停止或换向等一系列动作。这类控制回路包括换向回路，锁紧回路等。(4)其他控制回路在液压系统中，如果有一个给油装置给多个工作元件输送压力油，这些元件会因压力和流量的彼此影响而在运行动作上相互牵制，所以必须应用一些特殊的回路才能实现提前定好的的动作要求。常见的这类回路有顺序动作回路，同步回路，浮动回路，互不干扰回路，多路换向阀控制回路等。5.3液压系统回路设计根据本次设计的切割装置的运动方式和要实现的功能，我们要设计的液压基本回路有四个：刀具旋转回路，径向进给回路，圆周爬行回路和安全回路，如图4.1所示。1.刀具回转回路该回路由齿轮泵1、齿轮分流器2、电磁溢流阀7、比例调速阀4、马达5组成，实现刀具回转切削，且刀具转速可调。比例调速阀4主要起稳压作用，其稳压作用大大改善了马达的动态特性，提高了刀具回转的稳定性。单向阀12用以增大回油背压，防止刀具倒转。2.径向进给回路该回路由齿轮泵1、齿轮分流器2、比例溢流阀6、三位四通电磁比例换向阀3、马达8所组成。比例换向阀和转速传感器实现对切割装置爬行速度及方向的调节，必要时还可以实现快进、快退。比例溢流阀调节马达进油压力值大小，实现对不同的管道材质采用不同的进给力，以便提高切割效率或防止装置受到损坏。图4.1液压系统基本回路图3.安全回路该回路主要由液控单向阀13组成，当刀具遇到意外突然停止转动时，则爬行马达8很快卸压，保证刀具和切割装置不受到损坏，起到安全保护作用。整个切割装置除液压安全回路保障外还有两个安全保障:机械和电气—爬行马达前装有过载离合器，当传递的力矩超过一定值时，马达输出轴和减速器输入轴分离，起到过载保护作用;当转速传感器信号为零时，比例换向阀停止工作，同样起到安全保护作用。4.周向进给回路齿轮泵1、齿轮分流器2,溢流阀11、三位四通电磁换向阀9液压马达10、调速阀14组成是其组成部分。主要功能是：实现刀具径向低速进给，当径向切透后电磁换向阀失电，径向进给液压马达自锁，即可进行周向爬行进给切削;当切削工作全部完成时，换向阀令马达反转，径向退刀。5.3本章小结本章对液压系统的分类进行了简单介绍，并阐述了液压系统中几种基本回路的工作原理和工作特点，最终设计了爬管式切割装置的液压系统回路，并对该回路的每个回路的功能和原理作了详细阐述。结论本文首先对国内外的切割装置和切割技术进行分析研究，并根据设计的切割装置要实现的功能，工作环境和工作方式，进行传动机构的选型，确定机构传动的较理想的方案。在此基础上确定切割装置的总体设计方案，设计切割装置的本体结构由主运动系统，径向进给系统，周向爬行系统，机壳和固定装置四部分组成；分别对主运动系统、径向进给系统、周向爬行系统、机壳和固定装置进行详细的设计并进行关键零部件的校核。并完成整机的三维建