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摘 要
為適應大型管道事業(yè)的發(fā)展，加速我國管道切割修復技術的前進步伐，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行周向爬行切割的切割裝置。
首先對國內外的切割裝置和切割技術進行分析研究，并根據設計的切割裝置要實現的功能，工作環(huán)境和工作方式，進行傳動機構的選型；傳動機構在整個設計過程中占據重要地位，而傳動類型卻是各式各樣的，通過設計要求，確定機構傳動的較理想的方案；在此基礎上確定切割裝置的總體設計方案，設計切割裝置的本體結構由主運動系統(tǒng)，徑向進給系統(tǒng)，周向爬行系統(tǒng)，機殼和固定裝置四部分組成；分別對主運動系統(tǒng)、徑向進給系統(tǒng)、周向爬行系統(tǒng)、機殼和固定裝置進行詳細的設計并進行關鍵零部件的校核。
關鍵詞：切割裝置 液壓回路 傳動機構
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 設計的背景及意義 1
1.2 切割技術發(fā)展現狀 2
1.2.1 熱切割 2
1.2.2 冷切割 3
1.3 研究對象及發(fā)展趨勢 5
1.4 本次設計的主要內容 5
第2章 總體方案設計 6
2.1 切割裝置的工作原理及技術要求 6
2.1.1 工作原理 6
2.1.2 技術要求 7
2.2 切割裝置功能的綜合分析 7
2.3 工藝動作的分解 8
2.4 本章小結 9
第3章 關鍵零部件的設計及校核 10
3.1 主運動系統(tǒng)的設計 10
3.1.1 液壓馬達的選擇 11
3.1.2 圓弧圓柱蝸桿減速器的設計 11
3.1.3 切削主軸設計與校核 16
3.2 徑向進給系統(tǒng)的設計 23
3.2.1 液壓馬達的選擇 24
3.2.2 螺旋傳動部件的設計 25
3.2.3 圓柱螺旋壓縮彈簧的設計 25
3.3周向進給系統(tǒng)的設計 28
3.3.1 液壓馬達的選擇 29
3.3.2 CWU圓弧圓柱蝸桿的設計 30
3.3.3 鏈傳動減速器的設計 31
3.3.4 鏈輪基本參數的確定 31
3.3.5 中心距的確定 32
3.4 齒形鏈輪的設計 34
3.5 行走輪及導軌的設計 35
3.6 本章小結 36
第4章 動力系統(tǒng)的設計 37
4.1 動力機的選擇 37
4.2 液壓傳動系統(tǒng)的設計 38
4.2.1 液壓傳動系統(tǒng)的分類 38
4.2.2 液壓傳動系統(tǒng)的基本回路簡介 39
4.3 液壓基本回路的設計 39
4.4 本章小結 41
結 論 42
致 謝 43
參考文獻 44
附錄1 45
附錄2 48
56
第1章 緒 論
1.1 設計的背景及意義
隨著管道事業(yè)的發(fā)展，建造石油平臺和鋪設管道的基礎—大型輸油管道、下水管道、導管架及類似管狀截面的焊接桁架，包括巨形輸油管道和普通管構成的鋼結構被大量采用。在鋪設過程中，由于需要長度不一的管道，就需要對管道進行截斷切割；在使用過程中，由于來自外界腐蝕性物質的長期侵蝕或受到外來突然巨大壓力，管道就會破損或爆裂，這就需要進行管道修復，進而需要對管道進行切割開破口。為了提高管道切割焊接及修復的生產效率和質量，關鍵是提高焊縫的焊接質量和焊接速率，也就是對管頭在焊前進行坡口的精確切割和實現切口的自動焊接，而這兩者又是緊密相連的。若管頭切割質量不高、焊縫間隙和坡口準備不良、是很難實現自動焊接的，大大影響了維修質量和效率，進而影響社會生活及管道事業(yè)的發(fā)展[1]。
進行管道建設及管道修復，就需要一整套鋪設及維修管道的設備，在這些設備中，維修作業(yè)機具是其重要的組成部分之一，維修作業(yè)機具設計水平質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)機具能夠對500—1000mm的管道進行切割、去表皮、開坡口、對口、焊接，清理等作業(yè)，為快速實現管道的鋪設及維修提供良好服務。而切割裝置是這一套維修機具中重要的設備之一，其工作質量直接影響維修質量的高低[2]。
多年來國內切割領域在這方面做了大量的研究和開發(fā)工作，引進和研制了系列化的切割、鉆孔、打磨工具等。這些技術被廣泛用于民用以及軍用的管道作業(yè)系統(tǒng)，也為工程建設提供了重要手段，大大提高了工作效率和工作質量。雖然在切割技術方面取得了很大成就，但技術還不夠完善，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，質量不高，極大影響了焊接速率和焊接質量；需要針對性開發(fā)的設備，專具專用，浪費人力物力等。為解決這一難題，使切割技術日臻完善，所設計的切割裝置應該適用于不同直徑、不同壁厚的管道，切割精度要高，效率要高，操作要簡易[3]。
目前我國管道及桁架的截斷或焊接時的切割作業(yè)主要是采用手動熱切割工具，但由于熱切割要產生高熱，對所切割管道處的材料性能產生很大影響，且切割端面不夠平整，所以加工質量不高。若在特殊情況下，需要高精度的加工，則必須從國外進口或者租用國外公司的切割設備，費用十分昂貴，經濟性差[4]。
本次設計的意義是通過借鑒國內外現有技術，經過自主設計，開發(fā)出一種新型的切割裝置，用于實現油氣管道、大型罐體、大直徑桁架的精確割提高管道切口的切割質量和效率，以提高我國的管道建設及修復的技術水平，為我國管道事業(yè)的發(fā)展盡綿薄之力。
1.2 切割技術發(fā)展現狀
切割技術同焊接一樣，是現代工業(yè)生產中的重要加工工藝，在橋梁、造船、化工、建筑、機械制造和國防工業(yè)等許多部門都有廣泛應用。經過多年的發(fā)展，切割領域已取得了巨大的成就，為適應管道及其它工程的建造，提高切割速度和質量，以及適應特殊環(huán)境、特殊結構，相繼開發(fā)了各式各樣切割方法和設備。根據切割原理和切割狀態(tài)的不同，可以分為冷、熱兩類切割方法[5]。
1.2.1 熱切割
熱切割:利用熱能對金屬進行加熱，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。熱切割可按物理現象、加工方法、能源進行分類[6]。
(1) 氣割—利用預熱火焰加熱切割區(qū)并送進高純度切割氧流，借助氧與鐵（或金屬）的反應使金屬迅速氧化，同時用高速切割氧流的動量將熔渣排除，從而形成割縫的切割方法。
(2) 氧—熔劑切割—利用熱源對待切割的金屬預熱使其熔化，然后供氧使金屬熔化，并將燃燒產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合而形成切口的切割方法，如機械切割和高壓水射流切割等[7]。
1.機械式切割
國內外在發(fā)展其它熱切割技術的同時，也發(fā)展了機械式的切割手段，設計了機械式的切割裝置，這些切割裝置首先經過一系列實驗，然后試用，最后定型生產。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的情況下，這種機械切割方法完全能滿足管件斜切的日益增長的精確性要求，因此應用范圍正在逐步擴大，機械式切割方法主要分為三種:
第一種是銑削型的切割機，它用的是齒形鏈式旋轉環(huán)繞管件進行周向銑削。有品種各異的切割刀具，以適用于加工簡單的直線形以及復雜的斜角形的切割要求。傳動方式可以是氣動的，也可以是液壓傳動的。液壓傳動型的機械本體與動力源分離，廣泛用于各種場合下的機械切割，即切割機可以完全裸露于水中也可用于干式環(huán)境切割。這類銑削切割機己被廣泛的用于干式艙，特別適合于截割一定長度的管段，加工管端為焊接做準備，然后嵌入
圖1.1 國產液壓開坡口切割機 圖1.2 瓦奇T—L—C型切割機
整個管道的切割和開坡口。它由液壓驅動，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
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
剪裁適當的管段等場合。如圖1.1是北京賽諾靜遠科技發(fā)展有限公司開發(fā)的液壓爬管式切割機，它是一種便攜式銑削機，它可以在所有壓力等級及材
料的管道或者罐體上進行冷切割和坡口加工。它通過鏈條將機體固定在管道上，驅動鏈輪使機體帶著旋轉的切割刀具和坡口刀沿管道爬行一周，完成對
切割機工作原理與北京賽諾的產品基本相同，如圖1.2所示。
第二種機械切割用的機具是鋸割式切割機，它將切割機固定于被切物體
上，用鋸割的方式工作，刀具為專用鋸條，設備可以是氣動的，也可以是液壓傳動的。不受能見度影響，但不能用于切斜角。
第三種機械切割用的切割機是車床式切割機，它用一種橋式切割裝置工作時環(huán)繞管子進行旋轉切割，原理與車床相同，刀具裝在橋頭上。它也適用于直切或各種斜切。如圖1.3為內卡式坡口機，如圖1.4為管端坡口車床[8]。
圖1.3 內卡式切割機 圖1.4 管端坡口機
2.高壓水射流切割
高壓水射流切割是近20年來迅速發(fā)展起來的一種新型的冷切割方法，它可以用來切割其它熱切割方法不能勝任或難以切割的材料，應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，將水增至超高壓(100-400MPa)后，經截流小孔噴射出，使水勢能轉變成水射流的動能，借助高速高密度水射流的巨大沖擊作用來進行切割[9]。
高壓水射流切割優(yōu)點很多，但最大的特點是利用非熱源的高能量水射流束對材料進行加工，切割無過熱過程，避免切割對象的熱變形，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，這樣不會影響材料的力學性能。切割速度快，質量高、沒有毛刺、飛邊，切割平面平整、垂直、光潔度高、切口小、確保切口品質，可以在工件的任何位置進行切割和終止切割、不會產生有毒害的氣體，可保環(huán)境清潔，無污染。高壓水射流切割有著其它切割技術無可比擬的優(yōu)點，因此被廣泛應用于高精密加工方面，同時也是水下切割的一個重要研究方向[10]。
國內機械切割技術起步較晚，而且現有的切割裝置大多屬于專項專用，所見到的產品還有電動小直徑內外卡式管端切割機。另外還有很多其它的切割方式，但大都未形成產品投向市場，只有少量的文獻敘述。高壓水射流技術也取得了很大進步，但技術還不是很成熟[11]。
以上是作者通過查閱資料，對國內外現有的切割方法及切割裝置進行的簡單介紹，根據本次設計的要求，結合我國切割技術的發(fā)展現狀，迫切需要研制出一種全新的切割作業(yè)裝置，來提升我國管道切割修復的能力。
1.3 研究對象及發(fā)展趨勢
主要針對管徑在500-1500mm范圍內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的一套技術和裝置，實現管道快速切割修復。
本次開發(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具。我們切割的對象是大型的管道及油井平臺大型支架，因此我們最好不要采用熱切割的方法來完成切割任務，以免影響焊接質量。經過對比甄選，可供采用的方法有:機械式切割和高壓水射流切割。本文只對機械銑削切割進行開發(fā)設計，這種切割工具能夠滿足大范圍圓柱形構件的切割/開坡口作業(yè)。
雖然國內外在切割領域取得了很大發(fā)展，我國的切割技術也獲得了長足的進步，但在科技日新月異的今天，機械切割/開坡口技術對機械切割行業(yè)提出了許多新的更高的要求:如加工精度、材料強度、防腐技術等技術需要更高的發(fā)展，并且要求加強遠程自動控制，作業(yè)高精度、高可靠性、結構簡單等相關技術的研發(fā)設計。
1.4 本次設計的主要內容
(1) 分析了解國內外切割裝置的發(fā)展現狀，掌握切割裝置的工作原理。
(2) 確定切割裝置的總體設計方案，通過對切割裝置的機構選型進行評價，確定較理想的機構傳動方案。
(3) 對切割裝置的主運動系統(tǒng)，徑向進給系統(tǒng)，周向進給系統(tǒng)，機殼和固定裝置進行結構設計和關鍵零部件的校核。
第2章 總體方案設計
本章主要根據切割裝置的技術要求，確定其工作原理；進行切割裝置功能的綜合分析，在功能分析的基礎上進行傳動機構的選型；
2.1 切割裝置的工作原理及技術要求
2.1.1 工作原理
本論文設計的切割裝置是一種體積小安裝方便的銑削型切割機，機體通過柔性齒形鏈條固定在被修復的管道上，由驅動輪在鏈條上作周向爬行，切割刀具作自轉運動的同時隨機體繞管道作公轉運動，爬行一周即可完成切割任務。該機具可以對不同管徑的單雙層管道和罐體進行切割和加工坡口。
切割裝置進行切割作業(yè)的過程為將管道加工的相關信息的基本切削參數輸入操作系統(tǒng)。由技術人員進行切割裝置的安裝，整機縱向軸線平行于管道軸線，在可拆裝環(huán)節(jié)處打開齒形鏈，按照管徑的不同來調節(jié)鏈條的長度，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。然后開動切割裝置進行空載運動。由控制系統(tǒng)自動調整刀具的切削速度和進刀量，在切削過程中也可以隨時調整這兩個速度的大小;當徑向切透后，周向爬行進給裝置帶動主機沿管道外圓緩慢爬行，爬行的速度、刀具的轉速可以由計算機來協(xié)調控制。當爬行一周后，即完成了加工任務，對于不同的材質和不同角度的坡口的切割可以通過更換刀具的尺寸和組合來完成。當加工完后，由操作人員卸下切割裝置即可。
根據切割裝置要實現的功能，可以確定切割裝置主要有五大組件組成：
(1) 主運動系統(tǒng)，主要實現刀具對切割對象的旋轉切割。
(2) 徑向進給系統(tǒng)，主要實現對切割對象的徑向進給切割。
(3) 周向進給系統(tǒng)，主要實現切割裝置沿切割對象進行周向切割。
(4) 機殼和固定裝置，是前三大系統(tǒng)的支撐裝置和定位裝置。
(5) 控制系統(tǒng)，主要實現控制器對切割裝置的自動控制。
切割機的方案簡圖如圖2.1所示：
圖2.1 切割機方案簡圖
2.1.2 技術要求
(1) 功能：切割金屬管道
(2) 管道直徑：500－1500mm
(3) 制造成本：10萬元
(4) 切割壁厚：17－48mm
(5) 壽命：5年
(6) 使用性：操作簡單、維修容易
2.2 切割裝置功能的綜合分析
對切割裝置的功能的綜合分析在整個設計過程中是必不可缺少的環(huán)節(jié)，在設計中，原理方案的擬定一般從功能分析入手，利用創(chuàng)造性構思擬訂出多種方案，通過分析—綜合—評價，求得較理想的方案。本次設計主要依據物理功能元實現對切割裝置的功能分析。
切割裝置的任務是分開物料，以便為下一步工作做好準備，分開物料的方法有很多種，如表2.1所示。
根據給定條件，要求方案盡可能簡單等方面來考慮，我們選擇原理三，“剪切”效應。切割裝置系統(tǒng)可分為驅動、切割、傳動、移位四個子系統(tǒng)，這樣有利于對各自系統(tǒng)分開求解。
表2-1 切割原理表
效應
拉力
高壓水注切割
剪切
彎曲
局部溫升
原理
材料延伸超過可塑變形范圍
原子從晶格結合處被分開并沖掉
擠壓變形
材料延伸超過可塑變形范圍
材料加熱超 過熔點
應用實例
拉斷
高壓水切割
刀具等
切斷，粉碎機等
氣割，電弧切割
2.3 工藝動作的分解
切割裝置的功能是切割管道。由于采用圓盤刀具切割的方式，切割裝置必須完成以下工藝動作：
(1) 圓盤刀具旋轉。
(2) 刀具沿管道徑向運動。
(3) 刀具沿管道圓周運動，完成對全部管壁的加工。
切割機圓盤刀具旋轉、刀具徑向運動和刀具沿管道圓周運動的執(zhí)行元件均采用液壓馬達。所以，機構設計條件為：
(1) 圓盤刀具旋轉：旋轉運動 －＞ 旋轉運動
(2) 刀具沿管道徑向運動：旋轉運動 －＞ 單向直線運動
(3) 刀具沿管道圓周運動：旋轉運動 －＞ 單向直線運動
傳動機構在整個裝置的設計過程中占據重要地位，本次設計確定切割裝置的總體方案：
(1) 主運動系統(tǒng)，主要實現刀具對切割對象的旋轉切割，主要通過圓弧圓柱蝸桿減速器傳遞動力。
(2) 徑向進給系統(tǒng)，主要實現對切割對象的徑向進給切割，主要通過絲杠螺旋傳動來傳遞動力。
(3) 周向進給系統(tǒng)，主要實現切割裝置沿切割對象進行周向切割，主要通過圓弧圓柱蝸桿減速器和鏈傳動減速器傳遞動力。
(4) 機殼和固定裝置，是前三大系統(tǒng)的支撐裝置和定位裝置。
(5) 控制系統(tǒng)，主要實現控制器對切割裝置的自動遠程控制。
2.4 本章小結
在對切割裝置要實現的功能及工藝動作的綜合分析的基礎上，進行傳動機構選型，最后確定切割裝置的總體設計方案。
第3章 關鍵零部件的設計及校核
本章主要進行切割裝置本體的結構設計及關鍵零部件的校核。分別進行主運動系統(tǒng)、徑向進給系統(tǒng)和周向進給系統(tǒng)的設計。爬管式切割機近年來來國內外都有了許多成熟的產品，本次設計主要參照著瓦奇T-L-C型切割機來進行設計。其主要參數如表3-1
表3-1 T-L-C型切割機主要參數
作業(yè)能力
管徑153-1829mm
主運動液壓馬達
BMF-D80型擺線液壓馬達
徑向運動液壓馬達
QJM-001型球塞式液壓馬達
周向運動液壓馬達
BMD-D80型液壓馬達
刀具速度
0-60轉/分鐘可調
送刀方式
絲杠螺旋
切割速度
10"的管子需要10分鐘。
重量
工作機凈重：98公斤
運輸重量：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
由于本次設計的切割管徑為500－1500mm，切割管壁厚度為17－48mm，所以本設計液壓馬達的選擇采用瓦奇T-L-C型切割機中的設計。
3.1 主運動系統(tǒng)的設計
主運動系統(tǒng)主要包括主液壓馬達，減速器，切削主軸，圓盤刀具，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 液壓馬達的選擇
主運動系統(tǒng)刀具旋轉所需要的動力有液壓馬達提供，根據表3.1選擇BMF-D80型擺線液壓馬達，其參數值如表3.2所示
表3-2 BMF-D80型液壓馬達技術參數
參數
數值
排量
80ml/r
額定壓力
10MPa
轉速范圍
500r/min
最大輸出轉矩
95.5
額定轉速
500r/min
最低穩(wěn)定轉速
20r/min
額定流量
40L/min
3.1.2 圓弧圓柱蝸桿減速器的設計
由于要求切割機的體積盡量的小，結構盡量緊湊，效率盡量高 ，所以選擇圓弧圓柱蝸桿傳動，它是一種新型的蝸桿傳動，實踐證明，這種蝸桿傳動
比普通圓柱蝸桿傳動承載能力大，傳動效率高，使用壽命長[7]。因蝸桿傳動功率大，故蝸桿采用45號鋼，為使蝸桿傳動效率高，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.蝸桿蝸輪基本參數的確定
馬達在額定壓力，額定轉速下可連續(xù)使用，若實際工況為1/3額定壓力， 1/3-2/3額定轉速時，液壓馬達將在高效率狀態(tài)下工作[9]。
液壓馬達的背壓差為3.3MPa，則液壓馬達的輸出功率為：
(3-1)
=
=2.09kW
式中 —液壓馬達的輸出功率；
—液壓馬達的輸入功率；
—液壓馬達的總效率，取0.95；
—液壓馬達的實際流量；
—液壓馬達的進出口壓差。
則馬達的輸出轉矩為：
（3-2）
=
=
=
式中 —馬達的輸出轉矩；
—液壓馬達的進出口壓差；
—液壓馬達的實際流量；
—馬達的轉速；
—馬達的排量,
—馬達的總效率。
液壓馬達的輸出功率隨著外載的變化而變化，若液壓馬達轉速為300r/min時，則馬達所需流量：
（3-3）
=80300/1000=24L/min
此時馬達的輸出功率為：
（3-4）
= （3-5）
=3.3240.95/60=1.25kW
根據刀具旋轉速度與液壓馬達的輸出轉速，確定選用承載能力大，傳動效率高，使用壽命長的圓弧圓柱蝸桿減速器，輸入功率為2.09kW，最大輸入轉速為500r/min,減速比=5，則減速器輸出軸的轉速范圍為4—100轉，此時切削的轉速大約為60r/min,切削轉矩
=
通過查齒面疲勞強度承載能力曲線圖，知蝸桿蝸輪的中心距=63mm,根據圓弧圓柱蝸桿傳動參數匹配原則（如表3.3圓弧圓柱蝸桿傳動參數匹配表）選用如下參數為減速器的主要設計依據：
，，=35.4mm，=0.583mm，=3.6mm
表3-3 圓弧圓柱蝸桿傳動參數匹配表
中心矩
/mm
參數
公稱傳動比
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
通過計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
蝸輪軸上最大轉速為100r/min,則蝸輪軸上最大輸入轉矩：
（3-6）
=95502.090.85/100=169
2.蝸輪強度的校核
和齒輪傳動一樣，蝸桿傳動的失效形式也有點蝕，齒根折斷，齒面膠合，即過度磨損等。由于材料上的原因，蝸桿螺旋齒部分的強度總是高于蝸輪輪齒的強度，蝸輪的強度相對較弱，所以失效經常發(fā)生在蝸輪輪齒上，因此一般只對蝸輪輪齒進行強度校核。
(1) 校核蝸輪齒面接觸疲勞強度的安全系數
當滿足條件時，則蝸輪齒面滿足接觸疲勞強度要求。式中，為蝸輪齒面接觸應力單位為MPa，為蝸輪齒面接觸疲勞極限，單位為MPa，為最小安全系數。
蝸輪齒面接觸應力：
（3-7）
式中 為分度圓上的圓周力，
為系數，
為蝸輪平均齒寬，
=25.65mm
為蝸桿齒的齒形系數，經查表
所以蝸輪齒面接觸應力：
=2.184MPa
蝸輪齒面接觸疲勞極限：
式中 為蝸輪蝸桿配對材料系數，經查表=7.84，
為壽命系數，
為速度系數，經查表取0.666。
為載荷系數，載荷比較平穩(wěn)，取=1
（3-8）
經查表，，，所以蝸輪齒面接觸強度符合要求。
(2) 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度
（3-9）
蝸輪齒根應力系數極限值，單位為，經查表，錫青銅應力極限值為39.2MPa.
齒根最大應力系數，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，單位mm，，蝸輪材料為錫青銅時，
法向模數，
（3-11）
則
所以蝸輪齒根彎曲強度符合要求。
3.1.3切削主軸設計與校核
1.軸的強度計算
軸的計算準則是滿足軸的強度或剛度要求，必要時還應校核軸的振動穩(wěn)定性。
軸的扭轉強度條件計算：
（1）按扭轉強度條件為
(3-12)
式中 —扭轉切應力單位為；
—軸所受的扭矩，單位為；
—軸的抗扭截面系數，單位為mm；
—軸的轉速，單位為r/min；
—軸傳遞的功率，單位為；
—計算截面處軸的直徑，單位為mm；
—許用扭轉切應力，單位為。
由上式可得軸的直徑
(3-13)
式中 對于空心軸，則
(3-14)
式中 , 即空心軸的內徑與外徑之比，通常取。
應當指出，當軸截面上開有鍵槽時，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的削弱。對于直徑的軸，有一個鍵槽時軸徑增大3﹪；有兩個鍵槽時應增大7﹪,對于直徑的軸，有一個鍵槽時軸徑增大5%～7﹪；有兩個鍵槽時，應增大10%～15﹪,然后將軸徑圓整為標準直徑。
(2)按彎扭合成強度條件計算
1)作軸受力分析
在受力分析時，應先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應把空間力分解為圓周力，徑向力和軸向力，然后把它們全部轉化到軸上），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。
根據上述，分別按水平面彎矩、垂直平面彎矩，然后按矢量法計算合成彎矩（）
(3-15)
由已求的合成彎矩和轉矩，根據第三強度理論相當彎矩
(3-16)
式中是考慮彎矩和轉矩所產生的應力的循環(huán)特性不同而引入的修正系數。
的取值由扭轉剪應力的循環(huán)特性決定：
(1)扭轉剪應力按對稱循環(huán)變化時，；
(2)扭轉剪應力按脈動循環(huán)變化時，；
(3)扭轉剪應力為靜應力時，。
2）計算軸的直徑
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
軸計算截面上的強度條件為
(3-17)
式中 —軸計算截面上的相當彎曲應力（）；
—軸傳遞的扭矩（）；
—軸的抗彎截面系數(mm)；
—對稱循環(huán)變應力時軸的許用彎曲應力()。
選取軸的材料為45號鋼，調質處理。
由表3.4選取 A0為110。
已知：傳遞扭矩為，輸出轉速為，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
根據使用條件，選取軸的材料為鋼，調質處理，
, 其中 =110
由式3-15得：,取
3.結構設計
定各軸段的直徑和長度
各軸段的直徑是在由扭轉強度計算而得的最小直徑的基礎上，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。安裝滑動軸承，聯(lián)軸器，密封圈等標準件的軸段，其直徑應取相應的標準件的內徑或孔徑。
各軸段的長度，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。確定時應盡可能使結構緊湊，又要保證零件所需的裝配和調整空間。
經確定軸上各段直徑，長度如圖3.5所示。
圖3.5 切削主軸
（1）按彎曲合成應力校核軸的強度
按彎扭合成強度條件計算
當軸的支承位置和軸所受載荷的大小、方向及作用點等均已確定，支點反力及彎矩可以求得時，可按彎扭合成強度條件對軸進行強度計算，具體步驟如下：
作軸的計算簡圖
通常將軸當作置于鉸鏈支座上的雙支點梁，其支點位置可根據軸承類型及組合方式，按圖3.5確定；由傳動件傳遞到軸上的載荷，通常簡化為作用于零件輪緣寬度中央的集中應力，軸上轉矩則假定從傳動件輪轂寬度的中點算起；若各載荷構成空間力系，則將其分解到兩個互相垂直的平面內。把主軸簡化為圖3.6a段中受集中力作用的鉸支梁。
已知條件知
，
由
代入數據得：
，。
由
代入數據得：
，
由以上數據畫出主軸在水平面和豎直面的受力簡圖，如圖3.6b段、3.6c段所示。
1)根據圖3.6，分別計算軸上的水平面內彎矩、豎直面內彎矩。
由式得：
作出水平面內的彎矩圖如圖3.6d段、豎直面內彎矩如圖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）作主軸的當量彎矩圖
由已知得到的合成彎矩和扭矩，根據第三強度理論計算相當彎矩，并做出當量彎矩圖。
(3-18)
式中 是考慮彎矩和轉矩所產生的應力的循環(huán)特性不同而引入的修正系數，取。
由式（3-19）得：
由式（3-18）得：
軸的材料為鋼，查參考文獻得。
，故軸的強度滿足要求。
3.2 徑向進給系統(tǒng)的設計
徑向進給系統(tǒng)包括徑向進給液壓馬達，一根進給絲杠，一個進給螺母，四根導向光杠，四個導向套，四組緩沖彈簧。其中固裝在整機殼體頂部外側的徑向液壓馬達與旋入進給螺母的進給絲杠的上端相連，而進給螺母固裝在減速箱方形體的一側，四根固裝在整機殼體內壁上的導向光杠穿過固裝在上述減速器方形體的四個導向套，這樣，當徑向進給液壓馬達帶動進給絲杠旋轉時借助進給螺母，就可拖動整個減速器連同圓盤刀具沿導向光杠實現進給或退刀，四組彈簧置于導向光杠的根部，起緩沖作用。
3.2.1 液壓馬達的選擇
徑向進給速度和功率由液壓馬達帶動螺旋傳動來提供，液壓馬達由表3.1選擇QJM-001型球塞式液壓馬達，參數值如表3.7所示
表3.7 QJM001技術參數
參數
數值
排量
64ml/r
額定壓力
10Mpa
轉速范圍
5—630r/min
額定輸出扭矩
95Nm
假設液壓馬達進出口壓差=3.3Mpa，轉速12r/min情況下，馬達所需流量：
（3-19）
=6412/(0.951000)=0.81L/min
式中 為馬達的排量
則馬達的輸出功率為：
（3-20）
=3.30.810.95/60=0.042kW
馬達的輸出轉矩：
（3-21）
式中 為液壓馬達的進出口壓差；
為馬達的實際流量；
為液壓馬達的總效率。
3.2.2 螺旋傳動部件的設計
螺旋傳動主要是將螺旋運動變成直線運動，同時進行能量和力的傳遞，或者調整零件的相互位置，也有將直線運動轉換為螺旋運動的，本次設計螺旋傳動的目的是將螺旋傳動轉換為直線運動。根據螺紋摩擦性質的不同，可分為滑動螺旋，滾動螺旋和靜壓螺旋；根據其用途，可分為傳力螺旋，傳動螺旋和調整螺旋。根據各自的特點和本設計的要實現的功能及參照表3.1，決定選用結構簡單，加工方便，運轉平穩(wěn)的滑動傳動螺旋，即絲杠傳動[10]。馬達的動力通過絲杠傳遞給減速器，絲杠可選用牙型角為30度，螺紋工藝性好的梯形螺紋，內外螺紋以錐面結合，對中性好，能傳遞較大力矩，使用壽命長。
3.2.3 圓柱螺旋壓縮彈簧的設計
在徑向進給系統(tǒng)中，在徑向切削過程中，要有彈簧起到緩沖作用。在設計時，要根據彈簧的最大載荷、最大變形、以及結構要求等來決定彈簧絲的直徑、中徑、工作圈數、彈簧的螺旋升角和長度等。在此結構中，采用四根彈簧并聯(lián)共同受力來完成切削進給任務，而并聯(lián)彈簧的剛度是每一根彈簧剛度之和，當進給平穩(wěn)時，載荷平均分配到每根彈簧上。
1.設計要求
最小載荷
安裝高度
最大工作載荷
工作行程
要求剛度
載荷作用次數次
彈簧中徑30mm
載荷類型為Ⅱ類
抗拉強度，許用切應力
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；
抗拉強度；許用切應力；
3.彈簧基本參數
選擇旋繞比，取，則曲度系數：
（3-22）
材料直徑：,取
則實際旋繞比：
初算彈簧的剛度：
有效圈數：
，取8圈。
此時彈簧的剛度：
因是二類工作載荷，極限載荷：
根據彈簧變形量應在變形區(qū)域20%-80%的規(guī)定，取壓并時的變形量：
，
壓并高度：
節(jié)距：
自由高度：
取95mm
彈簧內徑：
彈簧外徑：
最小載荷下彈簧高度：
最大載荷下彈簧高度：
實際工作行程:
彈簧螺旋升角:
（3-23）
在對范圍內。
4.強度校核
疲勞強度：
（3-24）
式中 —彈簧材料的脈動循環(huán)剪切疲勞極限，對于高優(yōu)質鋼絲，不銹鋼絲，鈹青銅，對于不銹鋼絲
為最大工作載荷產生的最大切應力。
故彈簧的疲勞強度符合要求。
靜應力強度校核
（3-25）
所以該彈簧設計合理。
3.3周向進給系統(tǒng)的設計
周向進給系統(tǒng)包括裝在這機殼內部的周向進給液壓馬達，過載保護器，CWU減速器，鏈傳動減速器，周向行走輪，齒形鏈導鏈輪和整機行走輪等等。液壓馬達經過過載保護器與CWU減速器的主軸相連，其輸出經鏈傳動減速器降速后拖動固裝在大鏈輪軸上的驅動鏈輪，，閉合的齒形鏈繞過待加工的管道驅動齒形鏈，張緊齒形鏈，而機殼底部的兩套周向行走輪從齒形鏈外側壓緊之，使得齒形鏈與管道之間有較大的包角。人工旋轉拉緊螺桿，使張緊鏈齒輪沿導軌外移，使齒形鏈與管道緊密接觸。此處的驅動鏈輪還是整機沿管道周向運動的主動輪，它轉動時，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整機沿管道圓周運動。
3.3.1 液壓馬達的選擇
整機沿管道爬行的動力由液壓馬達提供，根據表3.1選用BMD-D80型液壓馬達，其技術參數如表3.8所示。液壓馬達在額定壓力，額定轉速下可連續(xù)使用，若工況選擇在1/3額定壓力，1/3-2/3額定轉速時，馬達將在高效率區(qū)域工作。
設液壓馬達的進出口壓差為3.3Mpa，則馬達的輸出功率為：
（3-26）
=3.3320.95/60
=1.67kW
表3.8 BMD-D80型液壓馬達技術參數
參數
數值
排量
80ml/min
額定壓力
10Mpa
額定轉速
400r/min
最低穩(wěn)定轉速
20r/min
額定扭矩
95Nm
額定流量
32L/min
額定功率
4kW
馬達的輸出轉矩：
（3-27）
=
式中 為液壓馬達的進出口壓差；
為液壓馬達的實際流量。
3.3.2 CWU圓弧圓柱蝸桿的設計
1.選擇蝸桿傳動類型
由于要求結構緊湊，減速比較高，根據GB10085-88DE推薦，選擇承載能力高，傳動效率高，使用壽命長的圓弧圓柱蝸桿。
2.選材料
因蝸桿傳動功率大，故蝸桿采用45號鋼，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.蝸輪蝸桿的具體設計
查圓弧圓柱蝸桿功率曲線圖知，當CWU圓弧圓柱蝸桿減速器、中心距=80mm、減速比為=8、轉速=400r/min時，輸入的最大功率為2kW，又液壓馬達的最大輸出功率為1.67kW。所以選中心矩=80mm,又根據圓弧圓柱減速參數匹配表（表3.3）知：
蝸桿頭數: =4, =33, =35.4mm, =0.806mm
通過計算得：
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 鏈傳動減速器的設計
鏈傳動是應用較廣的一種機械傳動，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)的嚙合來傳遞運動和動力。它屬于帶有中間撓性件的嚙合傳動，鏈傳動無彈性滑動和打滑現象，能保持準確的平均傳動比，傳動效率高，作用于軸上的徑向壓力較小，結構較為緊湊，制造安裝精度要求低，成本低廉，可以大中心距傳動。
設液壓馬達的輸出功率為120r/min,則液壓馬達所需流量：
=80120/1000=9.6L/min
液壓馬達所需功率：
=3.39.60.95/60=0.5kW
3.3.4 鏈輪基本參數的確定
第一級圓弧圓柱蝸桿減速器減速比=8,則小鏈輪的轉速為15r/min，假設液壓馬達上的功率不損失的傳到鏈輪上1.8kW,則鏈傳動的設計功率為1.8kW，根據查滾子鏈的額定功率曲線圖，選用鏈號為20B系列，鏈節(jié)距=31.75mm，查表得滾子鏈直徑=19.05mm。
鏈傳動推薦傳動比在2.5~3.5之間，取=3，本設計要求結構緊湊，體積要小，在鏈傳動中，當鏈傳動線速度很小時，鏈輪齒數可以取得很小，查設計手冊鏈傳動部分，最小齒數可取9，所以本次設計就按最小齒數來計算，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
初定中心距=300mm，則鏈節(jié)數為
（3-30）
=18.89+18+0.87
=37.75 節(jié) 取整38節(jié)
2.確定鏈條長度及中心距
（3-31）
=303.8mm
因為鏈條在安裝時應有一個垂度，所以中心距應該有一個減小量：
=（0.002~0.004）=（0.002~0.004）303.8
=0.6~1.21mm
實際中心距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=1.15，故=1.157042=9313N
5.驗算小鏈輪彀空
查得小鏈輪的彀孔的許用最大直徑=50mm大于所設計軸徑=40mm，所以小鏈輪彀孔直徑選擇合適。
第一級蝸桿蝸輪減速器減速比為=8，第二級鏈傳動減速比為=3，則整個切割裝置沿管道爬行的總減速比為24，則由液壓馬達輸出轉速為120r/min可算得大鏈輪的最小轉速為5r/min。
3.4 齒形鏈輪的設計
周向進給系統(tǒng)保證整機在齒形鏈的限定下沿管道圓周運動的同時完成對全部管道的切割加工，齒形鏈傳動平穩(wěn)準確，振動噪聲小，強度高，承受沖擊性好，傳動效率高，工作可靠。齒形鏈又稱無聲鏈，它是由一組帶有連個齒的鏈板左右交錯并列鉸接而成，鏈外側是直邊，工作時鏈齒外側邊與鏈輪輪齒相嚙合來實現傳動，齒形鏈上設有導板以防止鏈條在工作時發(fā)生側向竄動。
鏈條采用標準齒形鏈條，鏈節(jié)距=15.875mm，查表選鏈輪齒數=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 行走輪及導軌的設計
行走輪是爬行裝置的一個重要組成部分，可以使切割裝置在管道表面形成整體滾動。它嵌于機殼底部的凹槽里，通過螺栓和抗剪銷釘固定。齒型帶鏈正好置于中間的導鏈輪上，工作時不會脫落或產生偏差。
導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軌，然后再將切割裝置的導輪嵌放在該導軌的槽中，可以使該切割裝置在光線灰暗甚至零能見度的情況下進行水下垂直切割。如果不用導軌系統(tǒng)，不僅由于齒形鏈的柔性的原因，切出來的端面不能和管道軸線垂直，大大影響接下來的焊接加工工作，而且切割裝置在安裝時要浪費很多時間。
1-導軌輪 2-導軌 3-鎖緊螺母
圖3.9 導軌裝置簡圖
3.6 本章小結
本章主要進行切割裝置本體的結構設計及關鍵部件的校核。首先進行主運動系統(tǒng)液壓馬達的選擇及圓弧圓柱蝸桿減速機構的設計和校核。接著進行徑向進給機構和周向進給機構的液壓馬達的選擇及蝸桿減速器和和圓柱壓縮彈簧的設計及校核。
第4章 動力系統(tǒng)的設計
本章主要進行切割裝置動力系統(tǒng)的設計，包括動力機的選擇，液壓傳動系統(tǒng)的設計。
4.1 動力機的選擇
1.應選用何種形式的動力機，主要應從以下三個方面進行分析比較
(1) 分析工作機械的負載特性和要求，包括工作機械的載荷特性、工作制度，結構布置和工作環(huán)境等。
(2) 分析動力機本身的機械特性，包括動力機的功率、轉矩、轉速等特性，以及動力機所能適應的工作環(huán)境。應使動力機的機械特性與工作機械的負載特性相匹配。
(3) 進行經濟性的比較，當同時可用多種類型的動力機進行驅動時，經濟性的分析是必不可少的，包括能源的供應和消耗，動力機的制造，運行和維修成本的對比等。
除上述三方面外，有些動力機的選擇還要考慮對環(huán)境的污染，其中包括空氣污染和噪聲污染等。
動力機主要包括電動機，內燃機，氣動馬達和液壓馬達等，由于切割裝置有時在潮濕條件下使用，所以驅動裝置不能選用電動機和內燃機，只能在液壓馬達和氣動馬達之間選擇。
2.液壓馬達作為動力機時具有以下特點
(1) 可以獲得很大的機械力或轉矩。
(2) 與電動機相比在相同功率時的外形尺寸小、重量輕，因而運動件的慣性小，快速響應的靈敏度高。
(3) 液壓馬達可以通過改變油量來調節(jié)執(zhí)行機構的速度，傳動比較大，低速性能好，容易實現無級調速和過載保護，操作和控制