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大口徑管道是大規(guī)模石油天然氣輸送的重要工具，大口徑輸送管道投入使用后，由于生產(chǎn)發(fā)展和用戶(hù)的增多，經(jīng)常需要進(jìn)行干線管道延伸或在干線管道上安裝新的分支管道。石油天然氣運(yùn)輸管道的施工是最常見(jiàn)的，其特點(diǎn)是管道直徑大切割困難，切割后進(jìn)行開(kāi)坡口也是十分困難，這些問(wèn)題為管道加工提出了挑戰(zhàn)。目前，國(guó)外對(duì)管道加工技術(shù)的研究已趨于成熟，其中，國(guó)外管加工設(shè)備較成熟的企業(yè)有美國(guó)的CRC公司、CCI公司，德國(guó)的VIETZ公司及加拿大的PR-LINE公司等，他們的產(chǎn)品已在荷蘭、澳大利亞等多個(gè)國(guó)家投入使用。美國(guó)的E.H.Wachs公司已經(jīng)自主獨(dú)立研發(fā)出Concrete Pipe Cutting Mchin管切機(jī)已應(yīng)用于工程實(shí)際中，并且正在向國(guó)內(nèi)市場(chǎng)推廣。
我國(guó)管道加工的研究大多集中在海底運(yùn)輸和煤礦業(yè)，隨著海洋石油工業(yè)高速高效的發(fā)展，新開(kāi)發(fā)的海上油氣田正在逐年增加，促使國(guó)內(nèi)對(duì)海底油氣管道加工研究已有了一定的成果，已出現(xiàn)將開(kāi)采石材的繩鋸機(jī)應(yīng)用于海底石油管道切割，高壓水射流切割也已有廣泛的應(yīng)用。野外的切割工作依然還是依靠氣體切割，但是氣體切割存在許多生產(chǎn)上的安全隱患，對(duì)開(kāi)式鉆銑機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)鉆銑機(jī))可用于大口徑管道的切割和開(kāi)坡口，其具有工作安全穩(wěn)定和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。本研究對(duì)鉆銑機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和有限元強(qiáng)度分析，從而得到必要的理論參數(shù)，為機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。
鉆銑機(jī)由動(dòng)力元件、傳動(dòng)元件和執(zhí)行元件組成，動(dòng)力元件為兩個(gè)擺線式液壓馬達(dá)，傳動(dòng)元件為鉆銑機(jī)定支架和動(dòng)支架，執(zhí)行元件為分析的鉆銑頭。鉆銑機(jī)通過(guò)定支架上的支腿固定于欲加工的管道上，定支架上的支腿可以進(jìn)行伸縮調(diào)節(jié)以便對(duì)不同直徑的管道進(jìn)行鉆銑加工。動(dòng)支架通過(guò)滾子和螺栓與定支架連接，工作時(shí)定支架固定于管道上，動(dòng)支架由安裝在定支架主驅(qū)動(dòng)箱體上的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。鉆銑頭安裝在動(dòng)支架上，在動(dòng)支架轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)鉆銑頭進(jìn)行銑削加工，實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，鉆銑頭的徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由人工完成。
本研究主要對(duì)鉆銑頭進(jìn)行分析，為了說(shuō)明鉆銑頭的工作原理，使用三維軟件Pro/E建立鉆銑頭的幾何結(jié)構(gòu)模型，如圖所示。鉆銑機(jī)工作時(shí)需要先安裝好定支架和動(dòng)支架，然后將鉆銑頭安裝到動(dòng)支架上。工作前將液壓馬達(dá)通過(guò)鍵連接安裝到主軸后端為鉆銑頭提供動(dòng)力，將銑刀頭通過(guò)錐柄安裝到主軸前端實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的輸出。螺桿和螺母配合使箱體部分沿導(dǎo)軌移動(dòng)，為鉆銑頭提供徑向進(jìn)給力。Pro/MECHANICAM運(yùn)動(dòng)分析模塊能夠創(chuàng)建機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型，并能進(jìn)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可以分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和力，比如檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是否正確，仿真機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)機(jī)構(gòu)中各個(gè)組元的位移、速度和加速度及檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)裝配件是否干涉。
對(duì)鉆銑頭模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，仿真結(jié)果表明：鉆銑頭零件之間無(wú)干涉產(chǎn)生，同時(shí)也說(shuō)明鉆銑頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。Pro/E軟件運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的合理性，使用Pro/E軟件把欲進(jìn)行有限元分析的模型轉(zhuǎn)化為IDES格式，通過(guò)Pro/E和ANSYS軟件的無(wú)縫接口技術(shù)，將模型導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。
鉆銑頭的有限元分析包括：主軸、箱體和導(dǎo)軌等，它們都是鉆銑頭工作時(shí)的重要部件，在工作時(shí)起著重要的作用，對(duì)這些機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析可為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。鉆銑頭主軸模型導(dǎo)入ANSYS軟件后，對(duì)模型進(jìn)行修改和簡(jiǎn)化，以便于網(wǎng)格的劃分和分析計(jì)算。主軸內(nèi)部的尖角進(jìn)行處理，把不必要的尖角刪除，得到ANSYS模型，如圖所示。鉆銑頭主軸為實(shí)體模型，幾何模型較為復(fù)雜，故劃分有限元模型的單元類(lèi)型選用三維實(shí)體單元Solidl85。此單元由8節(jié)點(diǎn)組合而成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿x、y、二方向平移的自由度，單元具有超彈性、應(yīng)力鋼化、蠕變、大變形和大應(yīng)變能力。對(duì)于主軸進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分Smartsize=6，劃分方法為mesh=volumes，shape=tetandfree，進(jìn)行自動(dòng)劃分后在對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，最終得到有限元模型如圖。鉆銑頭的主軸部分主要采用45鋼材料加工而成，45鋼的材料屬性見(jiàn)表。
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