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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的，其特點(diǎn)是管道直徑大切割困難，切割后進(jìn)行開坡口也是十分困難，這些問題為管道加工提出了挑戰(zhàn)。目前，國外對管道加工技術(shù)的研究已趨于成熟，其中，國外管加工設(shè)備較成熟的企業(yè)有美國的CRC公司、CCI公司，德國的VIETZ公司及加拿大的PR-LINE公司等，他們的產(chǎn)品已在荷蘭、澳大利亞等多個國家投入使用。美國的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，并且正在向國內(nèi)市場推廣。
我國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，新開發(fā)的海上油氣田正在逐年增加，促使國內(nèi)對海底油氣管道加工研究已有了一定的成果，已出現(xiàn)將開采石材的繩鋸機(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，對開式鉆銑機(jī)(以下簡稱鉆銑機(jī))可用于大口徑管道的切割和開坡口，其具有工作安全穩(wěn)定和操作簡單的特點(diǎn)。本研究對鉆銑機(jī)進(jìn)行運(yùn)動仿真和有限元強(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)由動力元件、傳動元件和執(zhí)行元件組成，動力元件為兩個擺線式液壓馬達(dá)，傳動元件為鉆銑機(jī)定支架和動支架，執(zhí)行元件為分析的鉆銑頭。鉆銑機(jī)通過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)以便對不同直徑的管道進(jìn)行鉆銑加工。動支架通過滾子和螺栓與定支架連接，工作時定支架固定于管道上，動支架由安裝在定支架主驅(qū)動箱體上的液壓馬達(dá)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動。鉆銑頭安裝在動支架上，在動支架轉(zhuǎn)動的同時鉆銑頭進(jìn)行銑削加工，實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給運(yùn)動，鉆銑頭的徑向進(jìn)給運(yùn)動由人工完成。
本研究主要對鉆銑頭進(jìn)行分析，為了說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)工作時需要先安裝好定支架和動支架，然后將鉆銑頭安裝到動支架上。工作前將液壓馬達(dá)通過鍵連接安裝到主軸后端為鉆銑頭提供動力，將銑刀頭通過錐柄安裝到主軸前端實(shí)現(xiàn)動力的輸出。螺桿和螺母配合使箱體部分沿導(dǎo)軌移動，為鉆銑頭提供徑向進(jìn)給力。Pro/MECHANICAM運(yùn)動分析模塊能夠創(chuàng)建機(jī)構(gòu)運(yùn)動模型，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)動和力，比如檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動是否正確，仿真機(jī)構(gòu)運(yùn)動，檢測機(jī)構(gòu)中各個組元的位移、速度和加速度及檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中各個裝配件是否干涉。
對鉆銑頭模型進(jìn)行運(yùn)動仿真，仿真結(jié)果表明：鉆銑頭零件之間無干涉產(chǎn)生，同時也說明鉆銑頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。Pro/E軟件運(yùn)動仿真結(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Pro/E和ANSYS軟件的無縫接口技術(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的重要部件，在工作時起著重要的作用，對這些機(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，對模型進(jìn)行修改和簡化，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，每個節(jié)點(diǎn)有3個沿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。對于主軸進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分Smartsize=6，劃分方法為mesh=volumes，shape=tetandfree，進(jìn)行自動劃分后在對模型進(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鋼的材料屬性見表。
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