管道焊接坡口加工装置(坡口机)的设计-毕业设计说明书要点.pdf
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1、毕业设计论文 - 1 - 目录 摘要(中文) 摘要(英文) 第一章前言 3 第二章研究内容及简介3 2.1 研究内容3 2.2 坡口机简要分析3 2.3 实现方法及预期目标4 2.4 对设计进度具体安排4 2.5 坡口机的主要类型4 2.5.1 坡口机的主要类型4 2.5.2 管端坡口机5 2.5.3 全自动柔性切管机5 2.5.4 爬式管道切割/ 坡口机6 2.6 坡口机的分析和展望7 2.6.1 坡口机的分析7 2.6.2 坡口机的展望7 第三章坡口机的使用及维护7 3.1 坡口机的使用7 3.2 使用中的注意事项及维护8 3.2.1 操作注意事项8 3.2.2 特殊工件开坡口8 第四章坡
2、口机的液压驱动系统8 4.1 机械本体9 4.2 液压系统9 4.2.1 刀具回转回路9 4.2.2 比例阀控爬行回路9 4.2.3 安全回路10 4.2.4 径向进给回路10 4.3 控制策略及其仿真10 第五章齿轮的设计计算11 5.1 减速圆柱齿轮设计11 5.1.1 已知11 5.1.2 初步设计11 5.1.3 按齿轮面接触强度设计11 5.2 计算11 5.3 按齿根弯曲强度设计12 毕业设计论文 - 2 - 5.4 几何尺寸计算13 5.5 验算13 第六章轴的设计13 6.1 轴的选择13 6.1.1 选择轴的材料14 6.1.2 初步估算轴的直径14 6.2 轴上零部件的选用
3、和轴的结构设计14 6.2.1 初步选择滚动轴承14 6.2.2 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度14 6.2.3 轴上零件的周向定位15 6.2.4 确定轴上倒角和圆角尺寸15 6.3 轴的受力分析15 6.3.1 作出轴的计算简图15 6.3.2 轴受外力的计算15 6.4 轴的较核15 6.4.1 轴材料的疲劳强度极限15 6.4.2 考虑弯矩的作用(弯曲应力按对称循环)计算安全系数16 第七章工作原理16 7.1 机体结构16 7.2 夹紧原理18 7.3 传动原理19 7.4 进刀原理19 结 束 语 21 致 谢 22 参考文献 23 毕业设计论文 - 3 - 第一章前言
4、我国是一个海洋大国,面临太平洋及其所属渤海、黄海、东海、南海,大陆海岸线长18万 多公里,有 300多平方公里的领海和管辖海域。海洋资源是近几年国际上激烈竞争的焦点之一,是 各国重要的战略目标。 水下技术,是我国一个起步较晚,但近些年来发展很快的领域。目前尽管在水下科学技术方 面已取得了一定成绩,但是还需要进一步发展多元科学技术,以使海洋作业更加方便、快捷。其 中水下工程技术就是需要尽快发展的一种多元科学技术。 水下工程技术通常是指海洋工程中围绕海底油气及其它矿产资源的勘探、开采和救助打捞工 程所需要的设备、设施的设计、建造及施工工艺和作业技术。 海底油气输送管道维修作业系统是水下工程技术的一
5、个部分,维修作业的主要任务是研制一 套海洋环境下能够对单双层海底管道进行吊装、切割、去表皮、开坡、清理等作业的机具并能够 快速修复海底管道。 第二章研究内容及简介 21 研究内容 我此次主要负责管道焊接坡口加工装置(坡口机)的设计,在前期进行了大量的调研工作以 后,完成该机械的具体设计计算,并画出三张A0 号图和完成总的装配图。最后对其设计成果进行 产品的技术分析和制作零件的仿真动画。 22 坡口机分析 在上述介绍的各种切割坡口机中,现场作业效果最好的坡口机属美国Wachs 和Mathey公司的爬 管式切坡口机,在管道维修这一领域有很强的实用性。它具有如下特点: (1) 应用面广。由气动或者液
6、压驱动,它可以在管子水平或者垂直方向作业,安装防腐外壳后可 以在壕沟和深水下作业。(2) 加工对象范围大。直径为1501800mm 的碳钢、不锈钢、球墨铸铁、铸 铁及大部分合金材料管道。甚至直径达100m 的油罐。 (3) 铣削切割方式,可以切下41775mm 的金属,而且不改变机加工表面的物理性能。 (4) 加工精度较高。一般情况下,端面垂直度在156ram范围内。如果使用导轨附件可将加工精 度保持在 0125mm 以内。采用导轨和特殊导轨轮可在零能见度下进行垂直切割、水下切割及多道切 割。 (5) 安全防爆。切割机在易爆的环境下可以在天然气、原油及燃料管上作业,它曾经用于切割导 弹燃料系统
7、。 (6) 安装简单。将可调节的驱动链条连接起来并扣紧在管道上,便可开动机器。 (7) 海上管道维护。液压型的切割坡口机采用全封闭液压系统,特别适合恶劣环境( 风沙、水 下) 工作。适合海上钻井、铺管及各种水上安装工程。 (8) 抗腐蚀。使用不锈钢螺丝、特殊轴承、铅封及锌层等附件,可防止盐水作业下的腐蚀。 23 实现方法及预期目标 毕业设计论文 - 4 - 初步先计算各方面的大体范围,确定机身各部分的材料。 确定机身部分的转动速度以及刀的进给速度。 重点和难点都是液压马达的运动传递到机器自身转动的运动转化。 如何实现刀进给时为切出坡口而需要的运动方式。 机身转动部分的内部结构。 如何实现刀和工
8、件的冷却。 24 对设计进度具体安排 1-4 周 充分的社会实践,调研以及完成开题报告 5-6 周 进行总体方案的设计计算工作 7-8 周 进行具体零件的设计计算工作,并攻破其存在的主要难点 9 周 完成草图的设计 10-11 周 完成装配的设计 12-14 周 完成总装配图,并进行修改以至基本完善 15-16 周 完成毕业论文以及说明书 17-18 周 准备迎接毕业答辩 25 坡口机的主要类型 下面就维修作业机具中的管道焊接坡口机的发展概况作详细介绍。 在管道铺设或管接修复过程中,需要对管道进行切割开坡口作业,以便进行焊接。切割 坡口机是管道换接修复过程中不可缺少的专业设备,它所涉及的各项技
9、术在国外有成形产品出售。 我国的产品多数为模仿国外制造。国外具有代表性的坡口机产品有以下几种。 2.5.1 火焰切割坡口机 美国 H&M 公司生产两种火焰切割坡口机(如右图所示):钢带式火焰切割和坡口机采用铝制 机身,重量轻,适合现场切割管道,坡口机的导轨采用不锈钢凸缘导轨,( 钢带通过搭接,直径可 调) ,行走稳定准确,切割线不错位坡口角度可调带有 15m 电动遥控器,速度可调,正反转控制, 非常适应海上 平台导管架切割和管道切割产品适用管径为 2502400mm 的管道:马鞍形环齿轮式火焰切割坡口 机适合车间高效率下料,而且可扩展成斜口切割机。铝 制机身, 重量轻, 装配精度极高,鞍座和环
10、齿轮同轴度 达到 064mm ,端面垂直度达到038mm 。电动型配 15m 长遥控电缆,可调速和正反转。一种机型可适用四 种相邻管径。 坡口角度可调。 配双割把架, 可以同时割 出双侧坡口配圆度靠轮,可以适应不圆的管子切割 系列产品,适用管径为501200ram的管道。(图 2-1 ) 2.5.2 管端坡口机 图 21 火焰切割 / 坡口机 毕业设计论文 - 5 - 意大利“古倍喜”公司生产内卡式、外卡式坡口机和管端坡口车床(如右图所示)。内卡式 管道坡口机有两个型号,适合于小管径管道加工坡口。它由气动操作,防爆,适用于石化图2 马 鞍形环齿轮式炼油企业管道维修。坡口机工作时通过超强自锁内卡
11、芯轴卡于管道内,不打滑,不 振颤,不弯曲变形。 外卡式管道坡口机有 多个型号,采用多刀车削方 式,适用于小管径管道。管 端坡口车床内径卡紧,便 携, 尤其适合厚壁管端加工 处理图 3 内卡式管图4 外 卡式管图5 管端坡道坡口机道坡 臼机 L 】车床。 2.5.3 全自动柔性切管机 日本板桥全自动柔性轴切管机结构比较特 殊,机头没有任何动力马达,动力来自柔性扭 矩传输缆 轴(如右图所示)。可以对管道进行切割、 开槽等作业。适用于铸铁管、水泥管、钢管、 石棉管和塑料管等。能够图6 日本板桥管道切 割机快速、安全作业,也可在水中作业最大切 割厚度达 60nun。 2.5.4 爬管式管道切割坡口机
12、图2-2 管端坡口机 图2-3 全自动水柔性切管机 毕业设计论文 - 6 - 美国瓦奇 TLC爬管式切割坡口机是一种便携式铣削机(如右图所示),它通过链条将机 体固定在管道上,驱动链轮使机体带着旋转的切 割刀和坡口刀沿链条爬行一周,完成管道的 切割和开坡口?它由液压驱动, 可以在管子水 平或者垂直方向作业,也可以在壕沟和180m 深水下作业它可以在带压的管道或者罐体 上进行冷切割和坡口加工,加工精度高,安 全防爆,特别适合恶劣环境( 风沙、污泥、水 下) 工作,适合海上钻井、铺管及各种水上 安装工程美国瓦奇闸刀式管道切割锯是系列 产品。可以割锯实心空心管道和棒料。可 用于自来水公司、输气公司、
13、炼油厂、核电站、 化工厂等行业。闸刀式管锯固定时需用带链条 的台钳将闸刀锯和管子夹紧,精加工的铸铁V 形马鞍底座确保切口的平直:管锯可在管外的任何位置安装,垂直和水平作业的效果同样出色。 它可以采用气动、液动或电动控制,摇把负责手工进给,马达负责锯割,一个标准壁厚的150mm 管子在 6min内便可以割断。锯条采用通用的硬质合金高强度锯条,更换方便,由于在切割回程中 是将刀刃从割口处提升,因此刀刃寿命大大延长。除了上述切割坡口机外,还有:美国Mathey 公司生产的爬管式切割坡口机,原理同瓦奇坡口机,性能稍有差异。德国GF 公司生产的适用于 薄壁细长管切割开坡口的RA 系列管道切割兼坡口机;适
14、用于锅炉、 换热器管道处理的BRB 系列坡 口机;适用于现场和车间厚壁管道管端处理加工的坡口机。美国“力得”公司生产用于城市公用 供暖、供气管道施工的手动切割刀等等。综上所述,国外用于现场作业的切割坡口机成型产品 可靠性高,适合于现场 作业, 但在很大程度上是由 人手工操作的, 自动化程度并不 高。 26 坡口机的分析和展望 2.6.1 坡口机分析 在上述介绍的各种切割 坡口机中,现场作业效果最好的 坡口机属美国Wachs 和Mathey公 司的爬管式切坡口机,在管道 维修这一领域有很强的实用性。 它具有如下特点: 图2-4 爬式管道切割 / 坡口机 图2-5 坡口刀 毕业设计论文 - 7 -
15、 1、应用面广。由气动或者液压驱动,它可以在管子水平或者垂直方向作业,安装防腐外壳后 可以在壕沟和深水下作业。(2) 加工对象范围大。直径为1501800mm 的碳钢、不锈钢、球墨铸铁、 铸铁及大部分合金材料管道。甚至直径达100m 的油罐。 3、铣削切割方式,可以切下4 1775mm 的金属,而且不改变机加工表面的物理性能。 4、加工精度较高。一般情况下,端面垂直度在156ram范围内。如果使用导轨附件可将加工 精度保持在 0125mm 以内。采用导轨和特殊导轨轮可在零能见度下进行垂直切割、水下切割及多 道切割。 5、安全防爆。切割机在易爆的环境下可以在天然气、原油及燃料管上作业,它曾经用于
16、切割 导弹燃料系统。 6、安装简单。将可调节的驱动链条连接起来并扣紧在管道上,便可开动机器。 7、海上管道维护。液压型的切割坡口机采用全封闭液压系统,特别适合恶劣环境( 风沙、 水下 ) 工作。适合海上钻井、铺管及各种水上安装工程。 8、抗腐蚀。使用不锈钢螺丝、特殊轴承、铅封及锌层等附件,可防止盐水作业下的腐蚀。 2.6.2 坡口机的展望 从目前国外发展现状来看,爬管式坡口机不仅能在水下工作,也能在干式环境中工作,而且 能适应大范围管径的管道切割开坡口作业。但是该坡口机属于半自动的,针对不同材质、不同 性能的材料所用切削速度应是多少,需要靠人工根据经验作现场调整。如遇能见度较差的海情, 作业将
17、非常困难;而且我国海域环境较为复杂,该坡口机还需要进一步完善。 第三章坡口的使用以及维护 31 坡口机的使用 坡口加工常用的方法有机械切削和热切割两类。机械切削加工坡口常使用坡口机、刨边机 及铣床、刨床、车床等各种型号的通用机床,加工的坡口尺寸精确,坡口面质量较好。 在所有的机械切削加工方法中,坡口机加工坡口所使用的机床体积小,结构简单操作方 便,可一次加工成形,工效是铣床或刨床的20倍以上,为刨边机的l0 倍以上,且设备一次性投资 小, 运行费用较低。 该方法所加工的板材,无论是圆板还是直板,除厚度外 在理论上不受直径、 长度、宽度的限制。和热切割加工方法相比,坡口机加工坡口无污染环境的烟气
18、,能耗低,开坡 口速度为气割的10倍左右,而且不需要清除毛刺。目前,在坡口加工上,常采用坡口加工机、气 割机取代刨边机等机械切削加工坡口,中小型零件乃至整张钢板一般选用坡口加工机来进行,对 大型零件或形状复杂的坡口则在大型门式气割机或数控切割机上完成。坡口加工机是坡口加工的 专用设备,选用及使用有许多特点。目前,国内能提供的坡口加工机型号有: HP-10 HP-14 , HP 16, HP-20 , HP-22 HP-26HP-30型等。 32 使用中的注意事项及维护 毕业设计论文 - 8 - 3.2.1 操作注意事项 先根据工件需求调整坡口面角度、坡口钝边,然后再置人工件,调整压紧机构。在确
19、认不存 在任何不安全因素的情况下,再开始坡口加工。操作时,先将工件待开坡口一边紧靠导向轮,人 工将工件推向刀盘。工件一旦与刀盘接触,便可自行喂料,不再需要人力推动。如果坡口面宽度 大,坡口端应倒角。 3.2.2 特殊工件开坡口 1、对于长度小于300 mm 的小工件,需配置一套附加装置,以免工件翘扭; 2、 对于坡口面宽度小于1O mm 的工件,在坡口加工终端可能发生少量偏斜,如用户认为有必 要保持坡口面宽度的高精度,可配置专用的顶块;对于尺寸长、质量大的工件,必须附设支承 工件用辊道 ( 托架 ) ;对于宽度为 50 350的狭长工件,须配置专用的附加装置,以确保工件的平 稳性;加工圆盘形工
20、件的圆边坡口或圆筒形工件坡口时,须另配置一套附加装置。 3、刀具的刃磨 1) 滚剪刀只能磨前端面,磨削加工可在平面磨床或在万能工具磨床上进行; 2)通常一把滚剪刀进行34次刃磨,每次刃磨量不超过2 nm ( 刃磨量以 05,1,15,2 mm 为准 ) ,刃磨后应用油石修磨; 3)刃磨过的滚剪刀在使用时应根据刃磨量在主轴端面间安置调整垫片。调整垫片的厚度为 05,1,15,2Iltlm等四种。 第四章坡口机的液压驱动系统 海洋油气资源的开发是海洋开发的重要组成部分,其中海底破损油气管道的维修是海洋油气 顺利运输的必要保证。水下坡口机是管道修复过程中不可缺少的专业设备,是焊接管道的保障。 目前我
21、国运用的设备从国外进口,而且自动化程度并不高。为了加快我国水下工程技术发展,特 研究了一种水下坡El 机。本文主要介绍坡口机的电液比例阀控系统及其仿真技术。 41 机械本体 本坡口机采用液压系统,特别适合恶劣环境下( 风沙、污泥、海水) 工作。适合海上钻井、铺 管及各种水上安装工程。坡口机主要由机械本体、液压动力源、微机控制系统组成。其中坡口机 本体包括主切削头、径向进给机构、周向爬行机构、导向链固定张紧机构和坡口刀片等部件,如 图1所示 (PRO E绘制 ) 。工作时,替水员进行水下安装,将可调节的驱动链条连接起来并扣紧在管 道上,然后调节张紧螺母使链条张紧,保证切削不打滑;然后坡El 机自
22、动对管道进行作业,首先 进行径向铣削,径向铣透后再进行周向铣 42 液压系统 毕业设计论文 - 9 - 为坡口机设计的液压系统如图2所示,该系统由以下回路组成。 4.2.1 刀具回转回路 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 3、比例调速阀 4、马达 5组成,实 现刀具回转,且转速可变。比例调速阀具有的稳压作用改善了马达的动态特性。单向阀13用以提 高回油背压。 4.2.2 比例阀控爬行回路 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7、马达 8所组成。 比例换向阀和转速传感器实现对爬行速度的调节,必要时还可以实现快进、回退。比例溢流阀调 节马达
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