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,由于生產發(fā)展和用戶的增多,經常需要進行干線管道延伸或在干線管道上安裝新的分支管道。石油天然氣運輸管道的施工是最常見的,其特點是管道直徑大切割困難,切割后進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的研究已趨于成熟,其中,國外管加工設備較成熟的企業(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公司已經自主獨立研發(fā)出Concrete Pipe Cutting Mchin管切機已應用于工程實際中,并且正在向國內市場推廣。
我國管道加工的研究大多集中在海底運輸和煤礦業(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,促使國內對海底油氣管道加工研究已有了一定的成果,已出現將開采石材的繩鋸機應用于海底石油管道切割,高壓水射流切割也已有廣泛的應用。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上的安全隱患,對開式鉆銑機(以下簡稱鉆銑機)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。本研究對鉆銑機進行運動仿真和有限元強度分析,從而得到必要的理論參數,為機構的設計和優(yōu)化提供參考。
鉆銑機由動力元件、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,傳動元件為鉆銑機定支架和動支架,執(zhí)行元件為分析的鉆銑頭。鉆銑機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行伸縮調節(jié)以便對不同直徑的管道進行鉆銑加工。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動箱體上的液壓馬達驅動實現轉動。鉆銑頭安裝在動支架上,在動支架轉動的同時鉆銑頭進行銑削加工,實現圓周進給運動,鉆銑頭的徑向進給運動由人工完成。
本研究主要對鉆銑頭進行分析,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構模型,如圖所示。鉆銑機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現動力的輸出。螺桿和螺母配合使箱體部分沿導軌移動,為鉆銑頭提供徑向進給力。Pro/MECHANICAM運動分析模塊能夠創(chuàng)建機構運動模型,并能進行機構優(yōu)化設計,還可以分析機構的運動和力,比如檢驗機構的運動是否正確,仿真機構運動,檢測機構中各個組元的位移、速度和加速度及檢驗機構運動過程中各個裝配件是否干涉。
對鉆銑頭模型進行運動仿真,仿真結果表明:鉆銑頭零件之間無干涉產生,同時也說明鉆銑頭的結構設計是合理的。Pro/E軟件運動仿真結果驗證了結構的合理性,使用Pro/E軟件把欲進行有限元分析的模型轉化為IDES格式,通過Pro/E和ANSYS軟件的無縫接口技術,將模型導入ANSYS軟件進行有限元分析。
鉆銑頭的有限元分析包括:主軸、箱體和導軌等,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,對這些機構進行有限元分析可為結構設計提供參考依據。鉆銑頭主軸模型導入ANSYS軟件后,對模型進行修改和簡化,以便于網格的劃分和分析計算。主軸內部的尖角進行處理,把不必要的尖角刪除,得到ANSYS模型,如圖所示。鉆銑頭主軸為實體模型,幾何模型較為復雜,故劃分有限元模型的單元類型選用三維實體單元Solidl85。此單元由8節(jié)點組合而成,每個節(jié)點有3個沿x、y、二方向平移的自由度,單元具有超彈性、應力鋼化、蠕變、大變形和大應變能力。對于主軸進行自動網格劃分Smartsize=6,劃分方法為mesh=volumes,shape=tetandfree,進行自動劃分后在對模型進行網格細化,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。
專業(yè)從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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