鄧子龍，許龍，吳明，李強，鈕科

(遼寧石油化工大學(xué)a.機械工程學(xué)院，b.石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001)

大直徑管道切割對開式鉆銑機(以下簡稱為鉆銑機)在國外的管道施工中已得到普遍的應(yīng)用，美國的E.H.Wachs公司已經(jīng)獨立研發(fā)出Travelling Pipe cutter［1］切管機且已應(yīng)用于工程實際中，正在向國內(nèi)市場推廣使用。國內(nèi)對管道切割的研究起步相對晚一些，大部分是在國外設(shè)備基礎(chǔ)上的仿制和改進［2］［3］。國內(nèi)的幾家生產(chǎn)廠商研制出適用于大管徑、長輸管道施工現(xiàn)場加工機械［4］，只能用于大直徑管道開坡口，而管切割仍然未能實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。本文設(shè)計的鉆銑機是用于遠(yuǎn)距離大口徑油氣輸送管道切割與開坡口的自動化設(shè)備，國內(nèi)最新型的大直徑管切機，對其進行機械性能的分析可以為研發(fā)設(shè)計提供必要的依據(jù)。

1 對開式鉆銑機工作原理

鉆銑機主要由動力元件液壓電機、傳動元件動支架與定支架和執(zhí)行元件鉆銑頭組成。液壓電機有兩個，一個為動支架提供轉(zhuǎn)動動力，一個為鉆銑頭提供切削動力。定支架通過支腳固定于要切割的管道上，動支架通過與定支架之間的滾子和定支架進行連接。為了說明鉆銑機的工作原理，運用三維建模軟件Pro/E建立鉆銑機的整機結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。Pro/E軟件的運動學(xué)分析模塊Mechanism可以進行裝配的運動學(xué)分析和仿真，運動仿真的結(jié)果不但可以以動畫的形式表現(xiàn)出來，還可以以參數(shù)的形式輸出，從而可以獲得零件之間是否干涉，干涉的體積有多大等［5］，經(jīng)仿真分析鉆銑機無干涉產(chǎn)生。

圖1 鉆銑機模型簡圖

對開式鉆銑機的定支架和動支架都為兩半環(huán)，工作前需要用定支架開合塊和動支架開合塊將其安裝到一起，調(diào)節(jié)支腿長度將鉆銑機固定到管道上，以便夾緊管道固定鉆銑機。主驅(qū)動液壓電機箱體和鉆銑頭分別安裝到定支架和動支架上，一個液壓電機通過減速裝置安裝到主驅(qū)動液壓電機箱體上驅(qū)動動支架為鉆銑機提供周向進給動力，另一個液壓電機安裝到鉆銑頭主軸上驅(qū)動鉆銑頭工作并為鉆銑機提供徑向和周向切削加工及開坡口動力。

2 有限元分析

鉆銑機的有限元分析包括定支架、動支架、支腿和鉆銑頭，其中鉆銑機定支架是鉆銑機工作時的主要承載部件，工作時起著關(guān)鍵的作用，對其進行有限元分析計算有著十分重要的作用。

2.1 有限元模型建立

通過Pro/E和ANSYS軟件的無縫接口技術(shù)［6］，將鉆銑機定支架模型導(dǎo)入ANSYS軟件后，對模型進行的修改和簡化，以便于網(wǎng)格的劃分和分析計算［7］。定支座模型是對稱分布的，為了便于網(wǎng)格的劃分和減少計算量，將模型刪去一半成為對稱模型如圖2所示。圖2中，1為簡化后的支腿，2為細(xì)化后的定支架開合塊。由于對支腿將做專門的分析，所以在定支架的分析中將其簡化。定支架開合塊起到閉合定支架的作用，也承受工作時的載荷，這里把它進行細(xì)化處理，以得到更加精準(zhǔn)的有限元分析模型。

圖2 定支架模型

鉆銑機的定支架部分實際結(jié)構(gòu)主要由鋼板焊接而成，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體單元Solid185。進行自動劃分后在對模型進行網(wǎng)格細(xì)化，最終得到有限元模型如圖3所示。

圖3 定支架有限元模型

2.2 邊界條件的施加

鉆銑機主要承受三個載荷的作用，主切削力FC、垂直切削力Fcn和背向力的FP作用，這三個力是由高速鋼銑刀工作時產(chǎn)生的。首先計算得高速銑刀的功率P=2.53(kW)。然后根據(jù)主切削力Fc、垂直切削力Fcn和背向力FP的計算公式如式(1)～(3)所示，其中進給速度vc=18.1和螺旋角 β=30°，計算得 FC=8 387(N)、Fcn=10 065(N)和 FP=1 355(N)。

定支架主要承受等效的垂直切削力和背向力。定支架固定于管道上時，對支腿進行全約束。當(dāng)鉆銑機工作時，鉆銑頭產(chǎn)生的垂直切削抗力和背向抗力，經(jīng)動支架與定支架間的滾子傳遞給定支架，分別作用于定支架的內(nèi)圈表面和截面上，其受力簡圖和ANSYS軟件邊界約束圖如圖4和圖5所示。

圖4 受力簡圖

圖5 ANSYS邊界約束圖

圖4 所示對簡化支腿的表面進行整體自由度的約束(圖5中簡化支腿上的三角形)，定支架開合塊施加垂直切削力FP，定支架端面施加背向切削力Fcn。

2.3 求解與結(jié)果分析

定支架的有限元分析分為兩部分，第一部分用模態(tài)求解計算出固有頻率和主振型，第二部分用靜態(tài)求解計算出變形和應(yīng)力強度。鉆銑機的定支架部分主要采用45鋼材料的鋼板焊接而成，45鋼的材料屬性如表1所示。在ANSYS中設(shè)定好材料屬性和求解方法后，分別進行模態(tài)和靜態(tài)求解。

表1 材料屬性

2.3.1 模態(tài)結(jié)果分析

模態(tài)分析是通過分析結(jié)構(gòu)固有頻率和主振型，研究結(jié)構(gòu)振動特性的一種方法。提取定支架的四階模態(tài)頻率及主振型進行分析，定支架的四階模態(tài)的固有頻率和主振型如表2所示。

表2 固有頻率與主振型

鉆銑機的液壓電機正常工作時產(chǎn)生的輸出頻率分別為20Hz到50Hz，由表2將計算頻率與輸出頻率進行比較，定支架的一到四階固有頻率均大于50Hz，所以鉆銑機在工作時不會發(fā)生共振現(xiàn)象［8］。

2.3.2 靜態(tài)分析

靜態(tài)分析中提取定支架的變形和應(yīng)力強度等值圖，獲得定支架變形的最大值和發(fā)生最大變形的部位，獲取定支架的應(yīng)力強度的最大值和承受最大應(yīng)力強度的部位，為結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供參考。定支架的變形和應(yīng)力強度等值圖如圖6和圖7所示。

圖6 變形等值圖

圖6 所示為后處理輸出的定支架變形等值線云圖。從圖6中可知定支架模型的最大變形為0.345 201mm，最大變形很小，結(jié)果說明定支架剛度滿足鉆銑機切削加工時的要求。圖7所示為定支架模型等效應(yīng)力強度分布云圖。從圖7中可知，定支架的最大等效應(yīng)力強度為139.966MPa，小于材料的屈服強度極限，定支架強度滿足鉆銑機切削加工的要求。由于鉆銑機是旋轉(zhuǎn)工作的，所以定支架所承受的載荷分布主要是由鉆銑頭工作的位置決定，本文分析的位置為鉆銑頭在開合塊附近工作時的情況，由分析結(jié)果知最大變形發(fā)生在開合塊附近，承受最大應(yīng)力部位是支腿附近。分析結(jié)果表明:鉆銑機的支腿處是最危險的部分，設(shè)計時應(yīng)該重點考慮其強度要求，其他部分相對較安全。

圖7 應(yīng)力強度等值圖

3 結(jié)語

本文利用Pro/E軟件建立鉆銑機的三維模型，并對其進行運動仿真，仿真結(jié)果表明:鉆銑機結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生干涉現(xiàn)象；然后運用ANSYS軟件對鉆銑機的定支座進行模態(tài)分析，分析結(jié)果表明:定支座不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象；接著又通過ANSYS軟件的靜態(tài)分析得到鉆銑機的變形和應(yīng)力強度等值云圖，驗證了鉆銑機的剛度和強度滿足工作要求，綜上所述鉆銑機的結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的，分析結(jié)果可為結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供參考數(shù)據(jù)。

［1］Edward H.Wachs，Lake Forest.Travelling Pipe cutter［P］.U-nited States Patent.U.S.4490906.1985.

［2］王躍輝，張嵐，等.高壓水切割管道外切割臂設(shè)計［J］.機床與液壓，2012，40(2):37-39.

［3］袁夫彩，孟慶鑫，王立權(quán)，等.海底輸油管道切割及開坡口機的設(shè)計［J］.農(nóng)機化研究，2004(2):155-156.

［4］張峰，梁君直，等.大口徑管道管端坡口整形機［J］.石油工程建設(shè)，2002，28(3):49-51.

［5］方建軍，劉仕良，等.機械動態(tài)仿真與工程分析［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［6］楊萍，賀小明，等.ANSYS與Pro/E間無縫連接的應(yīng)用研究［J］.機械設(shè)計與制造，2006(1):58-60.

［7］譚蔚，王澤軍，朱企新，等.有限元方法在離心機轉(zhuǎn)鼓強度分析中的應(yīng)用［J］.化工機械，2002(2):103-106.

［8］李學(xué)藝，高超，等.基于ANSYS的漸開線斜齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對其振動模態(tài)的影響［J］.煤礦機械，2012，33(9):65-68.