水下海底管道金剛石繩距切割機設計【說明書+CAD+SOLIDWORKS】

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通過該畢業(yè)設計，使學生將所學的知識系統(tǒng)化，并得到擴展和補充，將理論與實踐相結(jié)合使其學會獨立解決實際工程技術問題的初步技巧，掌握基本的文獻檢索方法，至少熟練掌握fluid-sim、protel及SolidWorks、UG、PROE等三維繪圖軟件中的一種，提高綜合運用所學知識獨立解決問題的能力，為將來的工作打下堅實的基礎。 （4）原始數(shù)據(jù) 1) 管道直徑30寸 2) 最大切割速度30mm/min 3) 液壓系統(tǒng)最高工作壓力21.5MPa （5）應提交的成果 1) 外文資料翻譯 2) 設計計算過程報告 3) 液壓系統(tǒng)設計圖及仿真動畫 4) 控制系統(tǒng)原理圖 5) 開題報告 6) 畢業(yè)論文 7) 工作日記 4.主要參考文獻 1) 機械設計基礎課程設計 趙衛(wèi)軍主編 科學出版社 2) 液壓元件及選用 王守城, 段俊勇主編 化學工業(yè)出版社 3) 液壓系統(tǒng)原理圖分析技巧 李松晶，叢大成，姜洪洲編著 化學工業(yè)出版社 5.進度計劃及指導安排 周次 設計任務及要求 1 完成課題相關文獻檢索 2 完成并提交外文資料翻譯 3 閱讀所有文件并完成文獻綜述 4 完成總體方案設計、開題報告，進行開題報告答辯 5 機械系統(tǒng)設計 6 零部件及裝配體的二維圖繪制 7 液壓系統(tǒng)設計 8 液壓系統(tǒng)計算機仿真 9 液壓系統(tǒng)原理圖繪制 10 電控系統(tǒng)設計 11 電控系統(tǒng)設計 12 電控系統(tǒng)原理圖繪制 13 書寫畢業(yè)論文 14 預答辯；所有畢業(yè)設計資料的修改、整理及定稿打印 任務書審定日期 年 月 日 系（教研室）主任（簽字） 任務書批準日期 年 月 日 教學院（系、部）院長（簽字） 任務書下達日期 年 月 日 指導教師（簽字） 計劃完成任務日期 年 月 日 學生（簽字） 北京石油化工學院教務處制表 2004年12月 密 級 公開 學 號 090545 畢 業(yè) 設 計（論 文） 水下海底管道金剛石 繩鋸切割機設計 院 （ 系 、 部 ） ： 機械工程學院 姓 名： 年 級： 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指 導 教 師 ： 教 師 職 稱 ： 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 2 2015 年 6 月 16 日 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 北京石油化工學院 學位論文電子版授權使用協(xié)議 論文水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計系本人在北京石油化工學院學習 期間創(chuàng)作完成的作品，并已通過論文答辯。 本人系作品的唯一作者，即著作權人?，F(xiàn)本人同意將本作品收錄于“北京 石油化工學院學位論文全文數(shù)據(jù)庫”。本人承諾：已提交的學位論文電子版與 印刷版論文的內(nèi)容一致，如因不同而引起學術聲譽上的損失由本人自負。本人 完全同意本作品在校園網(wǎng)上提供論文目錄檢索、文摘瀏覽以及全文部分瀏覽服 務。公開級學位論文全文電子版允許讀者在校園網(wǎng)上瀏覽并下載全文。 注：本協(xié)議書對于“非公開學位論文”在保密期限過后同樣適用。 院系名稱： 作者簽名： 學 號： 年 月 日 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 III 北 京 石 油 化 工 學 院 畢 業(yè) 設 計 （論 文） 任 務 書 學院（系、部） 機械學院 專業(yè) 機械工程及自動化 班級 機 112 學生姓名 閆啟亮 指導教師/職稱 高輝/講師 1.畢業(yè)設計（論文）題目 海底管道金剛石繩鋸切割系統(tǒng)設計 2.任務起止日期： 2015 年 2 月 21 日 至 2015 年 5 月 27 日 3.畢業(yè)設計（論文）的主要內(nèi)容與要求 （含課題簡介、任務與要求、預期培養(yǎng)目標、原始數(shù)據(jù)及應提交的成果） （1）課題簡介 我國在南海海域擁有近 10 個油氣田群，近年來不僅油氣田開發(fā)數(shù)量不斷增長，而且開 采深度也在不斷加深。例如：西江油田平均水深 100 米、惠州油田群平均水深 98116 米、 流花油田平均水深 305 米、陸豐 221 油田平均水深 332 米、番禺 51 油田平均水深 110 米、崖城 13 1 氣田平均水深 100 米、文昌 131 油田平均水深 117 米。另外，從投產(chǎn)時 間上來看絕大多數(shù)油田服役期限已達到 10 年以上，有的甚至超過 20 年。例如：潿洲 10 3 油田 1986 年 08 月投產(chǎn)、惠州 211 油田 1990 年 9 月投產(chǎn)、陸豐 131 油田 1993 年 10 月投產(chǎn)、崖城 131 氣田 1995 年 10 月投產(chǎn)。不論從油田數(shù)量還是從服役年限來看， 可以預計在未來幾年中，水下鋼結(jié)構物（包括：采用平臺、FPSO、海底管道、吸力錨等） 和海底管道維修工作量必將大幅攀升。因此，研究一套用于海底管道切割的金剛石繩鋸切 割系統(tǒng)具有重要意義。通過本課題的研究，力爭使學生掌握基本的設計方法和技巧，提高 知識的綜合運用的能力。 （2）任務與要求 1) 查閱相關國內(nèi)外文獻資料 2) 總體方案設計 3) 液壓系統(tǒng)計算及元件選型 4) 液壓系統(tǒng)計算機仿真 5) 控制系統(tǒng)設計 （3）預期培養(yǎng)目標 通過該畢業(yè)設計，使學生將所學的知識系統(tǒng)化，并得到擴展和補充，將理論與實踐相 結(jié)合使其學會獨立解決實際工程技術問題的初步技巧，掌握基本的文獻檢索方法，至少熟 練掌握fluid-sim、protel及SolidWorks、UG、PROE等三維繪圖軟件中的一種，提高綜合運 用所學知識獨立解決問題的能力，為將來的工作打下堅實的基礎。 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 I （4）原始數(shù)據(jù) 1) 管道直徑 30 寸 2) 最大切割速度 30mm/min 3) 液壓系統(tǒng)最高工作壓力 21.5MPa （5）應提交的成果 1) 外文資料翻譯 2) 設計計算過程報告 3) 液壓系統(tǒng)設計圖及仿真動畫 4) 控制系統(tǒng)原理圖 5) 開題報告 6) 畢業(yè)論文 7) 工作日記 4.主要參考文獻 1) 機械設計基礎課程設計 趙衛(wèi)軍主編 科學出版社 2) 液壓元件及選用 王守城, 段俊勇主編 化學工業(yè)出版社 3) 液壓系統(tǒng)原理圖分析技巧 李松晶，叢大成，姜洪洲編著 化學工業(yè)出版社 5.進度計劃及指導安排 周次 設計任務及要求 1 完成課題相關文獻檢索 2 完成并提交外文資料翻譯 3 閱讀所有文件并完成文獻綜述 4 完成總體方案設計、開題報告，進行開題報告答辯 5 機械系統(tǒng)設計 6 零部件及裝配體的二維圖繪制 7 液壓系統(tǒng)設計 8 液壓系統(tǒng)計算機仿真 9 液壓系統(tǒng)原理圖繪制 10 電控系統(tǒng)設計 11 電控系統(tǒng)設計 12 電控系統(tǒng)原理圖繪制 13 書寫畢業(yè)論文 14 預答辯；所有畢業(yè)設計資料的修改、整理及定稿打印 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 II 任務書審定日期 年 月 日 系（教研室）主任（簽字） 任務書批準日期 年 月 日 教學院（系、部）院長（簽字） 任務書下達日期 年 月 日 指導教師（簽字） 計劃完成任務日期 年 月 日 學生（簽字） 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 III 摘 要 隨著科技步伐的加快，液壓技術在各個領域中得到了廣泛應用，液壓系統(tǒng) 已成為主機設備中最關鍵的部分之一。但是，由于設計、制造、安裝、使用和 維護等方面的因素，影響了液壓系統(tǒng)的正常運行。因此，了解系統(tǒng)工作原理， 懂得一些設計、制造、安裝、使用和維護等方面的知識，是保證液壓系統(tǒng)能正 常運行并極大發(fā)揮液壓技術優(yōu)勢的先決條件。 本文主要研究的是液壓傳動系統(tǒng)，液壓傳動系統(tǒng)的設計需要與主機的總體 設計同時進行。設計時，必須從實際情況出發(fā)，有機地結(jié)合各種傳動形式，充 分發(fā)揮液壓傳動的優(yōu)點，力求設計出結(jié)構簡單、工作可靠、成本低、效率高、 操作簡單、維修方便的液壓傳動系統(tǒng)。 本文介紹了國內(nèi)外水下作業(yè)工具、水下作業(yè)系統(tǒng)、常用的水下切割方法和 管道切割的發(fā)展現(xiàn)狀，歸納和總結(jié)了國內(nèi)外金剛石繩鋸機的發(fā)展狀況，提出了 水下海底管道金剛石繩鋸切割機進行海底油氣管道切割的思路,設計出繩鋸機的 液壓傳動控制系統(tǒng)，并對動力源的主要技術參數(shù)進行了計算和校核。本論文主 要完成了如下工作： 1、 完成了水下海底管道金剛石繩鋸切割機機方案確定與分析設計。 2、 完成了水下海底管道金剛石繩鋸切割機液壓系統(tǒng)的設計。 3、 完成了繩鋸機的液壓系統(tǒng)動力源，計算了液壓執(zhí)行元件的主要參數(shù)， 并對繩鋸機的夾緊裝置、張緊裝置、進給裝置進行了設計。 4、 設計出水下海底管道金剛石繩鋸切割機液壓系統(tǒng)原理圖，并對液壓 動力源的主要技術參數(shù)進行了計算和檢驗，選擇了液壓泵、電機、 控制閥等元件。 5、 完成了水下海底管道金剛石繩鋸切割機專用液壓系統(tǒng)設計。 關鍵詞：水下海底管道金剛石繩鋸切割機，金剛石繩鋸切割機，設計 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 III Abstract With the development of the technology, hydraulic technology has been widely used in various fields, and hydraulic system has become one of the most important parts of the host equipment. However, due to the design, manufacture, installation, use and maintenance of factors, the impact of the normal operation of the hydraulic system. Therefore, to understand the working principle of the system, to understand some of the design, manufacture, installation, use and maintenance of knowledge is a hydraulic system to ensure normal operation and great play a prerequisite for hydraulic technology advantage. This paper mainly studies the hydraulic transmission system, the design of hydraulic drive system and the overall design of the host. Design, we must proceed from the actual situation, and organically combined with various forms of transmission, give full play to the advantages of hydraulic transmission, strive to design a simple structure, reliable work, low cost, high efficiency, simple operation, convenient maintenance hydraulic transmission system. Is introduced in this paper the development status of the at home and abroad work tools, underwater operation system, common water cutting method and cutting the pipe, and sums up the developing situation at home and abroad of diamond wire saw, put forward the idea of underwater submarine pipeline diamond wire saw cutting machine for cutting the seabed oil-gas pipeline design wire saw machine hydraulic drive and control system, and main technical parameters of the power is calculated and checked. This thesis mainly completes the following work: 1, the underwater submarine pipeline diamond wire saw cutting machine plan and analysis design. 2. The hydraulic system design of the diamond wire saw cutting machine for underwater submarine pipeline is accomplished. 3, the power source of the hydraulic system of the rope saw is finished, and the main parameters of the hydraulic execution element are calculated, and the clamp device, the tensioning device and the feeding device of the rope saw machine are designed. 4, design of underwater submarine pipeline diamond wire saw cutting machine hydraulic system principle diagram, and calculating and checking the main technical 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 I parameters of the hydraulic power source, choose the hydraulic pump, motor, control valves and other components. 5. The design of the special hydraulic system for the diamond wire saw cutting machine of underwater submarine pipeline is accomplished. Key word:underwater submarine pipeline diamond wire saw cutting machine, diamond wire saw cutting machine, design 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 III 目 錄 摘 要 .I ABSTRACT.VI 第 1 章 概述 .1 1.1 課題的來源、目的和意義 .1 1.1.1 水下金剛石繩鋸切割技術的國內(nèi)發(fā)展 .1 1.1.2 水下金剛石繩鋸切割技術的國外發(fā)展 .2 1.1.3 國外水下金剛石繩鋸機作業(yè)技術方案分析 .1 1.2 本文的主要研究的內(nèi)容 .2 1.3 液壓傳動特點 .4 第 2 章 水下海底管道金剛石繩鋸切割總體方案設計 .7 2.1 課題簡介及任務要求 .7 2.2 金剛石繩鋸機的基本組成及工作原理 .7 2.3 進給傳動絲桿螺母副的計算和造型 .9 2.3.1 液壓系統(tǒng)設計要求及流程 .11 2.3.2 工作原理 .12 第 3 章 液壓系統(tǒng)設計 .13 3.1 液壓執(zhí)行元件的配置 .13 3.2 夾緊裝置液壓缸的主要結(jié)參數(shù) .13 3.3 活塞桿強度計算 .14 3.4 液壓缸活塞的推力及拉力計算 .15 3.5 活塞桿最大容許行程 .16 3.6 液壓缸內(nèi)徑及壁厚的確定 .17 3.7 主動輪驅(qū)動液壓馬達的計算與選擇 .17 3.8 液壓泵及其驅(qū)動電動機的選擇 .19 3.8.1 液壓泵的最大工作壓力 .20 3.8.2 計算液壓泵的最大流量 .20 3.8.3 選擇液壓泵的規(guī)格 .21 3.8.4 計算液壓泵的驅(qū)動功率并選擇原動機 .22 3.9 其他液壓元件的選擇 .23 3.9.1 液壓閥及過濾器的選擇 .23 3.9.2 油管的選擇 .24 3.9.3 油箱及其輔件的確定 .25 3.10 液壓系統(tǒng)壓力損失驗算 .26 第 4 章 實驗臺面板的結(jié)構與設計 .28 4.1 實驗臺面板的結(jié)構 .28 4.2 實驗臺面板的設計 .28 4.2.1 分析液壓系統(tǒng)，確定實驗臺面板結(jié)構 .28 4.2.2 液壓元件的布局 .28 4.2.3 確定油孔的位置與尺寸 .28 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 I 4.2.4 繪制實驗臺面板零件圖 .29 第 5 章 液壓站設計與維護保養(yǎng) .30 5.1 油箱的設計 .30 5.2 液壓站結(jié)構 .33 5.3 液壓站的組裝 .34 5.4 液壓站注意事項 .35 第 6 章 管路的設計 .35 6.1 管路的選擇與布置 .36 6.2 管路的連接 .36 6.2.1 焊接式管接頭 .36 6.2.2 卡套式管接頭 .36 6.2.3 擴口式管接頭 .36 6.2.4 選擇管路連接方式 .37 第 7 章 液壓站的組裝調(diào)試、使用維護 .38 7.1 液壓站的組裝 .38 7.2 液壓元件和管道安裝 .38 7.3 液壓站的使用與檢查 .39 7.3.1 使用的一般注意事項 .39 7.3.2 檢查 .39 第 8 章 經(jīng)濟技術分析 .40 參考文獻 .43 總 結(jié) .44 致 謝 .45 聲 明 .47 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 0 第 1 章 概述 1.1 課題的來源、目的和意義 海洋石油開發(fā)企業(yè)正在策劃這項龐大的工程，包括相關技術和工程的研究。 海底管道維修作業(yè)系統(tǒng)這一重大課題研制成功，不僅能提高海上石油平臺維修 和拆除的效率，降低拆除的費用，使有用材料的回收、再利用。同時還能使我 國在相關領域的科技水平得到提高，避免受國外公司技術保密的限制。在該項 課題研發(fā)成功和該設備建成并投入使用之后，可以形成對水深60米以淺的、直 徑為4護石油平臺導管架的快速拆除能力。實現(xiàn)由國內(nèi)工程公司完成石油平臺的 拆除工作，達到縮短周期，降低作業(yè)成本，減少國家和企業(yè)的損失，保護海洋 環(huán)境，不妨礙其它海洋資源開發(fā)的目的。20余年時間我國也樹起了近百座平臺。 這些海中建筑為人類帶來了滾滾能源和財富，也在一定程度上改變、破壞了海 洋環(huán)境。隨著資源的枯竭，平臺也就完成了它的使命，如何處置這些海上怪物， 就提到油田開發(fā)者面前。根據(jù)國際公約、國際慣例和國內(nèi)有關法律、法規(guī)要求， 為保護海洋環(huán)境和不妨礙對其它海洋資源的開發(fā)，海上構筑物退役后，如無其 它用途，通常應予以拆除或部分拆除。我國海上油氣田壽命一般約為1020 年。 根據(jù)國內(nèi)有關研究部門預測，到2016年，現(xiàn)已投產(chǎn)的海上油氣生產(chǎn)設施中的 60%70%，將陸續(xù)退役并進行廢棄處置，而 2006年左右則是我國海上采油平臺 拆除的第一個高峰期 2-3。 1.1.1 水下金剛石繩鋸切割技術的國內(nèi)發(fā)展 國內(nèi)繩鋸產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚，比起國外存在一大段差鋸。一方面是市場需求。 國內(nèi)繩鋸機主要還是應用在石材開采加工領域，而建筑領域處于剛起步階段， 海洋開發(fā)領域尚未有太大成績。另一方面，國內(nèi)串珠繩產(chǎn)品的質(zhì)量很低。僅有 少數(shù)幾個廠家研發(fā)出適合大理石開采電鍍金剛石串珠繩，且切削效率遠低于進 口產(chǎn)品，僅僅占有價格優(yōu)勢。金剛石繩鋸機的廣泛應用與強大的生命力,主要是 由于它在制造、性能和使用上具有一系列優(yōu)越性,目前已經(jīng)顯示出它的廣闊發(fā)展 前景,很值得矚目,金剛石繩鋸機正向著切割控制計算機化、高效重型切割、海 底切割等方面發(fā)展5。 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 1 1.1.2 水下金剛石繩鋸切割技術的國外發(fā)展 20 世紀 80 年代末,金剛石繩鋸開始用于切削鋼材,最初用繩鋸切削的鋼件 是鋼管。當時有少數(shù)公司開始了用金剛石繩鋸切割鋼質(zhì)材料的試驗。剛開始繩 鋸加工僅限于小規(guī)格碳鋼型材(如管材),后來應用于維修海底構件和核電站部件,如 熱交換器和集束管。 英國的 TECNOSPAMEC 公司在 1991 年研制出了用于切割海底油氣管道金剛石 繩鋸切割系統(tǒng)，對于使用特殊設計的金剛石繩鋸機進行水下結(jié)構切割來講，它 是一種高效的切割系統(tǒng)和方法 5。這個系統(tǒng)在一次操作中能夠切割任何金屬和 非金屬(聚氨酯保溫層、鋼筋混凝土、聚乙烯涂層等)，也包括切削各種合成物 質(zhì)，由于它出色的質(zhì)量和極為卓越的價格競爭優(yōu)勢而廣泛的用于切除各種海上 結(jié)構。它與弓型鋸相比較，金剛石繩鋸的切割速度快，與爆炸方法相比較，它 切割過程清潔，并且對操作人員和環(huán)境不會產(chǎn)生危害 6。 1 海底 2 張緊液壓缸 3 切割框架動輪 4 驅(qū)動 5 進給液壓缸 6 夾緊框架 7 串珠繩 8 夾緊液壓缸 9 導向輪 10 輸油管 圖 1-1 TECNOSPAMEC 公司的 TL 2A 10 型金剛石繩鋸機 圖 1-1 為英國 TECNOSPAMEC 公司 TL2A 10 型金剛石繩鋸機，它結(jié)構簡單， 全液壓驅(qū)動機構、進給機構、張緊機構和夾緊機構等組成?？芍苯釉谒逻M行 海底管道的切割 9。繩鋸機通過夾緊機構中兩個夾緊液壓缸分別推動夾緊瓣實 施在管道上夾緊和松開；驅(qū)動輪由液壓馬達驅(qū)動，為串珠繩的循環(huán)運動提供動 力；利用張緊液壓缸保證串珠繩在工作過程中的張緊力；兩端鉸鏈的進給液壓 缸使切割框架繞驅(qū)動輪軸完成旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)串珠繩的徑向進給運動。采用液 壓驅(qū)動、控制，可以宜接在水下完成海底油氣管道的切割作業(yè)。繩鋸機所有的 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 2 動作都是受海面上的操作人員監(jiān)控。TL 2A 10 型繩鋸機的性能指標見表 11。 表 11 TL 2A 10 型金剛石繩鋸機主要性能指標 1 進給操作手柄 2 串珠繩 3 導向輪 4 海管 5 導向部分 6 夾緊液壓缸 7 切割框架 8 夾緊爪 9 驅(qū)動輪 lO 液壓馬達 圖 1-2 挪威 Global Tool Management 的金剛石繩鋸機工作原理圖 圖 1-2 為挪威的 Global Tool Management 生產(chǎn)的金剛石繩鋸機。不但結(jié)構緊湊，而且 適用管道的管徑較大。繩鋸機也同樣包括驅(qū)動機構、進給機構、張緊機構和夾緊機構等部 分。采用單個液壓缸實現(xiàn)聯(lián)動夾緊的方式，使液壓系統(tǒng)相對簡單：利用兩個液壓馬達帶動 兩個驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，可以提供較大的切削力；徑向采用手動或 ROV 操作的方式實現(xiàn)進給 8,9。 當金剛石繩鋸機在水下工作時,可能會有安裝、恢復、配置、校驗的操作,如果采用 ROV 協(xié)助的方法,就能使這個系統(tǒng)可以更好地完成它的任務。這種金剛石繩鋸機的部件都由 輕質(zhì)材料制成,并且操作方便。繩鋸機安裝就位后,切割工作從海面進行控制,機器的動力來 自于海面上或水下的液壓動力源。因此,這個系統(tǒng)對于在海面上調(diào)整最適宜的繩速、進給速 度、工作壓力的操作者來講是絕對安全的。整個切割的進程是 ROV、受儀器或潛水員攜帶 的攝像機進行監(jiān)視 10。 金剛石繩鋸水下切割最引人矚目的有兩次，一個是在 2000 年 8 月,俄羅斯 的核潛艇“KURSK”號，另一個為 2003 年 7 月英吉利海峽“TRICOLOR”貨船打 撈過程中分離切割。繩鋸切割方法的優(yōu)點是精度高、效率高,并且降低了 30%的 工程時間,節(jié)約了工程費用。該切割設備重量輕、結(jié)構緊湊、易于運輸,施工設 備要求也比較低,可自下而上或自上而下進行沉船切割,并可在沉船的非破損部 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 3 位開始切割 7,11。2000 年 8 月俄羅斯的核潛艇“KURSK”號在巴倫支海沉沒,在 之后的打撈過程中,庫爾斯克號的艇身和艇首的分割工作就是利用金剛石繩鋸來 完成的。這項技術在首次成功運用于“KURSK”號核潛艇打撈后,又在 “TRICOLOR”號沉船打撈中發(fā)揮了重要作用。2003 年 7 月在英吉利海峽同樣的 方法打撈 TRICOLOR 號貨船,“TRICOLOR”號貨船打撈行動是歷史上最大的一次 清航打撈行動。圖 1-3 為金剛石繩鋸切割“TRICOLOR”號的試驗工作圖。 圖 1-3 繩鋸切割“TRICOLOR”號試驗 目前在國外的一些公司中，有不少海底的金剛石繩鋸機的樣式。在 Wachs Subsea 的網(wǎng)站中有很多不同型號的繩鋸機，它的海底產(chǎn)品水下切割技術簡化視 圖如下所示： 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 4 圖 1-4 水下切割技術簡視圖 如圖 1-4 為海下金剛石繩鋸機的簡化圖頂部為液壓控制系統(tǒng)，往下一次為 軟管、控制室、軟管軸。再有此向下進行延伸分別為繩鋸機、往復式樣、磨粉 機、分離的框架和鉆頭組成。詳細的各個部位見下圖： 圖 1-5 繩鋸機 圖 1-6 張緊輪 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 5 圖 1-7 夾緊裝置 圖 1-8 金剛石繩 上四幅圖為水下金剛石繩鋸機的詳細照片，圖 1-5 為可自我調(diào)節(jié)自動進給 系統(tǒng)和液壓動力的繩鋸機得整體設計；圖 1-6 是切割的導向輪，它可以自動進 給系統(tǒng)自動控制鋼絲繩的張力，進給量自動匹配切割速度；圖 1-7 為完全可調(diào) 功率的夾持系統(tǒng)的液壓驅(qū)動臂；圖 1-8 是金剛石繩它可以快速干凈的切削不同 材料、厚度的管道結(jié)構。 圖 1-9 為金剛石繩鋸混合材料和多串套管的理想且這部金剛石繩鋸是一個 自我調(diào)節(jié)的自動進給系統(tǒng)控制線張力、自動匹配的機器。實物圖見圖 1-10 和 1-11： 圖 1-9 繩鋸機串管模型 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 6 圖 1-10 陸地上要下水的繩鋸機 0 圖 1-11 繩鋸機下水和對應的不同的管徑型號 這種水下金剛石繩鋸機具有以下特點： 易于更換使用長久的金剛石繩鋸組件 擁有耐腐蝕的陽極保護 可任意安裝在垂直、水平之間的位置 液壓手臂同步的方形安全夾 擁有自動過載系統(tǒng)保護的離合器 外徑(dn100-2100) 1.1.3國外水下金剛石繩鋸機作業(yè)技術方案分析 通過對國外海底油氣管道切割用金剛石繩鋸機工作原理的分析,可以得出以 下基本設計方案: (1)金剛石繩鋸機動力源應該采用全液壓驅(qū)動的方式。因為在水下工作時, 大功率的水密電機將會使機體的體積和質(zhì)量都大幅增加,給潛水員的水下協(xié)助操 作帶來不便,此外,在水下采用液壓控制更加安全、可靠。 (2)金剛石繩鋸機在進行海底油氣管道切割時,由于海底特殊的泥土環(huán)境,使 機體的固定方式不能采用普通的基座固定形式。如果將繩鋸機基座設計成可適 應一定直徑管道的、可實施夾持動作的結(jié)構形式,將其夾持在待切割管道的指定 位置,既可以起到機體固定的作用,又兼具有保持機體在進行工件切削作業(yè)時切 口位置的準確性,即使海管發(fā)生移動現(xiàn)象,機體與海管的相對位置仍然會保持不 變,保證作業(yè)的可靠性和穩(wěn)定性。 (3)金剛石繩鋸機的核心部分切割裝置,其結(jié)構復雜,所需動力源功率 較大,其中主動輪需要完成高速的旋轉(zhuǎn)動作,同時液壓張緊機構與徑向進給機構 需要協(xié)調(diào)配合,保證合適的張緊力和進給速度。 (4)金剛石繩鋸機所需的液壓動力源可以設置在工作母船上、ROV 中或使用 水下液壓動力源。設置在工作母船上的液壓動力源可采用電力、氣源或柴油機 驅(qū)動的方式,設計結(jié)構相對簡單,但繩鋸機作業(yè)深度增加時,管路損耗將增大;如 果將液壓動力源設置在 ROV 中,其設計結(jié)構簡單,管路損耗也會減小,但從國內(nèi)現(xiàn) 有條件來看這種油源提供方式還是很難實現(xiàn)的;水下液壓油源體積相對較大,設 計結(jié)構復雜,密封問題較難解決。 (5)金剛石繩鋸機的操作主要由潛水員直接操作、輔助操作和 ROV 機械手操 作等方式。潛水員直接操作的金剛石繩鋸機屬于手動操作的形式,其結(jié)構簡單, 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 1 體積小,徑向進給依靠操作者的經(jīng)驗來完成,整個作業(yè)過程都需要潛水員的參與, 當工作過程中出現(xiàn)斷繩時,可能會給潛水員帶來危險,因此必須事先做好防護工 作。潛水員輔助操作的金剛石繩鋸機,基本屬于自動作業(yè)的形式,首先潛水員使 繩鋸機夾緊裝置的 V 型定位結(jié)構與待切割管道的指定位置相接觸,然后執(zhí)行夾緊 動作將機體固定在油氣管道上,潛水員離開,繩鋸機按照預先設置好的張緊力和 切削指標進行作業(yè),作業(yè)過程受工作母船上的工作人員監(jiān)控,作業(yè)靈活性大,可以 在渾濁的水質(zhì)中工作;此外,還可以避免潛水員工作中的危險,減輕他們的勞動強 度。ROV 機械手的形式可以更大程度地使?jié)撍畣T從惡劣的環(huán)境中解放出來,繩鋸 機由機械手操作,但是,這種操作方式需要很高的技術條件和大量的人力、物力 和財力投入,實現(xiàn)的難度較大,應該屬于遠期發(fā)展的目標。 1.2 本文的主要研究的內(nèi)容 1 收集閱讀國內(nèi)外關于繩鋸機研發(fā)資料，根據(jù)設計任務和目標提出關于水 下金剛石鋸繩實驗臺的整體結(jié)構設計方案并進行論證。 2 金剛石繩鋸機的總體設計結(jié)構 3 進行水下金剛石繩鋸機液壓控制系統(tǒng)的研究,對液壓傳動系統(tǒng)進行設計, 將電液比例流量閥引入液壓控制系統(tǒng),建立液壓電液比例流量閥控馬達速度控制 系統(tǒng)模型,對其主要性能進行仿真分析。 4 研究金剛石繩鋸機的控制和監(jiān)測系統(tǒng),用于對水下金剛石繩鋸機工作狀態(tài) 的實時監(jiān)測,從而便于閉環(huán)控制系統(tǒng)的研制。 液壓傳動系統(tǒng)是液壓機械的一個組成部分，液壓傳動系統(tǒng)的設計要同主機 的總體設計同時進行。著手設計時，必須從實際情況出發(fā)，有機地結(jié)合各種傳 動形式，充分發(fā)揮液壓傳動的優(yōu)點，力求設計出結(jié)構簡單、工作可靠、成本低、 效率高、操作簡單、維修方便的液壓傳動系統(tǒng)。 液壓傳動裝置主要由以下四部分組成： 1）能源裝置把機械能轉(zhuǎn)換成油液液壓能的裝置。最常見的形式就是液 壓泵，它給液壓系統(tǒng)提供壓力油。 2）執(zhí)行裝置把油液的液壓能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置。它可以是作直線運 動的液壓缸，也可以是作回轉(zhuǎn)運動的液壓馬達。 3)制調(diào)節(jié)裝置對系統(tǒng)中油液壓力、流量或流動方向進行控制或調(diào)節(jié)的 裝置。例如溢流閥、節(jié)流閥、換向閥、開停閥等。這些元件的不同組合形 成了不同功能的液壓系統(tǒng)。 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 2 4)輔助裝置上述三部分以外的其它裝置，例如油箱、濾油器、油管等。 它們對保證系統(tǒng)正常工作也有重要作用。 液壓傳動有以下一些優(yōu)點： 1）在同等的體積下，液壓裝置能比電氣裝置產(chǎn)生出更多的動力，因為 液壓系統(tǒng)中的壓力可以比電樞磁場中的磁力大出 3040 倍。在同等的功率下， 液壓裝置的體積小，重量輕，結(jié)構緊湊。液壓馬達的體積和重量只有同等功率 電動機的 12%左右。 2）液壓裝置工作比較平穩(wěn)。由于重量輕、慣性小、反應快，液壓裝置 易于實現(xiàn)快速啟動、制動和頻繁的換向。液壓裝置的換向頻率，在實現(xiàn)往復回 轉(zhuǎn)運動時可達 500 次/min，實現(xiàn)往復直線運動時可達 1000 次/min。 3）液壓裝置能在大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速（調(diào)速范圍可達 2000） ，它還 可以在運行的過程中進行調(diào)速。 4）液壓傳動易于自動化，這是因為它對液體壓力、流量或流動方向易 于進行調(diào)節(jié)或控制的緣故。當將液壓控制和電氣控制、電子控制或氣動控制結(jié) 合起來使用時，整個傳動裝置能實現(xiàn)很復雜的順序動作，接受遠程控制。 5）液壓裝置易于實現(xiàn)過載保護。液壓缸和液壓馬達都能長期在失速狀 態(tài)下工作而不會過熱，這是電氣傳動裝置和機械傳動裝置無法辦到的。液壓件 能自行潤滑，使用壽命較長。 6）由于液壓元件已實現(xiàn)了標準化、系列化和通用化，液壓系統(tǒng)的設計、 制造和使用都比較方便。液壓元件的排列布置也具有較大的機動性。 7）用液壓傳動來實現(xiàn)直線運動遠比用機械傳動簡單。 液壓傳動的缺點是： 1）液壓傳動不能保證嚴格的傳動化，這是由液壓油液的可壓縮性和泄 漏等原因造成的。 2）液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失（摩擦損失、泄漏損失 等） ，長鋸離傳動時更是如此。 3）液壓傳動對油溫變化比較敏感，它的工作穩(wěn)定性很易受到溫度的影 響，因此它不宜在很高或很低的溫度條件下工作。 4）為了減少泄漏，液壓元件在制造精度上的要求較高，因此它的造價 較貴，而且對油液的污染比較敏感。 5）液壓傳動要求有單獨的能源。 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 3 6）液壓傳動出現(xiàn)故障時不易找出原因。 總的說來，液壓傳動的優(yōu)點是突出的，它的一些缺點有的現(xiàn)已大為改 善，有的將隨著科學技術的發(fā)展而進一步得到克服。 1.3 液壓傳動特點 液壓傳動有機械傳動和電力拖動系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點技術無法比擬的優(yōu)點。 液壓元件的布置不受嚴格的空間位置限制，系統(tǒng)中個部分用管道連接，布局安 裝有很大的靈活性，能構成用其他方法難以組成的復雜系統(tǒng)。液壓傳動系統(tǒng)可 以在運行過程中實現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速。另外液壓傳動傳遞運動均勻平穩(wěn)，易 于實現(xiàn)快速啟動、制動和頻繁的換向。除此以外，液壓傳動系統(tǒng)操作控制方便、 省力，易于實現(xiàn)自動控制、中遠程鋸離控制、過載保護。與電氣控制、電子控 制相結(jié)合，易于實現(xiàn)自動工作循環(huán)和自動過載保護。 而且液壓元件屬機械工業(yè) 基礎件，標準化和通用化程度較高，有利于縮短機器的設計、制造周期和降低 制造成本。 本世紀的 60 年代后，原子能技術、空間技術、計算機技術（微電子技術） 等的發(fā)展再次將液壓技術推向前進，使它發(fā)展成為包括傳動、控制、檢測在內(nèi) 的一門完整的自動化技術，使它在國民經(jīng)濟的各方面都得到了應用。液壓傳動 在某些領域內(nèi)甚至已占有壓倒性的優(yōu)勢，例如，國外今日生產(chǎn)的 95%的工程機 械、90%的數(shù)控加工中心、95%以上的自動線都采用了液壓傳動。因此采用液壓 傳動的程度現(xiàn)在已成為衡量一個國家工業(yè)水平的重要標志之一。 當前，液壓技術在實現(xiàn)高壓、高速、大功率、高效率、低噪聲、經(jīng)久耐用、 高度集成化等各項要求方面都取得了重大的進展，在完善比例控制、數(shù)字控制 等技術上也有許多新成就。此外，在液壓元件和液壓系統(tǒng)的計算機輔助設計、 計算機仿真和優(yōu)化以及微機控制等開發(fā)性工作方面，更日益顯示出顯著的成績。 我國的液壓工業(yè)開始于本世紀 50 年代，其產(chǎn)品最初只用于機床和鍛壓設備， 后來才用到拖拉機和工程機械上。自 1964 年從國外引進一些液壓元件生產(chǎn)技術、 同時進行自行設計液壓產(chǎn)品以來，我國的液壓件生產(chǎn)已從低壓到高壓形成系列， 并在各種機械設備上得到了廣泛的使用。80 年代起更加速了對西方先進液壓產(chǎn) 品和技術的有計劃引進、消化、吸收和國產(chǎn)化工作，以確保我國的液壓技術能 在產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟效益、人才培訓、研究開發(fā)等各個方面全方位地趕上世界水 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 4 平。 液壓傳動突出的優(yōu)點還有單位質(zhì)量輸出功率大，以空氣為工作介質(zhì)，處理 方便，無介質(zhì)費用、泄露污染環(huán)境、介質(zhì)變質(zhì)及補充等問題。 由于液壓傳動是封閉的，多數(shù)情況下其元件均可由傳動液壓自行潤滑，因 此磨損很小。液壓元件體積小、重量輕、標準化程度高，便于集中大批量生產(chǎn)， 加上近年發(fā)展起來的疊裝、插裝技術，裝配也很容易，因此造價低，比起其他 機械傳動，液壓傳動常為一種最為經(jīng)濟的選擇。 驅(qū)動的液壓系統(tǒng)，它由油箱、濾油器、液壓泵、溢流閥、開停閥、節(jié)流閥、 換向閥、液壓缸以及連接這些元件的油管組成。它的工作原理：液壓泵由電動 機帶動旋轉(zhuǎn)后，從油箱中吸油。油液經(jīng)濾油器進入液壓泵，當它從泵中輸出進 入壓力管后，將換向閥手柄、開停手柄方向往內(nèi)的狀態(tài)下，通過開停閥、節(jié)流 閥、換向閥進入液壓缸左腔，推動活塞和工作臺向右移動。這時，液壓缸右腔 的油經(jīng)換向閥和回油管排回油箱。 如果將換向閥手柄方向轉(zhuǎn)換成往外的狀態(tài)下，則壓力管中的油將經(jīng)過開停 閥、節(jié)流閥和換向閥進入液壓缸右腔，推動活塞和工作臺向左移動，并使液壓 缸左腔的油經(jīng)換向閥和回油管排回油管。 工作臺的移動速度是由節(jié)流閥來調(diào)節(jié)的。當節(jié)流閥開大時，進入液壓缸的 油液增多，工作臺的移動速度增大；當節(jié)流閥關小時，工作臺的移動速度減小。 為了克服移動工作臺時所受到的各種阻力，液壓缸必須產(chǎn)生一個足夠大的 推力，這個推力是由液壓缸中的油液壓力產(chǎn)生的。要克服的阻力越大，缸中的 油液壓力越高；反之壓力就越低。輸入液壓缸的油液是通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)的，液 壓泵輸出的多余的油液須經(jīng)溢流閥和回油管排回油箱，這只有在壓力支管中的 油液壓力對溢流閥鋼球的作用力等于或略大于溢流閥中彈簧的預緊力時，油液 才能頂開溢流閥中的鋼球流回油箱。所以，在系統(tǒng)中液壓泵出口處的油液壓力 是由溢流閥決定的，它和缸中的油液壓力不一樣大。 液壓傳動是由 17 世紀帕斯卡提出的靜壓傳遞原理、18 世紀末英國制造出 世界上第一臺水壓機開始發(fā)展起來的，但液壓傳動在工業(yè)上被廣泛采用和有較 大幅度的發(fā)展卻是本世紀中期以后的事情，特別是被 20 世紀第二次世界大戰(zhàn)期 間戰(zhàn)爭的激勵，取得了很大進展，整體上經(jīng)歷了開關控制，伺服控制，比例控 制 3 個階段。比例控制技術是 20 世紀 60 年代末人們開發(fā)的一種可靠，廉價， 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 5 控制精度和響應特性，均能滿足工業(yè)控制系統(tǒng)實際需要的控制系統(tǒng)。當時，點 液伺服技術已日益完善，但電液伺服閥成本高，應用和維護條件苛刻，難以被 工業(yè)界接受。希望有一種廉價，控制精度能滿足需要的控制技術去替代，這種 需求背景導致了比例技術的誕生和發(fā)展。隨著液壓機械自動化程度的不斷提高， 液壓元件應用數(shù)量急劇增加，元件小型化、系統(tǒng)集成化是必然的發(fā)展趨勢。 液壓控制閥在液壓系統(tǒng)中被用來控制液流的壓力、流量和方向，保證執(zhí)行 元件按照負載的需求進行工作。電液比例閥是比例控制系統(tǒng)中的主要功率放大 元件，它可以根據(jù)輸入的電信號大小連續(xù)地成比例地對液壓系統(tǒng)的參量實現(xiàn)遠 鋸離控制、計算機控制，與伺服控制系統(tǒng)中的伺服閥相比，在某些方面還有一 定的性能差鋸，但它顯著的優(yōu)點是抗污染能力強，大大地減少可由污染而造成 的工作故障，提高了液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性；另一方面比例閥的成本 比伺服閥低，結(jié)構也簡單，已或得了廣泛的運用。 比例閥按主要功能分類，分為壓力控制閥，流量控制閥和方向控制閥三大 類，每一類又可以分為直接控制和先導控制兩種結(jié)構形式，直接控制用的小流 量小功率系統(tǒng)中，先導控制 用的大流量大功率系統(tǒng)中。 這些年來國內(nèi)在液壓件清洗設備的研制和生產(chǎn)方面發(fā)展很快，但使用經(jīng)驗 表明，還存在一些需要進一步改進和完善的問題。首先是通用清洗設備的適用 性問題。對于一些結(jié)構復雜和具有內(nèi)部油路的零部件，采用通用清洗設備往往 效果不理想，內(nèi)部殘留的污染物很難沖洗出來，因而應考慮選用或設計專用的 清洗設備。其次是關于清洗液的潔凈性問題。零件清洗過程中清洗液應保持一 定的清洗度，這對于零件裝配前的精密清洗尤為重要。目前國內(nèi)清洗設備較普 遍地存在過濾裝置不夠完善的問題，過濾精度低，納垢容量小，不能有效的濾 除從零件沖洗出來的顆粒污染物。有的清洗設備甚至沒有過濾設備，而是定期 對清洗設備的清洗液進行過濾凈化。這樣，在清洗的初期清潔度可能符合要求， 但清洗到后期，由于污染物積累清洗液污染越來越嚴重，不僅達不到清洗的目 的，反而污染了零件。因此，清洗設備必須裝社具有足夠高的過濾精度和納垢 容量的過濾器。采用可清洗濾芯和增加外過濾系統(tǒng)，可提高過濾凈化能力并節(jié) 約費用。 設計的主要內(nèi)容包括：液壓總裝圖，非標準零件的設計，液壓缸的設計， 電機及泵、閥、管件的選擇使用等等。為了使設計更趨于合理化、標注化、絕 大多數(shù)零件都按照國家標注進行。 水下海底管道金剛石繩鋸切割機設計 6 7 第 2 章 水下海底管道金剛石繩鋸切割總體方案設計 2.1 課題簡介及任務要求 我國在南海海域擁有近 10 個油氣田群，近年來不僅油氣田開發(fā)數(shù)量不斷增 長，而且開采深度也在不斷加深。例如：西江油田平均水深 100 米、惠州油田 群平均水深 98116 米、流花油田平均水深 305 米、陸豐 221 油田平均水深 332 米、番禺 51 油田平均水深 110 米、崖城 131 氣田平均水深 100 米、文 昌 13 1 油田平均水深 117 米。另外，從投產(chǎn)時間上來看絕大多數(shù)油田服役期 限已達到 10 年以上，有的甚至超過 20 年。例如：潿洲 103 油田 1986 年 08 月投產(chǎn)、惠州 211 油田 1990 年 9 月投產(chǎn)、陸豐 131 油田 1993 年 10 月投 產(chǎn)、崖城 131 氣田 1995 年 10 月投產(chǎn)。不論從油田數(shù)量還是從服役年限來看， 可以預計在未來幾年中，水下鋼結(jié)構物（包括：采用平臺、FPSO、海底管道、 吸力錨等）和海底管道維修工作量必將大幅攀升。因此，研究一套用于海底管 道切割的金剛石繩鋸切割系統(tǒng)具有重要意義。通過本課題的研究，力爭使學生 掌握基本的設計方法和技巧，提高知識的綜合運用的能力。 任務與要求 6) 查閱相關國內(nèi)外文獻資料 7) 總體方案設計 8) 液壓系統(tǒng)計算及元件選型 9) 液壓系統(tǒng)計算機仿真 10) 控制系統(tǒng)設計 原始數(shù)據(jù) 4) 管道直徑 30 寸 5) 最大切割速度 30mm/min 6) 液壓系統(tǒng)最高工作壓力 21.5MPa 2.2 金剛石繩鋸機的基本組成及工作原理 金剛石繩鋸機進行切割作業(yè)時,它的切削“刀具”金剛石串珠繩通常 為閉合環(huán)狀的形式,靠安裝在軌道上的或者沿固定軸轉(zhuǎn)動的設備以理想的速度驅(qū) 動,水下金剛石繩鋸機主要由主運動系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、金剛石串珠繩、張緊裝置、 導向機構和控制系統(tǒng)等部件組成 9，12 。 切割海底油氣管道或海上石油平臺導管架用金剛石繩鋸機工作原理簡圖如 圖 1-12 所示:工作時,先用夾緊裝置將金剛石繩鋸機固定在輸油管道待切割位置,使 油氣管道或?qū)Ч芗艹蔀槔K鋸機的“基座”;4 個導向輪中有一個或兩個兼做主動 輪,由其中一套驅(qū)動裝置帶動主動輪高速旋轉(zhuǎn),使張緊的金剛石串珠繩做循環(huán)運 動,實現(xiàn)其沿管道的切向進給運動;同時另一套驅(qū)動裝置推動切割裝置作直線運 動,實現(xiàn)串珠繩相對管道的徑向進給運動;張緊裝置可以保證金剛石串珠繩在工 作過程中始終處于張緊狀態(tài),保證切割所需的張緊力;如果繩鋸機是在干式環(huán)境 8 中工作,在串珠繩進行切削的工作區(qū)附近必須設有冷卻系統(tǒng),以保證串珠繩良好 的切削環(huán)境和切削狀態(tài) 13，14 。 圖 1-12 繩鋸機方案示意簡圖 1 切割框；2 導向滑輪； 3 夾緊框；4 繩鋸； 水下金剛石串珠繩鋸主要由主運動系統(tǒng)(驅(qū)動裝置)、進給系統(tǒng)(進給裝置)、張 緊裝置、夾緊裝置、導向裝置、鋸弓板框架、切割框架、控制系統(tǒng)、液壓動力 源系統(tǒng)等組成。如圖 1 所示。 9 2.3 進給傳動絲桿螺母副的計算和造型 (1) 計算進給牽引力 縱向進給選為兩根導桿滑動導軌。參考表 6.22，6.23 兩表機床設 計手冊.3 查書綜合作業(yè)指導書P22 )(GFfkZxm 在正常情況下： 考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取 K=1.15 滑動導軌磨擦系數(shù) 0.150.18f 移動部件重量，取 =1200N =1.15 2648.66+0.16 (4237.85+800)=2175.94(N)(FfkZxm (2) 計算最大動負載 C C= 3Lwf106nTvs 參考機床設計手冊.3P185P210 選用滾珠絲桿導軌 式中： 滾珠絲桿導程。 初選0L06Lm 為最大條件下的進給速度，可取最高進給速度的 1/21/3sv 取 3m/minmaxV 使用壽命（h） ，對于數(shù)控取 =15000h 0T 運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取 1.21.5（查表 314綜合作業(yè)指wf 導取 為 1.2wf 壽命以 轉(zhuǎn)為 1 單位L6 絲桿轉(zhuǎn)速 r/minn01vs350 1136TL61 C= =19512.57mwFf3 (3) 滾珠絲桿螺母副的選型 可采用 WD6008 外循環(huán)螺紋調(diào)整預緊的雙螺母珠絲桿副，1 列 2.5 圈，其額 定功動負載為 18200（N ） ，精度等級按表綜合作業(yè)指導書表 3-17 選為 3 級。 (4) 傳功效率計算： =)tan(/r 式中：r 螺旋升角，WD6008 r= 2530 磨擦角取 10 滾動磨擦系數(shù) 0.0030.004 10 953.0)1253tan()ta(0r (5) 剛度驗算 先畫出此進給滾珠絲杠支承方式草圖如 A 圖所示，最大牽引力 2175.94(N)。 支承 L=1500mm，絲桿螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷 1/3。 絲杠的拉伸或壓縮變形量 1 查綜合作業(yè)指導書圖 3-4，根據(jù) =2175.94(N), mFmD60 查出 10-5 可算出65.0L = =(0.6510-51500)mm=0.97510-2 mm1 由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲桿進行了預拉伸，故其拉壓剛度可 以提高 4 倍。其實際變形量 (mm)為1 =1/4 =0.97510-2/2=0.24410-2mm1 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 2 查綜合作業(yè)指導書圖 3-5，W 系列 1 列 2.5 圈滾珠和螺紋滾道接觸變形 量 Q =6.0mQ 因進行預緊 =1/2 =1/26.0=3.0m2 支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形 3 采用 D8208 型推力球軸承， =35mm,滾動體直徑 =6.35mm,滾動體數(shù)量1dQd Z=18, mZFQmc 0956.1835.6290.052.3 22 注意此公式中單位應為 N 因施加預緊力，故 =1/2 =1/20.009065=0.004528mm3c 根據(jù)以上計算 = =0.002440.00300.004528=0.009968 定位精度21 因為查表達 1-1綜合作業(yè)指導書定位精度為0.01 (6) 穩(wěn)定性校核 滾珠絲桿兩端采用推力球軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。 (7) 縱向滾珠絲桿副幾何參數(shù) 表 3：WD6008 滾珠絲桿副幾何參數(shù) 參數(shù)名稱 符號 關系式 WD6006 公稱直徑 0d 60 螺 導 程 L6 11 接觸角 2.183 鋼球直徑 qd 3.969 滾道法面半 徑 Rd52.02.064 偏心鋸 esinpR0.0030 紋 滾 道 螺紋升角 r= L0arct2530 外 徑 d= -(0.20.25) 0dqd59.2 內(nèi) 徑 1= 2 21eR55.878螺 桿 接觸直徑 2= Cos0q56.034 螺紋直徑 D= 2 2d64.122螺 母 內(nèi) 徑 1 = (0.2 0.25) 10qd60.7938 2.3.1 液壓系統(tǒng)設計要求及流程 液壓的設計一般泛指液壓傳動系統(tǒng)設計。由于液壓傳動系統(tǒng)和液壓控制系 統(tǒng)從結(jié)構和工作原理而言，并無本質(zhì)上的區(qū)別。通常所說的液壓系統(tǒng)設計，皆 指液壓傳動系統(tǒng)設計。液壓系統(tǒng)的設計與主機的設計是緊密聯(lián)系的，當從必要 性、可行性和經(jīng)濟性幾方面對機械、電氣、液壓和氣動等傳動形式進行全面比 較和論證，決定應用液壓傳動之后，二者往往同時進行。所設計的液壓系統(tǒng)首 先應滿足主機的拖動、循環(huán)要求，其次還應符合結(jié)構組成簡單、體積小重量輕、 工作安全可靠、 總體看來，液壓系統(tǒng)設計的流程是： a.明確系統(tǒng)的設計 b.分析系統(tǒng)工況 c.確定主要參數(shù) d.擬定液壓系統(tǒng)原理圖 e.選擇液壓元件 f.驗算液壓系統(tǒng)性能 g.繪制工作圖編織技術文件。 課題的基本要求： 查閱 20 篇以上參考文獻，設計一液壓綜合實驗臺，完成總裝圖和零部 件圖，并按規(guī)定格式撰寫文獻綜述、開題報告、畢業(yè)設計說明書。要求： 方案可行，機構合理，經(jīng)濟實用，并滿足給定的設計技術條件，實驗臺能 滿跑液壓基本實驗液阻特性實驗、液壓泵性能實驗、節(jié)流調(diào)帶回路性能 12 實驗、溢流閥靜/動態(tài)性能實驗、減壓閥靜/動態(tài)性能實驗等。 2.3.2 工作原理 水下海底管道金剛石繩鋸切割機的液壓系統(tǒng)的油源為定量液壓泵（葉片泵） ，其最高工作壓力由溢流閥設定，二位二通電磁換向閥用于控制液壓泵的卸荷 和供油。系統(tǒng)的執(zhí)行器為豎直液壓缸和液壓缸，其中豎直液壓缸和液壓缸的運 動方向均采用電磁換向閥作為導閥的液控順序閥控制。豎直液壓缸進回油路中 并聯(lián)的順序閥和單向閥用于該缸差動反饋連接，液控順序閥在缸差動時關閉回 油路，在非差動時，提供回油路。液壓缸的回油路上串聯(lián)的溢流閥起背壓作用。 系統(tǒng)中壓力繼電器作為電磁鐵通斷電的發(fā)信裝置，控制電磁換向閥的換向動作。 壓力表及其開關分別用于調(diào)整系統(tǒng)最高壓力和壓力繼電器的動作壓力時的顯示 和觀測。 圖 2.2 水下海底管道金剛石繩鋸切割機的液壓系統(tǒng)原理圖 13 第 3 章 液壓系統(tǒng)設計 水下海底管道金剛石繩鋸切割機的制作過程包括：液壓缸的結(jié)構、裝置、 機架。并根據(jù)系統(tǒng)壓力、流量選擇了液壓閥、電機、泵。本文的設計能夠滿足 水下海底管道金剛石繩鋸切割機要求。 3.1 液壓執(zhí)行元件的配置 由于水下海底管道金剛石繩鋸切割機要求布置，行程較小，故選用缸筒固 定的單桿活塞桿（取缸的機械效率 ） 。1.90cm 3.2 夾緊裝置液壓缸的主要結(jié)參數(shù) 因為課題要求液壓系統(tǒng)最高工作壓力 21.5Mpa，考慮到液壓損失等因數(shù)，結(jié) 合常見機床的壓力選擇要求，初步選擇該切割機液壓系統(tǒng)的壓力為 16Mpa. 根據(jù)表 2.3 以及液壓缸內(nèi)徑尺寸系列與活塞桿直徑系列推薦的優(yōu)選尺寸， 選擇缸的尺寸。 表 2.3 液壓缸內(nèi)徑 D 與活塞桿直徑 d 之間的關系 按機床類型選取 d/D 按液壓缸工作壓力選取 d/D 機床類別 d/D 工作壓力 p/（ MPa） d/D 磨床及研磨機床 0.20.3 25 0.50.58 鉆、鏜、車、銑、床 0.7 57 0.620.70 其他 =%） 輸出 扭矩 （N/m） 重量 （kg） 80 20 25 600 2000 2500 90 203 13.5 3.8 液壓泵及其驅(qū)動電動機的選擇 確定液壓執(zhí)行元件的形式 液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸或液壓泵。前者實現(xiàn)直線運動，后者完成回 轉(zhuǎn)運動，二者的特點及適用場合見下表 4.1 表 4.1 各執(zhí)行元件的特點 名 稱 特 點 適 用 場 合 雙活塞桿液壓缸 雙向?qū)ΨQ 雙作用往復運動 柱塞缸 結(jié)構簡單 單向工作，靠重力或其他 外力返回 齒輪泵 結(jié)構簡單，價格便宜 高轉(zhuǎn)速低扭矩的回轉(zhuǎn)運動 葉片泵 體積小，轉(zhuǎn)動慣量小 高轉(zhuǎn)速低扭矩動作靈敏的 回轉(zhuǎn)運動 擺線齒輪泵 體積小，輸出扭矩大 低速，小功率，大扭矩的 回轉(zhuǎn)運動 軸向柱塞泵 運動平穩(wěn)、扭矩大、轉(zhuǎn)速 大扭矩的回轉(zhuǎn)運動 20