大直径管道切割对开式钻铣机的机械性能研究

邓子龙，许龙，吴明，李强，钮科

(辽宁石油化工大学a.机械工程学院，b.石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001)

大直径管道切割对开式钻铣机(以下简称为钻铣机)在国外的管道施工中已得到普遍的应用，美国的E.H.Wachs公司已经独立研发出Travelling Pipe cutter［1］切管机且已应用于工程实际中，正在向国内市场推广使用。国内对管道切割的研究起步相对晚一些，大部分是在国外设备基础上的仿制和改进［2］［3］。国内的几家生产厂商研制出适用于大管径、长输管道施工现场加工机械［4］，只能用于大直径管道开坡口，而管切割仍然未能实现标准化生产。本文设计的钻铣机是用于远距离大口径油气输送管道切割与开坡口的自动化设备，国内最新型的大直径管切机，对其进行机械性能的分析可以为研发设计提供必要的依据。

1 对开式钻铣机工作原理

钻铣机主要由动力元件液压电机、传动元件动支架与定支架和执行元件钻铣头组成。液压电机有两个，一个为动支架提供转动动力，一个为钻铣头提供切削动力。定支架通过支脚固定于要切割的管道上，动支架通过与定支架之间的滚子和定支架进行连接。为了说明钻铣机的工作原理，运用三维建模软件Pro/E建立钻铣机的整机结构模型如图1所示。Pro/E软件的运动学分析模块Mechanism可以进行装配的运动学分析和仿真，运动仿真的结果不但可以以动画的形式表现出来，还可以以参数的形式输出，从而可以获得零件之间是否干涉，干涉的体积有多大等［5］，经仿真分析钻铣机无干涉产生。

图1 钻铣机模型简图

对开式钻铣机的定支架和动支架都为两半环，工作前需要用定支架开合块和动支架开合块将其安装到一起，调节支腿长度将钻铣机固定到管道上，以便夹紧管道固定钻铣机。主驱动液压电机箱体和钻铣头分别安装到定支架和动支架上，一个液压电机通过减速装置安装到主驱动液压电机箱体上驱动动支架为钻铣机提供周向进给动力，另一个液压电机安装到钻铣头主轴上驱动钻铣头工作并为钻铣机提供径向和周向切削加工及开坡口动力。

2 有限元分析

钻铣机的有限元分析包括定支架、动支架、支腿和钻铣头，其中钻铣机定支架是钻铣机工作时的主要承载部件，工作时起着关键的作用，对其进行有限元分析计算有着十分重要的作用。

2.1 有限元模型建立

通过Pro/E和ANSYS软件的无缝接口技术［6］，将钻铣机定支架模型导入ANSYS软件后，对模型进行的修改和简化，以便于网格的划分和分析计算［7］。定支座模型是对称分布的，为了便于网格的划分和减少计算量，将模型删去一半成为对称模型如图2所示。图2中，1为简化后的支腿，2为细化后的定支架开合块。由于对支腿将做专门的分析，所以在定支架的分析中将其简化。定支架开合块起到闭合定支架的作用，也承受工作时的载荷，这里把它进行细化处理，以得到更加精准的有限元分析模型。

图2 定支架模型

钻铣机的定支架部分实际结构主要由钢板焊接而成，几何模型较为复杂，故划分有限元模型的单元类型选用三维实体单元Solid185。进行自动划分后在对模型进行网格细化，最终得到有限元模型如图3所示。

图3 定支架有限元模型

2.2 边界条件的施加

钻铣机主要承受三个载荷的作用，主切削力FC、垂直切削力Fcn和背向力的FP作用，这三个力是由高速钢铣刀工作时产生的。首先计算得高速铣刀的功率P=2.53(kW)。然后根据主切削力Fc、垂直切削力Fcn和背向力FP的计算公式如式(1)～(3)所示，其中进给速度vc=18.1和螺旋角 β=30°，计算得 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时，对支腿进行全约束。当钻铣机工作时，钻铣头产生的垂直切削抗力和背向抗力，经动支架与定支架间的滚子传递给定支架，分别作用于定支架的内圈表面和截面上，其受力简图和ANSYS软件边界约束图如图4和图5所示。

图4 受力简图

图5 ANSYS边界约束图

图4 所示对简化支腿的表面进行整体自由度的约束(图5中简化支腿上的三角形)，定支架开合块施加垂直切削力FP，定支架端面施加背向切削力Fcn。

2.3 求解与结果分析

定支架的有限元分析分为两部分，第一部分用模态求解计算出固有频率和主振型，第二部分用静态求解计算出变形和应力强度。钻铣机的定支架部分主要采用45钢材料的钢板焊接而成，45钢的材料属性如表1所示。在ANSYS中设定好材料属性和求解方法后，分别进行模态和静态求解。

表1 材料属性

2.3.1 模态结果分析

模态分析是通过分析结构固有频率和主振型，研究结构振动特性的一种方法。提取定支架的四阶模态频率及主振型进行分析，定支架的四阶模态的固有频率和主振型如表2所示。

表2 固有频率与主振型

钻铣机的液压电机正常工作时产生的输出频率分别为20Hz到50Hz，由表2将计算频率与输出频率进行比较，定支架的一到四阶固有频率均大于50Hz，所以钻铣机在工作时不会发生共振现象［8］。

2.3.2 静态分析

静态分析中提取定支架的变形和应力强度等值图，获得定支架变形的最大值和发生最大变形的部位，获取定支架的应力强度的最大值和承受最大应力强度的部位，为结构设计优化提供参考。定支架的变形和应力强度等值图如图6和图7所示。

图6 变形等值图

图6 所示为后处理输出的定支架变形等值线云图。从图6中可知定支架模型的最大变形为0.345 201mm，最大变形很小，结果说明定支架刚度满足钻铣机切削加工时的要求。图7所示为定支架模型等效应力强度分布云图。从图7中可知，定支架的最大等效应力强度为139.966MPa，小于材料的屈服强度极限，定支架强度满足钻铣机切削加工的要求。由于钻铣机是旋转工作的，所以定支架所承受的载荷分布主要是由钻铣头工作的位置决定，本文分析的位置为钻铣头在开合块附近工作时的情况，由分析结果知最大变形发生在开合块附近，承受最大应力部位是支腿附近。分析结果表明:钻铣机的支腿处是最危险的部分，设计时应该重点考虑其强度要求，其他部分相对较安全。

图7 应力强度等值图

3 结语

本文利用Pro/E软件建立钻铣机的三维模型，并对其进行运动仿真，仿真结果表明:钻铣机结构没有产生干涉现象；然后运用ANSYS软件对钻铣机的定支座进行模态分析，分析结果表明:定支座不会产生共振现象；接着又通过ANSYS软件的静态分析得到钻铣机的变形和应力强度等值云图，验证了钻铣机的刚度和强度满足工作要求，综上所述钻铣机的结构设计是合理的，分析结果可为结构设计优化提供参考数据。

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

［2］王跃辉，张岚，等.高压水切割管道外切割臂设计［J］.机床与液压，2012，40(2):37-39.

［3］袁夫彩，孟庆鑫，王立权，等.海底输油管道切割及开坡口机的设计［J］.农机化研究，2004(2):155-156.

［4］张峰，梁君直，等.大口径管道管端坡口整形机［J］.石油工程建设，2002，28(3):49-51.

［5］方建军，刘仕良，等.机械动态仿真与工程分析［M］.北京:化学工业出版社，2004.

［6］杨萍，贺小明，等.ANSYS与Pro/E间无缝连接的应用研究［J］.机械设计与制造，2006(1):58-60.

［7］谭蔚，王泽军，朱企新，等.有限元方法在离心机转鼓强度分析中的应用［J］.化工机械，2002(2):103-106.

［8］李学艺，高超，等.基于ANSYS的渐开线斜齿轮结构参数对其振动模态的影响［J］.煤矿机械，2012，33(9):65-68.