基于ANSYS的手动带压开孔机的优化设计
2014-11-19朱允龙蔡子多
朱允龙 蔡子多
摘 要 手动带压开孔机是油气运输管道、城市供水、供暖管网不可缺少的基本维修设备，利用该设备能在流体输送的情况下，对损坏的管段进行切割、开孔，减少了流体停输带来的损失。机体应力集中、钻杆失稳、带压作业密封性差是导致其可靠性下降的主要原因，本文将对开孔机的主要部件进行设计与力学分析，通过分析其应力约束与几何约束条件，建立切削部件的最优化模型，并通过ANSYS进行有限元模拟，求取几何最优值，提高开孔机的可靠性。
【关键词】带压开孔机 优化设计 ANSYS 可靠性
随着国内使用的油气管道、城市供水、供暖管道大量临近使用寿命，管道的安全问题也日益增加。当突发事件发生时，需要做事故抢修工作，如带压抢修、更换失效管段、加装装置、分输改造等，这些施工作业都要求在管道的运行中完成，即实施不停输作业。相比大型管道不停输维修设备重量大、价格昂贵、现场技术要求高等特点，手电动带压开孔机重量轻、结构简单更适用于需要紧密连接和难以操作的位置。鉴于当下手动带压开孔机还存在结构欠合理、稳定性差等诸多问题，有必要优化手动带压开孔机的结构，使其既能满足动载荷下的强度要求，又能达到体积的最小化。
1 开孔机的结构设计
手动开孔机主要由旋转手柄、摩擦套筒、定位套筒和钻杆四部分组成，其设计如下图1.1所示。
（1）转动手柄：通过旋转手柄带动钻杆旋转，进而驱动刀具完成旋转切割。
（2）摩擦筒：转动摩擦筒，通过定位套筒与摩擦筒间的梯形螺纹副将摩擦筒的旋转运动转为套筒间的轴向位移，使钻杆纵向伸缩，实现刀具进给。
（3）定位套筒：套筒右端的管螺纹与阀门转接器连接，实现开孔机在指定管段的定位；带压作业中，将壁面上的稳压孔外接高压球阀作为安全阀，以保证作业安全；定位套筒外壁的位置标示，用以显示进给深度。
（4）钻杆：将旋转运动和进给运动传递给钻头或开孔桶刀，其材料选取和几何结构有设计要求。
2 主要部件的设计计算与强度校核
本设计以钻头作为力学研究对象，对开孔机的主要部件进行参数设计与优化。
2.1 钻削力学参数
2.2 钻杆扭转受力分析与结构优化
管道工作液压σ=10.5MPa，材料45号钢，抗压许用应力[σy] =216～238MPa，弹性模量E= 2.16×1011 N/mm2，泊松比?=0.28，许用扭转应力[τ] =110MN/m2。
假定人手动开孔的最大扭转力pmax =588.6 N、最大扭转力矩Mmax =323.73Nm不变，随着钻杆直径取值变化，各相关力学参数的变化见表1。
（4）钻杆ANSYS应力应变分析。加载条件：轴头加载扭矩Mmax =323.73Nm，六边形轴头直径dt =22mm，钻杆直径D'1=32mm，钻杆长度L=1200mm。以钻杆轴颈和钻杆U形槽内面为支撑面，向钻杆六边形轴头进行加载。钻杆的节点应力分布图，如图2.1所示。
图2.1中STEP=1，SUB=1，TIME=1，合成应力型SEQV（AVG），最大位移DMX=.283E-04m，
最小应力SMN=2.889MPa，最大应力SMX=2385MPa
机体应力约为2.899MPa< [τ]，轴颈局部存在较高应力集中。钻杆最大扭转位移发生在轴头DMX=.283E-04m，属于微位移，整体受力对机体影响微小。由于轴头直接跟手动摇柄配合，轴头表面磨损严重，为提高刚度，加工时需对钻杆轴头表面进行喷丸或渗碳处理。
2.3 定位套筒受力分析与结构优化
（1）定位套筒稳定性检验。
开孔机割开管壁时钻杆受液压最大轴向力：
（2）套筒空腔受力分析。基础条件：套筒材料HT200（铸铁），弹性模量E=1.57×1011N/m2，泊松比?=0.23～0.27，套筒长度L=642mm，接头螺纹类型Tr 48 ×3，套筒空腔螺纹ZM60X2（GB1415），许用压力[σy] =118MPa，许用拉力[σL] =78MPa，空腔外径D1=Φ80mm，空腔内径D2=Φ56mm，套筒钻杆配合段内径dn=Φ32mm，套筒钻杆配合段外径（3）定位套筒平衡孔ANSYS应力应变分析。施加条件：管压σ1 =10.5MPa，截面平均拉伸载荷σp =24.5MPa，平衡孔半径 rk=7mm，定位套筒展开面长Ss=2πD2=351.68mm，宽Ls=35mm，建模单位制取：m。平衡孔等效节点应力分布，如图2.3所示。
平衡孔受横向应力σp作用有拉伸变形，变形释放部分载荷，致使应力等值线局部有所下降；受孔横向形变影响，平衡孔竖直方向微观组织挤压，应力集中明显，很可能成为电化学腐蚀的高危区，因此，在装配中要定期更换密封圈并对螺纹面进行防锈处理。
（4）定位套筒的ANSYS应力位移分析。鉴于定位套筒平衡孔在管压下局部有明显应力集中，为确保整机安全，需建立ANSYS模型进行有限元分析，并寻求关键点，对整机优化设计。选取套筒左端梯形螺纹面为约束面，对空腔内施加σp =10.5MPa载荷，建模单位制：mm。定位套筒综合应力分布，如图2.4所示。
模拟计算所得：最大位移DMX=2.875 mm，最小应力SMN=22.33KPa，最大应力SMX=157MPa
定位套筒空腔壁上平衡孔附近有明显应力集中，应力值约为52.4MPa，结构总体安全。梯形螺纹与套筒筒身结合处应力为122MPa<[6y] =147Mpa接近需用压应力，应在梯形螺纹和套筒身结合处将台阶面换成倒角过渡，提升局部强度。
3 结论
本文所研究的手动带压开孔机是参照T.D.Williamson公司的Т-101b型产品的实际使用环境而进行改进设计的。通过应用力学分析与强度校核等方法优化了开孔机结构参数，提高了整机的可靠性和经济性。应用有限元软件ANSYS模拟工况下开孔机的受力情况，观测其主体应力、应变，发现失稳状况并提出合理的整改意见，使手动带压开孔机能更好得满足实际开孔作业的需求。
参考文献
[1]韩忠晨，任增珺，王成明.输气管道的不停输开孔封堵修复[J].管道技术，2003，（5）：10-20.
[2]T.D.Williamson Inc.СВЕРЛИЛ ЬНЫЙ МЕХАНИЗМ Т-101b и
T101XL[M].TDW Публикация. № 00-3795-0253，1999，4（2）：20-23.
[3]陈恩平.切削力经验公式的实验研究[J].北京：燕山大学学报，2004，28（04）：16-25.
[4]吕英民，陈海亮.材料力学（II）[M].山东：石油大学出版社，1993（02）：18-36.
[5]吕英民，陈海亮.材料力学（I）[M].山东：石油大学出版社，1993，（2）：25-28.
[6]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，1996.5：144-150.
[7]张洪信，赵清海.ANSYS有限元分析完全自学手册[M].北京：机械工业出版社，2008，（3）：120-135.
作者简介
朱允龙（1983-），男，硕士学位。贵州省黎平县人。现为贵阳职业技术学院讲师。
蔡子多（1987-），男，贵州省金沙县人。大学本科学历。现为贵阳职业技术学院助教。
作者单位
贵阳职业技术学院贵阳市数控加工工程技术中心 贵州省贵阳市 550028endprint
摘 要 手动带压开孔机是油气运输管道、城市供水、供暖管网不可缺少的基本维修设备，利用该设备能在流体输送的情况下，对损坏的管段进行切割、开孔，减少了流体停输带来的损失。机体应力集中、钻杆失稳、带压作业密封性差是导致其可靠性下降的主要原因，本文将对开孔机的主要部件进行设计与力学分析，通过分析其应力约束与几何约束条件，建立切削部件的最优化模型，并通过ANSYS进行有限元模拟，求取几何最优值，提高开孔机的可靠性。
【关键词】带压开孔机 优化设计 ANSYS 可靠性
随着国内使用的油气管道、城市供水、供暖管道大量临近使用寿命，管道的安全问题也日益增加。当突发事件发生时，需要做事故抢修工作，如带压抢修、更换失效管段、加装装置、分输改造等，这些施工作业都要求在管道的运行中完成，即实施不停输作业。相比大型管道不停输维修设备重量大、价格昂贵、现场技术要求高等特点，手电动带压开孔机重量轻、结构简单更适用于需要紧密连接和难以操作的位置。鉴于当下手动带压开孔机还存在结构欠合理、稳定性差等诸多问题，有必要优化手动带压开孔机的结构，使其既能满足动载荷下的强度要求，又能达到体积的最小化。
1 开孔机的结构设计
手动开孔机主要由旋转手柄、摩擦套筒、定位套筒和钻杆四部分组成，其设计如下图1.1所示。
（1）转动手柄：通过旋转手柄带动钻杆旋转，进而驱动刀具完成旋转切割。
（2）摩擦筒：转动摩擦筒，通过定位套筒与摩擦筒间的梯形螺纹副将摩擦筒的旋转运动转为套筒间的轴向位移，使钻杆纵向伸缩，实现刀具进给。
（3）定位套筒：套筒右端的管螺纹与阀门转接器连接，实现开孔机在指定管段的定位；带压作业中，将壁面上的稳压孔外接高压球阀作为安全阀，以保证作业安全；定位套筒外壁的位置标示，用以显示进给深度。
（4）钻杆：将旋转运动和进给运动传递给钻头或开孔桶刀，其材料选取和几何结构有设计要求。
2 主要部件的设计计算与强度校核
本设计以钻头作为力学研究对象，对开孔机的主要部件进行参数设计与优化。
2.1 钻削力学参数
2.2 钻杆扭转受力分析与结构优化
管道工作液压σ=10.5MPa，材料45号钢，抗压许用应力[σy] =216～238MPa，弹性模量E= 2.16×1011 N/mm2，泊松比?=0.28，许用扭转应力[τ] =110MN/m2。
假定人手动开孔的最大扭转力pmax =588.6 N、最大扭转力矩Mmax =323.73Nm不变，随着钻杆直径取值变化，各相关力学参数的变化见表1。
（4）钻杆ANSYS应力应变分析。加载条件：轴头加载扭矩Mmax =323.73Nm，六边形轴头直径dt =22mm，钻杆直径D'1=32mm，钻杆长度L=1200mm。以钻杆轴颈和钻杆U形槽内面为支撑面，向钻杆六边形轴头进行加载。钻杆的节点应力分布图，如图2.1所示。
图2.1中STEP=1，SUB=1，TIME=1，合成应力型SEQV（AVG），最大位移DMX=.283E-04m，
最小应力SMN=2.889MPa，最大应力SMX=2385MPa
机体应力约为2.899MPa< [τ]，轴颈局部存在较高应力集中。钻杆最大扭转位移发生在轴头DMX=.283E-04m，属于微位移，整体受力对机体影响微小。由于轴头直接跟手动摇柄配合，轴头表面磨损严重，为提高刚度，加工时需对钻杆轴头表面进行喷丸或渗碳处理。
2.3 定位套筒受力分析与结构优化
（1）定位套筒稳定性检验。
开孔机割开管壁时钻杆受液压最大轴向力：
（2）套筒空腔受力分析。基础条件：套筒材料HT200（铸铁），弹性模量E=1.57×1011N/m2，泊松比?=0.23～0.27，套筒长度L=642mm，接头螺纹类型Tr 48 ×3，套筒空腔螺纹ZM60X2（GB1415），许用压力[σy] =118MPa，许用拉力[σL] =78MPa，空腔外径D1=Φ80mm，空腔内径D2=Φ56mm，套筒钻杆配合段内径dn=Φ32mm，套筒钻杆配合段外径（3）定位套筒平衡孔ANSYS应力应变分析。施加条件：管压σ1 =10.5MPa，截面平均拉伸载荷σp =24.5MPa，平衡孔半径 rk=7mm，定位套筒展开面长Ss=2πD2=351.68mm，宽Ls=35mm，建模单位制取：m。平衡孔等效节点应力分布，如图2.3所示。
平衡孔受横向应力σp作用有拉伸变形，变形释放部分载荷，致使应力等值线局部有所下降；受孔横向形变影响，平衡孔竖直方向微观组织挤压，应力集中明显，很可能成为电化学腐蚀的高危区，因此，在装配中要定期更换密封圈并对螺纹面进行防锈处理。
（4）定位套筒的ANSYS应力位移分析。鉴于定位套筒平衡孔在管压下局部有明显应力集中，为确保整机安全，需建立ANSYS模型进行有限元分析，并寻求关键点，对整机优化设计。选取套筒左端梯形螺纹面为约束面，对空腔内施加σp =10.5MPa载荷，建模单位制：mm。定位套筒综合应力分布，如图2.4所示。
模拟计算所得：最大位移DMX=2.875 mm，最小应力SMN=22.33KPa，最大应力SMX=157MPa
定位套筒空腔壁上平衡孔附近有明显应力集中，应力值约为52.4MPa，结构总体安全。梯形螺纹与套筒筒身结合处应力为122MPa<[6y] =147Mpa接近需用压应力，应在梯形螺纹和套筒身结合处将台阶面换成倒角过渡，提升局部强度。
3 结论
本文所研究的手动带压开孔机是参照T.D.Williamson公司的Т-101b型产品的实际使用环境而进行改进设计的。通过应用力学分析与强度校核等方法优化了开孔机结构参数，提高了整机的可靠性和经济性。应用有限元软件ANSYS模拟工况下开孔机的受力情况，观测其主体应力、应变，发现失稳状况并提出合理的整改意见，使手动带压开孔机能更好得满足实际开孔作业的需求。
参考文献
[1]韩忠晨，任增珺，王成明.输气管道的不停输开孔封堵修复[J].管道技术，2003，（5）：10-20.
[2]T.D.Williamson Inc.СВЕРЛИЛ ЬНЫЙ МЕХАНИЗМ Т-101b и
T101XL[M].TDW Публикация. № 00-3795-0253，1999，4（2）：20-23.
[3]陈恩平.切削力经验公式的实验研究[J].北京：燕山大学学报，2004，28（04）：16-25.
[4]吕英民，陈海亮.材料力学（II）[M].山东：石油大学出版社，1993（02）：18-36.
[5]吕英民，陈海亮.材料力学（I）[M].山东：石油大学出版社，1993，（2）：25-28.
[6]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，1996.5：144-150.
[7]张洪信，赵清海.ANSYS有限元分析完全自学手册[M].北京：机械工业出版社，2008，（3）：120-135.
作者简介
朱允龙（1983-），男，硕士学位。贵州省黎平县人。现为贵阳职业技术学院讲师。
蔡子多（1987-），男，贵州省金沙县人。大学本科学历。现为贵阳职业技术学院助教。
作者单位
贵阳职业技术学院贵阳市数控加工工程技术中心 贵州省贵阳市 550028endprint
摘 要 手动带压开孔机是油气运输管道、城市供水、供暖管网不可缺少的基本维修设备，利用该设备能在流体输送的情况下，对损坏的管段进行切割、开孔，减少了流体停输带来的损失。机体应力集中、钻杆失稳、带压作业密封性差是导致其可靠性下降的主要原因，本文将对开孔机的主要部件进行设计与力学分析，通过分析其应力约束与几何约束条件，建立切削部件的最优化模型，并通过ANSYS进行有限元模拟，求取几何最优值，提高开孔机的可靠性。
【关键词】带压开孔机 优化设计 ANSYS 可靠性
随着国内使用的油气管道、城市供水、供暖管道大量临近使用寿命，管道的安全问题也日益增加。当突发事件发生时，需要做事故抢修工作，如带压抢修、更换失效管段、加装装置、分输改造等，这些施工作业都要求在管道的运行中完成，即实施不停输作业。相比大型管道不停输维修设备重量大、价格昂贵、现场技术要求高等特点，手电动带压开孔机重量轻、结构简单更适用于需要紧密连接和难以操作的位置。鉴于当下手动带压开孔机还存在结构欠合理、稳定性差等诸多问题，有必要优化手动带压开孔机的结构，使其既能满足动载荷下的强度要求，又能达到体积的最小化。
1 开孔机的结构设计
手动开孔机主要由旋转手柄、摩擦套筒、定位套筒和钻杆四部分组成，其设计如下图1.1所示。
（1）转动手柄：通过旋转手柄带动钻杆旋转，进而驱动刀具完成旋转切割。
（2）摩擦筒：转动摩擦筒，通过定位套筒与摩擦筒间的梯形螺纹副将摩擦筒的旋转运动转为套筒间的轴向位移，使钻杆纵向伸缩，实现刀具进给。
（3）定位套筒：套筒右端的管螺纹与阀门转接器连接，实现开孔机在指定管段的定位；带压作业中，将壁面上的稳压孔外接高压球阀作为安全阀，以保证作业安全；定位套筒外壁的位置标示，用以显示进给深度。
（4）钻杆：将旋转运动和进给运动传递给钻头或开孔桶刀，其材料选取和几何结构有设计要求。
2 主要部件的设计计算与强度校核
本设计以钻头作为力学研究对象，对开孔机的主要部件进行参数设计与优化。
2.1 钻削力学参数
2.2 钻杆扭转受力分析与结构优化
管道工作液压σ=10.5MPa，材料45号钢，抗压许用应力[σy] =216～238MPa，弹性模量E= 2.16×1011 N/mm2，泊松比?=0.28，许用扭转应力[τ] =110MN/m2。
假定人手动开孔的最大扭转力pmax =588.6 N、最大扭转力矩Mmax =323.73Nm不变，随着钻杆直径取值变化，各相关力学参数的变化见表1。
（4）钻杆ANSYS应力应变分析。加载条件：轴头加载扭矩Mmax =323.73Nm，六边形轴头直径dt =22mm，钻杆直径D'1=32mm，钻杆长度L=1200mm。以钻杆轴颈和钻杆U形槽内面为支撑面，向钻杆六边形轴头进行加载。钻杆的节点应力分布图，如图2.1所示。
图2.1中STEP=1，SUB=1，TIME=1，合成应力型SEQV（AVG），最大位移DMX=.283E-04m，
最小应力SMN=2.889MPa，最大应力SMX=2385MPa
机体应力约为2.899MPa< [τ]，轴颈局部存在较高应力集中。钻杆最大扭转位移发生在轴头DMX=.283E-04m，属于微位移，整体受力对机体影响微小。由于轴头直接跟手动摇柄配合，轴头表面磨损严重，为提高刚度，加工时需对钻杆轴头表面进行喷丸或渗碳处理。
2.3 定位套筒受力分析与结构优化
（1）定位套筒稳定性检验。
开孔机割开管壁时钻杆受液压最大轴向力：
（2）套筒空腔受力分析。基础条件：套筒材料HT200（铸铁），弹性模量E=1.57×1011N/m2，泊松比?=0.23～0.27，套筒长度L=642mm，接头螺纹类型Tr 48 ×3，套筒空腔螺纹ZM60X2（GB1415），许用压力[σy] =118MPa，许用拉力[σL] =78MPa，空腔外径D1=Φ80mm，空腔内径D2=Φ56mm，套筒钻杆配合段内径dn=Φ32mm，套筒钻杆配合段外径（3）定位套筒平衡孔ANSYS应力应变分析。施加条件：管压σ1 =10.5MPa，截面平均拉伸载荷σp =24.5MPa，平衡孔半径 rk=7mm，定位套筒展开面长Ss=2πD2=351.68mm，宽Ls=35mm，建模单位制取：m。平衡孔等效节点应力分布，如图2.3所示。
平衡孔受横向应力σp作用有拉伸变形，变形释放部分载荷，致使应力等值线局部有所下降；受孔横向形变影响，平衡孔竖直方向微观组织挤压，应力集中明显，很可能成为电化学腐蚀的高危区，因此，在装配中要定期更换密封圈并对螺纹面进行防锈处理。
（4）定位套筒的ANSYS应力位移分析。鉴于定位套筒平衡孔在管压下局部有明显应力集中，为确保整机安全，需建立ANSYS模型进行有限元分析，并寻求关键点，对整机优化设计。选取套筒左端梯形螺纹面为约束面，对空腔内施加σp =10.5MPa载荷，建模单位制：mm。定位套筒综合应力分布，如图2.4所示。
模拟计算所得：最大位移DMX=2.875 mm，最小应力SMN=22.33KPa，最大应力SMX=157MPa
定位套筒空腔壁上平衡孔附近有明显应力集中，应力值约为52.4MPa，结构总体安全。梯形螺纹与套筒筒身结合处应力为122MPa<[6y] =147Mpa接近需用压应力，应在梯形螺纹和套筒身结合处将台阶面换成倒角过渡，提升局部强度。
3 结论
本文所研究的手动带压开孔机是参照T.D.Williamson公司的Т-101b型产品的实际使用环境而进行改进设计的。通过应用力学分析与强度校核等方法优化了开孔机结构参数，提高了整机的可靠性和经济性。应用有限元软件ANSYS模拟工况下开孔机的受力情况，观测其主体应力、应变，发现失稳状况并提出合理的整改意见，使手动带压开孔机能更好得满足实际开孔作业的需求。
参考文献
[1]韩忠晨，任增珺，王成明.输气管道的不停输开孔封堵修复[J].管道技术，2003，（5）：10-20.
[2]T.D.Williamson Inc.СВЕРЛИЛ ЬНЫЙ МЕХАНИЗМ Т-101b и
T101XL[M].TDW Публикация. № 00-3795-0253，1999，4（2）：20-23.
[3]陈恩平.切削力经验公式的实验研究[J].北京：燕山大学学报，2004，28（04）：16-25.
[4]吕英民，陈海亮.材料力学（II）[M].山东：石油大学出版社，1993（02）：18-36.
[5]吕英民，陈海亮.材料力学（I）[M].山东：石油大学出版社，1993，（2）：25-28.
[6]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，1996.5：144-150.
[7]张洪信，赵清海.ANSYS有限元分析完全自学手册[M].北京：机械工业出版社，2008，（3）：120-135.
作者简介
朱允龙（1983-），男，硕士学位。贵州省黎平县人。现为贵阳职业技术学院讲师。
蔡子多（1987-），男，贵州省金沙县人。大学本科学历。现为贵阳职业技术学院助教。
作者单位
贵阳职业技术学院贵阳市数控加工工程技术中心 贵州省贵阳市 550028endprint
