水下金刚石绳锯机张紧装置的研究

张惠

（浙江海洋学院 船舶与海洋工程学院，浙江 舟山 316100）

0 引言

金刚石绳锯机是一种常用的切割工具，其广泛应用于陆地和水下各种材料的切割加工，具有切割材料多样、切割形状复杂、切割效率较高的特点。随着海洋开发的深入，金刚石绳锯机的应用范围越来越广，除了用于拆除废弃核电站设施及维修海底构件以外［1］，还可用于切割海上石油平台导管架或桩基等水下大直径管道［2］。作为金刚石绳锯机的重要组成部分，张紧装置的工作可靠性要求较高，现有研究主要从张紧力检测和控制方面进行了探索［3-4］，以提高张紧力的准确控制，但无法解决已有张紧装置中零件磨损较大、使用寿命较短的关键问题，如此本文提出了一种新型的水下金刚石绳锯机的张紧装置。

1 现有张紧装置的分析

常用的金刚石绳锯机包括夹紧装置和切割机构，如图1所示。其中切割机构包括进给装置、张紧装置、驱动装置、导向装置及切割框架等［5］。夹紧机构主要用于夹紧需切割的管道或工件，张紧装置则用于调节串珠绳的张紧程度，以保证切割刀具顺利工作。根据张紧装置的工作原理可分为以下两种形式。

图1 金刚石绳锯机示意图［6］

1.1 机械方式

这种形式的张紧装置结构如图2所示。机械张紧装置由螺母、丝杠、张紧轮组件和丝杠锁紧部件组成，基座与张紧轮轴座滑动配合，丝杠位于张紧轮轴座内部，其一端穿出张紧轮轴座连接调整手柄，张紧轮通过键连接在螺母组件上，张紧轮轴座中设有张紧轮安装孔，以安装张紧轮。工作时，通过旋转调整手柄带动丝杠旋转，使张紧轮能够左右移动，以调节串珠绳的张紧程度。其工作过程为：1）逆时针旋转丝杠时，螺母沿导轨右侧移动，安装在螺母组件上的张紧轮也同时右移，当螺母移动丝杠最右侧时，为放松状态；2）将已经连接成环状的金刚石串珠绳套入主动轮、从动轮和张紧轮；3）顺时针旋转丝杠时，螺母沿导轨左侧移动，安装在螺母组件上的张紧轮同时左移，螺母到达丝杠合适位置，为张紧状态，张紧轮将环形金刚石串珠绳张紧；4）丝杠锁紧部件锁紧丝杠，固定张紧轮。

图2 机械张紧装置

这种张紧装置通过调节丝杠的位置实现张紧力的调整，结构简单实用，张紧安全可靠，但是张紧力的调节需要人工完成，速度较慢，同时会导致发热和因摩擦而能量损失。

1.2 液压方式

另外一种调节张紧力的方式是通过液压系统实现，如图3所示。图中张紧装置由张紧缸、锯弓底板、导轨、张紧轮架、张紧轮以及串珠绳组成。当张紧缸左侧的活塞杆向左边移动时，带动张紧轮架左边移动，从而使得张紧轮向左移动，张紧串珠绳。同理，当张紧缸左侧的活塞杆向右边移动时，张紧轮会同时右移，从而放松串珠 绳［7］。 这 种 张紧方式采用单向阀和压力控制装置，因此可保证张紧力稳定可靠，但结构较为复杂。

图3 液压张紧装置［8］

通过以上两种常用张紧装置的分析，可以发现机械张紧装置结构简单但磨损严重，液压张紧装置调节方便可靠但结构较复杂，综合以上两种方法的特点，本文提出一种磁力张紧装置以简单可靠调节张紧力。

2 磁力张紧装置的设计

该装置利用两对两级永久磁铁的相对旋转而形成吸引力和排斥力，产生张紧力，驱动张紧轮左右移动，使得张紧装置结构简单、调节迅速。

2.1 磁力张紧装置的结构

磁力张紧装置的结构如图4和图5所示，该张紧装置包括手柄、防转销、支座、驱动轴、固定盘、张紧轮轴、张紧轮以及支架等。张紧装置的驱动盘8安装在驱动轴7上，其端面开有环形凹槽，凹槽中装有第一环形永久磁铁9。驱动轴7通过轴承5支撑在左支座4内，其一端穿过左支座4与驱动盘8的中心孔用花键联接。与驱动盘8端面相对的右支座15的固定盘12端面开有环形凹槽，凹槽中装有第二环形永久磁铁11，两环形永久磁铁间的相互转动产生排斥力和吸力，使固定盘12相对驱动盘8作前后移动，从而带动右支座15相对左支座4前后移动，使张紧轮17能够左右移动，以调节串珠绳的张紧程度。

2.2 磁力张紧装置的工作原理

如图4和图5所示，支架19安装在金刚石绳锯机的框架上，左支座4通过锁紧螺栓20固定在支架19的燕尾槽上。左支座4中安装有驱动轴7，其支承在左支座4内的轴承5上，驱动轴7的一端装有手柄1和端盖3，手柄1上装有防转销2。驱动轴7的另一端装有驱动盘8，并用左挡圈10固定。右支座15安装在支架19的燕尾槽中，可在其中滑动。另外右支座15装有固定轴13，固定轴13一端与右支座15过盈配合，另一端与固定盘12过盈配合，固定盘12端面装有挡圈14。右支座15另一端装有张紧轮轴16，张紧轮轴16上装有张紧轮17，其端面用锁紧螺母18固定。

图4 张紧装置的原理示意图［9］

图5 张紧装置的主视图

当旋转手柄1时，通过花键带动驱动盘8旋转。当驱动盘8旋转时，装在环形凹槽中的两极永久磁铁9同时旋转，由于与其相对的右支座15的固定盘12上也装有两极永久磁铁11，因此，当两磁铁9、11极性相反时，会产生吸引力，当两磁铁9、11极性相同时，会产生排斥力，从而使得固定盘12带动右支座10在支架19的燕尾槽上移动，使张紧轮17能够左右移动，以调节串珠绳的张紧程度，最终实现金刚石绳锯机的张紧功能。由于固定轴13装有挡圈14，使得两磁铁9、11不会因磁力过大而结合在一起。

张紧力的粗调可通过调整左支座4和右支座15间的距离实现，张紧力的微调可通过旋转手柄1进行，当两磁铁极性9、11完全相同时，张紧力达到最大，当两磁铁9、11极性完全相反时，张紧力最小。张紧力调整结束后，可将防转销2插入到端盖3中，以防止驱动盘8转动使张紧力发生变化。

2.3 磁力张紧装置的特点

磁力张紧装置与传统张紧装置相比，由于张紧力是在非接触的状态下产生，永久磁铁间没有相互接触，因此，该结构无零件发热和磨损问题，极大地减小了振动和噪声。该机构因零件没有直接接触，因此无摩擦和硬性冲击产生，能量损失较少，零件具有较长的使用寿命，并且张紧力调节迅速，该设计方案已获得国家专利授权。

3 结论

水下金刚石绳锯机是一种广泛应用于海洋工程维修或拆卸的切割设备，可切割多种材料，具有成本低、可靠性高、切割效率高等优点。本文利用磁力工作原理设计了一种结构简单的水下金刚石绳锯机的张紧装置，该装置解决了当前水下金刚石绳锯机张紧装置普遍存在的结构复杂、磨损大、受力效果不好等问题，效果良好。后续还需通过仿真分析软件对磁力和张紧轮摩擦力进行力学特性分析，以确定最优设计参数。

［1］ 王海波，孟庆鑫，王喆.海洋废弃平台桩基拆除绳锯机的研发［J］.机械设计与制造，2010（10）：116-118.

［2］ 曹立文，张海兵，刘国华，等.单层输油管道切割试验［J］.工具技术，2010，44（7）：30-33.

［3］ 曹立文，丁海娟.金刚石串珠绳张力传感器和性能指标分析［J］.工业计量，2007，17（5）：18-21.

［4］ 曹立文，孟庆鑫，唐海涛，等.水下金刚石绳锯机张力检测系统［J］.传感器与微系统，2006，25（2）：67-68.

［5］ 孟庆鑫，曹立文，王立权，等.水下金刚石绳锯机切割技术的研究［J］.哈尔滨工程大学学报，2006，27（3）：429-433.

［6］ 王慧.水下金刚石绳锯机试验样机研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

［7］ 曹立文.水下金刚石绳锯机切割技术的研究与工程样机的研制［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006.

［8］ 张岚，孟庆鑫，王立权，等.水下金刚石绳锯机技术方案分析与设计［J］.机械设计，2005，22（8）：8-12.

［9］ 张惠.一种水下金刚石绳锯机的张紧装置：CN201220498210［P］.2012-09-27.