大口徑管道是大規模石油天然氣輸送的重要工具，大口徑輸送管道投入使用后，由于生產發展和用戶的增多，經常需要進行干線管道延伸或在干線管道上安裝新的分支管道。石油天然氣運輸管道的施工是最常見的，其特點是管道直徑大切割困難，切割后進行開坡口也是十分困難，這些問題為管道加工提出了挑戰。目前，國外對管道加工技術的研究已趨于成熟，其中，國外管加工設備較成熟的企業有美國的CRC公司、CCI公司，德國的VIETZ公司及加拿大的PR-LINE公司等，他們的產品已在荷蘭、澳大利亞等多個國家投入使用。美國的E.H.Wachs公司已經自主獨立研發出Concrete Pipe Cutting Mchin管切機已應用于工程實際中，并且正在向國內市場推廣。
      我國管道加工的研究大多集中在海底運輸和煤礦業，隨著海洋石油工業高速高效的發展，新開發的海上油氣田正在逐年增加，促使國內對海底油氣管道加工研究已有了一定的成果，已出現將開采石材的繩鋸機應用于海底石油管道切割，高壓水射流切割也已有廣泛的應用。野外的切割工作依然還是依靠氣體切割，但是氣體切割存在許多生產上的安全隱患，對開式鉆銑機(以下簡稱鉆銑機)可用于大口徑管道的切割和開坡口，其具有工作安全穩定和操作簡單的特點。本研究對鉆銑機進行運動仿真和有限元強度分析，從而得到必要的理論參數，為機構的設計和優化提供參考。
      鉆銑機由動力元件、傳動元件和執行元件組成，動力元件為兩個擺線式液壓馬達，傳動元件為鉆銑機定支架和動支架，執行元件為分析的鉆銑頭。鉆銑機通過定支架上的支腿固定于欲加工的管道上，定支架上的支腿可以進行伸縮調節以便對不同直徑的管道進行鉆銑加工。動支架通過滾子和螺栓與定支架連接，工作時定支架固定于管道上，動支架由安裝在定支架主驅動箱體上的液壓馬達驅動實現轉動。鉆銑頭安裝在動支架上，在動支架轉動的同時鉆銑頭進行銑削加工，實現圓周進給運動，鉆銑頭的徑向進給運動由人工完成。
      本研究主要對鉆銑頭進行分析，為了說明鉆銑頭的工作原理，使用三維軟件Pro/E建立鉆銑頭的幾何結構模型，如圖所示。鉆銑機工作時需要先安裝好定支架和動支架，然后將鉆銑頭安裝到動支架上。工作前將液壓馬達通過鍵連接安裝到主軸后端為鉆銑頭提供動力，將銑刀頭通過錐柄安裝到主軸前端實現動力的輸出。螺桿和螺母配合使箱體部分沿導軌移動，為鉆銑頭提供徑向進給力。Pro/MECHANICAM運動分析模塊能夠創建機構運動模型，并能進行機構優化設計，還可以分析機構的運動和力，比如檢驗機構的運動是否正確，仿真機構運動，檢測機構中各個組元的位移、速度和加速度及檢驗機構運動過程中各個裝配件是否干涉。
      對鉆銑頭模型進行運動仿真，仿真結果表明：鉆銑頭零件之間無干涉產生，同時也說明鉆銑頭的結構設計是合理的。Pro/E軟件運動仿真結果驗證了結構的合理性，使用Pro/E軟件把欲進行有限元分析的模型轉化為IDES格式，通過Pro/E和ANSYS軟件的無縫接口技術，將模型導入ANSYS軟件進行有限元分析。
      鉆銑頭的有限元分析包括：主軸、箱體和導軌等，它們都是鉆銑頭工作時的重要部件，在工作時起著重要的作用，對這些機構進行有限元分析可為結構設計提供參考依據。鉆銑頭主軸模型導入ANSYS軟件后，對模型進行修改和簡化，以便于網格的劃分和分析計算。主軸內部的尖角進行處理，把不必要的尖角刪除，得到ANSYS模型，如圖所示。鉆銑頭主軸為實體模型，幾何模型較為復雜，故劃分有限元模型的單元類型選用三維實體單元Solidl85。此單元由8節點組合而成，每個節點有3個沿x、y、二方向平移的自由度，單元具有超彈性、應力鋼化、蠕變、大變形和大應變能力。對于主軸進行自動網格劃分Smartsize=6，劃分方法為mesh=volumes，shape=tetandfree，進行自動劃分后在對模型進行網格細化，最終得到有限元模型如圖。鉆銑頭的主軸部分主要采用45鋼材料加工而成，45鋼的材料屬性見表。

                                                                                  專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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