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1、 编号 毕业设计题 目带压开孔机进给齿轮箱设计学生姓名学 号学 院机电学院专 业机械工程及自动化班 级指导教师二一年六月带压开孔机进给齿轮箱设计摘 要大口径油气管线不停输带压封堵是当前世界管道运输行业共同面对的重大工程技术课题。管道开孔机作为管道封堵作业中重要的设备按作业管线是否存在压强分为带压开孔机和非带压开孔机两类，带压开孔机按驱动方式又可分为带压手动开孔机，带压液动开孔机和带压电动开孔机三类。本文阐述了管道开孔机工作原理及工艺过程，规划管道开孔机的总体设计方案，进行管道开孔机进给齿轮箱结构设计，包括变速机构及差动显示机构设计，进行必要的计算校核。运用Solidworks软件，对开孔机进给
2、齿轮箱进行建模，装配。绘制装配图，零部件图。最后对管道开孔机应用进行了总结与展望。关键词：管道开孔机，带压，计算校核，SolidworksTapping Machine feed gear box designAbstractConstant input of large diameter oil and gas pipelines with a pressure closure is currently the worlds pipeline industry face significant engineering and technical issues.Pipe Tapping Mac
3、hine operation as an important pipeline sealing device according to the existence of pressure pipeline operations are divided into hot tap machine and two non-Tapping Machine, Tapping Machine can be classified according to driving mode with pressureManual Tapping Machine, Hydraulic Tapping Machine P
4、ressure and Pressure Electric Tapping Machine categories. In this paper, perforated pipe work principle and process, planning pipeline opening machine design program, for the feed pipe opening machine gear box structure design, including speed change mechanism and the differential display mechanism
5、design, the calculation of the necessary schoolnuclear. The use of CAD software, drawing into a gear box drive system diagram, assembly drawing and parts mechanical drawing. Finally, the application of pipe opening machine, the future research.Key Words：Tapping Machine，Pressure，Check calculation，Sol
6、idworks目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论- 1 -1.1引言- 1 -1.2 章节安排- 2 -第二章 带压开孔机简介与应用- 3 -2.1 用途- 3 -2.2 特点- 3 -2.3 工作原理- 3 -2.4 配套设备- 3 -2.5 操作规程- 4 -2.6 本章小结- 6 -第三章 传动校核- 7 -3.1 传动方案的拟定及说明：- 7 -3.1.1 传动方案的分析：- 7 -3.1.2传动链的传动路线- 7 -3.2 液压站- 7 -3.3 传动件的设计计算- 8 -3.3.1轴的强度校核- 8 -3.3.2齿轮强度校核- 12 -3.4 设计小结- 16 -第四
7、章 SOLIDOWRKS建模及绘制工程图- 17 -4.1 Solidworks软件简介- 17 -4.2 Solidworks软件特点- 18 -4.3建模部分- 18 -第五章 总结与展望- 23 -5.1 总结- 23 -5.2 展望- 23 -参考文献- 24 -致 谢- 25 -第一章 绪 论1.1引言管道开孔机作为管道封堵作业中重要的设备按作业管线是否存在压强分为带压开孔机和非带压开孔机两类，带压开孔机按驱动方式又可分为带压手动开孔机，带压液动开孔机和带压电动开孔机三类。在管线不停止输送介质、不降低压力，保证管线的正常运行的情况下，对管线进行维修、抢修、加接旁路、更换或加设阀门、更
8、换管段、和管线局部改道和处理管线内部故障等。改变了传统的停输、降压、放散、动用明火的作业方式，减少了经济损失和对环境的不良影响，并可避开夜间作业，减少了人力、物力的投入，提高工效、降低劳动强度和消耗，避免作业风险，提高安全性。管路不停输开孔、封堵系列设备是由主机和辅机二种系列组成，其中主机系列是由开孔机、封堵器、液压站和下堵塞器四种不同作用、不同型号和规格的设备互相对应配套组成；辅机是由连箱系列（旁通开孔连箱、封堵开孔连箱、封堵连箱、下堵连箱）、开孔刀系列（旁通开孔刀、封堵开孔刀）、夹板阀系列、封堵筒系列与相对应的管径组成，它是根据不同的作业方式（开旁通孔或封堵孔）和作业管径而匹配不同的主辅机
9、。大口径油气管线不停输带压封堵是当前世界管道运输行业共同面临的重大工程技术课题。目前，随着我国新建管线规模的迅速增长、管线压力、口径的不断增大，亟需在大口径管线带压开孔封堵领域提高自身技术创新能力，打破国际技术垄断，研制适合我国国情和工程需要的技术设备。西气东输，西气东输工程是将新疆塔里木盆地的天然气，通过长输管道输送到上海及长江三角洲等东部地区的系统工程，包括上游气田开发、输气管道建设和下游天然气利用项目的建设。西气东输管道起于新疆塔里木气田，途径新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏、浙江、上海10个省区市66个县，干线全长4000公里。所经地区地形复杂多样，包括戈壁、沙漠、高原、
10、山区、平原、水网以及大江、大河等。管线年设计输气量120亿立方米，管径1016毫米，管材钢级X70，输送压力为10兆帕。由此可见，管道带压开孔机将在整个工程中起着不可忽视的作用。1.2 章节安排第一章绪论，介绍了管道开孔机的一些概念，以及我国管道开孔机的现状。并且介绍了管道开孔机在西气东输中的作用。第二章开孔机简介，主要内容是开孔机用途、特点、适用范围，以及工作原理，工作步骤。第三章带压开孔机进给齿轮箱设计，主要内容有传动设计，校核，以及Solidworks三维建模，生成工程图等。第四章总结和展望。第二章 带压开孔机简介与应用2.1 用途 管道不停输带压开孔、封堵技术适用于石油、石化输送管道、
11、城市燃气输配管线管网和供水、供热管道的开孔封堵施工作业。在保证管道正常运行情况下，对管道进行加接旁路、更换或加接阀门、更换管段等施工作业，避免因施工作业而停输所造成的经济损失和对社会生产生活所造成的不良影响，消除了传统带压作业的安全隐患。2.2 特点 管道不停输带压开孔、封堵技术解决了管道在线施工中存在的停输、降压、放散、动用明火等传统的作业方式，避免作业风险，提高安全性，使维修既迅速又经济可靠。2.3 工作原理 本机由外力通过方头直接驱动钻杆进行工作，采用机壳上的螺纹与花纹套经手动调节作进刀，在机壳上带有刻度，开孔时直接指示工作进尺。机器下部装有轴封填料，使机器在带压工作的情况下不致渗漏。机
12、器上部的螺母压盖与主轴之间有一销孔，当销子插入后，可使钻杆与螺母套连成一体，实现快速进、退，以便于安装和提取法兰堵塞中的堵头2.4 配套设备(1)开孔刀开孔刀是用来对金属管道直接开孔的刀具。（2）连箱对每种开孔规格直径均应配置相应规格的连箱，以便连接开孔机与夹板阀；同时为开孔刀具提供一个存放空间。（3）法兰堵塞是给开孔机在所开孔的管路上提供的一个基座，开孔时必须选用一个与开孔直径相适应的法兰堵塞。在封堵作业完成后，用堵头封住以便取下夹板阀。（4）夹板阀夹板阀连接连箱与法兰堵塞，在开孔及更换刀具与进行封堵作业时起隔断压力介质的作用。2.5 操作规程(1).在将要维修或更新管段两端,分别带压焊接管
13、件和作平衡压力孔的法兰堵塞。图2.5.1 (2).在焊好的管件和法兰堵塞上,安装夹板阀和连箱以及开孔机,分别进行断管开孔和平衡开孔图2.5.2(3).卸下开孔机,安装封堵连箱和封堵器连接临时旁通,连接压力平衡管, 操纵管段两端封堵器,将膨胀筒实行封堵。再清管,断管。图2.5.3（4）.恢复管段,作压力平衡,收回膨胀筒，关闭夹板阀,撤除平衡管和临时旁通,撤除封堵器,安装堵塞。撤除夹板阀，在管件和法兰堵塞上分别加盖盲板，作业结束。 图2.5.4 2.6 本章小结带压不停输开孔装置是在不停产情况下进行开孔接点,适用于除氧气以外的任何介质以及不同直径的各类管道。开孔机在开孔过程中是在完全封闭的空腔内进
14、行的,刀具切削过程与空气隔绝,无着火、爆炸的可能性。由于封闭开孔、无泄漏,有毒有害介质不能排放到大气中,因此对环境无污染。油气田油气工艺系统、化工装置系统、供水系统等若能实现不停产工况下的工艺流程改线、分接、旁通,将解决生产运行中存在的停产、置换、试压等诸多问题。不停输带压开孔技术由此产生并逐渐被广泛应用。 第三章 传动校核3.1 传动方案的拟定及说明：3.1.1 传动方案的分析： 在分析传动方案时应注意的常用机械传动的特点及在布局上的要求： （1）带传动平稳性好，能缓冲吸震，但承载能力小，宜布置在高速级； （2）链传动平稳性差，且有冲击、振动，宜布置在低速级； （3）蜗杆传动放在高速级时涡轮
15、材料应选择锡青铜，否则可选择吕铁青铜； （4）开始齿轮传动的润滑条件差，磨损严重，宜布置在低速级； （5）锥齿轮、斜齿轮宜放在高速级。3.1.2传动链的传动路线 主轴齿轮29锥齿轮32（差速计数机构） 进给马达()(径给杠) 进给马达()（进给丝杠）（离合器左移） 径给丝杠()形成差速3.2 液压站 由于作业的特殊性，开孔机一般使用防爆电机。YYZ型液压站就是专供开孔机提供动力源的设备。下表简要介绍液压站的技术参数。防爆电机型号电动机功率、转速电流电压和频率最高工作压力最大输出流量油箱容量YYZ150YB112M-4N=4KW1430r/min380V50HZ12.5Mpa0-10L/min1
16、00LYYZ300YB160M-4N=11KW1460r/min380V50HZ15Mpa63L/min300LYYZ500YB180M-4WN=18.5KW1470r/min380V50HZ21MPa90L/min350L表3.23.3 传动件的设计计算传动轴除应满足强度要求之外，还应满足刚度要求，强度要求保证轴在反复载荷和扭载荷作用下不发生疲劳强度破坏。主传动系统精度要求较高，不允许有较大变形。因此疲劳强度一般不失为主矛盾。刚度要求保证轴在载荷下不至发生过大的变形。因此必须保证传动轴有足够的刚度。3.3.1轴的强度校核轴径调用公式其中：P电动机额定功率 K键槽系数 A系数 从电机到该传动轴
17、之间传动件的传动效率的乘积 该传动轴的计算转速计算转速是传动件能传递全部功率的最低转速。各传动件的计算转速可以从转速图上，按主轴的计算转速和相应的传动关系确定。查机械制造装备设计表3-8取K=1.05，A=100。轴的校核1画轴的受力简图、弯矩图、扭矩图、当量弯矩图。(1)画轴的受力简图水平面 160Ft240 垂直面Fr(2)求作用于轴上的力水平面垂直平面齿轮13轴承反 力（3）画弯矩图水平垂直合成水平垂直合成截面I（4）画扭矩图扭矩扭矩（5）画当量弯矩图当量弯矩当量弯矩为180482按弯扭合成强度条件计算轴的强度计算内容及公式计算结果截面当量弯矩18048轴径(mm)128当量弯曲应力（M
18、Pa）轴的许用弯曲应力（MPa）100结论 安全3.3.2齿轮强度校核主轴和进给马达轴上直齿圆柱齿轮传动表3.3.2 齿轮强度校核计算公式或说明结果1选择齿轮齿数、材料、热处理及精度等级小齿轮 45钢调质，齿面平均硬度取260HBS大齿轮 45钢正火，齿面平均硬度取200HBS小齿轮 260HBS大齿轮 200HBS2参数选择小齿轮齿数 大齿轮齿数 齿数比 由表5-13取齿宽系数(非对称布置)3计算小齿轮转矩4确定载荷系数(1) 使用系数由已知条件查表5-11，取=1.25(2) 动载系数 由 查图5-10（a），取=1(3) 齿向载荷分布系数 由及已知条件查图5-13，取=1.08(4) 齿
19、间载荷分配系数 由式(5-9) 查图5-15，取=1.22(5) 载荷系数 =1.25=1=1.08=1.22=1.647接触疲劳强度校核(1) 接触应力(2) 弹性系数，由表5-12 (3) 节点区域系数，由图5-18 (4) 重合度系数 (5) 由上得(6) 许用接触应力 由图5-24，取寿命系数 由图5-23，取接触疲劳极限 参照表5-15，取安全系数 安全齿根弯曲疲劳强度校核小齿：(1) 强度条件：(2) 齿形系数 由图8-3-15(a)，取(3) 重合度系数 ()(4) 螺旋角系数 由图8-3-14(a)查取 许用应力(5) 极限应力(6) 寿命系数 由图8-3-18查取 (7) 尺
20、寸系数 由图8-3-24查取 (8) 齿根圆角敏感系数 由图8-3-25查取 (9) 安全系数 由表8-3-25查取 则：满足大齿： 同小齿查表和计算 满足（以上所查图表均来自机械设计实用手册）安全安全3.4 设计小结设计中严格按照机械设计手册过程步骤，参照表格图纸选定参数，校核了部分轴与齿轮的强度，使其满足设定要求。第四章 Solidowrks建模及绘制工程图4.1 Solidworks软件简介SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内，当初所赋予的任务是希望在每一个工
21、程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。从1995年推出第一套solidWorks三维机械设计软件至今，它已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七
22、项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将SolidWorks全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录
23、。并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司，SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。在教育市场上，每
24、年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。据世界上著名的人才网站检索，与其它3D CAD系统相比，与SolidWorks相关的招聘广告比其它软件的总合还要多，这比较客观地说明了越来越多的工程师使用SolidWorks，越来越多的企业雇佣SolidWorks人才。据统计，全世界用户每年使用SolidWorks的时间已达5500万小时。在美国，包括麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如清华大学、北京航空航天大学、北京理工大学、上海教育局等也在应用SolidWork
25、s进行教学。相信在未来的58年内，SolidWorks将会成为与当今AutoCAD一样，成为3D普及型主流软件乃至于CAD的行业标准。4.2 Solidworks软件特点Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。4.3建模部分用图片形式给出Solidworks建
26、出的模型及装配，如下：图4.3.1 直齿齿轮图4.3.2斜齿轮图4.3.3 长齿轮轴图4.3.4 轴承图4.3.5 连轴齿轮轴图4.3.6 斜齿轮装配图4.3.7 差速计数机构图4.3.8 整体装配图Solidworks装配体自动生成工程图，零件图。图4.3.9 装配图4.4 设计小结 SolidWorks 提供了无与伦比的、基于特征的实体建模功能。通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。通过对特征和草图的动态修改，用拖拽的方式实现实时的设计修改。学会使用SolidWorks为本次设计最大的收获。第五章 总结与展望随着管道封堵设备的更新换代，安全生产对管道带
27、压开孔作业的要求越来越严格，设备的小型化，自动化，安全系数高是未来管道带压开孔设备的发展方向。5.1 总结本次毕业设计大体上完成了带压开孔机进给齿轮箱设计，但其中还有很多的缺陷。在与完整带压开孔机相比，我的完成量还是很有限的。不过，我从中收到的成果是非常巨大。让我熟练的掌握了SolidWorks软件的使用方法，能够应用其大部分的功能。同时，也知道团队合作的一些要注意的问题：例如要经常交流等。总之，此次毕设是我成长之路上一堂深刻而又有意义课程。5.2 展望大口径油气管线不停输带压封堵是当前世界管道运输行业共同面临的重大工程技术课题。目前，随着我国新建管线规模的迅速增长、管线压力、口径的不断增大，
28、亟需在大口径管线带压开孔封堵领域提高自身技术创新能力，打破国际技术垄断，研制适合我国国情和工程需要的技术设备，这将在西气东输过程中起着重要的作用。参考文献1李国兴，张玖山.大口径输油(气)管道用新型液压开孔机J.石油机械，2006年第34卷第6期2赵兵杰，赵宏林，张 宏，丁庆新，喻开安，陈应华.全自动海底油气管道开孔机的设计J.石油矿场机械,2009年第38卷第7期第34页3李伟伟.燃气管道FL90不停输带压开孔机的改造和使用J.淮北职业技术学院学报，2003.94左健民等 液压与气压传动M. 北京：机械工业出版社，2005.75黄平主等.常用机械零件及机构图册M. 北京：化学工业出版社，2002.106成大先等.机械设计手册M.第四版，北京：化学工业出版社，2002致 谢值此论文完成之际，谨向我的导师表示深深的敬意和诚挚的感谢。在近三个月的学习生活过程中，导师渊博的知识、儒雅风趣的品格、严谨的治学态度、兢兢业业的工作作风和将科研与工程实际应用相结合的工作方法令我十分敬佩。他对我的谆谆教诲和富有哲理的启迪将使我终生受益。 此外，还由衷感谢老师在课题的研究中给予的帮助，使我快速的熟悉solidworks和cad的基本操作。使得我在分析问题时能更好地拓宽自己的思路。在此，对他表示衷心的感谢和诚挚的敬意!最后，谨向所有曾经关心，帮助过我的老师、同学和朋友们表示衷心的感谢。
