隔水管横焊缝自动对中装置

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1、隔水管横焊缝自动对中装置底座的设计专业：机械设计制造及其自动化姓名：陈浩 指导老师：刘安民匡建新摘要 随着科学技术的发展，自动化技术的运用越来越广泛，巳经渗入生产生活的大部分过程。快速接头隔水管系列产品，是南海西部石油合众近海建设公司为海洋石油田打井作业配套的专用产品。分析了该公 司新型产品(包括大SR-30、SR-24、SR-20、大SR-16、SR-13 3/8系列)的生产工艺、处理过程及生产效率后，设计 出一套以V型装置为主包括导轨、驱动轮、链传动、减速器、电动机、联轴器、轴、轴承、键、弹性挡圈及滚动轮等 零部件的装置，并完成相关选材及相应的力学校核，用以实现两根需要正对焊接的隔水管自动

2、对中，并在对中点焊后同 步转动以完成进一步的焊接。关键词隔水管;自动对中;V型装置。Abstract Along with the science and technology development, the automated technology utilization is more and more widespread, already permeated the production life the majority of processes.The fast attachment marine riser series product, is United offshore

3、construction Co. CONHW to hit the well work necessary special-purpose product for the sea oil field. Has analyzed this company new product (after *SR-30, SR-24, SR-20, *SR-16, the SR-13 3/8 series) the production craft, the treating processes and the production efficiency, design a set primarily to

4、include the guide rail, the driving gear, the chain drive, the reduction gear, the electric motor, the shaft coupling, the axis, the bearing, the key, the circlip by V installment and roll spare part and so on drive wheel installments,And completes the correlation selection and the corresponding mec

5、hanics examination, with realizes two to need the butt weld the marine riser automatically to, and in the synchro completes the further welding after the spot welding.Key words Water-secluding pipe; auto to zero; “V” model equipment.目录摘要1Abstract1目录2、八、e刖言3第一章总体方案的设计41.1设计任务41.2方案的选定51.3基本工作原理51.4驱动

6、轮装置的简要说明6第二章机械部分的设计62.1V型块的模型设计62.2导轨的设计72.2.1导轨的选用72.2.2导轨的选材及计算72.2.3导轨的校核82.3驱动轮装置的设计92.3.1计算驱动轮所需的扭矩92.3.2驱动轮的校核122.4链传动的设计122.4.1链轮齿数z1、z2和传动比i122.4.2确定计算功率错误！未定义书签。2.4. 3链节距错误！未定义书签。2.4.4中心距和链节数错误！未定义书签。2.4. 5小链轮毂孔最大直径dkmax错误！未定义书签。2.4.6压轴力Q错误！未定义书签。2.4.7链传动设计结果错误！未定义书签。2.5减速器的选用错误！未定义书签。2.5.1

7、减速器的机构特点错误！未定义书签。2.5.2普通圆柱蜗杆传动设计报告错误！未定义书签。2.6电动机的选用错误！未定义书签。2.7联轴器的选用错误！未定义书签。2.8 轴的设计错误！未定义书签。2.9轴承的选用错误！未定义书签。2.10键的选用错误！未定义书签。2.11轴用弹性挡圈的选用错误！未定义书签。2.12 滚动轮的设计132.13 滚轮支承上盖的设计13第三章结论14谢词15参考文献：16前言隔水管系统也称做水下器具。它是移动式海上钻井装置不可缺少的复杂的器具，它的完善与否直接 关系到深海钻井的成败。应该认为，从海上钻井装置到下列海底井口的全部隔水导管件统称为隔水管系统。通常的隔水管系

8、统的部件有活节联接器、球节、伸缩节、张力器、分流器、运动补偿器、水下防喷设备、水下井口设 备、水下井口设备、挠性隔水管和防喷器连接器等。隔水管系统的功用主要是提供从海底井口到海上钻井装置上的泥浆循环和起下钻具的通道，并能适 应海上钻井装置在钻井作业时的升沉和摇摆；控制海底井口；解决压井与放喷的通道和控制问题，消 除钻井作业时，由于海上钻井装置的升沉而造成的不良影响；消除升沉对下入井内工作仪器的影响； 可另加专门装置进行试油等。一般在深海水域进行钻井作业的动力定位钻井船，应采用无导向线的隔水管系统，靠动力定位系统 完成重返或重连作业。海上钻井装置的隔水管柱是由每根50英尺长的管子连接组成的，每根

9、管子的两端都有特制的接 箍。在钻完一口井后，钻井装置移离井位前，可将隔水管系统提升拆卸堆放在快速接头隔水管系列产品，是南海石油合众近海建设公司(UNITED OFFSHORE CONSTRUCTION CO. CONHW)特有的为海洋石油管道输送配套的专用产品，多年来经过不断的开发和改进，已拥有完整配 套的技术图纸、先进的生产技术、工艺流程和加工制造装备，与之相应的业务熟练的工程技术队伍和 技术工人队伍。新型快速接头系列产品有：大SR-30、SR-24、SR-20、大SR-16、SR-13 3/8系列产 品。本设计的目的是将快速接头隔水管系列产品的生产设备改进以实现自动化控制，提高生产效率，提

10、 升产品质量、降低工人的劳动强度并最终实现增长经济效益。设计的主要要求有，设计出一套针对大SR-30、SR-24、SR-20、大SR-16、SR-13 3/8系列产品制 造中，对卷制成管状的板材的内横及外横焊缝进行自动对中、自动焊接的装置。要求能实现管的自动 对中、焊接位置的自动导向、自动找正、定位夹紧、点焊、纵向自动行走，行走速度在0.1 3m/min 之间，可以自动调节，动力为普通三相交流电动机，控制方式为随车控制形式，要求结构实用、重量 轻、调节操作方便、价格合理。本人负责的部分是：实现隔水管的自动对中。本设计的主要内容：1、自动对中装置总体方案的确定。2、自动对中装置机架结构的设计。3

11、、自动对中装置传动系统的设计。1、总体方案的设计1.1设计任务设计一个装置，使两根长各5.5m的隔水管自动对中，并且使两管的对中精度达到：两管的轴线同 轴偏差3mm。对中点焊后隔水管要实现转动，以便对两管进一步焊接。表1.1 SR-XX系列快速自锁隔水套管主要技术参数：SR-30SR-26SR-24SR-20管体材料Q235Q345Q345Q345外径mmC762C 660.4C610C510内径mmC712C610C560C460壁厚mm25252525单位长度质量kg/m454392361.2298.9抗拉屈服能力MN1316.3514.9312.3抗弯屈服能力MN-m2.32.52.11

12、.43内屈服压力MPa13.322.1523.9828.2抗挤压强度MPa8.813.6617.5830.28接头母接头外径mmC864C746C690C582公接头外径mmC712C610C555C460公母接头联接后长度mm443387382370公母接头总质量kg452338.5297.8220母接头抗张屈服能力MN11.216.5514.210.3公接头抗弯屈服能力 MN-m2.65.532.981.83公接头内屈服压力MPa15.732.9535.7135.89引鞋外径mmC788C 686.4C636C536插入钻杆配合直径mmC 101.6(4)C 101.6(4)C 101.6

13、(4)C 101.6(4)导向阀通道面积mm24536.5(7.03in2)4536.5(7.03in2)4536.5(7.03in2)4536.5(7.03in2)试验压力MPa1.51.51.51.51.2方案的选定使两根隔水管自动对中的方法有很多，经过了对具体方案的工作原理及可行性的分析，本人决定采 用V型装置，其大概形状如（图2.2）所示。图2.2 V型装置1、滚轮 2、V型块 3、导轨1.3基本工作原理如图2-3-1所示，该装置由1、11两组V型块组成。I组可以沿V型块下边的导轨直线移动；II组 固定，V型块下边有导轨，但是V型块与导轨相对固定不动。II组1、滚动轮2、电动机3、减速

14、器4、驱动轮图2.3.1 V型底座I、II两组V型块均有8个滚轮和一个置于中间的驱动轮。两根隔水管被自动机械分别置于 两组V型块上后，自动控制系统启动动力系统带动I组V型块上的隔水管通过I组V型块顺着导轨直 线运动以实现与I组V型块上的隔水管精确对接；当两隔水管对接完成后自动系统控制焊接机械手完 成两管的点焊，实现两管的同速转动并最终由机械手完成两根隔水管的自动焊接。1.4驱动轮装置的简要说明如图1.3.2所示，动力的传递顺序是：电动机一减速器一链轮一滚轮一隔水管。电动机将电能转化成机械能，并通过联轴器将动力传至减速器；减速器降低轴的转速输出反比增大 的扭距，带动链轮转动；链轮通过传动链带动滚

15、轮，滚轮利用静摩擦力驱动隔水管转动。图1.4铰链机构如图1.4是驱动轮的安装图，大轴（上边）装滚轮与链轮，小轴装链轮，两边装有圆锥滚子滚动轴 承，运动由减速器接入小轴，再经过链传动传到滚轮。2机械部分的设计2.1 V型块的模型设计参照V型底座的零件图。a、V型块的加工方法：铸造成型b、V型块的材料：铸钢c、V型块的加工要求:对安装滚轮的部分和下底面进行精加工，加工方法由厂家自己决定，使这两 部分的平面度达到IT7级，粗糙度也达到IT7级。在加工装滚轮凹槽时要使4个凹槽的位置度达到 IT7级，所有螺纹孔及销孔的位置度也要达到IT7级。2.2导轨的设计2.2.1导轨的选用由工作要求承载能力较大并能

16、够自动补偿磨损，因此选用平面三角复合型滑动导轨，参照机械设 计手册第三卷，表28-112。其形状见图2.2.1。1000图2.2.1 V型底座尺寸见表 28.3.5，取 A= 1000 mm，B = 200 mm， a=120。2.2.2导轨的选材及计算a、导轨的材料：帆钛耐磨铸铁。（因为帆钛耐磨铸铁具有耐磨损和相对强度较高的优点）b、表面热处理：在热处理中要预防如下问题：（一）、过热现象我们知道热处理过程中加热过热最易导致奥氏体晶粒的粗大，使零件的机械性能下降。1.一般过热：加热温度过高或在高温下保温时间过长，引起奥氏体晶粒粗化称为过热。粗大的奥氏 体晶粒会导致钢的强韧性降低，脆性转变温度升

17、高，增加淬火时的变形开裂倾向。而导致过热的原因 是炉温仪表失控或混料（常为不懂工艺发生的）。过热组织可经退火、正火或多次高温回火后，在正 常情况下重新奥氏化使晶粒细化。2. 断口遗传：有过热组织的钢材，重新加热淬火后，虽能使奥氏体晶粒细化，但有时仍出现粗大颗 粒状断口。产生断口遗传的理论争议较多，一般认为曾因加热温度过高而使MnS之类的杂物溶入奥氏 体并富集于晶界，而冷却时这些夹杂物又会沿晶界析出，受冲击时易沿粗大奥氏体晶界断裂。3. 粗大组织的遗传：有粗大马氏体、贝氏体、魏氏体组织的钢件重新奥氏化时，以慢速加热到常规的 淬火温度，甚至再低一些，其奥氏体晶粒仍然是粗大的，这种现象称为组织遗传性

18、。要消除粗大组织 的遗传性，可采用中间退火或多次高温回火处理。（二）、过烧现象加热温度过高，不仅引起奥氏体晶粒粗大，而且晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化，称为 过烧。钢过烧后性能严重恶化，淬火时形成龟裂。过烧组织无法恢复，只能报废。因此在工作中要避 免过烧的发生。（三）、脱碳和氧化钢在加热时，表层的碳与介质（或气氛）中的氧、氢、二氧化碳及水蒸气等发生反应，降低了表层 碳浓度称为脱碳，脱碳钢淬火后表面硬度、疲劳强度及耐磨性降低，而且表面形成残余拉应力易形成 表面网状裂纹。加热时，钢表层的铁及合金与元素或介质（或气氛）中的氧、二氧化碳、水蒸气等发生反应生成 氧化物膜的现象称为氧化。高温（一般5

19、70度以上）工件氧化后尺寸精度和表面光亮度恶化，具有氧 化膜的淬透性差的钢件易出现淬火软点。为了防止氧化和减少脱碳的措施有：工件表面涂料，用不锈钢箔包装密封加热、采用盐浴炉加热、 采用保护气氛加热（如净化后的惰性气体、控制炉内碳势）、火焰燃烧炉（使炉气呈还原性）（四）、氢脆现象高强度钢在富氢气氛中加热时出现塑性和韧性降低的现象称为氢脆。出现氢脆的工件通过除氢处理 如回火、时效等）也能消除氢脆，采用真空、低氢气氛或惰性气氛加热可避免氢脆。因此在其粗加工后进行一次时效淬火处理，采用电接触加热的表面淬火的方法，最后对导轨进行磨 削，使其表面的粗糙度达到预定的要求，取其值为0.8。c、硬度匹配：为了减

20、少导轨的磨损以保证导轨的寿命，加工结果应保证导轨上与V型块接触的部 分与V型块的硬度不同，此取为100HBS，2.2.3导轨的校核查表可得铸铁的许用压强为1 MPa，已知导轨的外形如上图所示，算的导轨的体积约等于0.6M 3，钢的密度：p= 7.8 x 103kg/m3得：m导轨=0.6 x 7.8 = 4.6 x 103 kg，又：由表2.1可知5.5m隔水管最大的质量（SR-30）是m = 5.5 x 454 = 2497kgm总-m导轨+ m = 4.6 + 2.5 = 7t，考虑一安全因子，取导轨共承重8 t，G = 8000 x 10 = 80000 N则滑座每侧的承重为G = 20

21、000N对三角形导轨设垂直斜向力为F,如图3.2.2所示，图2.2.2受力分析图则有2Fcos30=200001000020000F =cos30、3F1500 N则左侧导轨承受的压强为2P =班 05 x104 = 0.2 MPa 1 MPa依图2.2.1易知导轨右边承受的压强小于左边。故此导轨符合要求。2.3驱动轮装置的设计2.3.1计算驱动轮所需的扭矩如图2.3.1,所示。图2.3.1滚轮受力图1、每组V型装置共有8个支承滚轮（若加上驱动轮则为9个），每个轮上的支承反力应为（”2/2G）/4 （按照8个支承点算），即F =、互G总每根管的质量约为：M=2.5t=2500kg即G = 25

22、00 x 9.8 = 24500 N则.,.2F = x 24500 牝 4331N8考虑到管的外圆柱面的制造误差，有可能8个支承点存在某些支承点与管子不接触，故F应该乘以一个安全系数S,取S=1.5,则FS = 4331 x 1.5 = 6496 N2、计算使管子转动所需的扭矩机械传动部分的总传动比i = 50所用电动机的转速为 n = 750rmin滚轮的运动参数 = 750/50 r min =15 r minR = 90 mm3、管子的运动参数(按最大管计算)R 2 = 381 mm15 x 90381n 3.54rmin4、管的线速度mm sV 涂 R 二 R = M = 22.52

23、221160此速度即是管子自动焊接的速度，经过分析，此速度基本符合焊接的要求。5、计算滚轮使管子转动所需的扭矩T计算在1s内使管子的转动的线速度达到V 2 = 22.5 x10-3 mis由本设计可知，t=1sm = 2500kgV 0 = 0要求出滚轮使管子转动所需的扭矩T,可以采用动量矩定理:dM0(mv) = M t)dt0由动量矩定理可得：T x t = mV 2 R2 - mV 0 A?T x t = mV RmV RT =2_2JL z; =t_ 2500 x 22.5 x10-3 x 381 x10-31= 21.5 N m即滚轮使管子转动所需的扭矩T = 21.5 N m。2.

24、3.2驱动轮的校核查“机械设计手册软件版R2.0”，可知 钢-钢的摩擦系数为H= 0.15则最大静摩擦力F= 0.15 x 孕 x 2500 x 9.8 2599N相应最大摩擦力矩T = F x R = 2599 x 381x10-3 牝 990 N m而T = 21.5 N m Tf故滚轮与管子不会产生相对滑动的现象。所以T符合设计的要求。2.4链传动的设计链传动是应用较广的一种机械传动，依靠链轮轮齿与链节的啮合来传递运动和动力。与带轮相比，链传动能保持准确的平均传动比，可用于中心距较大的场合（10米以内）；传动效率高， 可达0.98，径向压轴力小，结构紧凑；能在高温及低速情况下工作；与齿轮

25、传动相比，链传动安装的 精度要求较低，成本低廉，可远距离传动。链传动的主要缺点是不能保持恒定的瞬时传动比。设计所需原始数据：传动的功率P，小链轮和大链轮的转速n1、n2，原动机种类，载荷性质以及传动 用途等。设计参数如下：2.4.1链轮齿数z1、z2和传动比iplease contact Q 3053703061 give you more perfect drawings2.13图 2.112.12滚动轮的设计根据装配的需要，设计出如图3-3-10所示的滚轮，该滚轮用于驱动轮和滚动轮。图 2.12滚轮支承上盖的设计该零件的设计主要依据装配时的需要，设计出来的图形如图3.3.11所示。图 2.

26、13第三章结论这次毕业设计，基本达到预期的效果，有失败的地方，但收获也很多。我希望能和大家共同探讨 一下出现的问题，共享一下我的所得。在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展 自动化已经成为现代企业中的重要支柱，无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。尤其在高 温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。自动化机械是提高生产过程 自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。在本次设计中，我运用所学的机械零件设计、机械工程材料等方面的知识，完成了隔水管自动 对中装置中机械结构部分的零件设计。设计出一套以V型装置为主

27、包括导轨、驱动轮、链传动、减速 器、电动机、联轴器、轴、轴承、键、弹性挡圈及滚动轮等零部件的装置，并完成相关选材及相应的 力学校核，用以实现两根需要正对焊接的隔水管自动对中。但由于在设计过程仅仅依靠机械设计手册 和少量实际数据，加之作者缺乏实际经验，所选取的各种零件材料和尺寸有可能不符合实际，所需要 的生产、技术要求包括公差也可能很难在实际生产中得到。本次设计的部分还不包括自动控制部分，机械部分只能半自动化的实现隔水管的对中和同步转 动从而完成两管的焊接。相对整个自动化系统的其他部分而言难度不大。谢词参考文献：1 唐金松主编简明机械设计手册M.上海科技出版社,1992年6月第一版2 吴宗泽主编机械设计实用手册M.化学工业出版社,1999年1月第一版3 陈仕贤等编机械零件设计手册M.国防工业出版社,19934 江耕华等编机械传动设计手册M.煤炭工业出版社，1992年12月第二版5 马晓湘 钏均祥 主编画法几何及机械制图M.华南理工大学出版社6 濮良贵 纪名刚 主编机械设计M.第六版 高等教育出版社设计辅助软件：AutoCAD2004Pro/E2001中文版机械设计手册软件版R2.0SupperStar V3.70