DN300液動脹管器的設(shè)計

第1章緒論1.2研究目的及意義非開挖設(shè)備在近幾十年的發(fā)展中從無到有，在整個建筑機(jī)械設(shè)備中所占比例愈來愈三是與開挖工程相比，其綜合成本(直接成本+間接成本)較低。承包商達(dá)4000余家，各種非開挖施工方法達(dá)百余種。設(shè)備和材料分為管道安裝設(shè)備、管道更換與修復(fù)設(shè)備、管線更換設(shè)備、人員可進(jìn)入管道修復(fù)設(shè)備、工作井掘進(jìn)設(shè)備、監(jiān)控我國非開挖技術(shù)的使用始于20世紀(jì)50年代，在80年代中期開始穩(wěn)步發(fā)展，近十年萌芽期：20世紀(jì)80年代中期以前張家口探礦機(jī)械總廠、西北探礦機(jī)械廠、北京探礦發(fā)展期：20世紀(jì)80年代中期到20世紀(jì)末地礦部勘探技術(shù)研究所生產(chǎn)的GBS-10型導(dǎo)公司合作研制的DZ-200型導(dǎo)向鉆機(jī)；壯大期：21世紀(jì)以來，目前我國約有400多家工程承包商、100多家設(shè)備制造商和材本章主要介紹了DN300液動脹管器的設(shè)計這一課題的研究背景，研究目的及意義和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。分析了我國目前下水管道更換的施工環(huán)境，介紹了開挖施工的缺點，強(qiáng)調(diào)了非開挖施工的意義和重要性。說明非開挖管道施工對城市建設(shè)有著積極的作用，進(jìn)而強(qiáng)2.1非開挖管道更換技術(shù)(1)該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用；(2)非開挖脹管工具的結(jié)構(gòu)簡單；(4)采用非開挖形式施工工期短，效率高。(5)明顯的經(jīng)濟(jì)效益；(6)安全性和可靠性高。(1)管道爆裂技術(shù)被認(rèn)為適用于脆性管材(見管道脫開)。管道爆裂在非開挖式管道更換方法中的應(yīng)用較為(2)管道脫開技術(shù)過現(xiàn)有管道。管道脫開系統(tǒng)用于更換非脆性管(3)管道的腐蝕和更換技術(shù)(4)鉆機(jī)定向擴(kuò)管技術(shù)擴(kuò)孔工藝變形來將現(xiàn)有管道破碎然后拉入新管道來替換舊管。碎片懸浮在鉆井液中，并(5)管道頂出和抽出技術(shù)管道頂出和抽出技術(shù)(主要用于鉛管抽取和更換)涉及將現(xiàn)有管道完全從地下移除，(6)其它技術(shù)控制管線和等級(CLG)系統(tǒng)和內(nèi)爆(管道破碎)方法。②內(nèi)爆(管道破碎)技術(shù)是從內(nèi)部使現(xiàn)管道破裂，鋼錐向外推動管道碎片，并將接污水管或更大管徑的污水管道更換因為非開挖施工需要在地面下進(jìn)行一定程度的挖掘工2.3非開挖液壓脹管法施工過程操縱臺2纏繞機(jī)提升機(jī)雙源動力站(手動操縱臺)(3)操縱臺1拐角器舊管道脹管器新管道頂管器(1)脹頭動力管(2)提升機(jī)動力管(3)頂管器動力管非開挖施工過程包括8個步驟：3.1DN300液動脹管器的設(shè)計條件3.1.1DN300混凝土管原來舊管DN300混凝土管的公稱內(nèi)徑300mm,壁厚30mm,外徑360mm,埋深4米，管長2米。所需更換的HDPE新管為DN355,管的公稱外徑355mm。依照國家2006年頒一：最小管徑的間距在40米至50米一個，中等管徑的間距在60米至90米，大管徑間距在120米。本文假定接收井和發(fā)射井之間距離為75m。3.2液動脹管器工作原理及總體方案設(shè)計壓缸缸體與法蘭盤通過6*M20螺栓進(jìn)行連接。本文脹管器材料選取45號鋼，咖為600MPa,可s為355MPa.允許抗剪強(qiáng)度應(yīng)為178MPa。66xM12螺栓底盤外究M20螺栓螺母 M80螺母6xM10螺栓連桿圖3.3DN300液動脹管器零件示意圖3.3DN300液動脹管器主要零部件選型液動脹管器受力分析如圖3.4所示。由于一開始撐開板與混凝土管接觸，將其脹破。故可認(rèn)為在開始狀態(tài)時整個脹管器所承受的力最大。對六瓣中的一瓣的工作過程進(jìn)行分析，液壓缸工作時，液壓缸產(chǎn)生一個向左的拉力F?,對于其中一瓣來說所受到液壓缸的拉力F1。通過連桿從而給撐開板產(chǎn)生一個沿連桿方向的推力FAs,當(dāng)FA沿與板垂直方向的分力大于混凝土管破壞強(qiáng)度時，則可破壞混凝土管。即對于脹管器來說要受到管對它的反作用力=。當(dāng)破壞300mm管徑混凝土管時，假設(shè)起始接觸長度為=1mm,相對與整個脹管器長度，可認(rèn)為初始為點接觸，接觸面積為s,圖3.4液動脹管器受力分析圖F?=[a]*C*S=30*2*78.53.3.1液壓缸的選型首先確定供油方式：考慮到該壓力機(jī)在工作進(jìn)給時需要承受較大的工作壓力，系統(tǒng)功率較大，速度較低。考慮到節(jié)能降熱、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、效率和工作壓力，泵源系統(tǒng)應(yīng)選用軸向柱塞泵。然后是調(diào)速方式的選擇：在小型壓力機(jī)液壓系統(tǒng)中，通常采用節(jié)流閥或調(diào)速閥來控制進(jìn)給速度。最后是速度切換方式的選擇：為了提高系統(tǒng)的速度切換平穩(wěn)性，可以采用行程閥切換速度的切換回路代替。系統(tǒng)采用電磁閥控制的快、慢切換電路。其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)行程方便，閥門安裝方便，但速度切換穩(wěn)定性差。液壓系統(tǒng)原理如圖3.5所示。1.油箱2.液壓缸3.活塞4.換向閥5.節(jié)流閥6.開停閥7.溢流閥8.液壓泵9.濾油器圖3.5液壓系統(tǒng)原理圖表3.1液壓缸尺寸標(biāo)準(zhǔn)名稱公稱尺寸系列(部分)液壓缸的公稱壓力液壓缸活塞行程液壓缸內(nèi)徑尺寸液壓缸活塞桿外徑尺寸如表3.1所示，初步選擇液壓缸內(nèi)徑d=160mm,工作壓力20MPa。一般安裝方式分三種法蘭安裝、鉸支安裝和腳架安裝，本文選用后法蘭安裝。液壓缸所能產(chǎn)生的最大拉力oF=PS?=20*π*(160=-90=)/4=27故選用液壓缸內(nèi)徑d=160mm,液壓桿桿徑d=90mm,工作壓力為20MPa的液壓缸。經(jīng)過選區(qū)后選用星宇液壓科技有限公司的50噸高壓缸，類型為工程液壓油缸，型號169*90 (FA),壓力范圍20MPa,速度范圍8-300m/s,缸外徑190mm,缸內(nèi)徑160mm,液壓桿桿徑90mm,行程50mm,最大壓力32MPa,總重66kg,常態(tài)320mm。2圖3.6液壓缸尺寸(dhl1)和D型(du8)四種不同規(guī)格的圓柱銷。業(yè)圖3.7圓柱銷規(guī)格表3.2圓柱銷尺寸尺寸8d81公稱本文所設(shè)計的DN300液動脹管器主要選取C型圓柱銷，材料為40Cr,熱處理之后硬開板之間的連接銷2和撐開板與外殼之間的連接銷3。本文所選取的圓柱銷規(guī)格為銷1DN300液動脹管器外殼與端蓋的連接選用6個M10螺栓，液壓缸與法蘭盤的連接選用6個M20螺栓連接，法蘭盤與底盤之間選用6個M16螺栓連接，底盤與外殼之間采用3.4DN300液動脹管器主要零部件的設(shè)計DN300液動脹管器外殼材料為45號鋼，為對稱結(jié)構(gòu)。總長530mm,壁厚20mm,最大直徑420mm,最小直徑277.6mm,外殼錐度8°,頭部6個M10尾部6個M12螺紋孔均勻分布，沿外殼切向均勻分布6個直徑為10mm的通孔。壁厚34.97mm,最小壁厚21.04mm。尾部通孔10mm長度20mm。頭部兩通孔12mm,長度10mm,距離20mm。最大寬度110mm,邊線角度4°。撐開板頭部與撐開板上表面垂DN300液動脹管器連桿連接塊材料45號鋼，中心螺紋孔M80,與液壓桿配合。厚度20mm,外圓直徑169mm,6個直徑為10mm的通孔沿切向均勻分布，通孔距圓心72.5mm,中間槽深20mm,寬20mm。DN300液動脹管器連桿材料45號鋼，總長82.5mm,一端外圓10mm,通孔直徑12mm,另一端外圓10mm,通孔直徑12mm,壁厚20mm,兩通孔圓心連線62.5mm。DN300液動脹管器端蓋材料45號鋼，外圓直徑277.51mm,壁厚15mm,最外圈6個DN300液動脹管器底盤材料45號鋼，外圓直徑220mm,壁厚15mm,最外圈6個M12螺紋通孔沿直徑400的圓切向均勻分布，將通過螺釘與外殼相連。6個M16螺紋通孔沿直塊包括電磁場分析、結(jié)構(gòu)分析(可進(jìn)行線性分析、高度非線性分析和非線性分析)、聲場顯示、粒子流跡顯示、彩色等值線顯示、透明及半透明顯示(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)、矢量顯建立DN300混凝土管的幾何模型(300*2000);建立材料屬性：添加混凝土材料；設(shè)定邊界條件：假定管道一端固定，另一端為加載端；網(wǎng)格劃分：用6000多個四面體網(wǎng)格軸向呈82°的力。F?=F/sin37°*cos(53°+8y方向36.552kN的應(yīng)力，且考慮周圍土壤條件在管道表面添加土壤壓應(yīng)力70k由ANSYS分析產(chǎn)生的應(yīng)力和形變圖可以看出，最大應(yīng)力297MPa,遠(yuǎn)大于DN300混4.2銷的校核采用的銷的材料為40Cr,根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊，該材料的抗拉強(qiáng)度極限o=735MPa,許用圖4.2銷受力分析圖圖4.3銷位置圖(1)連桿連接塊與連桿相連接的銷的校核銷的剪切應(yīng)力達(dá)到安全極限時的拉力F故連桿連接塊與連桿相連接的銷滿足銷的剪切強(qiáng)度校核要求。(2)撐開板與連桿相連接的銷的校核銷的剪切應(yīng)力達(dá)到安全極限時的拉力F故撐開板與連桿相連接的銷滿足銷的剪切強(qiáng)度校核要求。(3)撐開板與外殼相連接的銷的校核銷的剪切應(yīng)力達(dá)到安全極限時的拉力F故撐開板與外殼相連接的銷滿足銷的剪切強(qiáng)度校核要求。4.3螺栓的校核由于選用件為標(biāo)準(zhǔn)件，所以強(qiáng)度設(shè)計主要為確定或驗算螺栓危險界面的尺寸。螺栓的其他部分，螺母，墊圈等，一般都可從標(biāo)準(zhǔn)中選取。因為在制定標(biāo)準(zhǔn)時，已考慮了螺栓螺母的各部分以及墊圈的強(qiáng)度。栓拉斷截面狀況歸納出的經(jīng)驗公式：DN300液動脹管器的螺栓連接為受拉松螺栓聯(lián)接，該聯(lián)接只受靜載荷。螺栓強(qiáng)度等級是根據(jù)力學(xué)性能劃分的。本文選用性能等級為10.9級的螺栓，螺栓材質(zhì)公稱抗拉強(qiáng)度達(dá)900MPa級；螺栓材質(zhì)的屈強(qiáng)比值為0.8;螺栓材質(zhì)的公稱屈服強(qiáng)度達(dá)1000×0.9=900MPa4.3.1液壓缸與法蘭盤之間的螺栓校核載荷通過螺栓組形心，各螺栓分擔(dān)的工作載荷相等。螺栓個數(shù)為z=6個，則F=F?/z6xM20其螺紋連接部分的強(qiáng)度條件表4.1螺栓安全系數(shù)材料碳素鋼合金鋼故液壓缸與法蘭盤之間的螺栓滿足強(qiáng)度校核要求。4.3.2底座與法蘭盤之間的螺栓校核載荷通過螺栓組形心，各螺栓分擔(dān)的工作載荷相等。螺栓個數(shù)為z=6個，則6xM16其螺紋連接部分的強(qiáng)度條件4.4本章小結(jié)本章介紹了DN300液動脹管器的分析校核過程。首先介紹了有限元分