大口径管道是大规模石油天然气输送的重要工具，大口径输送管道投入使用后，由于生产发展和用户的增多，经常需要进行干线管道延伸或在干线管道上安装新的分支管道。石油天然气运输管道的施工是最常见的，其特点是管道直径大切割困难，切割后进行开坡口也是十分困难，这些问题为管道加工提出了挑战。目前，国外对管道加工技术的研究已趋于成熟，其中，国外管加工设备较成熟的企业有美国的CRC公司、CCI公司，德国的VIETZ公司及加拿大的PR-LINE公司等，他们的产品已在荷兰、澳大利亚等多个国家投入使用。美国的E.H.Wachs公司已经自主独立研发出Concrete Pipe Cutting Mchin管切机已应用于工程实际中，并且正在向国内市场推广。
      我国管道加工的研究大多集中在海底运输和煤矿业，随着海洋石油工业高速高效的发展，新开发的海上油气田正在逐年增加，促使国内对海底油气管道加工研究已有了一定的成果，已出现将开采石材的绳锯机应用于海底石油管道切割，高压水射流切割也已有广泛的应用。野外的切割工作依然还是依靠气体切割，但是气体切割存在许多生产上的安全隐患，对开式钻铣机(以下简称钻铣机)可用于大口径管道的切割和开坡口，其具有工作安全稳定和操作简单的特点。本研究对钻铣机进行运动仿真和有限元强度分析，从而得到必要的理论参数，为机构的设计和优化提供参考。
      钻铣机由动力元件、传动元件和执行元件组成，动力元件为两个摆线式液压马达，传动元件为钻铣机定支架和动支架，执行元件为分析的钻铣头。钻铣机通过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进行伸缩调节以便对不同直径的管道进行钻铣加工。动支架通过滚子和螺栓与定支架连接，工作时定支架固定于管道上，动支架由安装在定支架主驱动箱体上的液压马达驱动实现转动。钻铣头安装在动支架上，在动支架转动的同时钻铣头进行铣削加工，实现圆周进给运动，钻铣头的径向进给运动由人工完成。
      本研究主要对钻铣头进行分析，为了说明钻铣头的工作原理，使用三维软件Pro/E建立钻铣头的几何结构模型，如图所示。钻铣机工作时需要先安装好定支架和动支架，然后将钻铣头安装到动支架上。工作前将液压马达通过键连接安装到主轴后端为钻铣头提供动力，将铣刀头通过锥柄安装到主轴前端实现动力的输出。螺杆和螺母配合使箱体部分沿导轨移动，为钻铣头提供径向进给力。Pro/MECHANICAM运动分析模块能够创建机构运动模型，并能进行机构优化设计，还可以分析机构的运动和力，比如检验机构的运动是否正确，仿真机构运动，检测机构中各个组元的位移、速度和加速度及检验机构运动过程中各个装配件是否干涉。
      对钻铣头模型进行运动仿真，仿真结果表明：钻铣头零件之间无干涉产生，同时也说明钻铣头的结构设计是合理的。Pro/E软件运动仿真结果验证了结构的合理性，使用Pro/E软件把欲进行有限元分析的模型转化为IDES格式，通过Pro/E和ANSYS软件的无缝接口技术，将模型导入ANSYS软件进行有限元分析。
      钻铣头的有限元分析包括：主轴、箱体和导轨等，它们都是钻铣头工作时的重要部件，在工作时起着重要的作用，对这些机构进行有限元分析可为结构设计提供参考依据。钻铣头主轴模型导入ANSYS软件后，对模型进行修改和简化，以便于网格的划分和分析计算。主轴内部的尖角进行处理，把不必要的尖角删除，得到ANSYS模型，如图所示。钻铣头主轴为实体模型，几何模型较为复杂，故划分有限元模型的单元类型选用三维实体单元Solidl85。此单元由8节点组合而成，每个节点有3个沿x、y、二方向平移的自由度，单元具有超弹性、应力钢化、蠕变、大变形和大应变能力。对于主轴进行自动网格划分Smartsize=6，划分方法为mesh=volumes，shape=tetandfree，进行自动划分后在对模型进行网格细化，最终得到有限元模型如图。钻铣头的主轴部分主要采用45钢材料加工而成，45钢的材料属性见表。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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