管道清洗方案的系統(tǒng)機構設計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)論文(設計)</b></p><p>　　管道清洗方案的系統(tǒng)機構設計</p><p>　　院(系)名 稱：機電工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 名 稱：機械設計制造及其自動化 </p><p>　　學 生 姓 名： </p><p>　　

2、指 導 教 師： </p><p><b>　　二〇一五年五月八日</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　用于食品的管道或油管，總會出現(xiàn)管道內(nèi)壁結(jié)垢的問題，管道結(jié)垢使工業(yè)事故頻繁發(fā)生，不僅造成巨大的經(jīng)濟損失，而且對環(huán)境有很大的污染。論文基于節(jié)能減排的前提下，設計了一種管道除垢技術，主要

3、采用機械結(jié)構（空間正交剪叉式機構）通過旋轉(zhuǎn)及大范圍的伸縮，帶動清洗頭部，達到清洗的目的，提高了清洗效率，降低成本，增強其產(chǎn)品的市場競爭能力。在設計過程中分析管道垢物的種類，對此裝置進行結(jié)構設計并析分析了該機構的結(jié)構關系，建立了其運動學模型，分析了運動時速度和加速度的變化規(guī)律。</p><p>　　關鍵詞：管道清洗；剪叉式；旋轉(zhuǎn)伸縮；除垢

4、 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Pipe or tubing used in food, is always a wall of pipeline caused by fouling problem, pipe scale industrial accidents occurred frequently,

5、 not only cause huge economic losses, but also has a lot of pollution to the environment. Paper based on the premise of energy conservation and emissions reduction, a pipe descaling technology is designed, mainly adopts

6、mechanical structure, spatial orthogonal shear fork by rotating and a wide range of scale, drives the cleaning head, reach the purpose of clean</p><p>　　Keywords: pipeline cleaning; Shear fork; Rotating scal

7、e; descaling</p><p>　　目錄 </p><p>　　摘要......................................................................................................................I</p>

8、;<p>　　Abstract.............................................................................................................II</p><p>　　第1章 引言.........................................................

9、.........................................3</p><p>　　1.1 課題背景..............................................................................................3</p><p>　　1.2 課題目的及意義................

10、...................................................................3</p><p>　　1.3 課題研究內(nèi)容.......................................................................................3</p><p>　　第2章 污垢

11、及除垢分析...........................................................................5</p><p>　　2.1 污垢的定義和分類................................................................................5</p><p>　

12、　2.1.1 污垢的定義.......................................................................................5</p><p>　　2.1.2 污垢的分類....................................................................................

13、...5</p><p>　　2.2 污垢的形成模型....................................................................................6</p><p>　　2.3 污垢的危害...............................................................

14、.............................6</p><p>　　2.4 污垢分析的數(shù)學模型............................................................................7</p><p>　　2.4.1 污垢沉積與剝蝕的數(shù)學模型..................................

15、.........................7</p><p>　　2.4.2 污垢熱阻的數(shù)學分析法...................................................................8</p><p>　　2.5 國內(nèi)外防垢除垢方法.................................................

16、...........................8</p><p>　　第3章 空間正交剪叉式機構分析..........................................................11</p><p>　　3.1 結(jié)構原理.............................................................

17、...................................11</p><p>　　3.1.1 連桿的特點........................................................................................11</p><p>　　3.1.2 剪叉式機構的組成....................

18、.......................................................11</p><p>　　3.1.3 剪叉式機構的特點...........................................................................11</p><p>　　3.2 結(jié)構用途................

19、................................................................................12</p><p>　　3.3 結(jié)構優(yōu)勢................................................................................................12</p&g

20、t;<p>　　3.4 剪插式機構的演化規(guī)律..........................................................................13</p><p>　　3.4.1 剪叉式機構的組成...........................................................................13

21、</p><p>　　3.4.2 剪叉式機構的特點............................................................................14</p><p>　　第4章 基于空間正交剪叉式機構的管道清洗機結(jié)構分析.............16</p><p>　　4.1 該機構組成.......

22、.....................................................................................16</p><p>　　4.2 該機構的運動方式.................................................................................16</p>&l

23、t;p>　　4.3 該機構清洗管道的方式.........................................................................16</p><p>　　4.5 對該機構的有限元分析和結(jié)論.............................................................18</p><p

24、>　　第5章 對所設機構的效果分析................................................................20</p><p>　　5.1 效果分析方法.........................................................................................20</p&g

25、t;<p>　　5.2 分析內(nèi)容.................................................................................................20</p><p>　　5.3 分析數(shù)據(jù)的意義..............................................................

26、.......................26</p><p>　　總結(jié).....................................................................................,................................27</p><p>　　參考文獻.......................

27、.....................................................................................28</p><p>　　致謝............................................................................................................

28、..........30</p><p><b>　　引言</b></p><p><b>　　1.1課題背景</b></p><p>　　隨著人們生活水平的提高，人們對自己所用東西的清潔度要求也越來越高，而且環(huán)保的程度也越來越高，但也重視經(jīng)濟性。地球的能源一天天的減少，全球也在極力號召節(jié)能，為以后人類能更長遠的發(fā)展做準備

29、。尤其是那些不可再生能源。所以對于我們所用管道的清洗就必須兼顧節(jié)能有效。</p><p>　　傳統(tǒng)的化學法除垢,使用相當有害的化學劑如鹽酸進行清洗。另外,用傳統(tǒng)方法清洗熱交換器水垢的工作不干凈讓人難以忍受, 又、而且對人的健康有危害。因此我們要在節(jié)約能源、節(jié)約成本以及安全方面著重考慮和研究。 主要采用機械的方式。</p><p>　　1.2課題目的及意義</p><p&

30、gt;　　人們的生活處處都會用到管道，小到家用煤氣管道，自來水管道，大到天然氣管道，下水道管道等。所以要保持管道的干凈，不受污染，但很多地方的管道不方便經(jīng)常拆卸，不方便清洗，若長時間被污染的話，管道就會被腐蝕甚至會給人們的生活帶來弊端：</p><p>　　1) 長期使用管道使管道內(nèi)的油泥、銹垢固化造成管徑變小。</p><p>　　2) 管內(nèi)淤泥沉淀產(chǎn)生硫化氫氣體造成環(huán)境污染并易引起燃爆

31、。</p><p>　　3) 廢水中的酸、堿物質(zhì)易對管道壁產(chǎn)生腐蝕。</p><p>　　4) 管道內(nèi)的異物將會造成管道堵塞。</p><p>　　5) 產(chǎn)生了雜質(zhì)后會嚴重影響管道的正常使用，所以對管道進行清洗，使管道內(nèi)恢復材質(zhì)本身表面十分重要。</p><p>　　本課題所做的目的主要是為了解決長期困擾工程人員的管道內(nèi)壁結(jié)垢的問題，管道結(jié)垢

32、使工業(yè)事故頻繁發(fā)生，不僅造成巨大的經(jīng)濟損失，而且對環(huán)境有很大的污染。在國家提倡節(jié)能減排的背景下，我們設計一種管道除垢技術來提高其清洗效率，增強其產(chǎn)品的市場競爭能力。在設計過程中分析管道垢物的形成機理，設計提高管道防垢除垢效果的裝置，對此裝置進行結(jié)構設計，并根據(jù)管道結(jié)構分析管道液體的流動狀態(tài)，繪制出圖形文件。</p><p><b>　　1.3課題研究內(nèi)容</b></p><

33、;p>　　管道用久了必然需要清洗，否則會損壞管道降低工作效率，提高了不必要的成本，嚴重的還會存在安全問題，對人類構成威脅了。</p><p>　　基于節(jié)能減排的前提下，顧全安全因素，我們決定采用機械方案清洗，設計了一種管道除垢技術，主要采用機械結(jié)構（空間正交剪叉式機構）通過大范圍的伸縮旋轉(zhuǎn)，帶動清洗頭部，達到清洗的目的，提高了清洗效率，降低成本，增強其產(chǎn)品的市場競爭能力。在設計過程中分析管道垢物的形成機理，

34、對此裝置進行結(jié)構設計并且通過分析食品加工業(yè)或石油行業(yè)生產(chǎn)線上圓形管道的結(jié)構變化及由這種變化產(chǎn)生的污垢形成過程，完成液流經(jīng)過管道時流體流動過程的分析。</p><p>　　主要的研究內(nèi)容有以下幾個方面：</p><p><b>　　對管道結(jié)構的分析</b></p><p>　　對清洗管道的重要性進闡述</p><p>&l

35、t;b>　　對污垢的分析 </b></p><p><b>　　對剪叉式機構的分析</b></p><p>　　對該管道清洗功能的測試</p><p><b>　　污垢及除垢分析</b></p><p>　　2.1污垢的定義與分類</p><p>　　2.

36、1.1污垢的定義</p><p>　　結(jié)垢是我們常見的，尤其是水結(jié)垢。還有一些管道結(jié)垢，熱水器結(jié)垢，油井結(jié)垢，鍋爐結(jié)垢等等。如圖2.1所示，結(jié)</p><p>　　垢是生產(chǎn)生活中一種極為普遍的現(xiàn)象,它</p><p>　　存在于自然現(xiàn)象、日常生活和各類工業(yè)</p><p>　　生產(chǎn)過程,特別是存在于化工生產(chǎn)各種傳</p><

37、;p><b>　　熱過程中。</b></p><p>　　污垢會影響設備的正常運轉(zhuǎn)，一般工業(yè)或者家用管道用久了都會產(chǎn)生污垢，而且污垢的類型很多，所以最好定時對管道進行清洗。</p><p>　　2.1.2污垢的分類</p><p>　　在不同情況下污垢的種類，存在很大差別。在我們的生活中看見污垢產(chǎn)生是非常普遍的，不同的產(chǎn)生過程會有不同的污

38、垢、不同的工質(zhì)狀態(tài)也會有不同的污垢、時間在不停的變化，污垢會隨著時間的推移改變、污垢也可能是通過物理變化形成的也會通過化學變化形成以及會不會繼續(xù)變化等，因此根據(jù)不同的特點對污垢進行分類是很有必要的。</p><p>　　根據(jù)污垢存在的形狀分類：</p><p>　　(1)顆粒狀污垢 如固體顆粒、微生物顆粒等以分散顆粒狀態(tài)存在的污垢。</p><p>　　(2)覆蓋膜

39、狀污垢 有三種存在的狀態(tài)：固態(tài)，半固態(tài)和流態(tài)。</p><p>　　(3)無定形污垢 定不出形狀的污垢或者說成是沒有規(guī)則形狀的污垢。</p><p>　　(4)溶解狀態(tài)的污垢 如以分子形式分散于水或其他溶劑中的污垢。</p><p>　　應該說明的是通常說的油垢，實際上可能是；兩類性質(zhì)完全不同的有機物。一類是礦物油包括機器油、潤滑油等，它們屬于有機物的烴類，是石油分

40、餾的產(chǎn)品；相對分子質(zhì)量更大的烷烴。除了可燃之外，它們可以說是化學穩(wěn)定性很好的有機物。</p><p>　　另一類是油脂，包括動物脂肪和植物油；它們屬于有機物酯類，是飽和或不飽和高級脂肪酸的甘油酯的混合物。它們與礦物油的區(qū)別是在堿性條件下可以發(fā)生皂化。</p><p>　　根據(jù)污垢的親水性和親油性分類：</p><p>　　(1)易溶于水的污垢即親水性污垢 例如食鹽

41、等無機物和蔗糖等有機物。</p><p>　　(2)親油性污垢如油脂、礦物油、樹脂等有機物。</p><p>　　2.2影響結(jié)垢的因素</p><p>　　影響換熱器結(jié)坂的因素有很多,包括流體性質(zhì)、流體流速、換熱設備參數(shù)、流體本體和換熱表面的溫差等因素。以下僅討論幾種常見的影響因素:</p><p><b>　　(1)流速<

42、/b></p><p>　　目前流速對污垢的影響有兩種截然不同的結(jié)論:</p><p>　　以Ritter、 chamozubov等人為代表的學者則認為流速的增加會促進垢層的生長,因為在結(jié)垢過程中粒子擴散的阻力較大,而高流速引起的湍流促進了顆粒的輸運,使顆?？焖俚竭_壁面吸附而結(jié)垢。</p><p>　　(2)溫度和溫差的影響</p><p

43、>　　兩者實驗結(jié)果相差巨大,到目前為止,表面溫度對結(jié)垢的影響程度尚無公認結(jié)論。</p><p><b>　　(3)其它因素</b></p><p>　　1)流體中溶解物質(zhì)的濃度</p><p>　　對于結(jié)晶過程,隨物質(zhì)濃度差的增大,物質(zhì)污垢生成的速率也提高。</p><p>　　2)物料濃度隨溫度變化的關系&l

44、t;/p><p>　　物料飽和濃度隨溫度的變化關系可影響操作條件的選擇和結(jié)垢的形成。</p><p>　　3)厚度和剪切強度垢層厚度越大,流速也會隨之增加,剪切力會提高,這有助于使垢層脫落。若垢層的剪切強度不大,則兩者可以處于平衡狀態(tài)。</p><p>　　避免選取過大的污垢系數(shù)。</p><p>　　容易結(jié)垢的流體盡量走管程,便于清洗。<

45、;/p><p>　　(5)注意開停車以及換熱器運行工況,避免溫度高于設計值,流速低于設計值</p><p>　　由于污垢是無法絕對避免的,因而由污垢存在所帶來的換熱設備清洗,人工操作,設備磨損等情況也是無法避免的問題。綜上所述,由換熱器結(jié)垢而產(chǎn)生的</p><p><b>　　2.3污垢的危害</b></p><p>　　

46、污垢形成后會污染人們所需的水或者其他東西，會腐蝕管道也會降低傳管道送效率。例如換熱設備結(jié)垢就是很普遍的一種現(xiàn)象了，換熱設備又是石油、化工、電力、冶金、紡織等工業(yè)部門和日常生活中使用最為廣泛的設備之一,污垢涉及領域十分普遍。要想降低能源消耗,又能保證人們的衛(wèi)生要求，污垢問題就要得到有效的解決方案。</p><p>　　同時,因鍋爐水質(zhì)管理不當?shù)仍?結(jié)垢還將導致鍋爐局部膨脹變形和垢下腐蝕,直接威脅到化工行業(yè)的生產(chǎn)安

47、全。</p><p>　　綜合換熱設備結(jié)垢所帶來的一系列問題,污坂的危害可分為以下幾個方面:</p><p>　　引起垢下腐蝕,縮短設備使用壽命;</p><p>　　污垢導致?lián)Q熱效率下降,嚴重時造成設備阻塞,危及正常的連續(xù)生產(chǎn),并且產(chǎn)生安全隱患;</p><p>　　流體阻力增加,設備能耗上升;</p><p>　　

48、能耗增加,不利于清潔生產(chǎn);</p><p>　　周期性的污垢清洗影響產(chǎn)品質(zhì)量,同時導致原料消耗增加;</p><p>　　污垢清洗加大了生產(chǎn)運行人力,物力成本;</p><p>　　換熱設備設計時增加冗余面積,帶來不必要的經(jīng)濟損失。</p><p>　　2.4污垢分析的數(shù)學模型</p><p>　　2.4.1理想污垢條

49、件下的污垢沉積與剝蝕的數(shù)學模型</p><p>　　根據(jù)污垢的形成特點,建立了污垢沉積模型與污垢剝蝕模型。污垢沉積模型</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　式中:md為沉積率;</p><p>　　Q沉積層與換熱界面處的污垢物質(zhì)濃度;</p><p>　　Ts為液固

50、相界面溫度;</p><p>　　Csat為飽和時,結(jié)坊物質(zhì)的濃度;</p><p><b>　　n為化學反應級數(shù);</b></p><p>　　A'為阿侖尼烏斯常數(shù);</p><p>　　Rt為氣體普適常數(shù);</p><p><b>　　Kr為碰撞率常數(shù);</b>&

51、lt;/p><p><b>　　E為活化能。</b></p><p><b>　　污垢剝蝕模型</b></p><p>　　根據(jù)擴散理論,換熱表面在沉積雜物的同時,也進行污垢的脫落。其剝蝕過程與近壁面處的剪切作用和沉積物的結(jié)構函數(shù)有關,關系式為:</p><p><b>　?。?.2） <

52、;/b></p><p><b>　　式中:m,為剝蝕率</b></p><p>　　為流體在固體表面的剪切應力;</p><p><b>　　&為常數(shù);</b></p><p>　　Mf為污垢凈積存速率;</p><p>　　V為沉積物的結(jié)構函數(shù);</p

53、><p>　　2.4.2污垢熱阻的數(shù)學分析辦法</p><p>　　前文中提到,污垢熱阻可以比較直觀的表現(xiàn)污垢性狀,污垢熱阻的影響因素有很多,但從傳熱學角度看,直接因素只有兩個:污垢本身導熱系數(shù)以及污垢的厚度。</p><p>　　目前污垢對換熱設備影響的理論計算方式如下:</p><p><b>　?。?.3）</b>&l

54、t;/p><p>　　其中,Ko為基于管外表面的總傳熱系數(shù),W/m2。</p><p><b>　　A為管壁面積;</b></p><p>　　A,為平均;管壁面積;</p><p>　　Rfi為污垢熱阻,為管壁熱阻;</p><p>　　Rfo為對流傳熱系數(shù);</p><p>

55、;　　2.5國內(nèi)外防垢除垢技術分析</p><p>　　半個世紀以來,企業(yè)與科技界工作人員非常重視污垢問題,提出了眾多防、除垢技術和方法。</p><p>　　國內(nèi)目前的管道清洗方法：管道清洗采用化學方法或物理方法對管道內(nèi)表面污垢進行清洗，保證管道內(nèi)表面恢復原表面材質(zhì)。管道清洗的方法有很多，常用的管道清洗方法有：化學清洗、高壓水清洗、PIG清管、排灰管管道清洗、注水管管道清洗等。</

56、p><p>　　清洗方式：化學式管道清洗：化學清洗管道是采用化學藥劑，對管道進行臨時的改造，用臨時管道和循環(huán)泵站從管道的兩頭進行循環(huán)化學清洗。該技術具有靈活性強，對管道形狀無要求，速度快，清洗徹底等 特點。</p><p>　　?高壓式水清洗：采用50Mpa以上的高壓水射流，對管道內(nèi)表面污垢進行高壓水射流剝離清洗。該技術主要用于短距離管道，并且管道直徑必須大于50cm以上。該技術具有速度快，成

57、本低等特點。</p><p>　　?PIG式管道清洗：PIG工業(yè)清管技術是依靠泵推動流體產(chǎn)生的推動力驅(qū)動PIG（清管器）在管內(nèi)向前推動，將堆積在管線內(nèi)的污垢排出管外，從而達到清洗的目的。該技術被廣泛用于各類工藝管道、 油田輸油輸汽管道等清洗工程，特別是對于長距離輸送流體的管道清洗，具有其他技術無法替代的優(yōu)勢。</p><p><b>　　管道清洗機</b></p

58、><p><b>　　手動型</b></p><p>　　1.松開鎖緊夾頭(或鎖母)，將軟軸拉出。</p><p>　　2.將軟軸插入需疏通的管道內(nèi)至費力時。</p><p>　　3.距管口預留100mm軟軸，鎖緊夾頭(或鎖母)</p><p>　　4.旋轉(zhuǎn)滾筒(或曲拐)并同時向管道口推進，使軟軸通過

59、受阻區(qū)。松開夾頭，重復2-4步驟，直至疏通。</p><p>　　5.使用后，請將軟軸沖洗，擦拭干凈并風干，插入滾筒內(nèi)備用。</p><p><b>　　機動型</b></p><p>　　1.將軟軸從主機芯軸內(nèi)穿出。</p><p>　　2.選擇適當?shù)你@具，牢固聯(lián)接在軟軸上。</p><p>　

60、　3.將主機放在適當位置，不要接觸污水)鉆具.軟軸盡量插入管道內(nèi)。</p><p>　　4.機器后部軟軸留出2-4M，其余卸下備用。</p><p>　　5.將插頭插入具有良好保護接地的單項三孔插座中。</p><p>　　6.打開控制開關，使主軸正向順時針旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　7.在管口與主機之間預留一段(100-300mm)軟軸，壓

61、下操縱手柄，同時握住已旋轉(zhuǎn)軟軸，向管道內(nèi)推送，并逐步增加推送的力量，使軟軸前進，并通過阻力區(qū)，重復以上操作，直至疏通。</p><p>　　8.停機后，將軟軸從管道內(nèi)拉出，清除污物，擦干備用。</p><p>　　9.主機使用完畢，空轉(zhuǎn)2-3分鐘后，在注油孔加注潤滑油(20#機油)防止主軸銹蝕。</p><p>　　10.確定管道疏通后，可操作本機繼續(xù)運行幾分鐘，使

62、軟軸進一步去除管壁上的污物，同時加水。</p><p><b>　　手持式</b></p><p>　　1.將手柄向前推， 即可松開夾頭，將軟軸拉出送入管道。</p><p>　　2.接通電源，按下調(diào)速開關，可自行控制轉(zhuǎn)速，開始應使用慢速，根據(jù)熟練程度可逐步加快。</p><p>　　3.將手柄向后一壓，即可夾緊軟軸，驅(qū)

63、動軟軸轉(zhuǎn)動，同時向管道內(nèi)推進。</p><p>　　4.根據(jù)管道堵塞情況，在滾筒旋轉(zhuǎn)時，配合使用手柄的推壓，將軟軸推入管道，直至疏通。使用后應將軟軸擦拭干凈，再收回滾筒內(nèi)備用。若使用軟軸自動推進裝置，應將自動裝置穿過軟軸頭端。</p><p>　　5.與手柄前端聯(lián)接，旋緊鎖母。</p><p>　　6.通過調(diào)整換向開關再按下調(diào)速開關可實現(xiàn)軟軸自動進給或后退，完成管道

64、疏通工作。</p><p><b>　　自動型</b></p><p>　　將軟軸從主機空心軸內(nèi)穿出選擇適當?shù)你@具與軟軸聯(lián)接。</p><p>　　1.將主機放置在適當位置，將軟軸盡量插入管道內(nèi)。</p><p>　　2.將電源線插頭插入具有良好保護接地的單項三孔插座。</p><p>　　3.打

65、開控制開關①正轉(zhuǎn)，壓下手柄④軟軸將自動向管道中送進。</p><p>　　4.同時可用旋紐③調(diào)整軟軸進給速度。</p><p>　　5.注意：遇到阻力時，可適當變換方向和調(diào)整速度，繼續(xù)操作，避免蠻干造成損失。使用后將軟軸沖洗，擦拭干凈后保存。主機運轉(zhuǎn)2-3分鐘后，加注潤滑油保管。</p><p>　　第3章 空間正交剪叉式機構分析</p><p

66、><b>　　3.1 機構原理</b></p><p>　　該機構是在連桿的基礎上加以創(chuàng)新，連桿機構是機器中常用的基礎的機構。連桿，通過運動副可以傳遞運動和轉(zhuǎn)矩。要求具有足夠的鋼性和韌性。</p><p>　　組成連桿機構的條件：首先要滿足桿長條件即最長桿加最短桿的桿長要小于或等于其余兩邊桿長之和；其次若要形成曲柄機構則需選擇最短桿作為機架或者連架桿，若要形成

67、雙搖桿機構則需選擇最短桿作為連桿等。</p><p>　　本機構不需要形成曲柄搖桿或者雙曲柄機構，故只需滿足桿長條件，不需固定那根桿為機架。</p><p>　　3.1.1 連桿的特點</p><p>　　連桿機構具有以下一些傳動特點： 1) 運動副一般均為低副。 低副兩運動副元素為面接觸，壓強較??；且有利于潤滑，磨損較小。 </p><

68、p>　　構件多呈現(xiàn)為桿的形狀（故常簡稱構件為桿）。此外，構件的幾何形狀也較簡單，便于加工制造。 </p><p>　　可實現(xiàn)多種形式的運動變換和運動規(guī)律。 </p><p>　　具有豐富的連桿曲線形狀。</p><p>　　平面連桿機構的作用：1） 用來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，擺動，移動和平面或空間復雜運動之間的相互變換。 </p><p&

69、gt;　　2）實現(xiàn)預定的軌跡要求</p><p>　　3.1.2 剪叉式機構的組成</p><p>　　兩根連桿由鉸鏈連接起來，組成x形狀的機構如圖3.1所示。</p><p>　　兩個首鉸鏈，其中一個固定，一個</p><p>　　活動，中間用一個鉸鏈把兩桿連接起來</p><p>　　，輸出端也是兩個鉸鏈，跟下一組

70、剪叉</p><p>　　單元相連接。故剪叉式機構是一種特殊</p><p><b>　　的平面連桿機構。</b></p><p>　　空間正交剪叉式機構則是采用了</p><p>　　多組剪叉式機構，可以實現(xiàn)一個很大</p><p><b>　　的行程。</b></p

71、><p>　　連接圖如下圖3.2所示:明顯的可以看出聯(lián)接的方式，簡單容易實現(xiàn)。</p><p>　　3.1.3 剪叉式機構的特點</p><p>　　運動單元模塊化，可以根據(jù)運動行程的需要任意添加單元組數(shù)；</p><p>　　輸出構件做平移運動；</p><p>　　良好的空間伸展特性，運動范圍大；</p>

72、<p><b>　　剛度好，穩(wěn)定性好；</b></p><p>　　常用兩組機構并聯(lián)工作，承載能力高；</p><p>　　結(jié)構簡單，容易實現(xiàn)，成本低廉。</p><p>　　3.2 該機構的用途</p><p>　　可以用在剪叉式升降機構，剪叉式升降平臺也用了該機構，剪叉式高空作業(yè)平臺，剪叉式液壓升降平臺

73、，剪叉式液壓升降機，剪叉式高空作業(yè)平臺等機構上，還可以用來組成英文字母。 </p><p>　　平臺升降機是滾裝船上普遍應用的一種裝卸設備,多采用剪刀叉機構或垂向滑軌機構借油缸。</p><p><b>　　結(jié)構不足處:</b></p><p>　　一般需要多組單元在一起使用，橫向受力不能很大。需要加額外鉸鏈才能將兩組結(jié)構連接在一起。多組使用如

74、果想收縮減小其面積則需注意尺寸的計算，不能隨意的長度。</p><p>　　3.3 剪叉式機構的技術特征</p><p>　　尺度一致性：即各構件單元幾何尺寸完全相同；</p><p>　　等距對稱性: 中間鉸鏈到兩端鉸鏈距離相等，且同一單元內(nèi)兩交叉構件的位置始終對稱于機構的中軸線；</p><p>　　運動相似性：將多組X型單元串聯(lián)連接時，

75、各組運動單元中同側(cè)構件轉(zhuǎn)角相同，即它們之間始終相互平行，且最終輸出構件始終做平動；</p><p>　　比例縮放性：機構可以自由的伸縮；</p><p>　　結(jié)構重復性：整個機構由相同的單元組組成；</p><p>　　占空緊湊性：整個機構收縮后占空間很小。</p><p>　　3.4 剪插式機構的演化規(guī)律</p><p

76、>　　3.4.1 演化的方式</p><p>　　如下圖3.3，圖3.4，圖3.5以及圖3.6所示</p><p>　　3.4.2剪插式機構的演化的原則</p><p>　　1．鉸接孔軸線平行原則：為保證結(jié)構的穩(wěn)定性和安全性，各單元件對應的桿件應該平行，即鉸接孔軸線要平行。</p><p>　　2．剪桿桿長全壓縮原則：要想機構完全收縮回

77、來，不出現(xiàn)干擾，如下圖3.7桿長需要滿足條件：</p><p>　　3．剪桿伸縮對立原則：這是指同一級剪桿的四個端點中，A與A'或B與B'聯(lián)接的一級剪桿，</p><p>　　同A與B'或B與A'聯(lián)接的另</p><p>　　一級剪桿伸展與壓縮對立。</p><p>　　4．機構單自由度原則：</p>

78、;<p>　　對剪叉式機構不論怎么組成何種機構，需始終保證機構的自由度是1，如下圖3.9所示的機構的自由度均為1。自由度F=3n-（2Pl+Ph）=3×7-2×10=1。</p><p>　　第4章 基于空間正交剪叉式機構的管道清洗機構分析</p><p>　　4.1 該機構的組成</p><p>　　如圖4.1所示，該機構主

79、要</p><p>　　由剪叉式機構和兩個電機組成，加</p><p>　　上旋轉(zhuǎn)地盤以及機構頂部的清洗海</p><p><b>　　綿組成。</b></p><p>　　4.2 該機構的運動方式</p><p>　　該機構能夠?qū)崿F(xiàn)空間立體式的</p><p>　　旋轉(zhuǎn)

80、和伸縮運動。從而實現(xiàn)對管道全方位和長距離的清洗。</p><p>　　4.3 該機構的清洗管道的方式</p><p>　　在兩個電機的帶動下實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和伸縮的同時進行。</p><p>　　1．　伸縮功能的設計與實現(xiàn)</p><p>　　每個基本單元由兩個等長的直桿,中間通過抗剪鉸相而成,稱為剪式單元。剪式單元之間相互鉸接,可實現(xiàn)伸縮運動功能,

81、機構底部節(jié)點一個與固定裝置鉸接,另一個與水平滑塊鉸接,頂部節(jié)點以同樣的方式相連。該機構具有將滑塊的水平運動轉(zhuǎn)化放大為結(jié)構垂直運動的功能。傳統(tǒng)的剪叉式機構大多為平面機構,不具備空間運動的特性,如果將傳統(tǒng)的平面剪叉式機構演化成空間剪叉式構,則無疑會拓展剪叉式機構的應用領域。國內(nèi)外許多學者對平面剪叉機構進行了演化變異,形成了各種空間可展結(jié)構。采用一種變異演化方法將兩組Ｘ型基本單元的中間鉸鏈通過一個圓環(huán)形鉸鏈連接起來,并將一個Ｘ型基本單元的運動

82、平面相對于另外一個基本單元旋轉(zhuǎn)一個角度所得,如圖4.2在90°情況下所示。這種空間型剪叉式機構具有以下特點:(1)只有一個運動自由度,僅需要一個原動件；(2)第一級運動單元有四個滑塊,它們沿半徑方向作同步運動;(3)支撐剛度和抗扭轉(zhuǎn)剛度成倍增加,穩(wěn)定性得到大大提高。</p><p>　　2．　旋轉(zhuǎn)功能的設計與實現(xiàn)</p><p>　　設計的清洗裝置將可旋轉(zhuǎn)底盤與空間剪叉伸縮臂組合

83、在一起形成一個具有旋轉(zhuǎn)伸縮功能的機構（見圖4.3)。可旋轉(zhuǎn)伸縮機構系統(tǒng)由四大部分組成 , 如圖4.4所示。基座為固定裝置;旋轉(zhuǎn)底盤是系統(tǒng)的傳動系統(tǒng),它由兩根主動絲桿、兩根導向桿、螺旋 機構、復合輪系機構和可轉(zhuǎn)動底盤等構成;控制與動裝置由兩個獨立驅(qū)動電機和減速器構成;伸縮部分由空間剪叉機構組成。</p><p>　　1,2.電機　3,4.圓柱齒輪　5,6.螺紋桿　7,8,9.錐齒輪　10,11.螺紋移動塊　12.剪

84、叉結(jié)構 13,14.滾珠　15.底盤　16.墓座</p><p>　　通過螺旋副連接,同時又與剪叉連桿12通過接旋轉(zhuǎn)副鉸接:與剪叉結(jié)構12鉸接另外兩個滑塊,與兩根導向桿通過圓柱副連接;底盤15與電機2固連,由齒輪4帶動,并通過軸承實現(xiàn)與外做的分離旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖4.4可伸縮旋轉(zhuǎn)機構的運動簡圖運動原理:電機1驅(qū)動齒輪3旋轉(zhuǎn)，3旋轉(zhuǎn)后帶動齒輪4轉(zhuǎn)動，齒輪4帶動底盤15轉(zhuǎn)動,整個底

85、盤帶動剪叉伸縮臂實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。電機2驅(qū)動錐齒輪9旋轉(zhuǎn)，錐齒輪9帶動錐齒輪7,8旋轉(zhuǎn)，錐齒輪7,8驅(qū)動螺桿5,6，然后螺桿5,6驅(qū)動螺紋塊10,11在螺旋副作用下作直線運動,向圓盤中心收縮,迫使剪叉連桿逐漸伸展。同理,通過調(diào)整兩個電動機轉(zhuǎn)向,可改變空間剪叉臂的收縮和旋轉(zhuǎn)的方向。在兩個電機同時作用下,空間剪叉臂可同時進行旋轉(zhuǎn)和往復運動。</p><p>　　4.4機構的有限元分析</p><p>

86、<b>　　建模</b></p><p>　　由于該機構工作時主要是受轉(zhuǎn)矩和彎矩，而且是由相同的桿組合而成，故取最小的單元-----桿,進行有限元分析如下圖4.5所示：</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　從有限元分析的圖可以看出該機構工作時桿件的中間和兩端受力和變形比較大。在使用過程中，要以中間

87、承受里的大小作為設計準則和校核準則。</p><p>　　第5章 對該清洗管道機構的效果分析</p><p>　　5.1 效果分析方法</p><p>　　由于空間剪叉結(jié)構的外載荷僅作用在節(jié)點上,所以節(jié)點的運動規(guī)律對下一步空間剪叉機構的拉壓承載力和扭轉(zhuǎn)承載力的計算與分析至關重要。我們將采用數(shù)學建模的方法對該機構的清洗效果進行分析。在數(shù)學建模的情況下，有數(shù)據(jù)有圖

88、像，結(jié)果更具有真實性和有效性。</p><p><b>　　5.2 分析內(nèi)容</b></p><p>　　由于該管道清洗機構采用的是空間正交剪叉式機構，主要是進行旋轉(zhuǎn)和伸縮運動，各單元節(jié)通過鉸鏈鏈接，故將從位移、速度和加速度三個方面分析旋轉(zhuǎn)伸縮機構的運動學特性。從而知道怎樣能提高機構的可靠性。</p><p>　　1．　旋轉(zhuǎn)伸縮機構的運動學建

89、模，如圖5.1所示</p><p>　　如5.1所示建立空間直角坐標系Ｏ-ｘｙｚ,坐標原點Ｏ與第一級空間剪叉單元的頂點Ａ0重合,Ｂｉ、Ｃｉ(ｉ=0,1,2,…)為剪叉結(jié)構的節(jié)點,節(jié)點Ｂ0、Ｃ0分別位于ｘ、ｙ軸上。由于整個空間剪叉組合正交,則Ｄ0、Ｅ0落在-ｘ、-ｙ軸上,且運動規(guī)律與Ｂ0相似。通過計算Ａ0、Ｂ0的運動特性,即可分析出其它各節(jié)點的運動情況。</p><p>　　在旋轉(zhuǎn)伸縮機構中

90、設Ａ(Ｏ)為固定點,節(jié)點Ｂｉ運動軌跡為兩種運動的疊加;一方面向Ａｉ直線運動,速度為ｖ,同時又繞著Ａｉ做圓周運動,角速度為ω。為了研究方便進行運動分解,先討論節(jié)點Ｂ向Ａ的直線運動,如圖5.1所示為ｘＯｚ面上疊加的剪叉機構。</p><p>　　設組成剪叉單元的桿長為ａ,初始條件為剪叉機構完全收位置,即Ｂ0Ａ0桿與ｘ軸的初始夾角為0°。則各節(jié)點初始坐標位置,以矩陣的形式表達為:</p><

91、;p>　?。粒?= [0　0　0]Ｔ　　Ｂｉ0= [ａ　0　0]Ｔ （5.1）</p><p>　　其中Ａｉ0,Ｂｉ0表示Ａｉ,Ｂｉ節(jié)點的初始坐標,ｉ=0,1,2,…</p><p>　　則經(jīng)過時間ｔ,剪叉單元跨度和高度分別為:</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　

92、　各節(jié)點的坐標位置變?yōu)?</p><p>　　接下來,節(jié)點Ｂ繞著ｚ軸運動,ｔ時刻轉(zhuǎn)過的角度θ=ωｔ,</p><p>　?。粒?Ｂｉ在空間的坐標表示為:</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　其中[Ｃθ]為繞坐標軸ｚ軸旋轉(zhuǎn)的坐標變換矩陣。用ｖｘ、ｖｙ、ｖｚ表示其在慣性坐標系ｘｙｚ中的速度分量

93、,用ａｘ,ａｙ,ａｚ表示其在慣性坐標系ｘｙｚ中的加速度分量。式子兩邊對時間ｔ求一階導,則可得速度方程。</p><p><b>　　節(jié)點Ａｉ的速度:</b></p><p>　?。洌粒?ｄｔ= （5.4）</p><p>　　2．　新型旋轉(zhuǎn)伸縮機構的運動學分析</p><p>　　設剪叉結(jié)構單個桿長為ａ=128

94、ｍｍ,底盤旋轉(zhuǎn)角速度ω=0.3ａｄ/ｓ,螺紋塊移動速ｖ=1ｍｍ/ｓ,則展開所用總時間為ｔ=ａ/ｖ=128ｓ。由建立的物理模型可知,Ａｉ的運動軌跡為沿著ｚ軸做直線運動,ｘ、ｙ軸的位移分量為零。由于剪叉結(jié)構空間位置具有對稱性,Ａｉ的ｚ軸速度分量與Ｂｉ相同。下面著重分析節(jié)點Ｂｉ的運動,Ｂｉ的運動軌跡為空間螺旋曲線,Ｂ1、Ｂ2節(jié)點運動軌跡的仿真結(jié)果如圖5.2示。隨著ｉ的增大Ｂｉ空間軌跡縱向距離成倍增大。Ｂｉ各節(jié)點的速度分析結(jié)果如圖5.3,5.4

95、所示,分別為各點在慣性坐標系下ｘ、ｙ、ｚ方向的速度分量。ｘ、ｙ方向的速度分析結(jié)果表明ｘ、ｙ軸方向速度變化具有相似性,隨著機構的旋轉(zhuǎn),速度方向交替變化,且速度大小呈衰減趨勢,直到剪叉臂完全收攏停止。Ｂ0始終在ｘＯｙ面上運動,ｚ向的速度為0。Ｂｉ節(jié)點ｚ軸速度分量的初始值大小隨著ｉ的取值成倍增加,且速度急劇減小,然后趨于平穩(wěn),整個過程顯示了剪叉機構伸展過程的運動特性。圖5.5為旋轉(zhuǎn)伸縮機構伸展過程中不同時刻的結(jié)構狀態(tài)。</p>

96、<p>　　5.3 數(shù)據(jù)分析的意義</p><p>　　通過建模以及對數(shù)據(jù)的分析，知道了該機構清洗時各點的速度和加速度，便于選則所需的材和對電機的選擇。</p><p>　　上面設計了一種新型旋轉(zhuǎn)伸縮機構模型,將兩組平面剪叉機構整合成正交立體的空間剪叉機構,運用復合輪系機構及螺旋系統(tǒng)實現(xiàn)了對剪刀叉的驅(qū)動,伸展結(jié)構有較強的伸縮性能和抗扭曲</p><p>

97、　　通過對該機構的運動學分析,揭示了這種機構的運動特性,分析了該機構的結(jié)構關系并建立了其運動學模型。對不同結(jié)構參數(shù)的旋轉(zhuǎn)伸縮機構,分析了其展開過程中任意節(jié)點的位置、速度和加速度的變化規(guī)律,計算結(jié)果與試驗中該機構的運動特性完全相符,為下一步的多剛體、多柔體展開動力學分析奠定了基礎。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　管道清洗十分的重要，能夠讓

98、人們的生活更加的健康，也能夠節(jié)約能源保護環(huán)境?？臻g正交剪叉式清洗機構具有結(jié)構簡單成本低廉的優(yōu)點，這種空間可展開機構結(jié)構上具有尺度一致性、重復性好等特征,加工裝配簡單,實用性很強。因此在管道清洗應用和其他空間可展開結(jié)構方面具有廣泛的應用前景。但是該機構清洗效率和速度不是非常的高，目前清洗管道不能清洗彎曲的管道，還有待改進。今后在這方面還要多做研究，將其優(yōu)點擴大使其應用前景更廣泛。</p><p><b>

99、　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 楊善讓，徐志明.換熱設備的污垢與對策(第2版)[M].北京:科學出版社，2004.</p><p>　　[2] 夏新民.換熱器在線清洗技術介紹[[J].石油化工設備技術，1993， (4): 56~59.</p><p>　　[3] 蔣興橋，宋華東，張雯淘.PIG清洗技術的研究及應用[J].清洗世界，20

100、06, 22( 5): 13~15. </p><p>　　[4] 李德福，劉潔.石油化工設備清洗技術[M].北京:化學工業(yè)出版社，2003.</p><p>　　[5] 陸震維，陳玉梅.化工裝置清洗技術現(xiàn)狀和展望[J].化工進展，1992, 7( 4):25- 30 </p><p>　　[6] ]李德福，張學發(fā).工業(yè)清洗技術[M].北京:化學工業(yè)出版社，2003

101、. </p><p>　　[7] 馮若，黃金蘭.超聲清洗及其物理機制[J].應用聲學，1993,13 (1):42-47.</p><p>　　[8] 羅憲中，李貴平.超聲清洗領域新拓展一超聲防垢.清洗世界，2004, 20 (6) :10-14. </p><p>　　[9] 郭永剛，王景芹.超聲波在石油化工中應用的研究進展.當代化工，2008, 37 (1) :

102、5-10.</p><p>　　[10] 丘泰球，胡愛軍.超聲波防除積垢節(jié)能技術及設備開發(fā).應用聲學，2002, 21(3) :40-45.</p><p>　　[11] Jones D,DaWSOn J. Risk sssessment to pipeline lifemanagement. Pipes and Pipeline International, 1998, 43 (1):

103、5-18.</p><p>　　[12] Soudagar S R, Samant S D. Seniquantitative characterization of ultrasonic cleaner using a novel piezoelectric pressure intensity measurement probe. Ultrasonics Sonochemistry, 1995, 2 (1)

104、:49-53.</p><p>　　[13]呂仲文. 機械創(chuàng)新設計. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.</p><p>　　[14]王成燾. 現(xiàn)代機械設計——思想與方法. 上海：上?？茖W技術文獻出版社，1999.</p><p>　　[15]王步瀛. 機械零件強度計算的理論和方法. 北京： 高等教育出版社，1986.</p><p>　　[1

105、6]Juvinall R. C. Engineering Considerations of Stress ，Strain and Strength. New York：McGraw Hill，1967.</p><p>　　[17]Hindhede I ，Uffe. Machine Design Fundamentals：A Practical Approach.New York：Wiley，1983.<

106、/p><p>　　[18]Rajput R K. Elements of Mechanical Engineering.Katson Publ. House.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　首先要向我的導師陳艷表示衷心的感謝。本次畢業(yè)設計是在我的導師陳艷的悉心指導下完成的，大學四年雖說好好學習了，但是專業(yè)知識遠遠

107、的不夠，剛剛拿到論文題目實則找不到頭緒，最后還是請陳艷老師提點，才能想出方案，期間又遇到很多不會的地方，陳艷老師不怕辛苦一一的給我講解，陳艷嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，嚴以律己、寬以待人的崇高風范，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。不僅使我掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。本論文從選題到完成，每一步都是在導師的指導下完成的，傾注了導師大量的心血。在此，謹向?qū)煴硎境绺叩木?/p>