管道清洗方案的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

學(xué)號(hào)：2011040191132密級(jí)：武漢東湖學(xué)院本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))管道清洗方案的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)院(系)名稱：機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)名稱：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)生姓名：吳慧子指導(dǎo)教師：陳艷講師二〇一五年五月八日鄭重聲明我鄭重聲明：本人恪守學(xué)術(shù)道德，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)，所呈交的學(xué)術(shù)論文是本人在老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的結(jié)果。除文中明確注明和引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何他人已經(jīng)發(fā)表和撰寫過得內(nèi)容。論文為本人親自撰寫，并對(duì)所寫內(nèi)容負(fù)責(zé)。本人簽名：日期：摘要用于食品的管道或油管，總會(huì)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(jì)損失，而且對(duì)環(huán)境有很大的污染。論文基于節(jié)能減排的前提下，設(shè)計(jì)了一種管道除垢技術(shù)，主要采用機(jī)械結(jié)構(gòu)（空間正交剪叉式機(jī)構(gòu)）通過旋轉(zhuǎn)及大范圍的伸縮，帶動(dòng)清洗頭部，達(dá)到清洗的目的，提高了清洗效率，降低成本，增強(qiáng)其產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。在設(shè)計(jì)過程中分析管道垢物的種類，對(duì)此裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并析分析了該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，建立了其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析了運(yùn)動(dòng)時(shí)速度和加速度的變化規(guī)律。關(guān)鍵詞：管道清洗；剪叉式；旋轉(zhuǎn)伸縮；除垢AbstractPipeortubingusedinfood,isalwaysawallofpipelinecausedbyfoulingproblem,pipescaleindustrialaccidentsoccurredfrequently,notonlycausehugeeconomiclosses,butalsohasalotofpollutiontotheenvironment.Paperbasedonthepremiseofenergyconservationandemissionsreduction,apipedescalingtechnologyisdesigned,mainlyadoptsmechanicalstructure,spatialorthogonalshearforkbyrotatingandawiderangeofscale,drivesthecleaninghead,reachthepurposeofcleaning,improvethecleaningefficiency,reducecosts,enhancemarketcompetitionabilityoftheirproducts.Inthedesignprocessofcokingintheanalysisofpipelinetype,forstructuraldesignandanalysisofthisdeviceontheanalysisofthestructureoftheagencyrelationship,thekinematicsmodelisestablished.Analyzedthemovementchangelawsofvelocityandacceleration.Keywords:pipelinecleaning;Shearfork;Rotatingscale;descaling目錄摘要IAbstractII第1章引言31.1課題背景31.2課題目的及意義31.3課題研究?jī)?nèi)容3第2章污垢及除垢分析52.1污垢的定義和分類52.1.1污垢的定義52.1.2污垢的分類52.2污垢的形成模型62.3污垢的危害62.4污垢分析的數(shù)學(xué)模型72.4.1污垢沉積與剝蝕的數(shù)學(xué)模型72.4.2污垢熱阻的數(shù)學(xué)分析法82.5國(guó)內(nèi)外防垢除垢方法8第3章空間正交剪叉式機(jī)構(gòu)分析113.1結(jié)構(gòu)原理113.1.1連桿的特點(diǎn)113.1.2剪叉式機(jī)構(gòu)的組成113.1.3剪叉式機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)113.2結(jié)構(gòu)用途123.3結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)123.4剪插式機(jī)構(gòu)的演化規(guī)律133.4.1剪叉式機(jī)構(gòu)的組成133.4.2剪叉式機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)14第4章基于空間正交剪叉式機(jī)構(gòu)的管道清洗機(jī)結(jié)構(gòu)分析164.1該機(jī)構(gòu)組成164.2該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式164.3該機(jī)構(gòu)清洗管道的方式164.5對(duì)該機(jī)構(gòu)的有限元分析和結(jié)論18第5章對(duì)所設(shè)機(jī)構(gòu)的效果分析205.1效果分析方法205.2分析內(nèi)容205.3分析數(shù)據(jù)的意義26總結(jié),27參考文獻(xiàn)28致謝30引言1.1課題背景隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)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(jì)性。地球的能源一天天的減少，全球也在極力號(hào)召節(jié)能，為以后人類能更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展做準(zhǔn)備。尤其是那些不可再生能源。所以對(duì)于我們所用管道的清洗就必須兼顧節(jié)能有效。傳統(tǒng)的化學(xué)法除垢,使用相當(dāng)有害的化學(xué)劑如鹽酸進(jìn)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(duì)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(jī)械的方式。1.2課題目的及意義人們的生活處處都會(huì)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(zhǎng)時(shí)間被污染的話，管道就會(huì)被腐蝕甚至?xí)o人們的生活帶來弊端：1)長(zhǎng)期使用管道使管道內(nèi)的油泥、銹垢固化造成管徑變小。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。3)廢水中的酸、堿物質(zhì)易對(duì)管道壁產(chǎn)生腐蝕。4)管道內(nèi)的異物將會(huì)造成管道堵塞。5)產(chǎn)生了雜質(zhì)后會(huì)嚴(yán)重影響管道的正常使用，所以對(duì)管道進(jìn)行清洗，使管道內(nèi)恢復(fù)材質(zhì)本身表面十分重要。本課題所做的目的主要是為了解決長(zhǎng)期困擾工程人員的管道內(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(jì)損失，而且對(duì)環(huán)境有很大的污染。在國(guó)家提倡節(jié)能減排的背景下，我們?cè)O(shè)計(jì)一種管道除垢技術(shù)來提高其清洗效率，增強(qiáng)其產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。在設(shè)計(jì)過程中分析管道垢物的形成機(jī)理，設(shè)計(jì)提高管道防垢除垢效果的裝置，對(duì)此裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并根據(jù)管道結(jié)構(gòu)分析管道液體的流動(dòng)狀態(tài)，繪制出圖形文件。1.3課題研究?jī)?nèi)容管道用久了必然需要清洗，否則會(huì)損壞管道降低工作效率，提高了不必要的成本，嚴(yán)重的還會(huì)存在安全問題，對(duì)人類構(gòu)成威脅了?；诠?jié)能減排的前提下，顧全安全因素，我們決定采用機(jī)械方案清洗，設(shè)計(jì)了一種管道除垢技術(shù)，主要采用機(jī)械結(jié)構(gòu)（空間正交剪叉式機(jī)構(gòu)）通過大范圍的伸縮旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)清洗頭部，達(dá)到清洗的目的，提高了清洗效率，降低成本，增強(qiáng)其產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。在設(shè)計(jì)過程中分析管道垢物的形成機(jī)理，對(duì)此裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gòu)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(shí)流體流動(dòng)過程的分析。主要的研究?jī)?nèi)容有以下幾個(gè)方面：對(duì)管道結(jié)構(gòu)的分析對(duì)清洗管道的重要性進(jìn)闡述對(duì)污垢的分析對(duì)剪叉式機(jī)構(gòu)的分析對(duì)該管道清洗功能的測(cè)試污垢及除垢分析2.1污垢的定義與分類2.1.1污垢的定義圖2.1管道結(jié)垢圖結(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，圖2.1管道結(jié)垢圖垢是生產(chǎn)生活中一種極為普遍的現(xiàn)象,它存在于自然現(xiàn)象、日常生活和各類工業(yè)生產(chǎn)過程,特別是存在于化工生產(chǎn)各種傳熱過程中。污垢會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，一般工業(yè)或者家用管道用久了都會(huì)產(chǎn)生污垢，而且污垢的類型很多，所以最好定時(shí)對(duì)管道進(jìn)行清洗。2.1.2污垢的分類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(huì)有不同的污垢、不同的工質(zhì)狀態(tài)也會(huì)有不同的污垢、時(shí)間在不停的變化，污垢會(huì)隨著時(shí)間的推移改變、污垢也可能是通過物理變化形成的也會(huì)通過化學(xué)變化形成以及會(huì)不會(huì)繼續(xù)變化等，因此根據(jù)不同的特點(diǎn)對(duì)污垢進(jìn)行分類是很有必要的。根據(jù)污垢存在的形狀分類：(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。(2)覆蓋膜狀污垢有三種存在的狀態(tài)：固態(tài)，半固態(tài)和流態(tài)。(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。(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。應(yīng)該說明的是通常說的油垢，實(shí)際上可能是；兩類性質(zhì)完全不同的有機(jī)物。一類是礦物油包括機(jī)器油、潤(rùn)滑油等，它們屬于有機(jī)物的烴類，是石油分餾的產(chǎn)品；\t"://baike.haosou/doc/_blank"相對(duì)分子質(zhì)量更大的烷烴。除了可燃之外，它們可以說是化學(xué)穩(wěn)定性很好的有機(jī)物。另一類是油脂，包括動(dòng)物脂肪和植物油；它們屬于有機(jī)物酯類，是飽和或不飽和高級(jí)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。根據(jù)污垢的親水性和親油性分類：(1)易溶于水的污垢即親水性污垢例如食鹽等無機(jī)物和蔗糖等有機(jī)物。(2)親油性污垢如油脂、礦物油、樹脂等有機(jī)物。2.2影響結(jié)垢的因素影響換熱器結(jié)坂的因素有很多,包括流體性質(zhì)、流體流速、換熱設(shè)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:(1) 流速目前流速對(duì)污垢的影響有兩種截然不同的結(jié)論:以Ritter、chamozubov等人為代表的學(xué)者則認(rèn)為流速的增加會(huì)促進(jìn)垢層的生長(zhǎng),因?yàn)樵诮Y(jié)垢過程中粒子擴(kuò)散的阻力較大,而高流速引起的湍流促進(jìn)了顆粒的輸運(yùn),使顆?？焖俚竭_(dá)壁面吸附而結(jié)垢。(2) 溫度和溫差的影響兩者實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差巨大,到目前為止,表面溫度對(duì)結(jié)垢的影響程度尚無公認(rèn)結(jié)論。(3)其它因素1) 流體中溶解物質(zhì)的濃度對(duì)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。2) 物料濃度隨溫度變化的關(guān)系物料飽和濃度隨溫度的變化關(guān)系可影響操作條件的選擇和結(jié)垢的形成。3) 厚度和剪切強(qiáng)度垢層厚度越大,流速也會(huì)隨之增加,剪切力會(huì)提高,這有助于使垢層脫落。若垢層的剪切強(qiáng)度不大,則兩者可以處于平衡狀態(tài)。避免選取過大的污垢系數(shù)。容易結(jié)垢的流體盡量走管程,便于清洗。(5) 注意開停車以及換熱器運(yùn)行工況,避免溫度高于設(shè)計(jì)值,流速低于設(shè)計(jì)值由于污垢是無法絕對(duì)避免的,因而由污垢存在所帶來的換熱設(shè)備清洗,人工操作,設(shè)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2.3污垢的危害污垢形成后會(huì)污染人們所需的水或者其他東西，會(huì)腐蝕管道也會(huì)降低傳管道送效率。例如換熱設(shè)備結(jié)垢就是很普遍的一種現(xiàn)象了，換熱設(shè)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(shè)備之一,污垢涉及領(lǐng)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。同時(shí),因鍋爐水質(zhì)管理不當(dāng)?shù)仍?結(jié)垢還將導(dǎo)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)安全。綜合換熱設(shè)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(gè)方面:引起垢下腐蝕,縮短設(shè)備使用壽命;污垢導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降,嚴(yán)重時(shí)造成設(shè)備阻塞,危及正常的連續(xù)生產(chǎn),并且產(chǎn)生安全隱患;流體阻力增加,設(shè)備能耗上升;能耗增加,不利于清潔生產(chǎn);周期性的污垢清洗影響產(chǎn)品質(zhì)量,同時(shí)導(dǎo)致原料消耗增加;污垢清洗加大了生產(chǎn)運(yùn)行人力,物力成本;換熱設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)增加冗余面積,帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失。2.4污垢分析的數(shù)學(xué)模型2.4.1理想污垢條件下的污垢沉積與剝蝕的數(shù)學(xué)模型根據(jù)污垢的形成特點(diǎn),建立了污垢沉積模型與污垢剝蝕模型。污垢沉積模型（2.1）式中:md為沉積率;Q沉積層與換熱界面處的污垢物質(zhì)濃度;Ts為液固相界面溫度;Csat為飽和時(shí),結(jié)坊物質(zhì)的濃度;n為化學(xué)反應(yīng)級(jí)數(shù);A'為阿侖尼烏斯常數(shù);Rt為氣體普適常數(shù);Kr為碰撞率常數(shù);E為活化能。污垢剝蝕模型根據(jù)擴(kuò)散理論,換熱表面在沉積雜物的同時(shí),也進(jìn)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(gòu)函數(shù)有關(guān),關(guān)系式為:（2.2）式中:m,為剝蝕率為流體在固體表面的剪切應(yīng)力;&為常數(shù);Mf為污垢凈積存速率;V為沉積物的結(jié)構(gòu)函數(shù);2.4.2污垢熱阻的數(shù)學(xué)分析辦法前文中提到,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(xué)角度看,直接因素只有兩個(gè):污垢本身導(dǎo)熱系數(shù)以及污垢的厚度。目前污垢對(duì)換熱設(shè)備影響的理論計(jì)算方式如下:（2.3）其中,Ko為基于管外表面的總傳熱系數(shù),W/m2。A為管壁面積;A,為平均;管壁面積;Rfi為污垢熱阻,為管壁熱阻;Rfo為對(duì)流傳熱系數(shù);2.5國(guó)內(nèi)外防垢除垢技術(shù)分析半個(gè)世紀(jì)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(shù)和方法。國(guó)內(nèi)目前的管道清洗方法：管道清洗采用化學(xué)方法或物理方法對(duì)管道內(nèi)表面污垢進(jìn)行清洗，保證管道內(nèi)表面恢復(fù)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(xué)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。清洗方式：化學(xué)式管道清洗：化學(xué)清洗管道是采用化學(xué)藥劑，對(duì)管道進(jìn)行臨時(shí)的改造，用臨時(shí)管道和循環(huán)泵站從管道的兩頭進(jìn)行循環(huán)化學(xué)清洗。該技術(shù)具有靈活性強(qiáng)，對(duì)管道形狀無要求，速度快，清洗徹底等特點(diǎn)。高壓式水清洗：采用50Mpa以上的高壓水射流，對(duì)管道內(nèi)表面污垢進(jìn)行高壓水射流剝離清洗。該技術(shù)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(shù)具有速度快，成本低等特點(diǎn)。PIG式管道清洗：PIG工業(yè)清管技術(shù)是依靠泵推動(dòng)流體產(chǎn)生的推動(dòng)力驅(qū)動(dòng)PIG（清管器）在管內(nèi)向前推動(dòng)，將堆積在管線內(nèi)的污垢排出管外，從而達(dá)到清洗的目的。該技術(shù)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(duì)于長(zhǎng)距離輸送流體的管道清洗，具有其他技術(shù)無法替代的優(yōu)勢(shì)。管道清洗機(jī)手動(dòng)型1.松開鎖緊夾頭(或鎖母)，將軟軸拉出。2.將軟軸插入需疏通的管道內(nèi)至費(fèi)力時(shí)。3.距管口預(yù)留100mm軟軸，鎖緊夾頭(或鎖母)4.旋轉(zhuǎn)滾筒(或曲拐)并同時(shí)向管道口推進(jìn)，使軟軸通過受阻區(qū)。松開夾頭，重復(fù)2-4步驟，直至疏通。5.使用后，請(qǐng)將軟軸沖洗，擦拭干凈并風(fēng)干，插入滾筒內(nèi)備用。機(jī)動(dòng)型1.將軟軸從主機(jī)芯軸內(nèi)穿出。2.選擇適當(dāng)?shù)你@具，牢固聯(lián)接在軟軸上。3.將主機(jī)放在適當(dāng)位置，不要接觸污水)鉆具.軟軸盡量插入管道內(nèi)。4.機(jī)器后部軟軸留出2-4M，其余卸下備用。5.將插頭插入具有良好保護(hù)接地的單項(xiàng)三孔插座中。6.打開控制開關(guān)，使主軸正向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。7.在管口與主機(jī)之間預(yù)留一段(100-300mm)軟軸，壓下操縱手柄，同時(shí)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(jìn)，并通過阻力區(qū)，重復(fù)以上操作，直至疏通。8.停機(jī)后，將軟軸從管道內(nèi)拉出，清除污物，擦干備用。9.主機(jī)使用完畢，空轉(zhuǎn)2-3分鐘后，在注油孔加注潤(rùn)滑油(20#機(jī)油)防止主軸銹蝕。10.確定管道疏通后，可操作本機(jī)繼續(xù)運(yùn)行幾分鐘，使軟軸進(jìn)一步去除管壁上的污物，同時(shí)加水。手持式1.將手柄向前推，即可松開夾頭，將軟軸拉出送入管道。2.接通電源，按下調(diào)速開關(guān)，可自行控制轉(zhuǎn)速，開始應(yīng)使用慢速，根據(jù)熟練程度可逐步加快。3.將手柄向后一壓，即可夾緊軟軸，驅(qū)動(dòng)軟軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)向管道內(nèi)推進(jìn)。4.根據(jù)管道堵塞情況，在滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，配合使用手柄的推壓，將軟軸推入管道，直至疏通。使用后應(yīng)將軟軸擦拭干凈，再收回滾筒內(nèi)備用。若使用軟軸自動(dòng)推進(jìn)裝置，應(yīng)將自動(dòng)裝置穿過軟軸頭端。5.與手柄前端聯(lián)接，旋緊鎖母。6.通過調(diào)整換向開關(guān)再按下調(diào)速開關(guān)可實(shí)現(xiàn)軟軸自動(dòng)進(jìn)給或后退，完成管道疏通工作。自動(dòng)型將軟軸從主機(jī)空心軸內(nèi)穿出選擇適當(dāng)?shù)你@具與軟軸聯(lián)接。1.將主機(jī)放置在適當(dāng)位置，將軟軸盡量插入管道內(nèi)。2.將電源線插頭插入具有良好保護(hù)接地的單項(xiàng)三孔插座。3.打開控制開關(guān)①正轉(zhuǎn)，壓下手柄④軟軸將自動(dòng)向管道中送進(jìn)。4.同時(shí)可用旋紐③調(diào)整軟軸進(jìn)給速度。5.注意：遇到阻力時(shí)，可適當(dāng)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)2-3分鐘后，加注潤(rùn)滑油保管。第3章空間正交剪叉式機(jī)構(gòu)分析3.1機(jī)構(gòu)原理該機(jī)構(gòu)是在連桿的基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新，連桿機(jī)構(gòu)是機(jī)器中常用的基礎(chǔ)的機(jī)構(gòu)。連桿，通過運(yùn)動(dòng)副可以傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。要求具有足夠的鋼性和韌性。組成連桿機(jī)構(gòu)的條件：首先要滿足桿長(zhǎng)條件即最長(zhǎng)桿加最短桿的桿長(zhǎng)要小于或等于其余兩邊桿長(zhǎng)之和；其次若要形成曲柄機(jī)構(gòu)則需選擇最短桿作為機(jī)架或者連架桿，若要形成雙搖桿機(jī)構(gòu)則需選擇最短桿作為連桿等。本機(jī)構(gòu)不需要形成曲柄搖桿或者雙曲柄機(jī)構(gòu)，故只需滿足桿長(zhǎng)條件，不需固定那根桿為機(jī)架。3.1.1連桿的特點(diǎn)連桿機(jī)構(gòu)具有以下一些傳動(dòng)特點(diǎn)：1)運(yùn)動(dòng)副一般均為低副。低副兩運(yùn)動(dòng)副元素為面接觸，壓強(qiáng)較??；且有利于潤(rùn)滑，磨損較小。構(gòu)件多呈現(xiàn)為桿的形狀（故常簡(jiǎn)稱構(gòu)件為桿）。此外，構(gòu)件的幾何形狀也較簡(jiǎn)單，便于加工制造?？蓪?shí)現(xiàn)多種形式的運(yùn)動(dòng)變換和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。具有豐富的連桿曲線形狀。平面連桿機(jī)構(gòu)的作用：1）用來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，擺動(dòng)，移動(dòng)和平面或空間復(fù)雜運(yùn)動(dòng)之間的相互變換。2）實(shí)現(xiàn)預(yù)定的軌跡要求3.1.2剪叉式機(jī)構(gòu)的組成兩根連桿由鉸鏈連接起來，組成x形狀的機(jī)構(gòu)如圖3.1所示。兩個(gè)首鉸鏈，其中一個(gè)固定，一個(gè)活動(dòng)，中間用一個(gè)鉸鏈把兩桿連接起來，輸出端也是兩個(gè)鉸鏈，跟下一組剪叉單元相連接。故剪叉式機(jī)構(gòu)是一種特殊的平面連桿機(jī)構(gòu)?？臻g正交剪叉式機(jī)構(gòu)則是采用了多組剪叉式機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)很大圖3.1剪叉式機(jī)構(gòu)的組成圖3.1剪叉式機(jī)構(gòu)的組成連接圖如下圖3.2所示:明顯的可以看出聯(lián)接的方式，簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)。圖3.2剪叉式機(jī)構(gòu)的連接方式圖3.2剪叉式機(jī)構(gòu)的連接方式3.1.3剪叉式機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)運(yùn)動(dòng)單元模塊化，可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)行程的需要任意添加單元組數(shù)；輸出構(gòu)件做平移運(yùn)動(dòng)；良好的空間伸展特性，運(yùn)動(dòng)范圍大；剛度好，穩(wěn)定性好；常用兩組機(jī)構(gòu)并聯(lián)工作，承載能力高；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，成本低廉。3.2該機(jī)構(gòu)的用途可以用在剪叉式升降機(jī)構(gòu)，剪叉式升降平臺(tái)也用了該機(jī)構(gòu)，剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)，剪叉式液壓升降平臺(tái)，剪叉式液壓升降機(jī)，剪叉式高空作業(yè)平臺(tái)等機(jī)構(gòu)上，還可以用來組成英文字母。平臺(tái)升降機(jī)是滾裝船上普遍應(yīng)用的一種裝卸設(shè)備,多采用剪刀叉機(jī)構(gòu)或垂向滑軌機(jī)構(gòu)借油缸。結(jié)構(gòu)不足處: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(gòu)連接在一起。多組使用如果想收縮減小其面積則需注意尺寸的計(jì)算，不能隨意的長(zhǎng)度。3.3剪叉式機(jī)構(gòu)的技術(shù)特征尺度一致性：即各構(gòu)件單元幾何尺寸完全相同；等距對(duì)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(gòu)件的位置始終對(duì)稱于機(jī)構(gòu)的中軸線；運(yùn)動(dòng)相似性：將多組X型單元串聯(lián)連接時(shí)，各組運(yùn)動(dòng)單元中同側(cè)構(gòu)件轉(zhuǎn)角相同，即它們之間始終相互平行，且最終輸出構(gòu)件始終做平動(dòng)；比例縮放性：機(jī)構(gòu)可以自由的伸縮；結(jié)構(gòu)重復(fù)性：整個(gè)機(jī)構(gòu)由相同的單元組組成；占空緊湊性：整個(gè)機(jī)構(gòu)收縮后占空間很小。3.4剪插式機(jī)構(gòu)的演化規(guī)律3.4.1演化的方式如下圖3.3，圖3.4，圖3.5以及圖3.6所示剪插式機(jī)構(gòu)的演化規(guī)律改變鉸接方式剪插式機(jī)構(gòu)的演化規(guī)律改變鉸接方式改變剪桿形狀改變接口構(gòu)型圖圖3.3改變剪桿形狀圖3.5改變剪桿形狀圖3.4改變鉸圖3.5改變剪桿形狀圖3.4改變鉸接點(diǎn)增加鉸接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)改變鉸接點(diǎn)位置增加虛約束鉸接點(diǎn)改變鉸接點(diǎn)改變桿件空間形狀改變桿件平面形狀改變剪桿形狀空間拓?fù)浠炻?lián)空間共點(diǎn)并聯(lián)空間拓?fù)浠炻?lián)空間共點(diǎn)并聯(lián)空間串聯(lián)開環(huán)改變鉸接方式空間串聯(lián)閉環(huán)圖3.6改變鉸接方式圖3.6改變鉸接方式3.4.2剪插式機(jī)構(gòu)的演化的原則1．鉸接孔軸線平行原則：為保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，各單元件對(duì)應(yīng)的桿件應(yīng)該平行，即鉸接孔軸線要平行。2．剪桿桿長(zhǎng)全壓縮原則：要想機(jī)構(gòu)完全收縮回來，不出現(xiàn)干擾，如下圖3.7桿長(zhǎng)需要滿足條件：圖3.7桿長(zhǎng)需要的條件圖3.7桿長(zhǎng)需要的條件圖圖3.8伸縮對(duì)立圖同A與B'或B與A'聯(lián)接的另一級(jí)剪桿伸展與壓縮對(duì)立。4．機(jī)構(gòu)單自由度原則：對(duì)剪叉式機(jī)構(gòu)不論怎么組成何種機(jī)構(gòu)，需始終保證機(jī)構(gòu)的自由度是1，如下圖3.9所示的機(jī)構(gòu)的自由度均為1。自由度F=3n-（2Pl+Ph）=3×7-2×10=1。圖3.9不同機(jī)構(gòu)示意圖圖3.9不同機(jī)構(gòu)示意圖圖4.1機(jī)構(gòu)的整體示意圖第圖4.1機(jī)構(gòu)的整體示意圖4.1該機(jī)構(gòu)的組成如圖4.1所示，該機(jī)構(gòu)主要由剪叉式機(jī)構(gòu)和兩個(gè)電機(jī)組成，加上旋轉(zhuǎn)地盤以及機(jī)構(gòu)頂部的清洗海綿組成。4.2該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式該機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)空間立體式的旋轉(zhuǎn)和伸縮運(yùn)動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管道全方位和長(zhǎng)距離的清洗。4.3該機(jī)構(gòu)的清洗管道的方式在兩個(gè)電機(jī)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和伸縮的同時(shí)進(jìn)行。1．伸縮功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)每個(gè)基本單元由兩個(gè)等長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)功能,機(jī)構(gòu)底部節(jié)點(diǎn)一個(gè)與固定裝置鉸接,另一個(gè)與水平滑塊鉸接,頂部節(jié)點(diǎn)以同樣的方式相連。該機(jī)構(gòu)具有將滑塊的水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化放大為結(jié)構(gòu)垂直運(yùn)動(dòng)的功能。傳統(tǒng)的剪叉式機(jī)構(gòu)大多為平面機(jī)構(gòu),不具備空間運(yùn)動(dòng)的特性,如果將傳統(tǒng)的平面剪叉式機(jī)構(gòu)演化成空間剪叉式構(gòu),則無疑會(huì)拓展剪叉式機(jī)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)平面剪叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行了演化變異,形成了各種空間可展結(jié)構(gòu)。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(gè)圓環(huán)形鉸鏈連接起來,并將一個(gè)Ｘ型基本單元的運(yùn)動(dòng)平面相對(duì)于另外一個(gè)基本單元旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度所得,如圖4.2在90°情況下所示。這種空間型剪叉式機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn):(1)只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度,僅需要一個(gè)原動(dòng)件；(2)第一級(jí)運(yùn)動(dòng)單元有四個(gè)滑塊,它們沿半徑方向作同步運(yùn)動(dòng);(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。圖4.2空間型剪叉式機(jī)構(gòu)示意圖圖4.2空間型剪叉式機(jī)構(gòu)示意圖2．旋轉(zhuǎn)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的清洗裝置將可旋轉(zhuǎn)底盤與空間剪叉伸縮臂組合在一起形成一個(gè)具有旋轉(zhuǎn)伸縮功能的機(jī)構(gòu)（見圖4.3)?？尚D(zhuǎn)伸縮機(jī)構(gòu)系統(tǒng)由四大部分組成,如圖4.4所示?；鶠楣潭ㄑb置;旋轉(zhuǎn)底盤是系統(tǒng)的傳動(dòng)系統(tǒng),它由兩根主動(dòng)絲桿、兩根導(dǎo)向桿、螺旋機(jī)構(gòu)、復(fù)合輪系機(jī)構(gòu)和可轉(zhuǎn)動(dòng)底盤等構(gòu)成;控制與動(dòng)裝置由兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器構(gòu)成;伸縮部分由空間剪叉機(jī)構(gòu)組成。圖4.3可旋轉(zhuǎn)伸縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖圖4.4可伸縮旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖圖4.4可伸縮旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖1,2.電機(jī)3,4.圓柱齒輪5,6.螺紋桿7,8,9.錐齒輪10,11.螺紋移動(dòng)塊12.剪叉結(jié)構(gòu)13,14.滾珠15.底盤16.墓座通過螺旋副連接,同時(shí)又與剪叉連桿12通過接旋轉(zhuǎn)副鉸接:與剪叉結(jié)構(gòu)12鉸接另外兩個(gè)滑塊,與兩根導(dǎo)向桿通過圓柱副連接;底盤15與電機(jī)2固連,由齒輪4帶動(dòng),并通過軸承實(shí)現(xiàn)與外做的分離旋轉(zhuǎn)。圖4.4可伸縮旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖運(yùn)動(dòng)原理:電機(jī)1驅(qū)動(dòng)齒輪3旋轉(zhuǎn)，3旋轉(zhuǎn)后帶動(dòng)齒輪4轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪4帶動(dòng)底盤15轉(zhuǎn)動(dòng),整個(gè)底盤帶動(dòng)剪叉伸縮臂實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)2驅(qū)動(dòng)錐齒輪9旋轉(zhuǎn)，錐齒輪9帶動(dòng)錐齒輪7,8旋轉(zhuǎn)，錐齒輪7,8驅(qū)動(dòng)螺桿5,6，然后螺桿5,6驅(qū)動(dòng)螺紋塊10,11在螺旋副作用下作直線運(yùn)動(dòng),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(gè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向,可改變空間剪叉臂的收縮和旋轉(zhuǎn)的方向。在兩個(gè)電機(jī)同時(shí)作用下,空間剪叉臂可同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)。4.4機(jī)構(gòu)的有限元分析建模由于該機(jī)構(gòu)工作時(shí)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(jìn)行有限元分析如下圖4.5所示：圖4.5有限元分析圖結(jié)論從有限元分析的圖可以看出該機(jī)構(gòu)工作時(shí)桿件的中間和兩端受力和變形比較大。在使用過程中，要以中間承受里的大小作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和校核準(zhǔn)則。第5章對(duì)該清洗管道機(jī)構(gòu)的效果分析5.1效果分析方法由于空間剪叉結(jié)構(gòu)的外載荷僅作用在節(jié)點(diǎn)上,所以節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)下一步空間剪叉機(jī)構(gòu)的拉壓承載力和扭轉(zhuǎn)承載力的計(jì)算與分析至關(guān)重要。我們將采用數(shù)學(xué)建模的方法對(duì)該機(jī)構(gòu)的清洗效果進(jìn)行分析。在數(shù)學(xué)建模的情況下，有數(shù)據(jù)有圖像，結(jié)果更具有真實(shí)性和有效性。5.2分析內(nèi)容由于該管道清洗機(jī)構(gòu)采用的是空間正交剪叉式機(jī)構(gòu)，主要是進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和伸縮運(yùn)動(dòng)，各單元節(jié)通過鉸鏈鏈接，故將從位移、速度和加速度三個(gè)方面分析旋轉(zhuǎn)伸縮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。從而知道怎樣能提高機(jī)構(gòu)的可靠性。1．旋轉(zhuǎn)伸縮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，如圖5.1所示圖5.1坐標(biāo)描述圖5.1坐標(biāo)描述如5.1所示建立空間直角坐標(biāo)系Ｏ-ｘｙｚ,坐標(biāo)原點(diǎn)Ｏ與第一級(jí)空間剪叉單元的頂點(diǎn)Ａ0重合,Ｂｉ、Ｃｉ(ｉ=0,1,2,…)為剪叉結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)Ｂ0、Ｃ0分別位于ｘ、ｙ軸上。由于整個(gè)空間剪叉組合正交,則Ｄ0、Ｅ0落在-ｘ、-ｙ軸上,且運(yùn)動(dòng)規(guī)律與Ｂ0相似。通過計(jì)算Ａ0、Ｂ0的運(yùn)動(dòng)特性,即可分析出其它各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況。在旋轉(zhuǎn)伸縮機(jī)構(gòu)中設(shè)Ａ(Ｏ)為固定點(diǎn),節(jié)點(diǎn)Ｂｉ運(yùn)動(dòng)軌跡為兩種運(yùn)動(dòng)的疊加;一方面向Ａｉ直線運(yùn)動(dòng),速度為ｖ,同時(shí)又繞著Ａｉ做圓周運(yùn)動(dòng),角速度為ω。為了研究方便進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分解,先討論節(jié)點(diǎn)Ｂ向Ａ的直線運(yùn)動(dòng),如圖5.1所示為ｘＯｚ面上疊加的剪叉機(jī)構(gòu)。設(shè)組成剪叉單元的桿長(zhǎng)為ａ,初始條件為剪叉機(jī)構(gòu)完全收位置,即Ｂ0Ａ0桿與ｘ軸的初始夾角為0°。則各節(jié)點(diǎn)初始坐標(biāo)位置,以矩陣的形式表達(dá)為:Ａｉ0=[000]ＴＢｉ0=[ａ00]Ｔ（5.1）其中Ａｉ0,Ｂｉ0表示Ａｉ,Ｂｉ節(jié)點(diǎn)的初始坐標(biāo),ｉ=0,1,2,…則經(jīng)過時(shí)間ｔ,剪叉單元跨度和高度分別為:（5.2）各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置變?yōu)?接下來,節(jié)點(diǎn)Ｂ繞著ｚ軸運(yùn)動(dòng),ｔ時(shí)刻轉(zhuǎn)過的角度θ=ωｔ,Ａｉ,Ｂｉ在空間的坐標(biāo)表示為:（5.3）其中[Ｃθ]為繞坐標(biāo)軸ｚ軸旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)變換矩陣。用ｖｘ、ｖｙ、ｖｚ表示其在慣性坐標(biāo)系ｘｙｚ中的速度分量,用ａｘ,ａｙ,ａｚ表示其在慣性坐標(biāo)系ｘｙｚ中的加速度分量。式子兩邊對(duì)時(shí)間ｔ求一階導(dǎo),則可得速度方程。節(jié)點(diǎn)Ａｉ的速度:ｄＡｉ/ｄｔ=（5.4）（5.6）（5.7）（5.5）（5.6）（5.7）（5.5）2．新型旋轉(zhuǎn)伸縮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析設(shè)剪叉結(jié)構(gòu)單個(gè)桿長(zhǎng)為ａ=128ｍｍ,底盤旋轉(zhuǎn)角速度ω=0.3ａｄ/ｓ,螺紋塊移動(dòng)速ｖ=1ｍｍ/ｓ,則展開所用總時(shí)間為ｔ=ａ/ｖ=128ｓ。由建立的物理模型可知,Ａｉ的運(yùn)動(dòng)軌跡為沿著ｚ軸做直線運(yùn)動(dòng),ｘ、ｙ軸的位移分量為零。由于剪叉結(jié)構(gòu)空間位置具有對(duì)稱性,Ａｉ的ｚ軸速度分量與Ｂｉ相同。下面著重分析節(jié)點(diǎn)Ｂｉ的運(yùn)動(dòng),Ｂｉ的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間螺旋曲線,Ｂ1、Ｂ2節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)的速度分析結(jié)果如圖5.3,5.4所示,分別為各點(diǎn)在慣性坐標(biāo)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(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn),速度方向交替變化,且速度大小呈衰減趨勢(shì),直到剪叉臂完全收攏停止。Ｂ0始終在ｘＯｙ面上運(yùn)動(dòng),ｚ向的速度為0。Ｂｉ節(jié)點(diǎn)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(gè)過程顯示了剪叉機(jī)構(gòu)伸展過程的運(yùn)動(dòng)特性。圖5.5為旋轉(zhuǎn)伸縮機(jī)構(gòu)伸展過程中不同時(shí)刻的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。圖5.2Bi節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖5.2Bi節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖5.2Bi節(jié)點(diǎn)X,Y軸的速度分量圖5.2Bi節(jié)點(diǎn)X,Y軸的速度分量圖5.3Bi節(jié)點(diǎn)z軸的速度分量圖5.3Bi節(jié)點(diǎn)z軸的速度分量5.3數(shù)據(jù)分析的意義通過建模以及對(duì)數(shù)據(jù)的分析，知道了該機(jī)構(gòu)清洗時(shí)各點(diǎn)的速度和加速度，便于選則所需的材和對(duì)電機(jī)的選擇。上面設(shè)計(jì)了一種新型旋轉(zhuǎn)伸縮機(jī)構(gòu)模型,將兩組平面剪叉機(jī)構(gòu)整合成正交立體的空間剪叉機(jī)構(gòu),運(yùn)用復(fù)合輪系機(jī)構(gòu)及螺旋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)剪刀叉的驅(qū)動(dòng),伸展結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的伸縮性能和抗扭曲圖圖5.4剪叉臂展開過程通過對(duì)該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,揭示了這種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性,分析了該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)關(guān)系并建立了其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的旋轉(zhuǎn)伸縮機(jī)構(gòu),分析了其展開過程中任意節(jié)點(diǎn)的位置、速度和加速度的變化規(guī)律,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)中該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性完全相符,為下一步的多剛體、多柔體展開動(dòng)力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。總結(jié)管道清洗十分的重要，能夠讓人們的生活更加的健康，也能夠節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境?？臻g正交剪叉式清洗機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，這種空間可展開機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)上具有尺度一致性、重復(fù)性好等特征,加工裝配簡(jiǎn)單,實(shí)用性很強(qiáng)。因此在管道清洗應(yīng)用和其他空間可展開結(jié)構(gòu)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。但是該機(jī)構(gòu)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(jìn)。今后在這方面還要多做研究，將其優(yōu)點(diǎn)擴(kuò)大使其應(yīng)用前景更廣泛。參考文獻(xiàn)[1]楊善讓，徐志明.換熱設(shè)備的污垢與對(duì)策(第2版)[M].北京:科學(xué)出版社，2004.[2]夏新民.換熱器在線清洗技術(shù)介紹[[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，1993，(4):56~59.[3]蔣興橋，宋華東，張?chǎng)┨?PIG清洗技術(shù)的研究及應(yīng)用[J].清洗世界，2006,22(5):13~15.[4]李德福，劉潔.石油化工設(shè)備清洗技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.[5]陸震維，陳玉梅.化工裝置