管道清洗方案的系统机构毕业设计.doc 31页

'管道清洗方案的系统机构毕业设计目录摘要......................................................................................................................IAbstract.............................................................................................................II第1章引言..................................................................................................31.1课题背景..............................................................................................31.2课题目的及意义...................................................................................31.3课题研究内容.......................................................................................3第2章污垢及除垢分析...........................................................................52.1污垢的定义和分类................................................................................52.1.1污垢的定义.......................................................................................52.1.2污垢的分类.......................................................................................52.2污垢的形成模型....................................................................................62.3污垢的危害............................................................................................62.4污垢分析的数学模型............................................................................72.4.1污垢沉积与剥蚀的数学模型...........................................................72.4.2污垢热阻的数学分析法...................................................................82.5国内外防垢除垢方法............................................................................8第3章空间正交剪叉式机构分析..........................................................113.1结构原理................................................................................................113.1.1连杆的特点........................................................................................113.1.2剪叉式机构的组成...........................................................................113.1.3剪叉式机构的特点...........................................................................113.2结构用途................................................................................................1231 3.3结构优势................................................................................................123.4剪插式机构的演化规律..........................................................................133.4.1剪叉式机构的组成...........................................................................133.4.2剪叉式机构的特点............................................................................14第4章基于空间正交剪叉式机构的管道清洗机结构分析.............164.1该机构组成............................................................................................164.2该机构的运动方式.................................................................................164.3该机构清洗管道的方式.........................................................................164.5对该机构的有限元分析和结论.............................................................18第5章对所设机构的效果分析................................................................205.1效果分析方法.........................................................................................205.2分析内容.................................................................................................205.3分析数据的意义.....................................................................................26总结.....................................................................................,................................27参考文献............................................................................................................28致谢......................................................................................................................3031 第1章引言1.1课题背景随着人们生活水平的提高，人们对自己所用东西的清洁度要求也越来越高，而且环保的程度也越来越高，但也重视经济性。地球的能源一天天的减少，全球也在极力号召节能，为以后人类能更长远的发展做准备。尤其是那些不可再生能源。所以对于我们所用管道的清洗就必须兼顾节能有效。传统的化学法除垢,使用相当有害的化学剂如盐酸进行清洗。另外,用传统方法清洗热交换器水垢的工作不干净让人难以忍受,又、而且对人的健康有危害。因此我们要在节约能源、节约成本以及安全方面着重考虑和研究。主要采用机械的方式。1.2课题目的及意义人们的生活处处都会用到管道，小到家用煤气管道，自来水管道，大到天然气管道，下水道管道等。所以要保持管道的干净，不受污染，但很多地方的管道不方便经常拆卸，不方便清洗，若长时间被污染的话，管道就会被腐蚀甚至会给人们的生活带来弊端：1)长期使用管道使管道内的油泥、锈垢固化造成管径变小。2)管内淤泥沉淀产生硫化氢气体造成环境污染并易引起燃爆。3)废水中的酸、碱物质易对管道壁产生腐蚀。4)管道内的异物将会造成管道堵塞。5)产生了杂质后会严重影响管道的正常使用，所以对管道进行清洗，使管道内恢复材质本身表面十分重要。31 本课题所做的目的主要是为了解决长期困扰工程人员的管道内壁结垢的问题，管道结垢使工业事故频繁发生，不仅造成巨大的经济损失，而且对环境有很大的污染。在国家提倡节能减排的背景下，我们设计一种管道除垢技术来提高其清洗效率，增强其产品的市场竞争能力。在设计过程中分析管道垢物的形成机理，设计提高管道防垢除垢效果的装置，对此装置进行结构设计，并根据管道结构分析管道液体的流动状态，绘制出图形文件。1.3课题研究内容管道用久了必然需要清洗，否则会损坏管道降低工作效率，提高了不必要的成本，严重的还会存在安全问题，对人类构成威胁了。基于节能减排的前提下，顾全安全因素，我们决定采用机械方案清洗，设计了一种管道除垢技术，主要采用机械结构（空间正交剪叉式机构）通过大范围的伸缩旋转，带动清洗头部，达到清洗的目的，提高了清洗效率，降低成本，增强其产品的市场竞争能力。在设计过程中分析管道垢物的形成机理，对此装置进行结构设计并且通过分析食品加工业或石油行业生产线上圆形管道的结构变化及由这种变化产生的污垢形成过程，完成液流经过管道时流体流动过程的分析。主要的研究内容有以下几个方面：1.对管道结构的分析2.对清洗管道的重要性进阐述3.对污垢的分析4.对剪叉式机构的分析5.对该管道清洗功能的测试31 第2章污垢及除垢分析2.1污垢的定义与分类2.1.1污垢的定义图2.1管道结垢图结垢是我们常见的，尤其是水结垢。还有一些管道结垢，热水器结垢，油井结垢，锅炉结垢等等。如图2.1所示，结垢是生产生活中一种极为普遍的现象,它存在于自然现象、日常生活和各类工业生产过程,特别是存在于化工生产各种传热过程中。污垢会影响设备的正常运转，一般工业或者家用管道用久了都会产生污垢，而且污垢的类型很多，所以最好定时对管道进行清洗。2.1.2污垢的分类在不同情况下污垢的种类，存在很大差别。在我们的生活中看见污垢产生是非常普遍的，不同的产生过程会有不同的污垢、不同的工质状态也会有不同的污垢、时间在不停的变化，污垢会随着时间的推移改变、污垢也可能是通过物理变化形成的也会通过化学变化形成以及会不会继续变化等，因此根据不同的特点对污垢进行分类是很有必要的。根据污垢存在的形状分类：(1)颗粒状污垢如固体颗粒、微生物颗粒等以分散颗粒状态存在的污垢。(2)覆盖膜状污垢有三种存在的状态：固态，半固态和流态。(3)无定形污垢定不出形状的污垢或者说成是没有规则形状的污垢。(4)溶解状态的污垢如以分子形式分散于水或其他溶剂中的污垢。应该说明的是通常说的油垢，实际上可能是；两类性质完全不同的有机物。一类是矿物油包括机器油、润滑油等，它们属于有机物的烃类，是石油分馏的产品；相对分子质量更大的烷烃。除了可燃之外，它们可以说是化学稳定性很好的有机物。31 另一类是油脂，包括动物脂肪和植物油；它们属于有机物酯类，是饱和或不饱和高级脂肪酸的甘油酯的混合物。它们与矿物油的区别是在碱性条件下可以发生皂化。根据污垢的亲水性和亲油性分类：(1)易溶于水的污垢即亲水性污垢例如食盐等无机物和蔗糖等有机物。(2)亲油性污垢如油脂、矿物油、树脂等有机物。2.2影响结垢的因素影响换热器结坂的因素有很多,包括流体性质、流体流速、换热设备参数、流体本体和换热表面的温差等因素。以下仅讨论几种常见的影响因素:(1)流速目前流速对污垢的影响有两种截然不同的结论:以Ritter、chamozubov等人为代表的学者则认为流速的增加会促进垢层的生长,因为在结垢过程中粒子扩散的阻力较大,而高流速引起的湍流促进了颗粒的输运,使颗粒快速到达壁面吸附而结垢。(2)温度和温差的影响两者实验结果相差巨大,到目前为止,表面温度对结垢的影响程度尚无公认结论。(3)其它因素1)流体中溶解物质的浓度对于结晶过程,随物质浓度差的增大,物质污垢生成的速率也提高。2)物料浓度随温度变化的关系物料饱和浓度随温度的变化关系可影响操作条件的选择和结垢的形成。3)厚度和剪切强度垢层厚度越大,流速也会随之增加,剪切力会提高,这有助于使垢层脱落。若垢层的剪切强度不大,则两者可以处于平衡状态。(3)避免选取过大的污垢系数。(4)容易结垢的流体尽量走管程,便于清洗。(5)注意开停车以及换热器运行工况,避免温度高于设计值,流速低于设计值由于污垢是无法绝对避免的,因而由污垢存在所带来的换热设备清洗,人工操作,设备磨损等情况也是无法避免的问题。综上所述,由换热器结垢而产生的2.3污垢的危害31 污垢形成后会污染人们所需的水或者其他东西，会腐蚀管道也会降低传管道送效率。例如换热设备结垢就是很普遍的一种现象了，换热设备又是石油、化工、电力、冶金、纺织等工业部门和日常生活中使用最为广泛的设备之一,污垢涉及领域十分普遍。要想降低能源消耗,又能保证人们的卫生要求，污垢问题就要得到有效的解决方案。同时,因锅炉水质管理不当等原因,结垢还将导致锅炉局部膨胀变形和垢下腐蚀,直接威胁到化工行业的生产安全。综合换热设备结垢所带来的一系列问题,污坂的危害可分为以下几个方面:(1)引起垢下腐蚀,缩短设备使用寿命;(2)污垢导致换热效率下降,严重时造成设备阻塞,危及正常的连续生产,并且产生安全隐患;(3)流体阻力增加,设备能耗上升;(4)能耗增加,不利于清洁生产;(5)周期性的污垢清洗影响产品质量,同时导致原料消耗增加;(6)污垢清洗加大了生产运行人力,物力成本;(7)换热设备设计时增加冗余面积,带来不必要的经济损失。2.4污垢分析的数学模型2.4.1理想污垢条件下的污垢沉积与剥蚀的数学模型根据污垢的形成特点,建立了污垢沉积模型与污垢剥蚀模型。污垢沉积模型（2.1）式中:md为沉积率;Q沉积层与换热界面处的污垢物质浓度;Ts为液固相界面温度;Csat为饱和时,结坊物质的浓度;n为化学反应级数;A"为阿仑尼乌斯常数;Rt为气体普适常数;Kr为碰撞率常数;E为活化能。污垢剥蚀模型31 根据扩散理论,换热表面在沉积杂物的同时,也进行污垢的脱落。其剥蚀过程与近壁面处的剪切作用和沉积物的结构函数有关,关系式为:（2.2）式中:m,为剥蚀率为流体在固体表面的剪切应力;&为常数;Mf为污垢净积存速率;V为沉积物的结构函数;2.4.2污垢热阻的数学分析办法前文中提到,污垢热阻可以比较直观的表现污垢性状,污垢热阻的影响因素有很多,但从传热学角度看,直接因素只有两个:污垢本身导热系数以及污垢的厚度。目前污垢对换热设备影响的理论计算方式如下:（2.3）其中,Ko为基于管外表面的总传热系数,W/m2。A为管壁面积;A,为平均;管壁面积;Rfi为污垢热阻,为管壁热阻;Rfo为对流传热系数;2.5国内外防垢除垢技术分析半个世纪以来,企业与科技界工作人员非常重视污垢问题,提出了众多防、除垢技术和方法。国内目前的管道清洗方法：管道清洗采用化学方法或物理方法对管道内表面污垢进行清洗，保证管道内表面恢复原表面材质。管道清洗的方法有很多，常用的管道清洗方法有：化学清洗、高压水清洗、PIG清管、排灰管管道清洗、注水管管道清洗等。31 清洗方式：化学式管道清洗：化学清洗管道是采用化学药剂，对管道进行临时的改造，用临时管道和循环泵站从管道的两头进行循环化学清洗。该技术具有灵活性强，对管道形状无要求，速度快，清洗彻底等特点。·高压式水清洗：采用50Mpa以上的高压水射流，对管道内表面污垢进行高压水射流剥离清洗。该技术主要用于短距离管道，并且管道直径必须大于50cm以上。该技术具有速度快，成本低等特点。·PIG式管道清洗：PIG工业清管技术是依靠泵推动流体产生的推动力驱动PIG（清管器）在管内向前推动，将堆积在管线内的污垢排出管外，从而达到清洗的目的。该技术被广泛用于各类工艺管道、油田输油输汽管道等清洗工程，特别是对于长距离输送流体的管道清洗，具有其他技术无法替代的优势。管道清洗机手动型1.松开锁紧夹头(或锁母)，将软轴拉出。2.将软轴插入需疏通的管道内至费力时。3.距管口预留100mm软轴，锁紧夹头(或锁母)4.旋转滚筒(或曲拐)并同时向管道口推进，使软轴通过受阻区。松开夹头，重复2-4步骤，直至疏通。5.使用后，请将软轴冲洗，擦拭干净并风干，插入滚筒内备用。机动型1.将软轴从主机芯轴内穿出。2.选择适当的钻具，牢固联接在软轴上。3.将主机放在适当位置，不要接触污水)钻具.软轴尽量插入管道内。4.机器后部软轴留出2-4M，其余卸下备用。5.将插头插入具有良好保护接地的单项三孔插座中。6.打开控制开关，使主轴正向顺时针旋转。7.在管口与主机之间预留一段(100-300mm)软轴，压下操纵手柄，同时握住已旋转软轴，向管道内推送，并逐步增加推送的力量，使软轴前进，并通过阻力区，重复以上操作，直至疏通。8.停机后，将软轴从管道内拉出，清除污物，擦干备用。9.主机使用完毕，空转2-3分钟后，在注油孔加注润滑油(20#机油)防止主轴锈蚀。31 10.确定管道疏通后，可操作本机继续运行几分钟，使软轴进一步去除管壁上的污物，同时加水。手持式1.将手柄向前推，即可松开夹头，将软轴拉出送入管道。2.接通电源，按下调速开关，可自行控制转速，开始应使用慢速，根据熟练程度可逐步加快。3.将手柄向后一压，即可夹紧软轴，驱动软轴转动，同时向管道内推进。4.根据管道堵塞情况，在滚筒旋转时，配合使用手柄的推压，将软轴推入管道，直至疏通。使用后应将软轴擦拭干净，再收回滚筒内备用。若使用软轴自动推进装置，应将自动装置穿过软轴头端。5.与手柄前端联接，旋紧锁母。6.通过调整换向开关再按下调速开关可实现软轴自动进给或后退，完成管道疏通工作。自动型将软轴从主机空心轴内穿出选择适当的钻具与软轴联接。1.将主机放置在适当位置，将软轴尽量插入管道内。2.将电源线插头插入具有良好保护接地的单项三孔插座。3.打开控制开关①正转，压下手柄④软轴将自动向管道中送进。4.同时可用旋纽③调整软轴进给速度。5.注意：遇到阻力时，可适当变换方向和调整速度，继续操作，避免蛮干造成损失。使用后将软轴冲洗，擦拭干净后保存。主机运转2-3分钟后，加注润滑油保管。31 第3章空间正交剪叉式机构分析3.1机构原理该机构是在连杆的基础上加以创新，连杆机构是机器中常用的基础的机构。连杆，通过运动副可以传递运动和转矩。要求具有足够的钢性和韧性。组成连杆机构的条件：首先要满足杆长条件即最长杆加最短杆的杆长要小于或等于其余两边杆长之和；其次若要形成曲柄机构则需选择最短杆作为机架或者连架杆，若要形成双摇杆机构则需选择最短杆作为连杆等。本机构不需要形成曲柄摇杆或者双曲柄机构，故只需满足杆长条件，不需固定那根杆为机架。3.1.1连杆的特点连杆机构具有以下一些传动特点：1)运动副一般均为低副。低副两运动副元素为面接触，压强较小；且有利于润滑，磨损较小。2)构件多呈现为杆的形状（故常简称构件为杆）。此外，构件的几何形状也较简单，便于加工制造。3)可实现多种形式的运动变换和运动规律。4)具有丰富的连杆曲线形状。平面连杆机构的作用：1）用来实现转动，摆动，移动和平面或空间复杂运动之间的相互变换。2）实现预定的轨迹要求3.1.2剪叉式机构的组成两根连杆由铰链连接起来，组成x形状的机构如图3.1所示。两个首铰链，其中一个固定，一个活动，中间用一个铰链把两杆连接起来，输出端也是两个铰链，跟下一组剪叉单元相连接。故剪叉式机构是一种特殊的平面连杆机构。空间正交剪叉式机构则是采用了31 多组剪叉式机构，可以实现一个很大图3.1剪叉式机构的组成的行程。连接图如下图3.2所示:明显的可以看出联接的方式，简单容易实现。图3.2剪叉式机构的连接方式3.1.3剪叉式机构的特点1)运动单元模块化，可以根据运动行程的需要任意添加单元组数；2)输出构件做平移运动；3)良好的空间伸展特性，运动范围大；4)刚度好，稳定性好；5)常用两组机构并联工作，承载能力高；6)结构简单，容易实现，成本低廉。3.2该机构的用途可以用在剪叉式升降机构，剪叉式升降平台也用了该机构，剪叉式高空作业平台，剪叉式液压升降平台，剪叉式液压升降机，剪叉式高空作业平台等机构上，还可以用来组成英文字母。平台升降机是滚装船上普遍应用的一种装卸设备,多采用剪刀叉机构或垂向滑轨机构借油缸。结构不足处:一般需要多组单元在一起使用，横向受力不能很大。需要加额外铰链才能将两组结构连接在一起。多组使用如果想收缩减小其面积则需注意尺寸的计算，不能随意的长度。3.3剪叉式机构的技术特征1.尺度一致性：即各构件单元几何尺寸完全相同；31 1.等距对称性:中间铰链到两端铰链距离相等，且同一单元内两交叉构件的位置始终对称于机构的中轴线；2.运动相似性：将多组X型单元串联连接时，各组运动单元中同侧构件转角相同，即它们之间始终相互平行，且最终输出构件始终做平动；3.比例缩放性：机构可以自由的伸缩；4.结构重复性：整个机构由相同的单元组组成；5.占空紧凑性：整个机构收缩后占空间很小。3.4剪插式机构的演化规律3.4.1演化的方式如下图3.3，图3.4，图3.5以及图3.6所示剪插式机构的演化规律改变铰接方式改变剪杆形状改变接口构型图3.3改变剪杆形状图3.5改变剪杆形状图3.4改变铰接点增加铰接点实现并联改变铰接点位置增加虚约束铰接点改变铰接点改变杆件空间形状改变杆件平面形状改变剪杆形状31 空间拓扑混联空间共点并联空间串联开环改变铰接方式空间串联闭环图3.6改变铰接方式3.4.2剪插式机构的演化的原则1．铰接孔轴线平行原则：为保证结构的稳定性和安全性，各单元件对应的杆件应该平行，即铰接孔轴线要平行。2．剪杆杆长全压缩原则：要想机构完全收缩回来，不出现干扰，如下图3.7杆长需要满足条件：图3.7杆长需要的条件图3.8伸缩对立图3．剪杆伸缩对立原则：这是指同一级剪杆的四个端点中，A与A"或B与B"联接的一级剪杆，同A与B"或B与A"联接的另一级剪杆伸展与压缩对立。31 4．机构单自由度原则：对剪叉式机构不论怎么组成何种机构，需始终保证机构的自由度是1，如下图3.9所示的机构的自由度均为1。自由度F=3n-（2Pl+Ph）=3×7-2×10=1。图3.9不同机构示意图31 图4.1机构的整体示意图第4章基于空间正交剪叉式机构的管道清洗机构分析4.1该机构的组成如图4.1所示，该机构主要由剪叉式机构和两个电机组成，加上旋转地盘以及机构顶部的清洗海绵组成。4.2该机构的运动方式该机构能够实现空间立体式的旋转和伸缩运动。从而实现对管道全方位和长距离的清洗。4.3该机构的清洗管道的方式在两个电机的带动下实现旋转和伸缩的同时进行。1．　伸缩功能的设计与实现每个基本单元由两个等长的直杆,中间通过抗剪铰相而成,称为剪式单元。剪式单元之间相互铰接,可实现伸缩运动功能,机构底部节点一个与固定装置铰接,另一个与水平滑块铰接,顶部节点以同样的方式相连。该机构具有将滑块的水平运动转化放大为结构垂直运动的功能。传统的剪叉式机构大多为平面机构,不具备空间运动的特性,如果将传统的平面剪叉式机构演化成空间剪叉式构,则无疑会拓展剪叉式机构的应用领域。国内外许多学者对平面剪叉机构进行了演化变异,形成了各种空间可展结构。采用一种变异演化方法将两组Ｘ型基本单元的中间铰链通过一个圆环形铰链连接起来,并将一个Ｘ型基本单元的运动平面相对于另外一个基本单元旋转一个角度所得,如图4.2在90°情况下所示。这种空间型剪叉式机构具有以下特点:(1)只有一个运动自由度,仅需要一个原动件；(2)第一级运动单元有四个滑块,它们沿半径方向作同步运动;(3)支撑刚度和抗扭转刚度成倍增加,稳定性得到大大提高。31 图4.2空间型剪叉式机构示意图2．　旋转功能的设计与实现设计的清洗装置将可旋转底盘与空间剪叉伸缩臂组合在一起形成一个具有旋转伸缩功能的机构（见图4.3)。可旋转伸缩机构系统由四大部分组成,如图4.4所示。基座为固定装置;旋转底盘是系统的传动系统,它由两根主动丝杆、两根导向杆、螺旋机构、复合轮系机构和可转动底盘等构成;控制与动装置由两个独立驱动电机和减速器构成;伸缩部分由空间剪叉机构组成。图4.3可旋转伸缩机构的结构图31 图4.4可伸缩旋转机构的运动简图1,2.电机　3,4.圆柱齿轮　5,6.螺纹杆　7,8,9.锥齿轮　10,11.螺纹移动块　12.剪叉结构13,14.滚珠　15.底盘　16.墓座通过螺旋副连接,同时又与剪叉连杆12通过接旋转副铰接:与剪叉结构12铰接另外两个滑块,与两根导向杆通过圆柱副连接;底盘15与电机2固连,由齿轮4带动,并通过轴承实现与外做的分离旋转。图4.4可伸缩旋转机构的运动简图运动原理:电机1驱动齿轮3旋转，3旋转后带动齿轮4转动，齿轮4带动底盘15转动,整个底盘带动剪叉伸缩臂实现旋转。电机2驱动锥齿轮9旋转，锥齿轮9带动锥齿轮7,8旋转，锥齿轮7,8驱动螺杆5,6，然后螺杆5,6驱动螺纹块10,11在螺旋副作用下作直线运动,向圆盘中心收缩,迫使剪叉连杆逐渐伸展。同理,通过调整两个电动机转向,可改变空间剪叉臂的收缩和旋转的方向。在两个电机同时作用下,空间剪叉臂可同时进行旋转和往复运动。4.4机构的有限元分析1．建模由于该机构工作时主要是受转矩和弯矩，而且是由相同的杆组合而成，故取最小的单元-----杆,进行有限元分析如下图4.5所示：31 图4.5有限元分析图1．结论从有限元分析的图可以看出该机构工作时杆件的中间和两端受力和变形比较大。在使用过程中，要以中间承受里的大小作为设计准则和校核准则。31 第5章对该清洗管道机构的效果分析5.1效果分析方法由于空间剪叉结构的外载荷仅作用在节点上,所以节点的运动规律对下一步空间剪叉机构的拉压承载力和扭转承载力的计算与分析至关重要。我们将采用数学建模的方法对该机构的清洗效果进行分析。在数学建模的情况下，有数据有图像，结果更具有真实性和有效性。5.2分析内容由于该管道清洗机构采用的是空间正交剪叉式机构，主要是进行旋转和伸缩运动，各单元节通过铰链链接，故将从位移、速度和加速度三个方面分析旋转伸缩机构的运动学特性。从而知道怎样能提高机构的可靠性。1．　旋转伸缩机构的运动学建模，如图5.1所示图5.1坐标描述31 如5.1所示建立空间直角坐标系Ｏ-ｘｙｚ,坐标原点Ｏ与第一级空间剪叉单元的顶点Ａ0重合,Ｂｉ、Ｃｉ(ｉ=0,1,2,…)为剪叉结构的节点,节点Ｂ0、Ｃ0分别位于ｘ、ｙ轴上。由于整个空间剪叉组合正交,则Ｄ0、Ｅ0落在-ｘ、-ｙ轴上,且运动规律与Ｂ0相似。通过计算Ａ0、Ｂ0的运动特性,即可分析出其它各节点的运动情况。在旋转伸缩机构中设Ａ(Ｏ)为固定点,节点Ｂｉ运动轨迹为两种运动的叠加;一方面向Ａｉ直线运动,速度为ｖ,同时又绕着Ａｉ做圆周运动,角速度为ω。为了研究方便进行运动分解,先讨论节点Ｂ向Ａ的直线运动,如图5.1所示为ｘＯｚ面上叠加的剪叉机构。设组成剪叉单元的杆长为ａ,初始条件为剪叉机构完全收位置,即Ｂ0Ａ0杆与ｘ轴的初始夹角为0°。则各节点初始坐标位置,以矩阵的形式表达为:Ａｉ0=[0　0　0]Ｔ　　Ｂｉ0=[ａ　0　0]Ｔ（5.1）其中Ａｉ0,Ｂｉ0表示Ａｉ,Ｂｉ节点的初始坐标,ｉ=0,1,2,…则经过时间ｔ,剪叉单元跨度和高度分别为:（5.2）各节点的坐标位置变为:接下来,节点Ｂ绕着ｚ轴运动,ｔ时刻转过的角度θ=ωｔ,Ａｉ,Ｂｉ在空间的坐标表示为:31 （5.3）其中[Ｃθ]为绕坐标轴ｚ轴旋转的坐标变换矩阵。用ｖｘ、ｖｙ、ｖｚ表示其在惯性坐标系ｘｙｚ中的速度分量,用ａｘ,ａｙ,ａｚ表示其在惯性坐标系ｘｙｚ中的加速度分量。式子两边对时间ｔ求一阶导,则可得速度方程。节点Ａｉ的速度:31 ｄＡｉ/ｄｔ=（5.4）（5.6）（5.7）（5.5）31 2．　新型旋转伸缩机构的运动学分析设剪叉结构单个杆长为ａ=128ｍｍ,底盘旋转角速度ω=0.3ａｄ/ｓ,螺纹块移动速ｖ=1ｍｍ/ｓ,则展开所用总时间为ｔ=ａ/ｖ=128ｓ。由建立的物理模型可知,Ａｉ的运动轨迹为沿着ｚ轴做直线运动,ｘ、ｙ轴的位移分量为零。由于剪叉结构空间位置具有对称性,Ａｉ的ｚ轴速度分量与Ｂｉ相同。下面着重分析节点Ｂｉ的运动,Ｂｉ的运动轨迹为空间螺旋曲线,Ｂ1、Ｂ2节点运动轨迹的仿真结果如图5.2示。随着ｉ的增大Ｂｉ空间轨迹纵向距离成倍增大。Ｂｉ各节点的速度分析结果如图5.3,5.4所示,分别为各点在惯性坐标系下ｘ、ｙ、ｚ方向的速度分量。ｘ、ｙ方向的速度分析结果表明ｘ、ｙ轴方向速度变化具有相似性,随着机构的旋转,速度方向交替变化,且速度大小呈衰减趋势,直到剪叉臂完全收拢停止。Ｂ0始终在ｘＯｙ面上运动,ｚ向的速度为0。Ｂｉ节点ｚ轴速度分量的初始值大小随着ｉ的取值成倍增加,且速度急剧减小,然后趋于平稳,整个过程显示了剪叉机构伸展过程的运动特性。图5.5为旋转伸缩机构伸展过程中不同时刻的结构状态。图5.2Bi节点的运动轨迹31 图5.2Bi节点X,Y轴的速度分量图5.3Bi节点z轴的速度分量31 5.3数据分析的意义通过建模以及对数据的分析，知道了该机构清洗时各点的速度和加速度，便于选则所需的材和对电机的选择。上面设计了一种新型旋转伸缩机构模型,将两组平面剪叉机构整合成正交立体的空间剪叉机构,运用复合轮系机构及螺旋系统实现了对剪刀叉的驱动,伸展结构有较强的伸缩性能和抗扭曲图5.4剪叉臂展开过程通过对该机构的运动学分析,揭示了这种机构的运动特性,分析了该机构的结构关系并建立了其运动学模型。对不同结构参数的旋转伸缩机构,分析了其展开过程中任意节点的位置、速度和加速度的变化规律,计算结果与试验中该机构的运动特性完全相符,为下一步的多刚体、多柔体展开动力学分析奠定了基础。31 总结管道清洗十分的重要，能够让人们的生活更加的健康，也能够节约能源保护环境。空间正交剪叉式清洗机构具有结构简单成本低廉的优点，这种空间可展开机构结构上具有尺度一致性、重复性好等特征,加工装配简单,实用性很强。因此在管道清洗应用和其他空间可展开结构方面具有广泛的应用前景。但是该机构清洗效率和速度不是非常的高，目前清洗管道不能清洗弯曲的管道，还有待改进。今后在这方面还要多做研究，将其优点扩大使其应用前景更广泛。31 参考文献[1]杨善让，徐志明.换热设备的污垢与对策(第2版)[M].北京:科学出版社，2004.[2]夏新民.换热器在线清洗技术介绍[[J].石油化工设备技术，1993，(4):56~59.[3]蒋兴桥，宋华东，张雯淘.PIG清洗技术的研究及应用[J].清洗世界，2006,22(5):13~15.[4]李德福，刘洁.石油化工设备清洗技术[M].北京:化学工业出版社，2003.[5]陆震维，陈玉梅.化工装置清洗技术现状和展望[J].化工进展，1992,7(4):25-30[6]]李德福，张学发.工业清洗技术[M].北京:化学工业出版社，2003.[7]冯若，黄金兰.超声清洗及其物理机制[J].应用声学，1993,13(1):42-47.[8]罗宪中，李贵平.超声清洗领域新拓展一超声防垢.清洗世界，2004,20(6):10-14.[9]郭永刚，王景芹.超声波在石油化工中应用的研究进展.当代化工，2008,37(1):5-10.[10]丘泰球，胡爱军.超声波防除积垢节能技术及设备开发.应用声学，2002,21(3):40-45.[11]JonesD,DaWSOnJ.Risksssessmenttopipelinelifemanagement.PipesandPipelineInternational,1998,43(1):5-18.[12]SoudagarSR,SamantSD.Seniquantitativecharacterizationofultrasoniccleanerusinganovelpiezoelectricpressureintensitymeasurementprobe.UltrasonicsSonochemistry,1995,2(1):49-53.[13]吕仲文.机械创新设计.北京：机械工业出版社，2004.[14]王成焘.现代机械设计——思想与方法.上海：上海科学技术文献出版社，1999.[15]王步瀛.机械零件强度计算的理论和方法.北京：高等教育出版社，1986.[16]JuvinallR.C.EngineeringConsiderationsofStress，StrainandStrength.NewYork：McGrawHill，1967.31 [17]HindhedeI，Uffe.MachineDesignFundamentals：APracticalApproach.NewYork：Wiley，1983.[18]RajputRK.ElementsofMechanicalEngineering.KatsonPubl.House.31 致谢首先要向我的导师陈艳表示衷心的感谢。本次毕业设计是在我的导师陈艳的悉心指导下完成的，大学四年虽说好好学习了，但是专业知识远远的不够，刚刚拿到论文题目实则找不到头绪，最后还是请陈艳老师提点，才能想出方案，期间又遇到很多不会的地方，陈艳老师不怕辛苦一一的给我讲解，陈艳严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！同时也向我的同学表示由衷的谢意，在我的论文完成过程中他们给予了我许多支持和帮助!最后感谢我的父母多年来对我的默默付出，他们的关心为我完成学业提供了动力!由于本人所学知识和能力有限，在设计中难免存在一些问题，恳请各位老师和同学批评指正，以便我在今后的实际工作中可以有更大的进步。31 31'