張惠

（浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316100）

0 引言

金剛石繩鋸機是一種常用的切割工具，其廣泛應(yīng)用于陸地和水下各種材料的切割加工，具有切割材料多樣、切割形狀復(fù)雜、切割效率較高的特點。隨著海洋開發(fā)的深入，金剛石繩鋸機的應(yīng)用范圍越來越廣，除了用于拆除廢棄核電站設(shè)施及維修海底構(gòu)件以外［1］，還可用于切割海上石油平臺導(dǎo)管架或樁基等水下大直徑管道［2］。作為金剛石繩鋸機的重要組成部分，張緊裝置的工作可靠性要求較高，現(xiàn)有研究主要從張緊力檢測和控制方面進行了探索［3-4］，以提高張緊力的準(zhǔn)確控制，但無法解決已有張緊裝置中零件磨損較大、使用壽命較短的關(guān)鍵問題，如此本文提出了一種新型的水下金剛石繩鋸機的張緊裝置。

1 現(xiàn)有張緊裝置的分析

常用的金剛石繩鋸機包括夾緊裝置和切割機構(gòu)，如圖1所示。其中切割機構(gòu)包括進給裝置、張緊裝置、驅(qū)動裝置、導(dǎo)向裝置及切割框架等［5］。夾緊機構(gòu)主要用于夾緊需切割的管道或工件，張緊裝置則用于調(diào)節(jié)串珠繩的張緊程度，以保證切割刀具順利工作。根據(jù)張緊裝置的工作原理可分為以下兩種形式。

圖1 金剛石繩鋸機示意圖［6］

1.1 機械方式

這種形式的張緊裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。機械張緊裝置由螺母、絲杠、張緊輪組件和絲杠鎖緊部件組成，基座與張緊輪軸座滑動配合，絲杠位于張緊輪軸座內(nèi)部，其一端穿出張緊輪軸座連接調(diào)整手柄，張緊輪通過鍵連接在螺母組件上，張緊輪軸座中設(shè)有張緊輪安裝孔，以安裝張緊輪。工作時，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整手柄帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，使張緊輪能夠左右移動，以調(diào)節(jié)串珠繩的張緊程度。其工作過程為：1）逆時針旋轉(zhuǎn)絲杠時，螺母沿導(dǎo)軌右側(cè)移動，安裝在螺母組件上的張緊輪也同時右移，當(dāng)螺母移動絲杠最右側(cè)時，為放松狀態(tài)；2）將已經(jīng)連接成環(huán)狀的金剛石串珠繩套入主動輪、從動輪和張緊輪；3）順時針旋轉(zhuǎn)絲杠時，螺母沿導(dǎo)軌左側(cè)移動，安裝在螺母組件上的張緊輪同時左移，螺母到達絲杠合適位置，為張緊狀態(tài)，張緊輪將環(huán)形金剛石串珠繩張緊；4）絲杠鎖緊部件鎖緊絲杠，固定張緊輪。

圖2 機械張緊裝置

這種張緊裝置通過調(diào)節(jié)絲杠的位置實現(xiàn)張緊力的調(diào)整，結(jié)構(gòu)簡單實用，張緊安全可靠，但是張緊力的調(diào)節(jié)需要人工完成，速度較慢，同時會導(dǎo)致發(fā)熱和因摩擦而能量損失。

1.2 液壓方式

另外一種調(diào)節(jié)張緊力的方式是通過液壓系統(tǒng)實現(xiàn)，如圖3所示。圖中張緊裝置由張緊缸、鋸弓底板、導(dǎo)軌、張緊輪架、張緊輪以及串珠繩組成。當(dāng)張緊缸左側(cè)的活塞桿向左邊移動時，帶動張緊輪架左邊移動，從而使得張緊輪向左移動，張緊串珠繩。同理，當(dāng)張緊缸左側(cè)的活塞桿向右邊移動時，張緊輪會同時右移，從而放松串珠 繩［7］。 這 種 張緊方式采用單向閥和壓力控制裝置，因此可保證張緊力穩(wěn)定可靠，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

圖3 液壓張緊裝置［8］

通過以上兩種常用張緊裝置的分析，可以發(fā)現(xiàn)機械張緊裝置結(jié)構(gòu)簡單但磨損嚴(yán)重，液壓張緊裝置調(diào)節(jié)方便可靠但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，綜合以上兩種方法的特點，本文提出一種磁力張緊裝置以簡單可靠調(diào)節(jié)張緊力。

2 磁力張緊裝置的設(shè)計

該裝置利用兩對兩級永久磁鐵的相對旋轉(zhuǎn)而形成吸引力和排斥力，產(chǎn)生張緊力，驅(qū)動張緊輪左右移動，使得張緊裝置結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)迅速。

2.1 磁力張緊裝置的結(jié)構(gòu)

磁力張緊裝置的結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示，該張緊裝置包括手柄、防轉(zhuǎn)銷、支座、驅(qū)動軸、固定盤、張緊輪軸、張緊輪以及支架等。張緊裝置的驅(qū)動盤8安裝在驅(qū)動軸7上，其端面開有環(huán)形凹槽，凹槽中裝有第一環(huán)形永久磁鐵9。驅(qū)動軸7通過軸承5支撐在左支座4內(nèi)，其一端穿過左支座4與驅(qū)動盤8的中心孔用花鍵聯(lián)接。與驅(qū)動盤8端面相對的右支座15的固定盤12端面開有環(huán)形凹槽，凹槽中裝有第二環(huán)形永久磁鐵11，兩環(huán)形永久磁鐵間的相互轉(zhuǎn)動產(chǎn)生排斥力和吸力，使固定盤12相對驅(qū)動盤8作前后移動，從而帶動右支座15相對左支座4前后移動，使張緊輪17能夠左右移動，以調(diào)節(jié)串珠繩的張緊程度。

2.2 磁力張緊裝置的工作原理

如圖4和圖5所示，支架19安裝在金剛石繩鋸機的框架上，左支座4通過鎖緊螺栓20固定在支架19的燕尾槽上。左支座4中安裝有驅(qū)動軸7，其支承在左支座4內(nèi)的軸承5上，驅(qū)動軸7的一端裝有手柄1和端蓋3，手柄1上裝有防轉(zhuǎn)銷2。驅(qū)動軸7的另一端裝有驅(qū)動盤8，并用左擋圈10固定。右支座15安裝在支架19的燕尾槽中，可在其中滑動。另外右支座15裝有固定軸13，固定軸13一端與右支座15過盈配合，另一端與固定盤12過盈配合，固定盤12端面裝有擋圈14。右支座15另一端裝有張緊輪軸16，張緊輪軸16上裝有張緊輪17，其端面用鎖緊螺母18固定。

圖4 張緊裝置的原理示意圖［9］

圖5 張緊裝置的主視圖

當(dāng)旋轉(zhuǎn)手柄1時，通過花鍵帶動驅(qū)動盤8旋轉(zhuǎn)。當(dāng)驅(qū)動盤8旋轉(zhuǎn)時，裝在環(huán)形凹槽中的兩極永久磁鐵9同時旋轉(zhuǎn)，由于與其相對的右支座15的固定盤12上也裝有兩極永久磁鐵11，因此，當(dāng)兩磁鐵9、11極性相反時，會產(chǎn)生吸引力，當(dāng)兩磁鐵9、11極性相同時，會產(chǎn)生排斥力，從而使得固定盤12帶動右支座10在支架19的燕尾槽上移動，使張緊輪17能夠左右移動，以調(diào)節(jié)串珠繩的張緊程度，最終實現(xiàn)金剛石繩鋸機的張緊功能。由于固定軸13裝有擋圈14，使得兩磁鐵9、11不會因磁力過大而結(jié)合在一起。

張緊力的粗調(diào)可通過調(diào)整左支座4和右支座15間的距離實現(xiàn)，張緊力的微調(diào)可通過旋轉(zhuǎn)手柄1進行，當(dāng)兩磁鐵極性9、11完全相同時，張緊力達到最大，當(dāng)兩磁鐵9、11極性完全相反時，張緊力最小。張緊力調(diào)整結(jié)束后，可將防轉(zhuǎn)銷2插入到端蓋3中，以防止驅(qū)動盤8轉(zhuǎn)動使張緊力發(fā)生變化。

2.3 磁力張緊裝置的特點

磁力張緊裝置與傳統(tǒng)張緊裝置相比，由于張緊力是在非接觸的狀態(tài)下產(chǎn)生，永久磁鐵間沒有相互接觸，因此，該結(jié)構(gòu)無零件發(fā)熱和磨損問題，極大地減小了振動和噪聲。該機構(gòu)因零件沒有直接接觸，因此無摩擦和硬性沖擊產(chǎn)生，能量損失較少，零件具有較長的使用壽命，并且張緊力調(diào)節(jié)迅速，該設(shè)計方案已獲得國家專利授權(quán)。

3 結(jié)論

水下金剛石繩鋸機是一種廣泛應(yīng)用于海洋工程維修或拆卸的切割設(shè)備，可切割多種材料，具有成本低、可靠性高、切割效率高等優(yōu)點。本文利用磁力工作原理設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單的水下金剛石繩鋸機的張緊裝置，該裝置解決了當(dāng)前水下金剛石繩鋸機張緊裝置普遍存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、磨損大、受力效果不好等問題，效果良好。后續(xù)還需通過仿真分析軟件對磁力和張緊輪摩擦力進行力學(xué)特性分析，以確定最優(yōu)設(shè)計參數(shù)。

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