基于内行星轮系的管道内切割装置

1.本发明属于工业管道加工技术领域，涉及一种管道内切割装置，具体涉及一种基于内啮合行星轮系实现自转且径向扩展的封闭管道内切割装置，可用于石油化工的领域。


背景技术：

2.当圆形管道受介质腐蚀、流体冲击等工况影响出现壁面破损、裂纹、点蚀等故障时，为了避免将整体管道替换或整个管道卸下，大都采用内切割形式对管道故障部分的切割而实现对管道的维修，可以提高维修效率和降低成本。而当内切割小口径管道时，现有设备由于其庞大的体积，难以适用于小口径加工；并且现有设备由于只具备单个电机，不能很好地调节转速以应对管道材质、壁厚等条件产生变化的情况。
3.现有的管道内切割设备已能够完成部分管道的内切割工作，但由于管道内部空间有限，而现有内切割设备设计较为复杂，导致整体结构庞大，例如申请公布号为cn 112247247 a，名称为“一种从管道内部进行切割的器械”的专利申请，公开了一种呈现正三角形的管道内部切割器械，其切割工作模式是使用两个电磁铁进行刀具的调节和切割工作的转换，经过锥齿轮传动，缓冲弹簧缓冲的柔性切割模式；该发明能够从管道内部进行切割，但出于保护刀具的目的，采用两个磁铁控制模式转换的机械装置，且该发明限于锥齿轮特殊的安装方式，这种复杂的结构设计，不仅导致整体器械体积庞大，而且限制了管道内的空间利用率，最终影响其工程适用性；同时若锥齿轮装配不适，会导致装置的使用寿命降低。


技术实现要素：

4.本发明目的在于解决现有圆管道内切割技术存在的缺陷，提出一种基于内行星轮系的管道内切割装置，旨在解决现有技术存在的因体积庞大导致的仅适合内切割小口径管道的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括设置在待切割管道内的固定架机构1、周向进给机构2、内啮合行星轮系传动机构3、切割刀具机构4，以及控制机构，其中：
6.所述固定架机构1，包括内壁设置有阶梯凸台的空腔圆柱状的固定架体11、盖板中心设有圆形孔的前端盖12以及后端盖13；
7.所述周向进给机构2，包括设置在固定架体11空腔内且固定在后端盖13上的周向进给电机21，以及通过一对第一轴承22支撑在固定架体11轴线上且与周向进给电机21的传动轴连接的驱动轴23，所述驱动轴23的前端设置有位于其中心轴线上的安装腔；所述周向进给电机21带动驱动轴23相对于固定架体11转动；
8.所述内啮合行星轮系传动机构3，包括齿轮驱动电机31、齿轮传动曲柄轴32、圆柱齿轮33和齿轮架34；所述齿轮驱动电机31固定在驱动轴23的安装腔内；所述齿轮传动曲柄轴32的主轴颈与齿轮驱动电机31的输出轴连接；所述圆柱齿轮33固定在齿轮传动曲柄轴32的连杆轴颈上；所述齿轮架34的外圈与驱动轴23固定，内齿与圆柱齿轮33啮合；所述齿轮驱
动电机31通过齿轮传动曲柄轴32驱动圆柱齿轮33与齿轮架34相对转动；
9.所述切割刀具机构4，包括固定在圆柱齿轮33后端的刀具驱动电机41、与刀具驱动电机41输出轴连接的刀具架42，以及固定在刀具架42上的圆盘状切割刀具43；所述刀具驱动电机41驱动切割刀具43相对于圆柱齿轮33转动，实现对管道的切割；
10.所述切割刀具43，其半径与齿轮传动曲柄轴32曲柄的半径之和大于固定架体11的半径；
11.所述控制机构，用于对周向进给电机21、内齿轮驱动电机31和刀具驱动电机41进行控制。
12.上述管道内切割装置，所述周向进给电机21和内齿轮驱动电机31传动轴的中心轴线，以及齿轮架34的中心轴线与固定架体11的中心轴线重合；所述刀具驱动电机41，其传动轴的中心轴线与固定架体11的中心轴线平行。
13.上述管道内切割装置，所述周向进给机构2，其所包含的一对第一轴承22之间通过套筒支撑，其中靠近后端的轴承通过轴承盖与固定架体11内壁设置的阶梯凸台固定。
14.上述管道内切割装置，所述周向进给电机21和内齿轮驱动电机31的转速比，是通过圆柱齿轮33和齿轮架34的传动比决定的，当圆柱齿轮33和齿轮架34的传动比为1:2时，周向进给电机21和内齿轮驱动电机31的转速比为3:2。
15.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
16.1.本发明内啮合行星轮系传动机构中齿轮传动曲柄轴驱动圆柱齿轮与齿轮架相对转动，切割刀具机构中的切割刀具相对于圆柱齿轮转动，利用不同传动比下圆柱齿轮运动轨迹多变的特性，完成对管道的内切割，避免了现有技术中通过两个磁铁控制模式转换实现内切割，以及通过锥齿轮传动导致的体积庞大的缺陷，能够实现对不同口径管道的内切割，有效提高了管道内的空间利用率，拓宽了切割装置的适用范围。
17.2.本发明通过控制机构控制周向进给电机和内齿轮驱动电机的转速来控制刀具轴线的切割路径，从而应对不同管径下的内切割工作；通过控制刀具驱动电机的转速来控制切割刀具的转速，进而控制工作力的大小，三个电机相互配合，能够应对不同材质管道的内切割工作，有效提高了不同工况下切割装置的适用性。
18.3.本发明采用的内啮合行星轮系传动机构结构紧凑，运行平稳，且易制造安装，避免了现有技术因锥齿轮装配不适可能会导致装置使用寿命降低的缺陷。
附图说明
19.图1为本发明的整体结构示意图。
20.图2为本发明固定架机构的结构示意图。
21.图3为本发明周向进给机构的结构示意图。
22.图4为本发明传动轴的结构示意图。
23.图5为本发明内啮合行星轮系传动机构的结构示意图。
24.图6为本发明齿轮传动曲柄轴的结构示意图。
25.图7为本发明切割刀具机构的结构示意图。
26.图8为本发明切割刀具轴线的椭圆型轨迹图。
27.图9为本发明切割刀具轴线的类螺旋线型轨迹图。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
29.本发明包括机械部分和控制机构，其中机械部分的结构如图1所示，包括设置在待切割管道内的固定架机构1、周向进给机构2、内啮合行星轮系传动机构3、切割刀具机构4。
30.参照图2，所述固定架机构1，包括内壁设置有阶梯凸台的空腔圆柱状的固定架体11、盖板中心设有圆形孔的前端盖12以及后端盖13；
31.所述固定架体11靠近前端的凸台用来支撑第一轴承22，靠近后端的凸台上具有6个均布的螺纹孔和2个非对称的销孔，来安装和定位周向机构端盖25；
32.所述前端盖12和后端盖13的外径和固定架体11的外径相等。
33.参照图3，所述周向进给机构2，包括设置在固定架体11空腔内且固定在后端盖13上的周向进给电机21、通过一对第一轴承22支撑在固定架体11轴线上驱动轴23、导电滑环24和周向机构端盖25；所述驱动轴23的前端设置有位于其中心轴线上的安装腔；所述周向进给电机21带动驱动轴23相对于固定架体11转动；
34.所述驱动轴23，其结构如图4所示，包括电机连接轴段231、导电滑环轴段232、空心孔233、电机腔体234、端盖凸台235、轴承轴肩236、螺栓轴肩237和齿轮架腔体238；所述电机连接轴段231与电机通过联轴器连接；所述导电滑环轴段232安装有导电滑环24；所述空心孔233为导电滑环的过线通道，形状为t形的圆柱体通道，轴线分别驱动轴23和导电滑环24的中心线重合；所述电机腔体234处安装内齿轮驱动电机31；所述端盖凸台235用以安装行星轮系端盖37，其内径不得小于电机腔体234的直径；所述轴承轴肩236用以支撑第一轴承22，其轴肩高度不得高于轴承内圈高度；所述螺栓轴肩237用以安装固定齿轮架的螺栓；所述齿轮架腔体238与齿轮架34的外圈配合；
35.所述导电滑环24为圆环状结构，位于驱动轴23的导电滑环轴段232；所述导电滑环24的外侧与静止的输电线相连，内侧与旋转的驱动轴23相连，从而实现电线动静转化；导线经过驱动轴23的空心孔233与驱动轴23空腔内的内齿轮驱动电机31连接；
36.所述周向机构端盖25，包括端盖主体251、螺纹孔252和定位销孔253；所述端盖位于固定架体11的第二凸台上且与其同轴心，起到了固定安装的作用；同时周向机构端盖25的端面可根据实际尺寸选择均匀分布的3～6个螺纹通孔，本实例的数量取值为6，并且端面还设有两个相较于直径方向不对称的两个定位销孔，用于定位周向机构端盖25；同时周向机构端盖25与驱动轴23结合部位设有密封圈。
37.参照图5，所述内啮合行星轮系传动机构3，包括齿轮驱动电机31、齿轮传动曲柄轴32、圆柱齿轮33、齿轮架34、第二轴承35、套杯36、行星轮系端盖37、连杆轴颈轴承38和圆柱齿轮端盖39；所述齿轮驱动电机31通过齿轮传动曲柄轴32驱动圆柱齿轮33与齿轮架34相对转动；
38.所述齿轮驱动电机31固定在驱动轴23的安装腔内；所述齿轮架34的外圈与驱动轴23固定，其内齿与圆柱齿轮33啮合；
39.所述齿轮传动曲柄轴32，其结构如图6所示，包括主轴颈321、连杆轴颈322和曲柄323，所述主轴颈321与齿轮驱动电机31的输出轴连接；所述圆柱齿轮33通过连杆轴颈轴承38的支撑和圆柱齿轮端盖39的固定安装在齿轮传动曲柄轴322的连杆轴颈上；所述曲柄323起传递扭矩的作用；
40.所述齿轮架34与驱动轴23使用螺纹连接，其过程是：先将驱动轴23内孔和齿轮架34外圈按设计要求装配好，再在其配合的缝上钻孔攻丝，进而使用螺栓安装。
41.所述第二轴承35支撑齿轮传动曲柄轴32安装在套杯36内，轴承之间设有长圆环状的套筒对，该套筒对的外径不得大于第二轴承35的内径，内径小于第二轴承35外径；
42.所述套杯36的作用是将第二轴承35及套筒对组合安装，便于后续的润滑和安装；
43.所述行星轮系端盖37用螺栓安装在驱动轴23的端盖凸台235，其顶端顶在第二轴承35的外径上。
44.参照图7，所述切割刀具机构4，包括刀具驱动电机41、刀具架42、切割刀具43和第三轴承44；所述刀具驱动电机41驱动切割刀具43相对于圆柱齿轮33转动，实现对管道的切割；
45.所述刀具驱动电机41固定在圆柱齿轮33后端，为切割刀具提供动力；
46.所述刀具架42和刀具驱动电机41输出轴连接，通过第三轴承44的支撑安装在圆柱齿轮33的腔体内；
47.所述切割刀具43为圆盘状结构，通过过盈连接固定在刀具架42的前端；且该切割刀具43半径与齿轮传动曲柄轴32曲柄的半径之和大于固定架体11的半径；同时所述切割刀具43设有刀具保护罩。
48.所述周向进给电机21和内齿轮驱动电机31传动轴的中心轴线，以及齿轮架34的中心轴线与固定架体11的中心轴线重合；所述刀具驱动电机41，其传动轴的中心轴线与固定架体11的中心轴线平行。
49.所述周向进给电机21和内齿轮驱动电机31的转速比，是通过圆柱齿轮33和齿轮架34的传动比决定的，本实例具体为圆柱齿轮33和齿轮架34的传动比为1:2，其对应周向进给电机21和内齿轮驱动电机31的转速比为3:2。
50.本实例的控制机构，包括设备控制单元pc端和运动控制器，以及与周向进给电机21、内齿轮驱动电机31和刀具驱动电机41连接的三个电机驱动器，圆柱齿轮33和齿轮架34的传动比为1:2时，对应周向进给电机21和内齿轮驱动电机31的转速分别为120r/min和80r/min，刀具驱动电机41转速为1000r/min，通过pc端向运动控制器发送指令，运动控制器分别给三个驱动器发送脉冲信号，驱动器接受脉冲信号并且驱动不同电机按相应的转速旋转。
51.本发明的工作原理是：在齿轮驱动电机31的驱动下，且齿轮架34固定不动时，圆柱齿轮33分度圆上点轨迹就是齿轮架34的一条直径，而此时圆柱齿轮33上安装的切割刀具43的轴线轨迹就是一个绕齿轮架34轴心的椭圆轨迹，如图8所示；而当固定有齿轮架34的驱动轴23在周向进给电机21驱动下做绕固定架体11的中心轴线做旋转运动，圆柱齿轮33安装的切割刀具43的轴线轨迹就复合为兼有周向和径向扩展的类螺旋线轨迹，如图9所示；与此同时刀具驱动电机41驱动切割刀具43的刀具盘面绕切割刀具43的轴线旋转，从而完成内切割工作。