水下金剛石繩鋸機張緊裝置的研究

張惠

（浙江海洋學院 船舶與海洋工程學院，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、切割形狀復雜、切割效率較高的特點。隨著海洋開發的深入，金剛石繩鋸機的應用范圍越來越廣，除了用于拆除廢棄核電站設施及維修海底構件以外［1］，還可用于切割海上石油平臺導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，如圖1所示。其中切割機構包括進給裝置、張緊裝置、驅動裝置、導向裝置及切割框架等［5］。夾緊機構主要用于夾緊需切割的管道或工件，張緊裝置則用于調節串珠繩的張緊程度，以保證切割刀具順利工作。根據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構如圖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部，其一端穿出張緊輪軸座連接調整手柄，張緊輪通過鍵連接在螺母組件上，張緊輪軸座中設有張緊輪安裝孔，以安裝張緊輪。工作時，通過旋轉調整手柄帶動絲杠旋轉，使張緊輪能夠左右移動，以調節串珠繩的張緊程度。其工作過程為：1）逆時針旋轉絲杠時，螺母沿導軌右側移動，安裝在螺母組件上的張緊輪也同時右移，當螺母移動絲杠最右側時，為放松狀態；2）將已經連接成環狀的金剛石串珠繩套入主動輪、從動輪和張緊輪；3）順時針旋轉絲杠時，螺母沿導軌左側移動，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，張緊輪將環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節絲杠的位置實現張緊力的調整，結構簡單實用，張緊安全可靠，但是張緊力的調節需要人工完成，速度較慢，同時會導致發熱和因摩擦而能量損失。

1.2 液壓方式

另外一種調節張緊力的方式是通過液壓系統實現，如圖3所示。圖中張緊裝置由張緊缸、鋸弓底板、導軌、張緊輪架、張緊輪以及串珠繩組成。當張緊缸左側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，當張緊缸左側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定可靠，但結構較為復雜。

圖3 液壓張緊裝置［8］

通過以上兩種常用張緊裝置的分析，可以發現機械張緊裝置結構簡單但磨損嚴重，液壓張緊裝置調節方便可靠但結構較復雜，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節張緊力。

2 磁力張緊裝置的設計

該裝置利用兩對兩級永久磁鐵的相對旋轉而形成吸引力和排斥力，產生張緊力，驅動張緊輪左右移動，使得張緊裝置結構簡單、調節迅速。

2.1 磁力張緊裝置的結構

磁力張緊裝置的結構如圖4和圖5所示，該張緊裝置包括手柄、防轉銷、支座、驅動軸、固定盤、張緊輪軸、張緊輪以及支架等。張緊裝置的驅動盤8安裝在驅動軸7上，其端面開有環形凹槽，凹槽中裝有第一環形永久磁鐵9。驅動軸7通過軸承5支撐在左支座4內，其一端穿過左支座4與驅動盤8的中心孔用花鍵聯接。與驅動盤8端面相對的右支座15的固定盤12端面開有環形凹槽，凹槽中裝有第二環形永久磁鐵11，兩環形永久磁鐵間的相互轉動產生排斥力和吸力，使固定盤12相對驅動盤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，以調節串珠繩的張緊程度。

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中安裝有驅動軸7，其支承在左支座4內的軸承5上，驅動軸7的一端裝有手柄1和端蓋3，手柄1上裝有防轉銷2。驅動軸7的另一端裝有驅動盤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

當旋轉手柄1時，通過花鍵帶動驅動盤8旋轉。當驅動盤8旋轉時，裝在環形凹槽中的兩極永久磁鐵9同時旋轉，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，當兩磁鐵9、11極性相反時，會產生吸引力，當兩磁鐵9、11極性相同時，會產生排斥力，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，以調節串珠繩的張緊程度，最終實現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合在一起。

張緊力的粗調可通過調整左支座4和右支座15間的距離實現，張緊力的微調可通過旋轉手柄1進行，當兩磁鐵極性9、11完全相同時，張緊力達到最大，當兩磁鐵9、11極性完全相反時，張緊力最小。張緊力調整結束后，可將防轉銷2插入到端蓋3中，以防止驅動盤8轉動使張緊力發生變化。

2.3 磁力張緊裝置的特點

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

3 結論

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

［1］ 王海波，孟慶鑫，王喆.海洋廢棄平臺樁基拆除繩鋸機的研發［J］.機械設計與制造，2010（10）：116-118.

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［3］ 曹立文，丁海娟.金剛石串珠繩張力傳感器和性能指標分析［J］.工業計量，2007，17（5）：18-21.

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［6］ 王慧.水下金剛石繩鋸機試驗樣機研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2008.

［7］ 曹立文.水下金剛石繩鋸機切割技術的研究與工程樣機的研制［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2006.

［8］ 張嵐，孟慶鑫，王立權，等.水下金剛石繩鋸機技術方案分析與設計［J］.機械設計，2005，22（8）：8-12.

［9］ 張惠.一種水下金剛石繩鋸機的張緊裝置：CN201220498210［P］.2012-09-27.