管道開孔器輕量化設(shè)計(jì)

上圖為天津市先鋒管道工程機(jī)械有限公司車間內(nèi)景，歡迎來廠實(shí)地考察。

在全球環(huán)保消費(fèi)觀念盛行的今天，帶壓開孔設(shè)備輕量化技術(shù)開始變得重要，正成為通向未來節(jié)能設(shè)備發(fā)展之路的主流技術(shù)，在此技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)走到了行業(yè)的前端。輕量化主要通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用輕質(zhì)、高強(qiáng)度的材料來實(shí)現(xiàn)。

設(shè)備的輕量化的技術(shù)內(nèi)涵是：采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和有效手段對(duì)帶壓開孔設(shè)備的各類產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，或使用新材料在確保設(shè)備在綜合性能指標(biāo)的前提下，盡可能降低產(chǎn)品自身重量，以達(dá)到減重、降耗、環(huán)保、安全的綜合指標(biāo)。

然而，設(shè)備的輕量化絕非是簡(jiǎn)單地將其小型化。首先應(yīng)保持設(shè)備原有的性能不受影響，既要有目標(biāo)地減輕自身的重量，又要保證設(shè)備在帶壓開孔工程施工中的安全性、便攜性、抗振性及操作簡(jiǎn)便化，同時(shí)還要使設(shè)備本身的造價(jià)不被提高，以免給客戶造成經(jīng)濟(jì)的壓力。

設(shè)備輕量化技術(shù)包括設(shè)備結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和輕量化材料的使用兩大方面。一方面設(shè)備的輕量化與材料密切相關(guān)；另一方面，優(yōu)化帶壓開孔鉆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是實(shí)現(xiàn)輕量化的有效途徑。輕量化技術(shù)也在機(jī)械行業(yè)不斷發(fā)展，主要表現(xiàn)在：

一、輕量化設(shè)計(jì)原理

明確輕量化設(shè)計(jì)及材料技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容、設(shè)備的主要發(fā)展階段，按照工作原理和技術(shù)發(fā)展用輕量化設(shè)計(jì)及材料的特點(diǎn)和分析，了解現(xiàn)代輕量化設(shè)計(jì)及材料技術(shù)之間的關(guān)系。在設(shè)計(jì)與計(jì)算原理、材料性能 （包括相應(yīng)的復(fù)合材料與材料復(fù)合物）以及成型方法的基礎(chǔ)上，相應(yīng)的論述將會(huì)對(duì)創(chuàng)新有所發(fā)展。

二、輕量化材料

輕量化材料應(yīng)用

1、有色合金材料

1.1鋁合金

鋁相對(duì)于鋼、鐵來講，質(zhì)量輕許多，而且鋁資源豐富，市場(chǎng)供應(yīng)充足。鋁加入合金元素后，具有密度小、質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性能高、吸收沖擊能力強(qiáng)，易于回收再生、耐腐蝕性高等特點(diǎn)。鋁合金的密度大約是鋼鐵的1/3，吸收沖擊的能力大約是鋼的2倍，導(dǎo)熱性能大約比鐵高3倍，所以鋁合金是輕量化的首選材料，在開孔設(shè)備上使用比較早，技術(shù)也相對(duì)成熟。

1.2鎂合金具有與鋁合金相似的性能，但是鎂的密度更低，它們的密度之比為1.8:3，是當(dāng)前最理想，重量最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，因而成為開孔機(jī)減輕自重、以提高其節(jié)能性和環(huán)保性的首選材料。但其鑄造性差，后處理工藝復(fù)雜，成本高。我國(guó)的鎂資源非常豐富，儲(chǔ)量占世界首位。但是國(guó)內(nèi)用量很少，尤其是帶壓開孔行業(yè)用量極少，因此前景非常廣闊。

2、高強(qiáng)度鋼

雖然設(shè)備制造中鋁等輕質(zhì)材料不斷增加，但鋼鐵仍是設(shè)備制造的主要材料。鋁等輕質(zhì)材料由于受到自身性能、工藝要求以及價(jià)格等因素的限制，在設(shè)備制造中僅能代替一部分鋼鐵。高強(qiáng)度鋼相對(duì)于普通鋼來說具有高強(qiáng)度、質(zhì)量輕、成本降低等特點(diǎn)，而且能夠提高安全性能，所以高強(qiáng)度鋼已成為頗具競(jìng)爭(zhēng)力的輕量化的原材料。使用高強(qiáng)度鋼板代替普通鋼板制造設(shè)備，設(shè)備自身質(zhì)量可減輕30%-40%；代替普通鋼制成的鉆桿質(zhì)量可減輕約10%。所以，高強(qiáng)度鋼是設(shè)備中鋼鐵材料今后的主要發(fā)展方向之一。不僅有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的輕量化，降低能耗和保護(hù)壞境，而且可以大幅度地提高設(shè)備的耐侵蝕能力，增加使用壽命。

3、塑料和復(fù)合材料

與相同結(jié)構(gòu)性能鋼材相比，塑料和復(fù)合材料一般可減輕部件的重量在35%左右。低密度與超低密度片狀成型復(fù)合材料的發(fā)展提供了更多的潛力，在重量減輕與強(qiáng)度方面達(dá)到甚至超過了鋁材，整體成本通常更低。

塑料是由非金屬為主的有機(jī)物組成的，具有密度小、成型性好、耐腐蝕、防振、隔音隔熱等性能，同時(shí)又具有金屬鋼板不具備的外觀色澤和觸感。

復(fù)合材料即纖維增強(qiáng)塑料，是一種增強(qiáng)纖維和塑料復(fù)合而成的材料。常用的是玻璃纖維和熱固性樹脂的復(fù)合材料。增強(qiáng)用的纖維除玻璃外，還有高級(jí)的碳纖維、合成纖維。復(fù)合材料具有很多優(yōu)點(diǎn)：密度小、設(shè)計(jì)靈活美觀、易設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu)、耐腐蝕、隔熱隔電、耐沖擊、抗振等。

4、其它輕量化材料

精細(xì)陶瓷是繼金屬、塑料之后發(fā)展起來的第3大類材料。其發(fā)展史只有20年左右，但具有優(yōu)良的力學(xué)性能（高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、耐磨損等）和化學(xué)性能（耐熱沖擊、耐氧化、蠕變等）。作為輕量化材料如果用于開孔鉆的零件，不僅直接起到輕量化的作用，更因其優(yōu)良的耐熱性、耐腐蝕性和耐磨性，使功率提高，成本下降。蜂窩夾層材料是早已在飛機(jī)上采用的材料，其最大的特點(diǎn)是剛性高、比強(qiáng)度高、密度低。目前應(yīng)用在開孔設(shè)備上的實(shí)例還不多，但應(yīng)用研究在不斷前進(jìn)，將來會(huì)較多地得到運(yùn)用。

5、結(jié)論

盡管我們會(huì)面臨種種障礙，但仍然沒有放棄努力，專業(yè)軟件的開發(fā)成果越來越多，新材料技術(shù)、新生產(chǎn)技術(shù)和新設(shè)計(jì)方法不斷進(jìn)步，鋁、鎂、復(fù)合材料和特種鋼等新材料在制造中的使用比例在逐步加大。雖然在目前看來短期內(nèi)不會(huì)在減重方面出現(xiàn)革命性突破，但是由于不斷努力，相信不久的將來制造出輕量廉價(jià)的新一代帶壓開孔設(shè)備的目標(biāo)。