摘要：室外作业的PE管道焊接机，为了优化其焊接过程中对焊接质量的影响，并且满足在焊接过程中的可携带性以及满足其焊接时热板抬起时需要一定的刚度来满足在焊接过程中的稳定性，故pe管道的焊机机架的设计显得格外重要。机架由一个整体的框架，两根活塞杆高低45度放置，放置4个夹具，夹具下半圆固定，上半圆可掀开及用螺母压紧，，可加垫块适应不同规格焊管。铣刀置于两根活塞杆上，轴向浮动；当焊机工作时，热板压下时一端置于活塞杆上，另一端置于固定在机架上的滑杆上，当液压缸驱动焊管分离时，脱开装置保证热板与两边焊管都能脱离。整机尽可能减小重量和体积，以及提高刚度。

关键词：PE焊接机；机架刚度；脱开机构；夹具

Automatic welding machine frame

Abstract：In order to optimize the influence of the welding quality in the welding process and meet the portability of the welding process in the welding process, and meet the stability of the welding process in the welding process, the design of the welding machine frame of the PE pipeline is particularly important in order to optimize the influence of the welding quality in the welding process, and to meet the portability of the welding process and meet the stiffness of the hot plate in the welding process. The frame is made up of a whole frame with two piston rods placed at 45 degrees and 4 fixtures. The lower semicircle of the fixture is fixed, the upper semicircle can be lifted and the nut is pressed, and the cushion block can be used to adapt to the different specifications of the welded pipe. The milling cutter is placed on two piston rods and floating in axial direction. When the welding machine works, the end of the hot plate is placed on the piston rod and the other end is placed on the sliding rod fixed on the frame. When the hydraulic cylinder drives welding pipe separation, the disopening device ensures that both the hot plate and the two sides of the welded pipe can be separated. The machine can reduce weight and volume as much as possible and improve stiffness.

KeyWords：PE welding machine; Frame stiffnesst; Disconnect mechanism; fixture

目录

1绪论 2

1.1课题背景 3

1.2国内外研究现状 4

1.3PE管焊接机简介 4

1.4PE管焊接机分类与特点 5

2.课题目标 7

2.1主要任务及技术要求与参数 7

2.2问题的提出 7

3.方案的设计 8

3.1全自动管道焊接机优势分析 8

3.1.1自动管焊机发展史 8

3.1.2全自动管道焊接机特点 8

3.1.3全自动管焊机对焊接质量的影响 8

3.2基座与活塞杆之间的连接选择 9

3.2.1刚度的定义 9

3.2.2基座与活塞杆的连接方案 9

3.2.3方案确定 13

3.3驱动方式的选择 13

3.4夹具的选择 17

3.4.1夹具的目的及意义 17

3.4.2对夹具的设计要求 17

3.4.3夹具方式 18

3.4.4夹具夹紧机构 19

3.5脱开机构选择 19

3.6材料的选择 21

4.设计计算及校核 23

4.1液压缸设计及计算 23

4.1.1参数确定 23

4.1.2校核 25

4.2夹具的设计计算与校核 27

4.2.1基本参数的确定 27

4.2.2校核 28

4.3机架整体计算校核 28

4.3.1参数确定 28

4.3.2校核及寿命计算 29

5.设计小结 31

致谢 32

参考文献 33

1绪论

1.1课题背景

现如今在我们的日常生活中充满着许多的pe管道，众所周知pe管道在我们的日常生活中起着重要作用，由于pe管道具有的其强度高、无毒、耐磨等特点被我们广泛利用在天然气运输和化学气体输送行业，矿泥泥浆输送等产业。所以当我们要制作长距离输送的pe管道时，我们便要使用pe管对接的方法将pe管道连接在一块以此来增加pe管的长度，由此便有了管焊机的诞生。

随着社会发展，人类对于生活的质量要求变的越来越高，此时人们对于自动化的设备的需求量就显得更高，焊接行业也在发生性的变化，焊接已经开始由人工手焊慢慢的转变为自动焊接技术，各式各样的焊机机械开始蓬勃发展。

焊接技术包括热熔焊接，电弧焊接等等，目前使用最多的为热熔焊接技术，国内的热熔焊接技术也日益成熟，开始追赶上其他领先的国家，现代焊接技术已经能够基本上能够制造出不具有内部和外部缺陷并且机械性能等于或甚至高于的焊接接头，为了保证焊接质量的问题，必须要制造出可以适应各种机械性能的焊接接头，焊接接头直接影响了焊接时的质量问题。目前管道焊接技术正在茁壮的发展中，而社会对于管焊机的要求也更加苛刻，提出了许多新的功能，在保证其焊接质量的情况下，要做的更轻盈，刚度更高，更容易携带等功能，于是各方各界都在努力改变，创造。

PE管道的焊接的主要方法为将两个加热的pe管道进行对接。热熔时的表面要求为平面，其焊接的方法为，先使用铣刀将pe管道铣出一层新面，要求为尽量是平面以保证之后的焊接保质保量，接着将pe管道紧压在热板的两端，在一定时间后，达到了其压力之后将热板脱开，再将两根pe管道对接保持一定的压力，最后等待冷却即可完成焊接。焊接时会发生有粘流态材料发生流动，当流动过大时会影响整体的焊接质量，所以焊接时的要素不仅为控制好压力，时间和温度这三个条件，还要考虑到焊接时的环境因素，人为因素，焊接材料的性能还有其应力状况。在制造焊接机时要测量各种材料在焊接机上的特性以及温度压力的数据，然后才能制定焊接时的工艺规程，以便可以达到现场施工时的各种标准完成现场的焊接工作。本课题为便携式315自动管管焊机机架的设计，在符合以上工艺的同时，还需要满足可携性和便捷性，

自动管焊机在国内起源于两千年初，管道的自动化焊接受到了各大科研机构，各个公司及业主的青睐，自动管焊机的出现也代替了原来的手动热熔焊接，手工电弧焊等技术。并且伴随着数字化技术的不断进步，自动管焊机已经可以已经能够实现使用一台计算机来自动控制焊接时需要的压力和温度，不再需要人工操作。并且行业还在日益壮大，且向国际靠拢。在国家的支持下，各个公司协会也正在完善产品的标准体系。在国外，自动管焊机技术还是领先国内的整体水平，不论是在自动管焊机的整体液压系统控制方面还是在机架的设计方面都有他们独到的见解，这也是我们需要学习与借鉴的东西。

因为起步相较于国外发达国家较晚，所以水平还在发展中。在自动管焊机的高效，自动化中有了长足的进步，我国焊接制造业正面临着一个新时代的试验，适应现代高新技术的发展是必要的。并且正在往更好的系统控制，高效，精度高，成套性好的方向靠拢，相信通过我们这些新鲜血液的努力，自动管焊机会有着更加出色的未来。

1.2国内外研究现状

管焊机的发展往自动控制部分进行发展。这不仅消除了人为因素的影响，而且实现了可自动化工作。由于传统的管焊机已可以进行大尺寸的管道对接，所以现代自动化焊接机要适配现代的潮流。在英国、德国、美国和日本等发达国家，半自动和全自动对焊设备已经被设计并开始投入使用。例如，美国的一家公司开发了一种自动管焊机，我们可以选择最佳的压力和温度参数，并能够保持较小的误差，能够大大减少了工人在焊接过程中由于环境和职业能力所带来的干扰，从而保证了焊接质量。在我国，焊接塑料管道的应用相对较晚，与发达国家相比，管道的焊接技术存在很大的差距。目前，pe管道无论是在工程中还是在天然气输送中有广泛应用，我国的焊接设备大多都是从国外进口，且焊接设备也是老型号相对落后。对于传统热熔焊机，需要采用手动控制，其焊接工艺是基于经验的。传统的设备对于工人的工作量就相对增加了，在另一方面，焊接质量也受到了人为因素的影响，很难保证焊接时的质量问题，焊接后，可能导致无法排查焊接问题。电熔焊接技术也是一种被广泛应用的焊接技术，但是其效果仅在管径管材上更好。焊接大口径pe管道时，电容焊接难以保证其焊接质量，会出现焊接的管子有时会有泄漏的问题。同时，国外的电熔焊接技术相对成熟，我国电熔焊接技术具有明显不足，民营公司或中外合资企业生产的焊接机不具有自主知识产权。近年来，国内学者纷纷开始重视pe管道焊接技术的研究，并且也取得了长足的进步。

1.3PE管焊接机简介

pe管焊接机利用热熔焊接的原理将两根pe管道粘合在一起，通过高温改变管道的分子再将它们重新融合在一起。具体操作为：1.用铣刀将两根要焊接的pe管道铣出一圈新面，用来完成焊接。2：放下热板并将pe管道紧紧的压住热板，开始加热。3：等到温度与时间满足要求时将热板抬起，将两根pe管道开始融合在一起，由于温度以及压力保持一段时间之后，pe管道便会融合在一起。

Pe管焊机的组成：pe管焊机机架机架部分，活塞杆，夹具，液压缸推动着夹具的移动，热板机构以及液压站和控制系统。焊接架采用高强度合金材料，因为其结构牢固，轻盈耐用。整体结构相比于钢管的焊机便携，轻盈不少，在保证一定的焊接质量的同时，可以满足携带性并且可适用于各种场合。

1.4PE管焊接机分类与特点

Pe管道焊接机分为半自动热熔对接焊机，手动热熔对接焊机以及全自动热熔对接焊机等等。

手动热熔焊机的特点：

1. 适用于pe管材等塑料的热熔对接

2. 分体式结构，夹具与操作台分开，每个部件可以分开搬动

3. 采用电磁换向阀控制的液压缸进行进退，更方便操作

4. 对接压力由液压作为动力源，提高了整体焊机的压力与稳定性

半自动热熔对接焊机的特点：

1. 框架结构质量轻盈，刚性更好

2. 半自动热熔焊机热板自动弹出，减少人为因素的影响

3. 采用液压控制，保证其焊接稳定性

全自动热熔对接焊机的特点

1. 可适配不同口径的管材进行焊接

2. 焊接的时间，压力，温度全自动控制

3. 工作效率更加快速，稳定

4. 焊接过程的动态数据可打印，来进行焊接时的分析以便复查质量

5. 加热板自动快速弹出，减少温度损失

2.课题目标

2.1主要任务及技术要求与参数

熔焊直径315mm以下ＰＥ管的焊机便携式机架设计，要求重量尽量轻，刚性尽量高，并注重结构工艺性问题和操作的便捷性。可焊最大管径315mm，活塞杆直径25mm，两个活塞杆平行布置，高低呈45°，油缸最大行程120mm，夹具之间的间隔200毫米。

技术要求：夹具下半圆固定，上半圆可掀开及用螺母压紧，要求操作便捷，可加垫块适应不同规格焊管。铣刀置于两根活塞杆上，轴向浮动；热板压下时一端置于活塞杆上，另一端置于固定在机架上的滑杆上，当液压缸驱动焊管分离时，脱开装置保证热板与两边焊管都能脱离。整机尽可能减小重量和体积，以及提高刚度。

2.2问题的提出

因为在本次设计中，不仅要保证其焊机可以完成可靠的焊接工作，而且还要满足其具有一定的便携性，以至于在设计过程中需要克服很多的问题，以下为本次课程设计所需克服的难点。

1. 基座与活塞杆之间的连接问题，需要保证一定的刚度的同时又要可以方便拆卸。

2. 当热板抬起前，需要用热板脱开机构将其脱开，以便热板安全抬起，不影响正常焊接操作

3. 夹具设计为上下部分，并可用螺母压紧

4. 部分参数不够，需要借阅资料查询

3. 方案的设计

3.1全自动管道焊接机优势分析

3.1.1自动管焊机发展史

Pe管道的焊接技术的优劣直接关系到了焊接后的pe管道的质量和寿命问题。塑料管焊接发展于20世纪60年代在美国等发达国家，但80年代以后，尤其在90年代以后，管焊机便发展迅速。

目前，塑料管道的焊接已从上世纪的人工手动焊接慢慢演变为半自动或者全自动焊接，焊接设备也从过去的人工直接操作变为了由计算机控制的自动焊接管道技术。适用于PVC、PE、PP、PB和其他塑料材料和各种规格的管道焊接，并能自动完成塑料压力管接头的装配和焊接工艺。随着塑料压力管道焊接技术的发展，所要焊接的管道压力等级也越来越高。

在我国，塑料压力管道焊刚刚处于萌发的阶段，它有着广阔的发展前景。虽然我国进行了很多方面的学习，但与国际先进水平相比，我国的焊接技术比较落后，由于缺乏对与管道焊接基础的研究。这在一定程度上限制了塑料压力管道在中国的扩展速度和应用范围。因此，为了促进在中国的塑料压力管的广泛应用，国家自然科学基金的支持下，各个大学以及各种机械工会开始进行对于焊接方法的深入研究，塑料压力管道的热熔对接理论。

热熔对接的基本原理是通过压力将管道对接之后在冷却达到将两根pe管道对接，首先通过自动管焊机对管道端面进行铣削，加热熔化，快速关闭，并保持一定的压力，通过冷却来完成pe管道的焊接工作。热熔焊接可以适配各种pe管道的尺寸大小，使用该方法经济可靠并且由于自动化的诞生大大简化了操作。

3.1.2全自动管道焊接机特点

Pe管全自动焊接机由机架部分，电气部分，控制部分，热板，液压站组成。Pe管道全自动焊接机相较于手动管道焊接机采用了液压驱动的控制方式，有效的进行了位置与压力大小的精确控制，大大的减少了由于操作人员带来的焊接质量问题，并且降低了焊接施工人员的职业素质能力。全自动管焊机由于具有了控制柜，电气部分，在焊接过程中保证了其压力，温度，时间的自动控制操作方便。全自动管焊机更加适应了现代快节奏的生活，效率更高，焊接成功率更高并且可以大幅度地节省人力，让工人能够花更多的时间去处理其他问题。高效，可控，方便便是全自动管焊机的主要特点。

3.1.3全自动管焊机对焊接质量的影响

在pe管道进行热熔焊接过后，其焊接质量无法得到检测，无法判断其焊接质量是否达到要求，若没达到要求将会引发不可计量的后果，在传统的手动管道焊接机上，只能采用割开焊接好的pe管道进行逐步排查，耗时耗力。全自动管焊机可以实时对焊接过程进行数据保留，以便于后期的质量问题的排查。

由于全自动管焊机具有自动控制压力，温度，时间，保证了其焊接过程中的稳定性，大大提高了焊接的成功率。故全自动管焊机对焊接质量有极大的保证。

3.2基座与活塞杆之间的连接选择

本课题的设计要求为：活塞杆与基座连接时需要保证其具有一定的刚度，还需要保证其具有可拆卸的能力。

3.2.1刚度的定义

刚度是指由外力作用的材料、构件或抵抗结构的变形能力,刚度与物体的几何形状、材料的性质和外力的形式有关,材料的硬度是用产生单位变形所需的外力量来衡量的,材料的剪切模量和弹性模量越大，刚度越大。在宏观范围内，刚度是部分荷载与位移之间的关系，这是造成单位位移所需要的力。刚度的倒数称为弹性，即单位力引起的位移。刚度也可分为静态和动态刚度。

在机械工程上，有时候一些机械设备，飞行器，船舶等等会发生因为结构刚度不够而导致的出现失稳等现象，或因为结构刚度的问题导致了灾难性的后果。因此在设计中，要根据机械设计的标准来设计，提高结构刚度，避免事故的发生。研究刚度的另一个重要意义是通过分析物体各部分的刚度来确定应力和应变分析。

由于刚度对于机械结构具有重大意义，所以如何提高刚度成为了人们纷纷去研究的问题，一种方法是使用新型的材料，通过使用新材料来代替老材料，代替的新材料具有密度更高，刚度更强等特点，可以承受更大载荷的同时，又能保证结构不会被破坏，另一种方法为使用巧妙的结构连接来提升刚度，通过改变机械的结构连接达到各个部件的支撑力达到最大效率，使用这种方法来提高刚度，这种方法的优点在于可以节省材料，零件有效的控制了整个机械制造的成本。

3.2.2基座与活塞杆的连接方案

由于连接方式不止一种而是会有好几种，并且在各种方式中需要挑选出一种最接近本课题的方式，于是以下为设计时的各种可行方案，并进行对比选择最好的方案。