CN112247494A - 封堵管卡优化方法、制作装置及工艺 - Google Patents

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CN112247494A CN202011220562.9A CN202011220562A CN112247494A CN 112247494 A CN112247494 A CN 112247494A CN 202011220562 A CN202011220562 A CN 202011220562A CN 112247494 A CN112247494 A CN 112247494A
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Abstract

一种封堵管卡优化方法、制作装置及工艺，其特征在于：包括板牙优化方案和/或螺栓优化方案。一种封堵管卡优化制作装置，包括管卡件，以包裹在管道试件外侧壁上；管卡件两端具有管卡端部腔体，在管卡端部腔体具有内板牙件，以咬合在管道试件外侧壁上；在内板牙件与管卡端部腔体内腔壁之间轴向活动有外板牙件。一种封堵管卡优化制作装置，包括根部与外板牙件端部连接有外板牙连接架，外板牙连接架连接有外板牙胎具，以承载外板牙件。本发明设计合理、结构紧凑且使用方便。

Description

封堵管卡优化方法、制作装置及工艺
技术领域
本发明涉及封堵管卡优化方法、制作装置及工艺。
背景技术
封堵管卡是高压管路破损的重要维修工具，锁紧机构其提供轴向承载能力的重要构件。机构包括内板牙、外板牙、顶进法兰和顶进螺栓，并需在管卡内壁加工供内外板牙移动的槽。机构工作过程包括端部顶进力的施加，内、外板牙间力的传递，内板牙对管道的咬入三个过程，其中端部顶进力的施加需要顶进螺栓、螺栓拉伸器、顶进法兰的配合；内、外板牙间力的传递依靠内板牙、外板牙的接触；内板牙对管道的咬入依靠板牙上的齿对管道的挤压。本发明机构的内容包括锁紧机构直接部件内板牙、外板牙，和为锁紧机构提供轴向顶进力的顶进螺栓。
发明内容
本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种封堵管卡优化方法、制作装置及工艺。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种封堵管卡优化方法，其特征在于：包括板牙优化方案和/或螺栓优化方案。
一种封堵管卡优化制作装置，包括管卡件，以包裹在管道试件外侧壁上；管卡件两端具有管卡端部腔体，在管卡端部腔体具有内板牙件，以咬合在管道试件外侧壁上；在内板牙件与管卡端部腔体内腔壁之间轴向活动有外板牙件。
一种封堵管卡优化制作装置，包括根部与外板牙件端部连接有外板牙连接架，外板牙连接架连接有外板牙胎具，以承载外板牙件。
一种封堵管卡优化制作装置，包括机床的加工床身；在加工床身两端设置有加工前机座及加工后机座。
一种封堵管卡优化制作装置，首先，包括制作齿间距系数试验装置，其包括模拟锁紧机构、外固定部、内板牙件制作的模拟内板牙及外板牙件制作的模拟外板牙、显微镜及压力机。
一种封堵管卡优化制作工艺，工艺如下，
S1，预制至少内壁各部加工余量且为回转体的管卡件、内板牙件及外板牙件，在管卡件、内板牙件及外板牙件外侧壁纵向设置分割线；然后，在管卡端部腔体端部焊接与内板牙件端部连接的内板牙连接架，在外板牙件端部焊接外板牙连接架，外板牙连接架连接有外板牙胎具，以承载外板牙件。
本发明设计合理、成本低廉、结实耐用、安全可靠、操作简单、省时省力、节约资金、结构紧凑且使用方便。
附图说明
图1是本发明的齿间距系数试验装置使用结构示意图。
图2是本发明的管卡件使用结构示意图。
图3是本发明的管卡端部腔体结构示意图。
图4是本发明的外板牙件结构示意图。
图5是本发明的内板牙安装尾座结构示意图。
图6是本发明的内板牙旋转齿轮盘使用结构示意图。
图7是本发明的加工床身结构示意图。
图8是本发明的加工升降V型座结构示意图。
图9是本发明的顶进余量结构示意图。
其中：1、管道试件；2、管卡件；3、管卡端部腔体；4、内板牙件；5、外板牙件；6、内板牙连接架；7、分割线；8、外板牙连接架；9、外板牙胎具；10、外板牙安装尾座；11、外板牙定位内锥；12、外板牙固定座；13、外板牙连接螺栓；14、外板牙输入齿轮轴；15、外板牙前支撑架；16、外板牙旋转齿轮盘；17、外板牙旋转端面螺纹盘；18、外板牙径向通槽；19、外板牙导向滑块；20、外板牙咬合座；21、外板牙工艺托座；22、外板牙伸缩顶尖；23、加工床身；24、加工前机座；25、加工前顶尖；26、加工安装盘；27、加工夹持连接端；28、加工后机座；29、加工后顶尖；30、加工旋转拨杆；31、加工纵向滑动座；32、加工升降V型座；33、加工机头导轨；34、加工机头滑座；35、加工旋转机座；36、加工固定刀具；37、加工旋转刀具；38、加工升降刀具；39、顶进余量；40、楔形角；41、顶角前角；42、顶角后角；43、齿顶角；44、套筒；45、挡板台阶；46、管道试件；47、外固定部。
具体实施方式
本发明包括板牙优化方案及螺栓优化方案；
针对板牙优化方案内容包括板牙材料、板牙齿齿顶角、板牙齿齿高、板牙齿齿间距、板牙对数、工作空间高度、板牙楔形角、板牙齿齿顶角的前后角组合、板牙齿数量及板牙初始位置；
优化方法如下：
其中，板牙优化方法如下，
S1.1，依据咬入深度要求，确定板牙材料、板牙齿顶角、板牙齿齿高、板牙齿齿间距；根据管径确定板牙对数；根据管卡壳体厚度确定工作空间高度；
S1.2，优化板牙楔形角；
首先，使用各待优化楔形角，按照等腰板牙齿优化三维板牙模型；
然后，使用ANSYS workbench软件计算并提取各楔形角方案的各齿接触应力；
其次，进行各齿接触应力标准差计算，保证板牙齿接触应力均匀性，完成最优楔形角的选择；通过满足板牙齿接触应力均匀性，板牙及板牙齿优化时应对参数进行优化，以提高各齿在咬入开始时接触应力的均匀程度，保证各齿咬入宽度相差不大，提高承载能力的稳定性。
S1.3，优化板牙齿齿顶角的前后角组合，前后角包括顶角前角41及顶角后角42；
首先，按照优化后的楔形角，使用待优化的齿顶角前后角组合，优化板牙三维模型；然后，使用ANSYS workbench软件计算并提取各齿顶角前后角组合方案的各齿接触应力；其次，进行各齿接触应力标准差计算，保证板牙齿接触应力均匀性，完成最优齿顶角前后角组合的选择；
S1.4，计算板牙所需齿数m；
首先，前提是根据板牙齿抗剪承载力，在进行板牙齿优化时，保证板牙齿抗剪承载力大于完好管道抗拉承载力的一半；然后，取板牙齿优化抗剪承载力等于完好管道抗拉承载力的一半，计算锁紧机构的最小板牙齿数，其中，安全系数取1.5，公式为：
Figure BDA0002761857500000041
其中，b为咬入宽度，t为管道壁厚，σb为管道抗拉强度，[τ]为板牙齿剪切强度，Dpo为管道外径；
S1.5，外板牙初始位置优化；
首先，由于外板牙初始位置关系外板牙是否能完成轴向顶进过程，因此，外板牙与挡板间的距离应大于外板牙轴向顶进距离；然后，外板牙的顶进距离包括两部分，一是在内板牙完成对管道的对中过程中外板牙轴向运动的距离，二是内板牙完成对管道的咬入、外板牙完成对管卡壳体壁的咬入时外板牙轴向运动的距离；其次，外板牙与挡板间的距离的最小值即顶进余量39，应等于上述两距离之和；公式为：
Figure BDA0002761857500000042
其中，DCi为管卡的内径，DPo为管道外径，θ为板牙楔形角，b为咬入宽度，α为板牙齿顶角的前角，β为板牙齿顶角的后角；
S1.6，工作空间校核
在完成板牙初始位置与形状优化后应对优化进行判断，如果内、外板牙工作高度大于管卡壳体提供的锁紧机构工作高度，则需要增加板牙楔形个数，以降低内、外板牙所需工作高度，并重新进行板牙初始位置优化；
S1.7，板牙齿位置确定；
首先，按照计算所得板牙齿数，形成齿的布置方案，并优化预设板牙模型；然后，使用ANSYS workbench软件计算并提取各预设方案的各齿接触应力，进行各齿接触应力标准差计算，依据板牙齿接触应力均匀性原则，确定最优的齿位置方案；
针对螺栓优化方案内容包括螺栓材料、螺栓个数及螺栓型号；
S2.1，选择螺栓材料、螺栓个数；
S2.2，实验确定齿间距系数
S2.2.1，制作齿间距系数试验装置
其包括作为模拟锁紧机构一部分的外固定部、管道试件、模拟内板牙及模拟外板牙；
外固定部包括套筒、挡板及将挡板固定于套筒的四个螺栓；
套筒是利用一侧曲面完全托住管道内壁，使整个管道内壁均匀受压，防止管道试件两端受压造成试件在试验过程中弯曲影响试验结果，因此弯曲的曲面半径与管道内径相同，曲面宽度与管道试件的投影长度相同；通过螺栓将挡板连接在套筒上，模拟锁紧机构的挡板，防止外板牙受压时，内板牙与管道试件在套筒内发生滑动，同时方便更换管道试件。
S2.2.2，垂向施压获得咬痕；
首先，试验时使用压力机在模拟外板牙上部施加垂向压力；然后，确定5种以上的试验咬入力，每种咬入力使用3个管道试件，使用压力机对试验装置施压，在管道试件上获得咬痕；
S2.2.3，咬痕宽度测量
首先，使用显微镜测量管道试件各条咬痕的3处咬入宽度，取平均值作为该条咬痕的宽度测量值；然后，取各条咬痕宽度测量值的平均值作为该试件的咬痕宽度测量值；其次，取3个管道试件咬痕宽度测量值的平均值作为试件在该力下的咬入宽度测量值；
S2.2.4，首先，将试件在每个咬入力下的咬入宽度测量值代入管卡锁紧机构咬入宽度计算公式，求得每个咬入力时的齿间距系数，取5个咬入力下的齿间距系数的平均值，即为该齿形该齿间距板牙的齿间距系数；
Figure BDA0002761857500000061
其中，b为咬入宽度，c为齿间距系数，F为单个齿的咬入力，α为齿顶角的前角，β为齿顶角的后角，L为齿的周向长度，σs为管道的屈服强度；
S2.3，锁紧机构所需轴向顶进力计算
锁紧机构所需的端部顶进力满足下式：
Figure BDA0002761857500000062
其中，n为锁紧机构内板牙的片数，N为每片内板牙对管道的压力，θ为板牙楔形角，f1为内、外板牙间摩擦系数，f2为外板牙与壳体间摩擦系数；
S2.4.确定顶进螺栓型号
首先，根据顶进螺栓抗拉承载力原则，即为了使修复管道所能承受的抗拉承载力不小于完好管道的抗拉承载力，顶进螺栓完成预紧后剩余的抗拉承载力应大于完好管道抗拉强度，因此在进行顶进螺栓优化时，应保证螺栓抗拉承载力大于完好管道的轴向抗拉承载力与锁紧机构端部顶进力之和，计算单个螺栓抗拉承载力，根据螺栓材料确定螺栓型号；其中，螺栓所需的有效面积为：
Figure BDA0002761857500000063
其中，T为完好管道的轴向抗拉承载力，Q为锁紧机构所需的端部顶进力，l为管卡每端的顶进螺栓个数，σ′为螺栓材料的抗拉强度。
如图1所示，本实施例的封堵管卡优化制作装置，包括管卡件2，以包裹在管道试件1外侧壁上；管卡件2两端具有管卡端部腔体3，在管卡端部腔体3具有内板牙件4，以咬合在管道试件1外侧壁上；在内板牙件4与管卡端部腔体3内腔壁之间轴向活动有外板牙件5；
外板牙件5与内板牙件4通过斜楔咬合，外板牙件5以咬合在管卡端部腔体3内腔壁上；
管卡件2为环形结构且具有回转内腔；
在管卡件2外侧壁上具有轴向的分割线7，以被刀具沿着分为对应单件；
在外板牙件5与内板牙件4上具有分割线，以被刀具沿着分为对应单件；
内板牙件4与外板牙件5分别具有回转空腔；
在管卡端部腔体3端部具有与内板牙件4端部连接的内板牙连接架6。
本实施例的封堵管卡优化制作装置，包括根部与外板牙件5端部连接有外板牙连接架8，外板牙连接架8连接有外板牙胎具9，以承载外板牙件5；
外板牙胎具9包括外板牙固定座12、设置在外板牙固定座12上且用于安装在机床上的外板牙安装尾座10及设置在外板牙安装尾座10上且用于与机床对应锥连接的外板牙定位内锥11；
在外板牙固定座12上设置有用于与机床连接的外板牙连接螺栓13，在外板牙固定座12上设置有外板牙前支撑架15，在外板牙固定座12与外板牙前支撑架15之间旋转设置有外板牙旋转齿轮盘16，在外板牙旋转齿轮盘16上同轴设置有外板牙旋转端面螺纹盘17，在外板牙固定座12上设置有一端用于驱动外板牙旋转齿轮盘16的齿轮且另一端具有与机床动力源通过离合器连接的外板牙输入齿轮轴14，
在外板牙前支撑架15端面上径向分布有至少四个外板牙径向通槽18，在外板牙径向通槽18中设置有外板牙导向滑块19，在外板牙导向滑块19底部设置有外板牙咬合座20以与外板牙旋转端面螺纹盘17咬合，在外板牙导向滑块19上设置有外板牙工艺托座21，
在外板牙固定座12中心处设置有用于伸出外板牙前支撑架15的外板牙伸缩顶尖22；
在外板牙工艺托座21上设置有用于与对应外板牙连接架8头部焊接的定位台；
在被加工为单片的外板牙件5内壁上涂抹有染色，外板牙工艺托座21通过外板牙连接架8带动被加工为单片的外板牙件5做靠近或远离内板牙件4外侧壁的运动，从而检验或修配内板牙件4外侧壁尺寸。
本实施例的封堵管卡优化制作装置，包括机床的加工床身23；在加工床身23两端设置有加工前机座24及加工后机座28；
在加工前机座24上水平设置有加工前顶尖25，在加工前顶尖25上旋转或固定设置有加工安装盘26，在加工安装盘26上设置有加工夹持连接端27；
加工前顶尖25用于对管卡件2或内板牙件4对应的端面孔顶接；
加工安装盘26用于对外板牙件5的外板牙胎具9连接；
在加工后机座28上设置有与加工前顶尖25同轴的加工后顶尖29，加工后机座28上旋转设置有加工旋转拨杆30，
加工后顶尖29用于与管卡件2或内板牙件4对应的端面孔顶接；加工旋转拨杆30用于带动管卡件2旋转；
在加工床身23上纵向设置有加工纵向滑动座31，加工纵向滑动座31在加工前机座24与加工后机座28之间移动；在加工纵向滑动座31上设置有加工升降V型座32，以托举被加工件的回转外端面；.
在加工床身23上纵向设置有加工机头导轨33，在加工机头导轨33上设置有加工机头滑座34，在加工机头滑座34上设置有以竖直轴旋转的加工旋转机座35，在加工旋转机座35上周向分布有加工固定刀具36、加工旋转刀具37及加工升降刀具38；
加工固定刀具36，用于加工被加工件的回转部位；
加工旋转刀具37，以横向轴旋转，沿着纵向移动，用于在被加工件上加工分割线，
加工升降刀具38，沿竖直方向升降且以横向轴旋转，用于将被加工件横向切断。
还包括制作齿间距系数试验装置，其包括模拟锁紧机构、外固定部47、内板牙件4制作的模拟内板牙及外板牙件5制作的模拟外板牙、显微镜及压力机；
模拟锁紧机构包括外固定部47；外固定部47包括套筒44及将挡板台阶45固定于套筒44的螺栓；
套筒44具有一侧曲面，以完全托住管道试件46内壁，使管道试件46内壁均匀受压，其曲面半径与管道试件46内径相同，曲面宽度与管道试件46的投影长度相同；通过螺栓将挡板台阶45连接在套筒44上，
压力机在模拟外板牙上部施加垂向压力并在管道试件46上获得咬痕；
显微镜测量管道试件46各条咬痕的多处咬入宽度。
本实施例的封堵管卡优化制作装置，首先，包括制作齿间距系数试验装置，其包括模拟锁紧机构、外固定部47、内板牙件4制作的模拟内板牙及外板牙件5制作的模拟外板牙、显微镜及压力机；
模拟锁紧机构包括外固定部47；外固定部47包括套筒44及将挡板台阶45固定于套筒44的螺栓；
套筒44具有一侧曲面，以完全托住管道试件46内壁，使管道试件46内壁均匀受压，其曲面半径与管道试件46内径相同，曲面宽度与管道试件46的投影长度相同；通过螺栓将挡板台阶45连接在套筒44上，
压力机在模拟外板牙上部施加垂向压力并在管道试件46上获得咬痕；
显微镜测量管道试件46各条咬痕的多处咬入宽度。
本实施例的封堵管卡优化制作工艺，工艺如下，
S1，预制至少内壁各部加工余量且为回转体的管卡件2、内板牙件4及外板牙件5，在管卡件2、内板牙件4及外板牙件5外侧壁纵向设置分割线7；然后，在管卡端部腔体3端部焊接与内板牙件4端部连接的内板牙连接架6，在外板牙件5端部焊接外板牙连接架8，外板牙连接架8连接有外板牙胎具9，以承载外板牙件5；
S2，首先，将外板牙胎具9安装到加工前机座24上，外板牙定位内锥11插到加工前顶尖25上，将外板牙连接螺栓13与加工夹持连接端27连接，外板牙输入齿轮轴14通过离合器与加工安装盘26上的动力源连接；然后，加工安装盘26带动外板牙件5旋转，通过加工固定刀具36，用于加工外板牙件5的回转部位；其次，加工安装盘26按照刻度线旋进角度后固定，通过加工旋转刀具37横向轴旋转并沿着纵向移动，在外板牙件5上加工分割线，将外板牙件5加工成为所需模拟外板牙；
S3，首先，将管卡件2安装在加工后机座28上，通过加工后顶尖29与加工升降V型座32托举被加工件的回转外端面；然后，加工旋转拨杆30带动管卡件2旋转，通过加工固定刀具36，加工管卡件2及内板牙件4的各个回转部位；
S4，首先，将加工前机座24向加工后机座28方向移动；然后，外板牙输入齿轮轴14连上离合，外板牙旋转齿轮盘16通过外板牙旋转端面螺纹盘17驱动外板牙工艺托座21同速同步径向移动，以使得外板牙件5与内板牙件4楔形角配对；其次，在被加工为单片的外板牙件5内壁上涂抹染色，外板牙工艺托座21通过外板牙连接架8带动被加工为单片的外板牙件5做靠近或远离内板牙件4外侧壁的运动，同时，内板牙件4旋转，从而检验或修配内板牙件4外侧壁尺寸及染色面积及位置；再次，根据染色，对内板牙件4楔形角进行修配；再后，当染色符合设定要求，按照刻度线旋进角度后固定，通过加工旋转刀具37横向轴旋转并沿着纵向移动，在管卡件2及内板牙件4上加工分割线，将外板牙件5加工成为所需模拟外板牙；
S5，启动加工升降刀具38，沿竖直方向升降且以横向轴旋转，用于将被加工件横向切断以待模拟优化。
本实施例的封堵管卡优化制作工艺，首先，执行权利要求8的工艺；然后，执行权利要求1的工艺。
本实施例的封堵管卡优化制作工艺，根据图纸要求执行以下步骤，A，预制至少内壁各部加工余量且为回转体的管卡件2、内板牙件4及外板牙件5，在管卡件2、内板牙件4及外板牙件5外侧壁纵向设置分割线7；然后，在管卡端部腔体3端部焊接与内板牙件4端部连接的内板牙连接架6，在外板牙件5端部焊接外板牙连接架8，外板牙连接架8连接有外板牙胎具9，以承载外板牙件5；
B，首先，将外板牙胎具9安装到加工前机座24上，外板牙定位内锥11插到加工前顶尖25上，将外板牙连接螺栓13与加工夹持连接端27连接，外板牙输入齿轮轴14通过离合器与加工安装盘26上的动力源连接；然后，加工安装盘26带动外板牙件5旋转，通过加工固定刀具36，用于加工外板牙件5的回转部位；其次，加工安装盘26按照刻度线旋进角度后固定，通过加工旋转刀具37横向轴旋转并沿着纵向移动，在外板牙件5上加工分割线，将外板牙件5加工成为所需外板牙；
C，首先，将管卡件2安装在加工后机座28上，通过加工后顶尖29与加工升降V型座32托举被加工件的回转外端面；然后，加工旋转拨杆30带动管卡件2旋转，通过加工固定刀具36，加工管卡件2及内板牙件4的各个回转部位；
D，首先，将加工前机座24向加工后机座28方向移动；然后，外板牙输入齿轮轴14连上离合，外板牙旋转齿轮盘16通过外板牙旋转端面螺纹盘17驱动外板牙工艺托座21同速同步径向移动，以使得外板牙件5与内板牙件4楔形角配对；其次，在被加工为单片的外板牙件5内壁上涂抹染色，外板牙工艺托座21通过外板牙连接架8带动被加工为单片的外板牙件5做靠近或远离内板牙件4外侧壁的运动，同时，内板牙件4旋转，从而检验或修配内板牙件4外侧壁尺寸及染色面积及位置；再次，根据染色，对内板牙件4楔形角进行修配；再后，当染色符合设定要求，按照刻度线旋进角度后固定，通过加工旋转刀具37横向轴旋转并沿着纵向移动，在管卡件2及内板牙件4上加工分割线，将外板牙件5加工成为所需外板牙；
E，启动加工升降刀具38，沿竖直方向升降且以横向轴旋转，用于将被加工件横向切断以待对管道试件1进行卡装。
本发明通过优化设计，通过巧妙设计加工结构，实现高精度加工，管卡件2，通过对预设回转体及通过内板牙连接架6保证了加工尺寸，实现低精度机床对高精度工件的加工，通过一次装夹定位，实现了一刀切的高精度制作，保证了各个工件的组装要求。
通过分割线7实现纵向切割，通过工艺的连接架。利用废料即可，外板牙胎具9实现组装，外板牙安装尾座10为载体，外板牙定位内锥11实现锥度快速定位，外板牙固定座12为载体，外板牙连接螺栓13实现可拆卸连接，外板牙输入齿轮轴14实现驱动旋转，外板牙前支撑架15为前置形成内腔以容纳外板牙旋转齿轮盘16，外板牙旋转端面螺纹盘17等件，外板牙径向通槽18，外板牙导向滑块19，外板牙咬合座20利用端面螺旋线原理实现同步同速前行，一个外板牙工艺托座21连接一片外板牙件5，从而工件之间互不干涉，点焊连接保证不影响胎具精度。外板牙伸缩顶尖22，实现对中。
加工床身23为载体，加工前机座24可以纵向移动，加工前顶尖25实现对中，加工安装盘26可固定可旋转，内置电磁离合器实现离合，加工后顶尖29实现对中，加工旋转拨杆30实现拨动旋转，加工纵向滑动座31实现纵向移动，加工升降V型座32实现升降调节，加工机头导轨33实现导向，加工机头滑座34实现移动，加工旋转机座35实现旋转加工固定刀具36，加工旋转刀具37，加工升降刀具38以实现各个工位刀具切换。本发明可以理论设计优化、试验验证、提高加工精度实现加工高精度管卡。

Claims (10)

1.一种封堵管卡优化方法，其特征在于：包括板牙优化方案和/或螺栓优化方案。
2.根据权利要求1所述的封堵管卡优化方法、制作装置及工艺，其特征在于：当针对板牙优化方案时，其内容包括板牙材料、板牙齿齿顶角(43)、板牙齿齿高、板牙齿齿间距、板牙对数、工作空间高度、板牙楔形角、板牙齿齿顶角的前后角组合、板牙齿数量及板牙初始位置；优化方法如下：
其中，板牙优化方法如下，
S1.1，依据咬入深度要求，确定板牙材料、板牙齿顶角、板牙齿齿高、板牙齿齿间距；根据管径确定板牙对数；根据管卡壳体厚度确定工作空间高度；
S1.2，优化板牙楔形角(40)；
首先，使用各待优化楔形角(40)，按照等腰板牙齿设计三维板牙模型；
然后，使用ANSYS workbench软件计算并提取各楔形角(40)方案的各齿接触应力；
其次，进行各齿接触应力标准差计算，保证板牙齿接触应力均匀性，完成最优楔形角(40)的选择；
S1.3，优化板牙齿齿顶角(43)的前后角组合；前后角包括顶角前角(41)及顶角后角(42)；
首先，按照优化后的楔形角(40)，使用待优化的齿顶角(43)前后角组合，设计板牙三维模型；然后，使用ANSYS workbench软件计算并提取各齿顶角前后角组合方案的各齿接触应力；其次，进行各齿接触应力标准差计算，保证板牙齿接触应力均匀性，完成最优齿顶角前后角组合的选择；
S1.4，计算板牙所需齿数m；
首先，前提是根据板牙齿抗剪承载力，在进行板牙齿优化时，保证板牙齿抗剪承载力大于完好管道抗拉承载力的一半；然后，取板牙齿优化抗剪承载力等于完好管道抗拉承载力的一半，计算锁紧机构的最小板牙齿数，其中，安全系数取1.5，公式为：
Figure FDA0002761857490000021
其中，b为咬入宽度，t为管道壁厚，σb为管道抗拉强度，[τ]为板牙齿剪切强度，Dpo为管道外径；
S1.5，外板牙初始位置优化；
首先，由于外板牙初始位置关系外板牙是否能完成轴向顶进过程，因此，外板牙与挡板间的距离应大于外板牙轴向顶进距离；然后，外板牙的顶进距离包括两部分，一是在内板牙完成对管道的对中过程中外板牙轴向运动的距离，二是内板牙完成对管道的咬入、外板牙完成对管卡壳体壁的咬入时外板牙轴向运动的距离；其次，外板牙与挡板间的距离的最小值即顶进余量(39)应等于上述两距离之和；公式为：
Figure FDA0002761857490000022
其中，DCi为管卡的内径，DPo为管道外径，θ为板牙楔形角，b为咬入宽度，α为板牙齿顶角的前角，β为板牙齿顶角的后角；
S1.6，工作空间校核；
在完成板牙初始位置与形状优化后应对优化进行判断，如果内、外板牙工作高度大于管卡壳体提供的锁紧机构工作高度，则需要增加板牙楔形个数，以降低内、外板牙所需工作高度，并重新执行S1.5，以进行板牙初始位置优化；
S1.7，板牙齿位置确定；
首先，按照计算所得板牙齿数，形成齿的布置方案，并优化预设板牙模型；然后，使用ANSYS workbench软件计算并提取各预设方案的各齿接触应力，进行各齿接触应力标准差计算，依据板牙齿接触应力均匀性原则，确定最优的齿位置方案；
当针对螺栓优化方案时，其内容包括螺栓材料、螺栓个数及螺栓型号；
S2.1，选择螺栓材料、螺栓个数；
S2.2，实验确定齿间距系数；
S2.2.1，制作齿间距系数试验装置；
其包括模拟锁紧机构、管道试件(46)、模拟内板牙及模拟外板牙；模拟锁紧机构包括外固定部(47)；
外固定部(47)包括套筒(44)、挡板台阶(45)及将挡板台阶(45)固定于套筒(44)的螺栓；
套筒(44)具有一侧曲面，以完全托住管道试件(46)内壁，使整个管道试件(46)内壁均匀受压，防止管道试件(46)两端受压造成管道试件(46)、套筒(44)弯曲，其曲面半径与管道试件(46)内径相同，曲面宽度与管道试件(46)的投影长度相同；通过螺栓将挡板台阶(45)连接在套筒(44)上，模拟锁紧机构的挡板台阶(45)，防止外板牙受压时，内板牙与管道试件(46)在套筒(44)发生滑动，同时方便更换管道试件(46)；
S2.2.2，垂向施压获得咬痕；
首先，试验时使用压力机在模拟外板牙上部施加垂向压力；然后，确定若干种以上的试验咬入力，每种咬入力使用多个管道试件(46)，使用压力机对试验装置施压，在管道试件(46)上获得咬痕；
S2.2.3，咬痕宽度测量；
首先，使用显微镜测量管道试件(46)各条咬痕的多处咬入宽度，取平均值作为该条咬痕的宽度测量值；然后，取各条咬痕宽度测量值的平均值作为该管道试件(46)的咬痕宽度测量值；其次，取多个管道试件(46)咬痕宽度测量值的平均值作为管道试件(46)在该力下的咬入宽度测量值；
S2.2.4，首先，将管道试件(46)在每个咬入力下的咬入宽度测量值代入管卡锁紧机构咬入宽度计算公式，求得每个咬入力时的齿间距系数，取多个咬入力下的齿间距系数的平均值，即为该齿形该齿间距板牙的齿间距系数；
Figure FDA0002761857490000031
其中，b为咬入宽度，c为齿间距系数，F为单个齿的咬入力，α为齿顶角的前角，β为齿顶角的后角，L为齿的周向长度，σs为管道的屈服强度；
S2.3，锁紧机构所需轴向顶进力计算；
锁紧机构所需的端部顶进力满足下式：
Figure FDA0002761857490000041
其中，n为锁紧机构内板牙的片数，N为每片内板牙对管道的压力，θ为板牙楔形角，f1为内、外板牙间摩擦系数，f2为外板牙与壳体间摩擦系数；
S2.4.确定顶进螺栓型号；
首先，根据顶进螺栓抗拉承载力原则，即为了使修复管道所能承受的抗拉承载力不小于完好管道的抗拉承载力，顶进螺栓完成预紧后剩余的抗拉承载力应大于完好管道抗拉强度，因此在进行顶进螺栓优化时，应保证螺栓抗拉承载力大于完好管道的轴向抗拉承载力与锁紧机构端部顶进力之和，计算单个螺栓抗拉承载力，根据螺栓材料确定螺栓型号；其中，螺栓所需的有效面积为：
Figure FDA0002761857490000042
其中，T为完好管道的轴向抗拉承载力，Q为锁紧机构所需的端部顶进力，l为管卡每端的顶进螺栓个数，σ′为螺栓材料的抗拉强度。
3.一种封堵管卡优化制作装置，其特征在于：包括管卡件(2)，以包裹在管道试件(1)外侧壁上；管卡件(2)两端具有管卡端部腔体(3)，在管卡端部腔体(3)具有内板牙件(4)，以咬合在管道试件(1)外侧壁上；在内板牙件(4)与管卡端部腔体(3)内腔壁之间轴向活动有外板牙件(5)；
外板牙件(5)与内板牙件(4)通过斜楔咬合，外板牙件(5)以咬合在管卡端部腔体(3)内腔壁上；
管卡件(2)为环形结构且具有回转内腔；
在管卡件(2)外侧壁上具有轴向的分割线(7)，以被刀具沿着分为对应单件；
在外板牙件(5)与内板牙件(4)上具有分割线，以被刀具沿着分为对应单件；
内板牙件(4)与外板牙件(5)分别具有回转空腔；
在管卡端部腔体(3)端部具有与内板牙件(4)端部连接的内板牙连接架(6)。
4.一种封堵管卡优化制作装置，其特征在于：包括根部与外板牙件(5)端部连接有外板牙连接架(8)，外板牙连接架(8)连接有外板牙胎具(9)，以承载外板牙件(5)；
外板牙胎具(9)包括外板牙固定座(12)、设置在外板牙固定座(12)上且用于安装在机床上的外板牙安装尾座(10)及设置在外板牙安装尾座(10)上且用于与机床对应锥连接的外板牙定位内锥(11)；
在外板牙固定座(12)上设置有用于与机床连接的外板牙连接螺栓(13)，在外板牙固定座(12)上设置有外板牙前支撑架(15)，在外板牙固定座(12)与外板牙前支撑架(15)之间旋转设置有外板牙旋转齿轮盘(16)，在外板牙旋转齿轮盘(16)上同轴设置有外板牙旋转端面螺纹盘(17)，在外板牙固定座(12)上设置有一端用于驱动外板牙旋转齿轮盘(16)的齿轮且另一端具有与机床动力源通过离合器连接的外板牙输入齿轮轴(14)，
在外板牙前支撑架(15)端面上径向分布有至少四个外板牙径向通槽(18)，在外板牙径向通槽(18)中设置有外板牙导向滑块(19)，在外板牙导向滑块(19)底部设置有外板牙咬合座(20)以与外板牙旋转端面螺纹盘(17)咬合，在外板牙导向滑块(19)上设置有外板牙工艺托座(21)，
在外板牙固定座(12)中心处设置有用于伸出外板牙前支撑架(15)的外板牙伸缩顶尖(22)；
在外板牙工艺托座(21)上设置有用于与对应外板牙连接架(8)头部焊接的定位台；一个外板牙工艺托座(21)连接一片外板牙件(5)；
在被加工为单片的外板牙件(5)内壁上涂抹有染色，外板牙工艺托座(21)通过外板牙连接架(8)带动被加工为单片的外板牙件(5)做靠近或远离内板牙件(4)外侧壁的运动，从而检验或修配内板牙件(4)外侧壁尺寸。
5.一种封堵管卡优化制作装置，其特征在于：包括机床的加工床身(23)；在加工床身(23)两端设置有加工前机座(24)及加工后机座(28)；
在加工前机座(24)上水平设置有加工前顶尖(25)，在加工前顶尖(25)上旋转或固定设置有加工安装盘(26)，在加工安装盘(26)上设置有加工夹持连接端(27)；
加工前顶尖(25)用于对管卡件(2)或内板牙件(4)对应的端面孔顶接；
加工安装盘(26)用于对外板牙件(5)的外板牙胎具(9)连接；
在加工后机座(28)上设置有与加工前顶尖(25)同轴的加工后顶尖(29)，加工后机座(28)上旋转设置有加工旋转拨杆(30)，
加工后顶尖(29)用于与管卡件(2)或内板牙件(4)对应的端面孔顶接；加工旋转拨杆(30)用于带动管卡件(2)旋转；
在加工床身(23)上纵向设置有加工纵向滑动座(31)，加工纵向滑动座(31)在加工前机座(24)与加工后机座(28)之间移动；在加工纵向滑动座(31)上设置有加工升降V型座(32)，以托举被加工件的回转外端面；.
在加工床身(23)上纵向设置有加工机头导轨(33)，在加工机头导轨(33)上设置有加工机头滑座(34)，在加工机头滑座(34)上设置有以竖直轴旋转的加工旋转机座(35)，在加工旋转机座(35)上周向分布有加工固定刀具(36)、加工旋转刀具(37)及加工升降刀具(38)；
加工固定刀具(36)，用于加工被加工件的回转部位；
加工旋转刀具(37)，以横向轴旋转，沿着纵向移动，用于在被加工件上加工分割线，
加工升降刀具(38)，沿竖直方向升降且以横向轴旋转，用于将被加工件横向切断。
6.根据权利要求5的封堵管卡优化制作装置，其特征在于：还包括制作齿间距系数试验装置，其包括模拟锁紧机构、外固定部(47)、内板牙件(4)制作的模拟内板牙及外板牙件(5)制作的模拟外板牙、显微镜及压力机；
模拟锁紧机构包括外固定部(47)；外固定部(47)包括套筒(44)及将挡板台阶(45)固定于套筒(44)的螺栓；
套筒(44)具有一侧曲面，以完全托住管道试件(46)内壁，使管道试件(46)内壁均匀受压，其曲面半径与管道试件(46)内径相同，曲面宽度与管道试件(46)的投影长度相同；通过螺栓将挡板台阶(45)连接在套筒(44)上，
压力机在模拟外板牙上部施加垂向压力并在管道试件(46)上获得咬痕；
显微镜测量管道试件(46)各条咬痕的多处咬入宽度。
7.一种封堵管卡优化制作装置，其特征在于：首先，包括制作齿间距系数试验装置，其包括模拟锁紧机构、外固定部(47)、内板牙件(4)制作的模拟内板牙及外板牙件(5)制作的模拟外板牙、显微镜及压力机；
模拟锁紧机构包括外固定部(47)；外固定部(47)包括套筒(44)及将挡板台阶(45)固定于套筒(44)的螺栓；
套筒(44)具有一侧曲面，以完全托住管道试件(46)内壁，使管道试件(46)内壁均匀受压，其曲面半径与管道试件(46)内径相同，曲面宽度与管道试件(46)的投影长度相同；通过螺栓将挡板台阶(45)连接在套筒(44)上，
压力机在模拟外板牙上部施加垂向压力并在管道试件(46)上获得咬痕；
显微镜测量管道试件(46)各条咬痕的多处咬入宽度。
8.一种封堵管卡优化制作工艺，其特征在于：工艺如下，
S1，预制至少内壁各部加工余量且为回转体的管卡件(2)、内板牙件(4)及外板牙件(5)，在管卡件(2)、内板牙件(4)及外板牙件(5)外侧壁纵向设置分割线(7)；然后，在管卡端部腔体(3)端部焊接与内板牙件(4)端部连接的内板牙连接架(6)，在外板牙件(5)端部焊接外板牙连接架(8)，外板牙连接架(8)连接有外板牙胎具(9)，以承载外板牙件(5)；
S2，首先，将外板牙胎具(9)安装到加工前机座(24)上，外板牙定位内锥(11)插到加工前顶尖(25)上，将外板牙连接螺栓(13)与加工夹持连接端(27)连接，外板牙输入齿轮轴(14)通过离合器与加工安装盘(26)上的动力源连接；然后，加工安装盘(26)带动外板牙件(5)旋转，通过加工固定刀具(36)，用于加工外板牙件(5)的回转部位；其次，加工安装盘(26)按照刻度线旋进角度后固定，通过加工旋转刀具(37)横向轴旋转并沿着纵向移动，在外板牙件(5)上加工分割线，将外板牙件(5)加工成为所需模拟外板牙；
S3，首先，将管卡件(2)安装在加工后机座(28)上，通过加工后顶尖(29)与加工升降V型座(32)托举被加工件的回转外端面；然后，加工旋转拨杆(30)带动管卡件(2)旋转，通过加工固定刀具(36)，加工管卡件(2)及内板牙件(4)的各个回转部位；
S4，首先，将加工前机座(24)向加工后机座(28)方向移动；然后，外板牙输入齿轮轴(14)连上离合，外板牙旋转齿轮盘(16)通过外板牙旋转端面螺纹盘(17)驱动外板牙工艺托座(21)同速同步径向移动，以使得外板牙件(5)与内板牙件(4)楔形角配对；其次，在被加工为单片的外板牙件(5)内壁上涂抹染色，外板牙工艺托座(21)通过外板牙连接架(8)带动被加工为单片的外板牙件(5)做靠近或远离内板牙件(4)外侧壁的运动，同时，内板牙件(4)旋转，从而检验或修配内板牙件(4)外侧壁尺寸及染色面积及位置；再次，根据染色，对内板牙件(4)楔形角进行修配；再后，当染色符合设定要求，按照刻度线旋进角度后固定，通过加工旋转刀具(37)横向轴旋转并沿着纵向移动，在管卡件(2)及内板牙件(4)上加工分割线，将外板牙件(5)加工成为所需模拟外板牙；
S5，启动加工升降刀具(38)，沿竖直方向升降且以横向轴旋转，用于将被加工件横向切断以待模拟优化。
9.一种封堵管卡优化制作工艺，其特征在于：首先，执行权利要求8的工艺；然后，执行权利要求1的工艺。
10.一种封堵管卡优化制作工艺，其特征在于：根据图纸要求执行以下步骤，A，预制至少内壁各部加工余量且为回转体的管卡件(2)、内板牙件(4)及外板牙件(5)，在管卡件(2)、内板牙件(4)及外板牙件(5)外侧壁纵向设置分割线(7)；然后，在管卡端部腔体(3)端部焊接与内板牙件(4)端部连接的内板牙连接架(6)，在外板牙件(5)端部焊接外板牙连接架(8)，外板牙连接架(8)连接有外板牙胎具(9)，以承载外板牙件(5)；
B，首先，将外板牙胎具(9)安装到加工前机座(24)上，外板牙定位内锥(11)插到加工前顶尖(25)上，将外板牙连接螺栓(13)与加工夹持连接端(27)连接，外板牙输入齿轮轴(14)通过离合器与加工安装盘(26)上的动力源连接；然后，加工安装盘(26)带动外板牙件(5)旋转，通过加工固定刀具(36)，用于加工外板牙件(5)的回转部位；其次，加工安装盘(26)按照刻度线旋进角度后固定，通过加工旋转刀具(37)横向轴旋转并沿着纵向移动，在外板牙件(5)上加工分割线，将外板牙件(5)加工成为所需外板牙；
C，首先，将管卡件(2)安装在加工后机座(28)上，通过加工后顶尖(29)与加工升降V型座(32)托举被加工件的回转外端面；然后，加工旋转拨杆(30)带动管卡件(2)旋转，通过加工固定刀具(36)，加工管卡件(2)及内板牙件(4)的各个回转部位；
D，首先，将加工前机座(24)向加工后机座(28)方向移动；然后，外板牙输入齿轮轴(14)连上离合，外板牙旋转齿轮盘(16)通过外板牙旋转端面螺纹盘(17)驱动外板牙工艺托座(21)同速同步径向移动，以使得外板牙件(5)与内板牙件(4)楔形角配对；其次，在被加工为单片的外板牙件(5)内壁上涂抹染色，外板牙工艺托座(21)通过外板牙连接架(8)带动被加工为单片的外板牙件(5)做靠近或远离内板牙件(4)外侧壁的运动，同时，内板牙件(4)旋转，从而检验或修配内板牙件(4)外侧壁尺寸及染色面积及位置；再次，根据染色，对内板牙件(4)楔形角进行修配；再后，当染色符合设定要求，按照刻度线旋进角度后固定，通过加工旋转刀具(37)横向轴旋转并沿着纵向移动，在管卡件(2)及内板牙件(4)上加工分割线，将外板牙件(5)加工成为所需外板牙；
E，启动加工升降刀具(38)，沿竖直方向升降且以横向轴旋转，用于将被加工件横向切断以待对管道试件(1)进行卡装。
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