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外乐式钢管细对机关键技术研究 摘要 外压式钢管自动组对机是钢管生产厂家不可缺少的一个重要设备，采用了现代化控 制方法和检测手段，能够实现钢管自动化组对生产，大幅度提高生产效率和产品质量。 本课题源于中国海洋石油工程股份有限公司“海洋工程高效制管生产线的研发 项目的 子课题钢管自动组对机的研制，该设备的研制对解决当前钢管组对生产中存在的技术难 题及提高钢管生产的自动化焊接水平具有重要意义。 现阶段国内钢管厂家技术设备相对于国外来说比较落后，卷制出的钢管成品都较 短，较长钢管都要通过工人手工操作几节短管焊接而得到。外压式钢管组对机就是针对 钢管组对生产的实际需要而设计和研制的，它是实现钢管快速组对的一套高效全自动化 设备，该设备的研究和设计填补了国内在此领域的空白。本文通过分析外压式钢管组对 机相关技术对口器的国内外应用现状及发展，根据实际使用要求对外压式钢管组对机的 结构及其控制系统进行了详细研究。 本文根据中海油下属钢管生产厂家的设计要求，结合功能需求和结构合理等方面的 要求提出了外压式钢管组对机的总体设计方案，对进料、预热、出料等主要机构进行了 设计，并简述其工作流程。 本文还完成了液压系统的设计，该系统设计了进料机构液压回路、龙门架卡爪液压 回路、托架及出料机构液压回路、预热机构液压回路四个回路，并对液压系统的主要元 器件进行计算和选型。 本文运用旋转法和偏心法调整错边量的原理编写了一套控制算法，快速实现外压式 钢管组对机直线度和圆度检测及调整的功能，大幅度提高了组对后成品的质量和生产效 率。 本文还阐述了控制系统的总体方案，并对传感器、绝对式光电编码器、板卡、运动 控制卡和步进电机驱动器等元件进行了选型；并建立龙门架机构控制系统的数学模型， 对其进行仿真分析，验证控制系统设计的合理性和正确性。 关键词：外压式钢管组对机；算法；控制方案；仿真 外j 吾式钢管纲对机芙键技术研究 a b s t r a c t e x t e r n a lp r e s s u r ea u t o m a t i cs t e e lp i p eg r o u p sp r o d u c t i o nm a c h i n ei sa l li n d i s p e n s a b l e e q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r s ，b ym e a n so fm o d e mc o n t r o la n dd e t e c t i o n ，t oa c h i e v ep r o d u c t i o no f s t e e lp i p e sa u t o m a t i o ng r o u p ，g r e a t l yi m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i t y t h i s t o p i co r i g i n a t e df r o mc n o o c r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fm a r i n ee n g i n e e r i n ga n de f f i c i e n t s y s t e mp r o d u c t i o nl i n e s ”p r o j e c tw h i c hi sas u b t a s ks t e e lp i p e sa u t o m a t i cg r o u pm a c h i n e ，t h e d e v i c ei so fs i g n i f i c a n c eo ns o l v i n gt h ec u r r e n tt e c h n i c a lp r o b l e m so fs t e e lp r o d u c t i o na n d l e v e lo fa u t o m a t e dw e l d i n gp i p ep r o d u c t i o n a tt h i ss t a g e ，t h ed o m e s t i ct e c h n i c a le q u i p m e n to fs t e e lm a n u f a c t u r e r sc o m p a r e dt ot h e f o r e i g nw h i c hi sr e l a t i v e l yb a c k w a r d ，s t e e la l er o l l e do u tp r o d u c t st h a ta l er e l a t i v e l ys h o r t ，t o g e tal o n gp i p et h a tt h ew o r k e r sw e l ds o m es h o r tp i p e sb yh a n d e x t e m a lp r e s s u r es t e e lp i p e g r o u pm a c h i n ed e s i g n sa n dm a n u f a c t sf o rt h ea c t u a ln e e d so ft h es t e e lp i p ep r o d u c t i o nw o r k , i t i sas e to ff a s tg r o u ps t e e la n df u l l ya u t o m a t e de q u i p m e n t ，d e s i g na n dr e s e a r c ho ft h e e q u i p m e n tw h i c hi sf i l l e dt h ed o m e s t i cb l a n ki nt h i sf i e l d t h i sp a p e rs e ta l le x t e r n a lp r e s s u r e s t e e l p i p e m a c h i n eb a s e do na n a l y z i n gc l a m pt h a tr e l a t e d t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lr e q u i r e m e n t so fe x t e r n a lp r e s s u r e s t e e lp i p eg r o u pm a c h i n ed e s i g n e ds t r u c t u r ea n dc o n t r o ls y s t e mi nd e t a i l t h ep a p e rd e s i g n e dt h a ti t a c c o r d i n gt oc n o o cs u b s i d i a r ys t e e lp i p em a n u f a c t u r e r r e q u i r e m e n t s ，d e s i g n e dt h eo v e r a l lo ft h em a c h i n ec o m b i n a t i o no fr e a s o n a b l ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t sa n ds t r u c t u r a lr e q u i r e m e n t s ，i n t r o d u c e df e e d i n g , p r e h e a t i n g ，t h em a t e r i a la n d o t h e rm a j o ri n s t i t u t i o n s ，a n dab r i e fd e s c r i p t i o no ft h e f tw o r k p r o c e s s e s t h ep a p e ra l s oc o m p l e t e dt h ed e s i g no ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ，t h es y s t e mi s d e s i g n e d f e e d i n gm e c h a n i s mh y d r a u l i cc i r c u i t ，h y d r a u l i cc i r c u i tg a n t r yj a w s ，b r a c k e t sa n daf e e d i n g m e c h a n i s mh y d r a u l i cc i r c u i t ，w a r t f lb o d i e so ff i v el o o ph y d r a u l i cc i r c u i t , c a l c u l a t e da n d s e l e c t e dt h em a i nc o m p o n e n t so ft h eh y d r a u l i cs y s t e m t h ep a p e rd e s i g n e dac o n t r o la l g o r i t h m ，u s e dr o t a t i o nm e t h o da n dt h ee c c e n t r i cm e t h o d t oa d j u s tt h et h ew r o n gs i d e ，s u b s t a n t i a l l yi n c r e a s e dt h eg r o u pf i n i s h e dp r o d u c tq u a l i t ya n d p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h ep a p e ra l s od e s c r i b e st h eg e n e r a ls c h e m eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t os e l e c ts e n s o r s ， a b s o l u t ee n c o d e r s ，b o a r d s ，m o t i o nc o n t r o la n d s t e p p e rm o t o rd r i v ec a r da n do t h e rc o m p o n e n t s 哈尔滨一f ：程，j 、学硕 学何论文 a n de s t a b l i s h e dc o n t r o l l i n gt h eg a n t r ys y s t e mm o d e l ，v e r i f yc o n t r o ls y s t e mi sr e a s o n a b l ea n d c , o r r e c t k e yw o r d s ：e x t e r n a lp r e s s u r e s t e e lp i p e sg r o u pm a c h i n e ；a l g o r i t h m ；c o n t r o lp r o g r a m s ； s i m u l a t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 概述 我国地大物博、资源丰富，然而能源分布不均，各地对能源需求量不同的一系列问 题困扰着我们，所以能源运输成为解决这一问题的关键，油气输送管道在近4 0 年得到 了巨大的发展，这种发展势头在未来的几十年中仍将持续下去，今后1 0 1 5 年，全球总 能源消耗将比现在增加6 0 左右，其中天然气消耗将翻一番卜一。因此钢管的利用也日 益成为人们生活中不可或缺的，成为为人们日常生活必须品的主要输送工具，人们对钢 管的需求量大大提高能源的不断需求，钢管需求量不断增加的同时，对钢管的质量也有 了更高的要求，不仅钢的化学成分、力学性能、冶金质量等的好坏影响着钢管的使用寿 命，而且钢管的尺寸精度对钢管的使用寿命也有着重要的影响1 3 1 。由于设备有限，国内 钢管厂只能生产一定长度的，这些规格钢管不能满足输送油气所需的长度，为了解决这 一难题，钢管厂引进新设备，改造生产线的想法十分强烈。 国内钢管厂家技术设备相当落后，卷出的钢管都是比较短，所以较长的钢管是由这 些短管组对而实现的，我们在中国海洋石油工程股份有限公司钢管生产车间调查期间， 发现车间里工序均是由工人手工完成，不仅生产效率低，而且组对出来的钢管质量也没 有保障，当然钢管调直和校圆过程均是由工人手工操作，且工人所用的工具也只是简单 的用于调直的钢丝、用于校圆的刀把式铁块、用于调直时垫起钢管使得其在同一条中心 线上的垫块、用于撬动钢管、调整钢管的姿态的撬棍及用于检测错边量的钢尺，可见一 系列的工作不但有很大的误差的，同时组对的多是大直径钢管，工人劳动时也存在着较 大的安全隐患问题。 根据钢管生产车间存在的这些问题，在本文提出了一套专门用于车间钢管组对的技 术设备矽f 、压式钢管组对机。本论文是以“铜管自动组对机研制 项目为背景撰写的， 该课题是海洋石油总公司级综合科研项目“海洋工程高效制管生产线的研发的子课题 之一。该组对机的研制，对于石油运输业将是一个质的飞跃，并大大提高了钢管组对的 生产效率和产品质量。钢管组对机及钢管组对相关技术的研究在国内外还是个空白，因 此本文对钢管组对机的研究创新与后续发展有着重大意义。 哈尔滨i ：程人等：硕十。7 ：傅论文 1 2 国内外相关技术发展状况 1 2 1 国外相关技术发展状况 目前国内外对口器公司主要有：德国w i e t z ( 菲茨) 公司，美国c c i 公司，美国马泰 公司，加拿大普兰公司，月麦w e l d t e c h 公司，北方吉凯石油有限责任公司，丹东 曙光阀业有限公司，美围w t 公司1 4 j 。 随着互联网技术的发展，可以检索到一些技术设备发展情况，但是通过互联网的搜 索情况来看，钢管组对机设备并未有钢管厂家使用实例，科研机构也没有从事相关研究。 与之相近技术设备的就是对口器，对口器的技术相对比较完善，但是自动化程度不高， 不适用于钢管组对。研究对口器技术是研究组对机的基础，所以以下将介绍对口器的发 展。对口器其主要分为两大类：内对口器和外对e l 裂5 1 。 内对口器主要分为：手动内对口器、气动内对口器、液压内对口器。 手动内对口器采用手动摇柄驱动的蜗杆加丝杠胀紧装置，该对口器与管道内径是一 一对应的，手动内对口器比较轻便简单，便于携带和操作，在小型管道施工中经常使用， 手动内对口器如图1 1 所示1 6 】。 图1 1 手动内对口器 图1 2 气动内对口器 气动内对口器是用在管线焊接施工中，从钢管内部以径向力把两根待组对管管口迅 速组对，且满足管线焊接要求的一种专用机械，气动内对口器的显著特点是以压缩空气 作为动力【7 1 。如图1 2 所示的气动内对i s i 器，该对v i 器的技术特点： 1 、结构紧凑，性能安全可靠。合理的优化设计，可控的生产流程，保证了各零部 件的性能、加工精度和尺寸的准确性。用最优化的装配，让整机性能和功能达到最佳状 态。使设备的各部分很好的整合成一个完整的系统，不仅使尺寸紧凑，而且使整机性能 更加可靠。 2 、对口精度高，适用范围广。核心工作部件采用数控加工中心处理，使对口组件 工作时对口精度更高。通过换用不同规格胀块，使对口器能满足施工中一定范围内管径 2 第1 争绪论 变化需要，拓展了对口器的使_ j 范i 翻，实现一机多用。 3 、操作简便、安全、快捷。简洁、优化的气路系统，提供了流畅的通道，使操作 更加简便一即学即会。阀件、气缸、气动马达全部选用全球采购的知名品牌，大大提高 了气控系统的可靠性。气路系统的联动、自锁设计极大的提高了设备的安全性，减少了 操作人员因误操作而发生危险的可能性。 4 、清洁、高效、环保，爬坡能力强，通过能力强。采用压缩空气作动力，清洁高 效，符合h s e 施工管理要求。采用全球采购的知名品牌气动马达及紧凑的结构设计， 不仅节省能源而且具有很强的爬坡能力，和很强的通过能力。 5 、调整快速、方便，易维护、维修。当需要适应不同壁厚时，设备可快速、方便、 准确的调整到位，节约了时间，提高了工作效率。设备的日常维护和维修也非常简单。 传统的液压内对口器的研制主要考虑如何通过机械更好地完成液压能和机械能的 转换，方便液压件的动作，同时保护液压元件完整无损，延长其使用寿命，其原理如下： 对口时卡头胀紧管壁原理是采用液压缸活塞推动连杆机构从而使交接在连杆上的 卡头张开，来达到胀紧及校圆的目的，如图1 3 所示该机构的特点是：对口器顶起爪和 管壁接触面积大( 约占整个圆周的3 4 ) ，在压强一定的情况下，接触面大顶起力大，且 力分布均匀【引。 图1 3 液压内对口 外对口器主要有美国m a t h e y 公司研制的液压外对口器和链式外对口器，丹麦 w e l d - t e c h 公司的液压链条式外对口器，美国h & m 公司的手动杠杆外对口器和弯板 链式外对口器掣剐。近些年来，我国管道施工几乎都是从国外进口外对e l 器或国产化的 外对口器，一直没有自主核心技术。但是其原理基本相同，其结构形式为带千斤顶的钢 环式外对口器1 9 l o 另外还有简易便携式的小型外对口器，如链条式管道对口器，外卡箍 式对口器等。外对口器的对口原理就是使各种形势的对口器在外力作用下闭合后，可以 形成一个理论的圆周从而实现管口对接。 3 哈尔滨l m ! 人学f j ! j ! ：学位论文 美国m a t h e y 公司生产外卡箍式外对口器是管道焊接专用对i ；3 调节工具，其原理主 要采用液压系统施力，同时可提供极人央紧力，而且对厚壁管道调节力量比双链条式还 要大，如图1 4 所示【1 0 1 。 图1 4 外卡箍式外对口器幽1 5 液压链条式管道外对i a 器 丹麦w e l d t e c h 生产液压链条式管道外对口器如图1 5 所示，继承了链条对口器 的一机多用的先进特点，利用液压缸的实现压力较大的优势，该机在管道安装和维修中 得到广泛使用1 1 。 美国h & m 公司生产的手动杠杆外对口器采用手动杠杆，偏心轮卡紧机构；该对口 器选用的是弓形桥板实现对管口的卡紧，使其不会影响到对管i s l 的全部根焊1 1 2 1 。手动杠 杆外对口器如图1 6 所示。如图1 7 所示为丝杠外对口器，采用的是自锁丝杠千斤，可 提供极大夹紧力，易于操作，无需外部动力源，而且千斤为防尘设计，适应现场的恶劣 环境。 图1 6 手动杠杆外对口器图1 7 丝杠外对口器 综上所述内对口器和外对口器均在管道对接上有较多的用处。但是只满足对管口的 错边量有要求，对于管道的直线度和管口的圆度均没有起到有效地措施，无法实现直线 度和圆度的调整要求以及组对的全自动化要求。因此本文研究的外压式钢管组对机在钢 管对接设备上是一个新的突破。 4 第1 章绪论 1 2 2 国内相关技术发展状况 中国海洋石油工程股份有限公司其下属钢管生产厂由于生产技术比较落后，而且所 卷的钢管长多为三米左右，需要将3 m 一节的钢管4 节组对起来，然后输出生产车问， 下面是对组对手段和生产效率两个方面简述。 ( 1 ) 组对手段：工人利用拉线和钢尺，目测组对成品，然后对其成品调直检测，可 见这种方法致使产品质量较差、组对精度较低。 ( 2 ) 生产效率：由于钢管都是大直径钢管( 最小直径4 0 6 r a m ) 质量大，手工操作 不便，生产效率低，工人劳动强度大，且存在较大的安全隐患。 海工的钢管生产车间如图1 8 所示。 一 胁j ，飞“一：j 图1 8 海t 钢管生产车间 1 、海工生产车间钢管组对调直过程 海工钢管生产车间的钢管组对调直方法是工人手工拉线目测完成调直( 如图1 9 所 示) 。组对的钢管两端放一标准块( 约5 0 r n m 高) ，在标准块上拉一段细钢丝，然后用卡 尺逐一测量各段钢管距离这条钢丝的高度，若有某段钢管与钢丝的距离过大就需要将该 段钢管撬起垫上一些垫片，以保证该条母线的直线度，工人进行钢管组对时一组钢管拉 两根钢丝，也就是调整两条母线的直线度，两根钢丝沿钢管周向大约错开9 0 。【1 3 】。 图1 9 海工生产车间钢管组对的调直方法 2 、海工生产车间钢管组对错边量检测方法 在保证了焊接后成品直线度，工人需要进行钢管管口处错边量的测量如图1 1 0 所 示。海工生产车间钢管错边量测量的工具是钢尺目测，可见测量结果会存在较大误差， 造成质量下降等不良后果。 5 哈尔滨l ：张人学硕十。孑：位论文 锕尺 图1 1 0 海工生产下间错边量的测量方法 3 、海工生产车间钢管组对调整错边量方法分析 在经过测量发现管口某处错边量较大时，先将错边量满足要求的地方点焊上，然后 对错边量较大处进行校圆。具体操作方法：做一个刀把式的铁块，将铁块焊在错边量较 大处小直径一侧的管口上，刀把与直径较大的管口留出一缝隙，用一锲快( 或凿子) 插 进缝隙罩，用锤子大力的击打锲快，这样大直径管口被压回，小直径管口被拉出，实现 了调整错边量【1 3 】。再将管e l 进行点焊，然后将锲快切割下来，如图1 1 1 所示。 _ 图1 1 1 海上生产车间钢管组对错边量的调整方法 1 3 外压式钢管组对机研制的意义 钢管组对相关技术的研究，目前国内外属于新的课题，并未检索到相关技术研究成 果。此技术是为满足国内生产钢管厂提高工厂的效益，改变工人劳动强度而提出的，所 以此技术有巨大的现实意义。目前车间里的设备陈旧、技术落后，生产的产品难以满足 目前市场上对钢管的高质量要求，所以提高钢管质量也是钢管组对机研制的迫切需要， 研究开发一套具有自主知识产权的钢管组对设备是势在必行的，该设备实现组对工序钢 管调直、调整错变量、预热+ 点焊、直线度检测等工序集合起来，形成一套快速完成这 一系列操作的全自动化设备【1 3 】。钢管组对机的研制具有以下重要意义： 1 、操作使用上 该设备采用自动化设备可以由工人轻松的进行操作，并使其操作方便简单，降低了 工人劳动强度和工作的危险性。 2 、经济效益上 6 第1 搴绪论 将钢管组对的调直、焊接及直线度检测等工序分步完成，减少了钢管在工序上的转 运次数，缩短组对时间，因此大大提高了钢管组对的效率及质量。 3 、知识产权上 在钢管组对生产技术领域上获得新的技术突破，填补了钢管组对技术研究的空白， 并可获得完全自主知识产权。 1 4 论文完成的主要工作 通过对国内外对口器结构及原理的分析研究，并结合钢管组对机的实际用途及课题 技术协议的要求，设计了一套简单、紧凑、可靠而又实用的钢管组对机设备。在本文中 对外压式钢管组对机的设计主要涉及以下几方面的内容： 1 、外压式钢管组对机总体方案研究及主要机构设计 根据实际需要及组对机将要完成的任务确定了钢管组对机的总体方案，对组对机机 械本体做了详细的结构设计，对夹紧机构、周向旋转机构、红外预热装置等主要机构做 了简要的概述，并简单叙述了组对机的工作流程。 2 、外压式钢管组对机液压控制系统的设计 钢管组对机液压系统主要有五个部分组成，升降机构液压回路、龙门架卡爪液压回 路、托架机构液压回路、出料机构液压回路、预热机构液压回路，第五章分别详细介绍 回路设计特点。 3 、对外压式钢管组对机组对工作中的焊缝及错边量检测方法进行研究 根据钢管组对工序的特殊需要，提出了适合该组对系统的便于工人掌握和应用的焊 缝及错边量检测方法，提高了检测的精度和效率，而且节省大量的成本。 4 、对钢管组对机控制系统的简介 钢管自动组对机从进料出料、直线度检测、定位锁紧等一系列操作都是全自动控制， 要求控制系统可以实现数据测试、位置控制以及系统状态监视功能，本文设计了控制系 统的总体方案，详细描述了控制具体流程，选择了控制系统的关键元器件，并对关键机 构进行建模仿真，验证系统的快速性和准确性。 7 哈尔滨f 。手i f ! 人。学硕十学传论文 第2 章外压式钢管组对机的总体结构设计 2 1 引言 外压式钢管组对机是针对钢管生产车间实际需要而设计的，既要完成工作需要又要 保证结构巧妙，本章针对这些问题设计了钢管组对机的总体方案，并对组对机机械本体 做了详细的结构设计，对夹紧机构、周向旋转机构、红外预热装置等主要机构做了简要 的概述，并简略的描述了操作流程，从而达到设计目标。 2 2 外压式钢管组对机课题要求 2 2 1 外压式钢管组对机设计接口参数 1 、进入工序前钢管参数 ( 1 ) 钢管直径系列及相应管壁厚度：4 0 6 m m ( 1 3 - 2 0 r a m ) ，5 0 8 m m ( 1 3 2 5 m m ) ， 6 1 0 m m ( 1 3 - 2 5 r n m ) ，7 6 2 m m ( 1 6 3 8 m m ) ，9 1 4 m m ( 4 0 m m ) 。 ( 2 ) 长度范围：1 0 0 0 - 3 0 0 0 m m 。 ( 3 ) 直线度：3 m 长度内的直线度误差小于等于3 m m 。 ( 4 ) 椭圆度：管端1 5 0 r a m 内椭圆度小于其公称直径的1 且最大不超过5 m m ；除 管端1 5 0 m m # b = 1 0 m m 。 ( 5 ) 直径误差：0 4 m m - - - + 1 6 m m ( 端头1 5 0 m m 内) 。 ( 6 ) 两端面相对管子中心线的垂直度：小于等于0 5 m m 。 ( 7 ) 两端口校圆后同轴度：小于等于0 5 r a m 。 ( 8 ) 材质：碳素结构钢。 2 、组对后成品参数 ( 1 ) 长度范围：4 0 0 0 r a m - - 1 2 0 0 0 m m 。 ( 2 ) 组对节数：2 - 4 节。 ( 3 ) 直线度误差：1 2 m 长度以内直线度误差小于9 m m ( 依据a p i 标准) 。 ( 4 ) 相邻管口错边量：一周内任意位置错边量小于等于2 m m 。 ( 5 ) 组对间隙：2 m m - - 4 m m 。 2 2 2 外压式钢管组对机研制内容和目标 ( 1 ) 实现钢管自动进料、自动出料。 ( 2 ) 实现相邻钢管焊缝位置的自动调整。 8 第2 争外j r 。i = 钢管组对机的总体结构设计 ( 3 ) 实现组对f n j 隙的自动调整。 ( 4 ) 实现钢管的自动定位锁紧，保证相邻管口错边量要求。 ( 5 ) 实现直线度自动检测，自动调整，保证直线度要求。 ( 6 ) 实现对组对钢管管口的焊前预热。 ( 7 ) 实现对不同长度、不同直径系列钢管的组对。 ( 8 ) 方便焊接工作的进行。 2 3 外压式钢管组对机总体方案设计 关于钢管组对机方面的资料很少，对于全自动化生产线设备还没有应用实例，因此 本外压式钢管组对机总体方案的确定主要是根据甲方的技术要求及其车间中钢管组对 的实际情况，结合实际情况提出了外压式钢管组对机的总体方案。 2 3 1 外压式钢管组对机的方案选择论证 原方案的钢管组对机的框架如图2 1 所示。该方案有以下几点不足： 1 、滚筒体积过大 滚筒的内径要超过最大的钢管( 9 1 4 m m ) ，约为1 5 0 0 m m ，滚筒的筒壁要具有一定 的厚度才能支撑住钢管，经过分析得到滚筒的壁厚为4 0 r a m 。这个尺寸的滚筒无论是铸 造时还是精加工时都很不方便。同时，由于滚筒的体积过大，组对机的安装尺寸也超出 了允许了范围内。 1 - 长滚筒2 一短滚筒3 齿圈4 支撑轮 8 联轴器9 短轴1 0 支撑轮架1 1 齿轮架 5 长轴6 离合器7 液乐马达 1 2 主动齿轮1 3 底座1 4 卡紧机构 图2 1 钢管组对机框架结构 2 、卡爪体积位置不适应旋转等运动 9 哈尔滨：程人等：硕f ：孑：位论文 卡爪安装在滚筒内部，f 爪的驱动要靠液压缸推动与钢管两点接触的铰链机构运 动。首先，这种接触方式个- l f 】匕1 2 保证钢管定心的精确度，也不能保证压紧力完全适合钢管 的旋转、移动等动作。其次，卡爪的铰链为了能提供足够大的力而不发生变形以及适应 不同管径的需求，需要较大的活动空间及体积，所以要在滚筒内安装导轨，这样又加大 了滚筒的体积，不符合安装要求。 经过改进，确定了以下这种以龙门架为基础的钢管组对机的方案。这种方案也是外 压式的原理，但体积更小，操作上更方便。 2 3 2 外压式钢管组对机的总体方案 外压式钢管组对机实现钢管组对工作的基本原理是：组对机用均布在龙门架上的三 个卡爪从外部压紧管口固定钢管，这三个卡爪在同一圆周上，四个龙门架上的卡爪圆周 的中心均在同一中心线上，进而进行钢管错边量调整、预热等动作从而实现钢管组对的 工作。 组对过程主要包括：钢管就位，钢管传递，错边量调整，预热及焊接。 钢管组对机的总体结构如图2 2 所示。 1 钢管就位升降式滚轮架 2 龙门架3 一传感器检测机构4 预热机构5 夹紧定心机构6 一托架 7 一出料机构8 滑动导轨9 一底座1 0 控制台1 1 齿条1 2 齿轮1 3 周向旋转机构 图2 2 钢管组对机系统总体结构 外压式钢管组对机主要结构的用途：齿轮1 2 及齿条1 1 带动每个龙门架系统在导轨 上移动，以适应不同长度的钢管进行组对；夹紧定心机构5 是实现钢管组对中调直和校 圆的最关键部分，它安装在龙门架2 上，可以央紧钢管限制其径向及轴向移动，同时， 为了适应不同直径系列的钢管组对而可以控制其径向移动，由于它的定位精确可以保证 1 0 第2 章外压式钢管纽对机的总体结构殴计 钢管的中心线与直线度精确，从而可以保证钢管组对焊接的精确；预热机构4 采用的红 外辐射加热技术，在完成错边量调整后，对管口进行快速预热；钢管就位升降式滚轮架 1 能实现钢管长度测量、钢管直径测量、钢管对心、钢管焊前输送等功能，是实现钢管 精确进料的最关键部分；大转盘周向旋转机构1 3 负责带动钢管旋转使得相互间直焊缝 错开需要的角度及实现管口错边量的调整；底座9 主要用来承载整个组对装置并装有龙 门架滑动导轨8 ，用来支持龙门架轴向移动，用于适应不同长度系列钢管的组对；传感 器检测机构3 主要部分是两个光电位移传感器，用来检测钢管的管径的在圆周方向的变 化，并将测得数据传送到计算机中进行计算比较，从而计算出焊缝所在位置及管口错边 量调整方法；托架6 装在最后一个龙门架的后端，当钢管整体焊接完毕时，所有龙门架 回到初始位置，托架停在距管口一定距离的位置，托住钢管整体，方便出料机构7 出料。 外压式钢管组对机的外型尺寸为：宽4 0 0 0 m m ；高3 5 1 1 m m ；轴向长1 9 0 0 0 r a m 。 外压式钢管组对机方案的创新之处是：将车间里本来是分开而且繁琐的工序钢管调 直、调整错边量、检测直线度及预热等集于一体，用这一套设备完成这一系列的工作， 减少工人的工作量，提高组对效率，保证钢管质量，同时大大降低了工人在钢管组对工 作过程中的危险系数。 2 3 3 外压式钢管组对机的组对原理 外压式钢管组对机实现钢管组对的原理：在组对工序中轴向布置四个带龙门架，每 个龙门架上的三个夹紧定心机构伸长量相同，所确定的圆的中心线趋于钢管截面的理论 圆心，每套钢管组对机的龙门架的理论基准设定在同一直线上，因此各管口实现校圆的 同时也使得待焊接的两根钢管的轴线趋于理论轴线，从而实现钢管的调直；钢管就位后， 由龙门架及其组件进行钢管传递、错边量调整等工作，实现钢管组对。钢管组对机的组 对原理如图2 3 所示。 图2 3 钢管组对机组对原理 哈尔滨i 氍人学硕十伊论艾 i ii i 外压式钢管组对机组对过程中错边量和直线度靠卡爪的压紧力及组对机系统的精 度来保证，所以所有符合a p i 标准的钢管进行组对时，都能够实现组对。 2 4 外压式钢管组对机主要机构设计 2 4 1 底座 外压式钢管组对机的底座由底座框架、龙门架轴向移动导轨、与龙门架齿轮啮合的 齿条等部分构成。整个底座共1 4 m 长，分为4 段( 每段3 5 0 0 r a m ) ，每段底座之间用铰 制孔螺栓相连。该结构便于拆装，容易加工铸造，定位精度高，结构稳定。主要结构如 图2 4 所示： 图2 4 钢管组对机单节底座 2 4 2 钢管就位升降式滚轮架设计 本机构主要实现四个功能：钢管长度测量、钢管直径测量、钢管对心、钢管焊前输 送。主要结构如图2 5 所示： 1 、钢管长度测量机构 图2 5 钢管就位升降式滚轮架结构简图 1 2 第2 昂外j f j 俐箭组对机的总体结构设计 该机构所需主要零件：液r k 缸、t 型挡块、推块、丝杠螺母传动机构、步进电机、 光电码盘。具体结构如图2 6 所示： 3 1 一t 型捎块2 - 推块3 一丝杠螺母传动机构4 步进电机 图2 6 钢管长度测量机构结构图 将钢管放到滚轮架上，首先液压缸带动t 型挡块上升，直至能够挡住所有规格的钢 管向前移动( 挡块轴向位置固定，可记为o ) ，然后步进电机驱动丝杠螺母机构带动推块 向前运动( 推块原始位置可记为c ) ，当挡块与钢管接触时，步进电机电路停止，推块 前进的距离由码盘记录( 可记为s ) ，此时可以由控制系统得出推块与挡块之间的距离l ( 一s ) 即为钢管的长度。 2 、钢管直径测量机构 该机构主要零件：带直线位移传感器的液压缸、限位开关。具体结构如图2 7 所示： 将限位开关安装在液压缸活塞杆前端，活塞杆作直线运动，带动限位开关运动，当限位 开关与钢管接触时，液压缸停止动作，根据直线位移传感器测出的数据可以区分出不同 规格的钢管。于是，液压缸活塞杆行程越大所测的钢管直径越小。 1 带直线位移传感器液压缸2 限位开关 图2 7 钢管直径测量机构 3 、钢管对心调整机构 该机构主要零件：升降机、带位移传感器的液压缸、压力传感器。具体结构如图2 8 所示。当钢管放到滚轮架上后，压力传感器检测到压力产生信号，该信号传送至控制系 哈尔滨i t 人学硕十学何论文 统，控制液压缸动作，推动升降机上升，连接在活塞杠杆上的直线位移传感器同时测量 液压缸动作行程， 1 一底座2 连杆3 液压缸 图2 8 钢管对心调整机构 j 作。 4 、钢管焊前输送机构 来料钢管长度测出后，液压缸带动t 型挡块下降至原位，推块将钢管推入龙门架内。 具体结构如图2 9 所示： 1 一t 型档块2 一摊块 图2 9 钢管焊前输送机构 2 4 3 龙门架设计 龙门架机构由夹紧定心机构、龙门架轴向移动机构、周向旋转及滚子支撑压紧机构、 龙门架框架。该结构紧凑，设计巧妙，功能强大，可实现多种不同形式的运动。具体结 构如图2 1 0 所示： 1 4 第2 章外乐式钢管组对机的总体结构设计 4 5 6 1 滚子支撑压紧机构2 大转盘3 钢管夹紧定心结构 4 周向旋转机构电机及减速器5 龙门架框架6 龙门架移动传动机构 图2 1 0 龙门架总体结构 1 、龙门架夹紧定心机构 该部分由夹紧辊轮、丝杠螺母传动机构、滑动块、减速器、步进电机以及液压缸组 成。步进电机带动丝杠螺母传动机构进给，使夹紧辊轮与钢管外壁接触至夹紧。具体结 构如图2 1 1 所示： 1 夹紧辊子2 丝杠3 螺母4 减速器5 液压缸岳步进电机7 卡头 图2 1 1 龙门架夹紧定心机构 2 、龙门架轴向移动机构 该结构由双输出轴步进电机、四个联轴器、两个减速器、两个小齿轮组成。该机构 可以完成龙门架的自由移动、龙门架的加速减速运动。由以上功能则可以实现对不同长 度钢管的卡紧就位工作。运用齿轮传动及导轨传动使龙门架轴向运动平稳、精确。机构 简图如图2 1 2 所示： 1 5 哈尔滨i ：科人硕十学位论文 图2 1 2 龙门架轴向移动机构 3 、龙门架周向旋转机构 该机构是用主动齿轮带动大转盘进行旋转，其目的在于调整钢管的焊缝角度。根据 a p i 标准相邻两根钢管的焊缝错开角度要达到9 0 l 1 8 俨，组对机在调节相邻两管口错边 量的同时也要使相邻两个钢管的直焊缝错开需要的角度，这就需要该机构进行旋转调 节。具体结构如图2 1 3 所示。 1 步进电机2 - 联轴器3 蜗杆4 蜗轮5 主动齿轮6 _ 齿环7 支撑限位滚轮 图2 1 3 龙门架周向旋转机构 2 4 4 托架辊轮机构设计 托架辊轮靠液压缸升降适合不同直径的钢管，其设计目的是便于将焊后的钢管离开 设备。具体结构如图2 1 4 所示。该机构的工作过程为：当待焊钢管全部完成焊接工作后， 所有龙门架回归到初始位置，则需要一个机构来代替最后一个龙门架与出料机构一起支 撑已焊完的钢管。托架辊轮机构不与龙门架一同归位，留在钢管另一端进行支撑工作， 1 6 第2 章外j i i i = 钉q 管乡t l 对机的总体结构设计 同时配合出料机构出料。 图2 1 4 托架辊轮机构 2 4 5 出料机构设计 该结构由两个侧卡爪和一个下卡爪以及三个液压缸组成，如图2 1 5 所示。其设计目 的是卡紧钢管成品，与托架一同支撑焊接完毕的钢管。当需要轴向出料时，下卡爪2 的 滚轮结构便于使钢管运输走；当需要径向吊走钢管时，侧卡爪1 由液压缸3 驱动松开， 方便出料。 1 侧卡爪2 下卡爪3 液压缸4 卡紧机架 图2 1 5 出料机构 2 4 6 预热机构设计 预热机构的结构：液压缸驱动加热罩支撑架配合导轨上下移动，以适应钢管有多种 直径系列的情况，从而对钢管管口进行焊前预热。具体结构如图2 1 6 所示： 1 7 【喻尔演1 样人孚：硕fj 学位论文 2 4 7 传感器检测机构设计 图2 1 6 预热机构 传感器检测机构结构：如图2 1 7 所示，工作时步进电机驱动丝杠转动，从而使与丝 杠配合的滑动架向前移动，工作完毕由步进电机驱动丝杠将滑动架传动回原位，达到不 妨碍预热装置加热的目的。 1 一光电位移传感器2 一安装板3 导轨4 丝杠5 步进电机6 滑动架7 支撑座 图2 1 7 传感器检测机构 2 5 外压式钢管组对机组对工作流程 外压式钢管组对机组对钢管的工作流程如下： 1 、钢管来料参数测量及进料 钢管来料进入钢管就位升降式滚轮架( 如图2 1 8 ) ，由钢管长度测量机构测出钢管 长度( 如图2 1 9 ) ，由钢管直径测量机构测出钢管直径( 如图2 2 0 ) ，再由钢管对心调整 机构实现钢管轴线与龙门架轴线对齐，待钢管的主要参数均输入到计算机中，龙门架的 1 8 第2 章外乐式钢管组对机的总体结构殴汁 夹紧定心机构伸缩完毕，钢管对心调整机构也工作完毕后，由钢管焊前输送机构将钢管 推入龙门架工作部分。 图2 1 8 钢管来料就位 图2 1 9 钢管长度测量 的扣i 块 _ _ _ _ _ 一 uu翠uil 中 u 刖l 中中l 出 1 1 ， 。：i - l i 书审i n i _ - _ 一_ _ _ _ _ 溯； 能疆 图2 2 0 钢管直径测量 2 、钢管进入组对工序并实现钢管传递 第一根钢管的长度如果小于四个龙门架及其间缝隙总长，由推块推至进料架尽头： 第二根钢管就位，由推块推至第一个龙门架在一定范围内能卡住第一钢管管口的位置 ( 如图2 2 1 ) 。第一根钢管的长度如果大于四个龙门架及其间缝隙总长，由推块直接推至 第一个龙门架在一定范围内能卡住第一根钢管管口的位置( 如图2 2 2 ) 。第二根钢管也 用同样的方式进料、传递、夹紧( 如图2 2 3 ) 。 图2 2 1 第一根管短时的进料情况 1 9 哈尔滨t 稗火学顾十学伊论文 i i ii_i i i ii i 图2 2 2 第一根管长时进料方法图2 2 3 第二根管进料方法 3 、焊缝间隙定位、卡爪锁紧、错边量调整、预热和焊接 在实现钢管就位后，传感器检测机构对就位钢管管口进行径向的检测，得出两根钢 管的直径情况，并进行分析，得到钢管最佳组对状态，预热机构预热，手工封顶焊( 如 图2 2 4 ) 。 焊接位置 图2 2 4 焊接位置示意图 4 、钢管传递 第一个焊缝焊接完毕后，第一个龙门架与第二个龙门架共同夹着管1 与管2 向组对 机尾端移动一定距离，管3 由管4 推入至组对机工作流程。依次类推，直至最后一根钢 管焊接完毕( 如图2 2 5 ) 。 il ： 廿 硎删口口 l l | 艟1i 中中 中矧l 越3 士 日上 l 口l 门l 9 。 c b 申 h 叫叫 nn l u l 一嘲 图2 2 5 钢管传递示意图 5 、作业完毕出料 龙门架全部回到初始位置，托架机构与出料机构支撑成品，方便从径向或轴向出料 ( 如图2 2 6 ) ，下一个钢管组对开始。 第2 章外压式钢管组对机的总f 奉结构殴汁 2 6 本章小结 m 1 可= 腻删 - i - 1t l l - i 一 e j 砉砉 出立 1 l i f l - lv j it 叶i n i hhpm1口l 一 口盘1 ln i 们l * ai u _ , i b l li i i x d日1l 一 ni h n 图2 2 6 作业完毕出料示意图 本章首先阐述了外压式钢管组对机的研究背景，针对课题要求确定t 5 1 - 压式钢管组 对机的总体方案，并对组对机的各个子系统作了详细的研究，简要描述操作流程，为后 续各系统的设计奠定了基础。 2 1 哈尔滨f ： 5 f 人。：硕 ? 予：何论文 第3 章外压式钢管组对机液压系统设计 3 1 引言 外压式钢管组对机工作流程中涉及定行程和变行程等一系列的直线位置控制，为此 选用具有自动化程度高、工作平稳、安全可靠、调节和控制简单、易实现过载保护等优 点的液压系统控制。液压传动是通过液体的压力能来传递动力，工作介质油液在密封的 管道内流动，因而液压系统在功率重量比、无级调速、自动控制、过载保护等方面的独 特技术优势，其成为国民经济中各行业机械装备实现传动与控制的重要