（机械电子工程专业论文）钢管组对机总体方案设计及关键技术研究.pdf

- j 0 膏 c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g g e n e r a ls c h e m e d e s i g no f s t e e lp i p e sb u t t t o o la n dr e s e a r c ho nk e y t e c h n o l o g y c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： w a n gj i a n q i u p r o f w a n gl i q u a n m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g d e c e m b e r , 2 0 0 9 m a r c h ，2 0 1 0 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 。 ， ( 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：2 逢秋 日期：勿知年? 月侈日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 圈在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 ， 作者( 签字) ： 互吏礅导师( 签字) ：钐砒彳一 日期： w i t 7 年歹月肟日可以年7 月矽日 k 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 钢管组对机是一种用于钢管生产车间，将长度较短的数节钢管调整在一 条轴线上，并对各个管口进行校圆调整错边量，实现对各管口进行快速预热 的专用机具。钢管组对工作是将几节短钢管按照a p i 标准焊接成需要长度的 钢管，其工序主要包括：钢管调直、校圆、直线度检测、预热及点焊。目前 车间里这些组对工作均是由手工完成，由于钢管直径较大，操作不便，使得 钢管组对效率低，质量差。钢管组对机的研制对于解决目前钢管组对工序中 存在的这些技术问题及提高我国钢管生产领域自动化水平具有重大意义。 课题源于中国海洋石油工程股份有限公司钢管生产线改造工程的钢管快 速组对项目。论文的主要任务是针对所要组对的各种直径系列钢管，研制一 套能够实现快速调直、校圆、直线度检测及预热的钢管组对机具，并对其关 键技术进行研究。 论文在综述钢管组对机国内外研究概况的基础上，并根据钢管生产车间 的实际需要提出了钢管组对机的总体方案。该方案是通过对管口夹紧实现对 整组钢管的调直及校圆。根据在组对工序中主要完成的工作，将组对机分为 压紧加载机构、周向旋转机构、红外预热装置及直线度检测系统等四大模块， 并分别进行详细的研究设计。 论文运用a n s y s 有限元软件对压紧模块圆心角和压紧加载机构推力等 关键参数进行详细分析。并且利用莫尔定理对组对校圆所需压紧加载机构提 供的最大推力进行验证计算，从而保证了钢管组对机工作的可靠性。 论文采用红外辐射加热技术对管口预热，并对预热装置进行设计，对钢 管组对需要预热的温度和利用红外预热时所需要的时间进行详细分析。 针对钢管组对工序中直线度检测的特殊需求，在对钢管的各种直线度检 测及圆度检测方法进行分析的基础上，提出一种适合钢管组对工序应用的固 定位置检测直线度的方法，并建立其数学模型。 关键词：钢管组对机；调直；校圆；有限元分析；预热；直线度 h 。一 1 i 哈尔滨工程大学硕十学位论文 a b s t r a c t s t e e lp i p e sb u t tt o o l ( s p b t ) i sad e d i c a t e de q u i p m e n tw h i c ha d j u s t sas e r i e s o fs h o r tp i p e s t oo n ea x i s ，c h e c k st h ee r r o ra m o u n ta tt h ec i r c u m f e r e n c ea n d f i n a l l ya c h i e v et h eg o a lo ff a s tp r e h e a t i n gu s e di ns t e e lw o r k s h o p t h ea i mo fs t e e l p i p e sb u t tw o r ki st oh a v eas h o r tp i p es e c t i o n sf o rf o r m i n gn e e d e dl e n g t hs t e e l p i p ei na c c o r d a n c ew i t ha p is t a n d a r d sb yw e l d i n g t h ep r o c e s sm a i n l yi n c l u d e ： s t e e ls t r a i g h t e n i n g ，c h e c k i n gc i r c l e ，s t r a i g h t n e s sd e t e c t i n g ，p r e h e a t i n ga n ds p o t w e l d i n g a tp r e s e n t ，t h e s ew o r k sa r ec o m p l e t e db yh a n di nt h ew o r k s h o p d u et o t h el a r g e rd i a m e t e rp i p ea n dt h ei n c o n v e n i e n to p e r a t i o n , i tm a d et h e p r o c e s s e x t r e m e l yi n e f f i c i e n ta n dr e c e i v e dp o o rq u a l i t y t h er e s e a r c ho fs p b th a sag r e a t s i g n i f i c a n c et or e s o l v et h ec u r r e n tt e c h n i c a lp r o b l e m si nt h ep r o c e s sa n di m p r o v e t h ea u t o m a t i o nd e g r e ei no u r c o u n t r ys t e e lp r o d u c t i o n t h i ss u b j e c to r i g i n a t e df r o mt h er a p i ds t e e lp i p eb u t ti t e mi nt h ep r o d u c t i o n r e c o n s t r u c t i o np r o jc o to fc h i n an a t i o n a lo f f s h o r eo i le n g i n e e r i n gc o l t d t h e m a i nt a s ko ft h i sp a p e ri st od e s i g nae q u i p m e n tw h i c hc o u l da p p l yf o ra n ys e r i e s d i a m e t e rs t e e l p i p e a n d a c h i e v i n gm p i d l ys t r a i g h t n e s s ，c h e c k i n gc i r c l e ， s t r a i g h t n e s sd e t e c t i n ga n dp r e h e a t i n g i na d d i t i o n ，t h ep a p e rh a sa l s od o n es o m e r e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h es p b t b a s e do nr e s e a r c h e sb o t ha th o m ea n da b r o a d ，ag e n e r a ls c h e m eh a sb e e n p r o p o s e da c c o r d i n gt ot h e a c t u a ln e e d so ft h ep r o d u c tw o r k s h o p ，t h i sp r o g r a m r e a l i z e st h e s t r a i g h t e n i n ga n dc h e c k i n gc i r c l eb yc l a m p i n gt h ee n d s o ft h e p i p e t h es t e e lp i p eb u t tc l a m pt o o li n c l u d e sc l a m p i n ga n dl o a d i n gm o d u l e ，t h e c i r c u m f e r e n t i a lr o t a t i o nm o d u l e ，t h ei n f r a r e dr a d i a t i o nh e a t i n gm o d u l ea n dt h e s t r a i g h t n e s sd e t e c t i n gm o d u l ea c c o r d i n gt ot h e i rf u n c t i o n s a l lt h em o d u l e sh a v e b e e nd e s i g n e di nd e t a i l t h ea n g l eo ft h ec l a m ps e c t i o na n dt h ef o r c eo ft h el o a dm e c h a n i s mh a v e 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 b e e na n a l y z e db ya n s y ss o f t w a r e t og u a r a n t e et h er e l i a b i l i t yo ft h es t e a lp i p e ， c a l c u l a t i o no ft h ep u s hf o r c eo ft h ec l a m ps e c t i o nf o rt h ep i p ee m e n d a t i o ni s c a r d e do u tb a s e do nm o o r e sl a w 1 1 1 ei n f r a r e dr a d i a t i o nh e a t i n gt e c h n o l o g yi su s e df o rt h ep r e h e a t i n go ft h e s t e a lp i p e l i n e s t h es t r u c t u r eo ft h ep r e h e a t i n gs e c t i o nh a sb e e nd e s i g n e d a n dt h e t e m p e r a t u r ed e g r e en e e d e da n dt h et i m et h a tp r e h e a t i n gp r o c e s st a k e sa r eb e e n a n a l y z e di nd e t a i l t om e e tt h es p e c i a ln e e d so ft h es t r a i g h t n e s sd e t e c t i n gt h a td u r i n gt h es t e a l p i p eb u t t i n gp r o c e s s ，b a s i n go nr e s e a r c h e so fm a n ym e t h o d sa b o u ts t r a i g h t n e s s d e t e c t i o na n dc i r c u l a r i t yd e t e c t i o n ，a na p p r o p r i a t em e t h o di sp r o p o s e df o rt h e s p b ta n dt h em a t h e m a t i c sm o d e l i se s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：s t e e lp i p e sb u t tt o o l ( s p b t ) ；s t r a i g h t e n i n g ；c h e c k i n gc i r c l e ；f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ：p r e h e a t i n g ；s t r a i g h t n e s s 哈尔滨t 程大学硕士学f 7 = 论文 目录 第1 章绪论1 1 1 概述“1 1 2 钢管组对机相关技术现状2 1 2 1 内对口器2 1 2 2 外对口器”4 1 3 课题的来源、背景及意义6 1 3 1 课题来源6 1 3 2 课题背景7 1 3 3 课题研究的目的和意义1 0 1 4 论文完成的主要工作1l 第2 章钢管组对机的设计1 3 2 1 引言13 2 2 钢管组对机课题要求13 2 2 1 钢管组对机设计接口参数1 3 2 2 2 钢管组对机研制内容和目标1 4 2 3 钢管组对机总体方案设计1 4 2 3 1 钢管组对机的总体方案1 4 2 3 2 钢管组对机的组对原理1 6 2 4 钢管组对机主要机构设计1 7 2 4 1 压紧加载机构设计1 7 2 4 2 输送滚轮架设计2 2 2 4 3 周向旋转机构设计2 3 2 4 4 红外预热装置3 0 2 4 5 直线度检测系统3 2 2 5 钢管组对机组对操作流程3 4 k 哈尔滨- t 程大学硕十学何论文 2 6 本章小结3 6 第3 章钢管组对机关键参数分析3 7 3 1 引言3 7 3 2 压紧模块圆心角的分析“3 8 3 2 1 压紧模块设计原则3 8 3 2 2 压紧模块圆心角确定3 9 3 3 压紧加载机构液压缸推力的分析4 3 3 3 1 加载液压缸推力的确定方法4 3 3 3 2 校圆所需最大压紧力分析4 5 3 3 3 模型等效简化常系数k 的确定4 7 3 3 4 简化模型校圆所需压紧力的理论计算5 0 3 4 本章小结5 4 第4 章钢管组对预热方法分析一5 5 4 1 引言5 5 4 2 钢管组对机管口预热方法5 5 4 2 1 钢管生产车间预热方式分析5 5 4 2 2 钢管组对机红外预热原理5 6 4 3 钢管组对管口预热时间分析5 8 4 3 1 管口预热温度计算5 9 4 3 2 管口预热时间计算6 1 4 4 钢管组对机预热效率分析6 7 4 5 本章小结6 7 第5 章钢管组对直线度检测方法研究6 8 5 1 引言6 8 5 2 钢管形状误差检测方法分析6 8 5 2 1 钢管圆柱度检测方法6 8 5 2 2 钢管直线度检测方法7 0 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i 萱i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i -1 i i i i 5 3 钢管组对机直线度检测方法分析7 3 5 3 1 钢管组对直线度误差分析7 3 5 3 2 钢管组对直线度检测方法7 4 5 4 本章小结7 9 结论8 0 参考文献8 1 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果8 6 致i 射8 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 随着社会的进步，工业的迅猛发展，人们的生活水平也越来越好，这时 对石油、天然气等的需求量也在飞速上升。今后1 0 1 5 年，全球总能源消耗 将比现在增) j h 6 0 左右，其中天然气消耗将翻一番“。而油气的需求者主要 在工业较发达的工业城市地区，油气田则大部分分布在极地、荒漠、海洋等 偏远地带 3 1 。因此石油天然气的运输成为现今能源价格昂贵的重要原因，作 为石油天然气的一种经济、安全、不间断的长距离输送工具管道输送越来越 被世人所青睐。也使得油气输送管道在近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【4 1 。因此钢管也日益成为人们生活中不 可或缺的，成为为人们供油供暖供气等日常生活必须品的主要输送工具，也 使得人们对钢管的需求量大大提高。根据目前中国成品油管道建设的规划， 至1 1 2 0 1 0 年中国将形成1 3 条成品油管道，将要新建设成品油管道1 3 0 0 0 k m 以上， 输送能力达至u 9 3 0 0 1 0 4 t a 以上【5 6 l 。 随着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【7 】。各钢管厂家为了 适应时代需求，为了获得各能源集团公司的供应商资格，都在努力引进新设 备，改造生产线，主要是为了提高产品质量，同时也为了提高车间生产效率。 国内钢管厂家技术设备相应比较落后，好多厂家的卷管机只能卷比较短 的钢管，或者是用于卷管的钢板比较短，因此就需要将这些钢管再数节一组 组对起来，组对成需要的长度在运出车间。并具调研发现国内外还未有一套 专门用于车间钢管组对的设备或关于这方面的技术研究。在中国海洋石油工 程股份有限公司下属的一家钢管生产车间参观调查期间，发现车间里钢管组 对工序均是由工人手工完成。因为是数节钢管组对在一起，就需要将各节钢 哈尔滨工程大学硕十学位论文 管都调整在一条中心线上然后在进行校圆、预热、焊接。而这个调直和校圆 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钢丝( 用于调直) 、 刀把式铁块( 用于校圆) 、一些简单的垫块( 用于调直时垫起钢管使得其在 同一条中心线上) 、撬棍( 用于撬动钢管，调整钢管的姿态) 及钢尺( 用于 检测错边量) 。这样的组对存在很大的缺点，一是生产效率低，二是钢管质 量差，而且需要大量的人力，由于组对的多是大直径钢管，工人手工组对时 也存在着较大的安全问题。 鉴于目前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钥管组对机。该组对机的研制，对于钢管产业来 说将是一个质的提升，提高了钢管生产领域钢管组对的自动化水平，从而也 大大提升了钢管组对的效率和产品质量。钢管组对机及钢管组对相关技术的 研究在国内外尚无前例，因此本文对钢管组对机的研究对于开启对钢管组对 技术的创新有着重大意义。 1 2 钢管组对机相关技术现状 经过网络及社会调研发现，在车间专用的钢管组对机设备并未有钢管厂 家使用实例，也未有人或团体研究过关于车间钢管组对的设备或技术。现在 在管道工程施工上使用着一种与钢管组对机相类似的设备叫对口器。对口器 已经是比较成熟的设备，在工程施工上经常使用，而且对口器的生产厂家及 种类也较多。对口器是管道施工工程焊接不可缺少的机具，其主要分为两大 类：内对口器和外对1 3 器【8 1 。 1 2 1 内对口器 目前国内外内对口器公司主要有：美国c c i 公司，加拿大普兰公司，丹 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， 德国w i e t z ( 菲茨) 公司，美国马泰公司，美国w t 公司【9 1 。 内对口器主要分为：手动内对口器、液压内对口器、气动内对口器。 哈尔滨工程大学硕十学何论文 手动内对口器采用手动摇柄驱动的蜗杆加丝杠涨紧装置，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 0 1 。 图1 1 手动内对口器图图1 2 气动内对口 气动内对口器的显著特点是以压缩空气作为动力【1 l 】。如图1 2 所示是由 中国石油天然气管道科学研究院研制的气动内对口器。该对口器采用卧式构 架布局形式，由扩涨装置、行走装置、导向保护栏操纵装置、气动系统等机 构组成。该设备，已广泛应用于管道工程建设中，具有结构紧凑，涨紧力强、 行走灵活、制动可靠、操作方便等特点【1 2 】。 图1 3 德国v i e t z ( 菲茨) 公司 德国v i e t z ( 菲茨) 公司是欧洲著名的焊接机管道施工设备制造公司。 德国菲茨公司1 9 8 5 年进入中国市场，销售到国内的管道施工设备和机具已 经在石油管道局和各油建公司参与的陕京线、涩宁兰线、兰成渝线、西气东 输管线及其他管线工程建设中均发挥了突出的作用。在举世瞩目的西气东输 工程建设中，菲茨公司就分别向c n p c 和s i n o p e c 提供了气动内对1 3 器【l 3 1 。 菲茨公司生产的气动内对口器如图1 3 所示【1 4 1 ，结构紧凑，安全耐用，通过 哈尔滨工程大学硕十学何论文 有效定位对口，辅助提高管道焊接质量。 传统的液压内对口器由于对口轮圈的弧度固定所以不能对其它管径进行 对口，否则由于弧度不匹配会造成被涨管道变形，形成焊接应力缺陷。而气 动内对口器虽然采用多涨块涨紧，但是由于气动联动机构力量弱，行程小， 不能够大范围涨缩，所以也只能适用两种相邻管径。美国w t 公司的科研人员 把液压缸力量大的特点和多涨块适应性强的特点结合起来，通过牢靠的机械 结构实现了多管径液压内对口器【”】。一台设备可以适用于四种管径。如图1 4 所示的m s c l 0 1 6 型就可以适用1 0 ”( 2 7 3 m m ) 、1 2 ”( 3 2 4 m m ) 、1 4 ”( 3 5 6 m m ) 、 1 6 ( 4 0 6 m m ) 女1 ：i 此宽范围的管道内对口。 图1 4 液压内对口 1 2 2 外对口器 长期以来，我国管道施工基本上都是从国外进口外对口器或仿制国外的 外对口器，一直未能形成国内自主的原创技术。但是国内外所生产的外对口 器在结构原理上基本类同，主要结构形式为带千斤顶的钢环式外对口裂1 6 1 。 另外还有一些比较简易便携式的小型外对口器：链条式管道对口器，外卡箍 式对口器等。外对口器的原则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，而这个理论的圆周迫使要组对的两节钢管管口趋 于理论圆周，从而实现管口对接。 现在国内用的比较多的外对口器主要有：美国m a t h e y 公司的液压外对口 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 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h & m 公司的手动杠杆外对口器和弯板链式外对口器等。 美国m a t h e y 公司生产外卡箍式外对1 3 器是管道焊接专用对口调节工具， 采用液压系统施力，可提供极大夹紧力，厚壁管道调节力量比双链条式要大 如图1 5 所示【l 刀。 图1 5 外卡箍式外对口器图1 6 液压链条式管道外对口器 丹麦w e l d t e c h 生产液压链条式管道外对口器图1 6 所示。秉承链条 对口器的一机多用特点，利用液压缸的力量较大的优势，该机在厂区和车间 管道安装和维修中得到广泛使用【l 8 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口 的全部根焊【1 9 】。手动杠杆外对1 ：3 器如图1 7 所示。如图1 8 所示为丝扛外对口 器，采用的是自锁丝扛千斤，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 7 手动杠杆外对口器图1 8 丝扛外对口器 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 以上所述的内对口器和外对口器均为用于管道施工现场的管子对口器。 在管道施工现场，对管道进行对口焊接时仅仅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要求，而且这些对口器也无法实现直线度 和圆度的调整要求。因此本文研究的钢管组对机是与管子对口器完全不同的 钢管组对设备，对于钢管组对机的研究属于一个比较新的课题，是一个比对 口器更为复杂的钢管生产车间用组对设备。该组对机与管子对口器相比主要 优点是：将液压系统的高调整能力和适应多种系列管径组对的模块化夹紧机 具结合在一起，使其更具有适用性；同时也增加了更多管子对口器所没有的 功能，主要包括调直、管口校圆、直线度检测及快速预热等。 1 3 课题的来源、背景及意义 1 3 1 课题来源 本课题隶属于中国海洋石油工程股份有限公司钢管生产线自动化改造工 程的钢管快速组对项目。主要是为了满足中国海洋石油工程股份有限公司对 提高钢管组对效率的迫切需求，开展自动化专用设备的研制，替代工人手工 操作工艺，提高组对工序科技含量，降低工人组对操作的难度，大幅度提高 钢管组对的效率和质量。钢管组对也就是将几节较短的钢管按照a p i 质量标 准焊接成一根如图1 9 所示。 r 一”丫了”飞”一 如 嬲二。一澎。黟一举。 ，、 1 i 一“一f 帮，f 7 舟 嗍r l ”一彳“l黟 綦4 ：。聂i = i 二囊。l 。：曩，删。屯。o 以k 。盛一。，奠，。一麦一谴j 二曩。一蕉h 一是“= = 刁既 图1 9 钢管组对示意图 6 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 3 2 课题背景 中国海洋石油工程股份有限公司其下属钢管生产厂生产技术比较落后， 所卷的钢管长多为三米左右，而钢管在出厂时需要将三米一节的钢管四节一 组组对起来，然后输出生产车间。而这个组对工作在车间里均为工人手工操 作完成，误差检测方面是由工人拉钢丝线在加上钢尺的配合来测量或直接目 测的方式完成，因此致使工厂生产效率低，产品质量也较差。现在钢管在实 际应用中对质量要求日益提高，为适应社会发展的新形势，应对钢管在实际 应用中对质量要求的提高，再加上现在的经济形势对生产效率也提出了更高 的要求，中国海洋石油工程股份有限公司计划对其钢管生产车间进行改造， 建造一条钢管组对生产线。由于海洋智能机械研究所有着多次和中国海洋石 油工程股份有限公司成功合作的基础，故其将钢管组对机的研制工作交由我 们所设计完成。 中国海洋石油工程股份有限公司( 以下简称海工) 其所属钢管生产厂， 生产技术比较落后，主要体现在组对方法及组对效率两个方面。 l 、组对方法：钢管组对调直时直线度和错边量的检测是由工人利用拉线 和钢尺测量或目测的方式完成，致使产品质量差、精度低。 2 、效率方面：由于钢管多为大直径钢管比较沉重，工人手工操作不便， 致使生产效率低下，且存在较大的安全隐患。 海工的钢管生产车间如图1 1 0 所示。 图1 1 0 海工钢管生产车间 哈尔滨1 ：= 程大学硕七学位论文 ( 1 ) 海工生产车间钢管组对调直过程分析 海工钢管生产车间的钢管组对调直方法很简单就是工人手工拉线并用钢 尺测量来完成调直( 如图1 1 1 所示) 。具体操作方法就是在一组将要进行组 对的钢管两端放一标准块( 约5 0 m m 高) ，在标准块上拉一段细钢丝，然后用 钢尺逐- n 量各段钢管距离这条钢丝的高度，均标定在标准块的高度( 约 5 0 r a m ) ，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 0 。 图1 1 1 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分析 在保证了整体直线度后，钢管组对接口处两管口的错边量也是需要有一 定精度要求( 据工人师傅说：整个圆周上最大错边量不超过3 r a m ) ，钢管接 口处错边量的检测如图1 1 2 所示。海工生产车间钢管错边量测量的工具只是 一把钢尺，方法就是用钢尺贴在接口处，用目测的方法来测量错边量，使得 测量误差非常大，实际错边量甚至在5 m m 左右。 哈尔滨工程大学硕七学位论文 ) 坡口 ， 、焊缝 l j 钢尺 图1 1 2 海工生产车间错边量的测量 ( 3 ) 海工生产车间钢管组对调整错边量方法分析 海工钢管生产车间钢管组对工序中最麻烦而且比较浪费时间的工作是管 口校圆。在经过测量发现组对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。而车间工人的校圆方法就是 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，然后用一锲快( 或凿子) 插进缝隙里，用锤 大力的击打锲快，这样大直径管口就被压了回去，小直径管口被拉了出来， 便实现了调整错边量。错边量调整后，将管口进行点焊，然后将锲快切割下 来，这才完成对该管口的组对，但是在整个过程中只是调整了错边量，而无 法保证管口圆度。海工生产车间钢管组对调整错边量方法如图1 1 3 所示。 图1 1 3 海工生产车间钢管组对错边量的调整 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 3 3 课题研究的目的和意义 1 课题研究的目的 为了实现钢管组对过程中钢管就位、钢管调直校圆、直线度检测、定位 锁紧的自动半自动化，以替代工人手工操作组对工艺，提高生产效率和组对 质量，并减少对工人数量的依赖及降低工人在工作过程中的危险系数，研究 设计一套能够实现钢管自动半自动组对焊接的组对设备是十分必要的。 本课题研究的最终目的是研制出一套实用可靠的钢管组对机设备及技 术，能够快速实现钢管组对工序里的钢管调直、校圆、预热及直线度检测等 工序，提高钢管组对的效率和产品质量。 2 课题研究的意义 对于钢管组对机及钢管组对相关技术的研究，属于比较新的一个课题， 以前并没有人或团体做过这方面的研究工作。而之所以没有这方面的研究及 应用，主要是因为以前的钢管生产市场是一个粗放型的市场，厂家靠廉价的 劳动力来提高工厂的效益。但是随着社会的发展及经济形势的改变，劳动力 的价值也随着有了显著的调高，因此现在和未来的钢管生产市场上急需解决 生产效率的问题。目前车间里的设备陈旧、技术落后，对于提高钢管的质量 有着极大的限制，使得车间生产组对的钢管难以满足目前市场上对钢管的高 质量要求。为此钢管厂家不得不对其车间的设备及技术进行改进和提升。 无论是为了海工对该组对机的需求，还是因为该组对机技术将要被市场 上广大钢管生产厂家所认识并接受的广阔前景，我们都应该研究开发出这么 一套具有自主知识产权的钢管组对设备。该设备将使车间里本来是分开而繁 琐的组对工序钢管调直、校圆( 调错边量) 、预热、直线度检测等工序集合起 来，由这一套设备快速完成这一系列的工作。对于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或使用省力的滚动轮机构可以由工人轻松的进行 1 0 哈尔滨工程大学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i ii i i i i 操作，并使其操作方便简单，便于工人掌握应用，减少了工人的劳动量，而 且降低了目前组对工作中的危险性，对工人的人身安全也更有了保障。 ( 2 ) 经济效益上 将钢管组对的调直、校圆、焊接及直线度检测等工序集于一体，减少了 钢管在工序上的转运次数，将工人手工难于完成、不容易操作的工作交由该 组对机系统几分钟便可完成，因此大大提高了钢管组对的效率及质量。同时 钢管质量的提高可使组对后的钢管在市场上更具有竞争力，大大提高公司的 经济效益，从而使得该技术设备在市场上更具有竞争力，更被厂家所青睐。 ( 3 ) 知识产权上 可以在钢管组对生产技术领域上获得新的技术突破，启动对钢管组对技 术研究的先例，并可获得完全自主研发的知识产权。 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、紧凑具有美观外形结构而又 适用的钢管组对机设备。 在本文中，对于钢管组对机的设计及相关技术研究主要涉及以下几方面 的内容： 1 、对钢管组对机总体方案的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，并对组对机机械本体做了 详细的结构设计，对压紧加载机构、周向旋转机构、红外预热装置及直线度 检测系统等主要机构做了详细的研究设计。 2 、对钢管组对机关键参数进行分析计算。利用a n s y s 有限元软件对组 对机压紧模块圆心角及钢管组对校圆所需压紧加载机构提供的最大推力进行 分析，并借用摩尔定理对钢管校圆所需压紧加载机构的最大推力做了验证计 算，从而保证了组对机工作的可靠性。 3 、对于钢管管口的预热采用了红外辐射加热技术，并对钢管组对焊接需 哈尔滨丁程大学硕士学何论文 要预热的温度和利用红外预热时所需要预热的时间做了详细的分析计算。 4 、对钢管组对机组对工作中的直线度检测方法进行研究。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固定位置 直线度检测方法，不仅提高了直线度检测的精度和效率，而且节省大量的成 本。 1 2 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 2 1 引言 第2 章钢管组对机的设计 钢管组对机是针对较落后些的钢管生产车间而设计。因为现在较多的钢 管生产车间相应来说都还比较落后，还没有能力和必要去更换价格昂贵的新 式生产线，却又不得不提高钢管的生产效率和生产质量。而这个钢管组对机 设备就是为了适应当前的形势需要而设计，可以使钢管厂家花很少的钱却使 得钢管生产车间的钢管组对技术得到质的飞跃，大大提高车间组对效率，提 高钢管质量，所以对钢管组对机及关键技术的研究是十分必要而且可行的。 2 2 钢管组对机课题要求 本课题主要是为了满足中国海洋石油工程股份有限公司下属钢管生产厂 对提高钢管组对效率的迫切需求，开展自动半自动化专用设备的研制，替代 手工操作的工艺，实现快速完成钢管组对，大幅提高钢管组对的效率和质量。 2 2 1 钢管组对机设计接口参数 1 进入工序前钢管参数 ( 1 ) 管径系列及相应壁厚：4 0 6 m m ( 1 3 - - 2 0 m m ) ，5 0 8 m m ( 1 3 - - - 2 5 m m ) ， 6 1 0 m m ( 1 3 - - - 2 5 m 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 5 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：管子端头1 5 0 m m 以内椭圆度为0 6 d ( d 为钢管公称直径) 。 ( 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o 5 m m 。 ( 8 ) 材质范围：碳素结构钢。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 2 组对后成品参数 ( 1 ) 长度范围：6 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 钢管组对机研制内容和目标 1 实现钢管组对过程中钢管就位、定位锁紧、调直校圆、快速预热及直 线度检测的自动半自动化，以替代手工组对工艺，提高组对效率和组对质量。 2 实现对长度为1 5 0 0 m m - - - 3 0 0 0 m m ，直径系列为：4 0 6 m m ，5 0 8 m m ， 6 1 0 m m ，7 6 2 m m ，9 1 4 m m 的单根钢管进行组对。 3 实现快速焊前预热，提高预热效率及预热质量。 ， - 2 3 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，并未有直接用于钢管生产车间中钢管 组对设备的应用实例，也未有关于这方面的文章及研究。因此我们这个钢管 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，另外参考了管子对口器的设计理念，提出了这个外夹式钢管组对机 的总体方案。 2 3 1 钢管组对机的总体方案 钢管组对机实现钢管组对工作的原理是：组对机在管口处从外部用四个 处于同一理论圆周的压紧模块压紧管口，迫使管口变形趋于钢管理论圆周的 形状，从而实现钢管组对的调直及校圆工作。 组对过程主要包括：钢管就位，调直和校圆，检测直线度，预热及点焊。 钢管组对机的总体结构如图2 1 所示。钢管组对机的主要结构包括：组 1 4 哈尔滨工程大学硕十学何论文 对机框架1 ，锁紧杆3 ，齿轮齿条4 ，压紧模块5 ，预热装置6 ，位移传感器7 ， 压紧加载机构8 ，周向旋转机构9 ，输送滚轮架1 0 ，滑动支撑架1 1 ，滑动底 座1 2 ，箱体式导轨1 3 等。 2 3 4 争一。1 3 2 钢管组对机主要结构的用途：齿轮齿条4 带动每套组对机系统在导轨上 移动，以适应不同长度的钢管进行组对；压紧模块5 为了适应不同直径系列 的钢管组对而设计了一系