大型管道焊接设备的功能改进

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摘 要：随着钢结构建筑的兴起，钢板成形直缝钢管的需求量迅速增长。批量生产专用设备的开发也成为业界的热点。最新的大型管合缝机研制中，依据加工对象的特征，对工艺方案、设备的布局进行了原创性设计，获得了优良的综合性能和一系列突出优点。

关键词：大型管；焊接 ；原创性设计；工具移动

1 前言

最新的大型管合缝机研制中，依据加工对象的特征，对工艺方案、设备的布局进行了原创性设计，获得了优良的综合性能和一系列突出优点。工艺范围可达：直径0.75m，长度30m，质量5000kg；制品包括圆型、棱形截面的直管和锥管；整形、合缝、段焊三步工序（以下简称：合焊工序）集中于一台设备完成。

2 工具移动式布局的特点

通常，在机械设备上进行机械零件的加工是由工件與工具作相对运动完成的。在机械设计中，由工件移动，工具固定构成相对运动，称为工件移动式布局。而工件固定，工具移动，称为工具移动式布局。两种设计布局所得到的设备总长度不同。以大型管合缝机为例。

工件移动式布局：[L≥2L1+L2]

工具移动式布局：[L≥L1+L2]

式中：

L—设备总长度；L1—工件加工长度；L2—工具部件长度。

显然，工具移动式布局可以获得较小的L值，这对大型设备尤其重要。大型管合缝机采用工具移动式布局，使设备总长度较工件移动式同类设备减少40%，大幅度节省了车间作业面积。生产作业中，除工件装卸外，其余加工不需天车辅助。这一布局更便于全套设备的集中式操纵，实现高效生产。因此，工具移动式布局设计方案是大型管合缝机的合理选择。当然，实现这种布局要解决相关技术关键问题。

3 “三段作业法”工作原理

预成形后的钢管在制品的截面形状一般为开口的不规则圆型或多边形，合焊工序的内容是把已经预成形的纵向开口管形在制品逐段整形、合缝、段焊，实现合口定形。截面整形的三步基本操作是“水平限位”，“垂直施压”，“水平施压”。由机车总成的施力机构完成。纵向工位移置是以工件放置，机车行走的方式进行的。

合缝机由同一付导轨支承的机车总成和四个独立的滑车组成，如下图所示。进行合焊工序时，整个工件的全长可分为三段进行，分别称右段作业、中段作业和左段作业。每一作业段内工位的纵向移置由机车的行走完成。作业段的转换通过调整滑车的高度和变换滑车对工件的支承位置实现。工件完整加工过程称为“三段作业法”。

如图（a）所示， H为机车上的模具部分的支承高度，Δ为滑车的调整量。当滑车的支承高度为H+Δ时，滑车为载荷状态。当滑车的支承高度为H-Δ时，滑车为卸荷状态。右段作业时，滑车1、2为载荷状态，工件的重心位于滑车1、2之间，工件由滑车1、2支承。机车在工件的右段无障碍移动，逐步进行合焊操作。滑车3、4为卸荷状态，可以在导轨上游动。

当机车的工位接近滑车2时，须调整滑车4的位置和支承高度为H+Δ，使其成载荷状态，然后调整滑车2的支承高度为H-Δ，成卸荷状态，工件转为由滑车1、4支承，进入中段作业，如图（b）所示。图（c）为左段作业时的布局与工件重力分布。各段作业时，机车与滑车的支承状态见表1。

“三段作业法”特点在于工件一次放置完成全部加工，是实现高效的批量生产优化作业方式。“三段作业法”与设备的移动式布局互为必要条件。

4 合缝机的主要结构与功能

合缝机的功能、和可靠性是由其构造实现的。机车总成[2]包括施力机构、行车机构、载人平台、电焊机组、操纵控制系统。

施力机构由高刚度O型框架，可调支承、多向液动（1000kN）压力头和浮动铰接模具组成[1]。

设备的操纵系统为集中式操纵控制系统。操作者在机车平台上通过操作面板的按钮实现：机车的前进、后退、定位；水平压头的单动；水平压头的联动、垂直压头的单动。

机车搭载2台二氧化碳气体保护焊机，实现机组的焊接功能。输气管线和动力电缆采用空中拖缆机车上部接入方式。

行走系统要满足机车大惯量频繁起、停和准确定位的工作要求。本机采用钢轨式电动力四轮行走系统，电气同步双点驱动布局，按高可靠性设计。

5 布局转换功能

合缝机的工具移动式布局很好地满足了大型工件的加工要求，例如，长度在8m-30m范围的工件。对于长度（5-8m）和质量较小工件，这一布局的优势则不明显，对于更小的工件，则不便加工。钢结构行业的产品具有量身定做的特点，工程订单涉及很大尺寸范围。为此，本机运用了布局转换设计。方法是机车水平支腿端部设置“固定器”[3]，这一结构可将机车总成固定于导轨的中部，工件放置在滑车上，随滑车移动。由于工件较轻和滑车的灵活性，操作者可以轻易地推动工件到任意工位。这样，设备转换为工件移动式布局。这种灵活的设计集中了两种不同布局的特点，充分适应了行业产品的要求。

6 结束语

新研制合缝机整体功能的实现是一系列先进设计理念的结果。设备经长时间实际运行表明：生产效率高、操作方便、功能可靠。已获得明显经济效益。

运动分配与布局设计是各类加工设备确定设计方案的基本问题之一。无论选择何种布局都需要解决相应的技术问题。设计中，布局由诸多因素决定，而且没有定式。工具移动式或工件移动式布局的设备都不乏精品或缺憾的实例，因此，这一问题也成为机械工程设计界原创性设计中的趣味问题。

作者简介：

杨帆，女，1973年，高级工程师，工程学士，主要研究方向为水利水电、机电一体化技术、数控技术。

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