岔管展開圖計(jì)算探討

文智敏

(新疆匯通水利電力工程建設(shè)有限公司，烏魯木齊 830000)

1 概述

在金屬管道的制作過程中，排板、下料是關(guān)系到節(jié)約材料和后續(xù)工序能否順利完成的重要環(huán)節(jié)。管件的正確展開是排板、下料的依據(jù)。在沒有數(shù)控切割機(jī)下料的年代，一般采用手工計(jì)算展開曲線、制作鐵皮大樣、手工切割下料。手工計(jì)算工作量巨大，計(jì)算步長大，在制作鐵皮大樣、手工下料的過程中積累的誤差往往需要通過安裝過程的修口才能消除，并且往往導(dǎo)致錯(cuò)邊量大、焊縫寬度不均等缺陷。

本文以新疆喀臘塑克水利樞紐工程岔管為例說明如何建立岔管展開圖計(jì)算模型，以EXCEL平臺(tái)計(jì)算展開曲線 (計(jì)算步長為1°)，如何將計(jì)算成果轉(zhuǎn)換到CAD中生成岔管展開圖。

2 新疆喀臘塑克水利樞紐壓力鋼管及岔管工程簡介

新疆喀臘塑克水利樞紐工程發(fā)電洞采用四機(jī)一洞布置形式，壓力鋼管主管段長420.29m，內(nèi)徑7.6m，板厚28mm，主要材料采用16MnR。岔管采用Y-卜形組合結(jié)構(gòu)，主岔采用Y形公切球內(nèi)徑為8780mm，兩個(gè)支岔為卜形公切球內(nèi)徑為6200mm，1號(hào)Y形岔管鋼板采用WH80Q鋼，板厚32mm。2號(hào)卜形岔管鋼板采用 WDB620D鋼，板厚 28mm。岔支管段長48.180m。鋼管及岔管總重量約為2950t。岔管結(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 岔管結(jié)構(gòu)

3 岔管的展開計(jì)算模型

本工程鋼管和岔管的形式為圓柱管、切圓柱管、圓錐管、切圓錐管，依據(jù)計(jì)算較復(fù)雜的切圓錐管建立計(jì)算模型，該模型將可以實(shí)現(xiàn)所有圓柱管及椎管的展開。

如圖2所示:已知O1B，OF，h，δ(左側(cè)取正值)，α，β，θ，φ。

由已知數(shù)據(jù)可推導(dǎo)出:

RB=O1B·cosθ

RC=(tanφ +cotθ) ÷ (cotθ－ tanφ)RB

圖2 上邊沿計(jì)算

RH=OF ÷cosθ－tanθ×h以B點(diǎn)為原點(diǎn)，BF為Y軸建立展開圖坐標(biāo)系:

3.1 求解上邊線坐標(biāo)

上邊沿展開母線長:

上邊沿展開坐標(biāo)為:

利用平行于投影面的線段長等于投影長建立函數(shù)關(guān)系

求解SC如下:

可推導(dǎo)出

3.2 求解下邊沿展開坐標(biāo)

下邊沿展開母線長:

下邊沿展開坐標(biāo)為:

圖3 下邊沿計(jì)算

利用平行于投影面的線段長等于投影長建立函數(shù)關(guān)系

求解XH'如下:

拐點(diǎn)E轉(zhuǎn)角為ζE，

當(dāng) 0≤ζ≤ζE時(shí)，

可推導(dǎo)出:

當(dāng) ζE≤ζ≤180 時(shí):

展開角度η為轉(zhuǎn)角ζ的對應(yīng)值，對應(yīng)關(guān)系為η=ζ×RB÷LB。

隨著轉(zhuǎn)角的變化，切椎管的上下端展開坐標(biāo)均可計(jì)算得出。

4 模型的使用及檢驗(yàn)

按照上述模型整理求得各種模型需要的已知參數(shù)，在EXCEL中建立計(jì)算表，通過改變轉(zhuǎn)角ζ，就得到了需要的展開圖。在整理求解模型所需已知參數(shù)時(shí)，所有數(shù)據(jù)可以通過設(shè)計(jì)圖紙?jiān)贑AD中直接查詢出來。在EXCEL中計(jì)算表如圖4所示:

圖4 岔管展開圖計(jì)算

推導(dǎo)數(shù)據(jù)按照前面推導(dǎo)公式依據(jù)EXCEL格式填寫，變量步長依據(jù)計(jì)算需要確定，通過改變管周角度變量ζ從0～360°，求解得到計(jì)算成果數(shù)據(jù)管道展開上邊沿展開坐標(biāo)和下邊沿展開坐標(biāo)。

拷貝坐標(biāo)數(shù)據(jù)在CAD中選擇樣條曲線命令，粘貼坐標(biāo)數(shù)據(jù)，得到展開圖邊界線。然后在CAD中進(jìn)行分塊、排板等后續(xù)工作。

對上述模型進(jìn)行簡化，圓柱管切1刀 (圓錐角θ等于零，左斜角α、右斜角β均等于零)可以得到彎管計(jì)算模型，圓錐管 (上切角φ、左斜角α、右斜角β均等于零)可計(jì)算Y形岔上游端管節(jié)，圓錐管切2刀 (右斜角β等于零，偏心距δ等于低圓半徑)可計(jì)算卜形岔上游端管節(jié)和下游端外側(cè)管節(jié)。1號(hào)Y形岔管分上游端管節(jié)和下游端 (左右管對稱)展開計(jì)算，2卜形岔分上游端管節(jié)、下游內(nèi)側(cè)管節(jié)和下游端外側(cè)管展開計(jì)算。在計(jì)算岔管下游端管節(jié)時(shí)應(yīng)特別注意，在量取R下底半徑時(shí)必須是扣除肋板厚度之后的底圓。

此模型建立以來先后用于喀臘塑克發(fā)電洞壓力鋼管及岔管展開計(jì)算、特克斯山口水電站壓力鋼管展開計(jì)算、雅瑪渡水電站壓力鋼管展開計(jì)算、和靜大山口水電站壓力鋼管及岔管展開計(jì)算等多項(xiàng)工程實(shí)踐。在壓力鋼管及岔管的制作安裝過程中，由于展開計(jì)算精確，數(shù)控切割下料，經(jīng)過反復(fù)壓制與調(diào)整，在瓦片組對和安裝施工過程中基本不需要進(jìn)行修口，對口錯(cuò)邊量非常小，焊縫間隙均勻。

5 結(jié)語

喀臘塑克水電站工程于2010年通過驗(yàn)收投產(chǎn)運(yùn)行，壓力鋼管及岔管分部工程質(zhì)量等級優(yōu)良，目前運(yùn)行情況良好。特克斯山口水電站、雅瑪渡水電站工程也于2011年前后投產(chǎn)運(yùn)行。實(shí)踐證明，本文所述岔管展開計(jì)算模型，計(jì)算精準(zhǔn)，使用可靠，能快捷解決岔管展開、下料問題，對同類型工程具有一定的參考價(jià)值。