JCOE生產(chǎn)線鋼管倒棱機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

賈云剛，尚才眾，吳建國，陳 偉，楊森民，郭學(xué)華

（1.河北海乾威鋼管有限公司，河北 滄州 061300；2.滄州華隆機(jī)械有限公司，河北 滄州 061308）

2014年國內(nèi)經(jīng)濟(jì)形勢逐步回暖，石油天然氣用管的需求保持著增長態(tài)勢，國內(nèi)推動(dòng)城鎮(zhèn)化建設(shè)仍是拉動(dòng)鋼管市場的最大“亮點(diǎn)”。2014年，國內(nèi)啟動(dòng)實(shí)施的管線工程有西氣東輸三線中段（中衛(wèi)—吉安段）、陜—京四線等。我國每年對油氣輸送管線管的市場需求在700萬t左右，促進(jìn)了鋼管制造業(yè)的發(fā)展［1-4］。鋼管倒棱機(jī)是制管生產(chǎn)線中的主要生產(chǎn)設(shè)備之一，它完成鋼管的平頭和倒棱工作，為管線的施工焊接提供合適的坡口尺寸［5-7］。本文主要從倒棱機(jī)的布置方式、傳動(dòng)系統(tǒng)、自動(dòng)化控制、生產(chǎn)效率等方面介紹JCOE生產(chǎn)線鋼管倒棱機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況。

1 鋼管倒棱機(jī)的整體布置方案

目前國內(nèi)鋼管倒棱機(jī)的布置方式主要有3種：①處于同一軸線上的2個(gè)床頭箱移動(dòng)對鋼管兩端同時(shí)進(jìn)行倒棱，鋼管接送采用橫移小車［8］；②處于同一軸線上的2個(gè)床頭箱移動(dòng)對鋼管兩端同時(shí)進(jìn)行倒棱，鋼管的接送由撥管器完成，即床頭箱移動(dòng)，鋼管滾動(dòng)式；③2個(gè)床頭箱固定且錯(cuò)位排列，鋼管兩端先后倒棱，鋼管的接送采用撥管器，由V型輥道輸送［5-6］。

上述3種布置方式中，第3種布置方式主要用于小直徑、薄壁、對加工精度要求不高的鋼管，但在加工長度為8.0～12.5 m的鋼管時(shí)，由于只有1個(gè)夾緊裝置夾持鋼管，偏心嚴(yán)重，很難保證鋼管的穩(wěn)定性和倒棱質(zhì)量；當(dāng)切削力較大時(shí)鋼管振動(dòng)較大，既影響倒棱質(zhì)量又容易打刀［9-12］；此種設(shè)備生產(chǎn)效率低，造價(jià)也低，主要用于一些小型鋼管廠。

第2種布置方式在2002年以前在國內(nèi)外大型鋼管廠使用。但是近幾年來，隨著大壁厚鋼管的生產(chǎn)，撥管器授料方式的危險(xiǎn)程度增大，撥管器在撥料過程中對鋼管表面容易造成碰傷、劃傷、摔坑，鋼管在滾動(dòng)過程中噪音較大，而且設(shè)備自動(dòng)化控制較難實(shí)現(xiàn)。

第1種布置方式自2002年以后，在國內(nèi)外普遍使用，此種設(shè)備的最大優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，移動(dòng)精度高，切削精度高［5-7］，鋼管質(zhì)量有保證，設(shè)備自動(dòng)化控制容易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，精密床身及導(dǎo)軌維護(hù)要求高。為了滿足大直徑油氣管線管的高質(zhì)量要求，在倒棱機(jī)的整體布局設(shè)計(jì)中，河北海乾威鋼管有限公司采用了第1種布置方式，其整體布置及實(shí)物全貌分別如圖1和圖2所示。

圖1 采用第1種方式的倒棱機(jī)整體布置示意

圖2 采用第1種布置方式的倒棱機(jī)全貌

2 倒棱機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用第1種布置方式的倒棱機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，各傳動(dòng)軸空間布置設(shè)計(jì)如圖4所示。該傳動(dòng)系統(tǒng)由變頻電機(jī)（型號YTSP315L-8，功率110 kW，電流220 A，扭矩140 N·m，轉(zhuǎn)速750 r/min）驅(qū)動(dòng)，主傳動(dòng)的輸出端帶動(dòng)大盤轉(zhuǎn)動(dòng)，大盤上安裝有可縱向移動(dòng)的刀具裝置，以完成對各規(guī)格鋼管端面的坡口加工。該傳動(dòng)系統(tǒng)有6級變速機(jī)構(gòu)，以保證電機(jī)在恒扭矩范圍內(nèi)對各種規(guī)格鋼管的加工。主電機(jī)通過聯(lián)軸器與Ⅰ軸聯(lián)接，Ⅰ軸通過定比齒輪Z24/Z48傳至Ⅱ軸，Ⅱ軸通過三聯(lián)滑移齒輪Z24/Z66或Z33/Z57或Z28/Z62傳至Ⅲ軸，Ⅲ軸通過二聯(lián)滑移齒輪Z45/Z45或Z30/Z60傳至Ⅳ軸，Ⅳ軸通過斜齒定比齒輪Z30/Z60傳至Ⅵ軸，Ⅵ軸通過 Z30/Z66 傳至Ⅴ軸（主軸）［13-14］。

根據(jù)圖3~4所示結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)，可計(jì)算出該傳動(dòng)系統(tǒng)變速機(jī)構(gòu)的6種輸出速度ni及6種輸出扭矩Ti分別為：n1=15.50（r/min），T1=67 760（N·m）；n2=31.00（r/min），T2=33 880（N·m）；n3=19.24（r/min），T3=37 888（N·m）；n4=38.48（r/min），T4=22 733（N·m）；n5=24.67（r/min），T5=35 466（N·m）；n6=49.34（r/min），T6=17 733（N·m）［13-14］。

從以上計(jì)算結(jié)果看出：在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速750 r/min下，大盤的輸出轉(zhuǎn)速在15.50～49.34 r/min有級變動(dòng)，加之驅(qū)動(dòng)裝置為變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以無極調(diào)速；因此，大盤的轉(zhuǎn)速在理論上是可以在0～49.34 r/min內(nèi)無極調(diào)速。但無論怎樣調(diào)節(jié)，根據(jù)電機(jī)的使用特點(diǎn)，當(dāng)頻率低于50 Hz時(shí)，電機(jī)的扭矩是保持恒定的；因此，大盤的輸出扭矩在17 733～67 760 N·m有級變動(dòng)。

采用第1種布置方式的倒棱機(jī)獨(dú)特的傳動(dòng)設(shè)計(jì)，不僅滿足了低轉(zhuǎn)速、大扭矩、能車削各種鋼管的要求，而且保證了倒棱機(jī)的正常使用。

圖3 采用第1種方式的倒棱機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖4 采用第1種方式的倒棱機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)各傳動(dòng)軸空間布置示意

3 倒棱機(jī)的自動(dòng)化控制及安全連鎖保護(hù)設(shè)計(jì)

倒棱機(jī)采用的是全自動(dòng)控制系統(tǒng)。光幕檢測鋼管位置，編碼器檢測運(yùn)動(dòng)行程，以實(shí)現(xiàn)托板及主軸箱行程的準(zhǔn)確控制［9］。整套倒棱機(jī)控制系統(tǒng)具有連鎖控制、故障停機(jī)、急停、自動(dòng)報(bào)警等功能。操作臺設(shè)有人機(jī)界面，完成動(dòng)態(tài)畫面顯示、加工工藝參數(shù)設(shè)定和打印報(bào)表。為了保證設(shè)備以及人身安全，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有以下連鎖裝置：

（1）鋼管夾緊裝置與主軸旋轉(zhuǎn)之間的連鎖［10］。鋼管夾緊裝置必須夾緊后主軸才能旋轉(zhuǎn)，即鋼管夾緊裝置升降油缸下限位有感應(yīng)。

（2）鋼管夾緊裝置與托板之間的連鎖。當(dāng)鋼管夾緊裝置夾緊時(shí)，大托板不能有任何移動(dòng)，即禁止大托板的前進(jìn)與后退；只有鋼管夾緊裝置松開到位，大托板才可以移動(dòng)。

（3）鋼管夾緊裝置與升降托架之間的連鎖［11］。鋼管夾緊裝置夾緊時(shí)，升降托架不得上升，但可以下降；鋼管夾緊裝置松開時(shí)，升降托架才可以上升；升降托架在“下降到位”的位置，鋼管夾緊裝置才可以夾緊。

（4）鋼管夾緊裝置與床頭箱之間的連鎖［4］。鋼管夾緊裝置夾緊時(shí)，主軸箱（小托板）才可以運(yùn)動(dòng)，如快進(jìn)及工進(jìn)等。

（5）操作門的連鎖。在操作門的下方設(shè)置接近開關(guān)，當(dāng)操作門關(guān)上并到位，主軸電機(jī)方可啟動(dòng)；如果在主軸旋轉(zhuǎn)中拉開操作門，主電機(jī)立即停車并制動(dòng)抱閘［12］。

4 其他設(shè)計(jì)

倒棱機(jī)還設(shè)計(jì)配置有自動(dòng)測長及稱重裝置，配合設(shè)備的控制系統(tǒng)，自動(dòng)加工至鋼管所需的長度（定尺管）并自動(dòng)測出成品鋼管的質(zhì)量，每班以報(bào)表的形式予以打印上報(bào)。

5 應(yīng)用效果

現(xiàn)以加工1根X80鋼級Φ1 219 mm×33.3 mm×12 000 mm大直徑直縫埋弧焊管為例，其倒棱加工流程及每個(gè)工步用時(shí)如圖5所示。從圖5可以看出：倒棱加工1根鋼管用時(shí)為5.47 min，也就是說倒棱機(jī)的生產(chǎn)效率達(dá)到了10根/h。倒棱切削時(shí)間主要受切削余量、板厚、材質(zhì)及鋼管橢圓度影響。

6 結(jié) 語

目前，國內(nèi)外對大直徑大壁厚鋼管管端坡口質(zhì)量要求不斷提高，鋼管倒棱機(jī)必須不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，才能使我國鋼管與國外鋼管在國際舞臺上進(jìn)行競爭。采用同一軸線上2個(gè)床頭箱移動(dòng)對鋼管兩端同時(shí)進(jìn)行倒棱，鋼管用橫移小車接送的布置方式設(shè)計(jì)的倒棱機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性強(qiáng)、加工范圍廣、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，是一種新型的鋼管自動(dòng)倒棱機(jī)，所加工的鋼管能滿足國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，適合各大中型鋼管廠采用，能夠有效地促進(jìn)我國鋼管產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有較好的推廣價(jià)值。

圖5 X80鋼級Φ1 219 mm×33.3 mm×12 000 mm大直徑直縫埋弧焊管倒棱加工流程及工步用時(shí)

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