管子先焊后彎法蘭預(yù)轉(zhuǎn)角的計算和驗(yàn)證方法

邵國慶，趙寅妮，石 萍，李沖健

（大連船舶重工集團(tuán)舾裝有限公司，遼寧 大連 116013）

管子先焊后彎法蘭預(yù)轉(zhuǎn)角的計算和驗(yàn)證方法

邵國慶，趙寅妮，石 萍，李沖健

（大連船舶重工集團(tuán)舾裝有限公司，遼寧 大連 116013）

通過介紹管子先焊后彎法蘭預(yù)轉(zhuǎn)角的三角函數(shù)計算方法和法向量計算方法，根據(jù)數(shù)控彎管機(jī)彎曲加工管子的流程，歸納總結(jié)出樣桿模擬驗(yàn)證法，用以驗(yàn)證管子先焊后彎法蘭預(yù)轉(zhuǎn)角計算結(jié)果的正確性。該計算和驗(yàn)證方法可為管子先焊后彎加工工藝奠定基礎(chǔ)，提高管子的彎曲質(zhì)量。

管子；法蘭；先焊后彎；預(yù)轉(zhuǎn)角；計算；驗(yàn)證；方法

0 引 言

目前國內(nèi)管件加工企業(yè)普遍采用先彎制管件后焊接連接件的方式[1]（即管子先彎后焊加工工藝）進(jìn)行管件加工。采用這種工藝進(jìn)行管子彎曲加工時需對管子下料尺寸留有一定的余量并進(jìn)行二次切割、組焊法蘭等工序，不僅浪費(fèi)材料、降低工作效率，而且管子中間段尺寸的精度無法得到保證。這種工藝裝配效率低、焊接質(zhì)量差，一直是制約管件加工企業(yè)提高生產(chǎn)效率的主要因素之一。

為提高國內(nèi)管件加工工藝水平，提升管件加工企業(yè)的核心競爭力，打破國外的技術(shù)壟斷，必須研究實(shí)現(xiàn)管子先焊后彎加工工藝。“先焊后彎”是根據(jù)計算機(jī)輸出的管子的一系列加工數(shù)據(jù)，采用無余量下料，先進(jìn)行直管法蘭定位、焊接，再進(jìn)行彎管[2]。該工藝可有效提高管件加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，保證生產(chǎn)進(jìn)度[3]。實(shí)現(xiàn)該工藝的前提條件是完成先焊后彎的直管法蘭預(yù)轉(zhuǎn)角計算，使管子能在直管先焊階段定位兩端法蘭的相對轉(zhuǎn)角位置，并焊接成型，然后對兩端焊有法蘭的直管進(jìn)行彎管即可實(shí)現(xiàn)管子先焊后彎加工工藝。因此，掌握管子先焊后彎法蘭預(yù)轉(zhuǎn)角的計算方法和驗(yàn)證方法是實(shí)現(xiàn)管子先焊后彎加工工藝的基礎(chǔ)。

1 法蘭預(yù)轉(zhuǎn)角基本原理

1.1 法蘭雙孔正的定義

目前國內(nèi)船廠在生產(chǎn)設(shè)計和制作管子時通常規(guī)定兩端法蘭采取法蘭雙孔正，以保證與系統(tǒng)相連接的管子螺栓孔位置一致（見圖1）。

法蘭雙孔正指的是法蘭最上端的2個螺栓孔中心連線ab線與水平線a′b′線平行。

1.2 法蘭預(yù)轉(zhuǎn)角的定義

法蘭預(yù)轉(zhuǎn)角是指管子在作為直管組焊時首端法蘭與雙孔水平連線ab平行的連線a′b′和尾端法蘭與雙孔水平連線cd平行的連線c′d′之間的夾角“ω”（見圖2）。

1.3 與法蘭預(yù)轉(zhuǎn)角ω有關(guān)的初始角、尾端角及轉(zhuǎn)角

1.3.1 初始角的形成定義

首端法蘭雙孔正水平線ab的平行線a′b′所在水平平面a′b′P1P2與曲角α1所在的平面P1P2P3的夾角就是首端法蘭的初始角[4]，用符號“1β”表示（見圖3）。

1.3.2 尾端角的形成定義

尾端角的定義與初始角1β同理，用符號“2β”表示（見圖3），這里不再重復(fù)描述。

1.3.3 轉(zhuǎn)角的形成定義

相鄰2個曲角α1和α2所在的2個平面之間的夾角就是轉(zhuǎn)角“ψ”。例如，圖1中平面P1P2P3與平面P4P3P2之間的夾角就是轉(zhuǎn)角1ψ。以此類推，可得：曲角3α與曲角2α所在2個平面之間的夾角為轉(zhuǎn)角2ψ；曲角nα與曲角αn-1所在2個平面之間的夾角為轉(zhuǎn)角nψ。

2 管子先焊后彎法蘭預(yù)轉(zhuǎn)角的計算方法

2.1 管子先焊后彎法蘭預(yù)轉(zhuǎn)角計算公式

在圖3中，管子曲彎時初始角1β和所有轉(zhuǎn)角ψ最終都是通過最后的直管段P3P4加上尾端角2β完成預(yù)轉(zhuǎn)角ω的旋轉(zhuǎn)。預(yù)轉(zhuǎn)角的計算式為

式(1)中：1ψ，2ψ，…，nψ均為管子加工圖紙給出的已知數(shù)據(jù)，但1β和2β需單獨(dú)進(jìn)行計算。

2.2 三角函數(shù)法計算初始角β1和尾端角β2

首先將圖1a所示的管形示意放入一個直角坐標(biāo)系中（見圖4）。

1 ) 對于A向視圖，有z/y=tgβ1，由于z=H1，故

2 ) 對于B向視圖，有z/x2=tgβ2，由于z=H1，故

通過這種三角函數(shù)方法計算出初始角1β和尾端角2β，將其代入到式(1)中即可直接計算出預(yù)轉(zhuǎn)角ω。

2.3 法向量法計算初始角β1和尾端角β2

設(shè)平面ABC上三點(diǎn)的坐標(biāo)為A(xa,ya,za)，B(xb,yb,zb)和C(xc,yc,zc)，則：空間向量AB=(x1,y1,z1)，其中，x1=xb-xa，y1=yb-ya，z1=zb-za；BC=(x2,y2,z2)，其中，x2=xc-xb，y2=yc-yb，z2=zc-zb。由此可得平面ABC的法向量N=(xn,yn,zn)=AB×BC=(y1z2-y2z1,x2z1-x1z2,x1y2-x2y1)，其中，xn=y1z2-y2z1,yn=x2z1-x1z2,zn=x1y2-x2y1。

同理，設(shè)平面DEF上三點(diǎn)的坐標(biāo)為D(xd,yd,zd)，E(xe,ye,ze)和F(xf,yf,zf)，則：空間向量DE=(x1,y1,z1)，其中，x1=xe-xd，y1=ye-yd和z1=ze-zd；EF=(x2,y2,z2)，其中，x2=xf-xe，y2=yf-ye和z2=zf-ze。由此可得平面DEF的法向量m=(xm,ym,zm)=DE×EF= (y1z2-y2z1，x2z1-x1z2，x1y2-x2y1)，其中，xm=y1z2-y2z1，ym=x2z1-x1z2，zm=x1y2-x2y1。

綜上可得平面ABC與平面DEF的夾角β的余弦值為

通過這種法向量法計算出初始角1β和尾端角2β，再代入到式(1)中就可直接計算出預(yù)轉(zhuǎn)角ω。

3 管子先焊后彎法蘭預(yù)轉(zhuǎn)角的驗(yàn)證方法

管子先焊后彎法蘭預(yù)轉(zhuǎn)角采用樣桿模擬驗(yàn)證法進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)計算出的預(yù)轉(zhuǎn)角信息，使用樣桿模擬數(shù)控彎管機(jī)彎曲先焊后彎管子的過程，從而判斷計算的預(yù)轉(zhuǎn)角數(shù)值是否正確。具體步驟為：

1 ) 樣桿模擬將彎管作為直管安裝法蘭的過程，使首端法蘭相對尾端法蘭旋轉(zhuǎn)某預(yù)轉(zhuǎn)角度ω（正為順時針旋轉(zhuǎn)，負(fù)為逆時針旋轉(zhuǎn)）；

2 ) 樣桿模擬安裝法蘭后直管段上數(shù)控彎管機(jī)調(diào)整的過程，首段法蘭需雙孔正，然后旋轉(zhuǎn)初始角度1β（正為順時針旋轉(zhuǎn)，負(fù)為逆時針旋轉(zhuǎn)）；

3 ) 樣桿模擬直管段在數(shù)控彎管機(jī)上調(diào)整后的彎曲加工過程，樣桿按照管子的身長、轉(zhuǎn)角和曲角信息進(jìn)行彎曲加工作業(yè)。

最后形成的樣桿符合管件具體形狀，且其首尾端法蘭均為雙孔正，證明前面計算得出的1β，2β和ω均是正確的。

4 實(shí) 例

4.1 三角函數(shù)法實(shí)例

管形圖示意見圖5，管子加工參數(shù)見表1。

表1 圖5管子加工參數(shù)

由式(2)和式(3)可得：A向視圖中，β1=31°；B向視圖中，β2=39°。將β1=31°，β2=39°，ψ=-48°代入到式(1)中，可得ω=22°。

4.2 法向量法實(shí)例

管形圖示意及建立的坐標(biāo)系見圖6，管子加工參數(shù)見表2。

表2 圖6管子加工參數(shù)

根據(jù)三角函數(shù)法，以圖6a為例進(jìn)行β角的計算。彎管順序按照1－2－3的順序進(jìn)行。

圖6中：第1段管為ED，第2段管為DC，第3段管為CB。在計算1β和2β時，分別增加輔線FE及AB，其中，F(xiàn)E=ED，AB=BC。為便于計算，建立圖6c所示的坐標(biāo)系。設(shè)B點(diǎn)坐標(biāo)為(0, 0, 0)，根據(jù)圖紙信息計算出各點(diǎn)的坐標(biāo)分別為：A(0,- 1221,0)，C(- 1221,0,0)，D(- 1221,- 330,329)，E(-1221,- 330,1102)，F(xiàn)(- 448.6,- 330,1102)。

1 ) 初始角1β為面FED與面EDC的夾角，根據(jù)式(4)計算得到β1= 90°，由于使用的法蘭孔數(shù)為4的整數(shù)倍，β1=90°等同于0°；

2 ) 尾端角2β為面ABC與面BCD的夾角，根據(jù)式(4)計算得到β2=- 44.913°；

3 ) 預(yù)轉(zhuǎn)角ω=β1+β2+ψ1，根據(jù)式(1)計算得到ω=- 134.913°。

4.3 樣桿模擬驗(yàn)證法實(shí)例

管形圖示意見圖7，管子加工參數(shù)見表3。

表3 圖7管子加工參數(shù)

通過計算得到β1=-6 0°，β2=0°，ω=30°。

根據(jù)樣桿模擬驗(yàn)證法，可知驗(yàn)證的具體步驟為：

1 ) 樣桿模擬直管首尾兩端安裝法蘭的過程，首端法蘭需相對于尾端法蘭順時針旋轉(zhuǎn)30°；

2 ) 樣桿模擬安裝法蘭后總料長直管上數(shù)控彎管機(jī)的調(diào)整過程，首端法蘭需先調(diào)整至水平以保證雙孔正，然后逆時針旋轉(zhuǎn)初始角度60°；

3 ) 樣桿模擬直管段在數(shù)控彎管機(jī)上調(diào)整后的彎曲加工過程，樣桿按照表3中的身長、轉(zhuǎn)角和曲角信息進(jìn)行彎曲加工作業(yè)。

最后得到樣桿模擬圖示意見圖8，與圖7相對照，完全一致。證明計算得到的β1=-6 0°，β2=0°，ω=30°均是正確的。

5 結(jié) 語

為提高國內(nèi)管件加工工藝的技術(shù)水平，提升管件加工企業(yè)的核心競爭力，打破國外的技術(shù)壟斷，國內(nèi)管件加工業(yè)一直致力于實(shí)現(xiàn)管子先焊后彎加工工藝。對管子先焊后彎法蘭預(yù)轉(zhuǎn)角進(jìn)行計算是實(shí)現(xiàn)管子先焊后彎加工工藝的前提。

通過對管件加工工藝進(jìn)行研究和計算，總結(jié)了管子先焊后彎法蘭預(yù)轉(zhuǎn)角的計算方法：三角函數(shù)法和法向量法。同時，根據(jù)數(shù)控彎管機(jī)彎曲加工流程歸納出樣桿模擬驗(yàn)證法。利用該方法可精確、直觀地驗(yàn)證管子先焊后彎法蘭預(yù)轉(zhuǎn)角計算結(jié)果的正確性。該方法為管子先焊后彎加工工藝的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

[1] 房濤.船舶管路先焊后彎工藝及應(yīng)用[J].造船技術(shù)，2013 (1): 36-41.

[2] 付錦云.船舶管路系統(tǒng)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2009.

[3] 楊官禮，牛喆，潘峰，等.管子先焊后彎工藝應(yīng)用研究[J].管理與技術(shù)，2004 (4): 11-16.

[4] 楊利瓊.管子先焊后彎法蘭預(yù)轉(zhuǎn)角的計算及施工方法[J].管理與技術(shù)，2003 (4): 19-22.

Calculation and Verification Method of Flange Pre-Rotation Angle for Pipes Welded Before Bending

SHAO Guo-qing，ZHAO Yin-ni，SHI Ping，LI Chong-jian

（Dalian Shipbuilding Industry Outfitting Co., Ltd., Dalian 116013, China）

This paper elaborates the flange pre-rotation angle calculation for the pipes welded before bending based on trigonometric computing method and normal vector computing method, and suggests to use the sample rod simulation method to verify the result of flange pre-rotation angle calculation according to the pipe bending process of the NC pipe bending machine.In this way, the study lays the foundation for the processing technology of the pipes welded before bending, and improves the quality of the products.

pipe; flange; welding before bending; pre-rotation angle; calculation; verification; method

U671.913

A

2095-4069 (2017) 04-0068-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.014

2016-12-01

國家科技支撐計劃（2014BAF12B00）

邵國慶，男，工程師，1982年生。2006年畢業(yè)于江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶舾裝件技術(shù)研究及管理工作。