一種相交管道相貫線同步劃線裝置的研制

韓閏勞，傅開(kāi)武

（1.慶陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅慶陽(yáng)745000；2.蘭州威特焊材科技股份有限公司，甘肅蘭州730000）

0 前言

在船舶、汽車、航空航天、機(jī)械制造、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、輸變電鐵塔、海洋工程和化工管道施工等領(lǐng)域中，常常會(huì)出現(xiàn)管-管相貫的情況，每種管道相貫形式都對(duì)應(yīng)一種相貫曲線，并且隨著兩個(gè)管道直徑和相交形式的不同而變化。在我國(guó)的一些中小企業(yè)甚至在一些大型企業(yè)中，使用傳統(tǒng)的手工劃線方式還較為普遍。傳統(tǒng)的單件小批量相交管道相貫線劃線主要采用人工劃線放樣，再在主管圓柱體表面、支管端部進(jìn)行單個(gè)手工劃線，劃線工作難度較大，生產(chǎn)效率低，操作工藝繁復(fù)落后，而且對(duì)工人的熟練度要求較高[1]，給后續(xù)的切割、焊裝施工帶來(lái)很多不便。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)管-管正交、管-管斜交等相貫線數(shù)學(xué)模型有了較為深入的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多致力于管-管相貫智能化切割設(shè)備的研發(fā)，各類相貫線自動(dòng)變位切割設(shè)備層出不窮。但此類設(shè)備制造成本很高，且利用率較低，經(jīng)濟(jì)性較差。對(duì)于單件小批量管件或者野外現(xiàn)場(chǎng)施工的相貫線的劃線實(shí)用工具的研究并不多見(jiàn)[2-3]。管件相貫線劃線應(yīng)包括主管相貫孔和支管相貫線劃線兩部分，通過(guò)檢索并未發(fā)現(xiàn)一種通用的管-管相貫線同步劃線裝置。

通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種相交管道相貫線同步劃線裝置，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，劃線精度較高、速度快，可滿足工程反復(fù)使用需求，具有一定的推廣價(jià)值。

1 主要結(jié)構(gòu)功能分析及工作原理

相交管道相貫線同步劃線裝置由旋轉(zhuǎn)滾輪機(jī)構(gòu)、管件固定夾緊機(jī)構(gòu)、劃線機(jī)構(gòu)三部分組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 同步劃線裝置示意

1.1 旋轉(zhuǎn)滾輪機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)滾輪機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)滾輪、固定板、導(dǎo)套、導(dǎo)柱、螺桿、手輪組成。工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)手輪使兩側(cè)固定板在正反絲桿的作用下，通過(guò)導(dǎo)柱的導(dǎo)向作用，帶動(dòng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)滾輪組同時(shí)向內(nèi)位移，實(shí)現(xiàn)支管道的預(yù)夾緊。在劃線過(guò)程中，兩組滾輪與支管管壁為線接觸，始終在垂直于支管道中心線的平面上轉(zhuǎn)動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生跑偏和打滑現(xiàn)象，從而保證了支管相貫線和主管相貫孔同步劃線的準(zhǔn)確性，旋轉(zhuǎn)滾輪組示意如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)滾輪示意

1.2 管件固定夾緊機(jī)構(gòu)

為了避開(kāi)與劃線旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的干涉，管件固定夾緊機(jī)構(gòu)采用拐臂式設(shè)計(jì)，支管與主管夾緊方向?yàn)?0°，支管夾頭連接臂與支管夾頭采用鉸鏈聯(lián)接，支管夾頭連接臂和主管夾頭連接臂采用可調(diào)節(jié)聯(lián)接，以適應(yīng)不同長(zhǎng)度支管的夾緊固定的可靠性。V形鐵與絲桿端部為可旋轉(zhuǎn)式裝配，以保證不同角度（正交、斜交）的相交管道夾緊時(shí)，夾緊方向與管件中心線平行。管道夾緊固定機(jī)構(gòu)、夾緊方式如圖3、圖4所示。

圖3 管件夾緊機(jī)構(gòu)示意

圖4 管道夾緊固定方式示意

1.3 劃線機(jī)構(gòu)

劃線機(jī)構(gòu)由導(dǎo)柱、導(dǎo)柱轉(zhuǎn)向定位銷、導(dǎo)套、壓縮彈簧、劃線筆固定機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)手動(dòng)施壓使滑桿下移來(lái)實(shí)現(xiàn)劃線功能。在兩管道夾緊固定后，以上、下劃針的間距等于支管端部和支管母線延長(zhǎng)線與主管圓弧面上的交點(diǎn)之間的距離為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)上、下劃針進(jìn)行定位。劃線時(shí)，下劃針以主管與支管母線延長(zhǎng)線某點(diǎn)為起點(diǎn)，同時(shí)在兩相交管道上進(jìn)行劃線。劃線機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，在手動(dòng)壓力作用下，使安裝在導(dǎo)柱下部的兩支劃針始終與支管道和主管道圓柱表面接觸，同時(shí)在主管和支管的圓柱面上實(shí)現(xiàn)空間曲線的劃線工作。劃線結(jié)束后，將導(dǎo)柱旋轉(zhuǎn)90°，避免劃針劃傷管道，去除手動(dòng)加壓，導(dǎo)柱靠壓縮彈簧的彈力使導(dǎo)柱向上復(fù)位。對(duì)于精度要求較低的相交管道劃線，可選擇柔性筆作為劃線工具，對(duì)于精度要求較高的相交管道劃線，必須采用專用的劃針進(jìn)行劃線。

劃針固定方式和滑桿轉(zhuǎn)向定位示意分別如圖5、圖6所示（滑桿與滑桿導(dǎo)套為間隙配合）。具體操作方法為：調(diào)試好劃針間距后，旋緊劃針的緊固螺釘，手動(dòng)施壓開(kāi)始劃線工作。劃線過(guò)程中，劃針隨旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行上下移動(dòng)，兩者動(dòng)作同步。劃線完成后，將導(dǎo)柱旋轉(zhuǎn)90°，移除劃線裝置，再進(jìn)行后續(xù)切割工序。

圖5 劃針固定方式示意

圖6 導(dǎo)柱轉(zhuǎn)向定位示意

1.4 工作原理

相交管道相貫線同步劃線裝置是一種利用同步仿形加工原理設(shè)計(jì)的劃線裝置，手動(dòng)操作，不需要任何動(dòng)力輔助。劃線前，先通過(guò)夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)主管和支管進(jìn)行夾緊定位，再旋轉(zhuǎn)手輪實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)滾輪組對(duì)支管預(yù)夾緊，然后調(diào)整旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)滑桿下部的上、下劃針間距，以備劃線。劃線時(shí)，下劃針以支管母線延長(zhǎng)線與主管圓柱表面的交點(diǎn)為基準(zhǔn)觸點(diǎn)，在手動(dòng)壓力作用下，通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)向順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)360°，完成相貫孔和相貫線同步劃線工作。

需要說(shuō)明的是：壓縮彈簧的彈力選用一定要適當(dāng)，以手壓無(wú)明顯向上的彈力為宜；上、下劃針間距等于支管端面和支管母線延長(zhǎng)線在主管圓柱表面交點(diǎn)之間的距離h，劃線過(guò)程中，兩支劃針始終與主管道和支管道圓柱表面緊密接觸。劃線原理如圖7所示。

2 比較分析

（1）手工傳統(tǒng)劃線法。手工傳統(tǒng)劃線方法有兩種：一種是根據(jù)兩管相交確定兩個(gè)端點(diǎn)，再根據(jù)支管道母線的延長(zhǎng)線在主部管道圓弧面上的交點(diǎn)確定第三點(diǎn)，將三點(diǎn)用圓滑曲線連接后進(jìn)行近似切割，然后根據(jù)主管道的粗略切口，再進(jìn)行支管道端部畫線；另一種是制作樣板，再將樣板貼附在管道上進(jìn)行劃線。這兩種方法劃線工序多，效率低，對(duì)操作人員技術(shù)水平要求較高。而且根據(jù)所劃線進(jìn)行切割后，尺寸誤差大，焊接焊縫均勻性差，補(bǔ)焊工作量大，一般只適用于單個(gè)管道劃線。

圖7 劃線原理示意

（2）智能化切割法。智能化切割設(shè)備雖然省掉了劃線工序，但設(shè)備成本高、操作復(fù)雜，對(duì)操作人員操作技能要求也較高。而且只能對(duì)單個(gè)管道進(jìn)行程序化切割，沒(méi)有同步劃線或切割功能，多適用于批量生產(chǎn)，不能滿足野外施工需要。

（3）同步劃線法。同步劃線法將復(fù)雜的劃線工作簡(jiǎn)單化，可實(shí)現(xiàn)不同直徑的正交、斜交管道相貫線孔和相貫線快速同步劃線功能；體積小，質(zhì)量輕，可任意移動(dòng)，不占固定場(chǎng)地；劃線速度快，精度高，通用性強(qiáng)，可重復(fù)使用，對(duì)操作人員技術(shù)水平要求不高；成本低，簡(jiǎn)單實(shí)用，適用于單件或小批量生產(chǎn)。

3 應(yīng)用效果

通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，該裝置的劃線精度可以控制在0.5～1 mm，劃線速度連續(xù)、平穩(wěn)，比手工劃線速度高2～4倍。適用于管徑范圍為30～500 mm的管道，能夠滿足常用中小型管道的劃線工作需要。

4 結(jié)論

相交管道相貫線同步劃線裝置較好地解決了管道相交相貫線同步劃線問(wèn)題，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，劃線精度較高，成本低廉，能十分方便地對(duì)管類工件進(jìn)行劃線，具有同步畫出各種相貫線、相貫孔的功能，適用于單件或小批量中小型管道的相貫線劃線工作。該裝置無(wú)需操作者利用復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行計(jì)算和編程，為相交管道相貫線實(shí)現(xiàn)低成本、自動(dòng)化切割和焊接的設(shè)備研發(fā)提供了一種新思路。