管件相貫線等離子切割裝置的設(shè)計(jì)

0 引言

隨著中國(guó)城市化建設(shè)步伐越來(lái)越快，對(duì)國(guó)民生活基礎(chǔ)建設(shè)的投入不斷加大，如污水資源化處理系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、建筑采暖系統(tǒng)等的建設(shè)，管件管材的使用量急劇增長(zhǎng)

；汽車等行業(yè)伴隨城市化建設(shè)發(fā)展而規(guī)模壯大，另外，汽車結(jié)構(gòu)上使用管道類零件的數(shù)量不斷增加，綜合起來(lái)，進(jìn)一步刺激國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)管件管材的需求量以每年約12%的增長(zhǎng)速度在攀升，應(yīng)用前景廣闊

。

基于管件管材應(yīng)用量劇增，管件管材的切割業(yè)務(wù)也隨之增多，而不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)于管件管材的連接切口的質(zhì)量要求是不一樣的，但整體要求是偏高的

，如一些高精密的氣/液介質(zhì)傳輸管道，對(duì)于管道連接切口的精度就要求較高，需要保證相互連接管件的切口能夠完全契合，無(wú)縫對(duì)接

。那么，工件的切割質(zhì)量、精度要求不斷提高，倒逼切割設(shè)備的質(zhì)量也不斷提高，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

目前，管件的連接切口形式普遍采用相貫線式，連接密封性更強(qiáng)

。管件相貫線切口的切割方式主要是采用等離子切割，就是通電的高溫氣體產(chǎn)生電弧等離子對(duì)管件材料去除的一種特種加工技術(shù)

。通過(guò)大量調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下生產(chǎn)企業(yè)針對(duì)金屬管件的相貫線切口采用等離子切割方式主要有人工切割、靠模切割、數(shù)控加工切割等三種方式

。

(1)人工切割

人工切割是經(jīng)過(guò)制作樣板、劃線、人工放樣、手工切割、人工打磨等步驟來(lái)完成切割工作，該切割方式存在工序繁瑣，生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，且加工過(guò)程中對(duì)操作者具有一定的危險(xiǎn)性，因此在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中較少應(yīng)用。

(2)靠模切割

精選精礦與掃選精礦合并可得最終精礦，最終精礦品位64.15%，產(chǎn)率87.63%，回收率92.47%；尾礦品位37.01%，產(chǎn)率12.37%，回收率7.53%。

2018年以來(lái)，浙江LNG接收站的LNG銷量大幅增長(zhǎng)，在浙江省內(nèi)市場(chǎng)占有率超過(guò)75%，在上海、安徽、江蘇等地區(qū)也占有一定市場(chǎng)份額，其出站價(jià)格已成為華東市場(chǎng)重要的價(jià)格風(fēng)向標(biāo)。中國(guó)海油將這一重要價(jià)格委托給交易中心發(fā)布，既體現(xiàn)了中國(guó)海油對(duì)交易中心在LNG價(jià)格指數(shù)領(lǐng)域地位的認(rèn)可，又強(qiáng)化了交易中心價(jià)格指數(shù)編制的數(shù)據(jù)支撐。

如圖5所示，管件相貫線等離子切割裝置是通過(guò)人工測(cè)量管件管徑大小并將管件放置在滾輪上面，然后人為調(diào)整滾輪夾持范圍，然后啟動(dòng)控制程序，轉(zhuǎn)動(dòng)滾輪帶動(dòng)管件旋轉(zhuǎn)和驅(qū)動(dòng)切割刀頭部分直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，已獲得加工目的。滾輪夾具的夾持的范圍可調(diào)，割頭的垂直高度也可以調(diào)節(jié)，采用絲桿螺母的調(diào)節(jié)方式，也可以采用齒輪齒條的調(diào)節(jié)方式，所以就可以達(dá)到切割不同管徑大小的目的。

管件相貫線等離子切割裝置，如圖1所示。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)、工件夾持機(jī)構(gòu)組成；控制系統(tǒng)由12V適配器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、AT89C52單片機(jī)、降壓模塊、電機(jī)模塊組成。

任何一項(xiàng)工程的完成，都需要制定好詳細(xì)的計(jì)劃。依據(jù)不同的工程要求，制定的計(jì)劃也各不相同。小型農(nóng)田水利工程建設(shè)關(guān)系著地區(qū)的農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，應(yīng)建立完善的制度，對(duì)相關(guān)施工人員和資金使用流程做出規(guī)范。工程建設(shè)環(huán)節(jié)涉及因素都應(yīng)該包括在制度當(dāng)中。用制度來(lái)要求，才能最大程度確保施工質(zhì)量，保證工程建設(shè)的科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化。

上述針對(duì)當(dāng)下幾種管件相貫線切口的等離子切割方式進(jìn)行分析比較，各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，為能把它們的優(yōu)勢(shì)有機(jī)融合并克服它們的劣勢(shì)，本文設(shè)計(jì)一款能對(duì)小于300mm的不同管徑的相貫線切口進(jìn)行切割，實(shí)現(xiàn)快速且低耗要求的相貫線輔助切割裝置。

1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)控加工切割是通過(guò)數(shù)控機(jī)床直接對(duì)管件進(jìn)行加工，加工快速，精度高，但加工成本相對(duì)較高

。

對(duì)切割的管件要求是不大于300mm,所以設(shè)計(jì)的切割刀頭在管件軸向和滾輪在管件徑向的可調(diào)范圍都在50～320mm內(nèi),可以加工不同管徑的管件。為保證加工質(zhì)量，滾輪轉(zhuǎn)速不能太快，經(jīng)過(guò)模擬測(cè)試，設(shè)定滾輪轉(zhuǎn)速n=2r/min，滾輪旋轉(zhuǎn)一圈的周期T=30s，滾輪半徑r=35mm，則滾輪旋轉(zhuǎn)角速度

=2

=12

57r/min，線速度

=

=(12

57×0

035)

60=7

33mm/s。

1.1 切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)

在切割過(guò)程中，切割刀頭(即等離子噴頭)在水平方向上沿著管件軸向作左右進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而管件由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)繞軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成整體切割動(dòng)作過(guò)程。切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)即切割刀頭進(jìn)給裝置如圖2所示，其工作過(guò)程是步進(jìn)電機(jī)收到控制指令，驅(qū)動(dòng)絲桿，絲桿通過(guò)螺紋配合帶動(dòng)滑塊，滑塊聯(lián)動(dòng)切割刀頭，在管件上執(zhí)行切割動(dòng)作，刀頭的進(jìn)給速度需要配合管件的旋轉(zhuǎn)速度。另外在絲桿兩端加裝限位開(kāi)關(guān)，保證滑塊的精準(zhǔn)定位。

1.2 管件夾持機(jī)構(gòu)

管件夾持部分是設(shè)計(jì)成夾持范圍可調(diào)的機(jī)構(gòu)模式，其主要由步進(jìn)電機(jī)、絲桿、滑塊、滾輪、齒輪齒條等組成，如圖3所示。其工作過(guò)程：在放置管件之前，先測(cè)量管件的直徑，然后根據(jù)直徑大小調(diào)整夾持管件的滾輪間距。接著通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)搖桿來(lái)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿聯(lián)動(dòng)滑塊，滑塊與兩內(nèi)側(cè)齒條是固結(jié)在一起，可以同時(shí)帶動(dòng)它們作直線移動(dòng)，內(nèi)側(cè)齒輪帶動(dòng)嚙合齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由此帶動(dòng)外側(cè)的齒條作直線移動(dòng)，因齒輪兩側(cè)的齒條是相對(duì)放置，故兩齒條的運(yùn)動(dòng)方向是相反的。滾輪是通過(guò)連接的步進(jìn)電機(jī)一同固定在齒條上面的，跟隨齒條一起向兩滾輪的中心軸線同向靠近或反向分離，調(diào)節(jié)時(shí)可以確保夾具的中心軸線始終不變，以達(dá)到調(diào)整兩滾輪的間距來(lái)適應(yīng)工件大小變化的目的，調(diào)整時(shí)左右兩側(cè)的滾輪同步進(jìn)行。

切割時(shí)，管件夾持機(jī)構(gòu)在完成輔助支承、夾持工作的同時(shí)，還需要帶動(dòng)管件繞中心軸線勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，以此配合切割刀頭的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)管件相貫線切割的切割工作。此時(shí)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)一側(cè)的主動(dòng)滾輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)管件旋轉(zhuǎn)，管件帶動(dòng)另一側(cè)的輔助滾輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)管件在夾具上的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管件相貫線等離子切割裝置的整體三維結(jié)構(gòu)如圖4所示，由機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和控制系統(tǒng)部分組成，工作時(shí)，兩部分配合完成管件相貫線切口的切割。其切割工作過(guò)程：?jiǎn)?dòng)電源，預(yù)熱機(jī)器，下料，把管件置于由互相對(duì)稱的四個(gè)滾輪夾具之上，管件夾持機(jī)構(gòu)工作，數(shù)據(jù)輸入控制系統(tǒng)，啟動(dòng)控制程序，驅(qū)動(dòng)絲桿步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)控制滾輪的轉(zhuǎn)速和絲桿的進(jìn)給速度，實(shí)現(xiàn)管件轉(zhuǎn)動(dòng)和切割刀頭進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，一是轉(zhuǎn)動(dòng)夾持滾輪，滾輪帶動(dòng)管件旋轉(zhuǎn)；二是置于管件正上方的切割刀頭沿管件的軸線方向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。兩者的合運(yùn)動(dòng)最終使得切割刀頭在管件上切割出對(duì)應(yīng)的相貫線切口。

用鍵合圖對(duì)LC濾波器和LC負(fù)載進(jìn)行建模，推導(dǎo)數(shù)學(xué)方程。把LC濾波器一部分相當(dāng)于電壓源，LC負(fù)載結(jié)構(gòu)相當(dāng)于電流，最后用鍵合圖對(duì)交流傳動(dòng)系統(tǒng)的逆變器和三相LC濾波器進(jìn)行了魯棒性分析，并且通過(guò)改變負(fù)載的功率和搭載不平衡的負(fù)載并且仿真得到的極點(diǎn)位置并沒(méi)有發(fā)生明顯改變來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)具有良好的魯棒性，從而能夠滿足礦用電動(dòng)輪車電源由車載大功率柴油發(fā)電機(jī)組提供，容量有限，運(yùn)行工況惡劣，負(fù)荷波動(dòng)大，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和魯棒性要求。

1.4 控制系統(tǒng)

要切割完整的相貫線，要求管件的旋轉(zhuǎn)速度和切割刀頭往復(fù)進(jìn)給的速度互相匹配。切割刀頭的運(yùn)動(dòng)是沿著管件中心軸線左右往復(fù)進(jìn)給，管件繞中心軸線旋轉(zhuǎn)，兩者的合運(yùn)動(dòng)形成的軌跡展開(kāi)后是兩個(gè)周期的正弦函數(shù)圖像，如圖6所示。

2 工作流程

(3)數(shù)控相貫線切割機(jī)

3 切割加工理論計(jì)算

3.1 加工效率計(jì)算

圖6為理論仿真及實(shí)驗(yàn)測(cè)量的單模光纖及兩模光纖耦合效率隨橫向偏移量rb的變化曲線.由圖可見(jiàn)，兩模光纖和單模光纖的耦合效率均隨rb的增加而單調(diào)遞減，當(dāng)rb相同時(shí)，由于兩模光纖的模場(chǎng)面積大于單模光纖，實(shí)驗(yàn)測(cè)得兩模光纖的耦合效率始終高于單模光纖.當(dāng)rb為4 μm時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得兩模光纖的耦合效率為37.62%，此時(shí)單模光纖耦合效率下降到27.39%，兩模光纖的耦合效率比單模光纖高10.23%.實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論推導(dǎo)結(jié)果，即少模光纖相比于單模光纖對(duì)橫向偏移的容忍度明顯提高.實(shí)驗(yàn)所得少模光纖耦合效率與理論仿真所得耦合效率隨偏移量的變化趨勢(shì)基本一致.

假定加工工件半徑為60mm，周長(zhǎng)為377mm，因?yàn)闈L輪和管件同步旋轉(zhuǎn)，所以線速度相等，則管件旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間

=2

=(2

×60)

7

33=51

43s，取

=52s，即切割一個(gè)相貫線切口所需的時(shí)間為52s。除去上下料的時(shí)間，1小時(shí)可切口切割次數(shù)70次左右，相比傳統(tǒng)的人工切割約40次/小時(shí)，其切割效率有很大幅度的提升。

3.2 管件旋轉(zhuǎn)速度與切割刀頭進(jìn)給速度關(guān)系

控制系統(tǒng)由一個(gè)12V的適配器、一塊降壓模塊、兩個(gè)42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一塊AT89C52單片機(jī)組成。采用220V的交流電供電，經(jīng)適配器降壓后，分別給42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與降壓模塊供電，降壓模塊將電壓降至5V供控制器控制42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，然后再控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)以適度的速度旋轉(zhuǎn)

。給系統(tǒng)上電后，按下控制器的復(fù)位按鈕，控制等離子刀頭復(fù)位到中間位置，然后在控制面板上選擇所需要切割管件的大小，啟動(dòng)程序控制兩個(gè)電機(jī)以合適的速度分別帶動(dòng)管件旋轉(zhuǎn)和切割刀頭進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由此加工出所需要的工件相貫線切口。

靠模切割是將加工管件與加工好的模型管件固定于同一軸線上，在模型一端加裝滑輪頂桿裝置且與中心旋轉(zhuǎn)軸固定，主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)滑輪在模型的相貫線上運(yùn)動(dòng)，隨著相貫線的軌跡變化，推動(dòng)頂桿前后進(jìn)給，這樣割頭就可以在管件上切割出與模型一致的切口。該加工方式可以保證加工的軌跡線準(zhǔn)確，但需要制備相應(yīng)管徑的模型管件，且切割范圍相對(duì)固定，不適于對(duì)管徑變化有要求的管件加工。

在刀頭進(jìn)給軸線上建立數(shù)軸，定義刀頭起始位置為原點(diǎn)，刀頭向負(fù)軸向進(jìn)給時(shí)，對(duì)應(yīng)數(shù)軸的負(fù)半軸，最左邊是X=-R的位置；刀頭向正軸向進(jìn)給時(shí)，對(duì)應(yīng)數(shù)軸的正半軸，最右邊是X=+R的位置，如圖5所示是刀頭一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)總行程，進(jìn)給速度

=7

33mm/s。因?yàn)榈额^一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)給方向改變兩次，所以運(yùn)動(dòng)函數(shù)為分段函數(shù)。例如從原點(diǎn)開(kāi)始向數(shù)軸正向勻速進(jìn)給，運(yùn)動(dòng)到

=+

的位置停止，即運(yùn)行了1

4個(gè)周期，所需時(shí)間

=

4=13s，此時(shí)對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系為

=sin(

)。在13s時(shí)，換向；在26s時(shí)，運(yùn)動(dòng)到數(shù)軸負(fù)方向；在39s時(shí)，換向。

管件的旋轉(zhuǎn)軌跡為圓周，設(shè)其半徑為r,旋轉(zhuǎn)一周總長(zhǎng)為377mm,管件的運(yùn)動(dòng)速度，即管件線速度為

=

=7

33mm/s，與切割刀頭進(jìn)給速度匹配。

烏龍磯水庫(kù)除原有施工道路外，又修建了內(nèi)部道路0.5km。為了保證施工道路的安全運(yùn)行，道路兩側(cè)設(shè)置路邊排水溝，排水溝結(jié)構(gòu)形式為土渠梯形斷面，溝底縱坡為自然坡。施工道路和臨時(shí)排水土溝可有效防止路面泥濘和沖刷路基，場(chǎng)內(nèi)施工道路在結(jié)束使用后，需要及時(shí)進(jìn)行道路路面清渣、翻松、平整和施工道路的跡地清理，恢復(fù)原有土地利用功能。

通過(guò)分析運(yùn)動(dòng)過(guò)程可知，切割刀頭運(yùn)動(dòng)周期與管件運(yùn)動(dòng)周期都為

，且

=52s,切割刀頭與管件的合運(yùn)動(dòng)函數(shù)為

=

sin(

),一個(gè)周期的切割軌跡對(duì)兩個(gè)周期的正弦函數(shù)圖像。

4 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)理論設(shè)計(jì)計(jì)算和三維建模，搭建對(duì)應(yīng)的管件相貫線切割裝置的實(shí)物樣機(jī)，并進(jìn)行特定切割試驗(yàn)，基本達(dá)到預(yù)期效果，如圖7所示。

氣候突變表示氣候從一種穩(wěn)定態(tài)跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定態(tài)的現(xiàn)象，它是普遍存在于氣候變化中的一個(gè)重要現(xiàn)象。圖3為天峻地區(qū)1961-2017年春季干旱指數(shù)M-K突變檢驗(yàn)，從分析的結(jié)果來(lái)看，相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)(M指數(shù))和標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI指數(shù))的M-K突變檢驗(yàn)是一致的，在上下兩條±1.96(α=0.05)的置信線內(nèi)，兩個(gè)指數(shù)的UF與UB兩條曲線均在1966年和2016出現(xiàn)交叉點(diǎn)，UF曲線在1966年的交叉點(diǎn)后向負(fù)方向變化，并低于-1.96，說(shuō)明交叉點(diǎn)后減小趨勢(shì)顯著，因此認(rèn)為1966年為突變年，而2016年的交叉點(diǎn)是不是突變點(diǎn)，有待需要更長(zhǎng)序列的數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)比人工切割管件方式及現(xiàn)有的管件加工切割設(shè)備，分析各類加工方式，融合它們的優(yōu)點(diǎn)并改善它們的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種管件相貫線等離子切割裝置，采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)化的等離子切割部分與管件夾持部分相互配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)圓形管件進(jìn)行相貫線切口切割工作。通過(guò)制作實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)分析，雖然還是不能切割20mm以上鋼板，但基本得到明顯的設(shè)計(jì)預(yù)期效果。該裝置既省去了繁瑣的人工加工工序，同時(shí)利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)切割部件，減少了大量的加工成本，且切割領(lǐng)域廣，可切割很多金屬板材，在工業(yè)領(lǐng)域的金屬切割方面前景不錯(cuò)。

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