JCOE生产线钢管倒棱机的设计及应用

2015-12-28贾云刚尚才众吴建国杨森民郭学华

钢管 2015年2期

贾云刚，尚才众，吴建国，陈伟，杨森民，郭学华

（1.河北海乾威钢管有限公司，河北沧州 061300；2.沧州华隆机械有限公司，河北沧州 061308）

2014年国内经济形势逐步回暖，石油天然气用管的需求保持着增长态势，国内推动城镇化建设仍是拉动钢管市场的最大“亮点”。2014年，国内启动实施的管线工程有西气东输三线中段（中卫—吉安段）、陕—京四线等。我国每年对油气输送管线管的市场需求在700万t左右，促进了钢管制造业的发展［1-4］。钢管倒棱机是制管生产线中的主要生产设备之一，它完成钢管的平头和倒棱工作，为管线的施工焊接提供合适的坡口尺寸［5-7］。本文主要从倒棱机的布置方式、传动系统、自动化控制、生产效率等方面介绍JCOE生产线钢管倒棱机的设计及应用情况。

1 钢管倒棱机的整体布置方案

目前国内钢管倒棱机的布置方式主要有3种：①处于同一轴线上的2个床头箱移动对钢管两端同时进行倒棱，钢管接送采用横移小车［8］；②处于同一轴线上的2个床头箱移动对钢管两端同时进行倒棱，钢管的接送由拨管器完成，即床头箱移动，钢管滚动式；③2个床头箱固定且错位排列，钢管两端先后倒棱，钢管的接送采用拨管器，由V型辊道输送［5-6］。

上述3种布置方式中，第3种布置方式主要用于小直径、薄壁、对加工精度要求不高的钢管，但在加工长度为8.0～12.5 m的钢管时，由于只有1个夹紧装置夹持钢管，偏心严重，很难保证钢管的稳定性和倒棱质量；当切削力较大时钢管振动较大，既影响倒棱质量又容易打刀［9-12］；此种设备生产效率低，造价也低，主要用于一些小型钢管厂。

第2种布置方式在2002年以前在国内外大型钢管厂使用。但是近几年来，随着大壁厚钢管的生产，拨管器授料方式的危险程度增大，拨管器在拨料过程中对钢管表面容易造成碰伤、划伤、摔坑，钢管在滚动过程中噪音较大，而且设备自动化控制较难实现。

第1种布置方式自2002年以后，在国内外普遍使用，此种设备的最大优点是生产效率高，移动精度高，切削精度高［5-7］，钢管质量有保证，设备自动化控制容易实现；缺点是设备结构较复杂，精密床身及导轨维护要求高。为了满足大直径油气管线管的高质量要求，在倒棱机的整体布局设计中，河北海乾威钢管有限公司采用了第1种布置方式，其整体布置及实物全貌分别如图1和图2所示。

图1 采用第1种方式的倒棱机整体布置示意

图2 采用第1种布置方式的倒棱机全貌

2 倒棱机的传动系统设计

采用第1种布置方式的倒棱机主传动系统结构设计如图3所示，各传动轴空间布置设计如图4所示。该传动系统由变频电机（型号YTSP315L-8，功率110 kW，电流220 A，扭矩140 N·m，转速750 r/min）驱动，主传动的输出端带动大盘转动，大盘上安装有可纵向移动的刀具装置，以完成对各规格钢管端面的坡口加工。该传动系统有6级变速机构，以保证电机在恒扭矩范围内对各种规格钢管的加工。主电机通过联轴器与Ⅰ轴联接，Ⅰ轴通过定比齿轮Z24/Z48传至Ⅱ轴，Ⅱ轴通过三联滑移齿轮Z24/Z66或Z33/Z57或Z28/Z62传至Ⅲ轴，Ⅲ轴通过二联滑移齿轮Z45/Z45或Z30/Z60传至Ⅳ轴，Ⅳ轴通过斜齿定比齿轮Z30/Z60传至Ⅵ轴，Ⅵ轴通过 Z30/Z66 传至Ⅴ轴（主轴）［13-14］。

根据图3~4所示结构与数据，可计算出该传动系统变速机构的6种输出速度ni及6种输出扭矩Ti分别为：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］。

从以上计算结果看出：在电机的额定转速750 r/min下，大盘的输出转速在15.50～49.34 r/min有级变动，加之驱动装置为变频电机驱动，可以无极调速；因此，大盘的转速在理论上是可以在0～49.34 r/min内无极调速。但无论怎样调节，根据电机的使用特点，当频率低于50 Hz时，电机的扭矩是保持恒定的；因此，大盘的输出扭矩在17 733～67 760 N·m有级变动。

采用第1种布置方式的倒棱机独特的传动设计，不仅满足了低转速、大扭矩、能车削各种钢管的要求，而且保证了倒棱机的正常使用。

图3 采用第1种方式的倒棱机主传动系统结构示意

图4 采用第1种方式的倒棱机主传动系统各传动轴空间布置示意

3 倒棱机的自动化控制及安全连锁保护设计

倒棱机采用的是全自动控制系统。光幕检测钢管位置，编码器检测运动行程，以实现托板及主轴箱行程的准确控制［9］。整套倒棱机控制系统具有连锁控制、故障停机、急停、自动报警等功能。操作台设有人机界面，完成动态画面显示、加工工艺参数设定和打印报表。为了保证设备以及人身安全，控制系统设计有以下连锁装置：

（1）钢管夹紧装置与主轴旋转之间的连锁［10］。钢管夹紧装置必须夹紧后主轴才能旋转，即钢管夹紧装置升降油缸下限位有感应。

（2）钢管夹紧装置与托板之间的连锁。当钢管夹紧装置夹紧时，大托板不能有任何移动，即禁止大托板的前进与后退；只有钢管夹紧装置松开到位，大托板才可以移动。

（3）钢管夹紧装置与升降托架之间的连锁［11］。钢管夹紧装置夹紧时，升降托架不得上升，但可以下降；钢管夹紧装置松开时，升降托架才可以上升；升降托架在“下降到位”的位置，钢管夹紧装置才可以夹紧。

（4）钢管夹紧装置与床头箱之间的连锁［4］。钢管夹紧装置夹紧时，主轴箱（小托板）才可以运动，如快进及工进等。

（5）操作门的连锁。在操作门的下方设置接近开关，当操作门关上并到位，主轴电机方可启动；如果在主轴旋转中拉开操作门，主电机立即停车并制动抱闸［12］。

4 其他设计

倒棱机还设计配置有自动测长及称重装置，配合设备的控制系统，自动加工至钢管所需的长度（定尺管）并自动测出成品钢管的质量，每班以报表的形式予以打印上报。

5 应用效果

现以加工1根X80钢级Φ1 219 mm×33.3 mm×12 000 mm大直径直缝埋弧焊管为例，其倒棱加工流程及每个工步用时如图5所示。从图5可以看出：倒棱加工1根钢管用时为5.47 min，也就是说倒棱机的生产效率达到了10根/h。倒棱切削时间主要受切削余量、板厚、材质及钢管椭圆度影响。

6 结语

目前，国内外对大直径大壁厚钢管管端坡口质量要求不断提高，钢管倒棱机必须不断改进和创新，才能使我国钢管与国外钢管在国际舞台上进行竞争。采用同一轴线上2个床头箱移动对钢管两端同时进行倒棱，钢管用横移小车接送的布置方式设计的倒棱机，具有结构紧凑、稳定性强、加工范围广、生产效率高等特点，是一种新型的钢管自动倒棱机，所加工的钢管能满足国内外相关标准的要求，适合各大中型钢管厂采用，能够有效地促进我国钢管产业的发展，有较好的推广价值。