一种相贯线绘制装置的结构设计

庞振威，李 聪，庞贞艺，蒋 瑜

（广西农业职业技术大学，广西 南宁 530007）

0 引言

在桥梁、建筑、化工、航空航天、船舶等诸多领域都涉及管道间的相交连接。管与管相交连接形成的轮廓线称之为相贯线。为保证连接顺利和符合要求，在管道施工连接前，需要按照设计的连接方式在管道上画出相贯线并按相贯线切割。但实际中，管与管的相交连接涉及正交、斜交，两相交管直径不等、相交管为锥形管等多种情况，给管道相贯线绘制和切割带来了较大困难。

目前管道绘制主要有自动绘制和人工绘制两种形式。自动绘制采用自动化设备，运用数值模拟等方式计算出管道相交的相贯线，然后控制绘制或切割装置将管道按照相贯线轨迹绘制或切割出相贯线，整个过程由计算机模拟相贯线形状[1]。人工绘制主要有仿形法[2]、投影法绘制[3-4]、投影展开法[5]等三种方式。仿形法采用能伸缩的材料或结构制作成中空的与实际直径大小相同的两条管道模型，然后按照实际的对接方式将模型管道连接起来得到准确的相贯线，然后将管道模型作为模板放置于管道上，用绘图笔描绘出相贯线[2]。此方法对正交连接精度较高，但斜交时不容易准确调整相交角度，且模型管道在使用时可能因受力发生变形，影响精度。投影绘制法根据机械制图投影原理，沿着管道方向的视图投影能反映管道的外部形状，即圆形管道的投影是一个圆，则借助简易绘图装置，将一条相交管道的轴线作为旋转中心，以管道半径为绘图半径，使可升降的绘图笔绕轴线旋转绘制出相贯线[3-4]。该方法能较为精确的绘制相贯线，但在管径不同时固定绘图装置比较困难，不适用非铁磁材料管的相贯线绘制，无法绘制管与管斜交、偏心斜交、圆柱管与锥形管相交等复杂情况的相贯线。投影展开法根据机械制图投影原理，在绘图纸上绘制出两相交管道的相贯线展开图，然后将绘图纸放置张贴于管道上的合适位置，此时绘图纸上的相贯线为管道相交的实际相贯线[5]。此方法需要有一定的绘图基础，适用于各种复杂情况的相贯线绘制，绘制好后可重复使用，但工作量较大，需要时间长，管道直径越大绘制难度越高。自动绘制往往不直接绘制出相贯线，而是通过计算机计算模拟出相贯线形状，然后通过切割装置直接按照相贯线轨迹将管道切开，便于后续管道连接，工作效率高，所切相贯线精度高，适用于大批量管道切割，但不适用于野外、小批量相贯线划线切割。且相贯线自动绘制切割装置价格较高，体积质量大，不便于携带，导致野外施工或小批量生产时并不适用。针对此，本文设计一款操作简单、便于携带、使用范围广的相贯线绘制装置。

1 相贯线绘制装置的结构设计

针对现有相贯线绘图装置的特点，在原有结构的基础上对其进行优化改进，使其具有使用简单便捷、绘制精度高等特点，其结构如图1所示，具体设计如下。

图1 相贯线绘制装置结构图

（1）夹紧定位组件。夹紧定位组件由磁性底座、定位夹紧板1、定位夹紧板2、夹紧螺栓等组成，磁性底座上有滑动轨道、刻度尺以及固定螺丝。通过磁性底座、定位夹紧板1、定位夹紧板2三者共同的作用，形成三线支撑，通过调节夹紧螺栓，可将管道稳固夹紧。由于定位夹紧板1和定位夹紧板2旋转位置通过齿轮啮合，张开夹紧时保证不同定位夹紧板之间的相对转动角度相等，夹紧后即能自动定位定心，无需额外调节。两定位夹紧板夹紧位置形状采用交叉错开形式，当管道尺寸较小时，两定位夹紧板不会相互干涉，可以适用于更大范围管道直径尺寸的管道夹紧和相贯线绘制，保证夹紧操作简单可靠。如管道是铁磁性材料，则无需调整夹紧螺栓，通过磁性吸力即可实现夹紧定位。该结构保证了其适用于铁磁材料和非铁磁材料管道的定位和夹紧。

（2）连接支撑组件。连接支撑组件由可移动立柱、横向连接板、定位柱安装块、定位柱等组成。可移动立柱在磁性底座上的滑动轨道内滑动并紧固，通过刻度尺可以知道定位柱相对于管道中心平面移动的距离，当刻度值为“0”时，定位柱中心线穿过管道圆柱中心线。对于偏心两管相交，可通过调整可移动立柱，使其刻度值与两管中心线垂直距离相等即可。定位柱安装块可以绕横向连接板的弧形刻度尺中心旋转，适应不同角度的两管斜交形成的相贯线。通过定位柱安装块可以调节定位柱的上下距离和倾斜角度。由连接支撑组件形成稳固的桥式支撑，使整个绘图装置在绘图时变形小，绘图精度高。

（3）旋转绘图组件。旋转绘图组件由回转尺、直径调整块、绘图笔安装座、绘图笔等组成。回转尺可以绕定位柱自由旋转和上下移动，也可通过调整紧固螺丝固定在定位柱某一高度自由转动。回转尺上有刻度，刻度值显示绘图笔与定位柱中心线的距离。绘图笔安装于绘图笔安装座上，可绕直径调整块转动一定角度，通过角度刻度可以调整绘图笔的倾斜角度。绘图笔可沿座孔上下滑动，也可通过调整螺丝紧固。

2 相贯线绘制装置的操作方法

（1）装置紧固。如图1所示，相贯线绘制前，拧松夹紧螺栓，将夹紧定位组件放置在需要绘制相贯线的管道上的合适位置，然后拧紧夹紧螺栓，使定位夹紧板1和2夹紧管道，保证磁性底座稳固不发生松动。此时磁性底座中心剖切面与管道垂直轴向中心剖切面重合。

（2）定位支撑。根据两管相交情况调整可移动立柱的水平位置。如果两管道中心线不相交即偏心相交，则调整可移动立柱的水平位置至刻度值为两管中心轴线间的垂直距离即可；如两管中心轴线相交，不存在偏移，则将可移动立柱调整到“0”刻度位置。然后根据两管相交的角度调整好定位柱安装块的角度，调整定位柱的位置使其锥尖与管道接触良好，形成稳定的桥形支撑，避免一端悬空使整个装置出现偏斜。

（3）旋转绘图。通过直径调整块调整绘图笔与定位柱中心线的距离，使其与相交管道的半径相等，通过旋转回转尺并沿定位柱上下移动，可以通过绘图笔在管道上绘制出两管相交的相贯线。如相交管道为锥形，则需调整绘图笔的安装座角度与锥形管锥角相适应，旋转半径则需绘图笔笔尖和定位柱等高时借助直尺测量绘图笔笔尖到定位柱锥尖的距离来确定，因绘图笔倾斜而不能使用回转尺上的刻度作为回转半径，此时需要固定回转尺的高度，使其仅能旋转，不能上下移动，通过绘图笔的上下移动完成锥形相交管的相贯线绘制。

3 实验

基于以上设计，使用北京太尔时代UP BOX 3D打印机制作了该装置的简易样机，材料采用ABS塑料，因其结构强度较低，对该装置的夹紧定位组件进行了简化，完成后的样机如图2所示。

图2 简易样机

利用简易样机对不同直径塑料管进行了相贯线绘制实验，图3所示为按照绘制的相贯线进行切割得到两管对接的部分实物。由图可知，通过该相贯线绘制装置实现了不同直径类型管—管相接的相贯线较为精确的绘制，达到预期目的。但由于采用ABS塑料制作，各部件刚度较低，旋转件还不够灵活，导致绘制过程出现的部分误差较大，如采用金属制作后可有效提高绘制精度。

图3 不同直径管道相贯线绘制结果

4 结束语

本文通过参考现有相贯线绘图装置的结构，设计了一款新的相贯线绘制装置。该装置可以应用于多种材料制成的刚性管道相交的相贯线绘制，适用管道直径范围广，定位夹紧简单便捷，可以绘制管与管之间对心正交和斜交、偏心正交和斜交，以及圆柱管与锥形管的正交与斜交形成的相贯线，扩大了相贯线绘制的适用范围。同时该相贯线绘图装置结构简单，制造成本低，相贯线绘制精度较高，便于携带和操作，非常适用于野外施工作业。