JCOE生產(chǎn)線鋼管倒棱機的設(shè)計及應(yīng)用

賈云剛，尚才眾，吳建國，陳 偉，楊森民，郭學華

（1.河北海乾威鋼管有限公司，河北 滄州 061300；2.滄州華隆機械有限公司，河北 滄州 061308）

2014年國內(nèi)經(jīng)濟形勢逐步回暖，石油天然氣用管的需求保持著增長態(tài)勢，國內(nèi)推動城鎮(zhèn)化建設(shè)仍是拉動鋼管市場的最大“亮點”。2014年，國內(nèi)啟動實施的管線工程有西氣東輸三線中段（中衛(wèi)—吉安段）、陜—京四線等。我國每年對油氣輸送管線管的市場需求在700萬t左右，促進了鋼管制造業(yè)的發(fā)展［1-4］。鋼管倒棱機是制管生產(chǎn)線中的主要生產(chǎn)設(shè)備之一，它完成鋼管的平頭和倒棱工作，為管線的施工焊接提供合適的坡口尺寸［5-7］。本文主要從倒棱機的布置方式、傳動系統(tǒng)、自動化控制、生產(chǎn)效率等方面介紹JCOE生產(chǎn)線鋼管倒棱機的設(shè)計及應(yīng)用情況。

1 鋼管倒棱機的整體布置方案

目前國內(nèi)鋼管倒棱機的布置方式主要有3種：①處于同一軸線上的2個床頭箱移動對鋼管兩端同時進行倒棱，鋼管接送采用橫移小車［8］；②處于同一軸線上的2個床頭箱移動對鋼管兩端同時進行倒棱，鋼管的接送由撥管器完成，即床頭箱移動，鋼管滾動式；③2個床頭箱固定且錯位排列，鋼管兩端先后倒棱，鋼管的接送采用撥管器，由V型輥道輸送［5-6］。

上述3種布置方式中，第3種布置方式主要用于小直徑、薄壁、對加工精度要求不高的鋼管，但在加工長度為8.0～12.5 m的鋼管時，由于只有1個夾緊裝置夾持鋼管，偏心嚴重，很難保證鋼管的穩(wěn)定性和倒棱質(zhì)量；當切削力較大時鋼管振動較大，既影響倒棱質(zhì)量又容易打刀［9-12］；此種設(shè)備生產(chǎn)效率低，造價也低，主要用于一些小型鋼管廠。

第2種布置方式在2002年以前在國內(nèi)外大型鋼管廠使用。但是近幾年來，隨著大壁厚鋼管的生產(chǎn)，撥管器授料方式的危險程度增大，撥管器在撥料過程中對鋼管表面容易造成碰傷、劃傷、摔坑，鋼管在滾動過程中噪音較大，而且設(shè)備自動化控制較難實現(xiàn)。

第1種布置方式自2002年以后，在國內(nèi)外普遍使用，此種設(shè)備的最大優(yōu)點是生產(chǎn)效率高，移動精度高，切削精度高［5-7］，鋼管質(zhì)量有保證，設(shè)備自動化控制容易實現(xiàn)；缺點是設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，精密床身及導(dǎo)軌維護要求高。為了滿足大直徑油氣管線管的高質(zhì)量要求，在倒棱機的整體布局設(shè)計中，河北海乾威鋼管有限公司采用了第1種布置方式，其整體布置及實物全貌分別如圖1和圖2所示。

圖1 采用第1種方式的倒棱機整體布置示意

圖2 采用第1種布置方式的倒棱機全貌

2 倒棱機的傳動系統(tǒng)設(shè)計

采用第1種布置方式的倒棱機主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示，各傳動軸空間布置設(shè)計如圖4所示。該傳動系統(tǒng)由變頻電機（型號YTSP315L-8，功率110 kW，電流220 A，扭矩140 N·m，轉(zhuǎn)速750 r/min）驅(qū)動，主傳動的輸出端帶動大盤轉(zhuǎn)動，大盤上安裝有可縱向移動的刀具裝置，以完成對各規(guī)格鋼管端面的坡口加工。該傳動系統(tǒng)有6級變速機構(gòu)，以保證電機在恒扭矩范圍內(nèi)對各種規(guī)格鋼管的加工。主電機通過聯(lián)軸器與Ⅰ軸聯(lián)接，Ⅰ軸通過定比齒輪Z24/Z48傳至Ⅱ軸，Ⅱ軸通過三聯(lián)滑移齒輪Z24/Z66或Z33/Z57或Z28/Z62傳至Ⅲ軸，Ⅲ軸通過二聯(lián)滑移齒輪Z45/Z45或Z30/Z60傳至Ⅳ軸，Ⅳ軸通過斜齒定比齒輪Z30/Z60傳至Ⅵ軸，Ⅵ軸通過 Z30/Z66 傳至Ⅴ軸（主軸）［13-14］。

根據(jù)圖3~4所示結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)，可計算出該傳動系統(tǒng)變速機構(gòu)的6種輸出速度ni及6種輸出扭矩Ti分別為：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］。

從以上計算結(jié)果看出：在電機的額定轉(zhuǎn)速750 r/min下，大盤的輸出轉(zhuǎn)速在15.50～49.34 r/min有級變動，加之驅(qū)動裝置為變頻電機驅(qū)動，可以無極調(diào)速；因此，大盤的轉(zhuǎn)速在理論上是可以在0～49.34 r/min內(nèi)無極調(diào)速。但無論怎樣調(diào)節(jié)，根據(jù)電機的使用特點，當頻率低于50 Hz時，電機的扭矩是保持恒定的；因此，大盤的輸出扭矩在17 733～67 760 N·m有級變動。

采用第1種布置方式的倒棱機獨特的傳動設(shè)計，不僅滿足了低轉(zhuǎn)速、大扭矩、能車削各種鋼管的要求，而且保證了倒棱機的正常使用。

圖3 采用第1種方式的倒棱機主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖4 采用第1種方式的倒棱機主傳動系統(tǒng)各傳動軸空間布置示意

3 倒棱機的自動化控制及安全連鎖保護設(shè)計

倒棱機采用的是全自動控制系統(tǒng)。光幕檢測鋼管位置，編碼器檢測運動行程，以實現(xiàn)托板及主軸箱行程的準確控制［9］。整套倒棱機控制系統(tǒng)具有連鎖控制、故障停機、急停、自動報警等功能。操作臺設(shè)有人機界面，完成動態(tài)畫面顯示、加工工藝參數(shù)設(shè)定和打印報表。為了保證設(shè)備以及人身安全，控制系統(tǒng)設(shè)計有以下連鎖裝置：

（1）鋼管夾緊裝置與主軸旋轉(zhuǎn)之間的連鎖［10］。鋼管夾緊裝置必須夾緊后主軸才能旋轉(zhuǎn)，即鋼管夾緊裝置升降油缸下限位有感應(yīng)。

（2）鋼管夾緊裝置與托板之間的連鎖。當鋼管夾緊裝置夾緊時，大托板不能有任何移動，即禁止大托板的前進與后退；只有鋼管夾緊裝置松開到位，大托板才可以移動。

（3）鋼管夾緊裝置與升降托架之間的連鎖［11］。鋼管夾緊裝置夾緊時，升降托架不得上升，但可以下降；鋼管夾緊裝置松開時，升降托架才可以上升；升降托架在“下降到位”的位置，鋼管夾緊裝置才可以夾緊。

（4）鋼管夾緊裝置與床頭箱之間的連鎖［4］。鋼管夾緊裝置夾緊時，主軸箱（小托板）才可以運動，如快進及工進等。

（5）操作門的連鎖。在操作門的下方設(shè)置接近開關(guān)，當操作門關(guān)上并到位，主軸電機方可啟動；如果在主軸旋轉(zhuǎn)中拉開操作門，主電機立即停車并制動抱閘［12］。

4 其他設(shè)計

倒棱機還設(shè)計配置有自動測長及稱重裝置，配合設(shè)備的控制系統(tǒng)，自動加工至鋼管所需的長度（定尺管）并自動測出成品鋼管的質(zhì)量，每班以報表的形式予以打印上報。

5 應(yīng)用效果

現(xiàn)以加工1根X80鋼級Φ1 219 mm×33.3 mm×12 000 mm大直徑直縫埋弧焊管為例，其倒棱加工流程及每個工步用時如圖5所示。從圖5可以看出：倒棱加工1根鋼管用時為5.47 min，也就是說倒棱機的生產(chǎn)效率達到了10根/h。倒棱切削時間主要受切削余量、板厚、材質(zhì)及鋼管橢圓度影響。

6 結(jié) 語

目前，國內(nèi)外對大直徑大壁厚鋼管管端坡口質(zhì)量要求不斷提高，鋼管倒棱機必須不斷改進和創(chuàng)新，才能使我國鋼管與國外鋼管在國際舞臺上進行競爭。采用同一軸線上2個床頭箱移動對鋼管兩端同時進行倒棱，鋼管用橫移小車接送的布置方式設(shè)計的倒棱機，具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性強、加工范圍廣、生產(chǎn)效率高等特點，是一種新型的鋼管自動倒棱機，所加工的鋼管能滿足國內(nèi)外相關(guān)標準的要求，適合各大中型鋼管廠采用，能夠有效地促進我國鋼管產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有較好的推廣價值。

圖5 X80鋼級Φ1 219 mm×33.3 mm×12 000 mm大直徑直縫埋弧焊管倒棱加工流程及工步用時

［1］王曉香.2012年以來我國焊管產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形勢及建議［J］.鋼管，2014，43（1）：1-4.

［2］彭在美，沈發(fā)楚，嵇紹偉.我國UOE/JCOE直縫埋弧焊管機組的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.鋼管，2013，42（2）：1-5.

［3］陳寶林.我國建設(shè)直縫埋弧焊管機組的前景［J］.鋼管，2000，29（2）：5-9.

［4］賈云剛，尚才眾，鄭麗華，等.JCOE直縫埋弧焊管的發(fā)展優(yōu)勢［C］//中國金屬學會軋鋼學會鋼管學術(shù)委員會六屆二次年會論文集，2012：294-296.

［5］夏金明，李宏.鋼管倒棱機的設(shè)計研究［J］.石油機械，2001（9）：27-29.

［6］譚小鵬.鋼管倒棱機液壓伺服控制系統(tǒng)的研制［D］.西安：西安理工大學，2008.

［7］孫麗麗，劉邯濤，馬強.Ф426 mm無縫鋼管銑頭倒棱機組的研究［J］.鋼管，2008，37（6）：37-39.

［8］李軍，姚長友，侯永高，等.埋弧鋼管倒棱機工藝布局方式的探討［J］.鋼管，2006，35（4）：28-30.

［9］ 方楚才.鋼管端部倒棱裝置［J］.焊管，1989，12（4）：50-53.

［10］張培慶.鋼管平頭倒棱機的設(shè)計與制造［J］.鋼管，1998，27（1）：35-38.

［11］李金生，劉西昆.鋼管平頭倒棱機的改進［J］.鋼管，1992，21（5）：44-46.

［12］劉振全，聶培賢，周海濤，等.鋼管平頭裝置的改進［J］.鋼管，1994，23（6）：37-38.

［13］《現(xiàn)代機械傳動手冊》編委會.現(xiàn)代機械傳動手冊［M］.2版.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［14］《齒輪手冊》編委會.齒輪手冊［M］.2版.北京：機械工業(yè)出版社，2006.