大直徑管道焊接培訓用液壓升降式工位架的設計

劉慶忠，杜柏霖，李 亮，倪來興

（大慶油田工程建設有限公司培訓中心，黑龍江 大慶163712）

0 前 言

大慶油田工程建設有限公司培訓中心 （以下簡稱培訓中心）一直負責大直徑管道 （直徑大于530 mm）的焊接操作人員的培訓工作。近年來，大慶油田工程建設有限公司先后承攬了漠大二線、陜京四線、俄羅斯天然氣東線等長輸管道部分標段的施工，因此，培訓中心的管道焊接培訓任務也逐年增加。在大直徑管道焊接培訓過程中，培訓中心一直使用的是簡易工位架，該工位架結構簡單，制作容易，為大直徑管道焊接培訓做出了貢獻，但也逐漸暴露出焊工上、下管勞動強度大 （需至少2人），工件就位后高度與橫梁角度不可調節以及安全性還有待提高等缺點。這些缺點與當今以人為本、注重安全的培訓理念相悖，有必要對此進行改進。培訓中心經多次試驗，最終設計開發出了能解決上述難題的液壓升降式工位架。新工位架采用液壓頂升原理，工件上、下架僅需1人就可完成，且工件就位后高度和橫梁角度可隨意調整。在安全性方面，工件質量主要由液壓缸承擔，安全性較現有工位架大幅提高。該工位架已在培訓中心多個培訓班進行了應用，焊工反映良好。

1 工位架的設計思路

原有簡易工位架結構簡單，制作容易，其實物如圖1所示。針對其存在的操作不便、工件就位后高度與橫梁角度不可調節以及安全性還有待提高等缺點，新工位架的研制思路應滿足以下條件：一是解決工件裝卸不便的問題，做到即使1人也不影響培訓；二是保證橫梁高度和角度在工件就位后隨意可調；三是提高工位架本身安全性和穩定性；四是便于維護保養。

圖1 原有簡易工位架實物照片

2 工位架的設計方案

根據已確定的研制思路，設計研制方案。為解決工件裝卸不便的問題，設計目標是實現機械代替人工裝卸工件，即在工件裝載前，橫梁能下落至較低位置，待焊管件由小車推至合適位置并使橫梁位于管件內部，再由液壓或電動提升至適合焊接位置。在動力選擇上，可以選擇液壓和電動兩種方式，比較兩者在購置成本、占地尺寸、結構復雜性、安全性等方面因素后，考慮選擇使用液壓作為動力。

為保證橫梁高度和角度隨意可調，設計了頂升裝置。頂升裝置有外頂升和內頂升兩種，二者都需要在立柱上開直孔，工位架結構如圖2所示。由圖2（a）可見，外頂升裝置橫梁結構與簡易式工位架相同，由液壓桿帶動焊接在橫梁端部的套管沿立柱外壁上下滑動，起到升降作用；由圖2（b）可見，內頂升裝置則考慮在液壓桿頂部加裝直徑與立柱內徑相近的滑塊 （與橫梁焊接），滑塊沿立柱內壁上下滑動，帶動橫梁升降。

為保證安全性和穩定性，設計原則是安全性必須高于原有工位架；穩定性則是不能在焊接中晃動，影響操作。初步設想是通過在關鍵部位增加插銷和頂絲方式來保證。

圖2 工位架結構示意圖

為方便維護和保養，液壓千斤頂設計之初要考慮到更換維護問題，原則是拆裝要方便，盡量減小對工位架的大拆裝和破壞。

3 工位架的關鍵技術

如何實現橫梁高度和角度在工件就位后隨時可調，是本研究的研制核心。筆者分別對外頂升和內頂升工位架進行了試驗。試驗過程中發現，外頂升能升不能降，內頂升則升降相對容易。分析其原因，一是由于工件偏墜原因，無論外頂升還是內頂升，液壓桿都將承受較大的彎矩作用，這對液壓桿升降和壽命都是不利的，但由于立柱的支撐作用，一定程度上緩解了這種不利影響。二是對外頂升工位架來說，其受力力臂較長 （即立柱外徑較長），所受彎矩較內頂升大 （即立柱內徑較大），且套管受力與立柱之間形成剪力效應，容易卡死，這應該是液壓桿不能下降的主要原因。三是與液壓桿本身結構有關，液壓桿下降時并不產生力，無法帶動橫梁下降。而內頂升相對外頂升來說，所受彎矩較小 （即立柱內徑較小），且通過在滑塊上加裝滾珠，并將其形狀由O形調整為D形，如圖3所示，避免了剪力效應的產生，達到了升降相對容易的目的。對于橫梁角度調整，通過在橫梁段加裝軸承得以實現。橫梁角度的大小，則由分布在軸承外圈的銷孔來決定。

圖3 滑塊形狀示意圖

為確保使用的安全性和穩定性，工位架承載的工件質量主要由液壓缸來承擔，為提高安全系數，在立柱擋板不同高度增加了數個銷孔，在橫梁達到所需高度后，插入插銷，形成雙保險，具有更好的安全性。穩定性則由設置在立柱擋板、橫梁套管等部位的頂絲 （各2個）和位于軸承部位的螺栓定位插銷 （錐形）來控制，工件的穩定性完全滿足焊接需要，如圖4所示。

圖4 工位架上的插銷和頂絲

4 液壓升降式工位架的使用效果與應用

根據研制方案，經反復試驗改進后，液壓升降式位架研制成功。新工位架主要由支架、液壓千斤頂、立柱 （單側開長直孔，直孔邊緣兩側各焊一帶有頂絲孔和銷孔擋板）、橫梁 （含軸承、定位插銷、套管、L形架）等構成，如圖5所示。工位架核心部件為液壓千斤頂與軸承。液壓千斤頂主要負責工件的承載和升降；軸承主要負責橫梁角度的調整。液壓千斤頂維護和更換非常方便，在需要時，可實現輕松更換。此外，在立柱擋板及橫梁套管、軸承等活動部位設置的頂絲和螺栓定位插銷，成功解決了工位架晃動的難題，保證焊接操作得以順利進行。

圖5 液壓升降式工位架實物圖

總體來說，該工位架達到了設計目的。相比原有簡易工位架，具有以下優點：

（1）操作輕便，勞動強度低。新工位架工件裝卸只需1人即可。焊前將組對好的工件通過地牛運至橫梁處，踩動腳踏閥，由液壓缸帶動橫梁托起工件。焊接完畢后，焊工旋動泄壓旋鈕進行泄壓，橫梁與工件在自身質量作用下降至地面，達到升降目的。

（2）調節方便靈活。焊接過程中，升降高度和橫梁角度隨時可調，方便焊工操作與教學需要。角度大小可由軸承外側的定位銷孔決定。

（3）安全性與穩定性好。如前所述，該工位架承載工件質量主要由液壓缸承擔，且有銷孔做保險，安全性更有保障。穩定性則由設置在多個活動部位的頂絲和螺栓定位插銷來控制，工件的穩定性完全滿足焊接需要。

（4）維護方便。液壓千斤頂在設計之初就已考慮到更換維護問題，只需拆除連接螺栓，取下立柱，松開壓帽，卸下橫梁，即可實現輕松更換。

目前，液壓升降式工位架經多次優化，已在工程建設培訓中心舉辦的中油管道分公司維搶修專業技能競賽培訓班、管道公司漠大二線、陜京四線、俄氣東線等半自動焊接培訓班、管道連頭與返修培訓班等多個培訓班中進行了應用，應用現場如圖6所示，學員反響良好。液壓升降式工位架可適用于Φ530 mm以上大直徑管道的焊接培訓。

圖6 液壓升降式工位架在培訓現場應用照片

5 結 論

（1）液壓升降式工位架能夠改進原有簡易工位架存在的不足，達到了設計目的，使用反響較好。

（2）液壓升降式工位架可適用于Φ530 mm以上大直徑管道的焊接培訓。

（3）液壓升降式工位架具有操作方便、勞動強度低、安全性好等特點，可在大直徑管道焊接培訓等重載培訓中廣泛推廣。