大口徑直縫埋弧焊管機組內外焊縱向輸送小車的改進

朱晉英 薛 峰

（1：北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京100029；2：江蘇中翼汽車新材料科技有限公司 江蘇蘇州215542）

1 前言

內外焊輸送小車是直縫埋弧焊管生產線的關鍵設備之一，小車的性能、運行狀況直接影響到焊管焊縫的質量。近幾年，隨著高級鋼管級、厚壁和大直徑鋼管需求的不斷增加，中國制管業也有了快速的發展和長足的進步，同時，對鋼管制造也提出了更高的標準和要求。該機組的焊接小車是依據德國MEER 公司提供的技術資料設計的，原設計存在一些問題，致使鋼管經常在焊接過程中發生燒穿現象，對焊接質量影響很大，工藝改進和操作調整均無明顯效果。為保證焊接質量，提高焊管一次通過率，滿足國內外用戶對鋼管制造的高標準嚴要求，需要針對常出現的問題進行改進。

2 原小車工藝布局及操作過程

鋼管在縱向輸送小車上隨小車移動，通過旋轉裝置將焊縫轉到既定位置，內焊時，通過小車將鋼管輸送至焊機，并將管端對準內焊懸臂梁的焊頭，然后鋼管一邊向外移動一邊進行焊接。結束后，鋼管需要進行內焊渣清除以及焊縫檢查操作，如發現缺陷需要對焊接缺陷進行記錄，并將缺陷信息通過計算機傳送給補焊區域，以便進行修磨補焊。內焊頭及焊絲喂入機構能夠自動調整對中焊縫，并有焊縫自動跟蹤裝置及焊劑回收、分離、烘干、輸送裝置。外焊機也是調整好高度后固定在臺架上，焊接時焊頭不動，管子按焊接速度運行。同內焊機一樣，外焊頭及焊絲喂入機構能夠自動調整對中焊縫，并有焊縫自動跟蹤裝置及焊劑回收、分離、烘干、輸送裝置。內外焊出口分別配有橫移小車將流入、流出的鋼管運送到下一工序。橫移小車在自身的導軌上移動，其導軌和縱向小車的導軌（連續、無斷口）呈十字交叉（交叉處有斷口），軌道面高于縱向小車導軌面。其行走由程序自動控制，與縱向輸送小車的行走無干涉。

3 原小車結構設計及存在問題

3.1 原縱向輸送小車結構

原設計的縱向輸送小車由主動車、從動車和中間連桿3部分組成，其主動部分結構如圖1所示，由車體、減速電機裝置、鏈輪鏈條、四個主動輪、四個被動輪、一組旋轉輥、電控裝置等組成。車體前端裝有1臺伺服減速電機，通過傳動軸、聯軸器、鏈輪直接驅動兩主動輪，并通過在該傳動軸上設置的傳動鏈驅動另兩個主動輪，形成驅動機構。后車由車體、八個被動輪、一組旋轉輥等組成。前后車以鋼質桿件鉸接。前后車上的兩組旋轉輥一起用于支撐鋼管和旋轉鋼管。小車導軌采用預熱焊非標導軌，材料45鋼，熱處理HB269－302，以導軌壓板固定。

圖1 原縱向輸送小車結構

3.2 原縱向焊接小車存在的問題

從圖1可以看出，原主動車的傳動形式為伺服電機直接驅動兩主動車輪，另兩主動車輪用鏈傳動，由于鏈傳動具有彈性，在使用過程中會產生不同程度的松弛現象，且兩邊的鏈條調整不能達到完全一致，會出現鏈條松緊不一的現象。如圖2所示，驅動軸直聯的是后輪，鏈條傳動的是前輪（相對于小車行走方向），該傳動布置鏈條松邊在上，緊邊在下，屬于鏈傳動中的不合理設置，所以在工作過程中經常出現驅動軸直聯的后輪打滑現象，使得小車的前進始終在“后輪不打滑”時的后輪推動車體帶動前輪行走和“后輪打滑”時候的后輪軸通過傳動鏈帶動前輪行走這兩種狀態之間切換，傳動鏈的緊邊、松邊因此不斷上、下切換，所以會出現頓挫、沖擊現象。同時因主、從動車之間采用軟連接，從動車易出現竄動現象。

圖2 原小車鏈式傳動設計

原小車導軌（如圖3）采用45號鋼熱處理加工組成，耐磨性能差，加工成本高，承載能力差。運行半年后導軌面就有壓潰、壓淤現象，淤潰最嚴重處超出導軌標準寬度15mm（導軌原寬度80mm），導致小車車輪導向面磨損嚴重，小車走行跑偏，容易卡死。導軌長度有32m，安裝精度高，頻繁更換導軌不僅影響生產，也造成人力、物力的浪費。

以上這些現象都容易導致在焊接過程中速度不均，燒穿現象嚴重，并多發生在規格較小管徑，搭接處理幾乎無一合格，造成很大浪費。原設計小車速度控制平穩性要求達到±2%，實際上由于頓挫、沖擊的現象存在，速度波動明顯，粗略檢測其速度波動達到15%左右。

圖3 原導軌形式

4 原小車電氣控制系統設計及存在問題

原縱向輸送小車行走采用西門子伺服控制系統結構，如圖4所示，S7－200SPLC、數字I／O 模塊、ET200S、POSMO變頻器等組成PROFIBUS現場控制系統，主要包括與內、外焊機控制系統數據交換、焊接速度閉環控制和安全保護等。

圖4 電氣控制系統結構

焊接過程中，縱向輸送小車速度控制是閉環控制，S7－200S接受焊接主PLC 的行走指令以及行走速度給定值，并結合焊接小車實際速度進行相應的邏輯處理，控制焊接小車行走電機的運行。控制原理（如圖5所示）為：在循環中斷程序中調用PID 算法功能塊FB41，通過編碼器計數值計算實際速度，與給定速度做比較，通過PID 算法得到所需要的數據，保存到指定DB 中（背景數據塊），并通過PROFIBUS總線控制變頻器的輸出頻率。

圖5 焊接速度控制原理

在實際現場，編碼器測量的是行走電機的轉速，而不是小車真正的行走速度，反饋給焊接主PLC 的數值與實際小車行走速度有很大偏差，主PLC 邏輯運算的結果也就不切實際了，再加上導軌面壓潰，導向輪容易卡死，車體行走出現竄動，尤其在焊接過程中，低速運行，變頻器輸出頻率低，輸出扭矩不足，上述現象更為研究，小車實際行走速度和給定焊接速度差異增大，導致焊接熄弧或燒穿等問題，影響焊接質量。

5 新設計的改進方案

經過對縱向輸送小車結構的認真分析和現場調研，最終確定按圖6的方案進行改造。

5.1 車體

主、從動車之間通過剛性連接桿將兩部分連接成一體，避免了兩車體之間的竄動，在保證足夠剛性的同時減輕了設備重量，同時便于加工制造，有利于提高設備精度，降低制造成本。

5.2 導軌

采用標準導軌（重軌），材質U71Mn，耐磨性好，承載能力強，表面硬度高，加工成本低，采購周期短，用可調壓板固定在底座上。

5.3 傳動系統

如圖6所示，將主動車的驅動系統改為齒輪齒條傳動，車體上的伺服減速電機通過傳動軸驅動齒輪，通過傳動鑲嵌在導軌內側的齒條帶動車體行走，傳動精度高，走行平穩。

圖6 改進后小車的傳動裝置

主動車的八個車輪全為被動輪，鑲齒條一側導軌上的四個車輪為平輪；另一側為帶輪沿，并配備導向輪和清掃器。從動車的車輪組亦如此設計，有效改善車體行走環境和跑偏現象。小車運行平穩可靠。

5.4 測速裝置

將檢測小車實際行走速度的編碼器安裝在齒輪上。能準確檢測小車實際走行速度，并將該速度反饋給焊接主PLC。小車PLC根據圖5的控制原理，進行邏輯運算，控制焊接小車行走電機的運行。由于速度反饋值準確可靠，為小車速度平穩控制提供可靠保障。

6 結語

小車行走系統采用剛性的齒輪齒條傳動，克服了原有小車打滑、卡滯帶來的焊接速度不均勻等問題，傳動精度高、走行平穩；小車軌道采用標準導軌，承載力大，耐磨性強，使用維護成本低，避免了軌道淤潰導致的小車卡死現象；更改編碼器的測量位置，檢測出小車實際行走速度，為機械調整和工藝控制提供相應數據，進一步保障了焊接速度的平穩性。

［1］成大先.機械設計手冊.北京：化學工業出版社，2008.

［2］濮良貴等.機械設計.北京：高等教育出版社，2006.

［3］薛向庭等.直縫埋弧焊管生產線焊接車的改進.焊管，2011，Vol.34（12）.

［4］程紹忠等.直縫埋弧焊管內焊小車的改進.焊管，2010，Vol.33（12）.