適用于短尺頂管加工的雙坡口一次切割裝置

馮 瑤， 楊明秦， 任國慶， 楊 勇， 盧永兵， 李 莉

（渤海裝備江蘇鋼管公司， 江蘇 揚州225128）

0 前 言

近年來， 頂管施工技術在市政工程建設中得到廣泛應用。 頂管法又稱為非開挖管道敷設技術， 不需要開挖面層就能穿越地面構筑物、 地下管線、 公路、 鐵路及河道， 相比開挖敷設技術，能夠大大節省投資和工期。 同時， 由于其施工面由線縮成點， 占地面積??； 地面活動不受施工影響， 對交通干擾小； 噪音和震動低， 城市中施工對居民生活環境干擾小， 不影響現有管線及構筑物的使用， 屬于真正的無污染、 高效率的施工技術。 某市長江引水工程部分管線就是采用頂管施工法來建設全市供水網絡。 該工程所采用的頂管為螺旋埋弧焊接鋼管， 且工程要求短尺頂管收庫長度為5.5～6.5 m， 由于焊管生產單位的螺旋埋弧焊管飛焊機組線上切管長度范圍是8～24 m，因此需增設線下切管裝置， 將生產的12 m 定尺焊管進行對切。 按照工程要求， 上述短尺頂管兩端均需加工角度30°～35°、 鈍邊0.8～2.4 mm 的坡口， 因此設計了雙坡口一次切割裝置。 該裝置不僅可對切12 m 定尺焊管， 而且實現了對切兩側雙坡口的一次成型。

1 雙坡口一次切割裝置

雙坡口一次切割裝置如圖1 所示， 從圖1 可以看出， 該裝置主要由主動旋轉輥、 被動旋轉輥、 切割組件以及切割組件固定底座組成。 工作時， 雙坡口一次切割裝置依靠待切焊管做圓周運動、 切割槍頭靜止不動實現焊管對切與雙坡口加工制作。 主動旋轉輥與被動旋轉輥可使焊管在對切過程中平穩、 可靠的進行圓周運動， 并支撐對切后的2 根短尺焊管， 保證對切后短尺焊管的平穩放置。

圖1 雙坡口一次切割裝置結構示意圖

切割組件固定底座結構如圖2 所示， 該底座由上安裝板、 下安裝板、 槽鋼與三角筋板拼焊而成， 上安裝板與切割組件軸承座依靠螺栓連接，下安裝板與主動旋轉輥1 依靠螺栓連接， 可通過調整槽鋼長度制作多種高度切割組件固定底座以適應不同管徑螺旋焊管的對切工作。

圖2 切割組件固定底座結構示意圖

切割組件結構如圖3 所示， 該組件由切割組件軸承座、 仿形刀輪機構、 等離子切割機構與橫移桿組成， 切割組件軸承座安裝在固定底座上安裝板處， 如圖2 所示。

圖3 切割組件結構示意圖

仿形刀輪機構如圖4 所示， 該機構由刀輪、角鋼、 十字夾具與十字轉軸組成， 十字轉軸貫穿處采用焊接法固定， 十字轉軸粗軸安裝于十字夾具豎直孔， 刀輪通過角鋼與十字轉軸連接， 并可隨十字轉軸在一定范圍內轉動。

圖4 仿形刀輪機構示意圖

圖5 等離子切割機構示意圖

等離子切割機構如圖5 所示， 該機構由等離子切割槍、 等離子切割槍夾持器、 坡口角度調節器、 槍頭位置調節桿與十字夾具組成。 等離子切割槍夾持器可繞螺桿轉動， 調節槍頭相對于待對切焊管管壁的距離并通過螺母鎖緊；坡口角通過旋轉坡口角度調節器進行調整； 槍頭相對于待對切焊管的高度， 通過滑動槍頭位置調節桿進行調整， 并通過螺母鎖緊； 圖3 中的橫移桿同時穿過仿形刀輪機構中的十字夾具水平孔、 等離子切割機構1 中的十字夾具水平孔以及等離子切割機構2 中的十字夾具水平孔，這種連接方式使得等離子切割機構1 與等離子切割機構2 跟隨刀輪十字轉軸在一定范圍內轉動， 橫移桿右側加工了其3/4 長度的直齒， 因此等離子切割機構1 與等離子切割機構2 可通過旋轉手輪調整兩者在橫移桿上的位置， 從而間接調整了對切焊管時雙坡口的相對位置； 其位于橫移桿左側剩余1/4 長度， 該部位未加工直齒， 僅通過滑動橫移桿調整仿形刀輪機構在橫移桿上的位置， 從而間接調整了仿形刀輪機構相對于待對切焊管的位置。

在對切焊管的過程中， 仿形刀輪與待對切焊管外壁滾動配合， 仿形刀輪利用其自動調節功能， 可以彌補有圓度誤差的焊管在做圓周運動時所產生的位置誤差， 仿形刀輪的行走軌跡面始終與焊管軸線垂直， 因此保證了等離子切割槍與焊管外壁距離以及切割角度的穩定不變。 雙坡口一次切割裝置的具體工作過程如圖6所示。

圖6 雙坡口一次切割裝置工作流程

2 使用中的常見問題及解決辦法

2.1 使用中的常見問題

該雙坡口一次切割裝置在調試階段通過手拿白色石筆靠在固定位置沿旋轉待對切鋼管劃線，發現所劃圓周起始點與結束點存在28 mm 的錯牙， 若不進行調整， 在實際切管過程中會導致所切管端坡口出現同樣大小的錯牙， 增大短尺頂管在后期焊接施工時的對口焊接難度， 無法滿足工程使用要求。

2.2 解決辦法

經分析， 導致錯牙產生的原因是： 至少存在一個旋轉輥轉動軌跡面與待對切螺旋焊管軸線存在一定夾角α， 當旋轉輥旋轉時， 旋轉輥轉動作用在待對切螺旋焊管管壁上的速度vs會分解為沿焊管圓周方向上的線速度vu和平行于焊管軸線的水平速度vp， 速度分解情況如圖7 所示， 螺旋焊管在旋轉一周后， 所切坡口出現向左錯牙的現象； 若旋轉輥偏轉方向與圖7 所示方向相反， 旋轉輥轉動作用在待對切螺旋焊管管壁上的速度v′s會分解為沿焊管圓周方向上的線速度v′u和平行于焊管軸線的水平速度v′p， 偏轉方向及速度分解情況如圖8 所示， 螺旋焊管在旋轉一周后， 所切坡口出現向右錯牙現象。

圖7 坡口向左錯牙分析圖

圖8 坡口向右錯牙分析圖

結合上述分析， 針對切管錯牙問題， 總結出下述3 點糾正切管錯牙的經驗：

（1） 選擇主動旋轉輥1 或者主動旋轉輥2 作為糾正切管錯牙的關鍵點， 若選擇主動旋轉輥1，需要使主動旋轉輥1 上的兩輥座開檔間距略小于主動旋轉輥2、 被動旋轉輥1 與被動旋轉輥2 上的兩輥座開檔間距， 以保證主動旋轉輥1 上的兩個包膠輥與待對切螺旋焊管接觸最為緊密， 即主動旋轉輥1 上的兩個包膠輥對待切螺旋焊管作用力最大， 此時僅通過調整主動旋轉輥1 上的兩個包膠輥偏轉方向便可起到糾正切管錯牙的作用。

（2） 當切管錯牙向左時， 需按照圖7 所示的旋轉輥偏轉方向（即按照逆時針旋向） 旋轉主動旋轉輥1 上的兩個包膠輥； 當切管錯牙向右時需按照圖8 所示的旋轉輥偏轉方向（即按照順時針旋向） 旋轉主動旋轉輥1 上的兩個包膠輥。

（3） 為了方便主動旋轉輥1 上的兩組包膠輥旋轉， 制作了如圖9 所示的旋轉工裝， 連接塊與包膠輥軸承座焊接固定， 依靠螺桿調節器調節包膠輥旋轉方向與旋轉角度， 使調整更加靈活便捷。

圖9 旋轉輥旋轉工裝示意圖

3 結 論

（1） 雙坡口一次切割裝置在鋼制短尺頂管加工過程中的應用， 使管端坡口加工速度提升了1 倍多。

（2） 雙坡口一次切割裝置可以糾正切管錯牙問題。