油套管用步進移鋼機構的設計及分析

畢群泗

（1.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518）

隨著油套管加工質量的提高，在油套管生產過程中，經常需要將油套管從一個操作工位移送到另一個操作工位來完成油套管的生產加工工藝。步進機移鋼機構可實現油套管不同工位間歇式的前進或后退，提高加工工藝的自動化。例如，為提升油套管智能化加工工藝需對油套管長度、重量等進行標識[1]，油套管需在對齊、測長、稱重、噴標、打標、色環等工位間移動直至完成加工，工位間來回移動，完成各工位的自動化。

由于各個工位的設備空間較大，就要求步進移鋼機構平移的步距較大，特別是大管徑，步距要求更大。在噴標工位和打標工位時，由于該工位上配有精密儀器噴標機與打標機，所以要求步進機構在運移過程中升降高度不能大，否則會與噴標機、打標機發生干涉。目前，普遍采用圓軌跡[2]、矩形軌跡步進機構。圓軌跡步進機構主要是運用平行四邊形機構的齒輪傳動機構或者鏈輪鏈條傳動機構，都存在機構相對龐大、成本較高、升降高度較大、能耗高的問題。而矩形軌跡可以在相同的步進距離上大大減小升降高度，但由于需采用液壓驅動，加速、減速控制需要采用比例控制，復雜且不可靠，而且其本身的機構也是比較龐大的，成本也較高。該步進移鋼機構的運動軌跡為橢圓形，是國內首次將復雜多連桿機構運用到該系統中，非常適合現在油套管生產線的工藝流程。

1 步進移鋼機構的組成及運動特點

該機構包括由兩組曲柄搖臂機構、連桿和橫梁構成運動軌跡可復制的平行四邊形平移機構，如圖1所示。其中一組曲柄搖臂機構主要包括曲軸、主動擺臂、主動搖臂和大支座；另一組曲柄搖臂機構主要包括小支座、被動擺臂、被動搖臂，其平面布置圖如圖2所示。該機構的工作方式為電機通過減速器、傳動軸帶動步進梁傳送臺正向旋轉，通過曲軸的支撐梁將油套管水平移動一定的距離。

圖1 曲軸連桿步進機構單機

圖2 步進機構平面布置圖

本機構的運動特點是通過組合兩種平面機構來實現一種近似橢圓的步進運行軌跡，用近似橢圓軌跡實現輕拿輕放、快速運移的特性。通過曲軸、主被動搖臂、連桿等組成曲柄搖臂機構；通過連桿、橫梁等組成平行四邊形機構，兩部分運動疊加達到橢圓形的運動軌跡。

該步進移鋼機構裝置由多組多連桿撥料架組成，之間用萬向聯軸器連接，整個裝置由一臺減速電機帶動。單個多連桿撥料架是通過偏心布置的支撐梁將油套管水平移動一定的距離。整個運動軌跡不會因為其高速運動而使小直徑的管子從橫梁飛出，很好地克服了運動方向與受力的關系，更適合多工位系統的流水線操作。

該步進機構能夠在產生較大的步進距離的同時，產生較小的升降高度，有效地解決了油套管加工生產線上的測長、稱重、噴標、打標等設備對油套管移動的要求。同時，調整曲柄連桿機構的各項參數，可以達到任意步進距離和升降高度軌跡，從而有利于該項技術的推廣應用[3]。

2 運動分析計算

根據實際情況，該結構負載為8.4 t，自重為10 t，其移動油套管長度為13 m，電機輸出轉速為11 r/min，按最常用的步進長度為600 mm，步進機構單機為6組，結構形式為以工位進行分析。根據條件建立簡易模型進行仿真分析，模型如圖3所示。

圖3 曲軸連桿步進機構模型

3 數據分析

通過建模仿真得出橫梁位移、瞬時速度與驅動扭矩時間變化表（見表1）。

表1 橫梁位移、瞬時速度與驅動扭矩隨時間變化表（截取部分數據）

圖4為橫梁移動曲線，其運動軌跡為低點近水平移動的類橢圓軌跡，該軌跡可順利從一個工位步進到下一個工位，是可復制的多工位位移。其水平位移長度為600 mm，可實現步進長度的要求。

圖4 橫梁移動軌跡

圖5為橫梁運動位置與所需扭矩隨時間變化的關系。圖6為所需扭矩與橫梁運動速度隨時間變化的關系。圖7為曲軸轉動位置與扭矩隨時間變化的關系。

圖5 橫梁運動位置與所需扭矩隨時間變化的關系

圖6 扭矩與橫梁運動速度隨時間變化的關系

圖7 曲軸轉動位置與扭矩隨時間變化的關系

由以上分析得知，該機構為五連桿機構，采用低副組合運動，步進機構在取料時橫梁僅在Y方向有速度，X方向速度接近0，油套管在V型槽內僅沿Y方向運動，油套管不會擺動，做到了輕拿輕放。

根據以上曲線數據分析可以得出該結構理論所需最大功率為P=15 kW。當橫梁從低點接料后，其負載增加，電機輸出扭矩開始增大，當Y方向位移達到最大時，此時X方向速度達到最大值，所需扭矩為0，此時該結構的重力勢能最大，X軸方向的動能最大，為保持恒定的轉速，驅動扭矩有開始改變方向的趨勢，當到達平衡點時，即再次達到最大扭矩時，此時若所選電機功率P≤15 kW時，在慣性的作用下繼續轉動，發生額外的切割電機磁力線的力，產生反向電流，將電動機燒毀。所以選取功率應大于15 kW，過該平衡點后電機功率需有余量繼續轉動到達最低點?？紤]到機構的能量效率問題，設計計算時應考慮20%的效率損耗。此結構消耗功率小，從運動軌跡可看出，油套管在移動過程中無多余的空間運動。

4 結論

步進移鋼機構是自動化油套管生產加工過程中使用最頻繁的設備，能夠滿足冶金行業的相關標準及油套管的外徑、長度、重量、現場空間的大小、生產效率等因素。

該機構是生產過程中噪音產生的最主要來源。不僅要保證高速的生產節奏，而且要避免噪聲帶來的環境污染，該步進移鋼機構獨特的橢圓形運動軌跡在運動過程中做到了輕拿輕放的效果，與油套管接觸部分采用聚氨酯V型塊來減少和降低鋼對鋼的碰撞，已達到減少噪音的目的。

該機構在運動過程中通過低運動副或高運動副加低運動副的組合，實現了步進移鋼機構的運動曲線，優化的運動軌跡，更節省運動空間，運動過程中能耗也達到了最低。

此裝置已在多套測量標識系統中長期使用，未出現缺點。該機構可根據不同的要求設計工位的數量及步進的長度。通過建模分析該設備的運動軌跡，更能直觀地設計出所需要的各項參數及變換連桿長度來滿足設計需求。