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【摘要】本文介绍了管道坡口整形机的研究背景，详细介绍了管道坡口整形机总体布局和工作原理及其液压控制技术。
【关键词】坡口整形机，
中图分类号：C35文献标识码： A
一、前言
在石油、天然气输送管线大规模建设过程中，为提高管道施工速度和高强度钢管现场焊接质量，我国的管道焊接施工技术及设备必须不断改进和发展。管道坡口整形机能够适应野外长输管线铺设的要求，同时具有加工随机性好，施工安全等优点，在施工中可以广泛应用。
二、管道坡口整形机的研究背景
随着油、气输送管线工程的大规模开工，为提高管道施工速度和高强度钢管现场焊接质量并解决传统的钢管成形坡口不利运输，坡口形式不适应自动焊接的工艺要求而面临被淘汰的现实，作为管道焊接的主要设备，自动焊机的配套设备—管道坡口整形机必将有着很大的需求量。坡口机有适应野外长输管线铺设的要求，加工随机性要好，施工要安全等。由于坡口机的技术及制造难度较大，国内尚无一家开发、研制并生产管道坡口整形机的专业工厂。国外一些提供管道施工产品的公司瞄准了中国市场，但其价格相当昂贵。因此，开发研制管道坡口整形机符合市场需求，市场潜力较大。
由于国产钢管圆度公差较大(Φ1016 mm规格的圆度为2.31 mm )，而自动焊接要求坡口钝边的厚度公差≤0.5 mm。加工坡口时，管道端面是一个非常不规则的环形曲面，若刀具旋转是一个固定的圆形轨迹，则加工后的坡口钝边厚度尺寸满足不了焊接工艺要求。因此在切削过程中，刀具必须要沿管道内壁不规则的形面随形旋转，从而保证坡口钝边尺寸加工精度要求。同时还要兼顾加工规格及壁厚尺寸的变化(刀具在轴向、径向两个方向的可调性)。对于传统的加工方式而言，这种浮动切削无疑是一个新的课题。在经过认真研究分析、技术论证及对国外同类设备进行分析的基础上，获取了大量的数据和经验，归纳整理出了“管道坡口整形机”的性能特点、机具的操作调节要领和使用方法、安全注意事项等，并参照国家有关标准，制订了本企业标准。以有关技术文件及企业标准为指导，确定了各项技术参数及设计方案。
三、管道坡口整形机总体布局和工作原理
GDR1016管道坡口整型机，它主要由扩涨装置、主运动传动装置、刀具浮动系统、液压系统及操纵装置等部件组成，操纵各开关手柄可使机体扩涨装置的两套涨管器将需要加工的钢管管端涨紧、固定，主传动系统完成钢管切削加工工作(见图1)。
1、扩涨装盆
扩涨装置设有两套涨管器，每套涨管器各设有两组连杆机构，每组连杆机构沿圆周方向上均匀布置了18个压杆，通过液压缸及机械连杆使每个压杆均匀顶靠在管道内壁上，将刀盘主轴中心固定在管道中心位置上。压杆与管道内壁之间产生足够的摩擦力，以满足坡口加工时切削扭矩的要求(见图2)。
扩涨装置的油缸采用双作用活塞杆油缸结构:液压油从油缸体中间进油口进油，推动两活塞杆向两边运动。通过连杆作用改变运动方向，使活塞杆的水平运动转为垂直运动，完成涨紧、撑圆、定心等动作。当液压油从缸体向两端进油口进油时，推动两活塞杆同时向中间运动，连杆带动压块缩回，完成放松动作。
2、主轴部件
主轴部件由主运动、进给运动组成。主轴部件安装在扩涨装置端部，由液压马达驱动，通过一对降速齿轮，带动刀盘旋转。进给运动用小流量液压马达驱动，通过减速机、一套丝杠螺母机构带动刀盘，在主轴上进行轴向移动，实现进给运动。通过液压控制系统调整液压马达的转速，实现进给无级调速。主轴部件采用悬伸主轴结构。在满足并保证主轴旋转精度的情况下，通过增加悬伸主轴的支撑刚性，提高了刀盘在进给和切削过程中的运行平稳性能。
3、刀具装盆
切削刀具安装在旋转刀盘上，随刀盘一起旋转，完成钢管圆周上各坡口的加工。刀盘上共装有4组或6组刀具，可适应管道U形坡口、I形坡口、平端面及内坡口的加工要求(见图3)。
在每个切削刀具刀座上(见图4)，分别设有一个浮动滚轮，四个切削刀具安装后的角度分别与所要加工的钢管的角度一致。在加工坡口过程中，浮动滚轮压靠在管道内壁上，由于在切削过程中，刀具必须要沿管道内壁不规则的形面随形旋转，同时要保证涨紧装置在钢管内涨紧位置及切削前刀具的位置，所以在每组刀具上设计了浮动装置。当机具通过吊管机吊运到钢管中后，依靠每个刀座上浮动滚轮的1/2处斜面将机具停在规定的位置上。涨紧钢管后启动进给运动前进手柄，浮动滚轮在驱动力的作用下通过压缩刀座下的弹簧，使刀盘带动刀具沿钢管轴向方向运动，继而通过刀盘旋转带动刀具沿管道内壁旋转，完成各种组合坡口的加工。刀具浮动弹簧要有足够的支承力，使浮动滚轮紧紧贴合在钢管内壁上，以保证钢管坡口钝边的加工尺寸精度及形状要求。
4、液压系统
液压系统实现该设备加工前的涨紧运动，提供主运动、进给运动的驱动动力，液压系统由柴油机发电站、集成块组、多路阀、液压管路等部分组成。该机在主运动系统上采用了液压马达作为驱动元件，从理论上分析，低速大扭矩液压马达非常适合该机主传动要求的转速低、切削扭矩大的特点，技术的关键有两点，一是要将发动机功率传递到刀盘，使刀盘以20-35转/分的转速旋转，并提供足够的扭矩克服其工作阻力，使其能够以足够的线速度及进给量进行切削，得到光滑的组合坡口，并且在切削过程中实现断屑和切屑的向外弹射，减少切屑落人管内，使之垫在刀头导轮下造成闷车的可能性。其二是在驱动刀盘旋转的同时，驱动进给马达以较稳定的速度旋转，通过减速器及丝杠系统实现0.1-0.3mm/刀盘每转的进给量。经过多次实验验证，在系统设计中主要采用了以下技术:
1)坡口加工方式是多刀组合成形加工，最大切深为26 mm，从切削深度看，应属粗加工，选择合适的切削参数完成切削加工是坡口机最主要的技术特点，通过调整切削参数，选择并确定了合适的驱动元件，并增加刀盘的驱动力矩，使马达工作在高效区。
2)采用独创的进给控制技术，以高背压闭式驱动作主要驱动形式，根据液压系统的一般原理，执行元件在高背压情况下其动作具有较大的阻尼系数，在负载变化较大的场合，其动作的平稳性大大提高，可较大的改善切削的质量，由于是闭式驱动，其背压并不消耗功率，因此在改善切削状态的同时，可以最大限度地利用发动机功率，使刀盘在切削时可以同时具有很大的切削力矩和转速，可大幅度地提高工作效率。同时较大的切削力矩使刀具可以有较大的进给量，有利于断屑和切屑的向外弹射。
采用闭式驱动的另一个好处是，使用容积调速来控制刀盘的转速，在主传动回路中没有阀，由于主传动的流量较大，取消控制阀可以大大降低成本和能量消耗，發动机的负荷也较小。
进给系统中应尽可能减小驱动马达的扭矩，以提高机械传动刚性。用主传动测速泵来驱动进给系统进行工进。本坡口机传动的主要特点是需要主传动和进给驱动有较好的匹配。然而实际上当采用同一油源进行驱动时，主传动和进给驱动易形成串扰，特别在主传动与进给并联连接的情况下，当主传动遇到大负荷时，由于液压所具有的功率自动向载荷较小方向移动的特点，反而使进给量有所增加，进一步加大了主传动的负荷，从而形成正反馈，使系统不能正常工作。采用测速泵的方法形成进给对于刀盘驱动的负反馈，在主传动马达上串联一个小测速泵，用它输出的油驱动进给回路，从而使进给速度与刀盘的转速产生联系，当刀盘转速因切削阻力增加而下降时，进给的速度也随之下降，使切削进给量基本不变，且进给回路的压力相当低，因而进给回路消耗的功率非常小，系统不易发热，发动机的负荷低，工作稳定。并通过采用闭式传动原理，提高主传动马达的背压，改善刀盘转动的平稳性(见图5)。
3)采用分立油源，分别控制主驱动和辅助传动，减少能源和液压阀的体积，降低成本，进给控制采用小流量控制，可减少能量占用。
4)发动机采用电子调速器，可提高调速的刚性，并通过增加发动机飞轮，提高了发动机抗载荷波动的能力，提高了操作的安全性及可靠性，更加方便现场的适用环境。
四、结束语
综上所述，管道坡口整形机主要是针对石油系统长输管线施工需求设计的。目前主要应用的设备为GDR1016、GDR1219、GDR1422等产品，已在全国各主要工程使用 ，并得到用户好评。
参考文献
[1] 宋齐婴,郑钢. 大口径管端坡口整形机的结构研究及应用[J].产品与技术.2010（5）
【关键词】坡口整形机，
中图分类号：C35文献标识码： A
一、前言
在石油、天然气输送管线大规模建设过程中，为提高管道施工速度和高强度钢管现场焊接质量，我国的管道焊接施工技术及设备必须不断改进和发展。管道坡口整形机能够适应野外长输管线铺设的要求，同时具有加工随机性好，施工安全等优点，在施工中可以广泛应用。
二、管道坡口整形机的研究背景
随着油、气输送管线工程的大规模开工，为提高管道施工速度和高强度钢管现场焊接质量并解决传统的钢管成形坡口不利运输，坡口形式不适应自动焊接的工艺要求而面临被淘汰的现实，作为管道焊接的主要设备，自动焊机的配套设备—管道坡口整形机必将有着很大的需求量。坡口机有适应野外长输管线铺设的要求，加工随机性要好，施工要安全等。由于坡口机的技术及制造难度较大，国内尚无一家开发、研制并生产管道坡口整形机的专业工厂。国外一些提供管道施工产品的公司瞄准了中国市场，但其价格相当昂贵。因此，开发研制管道坡口整形机符合市场需求，市场潜力较大。
由于国产钢管圆度公差较大(Φ1016 mm规格的圆度为2.31 mm )，而自动焊接要求坡口钝边的厚度公差≤0.5 mm。加工坡口时，管道端面是一个非常不规则的环形曲面，若刀具旋转是一个固定的圆形轨迹，则加工后的坡口钝边厚度尺寸满足不了焊接工艺要求。因此在切削过程中，刀具必须要沿管道内壁不规则的形面随形旋转，从而保证坡口钝边尺寸加工精度要求。同时还要兼顾加工规格及壁厚尺寸的变化(刀具在轴向、径向两个方向的可调性)。对于传统的加工方式而言，这种浮动切削无疑是一个新的课题。在经过认真研究分析、技术论证及对国外同类设备进行分析的基础上，获取了大量的数据和经验，归纳整理出了“管道坡口整形机”的性能特点、机具的操作调节要领和使用方法、安全注意事项等，并参照国家有关标准，制订了本企业标准。以有关技术文件及企业标准为指导，确定了各项技术参数及设计方案。
三、管道坡口整形机总体布局和工作原理
GDR1016管道坡口整型机，它主要由扩涨装置、主运动传动装置、刀具浮动系统、液压系统及操纵装置等部件组成，操纵各开关手柄可使机体扩涨装置的两套涨管器将需要加工的钢管管端涨紧、固定，主传动系统完成钢管切削加工工作(见图1)。
1、扩涨装盆
扩涨装置设有两套涨管器，每套涨管器各设有两组连杆机构，每组连杆机构沿圆周方向上均匀布置了18个压杆，通过液压缸及机械连杆使每个压杆均匀顶靠在管道内壁上，将刀盘主轴中心固定在管道中心位置上。压杆与管道内壁之间产生足够的摩擦力，以满足坡口加工时切削扭矩的要求(见图2)。
扩涨装置的油缸采用双作用活塞杆油缸结构:液压油从油缸体中间进油口进油，推动两活塞杆向两边运动。通过连杆作用改变运动方向，使活塞杆的水平运动转为垂直运动，完成涨紧、撑圆、定心等动作。当液压油从缸体向两端进油口进油时，推动两活塞杆同时向中间运动，连杆带动压块缩回，完成放松动作。
2、主轴部件
主轴部件由主运动、进给运动组成。主轴部件安装在扩涨装置端部，由液压马达驱动，通过一对降速齿轮，带动刀盘旋转。进给运动用小流量液压马达驱动，通过减速机、一套丝杠螺母机构带动刀盘，在主轴上进行轴向移动，实现进给运动。通过液压控制系统调整液压马达的转速，实现进给无级调速。主轴部件采用悬伸主轴结构。在满足并保证主轴旋转精度的情况下，通过增加悬伸主轴的支撑刚性，提高了刀盘在进给和切削过程中的运行平稳性能。
3、刀具装盆
切削刀具安装在旋转刀盘上，随刀盘一起旋转，完成钢管圆周上各坡口的加工。刀盘上共装有4组或6组刀具，可适应管道U形坡口、I形坡口、平端面及内坡口的加工要求(见图3)。
在每个切削刀具刀座上(见图4)，分别设有一个浮动滚轮，四个切削刀具安装后的角度分别与所要加工的钢管的角度一致。在加工坡口过程中，浮动滚轮压靠在管道内壁上，由于在切削过程中，刀具必须要沿管道内壁不规则的形面随形旋转，同时要保证涨紧装置在钢管内涨紧位置及切削前刀具的位置，所以在每组刀具上设计了浮动装置。当机具通过吊管机吊运到钢管中后，依靠每个刀座上浮动滚轮的1/2处斜面将机具停在规定的位置上。涨紧钢管后启动进给运动前进手柄，浮动滚轮在驱动力的作用下通过压缩刀座下的弹簧，使刀盘带动刀具沿钢管轴向方向运动，继而通过刀盘旋转带动刀具沿管道内壁旋转，完成各种组合坡口的加工。刀具浮动弹簧要有足够的支承力，使浮动滚轮紧紧贴合在钢管内壁上，以保证钢管坡口钝边的加工尺寸精度及形状要求。
4、液压系统
液压系统实现该设备加工前的涨紧运动，提供主运动、进给运动的驱动动力，液压系统由柴油机发电站、集成块组、多路阀、液压管路等部分组成。该机在主运动系统上采用了液压马达作为驱动元件，从理论上分析，低速大扭矩液压马达非常适合该机主传动要求的转速低、切削扭矩大的特点，技术的关键有两点，一是要将发动机功率传递到刀盘，使刀盘以20-35转/分的转速旋转，并提供足够的扭矩克服其工作阻力，使其能够以足够的线速度及进给量进行切削，得到光滑的组合坡口，并且在切削过程中实现断屑和切屑的向外弹射，减少切屑落人管内，使之垫在刀头导轮下造成闷车的可能性。其二是在驱动刀盘旋转的同时，驱动进给马达以较稳定的速度旋转，通过减速器及丝杠系统实现0.1-0.3mm/刀盘每转的进给量。经过多次实验验证，在系统设计中主要采用了以下技术:
1)坡口加工方式是多刀组合成形加工，最大切深为26 mm，从切削深度看，应属粗加工，选择合适的切削参数完成切削加工是坡口机最主要的技术特点，通过调整切削参数，选择并确定了合适的驱动元件，并增加刀盘的驱动力矩，使马达工作在高效区。
2)采用独创的进给控制技术，以高背压闭式驱动作主要驱动形式，根据液压系统的一般原理，执行元件在高背压情况下其动作具有较大的阻尼系数，在负载变化较大的场合，其动作的平稳性大大提高，可较大的改善切削的质量，由于是闭式驱动，其背压并不消耗功率，因此在改善切削状态的同时，可以最大限度地利用发动机功率，使刀盘在切削时可以同时具有很大的切削力矩和转速，可大幅度地提高工作效率。同时较大的切削力矩使刀具可以有较大的进给量，有利于断屑和切屑的向外弹射。
采用闭式驱动的另一个好处是，使用容积调速来控制刀盘的转速，在主传动回路中没有阀，由于主传动的流量较大，取消控制阀可以大大降低成本和能量消耗，發动机的负荷也较小。
进给系统中应尽可能减小驱动马达的扭矩，以提高机械传动刚性。用主传动测速泵来驱动进给系统进行工进。本坡口机传动的主要特点是需要主传动和进给驱动有较好的匹配。然而实际上当采用同一油源进行驱动时，主传动和进给驱动易形成串扰，特别在主传动与进给并联连接的情况下，当主传动遇到大负荷时，由于液压所具有的功率自动向载荷较小方向移动的特点，反而使进给量有所增加，进一步加大了主传动的负荷，从而形成正反馈，使系统不能正常工作。采用测速泵的方法形成进给对于刀盘驱动的负反馈，在主传动马达上串联一个小测速泵，用它输出的油驱动进给回路，从而使进给速度与刀盘的转速产生联系，当刀盘转速因切削阻力增加而下降时，进给的速度也随之下降，使切削进给量基本不变，且进给回路的压力相当低，因而进给回路消耗的功率非常小，系统不易发热，发动机的负荷低，工作稳定。并通过采用闭式传动原理，提高主传动马达的背压，改善刀盘转动的平稳性(见图5)。
3)采用分立油源，分别控制主驱动和辅助传动，减少能源和液压阀的体积，降低成本，进给控制采用小流量控制，可减少能量占用。
4)发动机采用电子调速器，可提高调速的刚性，并通过增加发动机飞轮，提高了发动机抗载荷波动的能力，提高了操作的安全性及可靠性，更加方便现场的适用环境。
四、结束语
综上所述，管道坡口整形机主要是针对石油系统长输管线施工需求设计的。目前主要应用的设备为GDR1016、GDR1219、GDR1422等产品，已在全国各主要工程使用 ，并得到用户好评。
参考文献
[1] 宋齐婴,郑钢. 大口径管端坡口整形机的结构研究及应用[J].产品与技术.2010（5）