大直徑管道焊接培訓(xùn)用液壓升降式工位架的設(shè)計(jì)

劉慶忠，杜柏霖，李 亮，倪來興

（大慶油田工程建設(shè)有限公司培訓(xùn)中心，黑龍江 大慶163712）

0 前 言

大慶油田工程建設(shè)有限公司培訓(xùn)中心 （以下簡稱培訓(xùn)中心）一直負(fù)責(zé)大直徑管道 （直徑大于530 mm）的焊接操作人員的培訓(xùn)工作。近年來，大慶油田工程建設(shè)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(biāo)段的施工，因此，培訓(xùn)中心的管道焊接培訓(xùn)任務(wù)也逐年增加。在大直徑管道焊接培訓(xùn)過程中，培訓(xùn)中心一直使用的是簡易工位架，該工位架結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，為大直徑管道焊接培訓(xùn)做出了貢獻(xiàn)，但也逐漸暴露出焊工上、下管勞動強(qiáng)度大 （需至少2人），工件就位后高度與橫梁角度不可調(diào)節(jié)以及安全性還有待提高等缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)與當(dāng)今以人為本、注重安全的培訓(xùn)理念相悖，有必要對此進(jìn)行改進(jìn)。培訓(xùn)中心經(jīng)多次試驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)開發(fā)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(diào)整。在安全性方面，工件質(zhì)量主要由液壓缸承擔(dān)，安全性較現(xiàn)有工位架大幅提高。該工位架已在培訓(xùn)中心多個培訓(xùn)班進(jìn)行了應(yīng)用，焊工反映良好。

1 工位架的設(shè)計(jì)思路

原有簡易工位架結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，其實(shí)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(diào)節(jié)以及安全性還有待提高等缺點(diǎn)，新工位架的研制思路應(yīng)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(xùn)；二是保證橫梁高度和角度在工件就位后隨意可調(diào)；三是提高工位架本身安全性和穩(wěn)定性；四是便于維護(hù)保養(yǎng)。

圖1 原有簡易工位架實(shí)物照片

2 工位架的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)已確定的研制思路，設(shè)計(jì)研制方案。為解決工件裝卸不便的問題，設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)機(jī)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(nèi)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(jié)構(gòu)復(fù)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(diào)，設(shè)計(jì)了頂升裝置。頂升裝置有外頂升和內(nèi)頂升兩種，二者都需要在立柱上開直孔，工位架結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2（a）可見，外頂升裝置橫梁結(jié)構(gòu)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(nèi)頂升裝置則考慮在液壓桿頂部加裝直徑與立柱內(nèi)徑相近的滑塊 （與橫梁焊接），滑塊沿立柱內(nèi)壁上下滑動，帶動橫梁升降。

為保證安全性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)原則是安全性必須高于原有工位架；穩(wěn)定性則是不能在焊接中晃動，影響操作。初步設(shè)想是通過在關(guān)鍵部位增加插銷和頂絲方式來保證。

圖2 工位架結(jié)構(gòu)示意圖

為方便維護(hù)和保養(yǎng)，液壓千斤頂設(shè)計(jì)之初要考慮到更換維護(hù)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(guān)鍵技術(shù)

如何實(shí)現(xiàn)橫梁高度和角度在工件就位后隨時可調(diào)，是本研究的研制核心。筆者分別對外頂升和內(nèi)頂升工位架進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，外頂升能升不能降，內(nèi)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(nèi)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(nèi)頂升大 （即立柱內(nèi)徑較大），且套管受力與立柱之間形成剪力效應(yīng)，容易卡死，這應(yīng)該是液壓桿不能下降的主要原因。三是與液壓桿本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，液壓桿下降時并不產(chǎn)生力，無法帶動橫梁下降。而內(nèi)頂升相對外頂升來說，所受彎矩較小 （即立柱內(nèi)徑較?。?，且通過在滑塊上加裝滾珠，并將其形狀由O形調(diào)整為D形，如圖3所示，避免了剪力效應(yīng)的產(chǎn)生，達(dá)到了升降相對容易的目的。對于橫梁角度調(diào)整，通過在橫梁段加裝軸承得以實(shí)現(xiàn)。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(wěn)定性，工位架承載的工件質(zhì)量主要由液壓缸來承擔(dān)，為提高安全系數(shù)，在立柱擋板不同高度增加了數(shù)個銷孔，在橫梁達(dá)到所需高度后，插入插銷，形成雙保險，具有更好的安全性。穩(wěn)定性則由設(shè)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(wěn)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(yīng)用

根據(jù)研制方案，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)改進(jìn)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(cè)開長直孔，直孔邊緣兩側(cè)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(gòu)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(fù)責(zé)工件的承載和升降；軸承主要負(fù)責(zé)橫梁角度的調(diào)整。液壓千斤頂維護(hù)和更換非常方便，在需要時，可實(shí)現(xiàn)輕松更換。此外，在立柱擋板及橫梁套管、軸承等活動部位設(shè)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(jìn)行。

圖5 液壓升降式工位架實(shí)物圖

總體來說，該工位架達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。相比原有簡易工位架，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）操作輕便，勞動強(qiáng)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(yùn)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(jìn)行泄壓，橫梁與工件在自身質(zhì)量作用下降至地面，達(dá)到升降目的。

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

（3）安全性與穩(wěn)定性好。如前所述，該工位架承載工件質(zhì)量主要由液壓缸承擔(dān)，且有銷孔做保險，安全性更有保障。穩(wěn)定性則由設(shè)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(wěn)定性完全滿足焊接需要。

（4）維護(hù)方便。液壓千斤頂在設(shè)計(jì)之初就已考慮到更換維護(hù)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(shí)現(xiàn)輕松更換。

目前，液壓升降式工位架經(jīng)多次優(yōu)化，已在工程建設(shè)培訓(xùn)中心舉辦的中油管道分公司維搶修專業(yè)技能競賽培訓(xùn)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(xùn)班、管道連頭與返修培訓(xùn)班等多個培訓(xùn)班中進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用現(xiàn)場如圖6所示，學(xué)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(xùn)。

圖6 液壓升降式工位架在培訓(xùn)現(xiàn)場應(yīng)用照片

5 結(jié) 論

（1）液壓升降式工位架能夠改進(jìn)原有簡易工位架存在的不足，達(dá)到了設(shè)計(jì)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(xùn)。

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