文智敏

(新疆匯通水利電力工程建設(shè)有限公司，烏魯木齊 830000)

1 概述

在金屬管道的制作過(guò)程中，排板、下料是關(guān)系到節(jié)約材料和后續(xù)工序能否順利完成的重要環(huán)節(jié)。管件的正確展開是排板、下料的依據(jù)。在沒(méi)有數(shù)控切割機(jī)下料的年代，一般采用手工計(jì)算展開曲線、制作鐵皮大樣、手工切割下料。手工計(jì)算工作量巨大，計(jì)算步長(zhǎng)大，在制作鐵皮大樣、手工下料的過(guò)程中積累的誤差往往需要通過(guò)安裝過(guò)程的修口才能消除，并且往往導(dǎo)致錯(cuò)邊量大、焊縫寬度不均等缺陷。

本文以新疆喀臘塑克水利樞紐工程岔管為例說(shuō)明如何建立岔管展開圖計(jì)算模型，以EXCEL平臺(tái)計(jì)算展開曲線 (計(jì)算步長(zhǎng)為1°)，如何將計(jì)算成果轉(zhuǎn)換到CAD中生成岔管展開圖。

2 新疆喀臘塑克水利樞紐壓力鋼管及岔管工程簡(jiǎn)介

新疆喀臘塑克水利樞紐工程發(fā)電洞采用四機(jī)一洞布置形式，壓力鋼管主管段長(zhǎng)420.29m，內(nèi)徑7.6m，板厚28mm，主要材料采用16MnR。岔管采用Y-卜形組合結(jié)構(gòu)，主岔采用Y形公切球內(nèi)徑為8780mm，兩個(gè)支岔為卜形公切球內(nèi)徑為6200mm，1號(hào)Y形岔管鋼板采用WH80Q鋼，板厚32mm。2號(hào)卜形岔管鋼板采用 WDB620D鋼，板厚 28mm。岔支管段長(zhǎng)48.180m。鋼管及岔管總重量約為2950t。岔管結(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 岔管結(jié)構(gòu)

3 岔管的展開計(jì)算模型

本工程鋼管和岔管的形式為圓柱管、切圓柱管、圓錐管、切圓錐管，依據(jù)計(jì)算較復(fù)雜的切圓錐管建立計(jì)算模型，該模型將可以實(shí)現(xiàn)所有圓柱管及椎管的展開。

如圖2所示:已知O1B，OF，h，δ(左側(cè)取正值)，α，β，θ，φ。

由已知數(shù)據(jù)可推導(dǎo)出:

RB=O1B·cosθ

RC=(tanφ +cotθ) ÷ (cotθ－ tanφ)RB

圖2 上邊沿計(jì)算

RH=OF ÷cosθ－tanθ×h以B點(diǎn)為原點(diǎn)，BF為Y軸建立展開圖坐標(biāo)系:

3.1 求解上邊線坐標(biāo)

上邊沿展開母線長(zhǎng):

上邊沿展開坐標(biāo)為:

利用平行于投影面的線段長(zhǎng)等于投影長(zhǎng)建立函數(shù)關(guān)系

求解SC如下:

可推導(dǎo)出

3.2 求解下邊沿展開坐標(biāo)

下邊沿展開母線長(zhǎng):

下邊沿展開坐標(biāo)為:

圖3 下邊沿計(jì)算

利用平行于投影面的線段長(zhǎng)等于投影長(zhǎng)建立函數(shù)關(guān)系

求解XH'如下:

拐點(diǎn)E轉(zhuǎn)角為ζE，

當(dāng) 0≤ζ≤ζE時(shí)，

可推導(dǎo)出:

當(dāng) ζE≤ζ≤180 時(shí):

展開角度η為轉(zhuǎn)角ζ的對(duì)應(yīng)值，對(duì)應(yīng)關(guān)系為η=ζ×RB÷LB。

隨著轉(zhuǎn)角的變化，切椎管的上下端展開坐標(biāo)均可計(jì)算得出。

4 模型的使用及檢驗(yàn)

按照上述模型整理求得各種模型需要的已知參數(shù)，在EXCEL中建立計(jì)算表，通過(guò)改變轉(zhuǎn)角ζ，就得到了需要的展開圖。在整理求解模型所需已知參數(shù)時(shí)，所有數(shù)據(jù)可以通過(guò)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)贑AD中直接查詢出來(lái)。在EXCEL中計(jì)算表如圖4所示:

圖4 岔管展開圖計(jì)算

推導(dǎo)數(shù)據(jù)按照前面推導(dǎo)公式依據(jù)EXCEL格式填寫，變量步長(zhǎng)依據(jù)計(jì)算需要確定，通過(guò)改變管周角度變量ζ從0～360°，求解得到計(jì)算成果數(shù)據(jù)管道展開上邊沿展開坐標(biāo)和下邊沿展開坐標(biāo)。

拷貝坐標(biāo)數(shù)據(jù)在CAD中選擇樣條曲線命令，粘貼坐標(biāo)數(shù)據(jù)，得到展開圖邊界線。然后在CAD中進(jìn)行分塊、排板等后續(xù)工作。

對(duì)上述模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，圓柱管切1刀 (圓錐角θ等于零，左斜角α、右斜角β均等于零)可以得到彎管計(jì)算模型，圓錐管 (上切角φ、左斜角α、右斜角β均等于零)可計(jì)算Y形岔上游端管節(jié)，圓錐管切2刀 (右斜角β等于零，偏心距δ等于低圓半徑)可計(jì)算卜形岔上游端管節(jié)和下游端外側(cè)管節(jié)。1號(hào)Y形岔管分上游端管節(jié)和下游端 (左右管對(duì)稱)展開計(jì)算，2卜形岔分上游端管節(jié)、下游內(nèi)側(cè)管節(jié)和下游端外側(cè)管展開計(jì)算。在計(jì)算岔管下游端管節(jié)時(shí)應(yīng)特別注意，在量取R下底半徑時(shí)必須是扣除肋板厚度之后的底圓。

此模型建立以來(lái)先后用于喀臘塑克發(fā)電洞壓力鋼管及岔管展開計(jì)算、特克斯山口水電站壓力鋼管展開計(jì)算、雅瑪渡水電站壓力鋼管展開計(jì)算、和靜大山口水電站壓力鋼管及岔管展開計(jì)算等多項(xiàng)工程實(shí)踐。在壓力鋼管及岔管的制作安裝過(guò)程中，由于展開計(jì)算精確，數(shù)控切割下料，經(jīng)過(guò)反復(fù)壓制與調(diào)整，在瓦片組對(duì)和安裝施工過(guò)程中基本不需要進(jìn)行修口，對(duì)口錯(cuò)邊量非常小，焊縫間隙均勻。

5 結(jié)語(yǔ)

喀臘塑克水電站工程于2010年通過(guò)驗(yàn)收投產(chǎn)運(yùn)行，壓力鋼管及岔管分部工程質(zhì)量等級(jí)優(yōu)良，目前運(yùn)行情況良好。特克斯山口水電站、雅瑪渡水電站工程也于2011年前后投產(chǎn)運(yùn)行。實(shí)踐證明，本文所述岔管展開計(jì)算模型，計(jì)算精準(zhǔn)，使用可靠，能快捷解決岔管展開、下料問(wèn)題，對(duì)同類型工程具有一定的參考價(jià)值。