朱晉英 薛 峰

（1：北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司 北京100029；2：江蘇中翼汽車新材料科技有限公司 江蘇蘇州215542）

1 前言

內(nèi)外焊輸送小車是直縫埋弧焊管生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備之一，小車的性能、運行狀況直接影響到焊管焊縫的質(zhì)量。近幾年，隨著高級鋼管級、厚壁和大直徑鋼管需求的不斷增加，中國制管業(yè)也有了快速的發(fā)展和長足的進步，同時，對鋼管制造也提出了更高的標準和要求。該機組的焊接小車是依據(jù)德國MEER 公司提供的技術(shù)資料設(shè)計的，原設(shè)計存在一些問題，致使鋼管經(jīng)常在焊接過程中發(fā)生燒穿現(xiàn)象，對焊接質(zhì)量影響很大，工藝改進和操作調(diào)整均無明顯效果。為保證焊接質(zhì)量，提高焊管一次通過率，滿足國內(nèi)外用戶對鋼管制造的高標準嚴要求，需要針對常出現(xiàn)的問題進行改進。

2 原小車工藝布局及操作過程

鋼管在縱向輸送小車上隨小車移動，通過旋轉(zhuǎn)裝置將焊縫轉(zhuǎn)到既定位置，內(nèi)焊時，通過小車將鋼管輸送至焊機，并將管端對準內(nèi)焊懸臂梁的焊頭，然后鋼管一邊向外移動一邊進行焊接。結(jié)束后，鋼管需要進行內(nèi)焊渣清除以及焊縫檢查操作，如發(fā)現(xiàn)缺陷需要對焊接缺陷進行記錄，并將缺陷信息通過計算機傳送給補焊區(qū)域，以便進行修磨補焊。內(nèi)焊頭及焊絲喂入機構(gòu)能夠自動調(diào)整對中焊縫，并有焊縫自動跟蹤裝置及焊劑回收、分離、烘干、輸送裝置。外焊機也是調(diào)整好高度后固定在臺架上，焊接時焊頭不動，管子按焊接速度運行。同內(nèi)焊機一樣，外焊頭及焊絲喂入機構(gòu)能夠自動調(diào)整對中焊縫，并有焊縫自動跟蹤裝置及焊劑回收、分離、烘干、輸送裝置。內(nèi)外焊出口分別配有橫移小車將流入、流出的鋼管運送到下一工序。橫移小車在自身的導(dǎo)軌上移動，其導(dǎo)軌和縱向小車的導(dǎo)軌（連續(xù)、無斷口）呈十字交叉（交叉處有斷口），軌道面高于縱向小車導(dǎo)軌面。其行走由程序自動控制，與縱向輸送小車的行走無干涉。

3 原小車結(jié)構(gòu)設(shè)計及存在問題

3.1 原縱向輸送小車結(jié)構(gòu)

原設(shè)計的縱向輸送小車由主動車、從動車和中間連桿3部分組成，其主動部分結(jié)構(gòu)如圖1所示，由車體、減速電機裝置、鏈輪鏈條、四個主動輪、四個被動輪、一組旋轉(zhuǎn)輥、電控裝置等組成。車體前端裝有1臺伺服減速電機，通過傳動軸、聯(lián)軸器、鏈輪直接驅(qū)動兩主動輪，并通過在該傳動軸上設(shè)置的傳動鏈驅(qū)動另兩個主動輪，形成驅(qū)動機構(gòu)。后車由車體、八個被動輪、一組旋轉(zhuǎn)輥等組成。前后車以鋼質(zhì)桿件鉸接。前后車上的兩組旋轉(zhuǎn)輥一起用于支撐鋼管和旋轉(zhuǎn)鋼管。小車導(dǎo)軌采用預(yù)熱焊非標導(dǎo)軌，材料45鋼，熱處理HB269－302，以導(dǎo)軌壓板固定。

圖1 原縱向輸送小車結(jié)構(gòu)

3.2 原縱向焊接小車存在的問題

從圖1可以看出，原主動車的傳動形式為伺服電機直接驅(qū)動兩主動車輪，另兩主動車輪用鏈傳動，由于鏈傳動具有彈性，在使用過程中會產(chǎn)生不同程度的松弛現(xiàn)象，且兩邊的鏈條調(diào)整不能達到完全一致，會出現(xiàn)鏈條松緊不一的現(xiàn)象。如圖2所示，驅(qū)動軸直聯(lián)的是后輪，鏈條傳動的是前輪（相對于小車行走方向），該傳動布置鏈條松邊在上，緊邊在下，屬于鏈傳動中的不合理設(shè)置，所以在工作過程中經(jīng)常出現(xiàn)驅(qū)動軸直聯(lián)的后輪打滑現(xiàn)象，使得小車的前進始終在“后輪不打滑”時的后輪推動車體帶動前輪行走和“后輪打滑”時候的后輪軸通過傳動鏈帶動前輪行走這兩種狀態(tài)之間切換，傳動鏈的緊邊、松邊因此不斷上、下切換，所以會出現(xiàn)頓挫、沖擊現(xiàn)象。同時因主、從動車之間采用軟連接，從動車易出現(xiàn)竄動現(xiàn)象。

圖2 原小車鏈式傳動設(shè)計

原小車導(dǎo)軌（如圖3）采用45號鋼熱處理加工組成，耐磨性能差，加工成本高，承載能力差。運行半年后導(dǎo)軌面就有壓潰、壓淤現(xiàn)象，淤潰最嚴重處超出導(dǎo)軌標準寬度15mm（導(dǎo)軌原寬度80mm），導(dǎo)致小車車輪導(dǎo)向面磨損嚴重，小車走行跑偏，容易卡死。導(dǎo)軌長度有32m，安裝精度高，頻繁更換導(dǎo)軌不僅影響生產(chǎn)，也造成人力、物力的浪費。

以上這些現(xiàn)象都容易導(dǎo)致在焊接過程中速度不均，燒穿現(xiàn)象嚴重，并多發(fā)生在規(guī)格較小管徑，搭接處理幾乎無一合格，造成很大浪費。原設(shè)計小車速度控制平穩(wěn)性要求達到±2%，實際上由于頓挫、沖擊的現(xiàn)象存在，速度波動明顯，粗略檢測其速度波動達到15%左右。

圖3 原導(dǎo)軌形式

4 原小車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計及存在問題

原縱向輸送小車行走采用西門子伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，S7－200SPLC、數(shù)字I／O 模塊、ET200S、POSMO變頻器等組成PROFIBUS現(xiàn)場控制系統(tǒng)，主要包括與內(nèi)、外焊機控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換、焊接速度閉環(huán)控制和安全保護等。

圖4 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

焊接過程中，縱向輸送小車速度控制是閉環(huán)控制，S7－200S接受焊接主PLC 的行走指令以及行走速度給定值，并結(jié)合焊接小車實際速度進行相應(yīng)的邏輯處理，控制焊接小車行走電機的運行。控制原理（如圖5所示）為：在循環(huán)中斷程序中調(diào)用PID 算法功能塊FB41，通過編碼器計數(shù)值計算實際速度，與給定速度做比較，通過PID 算法得到所需要的數(shù)據(jù)，保存到指定DB 中（背景數(shù)據(jù)塊），并通過PROFIBUS總線控制變頻器的輸出頻率。

圖5 焊接速度控制原理

在實際現(xiàn)場，編碼器測量的是行走電機的轉(zhuǎn)速，而不是小車真正的行走速度，反饋給焊接主PLC 的數(shù)值與實際小車行走速度有很大偏差，主PLC 邏輯運算的結(jié)果也就不切實際了，再加上導(dǎo)軌面壓潰，導(dǎo)向輪容易卡死，車體行走出現(xiàn)竄動，尤其在焊接過程中，低速運行，變頻器輸出頻率低，輸出扭矩不足，上述現(xiàn)象更為研究，小車實際行走速度和給定焊接速度差異增大，導(dǎo)致焊接熄弧或燒穿等問題，影響焊接質(zhì)量。

5 新設(shè)計的改進方案

經(jīng)過對縱向輸送小車結(jié)構(gòu)的認真分析和現(xiàn)場調(diào)研，最終確定按圖6的方案進行改造。

5.1 車體

主、從動車之間通過剛性連接桿將兩部分連接成一體，避免了兩車體之間的竄動，在保證足夠剛性的同時減輕了設(shè)備重量，同時便于加工制造，有利于提高設(shè)備精度，降低制造成本。

5.2 導(dǎo)軌

采用標準導(dǎo)軌（重軌），材質(zhì)U71Mn，耐磨性好，承載能力強，表面硬度高，加工成本低，采購周期短，用可調(diào)壓板固定在底座上。

5.3 傳動系統(tǒng)

如圖6所示，將主動車的驅(qū)動系統(tǒng)改為齒輪齒條傳動，車體上的伺服減速電機通過傳動軸驅(qū)動齒輪，通過傳動鑲嵌在導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)的齒條帶動車體行走，傳動精度高，走行平穩(wěn)。

圖6 改進后小車的傳動裝置

主動車的八個車輪全為被動輪，鑲齒條一側(cè)導(dǎo)軌上的四個車輪為平輪；另一側(cè)為帶輪沿，并配備導(dǎo)向輪和清掃器。從動車的車輪組亦如此設(shè)計，有效改善車體行走環(huán)境和跑偏現(xiàn)象。小車運行平穩(wěn)可靠。

5.4 測速裝置

將檢測小車實際行走速度的編碼器安裝在齒輪上。能準確檢測小車實際走行速度，并將該速度反饋給焊接主PLC。小車PLC根據(jù)圖5的控制原理，進行邏輯運算，控制焊接小車行走電機的運行。由于速度反饋值準確可靠，為小車速度平穩(wěn)控制提供可靠保障。

6 結(jié)語

小車行走系統(tǒng)采用剛性的齒輪齒條傳動，克服了原有小車打滑、卡滯帶來的焊接速度不均勻等問題，傳動精度高、走行平穩(wěn)；小車軌道采用標準導(dǎo)軌，承載力大，耐磨性強，使用維護成本低，避免了軌道淤潰導(dǎo)致的小車卡死現(xiàn)象；更改編碼器的測量位置，檢測出小車實際行走速度，為機械調(diào)整和工藝控制提供相應(yīng)數(shù)據(jù)，進一步保障了焊接速度的平穩(wěn)性。

［1］成大先.機械設(shè)計手冊.北京：化學工業(yè)出版社，2008.

［2］濮良貴等.機械設(shè)計.北京：高等教育出版社，2006.

［3］薛向庭等.直縫埋弧焊管生產(chǎn)線焊接車的改進.焊管，2011，Vol.34（12）.

［4］程紹忠等.直縫埋弧焊管內(nèi)焊小車的改進.焊管，2010，Vol.33（12）.