喬鵬飛，岳 斌，朱昊天

（1.中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710032；2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

1 引言

輸送管道在現(xiàn)代世界里的應(yīng)用無(wú)處不在，如市政排水建設(shè)、電力通信、燃?xì)馊加洼斔鸵约熬用袢粘Ｓ盟妮斔投紩?huì)使用管道來(lái)達(dá)到輸送目的。雖然各種輸送管道的使用在很大程度上簡(jiǎn)化了物料輸送的難度，但是不可避免的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題就是輸送管道在安裝過(guò)程中不可能是一個(gè)完整的個(gè)體。因此施工現(xiàn)場(chǎng)使用多條分段輸送管道拼接的方案解決管道安裝應(yīng)用的問(wèn)題。傳統(tǒng)管道對(duì)接的大部分關(guān)鍵工作都是由人工來(lái)完成的，傳統(tǒng)做法不僅會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力，而且還會(huì)不可避免地產(chǎn)生由人工操作帶來(lái)的鋼管對(duì)接誤差，這些對(duì)接誤差會(huì)對(duì)后期的調(diào)整過(guò)程造成麻煩。因此，制造出一種能夠代替人工進(jìn)行精確管道對(duì)中操作的管道對(duì)中裝置是非常有必要的。

國(guó)外生產(chǎn)的管道對(duì)接裝置類型包括鏈?zhǔn)酵鈱?duì)口器、手動(dòng)杠桿式與弓形液壓外對(duì)口器、氣動(dòng)內(nèi)對(duì)口器等，其中以Junction tool 公司為代表研制的鏈?zhǔn)酵鈱?duì)口器采用片式起重鏈代替?zhèn)鹘y(tǒng)對(duì)口器的剛性環(huán)結(jié)構(gòu)，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用不僅減輕了整體裝置的重量，還增加了裝置的靈活性，但是鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的使用也使得裝置的制造成本增加且鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)易磨損。以Mathey 公司為代表生產(chǎn)的手動(dòng)杠桿式外對(duì)口器，其夾緊功能由杠桿和凸輪配合實(shí)現(xiàn)，裝置操作簡(jiǎn)單，管道對(duì)接精度相對(duì)較高，且裝置具有自鎖功能，但是其同一型號(hào)的對(duì)口器只適用于一種管徑尺寸的對(duì)接，這就使得此裝置的使用場(chǎng)景大大受限，不能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工需求進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。以O(shè)RC 公司為代表研制的氣動(dòng)內(nèi)對(duì)口器，其整體裝置由滑輪行走裝置、擴(kuò)張導(dǎo)向裝置、擴(kuò)張對(duì)接裝置以及裝置操作系統(tǒng)組成，在保證管口對(duì)接精度的基礎(chǔ)上增加了裝置的可操作性，但是此裝置的結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜，增加了裝置后期的維護(hù)成本，且此裝置對(duì)工作環(huán)境要求較高。

孟慶鑫，弓海霞等在對(duì)國(guó)外對(duì)口器的先進(jìn)技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，針對(duì)不同管道，從結(jié)構(gòu)、可靠性等因素出發(fā)開(kāi)發(fā)出一種采用鏈?zhǔn)酵鈱?duì)口方式的管道對(duì)中裝置，裝置采用液壓驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)口力大、操作簡(jiǎn)單且抗腐蝕。劉文川，石凱等結(jié)合中國(guó)油氣長(zhǎng)輸管道現(xiàn)場(chǎng)施工中對(duì)口器及對(duì)口方法的應(yīng)用狀況，針對(duì)不同施工情況下的管道對(duì)接，對(duì)管道對(duì)口器的選擇提出了指導(dǎo)性意見(jiàn)。李崇冰設(shè)計(jì)了一種新型的簡(jiǎn)易外對(duì)口器，裝置不受管徑大小以及施工環(huán)境的影響且操作簡(jiǎn)易。

基于上述原因，根據(jù)滇中引水工程實(shí)際需要，研制了一種適用于大口徑的管道外對(duì)口器裝置，相比以往傳統(tǒng)的管道對(duì)中裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小質(zhì)量輕、操作簡(jiǎn)單?？梢宰龅揭粋€(gè)裝置解決不同口徑管道快速對(duì)接的問(wèn)題，且適用于野外和室內(nèi)的施工環(huán)境。

2 鋼管對(duì)中裝置結(jié)構(gòu)

2.1 裝置機(jī)械部分

大口徑輸水管道對(duì)中裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由3部分組成，分別是基礎(chǔ)滑臺(tái)部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、管道承托部分（管道升降機(jī)構(gòu)），其中基礎(chǔ)滑臺(tái)部分是由水平滑軌和兩個(gè)滑塊組成，電力驅(qū)動(dòng)部分是由伺服電機(jī)、減速器以及聯(lián)軸器組成，管道承托部分是由設(shè)備支撐頂升座、管道支撐板組成；其中基礎(chǔ)滑臺(tái)部分中的兩個(gè)滑塊可以帶動(dòng)管道承托部分來(lái)間接地左右移動(dòng)管道，進(jìn)而調(diào)節(jié)待對(duì)接管道在水平方向上的角度誤差；電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過(guò)伺服電機(jī)、減速器和聯(lián)軸器來(lái)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)絲杠進(jìn)而移動(dòng)絲杠帶動(dòng)移動(dòng)滑塊在水平滑軌上左右移動(dòng)；管道承托部分與待對(duì)中地的管道直接接觸，其中管道承托部分的管道支撐板的形狀為契合管道形狀的圓弧形，保證在移動(dòng)的過(guò)程中管道不發(fā)生晃動(dòng)。

2.2 裝置控制系統(tǒng)

大口徑輸水管道對(duì)中裝置的控制系統(tǒng)采用PLC 為主控元件，裝置的控制方式為無(wú)線遙控控制。裝置的控制系統(tǒng)主要由無(wú)線信號(hào)發(fā)射器、無(wú)線信號(hào)接收器、PLC控制單元、線路分輸模塊這幾部分構(gòu)成。其中無(wú)線信號(hào)接收器和PLC 控制單元由單獨(dú)的供電單元進(jìn)行供電。無(wú)線信號(hào)發(fā)射器由電池進(jìn)行供電，無(wú)線信號(hào)發(fā)射器的控制面板上包括管道承托部分獨(dú)立升降、基礎(chǔ)滑臺(tái)部分滑塊同向移動(dòng)等功能按鈕；通過(guò)操作相應(yīng)功能的按鈕發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作指令，無(wú)線信號(hào)接收器接收動(dòng)作指令并將指令傳送到PLC控制單元；PLC控制單元將處理過(guò)后的指令信息通過(guò)線路分輸模塊傳送給相應(yīng)的機(jī)械執(zhí)行結(jié)構(gòu)，最后由相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)完成目標(biāo)動(dòng)作執(zhí)行。

3鋼管對(duì)中裝置工作過(guò)程

3.1 工作原理

裝置整體的工作原理如圖1所示。

圖1 管道對(duì)中裝置工作原理圖

如圖1所示，操作人員只需在無(wú)線信號(hào)發(fā)射器控制面板選擇按壓相應(yīng)功能的按鈕，然后控制信號(hào)被無(wú)線信號(hào)接收器接收，PLC 控制單元對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行識(shí)別與處理：如果控制信號(hào)內(nèi)容是左右移動(dòng)滑塊調(diào)節(jié)水平距離，則經(jīng)PLC處理過(guò)后的相應(yīng)的控制信息會(huì)通過(guò)線路分輸模塊傳送到相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)即電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置；若控制信號(hào)內(nèi)容是升降管道高度，則經(jīng)PLC 處理過(guò)后的控制信息會(huì)通過(guò)線路分輸裝置傳送到管道升降機(jī)構(gòu)來(lái)完成最終的管道高度調(diào)整。此外該管道對(duì)中裝置在施工過(guò)程中需成對(duì)使用，兩管道對(duì)中裝置分別放置于待對(duì)中管道的兩端。

3.2 工作過(guò)程

在管道對(duì)中裝置使用前，需要先使用吊升裝置將待對(duì)中的管道放置到實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備好的基準(zhǔn)位置，若此時(shí)待對(duì)中的管道與前一個(gè)固定好的管道僅有水平方向上的距離偏差，通過(guò)無(wú)線信號(hào)發(fā)射器控制面板上的控制移動(dòng)滑塊的功能按鈕控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)移動(dòng)絲杠，進(jìn)而移動(dòng)兩端的左右移動(dòng)滑塊帶動(dòng)設(shè)備支撐頂升座左右移動(dòng)鋼管，使兩管道對(duì)中；若待對(duì)中管道與前一個(gè)已固定管道存在豎直方向上的角度偏差，則通過(guò)無(wú)線信號(hào)發(fā)射器控制面板上的控制管道承托部分的功能按鈕控制位于滑塊內(nèi)部的液壓千斤頂升降，液壓千斤頂?shù)纳祹?dòng)管道承托部分的設(shè)備支撐頂升座同步升降，進(jìn)而達(dá)到調(diào)整兩管道在豎直方向上角度偏差的目的；通過(guò)以上兩種調(diào)節(jié)方式的組合使用可以實(shí)現(xiàn)待對(duì)中管道多角度調(diào)整，而且在配套的控制系統(tǒng)的加持下使得大口徑輸水管道對(duì)中作業(yè)可以達(dá)到穩(wěn)準(zhǔn)的效果。

4 鋼管對(duì)中裝置特點(diǎn)

研制的鋼管對(duì)中裝置具有以下特點(diǎn)：①裝置控制系統(tǒng)中的無(wú)線遙控控制系統(tǒng)可精準(zhǔn)控制滑塊進(jìn)行水平方向上的左右移動(dòng)距離，也可精準(zhǔn)控制管道承托部分獨(dú)立或者同步升降的高度。②裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單、體積小重量輕，易于裝置的拆卸和組裝，有利于裝置后期的維護(hù)維修。（3）裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)外表面采用了防腐蝕材料噴涂處理，防腐蝕能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)耐用，既適用于野外施工環(huán)境也適用于室內(nèi)空間較小的施工環(huán)境。④裝置制造成本低，相比傳統(tǒng)管道對(duì)中裝置可節(jié)省30%的制造成本。

5 結(jié)語(yǔ)

新型大口徑輸水管道對(duì)中裝置，裝置操作簡(jiǎn)單方便，不受管徑以及施工地理環(huán)境的限制，解決了因施工地理環(huán)境條件帶來(lái)的施工效率低的問(wèn)題，以及解決了由于人工操作帶來(lái)的施工誤差大的問(wèn)題。此裝置適用于野外或者場(chǎng)地內(nèi)大口徑輸水管道的對(duì)接以及輸水管道的維修工作。