馮 瑤， 楊明秦， 賈 熙， 徐志軍， 李 莉， 夏翠紅

（渤海裝備華油鋼管公司 揚(yáng)州分公司， 江蘇 揚(yáng)州225128）

1 概 述

銑邊機(jī)作為螺旋埋弧焊管生產(chǎn)過(guò)程中的主要工序設(shè)備， 可根據(jù)焊接工藝要求， 將帶鋼邊緣銑削成I 形、 X 形和Y 形3 種不同的焊接坡口形狀（如圖1 所示）； 其銑削尺寸的穩(wěn)定性對(duì)螺旋焊管的焊接質(zhì)量 （包括焊縫外觀質(zhì)量與焊接力學(xué)性能） 具有至關(guān)重要的作用。 在生產(chǎn)高強(qiáng)度、 大壁厚螺旋埋弧焊管時(shí)， 為保證內(nèi)外焊道的熔深、 焊縫余高以及焊縫力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求， 一般將帶鋼邊緣銑削成Y 形或X 形坡口后進(jìn)行埋弧焊接， 若銑削尺寸不穩(wěn)定， 將產(chǎn)生因銑邊同面兩側(cè)不對(duì)稱造成的焊管成型錯(cuò)邊、 焊偏、 焊道不規(guī)則以及焊縫余高超差等不良現(xiàn)象。 由此可見(jiàn)， 帶鋼坡口尺寸的穩(wěn)定性是提高螺旋埋弧焊管焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。 本研究將結(jié)合渤海裝備華油鋼管公司揚(yáng)州分公司采用的銑邊機(jī)設(shè)備， 對(duì)影響帶鋼坡口銑削尺寸穩(wěn)定性的因素進(jìn)行系統(tǒng)分析。

圖1 螺旋埋弧焊管生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)銑邊坡口形狀示意圖

圖2 為所采用的銑邊機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖， 其工作原理是： 對(duì)帶鋼雙側(cè)面進(jìn)行銑削加工， 其中銑頭裝置中的銑刀為多片（組） 刀片組裝而成的刀盤(pán)，數(shù)十片刀片組裝在刀盤(pán)周邊， 均勻分布在圓周上（如圖3 所示）， 考慮排屑方便， 銑削方式一般采用順銑。 刀盤(pán)由刀盤(pán)軸與螺絲等固定在床頭箱上，床頭箱的動(dòng)力通過(guò)刀盤(pán)軸傳遞給刀盤(pán)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即銑削加工的主運(yùn)動(dòng)； 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為帶鋼在遞送機(jī)驅(qū)動(dòng)下的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)， 實(shí)際上進(jìn)給速度為帶鋼的遞送速度， 即焊接速度。 橫移裝置和床頭箱底座組成銑邊機(jī)加工寬度調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 可使床頭箱在帶鋼寬度方向左右調(diào)整， 同時(shí)配合刀盤(pán)刀片不同形式與角度的分布， 加工出符合成型與焊接工藝要求的帶鋼寬度與坡口尺寸。

圖2 銑邊機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 銑邊機(jī)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖

2 銑邊機(jī)工作原理

根據(jù)工藝所要求的帶鋼工作寬度與帶鋼坡口尺寸， 將裝有鈍邊刀與坡口刀的兩組刀盤(pán)分別安裝于銑頭裝置之上， 并通過(guò)兩側(cè)橫移裝置調(diào)整兩側(cè)銑頭裝置之間的距離， 確定銑削量， 隨后啟動(dòng)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)， 待帶鋼被矯平機(jī)矯平力推送至銑邊機(jī)工位， 隨著帶鋼通過(guò)銑邊機(jī)即可銑削出符合要求的工作寬度與坡口尺寸， 銑邊機(jī)工藝布置如圖4所示。 值得指出的是， 為了避免出現(xiàn)打刀現(xiàn)象， 銑邊機(jī)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)必須在帶鋼停止運(yùn)行后方可關(guān)閉。

圖4 銑邊機(jī)工藝布置圖

3 帶鋼坡口銑削尺寸穩(wěn)定性分析

圖5 銑邊機(jī)上顎裝置局部結(jié)構(gòu)示意圖

從銑邊機(jī)結(jié)構(gòu)可以看出， 影響帶鋼坡口銑削尺寸穩(wěn)定性的主要因素取決于上顎裝置在運(yùn)行過(guò)程中能否精準(zhǔn)定位， 圖5 為銑邊機(jī)上顎裝置局部結(jié)構(gòu)示意圖。 經(jīng)分析， 壓輥位置粗調(diào)系統(tǒng)與壓輥位置微調(diào)系統(tǒng)是決定壓輥能否壓緊帶鋼邊緣精準(zhǔn)定位的關(guān)鍵， 其中壓輥位置粗調(diào)系統(tǒng)屬于液壓定位方式， 壓輥位置微調(diào)系統(tǒng)屬于機(jī)械定位方式。

3.1 壓輥位置粗調(diào)系統(tǒng) （液壓定位方式） 穩(wěn)定性分析

在螺旋埋弧焊管連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中， 主要依靠壓輥位置粗調(diào)系統(tǒng)使壓輥壓緊帶鋼， 并保證帶鋼與刀盤(pán)刀片間的相對(duì)位置不變， 從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線坡口尺寸的一致性。 壓輥位置粗調(diào)系統(tǒng)能否保證線上坡口尺寸的一致性， 主要取決于壓輥液壓缸的保壓效果。 圖6 為銑邊機(jī)壓輥位置粗調(diào)系統(tǒng)液壓原理示意圖， 其工作原理為：待帶鋼到達(dá)銑邊機(jī)壓輥正下方， 開(kāi)啟泵組， 調(diào)節(jié)溢流閥將系統(tǒng)壓力設(shè)定為2～3 MPa， 然后將兩個(gè)三位四通電磁換向閥右工位2YT 與4YT 同時(shí)通電， 液壓缸有桿腔進(jìn)油， 無(wú)桿腔回油， 當(dāng)壓輥接觸帶鋼以后， 根據(jù)帶鋼材質(zhì)與厚度設(shè)定匹配的系統(tǒng)壓力， 使壓輥?zhàn)阋詨壕o帶鋼邊緣， 避免其上下浮動(dòng)， 造成坡口尺寸不穩(wěn)定， 系統(tǒng)壓力調(diào)定后， 兩個(gè)三位四通電磁換向閥均回到中位， 此時(shí)油液密封于疊加式液控單向閥（液壓鎖） 與液壓缸兩腔之間的回路內(nèi)（圖6 中紅色部分）， 該回路只有在無(wú)任何泄漏的情況下才能使壓輥位置恒定， 確保線上坡口尺寸穩(wěn)定無(wú)變化。 但該系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中因保壓效果較差， 使壓輥的位置經(jīng)常發(fā)生浮動(dòng)（主要表現(xiàn)為壓輥向上浮動(dòng)）， 導(dǎo)致坡口尺寸隨之變化（上坡口變大、 下坡口變?。瑖?yán)重影響螺旋焊管焊縫成型， 也大大降低成型縫焊接質(zhì)量。

圖6 銑邊機(jī)壓輥位置粗調(diào)系統(tǒng)液壓原理示意圖

經(jīng)分析， 該液壓系統(tǒng)保壓效果差的原因主要包括以下兩個(gè)方面：

圖7 KDAS 液壓雙向組合密封圈密封結(jié)構(gòu)示意圖

（1） 液壓缸內(nèi)部活塞密封件采用的是KDAS 液壓雙向組合密封圈， 其結(jié)構(gòu)如圖7 所示。 該組合密封圈采用山形密封結(jié)構(gòu)， 安裝在液壓缸活塞上起雙向密封作用， 適宜工作壓力0～20 MPa， 但系統(tǒng)若存在明顯振動(dòng)現(xiàn)象， 不宜選用該類(lèi)密封結(jié)構(gòu)。 然而銑邊機(jī)在銑削過(guò)程中的振顫明顯， KDAS 液壓雙向組合密封圈的密封作用基本失效。

（2） 該液壓系統(tǒng)雖然設(shè)置了蓄能器保壓裝置， 但該裝置安裝于單向閥與三位四通電磁換向閥之間， 當(dāng)壓輥壓緊帶鋼邊緣， 系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定值后三位四通電磁換向閥回中位泵組停止運(yùn)行， 此時(shí)蓄能器僅對(duì)三位四通電磁換向閥前的液壓回路有效 （圖6 中藍(lán)色部分）， 并未對(duì)液壓缸的有桿腔起到保壓效果， 因此壓輥難以固定帶鋼位置。

針對(duì)上述問(wèn)題， 采取以下兩種方法進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化：

（1） 活塞密封件由KDAS 液壓雙向組合密封圈改為英國(guó)Hallite GPS 活塞密封件， 其結(jié)構(gòu)如圖8 所示， Hallite GPS 是雙作用的活塞密封， 由Hallite 高性能材料Armorlene HLX 的PTFE 表面環(huán)、 橡膠彈性體和X 形圈組成， 以達(dá)到最佳的密封性和穩(wěn)定性。 Armorlene PTFE表面環(huán)和X 形圈一起提供動(dòng)態(tài)密封功能， 軟補(bǔ)償量比KDAS 液壓雙向組合密封圈大， 同時(shí)橡膠彈性體提供靜態(tài)密封。 標(biāo)準(zhǔn)GPS 表面環(huán)上有泄壓槽， 能夠使密封件在系統(tǒng)壓力和運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)快速響應(yīng)。 Hallite GPS 雙作用活塞具有如下密封特點(diǎn)： ①適用于分離兩種介質(zhì)的場(chǎng)合， 密封性能好； ②低摩擦， 無(wú)爬行現(xiàn)象；③使用彈性體和X 形圈， 以保證在各種壓力范圍下密封件都能快速響應(yīng)以達(dá)到最佳的密封性能。

圖8 Hallite GPS 活塞密封結(jié)構(gòu)示意圖

（2） 采用兩種方案對(duì)壓輥位置粗調(diào)液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化， 優(yōu)化后的液壓原理如圖9 和圖10所示。

圖9 優(yōu)化后的銑邊機(jī)壓輥位置粗調(diào)系統(tǒng)液壓原理示意圖（方案一）

圖10 優(yōu)化后的銑邊機(jī)壓輥位置粗調(diào)系統(tǒng)液壓原理示意圖（方案二）

由圖9 （方案一） 可以看出， 優(yōu)化后的系統(tǒng)是用中位機(jī)能為C 形的三位四通電磁換向閥替代了中位機(jī)能為Y 形的三位四通電磁換向閥，同時(shí)增加了壓力繼電器， 因采用了中位機(jī)能為C形的三位四通電磁換向閥， 所以當(dāng)壓輥壓緊帶鋼邊緣系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定值后， 即使三位四通電磁換向閥回中位泵組停止運(yùn)行， 該換向閥可實(shí)現(xiàn)蓄能器對(duì)液壓缸有桿腔的保壓， 使壓輥壓緊帶鋼無(wú)浮動(dòng)； 因增加了壓力繼電器（包含控制系統(tǒng)工作壓力高壓值與低壓值的兩個(gè)壓力繼電器， 統(tǒng)稱為壓力繼電器）， 當(dāng)系統(tǒng)壓力因泄漏降低至壓力繼電器低壓點(diǎn) （系統(tǒng)工作壓力最低值）， 壓力繼電器發(fā)出電信號(hào)使泵組開(kāi)啟， 為系統(tǒng)增壓， 增壓至壓力繼電器高壓點(diǎn) （系統(tǒng)工作壓力最高值）， 壓力繼電器發(fā)出電信號(hào)使泵組關(guān)閉。 該方案使系統(tǒng)內(nèi)蓄能器發(fā)揮了其對(duì)壓輥位置控制油缸的保壓作用， 對(duì)比原方案， 該方案更有利于確保線上坡口尺寸穩(wěn)定無(wú)變化。 按方案一優(yōu)化后的液壓系統(tǒng)初期使用效果良好， 但因系統(tǒng)密封性能極易受三位四通電磁換向閥加工配合質(zhì)量的影響， 加之該類(lèi)換向閥在使用一段時(shí)間后其內(nèi)部配合間隙必然增大， 內(nèi)泄現(xiàn)象會(huì)越來(lái)越明顯， 從而導(dǎo)致系統(tǒng)泵組頻繁加載， 大大降低泵組使用壽命， 可見(jiàn)該方案欠佳。

由圖10 （方案二） 可以看出， 優(yōu)化后的系統(tǒng)是將具有蓄能保壓作用的蓄能器連接于液壓鎖與液壓缸有桿腔之間， 當(dāng)壓輥壓緊帶鋼邊緣， 系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定值后三位四通電磁換向閥回中位泵組停止運(yùn)行， 此時(shí)油液密封于液壓鎖與液壓缸兩腔之間， 同時(shí)依靠蓄能器對(duì)液壓缸有桿腔的蓄能保壓作用， 并配以壓力繼電器的使用 （功能與上述相同）， 可實(shí)現(xiàn)壓輥位置相對(duì)于帶鋼位置的恒定， 進(jìn)一步保證線上坡口尺寸的一致性。 該方案中系統(tǒng)密封性能不受三位四通電磁換向閥加工配合質(zhì)量的影響， 其密封效果明顯優(yōu)于方案一。

3.2 壓輥位置微調(diào)系統(tǒng) （液壓定位方式） 穩(wěn)定性分析

銑邊機(jī)壓輥位置微調(diào)系統(tǒng)是利用螺旋升降機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)帶鋼坡口尺寸的微量調(diào)整， 并且該裝置除中間壓輥外其余壓輥均配有疊簧組 （見(jiàn)圖5），屬于浮動(dòng)銑削技術(shù)， 克服了因帶鋼本身平面度誤差所造成的坡口尺寸銑削不均勻現(xiàn)象。 但該裝置必須在壓輥位置粗調(diào)系統(tǒng)保壓效果穩(wěn)定時(shí)才能正常發(fā)揮其微調(diào)功能。 另外， 該裝置內(nèi)部絲桿與絲母間配合間隙不宜過(guò)大， 否則會(huì)影響線上坡口尺寸一致性。

4 結(jié)束語(yǔ)

螺旋埋弧焊管生產(chǎn)過(guò)程中， 帶鋼坡口尺寸的一致性對(duì)其焊縫外觀質(zhì)量和焊縫力學(xué)性能至關(guān)重要， 同時(shí)也可極大地提高對(duì)縫成型效率。本研究綜合分析了影響線上坡口尺寸穩(wěn)定性的因素， 可較精準(zhǔn)地解決線上坡口尺寸一致性差的問(wèn)題。