油管倒角机的设计与制造关键技术研究

引言

油管是海上油田重要的作业施工设备之一,对石油的开采生产起着至关重要的作用。近几年由于海上石油开采量的增多,油管的使用量也在逐步增多。在海上水平井作业时,由于油管接箍端面的外倒角小,接箍作为油管直径突起部分在较大力量的作用下,与套管管壁形成直接接触,引起下放油管遇阻、上提油管遇卡的现象。我们对现有的油管接箍倒角设备、工艺进行了调查总结发现有以下几个问题的存在:

(1)使用现有普通车床加工,只能将带接箍的油管从仓库或者现场拉到加工车间和场地才能进行加工,延长了加工周期;

(2)实际工况中,带接箍的油管长达9.5米,接箍倒角时,对普通车床存在较大震动和撞击力,损害极为严重;同时使用人工上料,也存在钢管下落砸伤等安全问题[1]。

针对上述问题,我们研制了新型的双面倒角设备,实现了移动倒角机的现场加工服务,从而缩短运作周期,提高生产效率。同时配合自动传送线的使用,实现了高效、安全的现场加工作业。

1.研发与设计

(1)倒角机主机的设计

SDJ340型双面倒角机是针对油田油管和套管带接箍两头倒角的工艺设计的专用设备,用于23/8-133/8英寸油套管带接箍两头倒角,也可用于同规格油套管的平头倒角加工。

根据工艺要求,倒角方式采用油管带接箍固定夹紧,刀具随设备旋转,完成接箍的前后端面倒角。其设计难点在于油管和刀具悬臂过长,容易使工件产生震动,倒角面出现波纹而达不到质量要求,同时后端面倒角刀的径向进退刀,在旋转过程中也很难实现。

针对上述问题,SDJ340倒角机的设计与研发理念,重点放在解决刀具震动和径向进退刀上,在原平头机的基础上加以改进,改变其装夹方式,将主轴设计为空心轴,使油管由床尾头送进,床尾增设液压顶碗,夹紧卡瓦放在床头,夹牢顶紧,最大限度的减少加工夹持长度,防止在加工过程产生震动;径向进退刀功能,则采用停车后手动旋转凸轮的机械方式完成[2]。倒角机工步操作顺序图如图1所示。

(2)结构形式

主机由主轴箱、进给机构、夹紧机构、定位装置、顶紧装置、刀盘及机座组成。倒角机整体结构设计图如图2所示。

主轴箱内主轴为空心轴,内径φ380mm,工件可由床尾部通过空心轴到床头,夹紧装置放在床尾部用来夹紧工件,床头有定位装置和顶紧装置,用于工件的定位和顶紧。

主轴箱上的驱动电动机为变频电机,可调速200r/min-1500r/min,通过皮带轮及齿轮带动主轴转动,减速后主轴转速为50r/min-200r/min。

主轴箱内设有制动系统,停车后制动系统会将刀盘停在指定位置,便于手动退刀。

进给机构由摆线减速机作动力,电动机为伺服电机,可自动调整进给速度和移动位置,减速机带动滚珠丝杆转动,推动主轴箱实现正向和反向进给,主轴箱进给量为10-100mm/min。滚珠丝杆可保证进给量的平稳和准确[3]。

主轴箱头部装有刀盘,刀盘上对称装有前刀架和后刀架,前刀架用于接箍头部倒角,后刀架用于接箍尾部倒角,前刀架可轴向调整刀具位置,后刀架可径向调整刀具位置,倒角刀的进退由装在后刀架上的凸轮驱动,在停车状态下手旋凸轮来完成进刀或退刀。

根据油套管尺寸配有不同规格的刀盘、刀架和顶碗,可随意装配。

主轴箱尾部配有夹紧装置,夹紧装置由横梁、液压油缸、上下卡瓦和卡瓦座组成,上卡瓦装在液压油缸活塞上可上下移动,下卡瓦装在卡瓦座上固定不动。卡瓦可根据不同规格的油管进行更换。横梁和卡瓦座也可前后移动调整夹紧的位置。

主轴箱前部装有定位装置和顶紧装置,分别有一个固定气缸和一个液压油缸驱动,定位装置起到产品准确定位作用,油管夹紧后定位气缸定位板退回,然后顶紧油缸推动顶碗顶紧。

(3)倒角机自动传动线的设计

①翻料机构的设计

翻料板的顶部由靠近上料架侧的偏心台阶隔成上料面和下料面,上料面为自翻料板的靠近上料架侧向所述偏心台阶逐渐降低的斜面,下料面为自偏心台阶向所述翻料板的靠近下料架侧逐渐降低的斜面,且在靠近下料架侧的边缘处设有限位棱。

该装置由翻料板、翻料板转轴、翻料摆臂和底座组成,其结构形式如图3所示。

图中可以清楚的看出从左边上料时候翻板落下便达到上料的目的,并且最大限度的控制了“锯齿”高处与传动线轴向的位置差,这样的优点在于减小上料时候管体自重产生对传动辊的冲量,也同样减小了传动线整体的振动,达到传送安全、精准的目的。另外“锯齿”状斜度的确定我们也做了细致的计算,斜度过大将导致管体滚动速度过大而冲出翻板造成安全隐患。翻板工作时的起落动作采用液压控制安全平稳。

翻料板和翻料板摆臂分别与翻料板转轴成一定的角度焊接,使其具有一定的行程范围,用以翻转油套管。翻料板转轴与底座由滚动轴承连接。三维图像如图4所示。

②传动装置的设计与改造

自动传送线主要用于钢管的传送和上下料,由机座、翻料装置、传动辊、液压油缸和手轮组成。其设计图如图5所示。

机架根据倒角机中心高及传送辊的配合高度,及加工油管整体长度区间(1m-12m)等尺寸参数来设计。翻料板共两个,由一个液压油缸控制,可上下移动使油管进入或退出传动线。传动线上的传动辊分为主动辊和被动辊,主动辊由摆线减速机驱动,正向转动带动钢管进入主机,倒角完成后,反向转动带动钢管退出主机。由于设计针对不同尺寸油管接箍的倒角,则需要考虑其装夹轴心高度的问题。为此我们在传动线一端设计足够行程的丝杠来对其进行高度微调[4]。

根据以上制定的设计方案,我们对整个传动线的整体布局及局部零部件做了详尽的图纸设计。此次设计倒角机上下料传动线结合了设计人员多年现场和理论经验不断地改进和完善,设计人员结合倒角机生产过程的特殊性,并本着公司节能减排的理念考虑到加工环境、占地面积、工作效率和制造难度等各种因素,尽量做到不遗漏任何一个细节并绘制出相应的图纸。

2.零部件加工制造及其组装

(1)零部件加工制造

整个传送线的零部件种类繁多,在加工人员和技术人员的共同努力下,共计生产零部件10余种,100多件。

(2)零部件的组装

零部件的组装是后续的整个传动线调试的基础过程,通过技术人员和钳工班相关装配人员的通力协作,找水平、测量配合间隙、部分表面打磨修正等方式完成与整个机架的焊接,整体组装过程中装配人员反复调试,最终使得整个传送线装配成功,并经相关技术人员核查可以用于生产。

在上图所示的轴承座安装中,由于其加工人员的方式不同以及机床在不同工作状态下产生的动态误差导致轴承座尺寸偏差较大,安装人员不得不使用锉刀、砂纸等工具对其接触表面进行不同程度的打磨来降低装配难度。为了使主动辊适应室外恶劣的工作环境,其设计复杂程度增加使安装也加大了不同程度的难度,零件的繁多在安装顺序上也较为讲究,若零部件安装顺序不合理将会对其工作状态造成较大的影响[5]。传动辊设计与安装完成图如图7所示:

为了减少各部门的工作量,经商议决定整个传送线的安装在室内进行,这样免去了焊工在室外工作条件不足的麻烦,同样人员的流动也大大的节省了时间不至于影响整个车间的生产工作,还可以利用车间现有的吊车等资源为这种大型的较重的设备移动提供了方便[6]。

传送线的安装整体复杂程度并没有传动辊那么复杂,但是由于其整体结构较大,因此其前后两部分的水平度以及在机架上安装的各个传动辊的同轴度较难保证。为此装配人员只能利用点焊的方式部分固定、整体把握来找整个机架与传动辊的相对水平,整体装配完成后将之移至加工场地再与倒角机主机进行进一步的配合找工作水平。

在传动线上安装传动辊,由于设计是将所有传动辊以焊接的方式固定在机架上,那么就不像用螺栓固定那样“有迹可寻”,即有定位螺栓孔,要很好的把握六个辊子的直线度以及与传动线的相对位置,无疑又加大了其组装难度。经过一次次的调整,最终整个传动线安装圆满完成,并且模拟工作各机构零部件工作情况良好,达到了设计目标[7]。

3.倒角机主机调试

倒角机主机的调试与安装工作有条不紊,在各岗位工作人员的密切配合下顺利有序的完成。主机运转及工位动作控制基本正常,伺服控制也可以平稳运行,不过在此次调试中也暴露出部分问题。在31/2英寸油管倒角试加工中加工表面出现颤纹现象,为了测试颤纹找出缘由导致主轴转速不能达到预定设计数,这样工作效率便远远低于预期的2分钟。

这种情况下经过技术人员及有丰富实操经验的工作人员共同研究提出各种方案并加以改进,最终提出改变油管装夹方案:将顶尖穿过空心主轴,夹持装置改为离刀盘近距离方向。这种装夹方式使得夹持和顶尖之间的距离大大缩小,有效解决了刀纹颤动的问题并且省去了以前加工不同规格油管接箍时更换整个刀盘的工序。

4.总结

(1)通过优化设计方案,设计并制造出了新型的SDJ340型双面倒角机,该设备针对海上平台带接箍油套管使用工况特点研制的双面倒角设备,使用的双面倒角技术是在单面倒角技术的基础上进行设计研发,属于应用型创新技术,实现了移动倒角机的现场加工服务,从而缩短运作周期,提高生产效率。

(2)通过整体布局及局部零部件的设计与优化,使整体机械运行流畅,极大的节省了人力、资源,同时配合自动传送线的使用,实现了高效、安全的现场加工作业,有着极好的商业推广价值。

摘要：作为石油开采的重要设备之一,油管起着关键性的作用,对于不连续油管,接箍重要性不言而喻,但是对于接箍倒角始终存在着加工周期长、工作效率低,且在加工过程中容易出现安全事故。本文针对双面倒角机的设计突出点和加工时各项参数进行技术论证,介绍了双面倒角机在设计制造及调试应用情况。该双面倒角设备的使用可以有效缩短油套管倒角的加工时间,提高工作效率的同时节省了生产成本,为社会带来了可观的效益。

关键词：倒角机,设计,制造,调试

参考文献

[1] 曹务勋,马国栋,李兴才,等.棒材自动倒角机的研制与应用[J].轧钢,2006(10):45-51.

[2] 濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2006(5).

[3] 王建明,洪嘉振,王示.柔性多体系统动力学实验研究[J].宇航学报,1999,20(2):107-111.

[4] 何雪明,吴晓光,常兴.数控技术[M].武汉:华中科技大学出版社,2006.

[5] Kakizaki T,Deck J F,and Dubowsky S.Modeling the sp-atial dynam-ics of robotic manipulators with flexible links and joint clearance[J].Journal of Mechanical Design,1993,115(3):839-847.

[6] 胡捷,邹优强.PLC在钢管倒角机的应用[J].机床与液压,2000(5):99-102.

[7] 叶金虎.基于Master CAM和Pro/E的齿轮快速精确建模及仿真分析[J].林业机械与木工设备,2011,39(7):35-37.