杨青建，杨 永

（山东胜利钢管有限公司，山东 淄博 255082）

在前摆式预精焊机组生产过程中，需要停车对头［1］。为了节省对头时间，提高生产效率，山东胜利钢管有限公司引进了一台预开卷机。预开卷机将钢卷包装带去除，并将钢卷头部打开，切除钢卷“舌头”部分，使得钢卷进入成型预焊机组时，铣边后与加工好的板尾对接，从而提高生产效率。

1 设备组成及结构特点

预开卷机主要由底座、上下旋转辊、铲刀、板头夹紧装置、测量装置、切割系统、液压系统和电气控制系统等组成［2-3］。预开卷机结构如图1所示。

1.1 底 座

底座由方矩形管焊接加工而成，上下旋转辊、铲刀、板头夹紧装置、切割系统等都固定在底座上。上述设计有利于加强设备刚度，同时便于设备安装。

1.2 上下旋转辊

上下旋转辊是由2套下旋转辊和1套上旋转辊组成。下旋转辊由轴承座、支撑辊、长条辊和电机组成，长条辊表面采用聚氨脂胶辊，可以防止划伤钢卷；电机带动下旋转辊转动，电机采用瑞典赫格隆CBM电机，具有使用寿命长、质量轻、压力损失小等优点。上旋转辊由支架、摆臂、油缸和长条辊组成，长条辊在油缸的作用下，可以绕摆臂旋转，当吊运钢卷时，长条辊在最上面；当开卷时，长条辊始终以一定的压力压在钢卷上面，防止钢卷散卷事故的发生。

1.3 铲 刀

铲刀固定在板头夹紧装置上面，既可以左右摆动，也可以上下伸出和缩回。铲刀的作用是将板头展开，并引导板头进入夹紧装置。铲刀的摆动和伸缩动作由十字操作手柄控制，操作灵活方便。

1.4 板头夹紧装置

板头夹紧装置在油缸的作用下，可以左右移动；板头夹紧通过3个油缸共同压下，将钢卷头部（板头）牢牢夹住；板头首先被夹紧，板头在夹紧装置的牵引下向右伸出一定长度，从而实现开卷的目的。另外，当切割板头时可以防止钢卷窜动［4］。

1.5 测量装置

测量装置由无杆气缸、测量棒和传感器组成，共有4套。无杆气缸没有普通气缸的刚性活塞杆，它是利用活塞直接或间接实现往复运动，其最大优点是节省安装空间。测量棒为圆柱形，在无杆气缸的带动下实现往复运动，测量时测量棒紧靠在带钢边缘形成点接触，测量精确。传感器实现测量棒的位置测量。

1.6 切割系统

切割系统由等离子切割机、割把夹持装置、割把摆动和横移装置组成［5］。等离子切割机采用的是ESAB等离子切割机，能够自动启动和停止，切割所用的割嘴和电极具有很长的使用寿命。割把夹持装置将割把固定，同时可以带动割把实现升降运动，切割时割把落下，切割停止时割把升起。割把摆动和横移装置实现割把沿垂直于带钢中心线的方向运动，防止切斜，为后续的钢管生产提供良好的保障［6-7］。

1.7 液压系统

液压系统采用德国力士乐液压系统，电机功率37 kW；液压泵采用力士乐A10VSO系列DFLR恒功率液压泵，该泵在不同的工作压力下，输出不同的流量，最终使其流量和压力的乘积维持常数［8］；因此，下旋转辊电机工作时可以输出恒驱动转矩，既能够稳定工作，又能够对设备起到保护作用。

1.8 电气控制系统

电气控制系统采用西门子S7-300系列PLC作为主控，并通过PROFIBUS-DP网络对现场的操作点及数据进行采集。切割系统纵向和横向移动均采用德国STOBER交流伺服电机进行控制，响应快速，对位置和速度的控制精度高。测量装置用来测量无杆气缸伸出量的4个传感器均采用德国TRElectronic公司的直线位移编码器，具有测量精度高、无温度漂移、使用寿命长等优点，并且支持PROFIBUS-DP网络，可以将测量所得的绝对值信号直接传送给PLC。PLC经过计算偏移量来调节直线驱动器伸出量，从而调节切割角度防止切斜。

预开卷机在使用过程中，有工作运行状况的动态显示，故障诊断及报警功能。该电气控制系统具有独立的西门子PROFISAFE安全总线系统；因此，具有良好的互锁、自锁及安全保护措施，以确保设备和人身安全。

图1 预开卷机结构示意

2 工作原理及过程

2.1 工作原理

预开卷机的重要工作就是将钢卷“舌头”切除，使切除后的钢卷头部能够顺利地与前一个钢卷的尾部对接。为了保证对接良好，切割时必须切正。板头测量和切割如图2所示。其中，ABCD为4个测量棒的测量点。当板头被夹紧，4套测量装置同时进行测量，测得每个测量点距板边在水平方向的距离分别为X1、X2、X3、X4。切割割把的初始位置为M点，割把可以绕N点摆动，摆动距离Y到达L点，线段LN与带钢中心线垂直，割把沿LN方向进行切割，从而保证切割质量。Y值计算如下：距离Y（1线段AC）和X（线段MN）已知，根据三角形EFG和NML相似可以求出Y=（X2+X4-X1-X3）X/（2Y）1。图4中带钢位置Y值为正值，如果带钢向左倾斜，Y值为负值，割把沿ML反方向运动距离Y。

图2 板头测量和切割示意

2.2 误差分析

Y值的计算公式是以带钢头部尺寸精确（宽度一致，无侧弯）为前提的，但在实际生产过程中带钢头部尺寸总会有误差，那么计算出来的Y值也会有误差，从而造成切斜。带钢头部尺寸主要有宽度变化和侧弯量两项对切斜量有影响。由于螺旋缝焊管前摆机组采用带钢中心线递送成型，Y值是按中心线进行计算的，所以带钢宽度的变化对切斜量影响很小，可忽略不计。以下主要分析带钢侧弯量对切斜量的影响。

为了简化计算，假定带钢无侧弯、无宽度变化，带钢中心线与测量装置的中心线重合，即X1=X2=X3=X4，Y=0。带钢宽度一致、无侧弯时的板头测量和切割如图3所示。

图3 带钢宽度一致、无侧弯时的板头测量和切割示意

带钢宽度一致、有侧弯时的板头测量和切割如图4所示。带钢宽度为b，均匀无变化，带钢在长度λ上侧弯量为δ，4个测量点（A、B、C、D）测得距离分别为 X1′、X2′、X3′、X4′，偏移量为 Y′。通过几何分析，可得出偏移量Y′和切斜量t的计算公式：

由式（1）~（2）可得：

如果切斜量t∧3（mm），那么带钢头部和尾部对接时，带钢头部一侧比另一侧要多铣削3 mm以上，这样就必须降低铣削移动速度；如果切斜量t∧6（mm），需要铣削两次，大大降低了生产效率。目前生产使用最多的带钢宽度b=1 550（mm），预开卷机的设计值 X=2 635（mm），Y1=825（mm），λ=2（mm）。当 t=3（mm）时，带入式（3）求得 δ=0.963（mm）；当 t=6（mm）时，带入式（3）求得δ=1.925（mm）。

带钢在一定长度上的侧弯量称为带钢“镰刀弯”，在检测时带钢长度一般取5 m，将0.963 mm/2 m和1.925 mm/2 m比例换算后分别为6 mm/5 m和12 mm/5 m。也就是说当带钢“镰刀弯”最大不超过6 mm/5 m时，切斜量t=0~3（mm）；当“镰刀弯”最大不超过 12 mm/5 m 时，切斜量 t=0~6（mm）［9-11］。

图4 带钢宽度一致、有侧弯时的板头测量和切割示意

2.3 工作过程

吊装钢卷放置在下旋转辊上→上旋转辊压下→旋转辊旋转→手工火焰切断包装带并移走→利用铲刀将板头展平→夹持板头→拖拽板头到合适位置→测量板边→根据测量结果切割带钢“舌头”并移走→钢卷吊走放置在上料区→下一个工作循环。

钢卷从预开卷机吊走时，由于钢卷已经打开，吊装钢卷的吊具必须具有防散卷功能。如果用普通的C型钩或T型钩吊具，必须将钢卷重新包扎，否则会出现散卷事故。

3 结 语

预开卷机已在山东胜利钢管有限公司预精焊机组上使用两年多。该预开卷机工作可靠稳定，特别是对于X80钢级及以上材质钢卷，在打开包装带的时候，能够有效避免散卷事故。在打开X80钢级材质钢卷时，开卷时间6~8 min（不含钢卷吊运过程），能够很好地满足生产需要。由于预精焊机组对于带钢头部和尾部尺寸精度有较高的要求，如果能够将带钢“镰刀弯”控制在6 mm/5 m范围之内，可以大大提高带钢头部和尾部对接铣边速度，节省1~3 min的对接时间，进而提高产量2%~6%，这对钢管生产厂的意义是重大的。

［1］侯永利，杨爱民.前摆式螺旋埋弧焊管机组工艺及调型分析［J］.焊管，2011，34（6）：43-46.

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