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熱交換器是流體進(jìn)行熱量交換的一種工藝換熱設(shè)備，可滿足一種高溫流體降溫和另一種低溫流體升溫的需要。其在化工、石油、制藥及能源等工業(yè)部門(mén)應(yīng)用相當(dāng)廣泛，是化工生產(chǎn)中不可缺少的重要設(shè)備之一［1］。管束結(jié)構(gòu)（圖1）是熱交換器的重要組成部分，由管板、折流板、拉桿、定距管（分段套在拉桿外面，位于折流板間）、換熱管等組成［2］。管束結(jié)構(gòu)中包含大量的換熱管，換熱管質(zhì)量在管束結(jié)構(gòu)總質(zhì)量中的占比高達(dá)80%。

圖1 熱交換器管束結(jié)構(gòu)示圖

換熱管管束穿管主要包含抬管、認(rèn)管頭、推管3個(gè)作業(yè)流程，目前整個(gè)作業(yè)流程全部由手工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，無(wú)其他機(jī)械設(shè)備協(xié)助，效率極低。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1臺(tái)熱交換器的管束需3～4人用時(shí)1.5 d才能完成換熱管的穿管，無(wú)法滿足車(chē)間產(chǎn)品正常生產(chǎn)進(jìn)度，因而大約有半數(shù)的管束穿管工作需要通過(guò)外協(xié)加以解決，不僅增加了制造成本，而且外協(xié)的交貨期也無(wú)法保證。為了有效提高熱交換器管束的穿管效率，滿足生產(chǎn)需要，且穿管為重復(fù)性工作，無(wú)需太高的人工技能，有必要將手工穿管作業(yè)升級(jí)為機(jī)械全自動(dòng)作業(yè)［3-5］。

1 直管換熱管穿管操作現(xiàn)狀及自動(dòng)化升級(jí)思路

1.1 穿管流程

直管換熱管人工穿管操作現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖2。操作時(shí)，由3名操作者同時(shí)抬起1根換熱管，另有1名操作者負(fù)責(zé)將換熱管對(duì)準(zhǔn)折流板管孔，然后3名操作者向前推動(dòng)換熱管使其進(jìn)入管孔，直至穿過(guò)固定管板。

圖2 人工穿管操作現(xiàn)場(chǎng)

1.2 穿管要求

穿管過(guò)程中，抬起換熱管管束時(shí)要求換熱管基本平直無(wú)彎曲，以防止因管頭翹曲無(wú)法進(jìn)入折流板管孔。認(rèn)管頭時(shí)要求換熱管和折流板管孔基本在一條直線上。推動(dòng)管束時(shí)要求做到換熱管受力與換熱管基本在一條直線上，以有效推動(dòng)換熱管進(jìn)入管孔。

1.3 升級(jí)方案

抬管升級(jí)方案為用水平槽取代人工抬管，抬管水平槽實(shí)物見(jiàn)圖3。

圖3 抬管水平槽實(shí)物圖

認(rèn)管頭升級(jí)方案為，根據(jù)換熱管布管圖 （圖4），基于換熱管的孔心距，用小程序計(jì)算和控制完成換熱管管頭與管孔的一對(duì)一對(duì)中。

圖4 管板孔水平等距布置

推管升級(jí)方案類似埋弧焊的自動(dòng)送絲。埋弧焊送絲機(jī)構(gòu)實(shí)物圖見(jiàn)圖5，驅(qū)動(dòng)部分由可調(diào)預(yù)緊力壓桿、主動(dòng)輪及從動(dòng)輪組成?？烧{(diào)預(yù)緊力壓桿起壓緊焊絲作用，其把手可旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)壓緊度。電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，為送絲提供動(dòng)力。從動(dòng)輪將焊絲壓入送絲輪上方的送絲槽，增大焊絲與送絲輪的摩擦，使焊絲平穩(wěn)地送出［6-12］。

圖5 埋弧焊送絲機(jī)構(gòu)實(shí)物

2 直管換熱管自動(dòng)化穿管設(shè)備系統(tǒng)

整個(gè)換熱管自動(dòng)化穿管系統(tǒng)由上料機(jī)構(gòu)、水平支撐機(jī)構(gòu)、送管機(jī)構(gòu)、連動(dòng)控制機(jī)構(gòu)和其他輔助設(shè)備等共5部分組成，可以實(shí)現(xiàn)換熱管自動(dòng)抬管、程序識(shí)別管頭及自動(dòng)推管到指定位置全部機(jī)械化操作［13-15］。

2.1 上料機(jī)構(gòu)

熱交換器自動(dòng)化穿管上料機(jī)構(gòu)主要由20°斜平臺(tái)、凸緣卡槽和氣缸組成，可實(shí)現(xiàn)換熱管的自動(dòng)上料，其實(shí)物見(jiàn)圖6。操作時(shí)，換熱管在自重作用下進(jìn)入凸緣卡槽，氣缸帶動(dòng)凸緣槽前后翻轉(zhuǎn)，將換熱管送入水平槽中。

圖6 熱交換器自動(dòng)化穿管操作現(xiàn)場(chǎng)上料機(jī)構(gòu)實(shí)物

2.2 水平支撐機(jī)構(gòu)

熱交換器自動(dòng)化穿管水平支撐機(jī)構(gòu)主要由槽鋼和錐形滾輪組成，實(shí)物見(jiàn)圖7。槽鋼水平放置，長(zhǎng)度9 m。錐形滾輪選用耐磨性能優(yōu)良的硬質(zhì)合金S51550制造，并根據(jù)換熱管規(guī)格、加緊力和上、下滾輪的配合要求，設(shè)計(jì)為60°夾角。

圖7 熱交換器自動(dòng)化穿管操作現(xiàn)場(chǎng)水平支撐機(jī)構(gòu)實(shí)物

2.3 換熱管推送機(jī)構(gòu)

熱交換器自動(dòng)化穿管換熱管推送機(jī)構(gòu)由氣動(dòng)加緊機(jī)構(gòu)、電機(jī)齒輪、氣動(dòng)補(bǔ)推機(jī)構(gòu)組成，可實(shí)現(xiàn)換熱管直線送進(jìn)，其實(shí)物見(jiàn)圖8。

圖8 熱交換器自動(dòng)化穿管操作現(xiàn)場(chǎng)換熱管推送機(jī)構(gòu)實(shí)物

以長(zhǎng)度6 000 mm換熱管的推送過(guò)程為例，說(shuō)明換熱管推送機(jī)構(gòu)的用法。換熱管推送過(guò)程分2個(gè)步驟，前5 500 mm管長(zhǎng)輔以錐形引導(dǎo)頭，由氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)和電機(jī)齒輪依靠摩擦力送管，后500 mm管長(zhǎng)用氣動(dòng)機(jī)構(gòu)送管。后500 mm管長(zhǎng)推送時(shí)因管板孔直徑小，夾緊產(chǎn)生的摩擦力相對(duì)不足，這時(shí)需依靠氣動(dòng)機(jī)的推力頂進(jìn)管板。氣動(dòng)機(jī)的作用是補(bǔ)充性的，所以稱為氣動(dòng)補(bǔ)推機(jī)構(gòu)。目前每排換熱管第一根和最后一根的管頭識(shí)別由人工輔以確認(rèn)，中間換熱管全由計(jì)算軟件控制實(shí)現(xiàn)連續(xù)性穿管。

2.4 連動(dòng)控制機(jī)構(gòu)

熱交換器自動(dòng)化穿管連動(dòng)控制機(jī)構(gòu)主要由控制軟件、十字行走機(jī)架及位置感應(yīng)器組成，用于換熱管水平方向遞進(jìn)式依次穿管，其現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物見(jiàn)圖9［16-17］。穿管時(shí)，送管機(jī)構(gòu)夾緊送管，穿至5500mm后感應(yīng)開(kāi)關(guān)感應(yīng)控制夾緊機(jī)構(gòu)提升，氣動(dòng)補(bǔ)推機(jī)構(gòu)推進(jìn)后500 mm，感應(yīng)開(kāi)關(guān)確定推到位置后控制補(bǔ)推機(jī)構(gòu)收縮到起始位置，機(jī)架平行向前移動(dòng)一個(gè)孔位，控制上管機(jī)構(gòu)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)上管。

圖9 熱交換器自動(dòng)化穿管操作現(xiàn)場(chǎng)連動(dòng)控制機(jī)構(gòu)實(shí)物

2.5 其它輔助設(shè)備

熱交換器自動(dòng)化穿管系統(tǒng)其它輔助設(shè)備主要包括上料架（圖 10）、管束支撐架（圖 11）和管板高度調(diào)整液壓升降機(jī)（圖12）。

圖10 熱交換器自動(dòng)化穿管操作現(xiàn)場(chǎng)上料架實(shí)物

圖11 熱交換器自動(dòng)化穿管操作現(xiàn)場(chǎng)管束支撐架實(shí)物

圖12 熱交換器自動(dòng)化穿管操作現(xiàn)場(chǎng)管板高度調(diào)整液壓升降機(jī)實(shí)物

上料架主要用于放置成捆的換熱管，在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)方便換熱管上管。管束支撐架用于不同直徑管束水平放置，換熱管與拆流板組裝后可以根據(jù)折流板直徑大小選用合適的支撐架。管板高度調(diào)整液壓升降機(jī)用于調(diào)整管板高度，保證管板與折流板同心，因管板外圓尺寸大于折流板的，穿管時(shí)管板不能同折流板一起放到支撐架上。

3 熱交換器自動(dòng)化穿管系統(tǒng)使用情況及后續(xù)提升方向

3.1 使用情況

熱交換器自動(dòng)化穿管系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于2臺(tái)工業(yè)熱交換器的自動(dòng)化穿管 （換熱管長(zhǎng)為6 m），應(yīng)用效果良好。對(duì)自動(dòng)化穿管的平均用工和用時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并與手動(dòng)穿管進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 自動(dòng)化穿管與手動(dòng)穿管統(tǒng)計(jì)與對(duì)比

管束定位時(shí)需增加1人配合調(diào)整管束架，保證管板和折流板管孔同心，后續(xù)其他工序可1人完成操作。自動(dòng)化穿管操作的速度達(dá)到500～600根/班，為手動(dòng)速度的2～3倍，勞動(dòng)強(qiáng)度降低70%。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單便捷，通過(guò)短時(shí)間培訓(xùn)后能直接操作。

3.2 后續(xù)提升方向

目前自動(dòng)化穿管系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一排排換熱管連續(xù)性自動(dòng)穿管，后續(xù)將借鑒視覺(jué)系統(tǒng)的管板自動(dòng)封焊（圖13）技術(shù)，引入視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行管孔定位，由電腦控制設(shè)備進(jìn)行全自動(dòng)穿管。

圖13 視覺(jué)系統(tǒng)的管板自動(dòng)封焊實(shí)物

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)熱交換器直管管束特點(diǎn)，細(xì)分了穿管流程及要求，簡(jiǎn)化了工序邊界條件，通過(guò)對(duì)自動(dòng)化穿管工藝的研究，采用機(jī)械化操作取代手動(dòng)作業(yè)，完成了直管熱交換器管束自動(dòng)化穿管系統(tǒng)的設(shè)備設(shè)計(jì)制造，極大提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，在穿管的穩(wěn)定性、質(zhì)量可靠性、自動(dòng)化等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，希望能夠?qū)π袠I(yè)內(nèi)非標(biāo)機(jī)械工裝的設(shè)計(jì)、研究提供一些參考依據(jù)。