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轻型自动液压沟槽机设计思路
谢瑞宝
（五矿二十三冶建设集团第二工程有限公司，湖南 长沙 410000）
摘 要：一款由激光调节水平系统、钢管数据测量系统、人机交互系统、液压控制系统、物料固定及转动系统、
电气控制系统六部分组成的轻型自动液压沟槽机，可进行现场作业，通过程序流程控制自动进行管道压槽，并自动测量和输出压槽结果。
关键词：自动沟槽；液压沟槽；激光调节水平；激光测量沟槽尺寸
沟槽连接（卡箍连接）是一种新型的钢管连接方式，已成为当前液体、气体管道连接的首推技术。具有施工方便、对作业人员技能要求低、不破坏管道防腐层、加工机械价格相对较低等特点。《自动喷水灭火系统设计规范》《消防给水及消火栓系统技术规范》规定，系统管道的连接应采用沟槽式连接，其中自动喷淋系统中直径等于或大于100 mm的管道、消防给水系统中直径大于50 mm的管道，均应采用沟槽式连接。而钢管沟槽连接需要对钢管进行压槽，沟槽机即是钢管压槽的加工设备。
现阶段，镀锌钢管沟槽连接均采用人工操作的电动液压沟槽机进行现场沟槽加工，优缺点如下：
优点：沟槽机简单轻便；沟槽机设备便宜；可现场加工作业。
缺点：沟槽加工速度慢；对操作工人经验及操作要求严格；沟槽质量不稳定，影响管道承压等级；需专人进行沟槽加工作业。
基于市场上现有沟槽机的优缺点，设计新型轻型自动液压沟槽机，该沟槽机分几个系统进行设计：
（1） 激光调节水平系统；（2） 钢管数据测量系统；（3） 人机交互系统（含参数输入、液晶数据显示）；（4） 液压控制系统（含液压沟槽轮控制、液压压力控制）；（5） 钢管固定及转动系统；（6） 电气控制系统。1 激光调节水平系统
该系统主要作用是使沟槽机及管道尾部支撑架保持水平并确保钢管保持水平，保证沟槽过程中钢管不因倾斜而发生沟槽变形。
沟槽机上内置三束水平和垂直激光水准舵，其中两束激光用于调节并确定沟槽机处于水平，一束用于瞄准管尾支架靶心。管尾支架可手动调节高度及水平位置，沟槽机及管尾支架应固定在牢固地面。
激光水准舵参考红外水准仪原理，并通过采样和AD转换，将激光水准数据显示在液晶屏幕上，符合工作要求后单次蜂鸣告知作业人员并开始下一步。
作业过程中若激光水准仪测定数据偏移即沟槽机或钢管未处于水平状态应自动停止沟槽并持续蜂鸣报警。
现市场上有多种激光水平仪，该设备激光调节水平系统与激光水平仪同理，仅需将激光水平仪核心移植至沟槽机内，增加沟槽机与激光水平仪内部接口实现开关水平仪及读
公称直径506580100125150200250
激光头
由激光发射主反射接收组成
取水平数据即可。2 钢管数据测量系统
利用激光测距原理，在钢管运送至沟槽机上时实时测量钢管内外径及壁厚。转动一圈后测得钢管是否有较大变形，若钢管变形较严重，更换钢管物料。激光测量管壁级管径原理如图1所示。
钢管物料
激光测量装置轨道两轴固定于机架上蜗杆
用于配合步进电机匀速前进
步进电机
带动激光头沿轨道及蜗杆匀速前进，接收完第二组反射激光后回原位
图1 激光测量管壁级管径原理图
①系统检测到钢管物料装填完毕后，启动激光测量管径及管壁厚；②激光头发射光束，反射板开始接受反射光，步进电机带动激光头沿蜗杆匀速前进；③反射接收板收到前一个反射光信号后开始计时，停止收到反射光后记录计时；④收到第二轮反射光信号后记录计时，停止收到第二轮反射光信号后记录计时并返回；⑤系统根据四个计时信号及步进电机速度计算出管径及管壁厚；⑥若两个管壁厚数据相差不大，取平均值作为管壁厚度数据，若相差较大则重新测量。
在激光测量出钢管管径及壁厚数据后，ADC转换成数字信号输送至单片机，并与单片机内置数据比较，获得标准沟槽参数并输送至液压控制系统，作为液压控制系统作业参数。钢管尺寸及相应沟槽尺寸如表1所示。
表1 钢管尺寸及相应沟槽尺寸表 /mm
最小壁厚3.53.754.004.004.504.506.006.50
19
13
2.5
16
9.5
2.2
14.5
9.5
2.2
管端至沟
槽边尺寸
沟槽宽度
沟槽深度
单片机在取得管径及壁厚参数后，自动选取适合该管径
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沟槽宽度的沟槽轮并固定至沟槽壁。根据数据表选择合适的管端至沟槽边距离并自动调节匹配的沟槽壁至管端面距离。3 人机交互系统
人机交互系统作为单片机输入输出的一部分，主要有参数输入、显示，操作确认等作用。
可手动输入钢管直径、壁厚、沟槽深度、单次沟槽步进量等参数并实时显示在液晶屏幕上，参数可通过单片机输出至液压控制系统用于作业。4 液压控制系统
目前市面上使用的液压沟槽机均为手动液压，该系统采用自动液压控制，主要为沟槽轮液压顶伸、电动液压压力控制两部分。
沟槽轮液压顶伸主要是控制液压沟槽轮进行沟槽，液压顶伸应阶梯式多次步进，单次沟槽步进量应为常量。根据管径计算管周长，管周长除以管转速（线速度）得出单次沟槽时间，单次沟槽时间加常量后再进行下一次步进。可确保管道沟槽深度均匀、不变形。
由单片机计算后输出单次步进长度和持续时间，每根钢管沟槽需进行多次步进，每次步进量和持续时间均由单片机给定后控制液压系统动作。
液压系统各阀门均为电磁阀，并可通过单片机输出控制。
5 钢管固定及转动系统
钢管放置在沟槽机上后，应采用弹簧臂压住，使其在沟槽转动过程中不摇摆、不跳动。在沟槽机侧和支架侧，采用带转轮的弹簧臂压住钢管。钢管固定及转动系统如图2所示。
液压臂
液压轮支撑轴
三个液压轮尺寸及距管端距离分别为：
液压轮（三个）9.5/14.5 mm；9.5/16 mm；13/19 mm
可自动旋转更换
第一组管内两个托轮尺寸：两个托轮间距宽：9.5 mm内托轮外边距管端：14.5 mm
托轮臂（可液压伸缩）
电机轴
第一组管内两个托轮尺寸：两个托轮间距宽：9.5 mm内托轮外边距管端：16 mm
管内托轮
每组两个（可自动旋转更换）
第一组管内两个托轮尺寸：两个托轮间距宽：13 mm内托轮外边距管端：19 mm
图2 钢管固定及转动系统
转动系统采用主电机带动一组（3个）内托轮顶住并旋转管道进行沟槽。主电机、液压电机均通过电控箱实现手自动控制，自动控制时通过接收单片机输出指令运行或停止。
三个内托轮呈正三角形分布，顶部内托轮与液压轮共同施压进行沟槽，其他两个内托轮根据管内径展开后用于固定和转动钢管。
内托轮处设置砂轮用于打磨钢管端部毛刺。
6 电气控制系统
在沟槽机一侧设置控制箱，箱体面板设手动控制按钮、紧急停止按钮、电源指示、液晶面板、数据输入按键等，箱体内设总开关、主电机及液压电机控制接触器、热继电器、中间继电器、单片机盒、接线端子排等。
电气控制系统如图3所示。
液晶显示屏
液压系统
输入按键
液压电机控制
激光水平仪
单片机
测径传感器
主动力电机控制
激光测距仪
液压轮与内托轮
其他传感器
图3 电气控制系统
轻型自动液压沟槽机工作流程：
沟槽机及支撑架固定→开机自检→激光调水平→钢管上料→测量管径及管壁厚→自动生成或手动输入沟槽深度和步进次数→自动选用适应管径的内托轮组→内托轮展开→弹簧臂压住钢管→启动机器开始沟槽→沟槽完成→打磨钢管端部毛刺→红外测量沟槽尺寸及形状→对比参数是否合格→钢管移出。
该沟槽机可避免人工操作出现的各类问题，同时具备以下功能及优势：
（1） 激光水准仪调节机器及物料水平；（2） 微电脑测量管径、管壁厚；（3） 可手动输入或自动生成沟槽深度；（4） 沟槽速度恒定并多步压槽，避免压槽过快产生不合格情况； 液晶屏显示完整状态参数及沟槽结果评价；（6） 沟槽机液压系统自动控制；（7） 除装卸料外，可手动或无须人工干
预沟槽过程。7 结语
结合水电、消防安装工程施工经验以及市场上现有的手动或自动沟槽机产品，得出该自动液压沟槽机设计思路，旨在有效改进现场钢管压槽作业速度和质量，并节约人工费用以及降低管道因压力试验或密闭试验不合格而造成的返工返修费用。
该设计思路综合考虑机器外形尺寸、制造成本以及实用性，主要在老式手动沟槽机的基础上进行改进及功能扩展，便于运输及使用。
因对其他专业不够熟悉，本设计思路中尚有较多不够翔实之处，如液压控制系统、激光测量系统、微电脑控制系统等，需专业人员进行详细设计或后期再行完善。
参考文献
[1] 孙长库，叶声华.激光测量技术[M].天津：天津大学出版社，
2001.
[2] 常同立.液压控制系统[M].北京：清华大学出版社，2014.[3] 张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2004.
作者简介：谢瑞宝，工程师，研究方向为电气工程和自动化。
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