CN111843450B - 一种大型换热器用自动穿管设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型换热器用自动穿管设备，包括底座，底座上设有两个相互平行的机座，两个机座可在底座上沿同一方向同步滑动，两个机座之间水平设有主梁，主梁可在机座之间上下滑动，主梁上设有导向机构，导向机构可在主梁上水平滑动；主梁上设有自动上料机构和起始存放换热管的料槽，自动上料机构从料槽抓取换热管并将其移动到导向机构上，换热器管板设置于导向机构下方，导向机构保持换热管处于竖直状态插入换热器管板的管孔中。本发明自动穿管设备适用于竖穿管，解决现有技术中的效率低下、劳动强度大、换热管磕碰管板孔、工艺复杂等问题。

Description

一种大型换热器用自动穿管设备

技术领域

本发明涉及换热器穿管技术领域，特别涉及一种大型换热器用自动穿管设备。

背景技术

管式换热器是最典型的间壁式换热器，在工业上的应用非常广泛。管式换热器主要由壳体、管束(换热管)、管板和封头组成。在管式换热器的生产制作中，将换热管穿入多层管板的工艺(穿管工艺)是整个工艺流程中的几个关键工艺之一，也是耗时最长、最容易影响产品质量的工艺。

随着化工设备、电站的大型化，其管板直径变得越来越大、换热管的长度也越来越长，直径为4m-5m的管板和长度为5m-8m的换热管都很常见。大型管板的特点是管孔数量多、密、孔径小、深、精度和光洁度要求高，对穿管工艺的要求也非常高。

现有的对大型管式换热器穿管的技术方案中，较普遍的是人工横穿管，即将换热器横倒平放在作业平台上，再进行水平穿管。这种技术方案比较适用于较小的换热器，对于大型换热器(管子长度5m-8m)来说，它具有效率低下、劳动强度大等缺陷，并且由于是横向穿管，在作业中容易出现换热管磕碰管板孔的现象，影响产品质量。

在有合适场地的情况下，还有一些生产厂家采用人工竖穿管，将换热器竖直放置在地坑中，由人工利用吊车等工具从上往下竖直穿管。人工竖穿管也存在效率低下、劳动强度大等缺陷；同时由于是人工作业，作业的质量和效率主要取决于工人的熟练度和技术能力；并且也会出现换热管磕碰管板孔的现象，只不过相对于人工横穿管，出现的几率较小。

自动化的穿管设备目前基本都是横穿管，需要配置复杂的穿管导向机构，防止换热管磕碰管板孔，而且在后续的胀管工艺之前，需要将穿管导向机构从管板上拆除，这样做实际上并没有简化工艺，反而复杂化了。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种大型换热器用自动穿管设备，适用于竖穿管，解决现有技术中的效率低下、劳动强度大、换热管磕碰管板孔、工艺复杂的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种大型换热器用自动穿管设备，包括底座，所述底座上设有两个相互平行的机座，两个所述机座可在所述底座上沿同一方向同步滑动，两个所述机座之间水平设有主梁，所述主梁可在所述机座之间上下滑动，所述主梁上设有导向机构，所述导向机构可在所述主梁上水平滑动；

所述主梁上设有自动上料机构和起始存放换热管的料槽，所述自动上料机构从所述料槽抓取所述换热管并将其移动到所述导向机构上，换热器管板设置于所述导向机构下方，所述导向机构保持所述换热管处于竖直状态插入所述换热器管板的管孔中。

更进一步地，所述导向机构包括平行设置的托架和托板以及连接所述托架和托板的连接架，所述托架设置于所述主梁上，所述托架、连接架和托板共同围成上下贯通的长方体腔室，所述腔室内设有若干个穿管导向通道使所述换热管在向下移动的过程中保持竖直状态。

更进一步地，所述导向机构还包括设置于所述腔室内壁的至少两排滚轮组件，其中所述腔室的上端和下端分别设有一排所述滚轮组件；

相邻排的所述滚轮组件之间设有导向套，所述导向套由多个竖直设置的可供所述换热管穿过的导向管构成；

每排所述滚轮组件由相对设置的两个滚轮组构成，所述滚轮组分为主动滚轮组和被动滚轮组两种，所述腔室内至少设有一个所述主动滚轮组，其余为所述被动滚轮组，且最下排的所述滚轮组件上设有至少一个所述主动滚轮组；

所述主动滚轮组和被动滚轮组均由多个大小相同、并排设置且轴心在同一直线上的滚轮构成，相邻排所述滚轮组件上的滚轮上下位置对应；

所述滚轮外圆周向内凹陷形成弧形槽，每排所述滚轮组件上相对的两个滚轮的弧形槽之间形成的间隙使所述换热管能刚好穿过，所述导向管设置于相邻排所述滚轮组件之间所述换热管穿过的路径上，同一竖直平面内的所述间隙和导向管共同组成所述穿管导向通道。

更进一步地，每排所述滚轮组件上相对的两个滚轮的弧形槽处于当所述换热管穿过时所述换热管横截面同心同径的圆上。

更进一步地，所述导向管的轴心线与每排所述滚轮组件上相对的两个滚轮的弧形槽形成的圆的轴心线在同一平面上。

更进一步地，所述导向管为上端开口大下端开口小的喇叭状结构。

更进一步地，相邻排所述滚轮组件的距离小于所述换热管的长度。

更进一步地，所述导向机构下表面与所述换热器管板上表面的距离小于所述换热管的长度。

更进一步地，所述导向机构上设有压紧机构在穿管结束后对所述换热管进行压齐。

更进一步地，所述腔室内壁设有电机座，所述电机座上设有减速电机，所述主动滚轮组由多个主动滚轮通过长轴连接组成，所述主动滚轮组通过联轴器连接所述减速电机；所述被动滚轮组由多个被动滚轮组成；所述主动滚轮和被动滚轮设置于所述托架或托板上。

本发明的有益效果在于：

1、本申请提供的大型管式换热器自动穿管设备尤其适用于大型管板(直径为4m-5m)和长换热管(长度为5m-8m)的管式换热器自动穿管作业，配合自动化控制系统可以大幅度降低穿管作业的劳动强度，提高作业效率。

2、本申请提供的设备采用竖直穿管，并设置有高精度的换热管导向机构6，采用主动滚轮组28+被动滚轮组27+导向套29的导向模式，可以在穿管过程中保持换热管2自身的平直和稳定位移，有效地避免作业中换热管2磕碰管板孔的现象，保证作业质量。

3、本申请提供的机械臂51+气动夹具52的上料模式，可以在高效率上料的同时保证上料的位置精度。

4、本申请提供的托架移动机构5可以适应多种不同的换热管2布置模式。

5、本申请提供的机座移动机构3、主梁升降机构4与托架移动机构5组合，分别采用第一直线滑轨15+伺服减速电机14、第二直线滑轨20+第一液压缸22和导向轴24+导向轴套25+第二液压缸26的运动模式，可以保证换热器在自动穿管过程中定位精度，使机械臂51可以按照换热器2的图纸或数模自动寻找其余的穿管位置，从而实现穿管自动化。

6、本申请提供的压紧机构7，可以在穿管完毕后，对换热管2进行压齐，不需要在换热器1中设置额外的辅助装置，穿管完毕后可以直接进行后续的焊接、胀管等工艺。

附图说明

图1是本申请设备的结构示意图；

图2是本申请重要部件位置示意图；

图3是本申请机座移动机构的剖视图；

图4是图3局部A的放大图；

图5是本申请主梁升降机构的剖视图；

图6是本申请主梁升降机构的局部示意图；

图7是本申请托架移动机构和压紧机构的结构示意图；

图8是本申请导向机构的结构示意图；

图9是本申请导向机构最下排滚轮组件的结构示意图；

图10是图9局部B的放大图；

图11是图9局部C的放大图；

图12是本申请导向机构最下排滚轮组件穿管过程中状态图；

图13是图12局部D的放大图；

图14是本申请导向机构的内部示意图；

图15是本申请导向机构的剖视图；

图16是图15局部E的放大图；

图17是本申请被动滚轮的结构示意图；

图18是本申请被动滚轮的剖面图；

图19是本申请主动滚轮的结构示意图；

图20是本申请主动滚轮的剖面图；

图21是本申请设备的后视图；

其中：1-换热器，2-换热管，3-机座移动机构，4-主梁升降机构，5-托架移动机构，6-导向机构，7-压紧机构，8-料槽，9-自动上料机构，10-机座，11-导向管，12-导轨底座，13-混凝土地基，14-伺服减速电机，15-第一直线滑轨，16-第一滑块，17-齿轮，18-齿条，19-主梁，20-第二直线滑轨，21-第二滑块，22-第一液压缸，23-托架，24-导向轴，25-导向轴套，26-第二液压缸，27-被动滚轮组，28-主动滚轮组，29-导向套，30-连接架，31-托板，32-被动滚轮，33-主动滚轮，34-长轴，35-联轴器，36-减速电机，37-电机座，38-滚轮座，39-被动轴，40-轴承，41-轴套，42-滚轮，43-弧形槽，44-间隙，45-传动键，46-压紧架，47-压板，48-导杆，49-导套，50-第三液压缸，51-机械臂，52-气动夹具。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明做进一步描述。本发明可以以许多不同的形式实施，而不应该被理解为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将把本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将仅由权利要求来限定。

如图1和2所示为本申请设备的结构示意图，本申请大型换热器用自动穿管设备设置于混凝土地基13上，混凝土地基13上平行设置有两个导轨底座12，每个导轨底座12上分别设有一个机座10，导轨底座12和机座10之间设有机座移动机构3，两个机座10在机座移动机构3的作用下可在导轨底座12上沿同一方向同步滑动。

两个机座10之间水平设有主梁19，机座10和主梁19之间设有主梁升降机构4，主梁19在主梁升降机构4的作用下可在机座10之间竖直方向上下滑动。

主梁19上设有导向机构6，导向机构6通过托架23设置于主梁10上，导向机构6与主梁19之间设有托架移动机构5，导向机构6在托架移动机构5的作用下可在主梁19上水平滑动。

主梁19上设有自动上料机构9和起始存放换热管2的料槽8，自动上料机构9从料槽8抓取换热管2并将其移动到导向机构6上，换热器1的管板设置于导向机构6下方，导向机构6保持换热管2处于竖直状态插入换热器1管板的管孔中。

如图3和4所示为本申请机座移动机构3的结构示意图，其作用在于使机座10在导轨底座12上沿导轨底座12的方向同步滑动，将此方向定义为Y方向，从而在穿管过程中调节换热管2在Y方向上的位置。

机座移动机构3的数量为2套，机座移动机构3由伺服减速电机14、第一直线滑轨15、第一滑块16、齿轮17、齿条18等组成，伺服减速电机14和第一滑块16安装在机座10底部，第一直线滑轨15和齿条18安装在导轨底座12上，齿轮17安装在伺服减速电机14的轴上，并与齿条18啮合；第一直线滑轨15和第一滑块16配合导向；导轨底座12安装在混凝土地基13上，是整个设备的安装基础；混凝土地基13可以用钢桁架代替，只用于垫高整个设备。

机座10分布在设备两端，作为主梁升降机构4的承重立柱；2套机座移动机构3与中间的主梁升降机构4共同组成了龙门式的变位机构。

如图5和6所示为本申请主梁升降机构4的结构示意图，其作用在于使主梁19在机座10之间竖直上下滑动，将竖直方向定义为Z方向，从而在穿管过程中调节换热管2在Z方向上的位置。

主梁升降机构4数量为2套，主梁升降机构4由第二直线滑轨20、第二滑块21和第一液压缸22组成。主梁19在设备中间，第二滑块21分别安装在主梁19的两侧；第二直线滑轨20安装在机座10上，与第二滑块21配合导向；第一液压缸22安装在主梁19上，第一液压缸22的杆端连接机座10，为主梁19的升降提供动力。

如图7所示为本申请托架移动机构5的结构示意图，其作用在于使托架23/导向机构6在主梁19上水平滑动，将此方向定义为X方向(X方向与Y方向垂直，且在同一水平面内)，从而在穿管过程中调节换热管2在X方向上的位置。因此本申请设备可在穿管过程中从三个方向(X、Y、Z)对换热管2的位置进行精确调节。

托架移动机构5数量为1套，托架移动机构5由导向轴24、导向轴套25和第二液压缸26组成。托架23布置在主梁19的中间；导向轴24安装在托架23两端，与导向轴套25配合导向；导向轴套25和第二液压缸26均安装在主梁19上，第二液压缸26的杆端连接托架23，为托架23平移提供动力。

如图8-20所示为本申请导向机构6的结构示意图，导向机构6数量为1套，导向机构6由托架23、平行于托架23设置的托板31、连接托架23与托板31的连接架30、滚轮组件和导向套29构成。

托架23设置于主梁19上，托架23、连接架30和托板31共同围成上下贯通的长方体腔室，腔室内设有若干个穿管导向通道使换热管在向下移动的过程中保持竖直状态。

腔室内壁设有至少两排滚轮组件，其中腔室的上端和下端分别设有一排滚轮组件；如图14-16所示，腔室内壁设有3排滚轮组件，分别设置有腔室的上端、中部和下端，根据换热管2的长度以及穿管工艺需要，可以设置多排滚轮组件，保证穿管导向的顺利进行。

相邻排的滚轮组件之间设有导向套29，导向套29安装在托架23上。导向套29由多个竖直设置的可供换热管穿过的导向管11构成。

每排滚轮组件由相对设置的两个滚轮组构成，滚轮组分为主动滚轮组28和被动滚轮组27两种，腔室内至少设有一个主动滚轮组28，其余为被动滚轮组27，且最下排的滚轮组件上设有至少一个主动滚轮组28；如图14-16所示作为其中一种实施例，最下排的滚轮组件设有一个主动滚轮组28，其它均为被动滚轮组27，布置方式为：托板31上布置3列被动滚轮组27，托架23上布置2列被动滚轮组27和1列主动滚轮组28。被动滚轮32、主动滚轮33和导向套29组成换热管导向通道。结合换热管2的重力作用，主动滚轮组28为换热管2的向下移动提供辅助动力。

主动滚轮组28和被动滚轮组27均由多个大小相同、并排设置且轴心在同一直线上的滚轮构成，相邻排滑轮组件上的滚轮上下位置对应。

主动滚轮组28和被动滚轮组27的结构为：腔室内壁设有电机座37，电机座37上设有减速电机36，主动滚轮组28由多个主动滚轮33通过长轴34连接组成，主动滚轮组28通过联轴器35连接减速电机36；被动滚轮组27由多个被动滚轮32组成。主动滚轮33和被动滚轮32设置于托架23或托板31上。如图17-20所示为主动滚轮和被动滚轮的结构示意图，被动滚轮32由滚轮座38、被动轴39、轴承40、轴套41和滚轮42组成；主动滚轮33由滚轮座38、轴承40、轴套41、传动键45和滚轮42组成。

滚轮外圆周向内凹陷形成弧形槽43，每排滚轮组件上相对的两个滚轮的弧形槽43之间形成的间隙44使换热管2能刚好穿过，导向管11设置于相邻排滚轮组件之间换热管2穿过的路径上，同一竖直平面内的间隙44以及导向管11共同组成穿管导向通道，在换热管2重力和主动滚轮组28的作用力下，换热管2向下移动，且在移动过程中始终保持竖直状态。

每排滚轮组件上相对的两个滚轮的弧形槽43处于当换热管2穿过时换热管2横截面同心同径的圆上。从而对穿过间隙44的换热管2进行全方位限位，使换热管2能保持竖直状态穿过间隙44向下移动。

导向管11的轴心线与每排滚轮组件上相对的两个滚轮的弧形槽43形成的圆的轴心线在同一平面上，使穿过相对设置的两个滚轮之间间隙44的换热管2能刚好到达导向管11中，在导向管11的导向作用下竖直向下移动。

导向管11为上端开口大下端开口小的喇叭状结构，使换热管2能更顺利进入导向管11内。

相邻排滚轮组件的距离小于换热管2的长度，使换热管2在导向机构6中向下移动的过程中始终保持有一端在间隙44中，从而能更好保持换热管2的竖直状态，不至于在换热管2向下移动的过程中发生左右的偏移。

导向机构6下表面与换热器1管板上表面的距离小于换热管2的长度，使换热管2在上端离开导向机构6下表面前，下端已经进入换热器1管板的管孔，换热管2能更顺利进入换热器1管板的管孔。

如图7所示为本申请压紧机构7的结构示意图，压紧机构7数量为1套，压紧机构7由压紧架46、压板47、导杆48、导套49和第三液压缸50组成；压紧架46安装在托架23上；导杆48安装在压板47上；导套49安装在压紧架46上；导杆48与导套49配合导向；第三液压缸50安装在压紧架46上，第三液压缸50的杆端连接压板47，为压板47的上下移动提供动力。

如图21所示，料槽8数量为2套，料槽8安装在主梁19上，为换热管2的起始存放装置。自动上料机构9数量为1套，自动上料机构9由机械臂51和气动夹具52组成；机械臂51安装在主梁19上；气动夹具52安装在机械臂51的末端；自动上料机构9负责从料槽8抓取换热管2，再将换热管2送到换热管2导向通道上方，并配合换热管2的穿管作业。

更进一步地，自动上料机构9的数量也可以为多套，多个机械臂51和气动夹具52同时从料槽8抓取换热管2。料槽8的数量也可以为1套或多套。

本申请设备还包括工作站PLC，对机座移动机构3、主梁升降机构4和托架移动机构5的运动轨迹进行控制，从而实现自动化精准定位，使机械臂51可以按照换热器2的图纸或数模自动寻找其余的穿管位置，大幅度降低穿管作业的劳动强度，提高作业效率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种大型换热器用自动穿管设备，其特征在于：包括底座，所述底座上设有两个相互平行的机座（10），两个所述机座（10）可在所述底座上沿同一方向同步滑动，两个所述机座（10）之间水平设有主梁（19），所述主梁（19）可在所述机座（10）之间上下滑动，所述主梁（19）上设有导向机构（6），所述导向机构（6）可在所述主梁（19）上水平滑动；

所述主梁（19）上设有自动上料机构（9）和起始存放换热管的料槽（8），所述自动上料机构（9）从所述料槽（8）抓取所述换热管并将其移动到所述导向机构（6）上，换热器管板设置于所述导向机构（6）下方，所述导向机构（6）保持所述换热管处于竖直状态插入所述换热器管板的管孔中。

2.根据权利要求1所述一种大型换热器用自动穿管设备，其特征在于：所述导向机构（6）包括平行设置的托架（23）和托板（31）以及连接所述托架（23）和托板（31）的连接架（30），所述托架（23）设置于所述主梁（19）上，所述托架（23）、连接架（30）和托板（31）共同围成上下贯通的长方体腔室，所述腔室内设有若干个穿管导向通道使所述换热管在向下移动的过程中保持竖直状态。

3.根据权利要求2所述一种大型换热器用自动穿管设备，其特征在于：所述导向机构（6）还包括设置于所述腔室内壁的至少两排滚轮组件，其中所述腔室的上端和下端分别设有一排所述滚轮组件；

相邻排的所述滚轮组件之间设有导向套（29），所述导向套（29）由多个竖直设置的可供所述换热管穿过的导向管（11）构成；

每排所述滚轮组件由相对设置的两个滚轮组构成，所述滚轮组分为主动滚轮组（28）和被动滚轮组（27）两种，所述腔室内至少设有一个所述主动滚轮组（28），其余为所述被动滚轮组（27），且最下排的所述滚轮组件上设有至少一个所述主动滚轮组（28）；

所述主动滚轮组（28）和被动滚轮组（27）均由多个大小相同、并排设置且轴心在同一直线上的滚轮构成，相邻排所述滚轮组件上的滚轮上下位置对应；

所述滚轮外圆周向内凹陷形成弧形槽（43），每排所述滚轮组件上相对的两个滚轮的弧形槽（43）之间形成的间隙（44）使所述换热管能刚好穿过，所述导向管（11）设置于相邻排所述滚轮组件之间所述换热管穿过的路径上，同一竖直平面内的所述间隙（44）和导向管（11）共同组成所述穿管导向通道。

4.根据权利要求3所述一种大型换热器用自动穿管设备，其特征在于：每排所述滚轮组件上相对的两个滚轮的弧形槽（43）处于当所述换热管穿过时所述换热管横截面同心同径的圆上。

5.根据权利要求3所述一种大型换热器用自动穿管设备，其特征在于：所述导向管（11）的轴心线与每排所述滚轮组件上相对的两个滚轮的弧形槽（43）形成的圆的轴心线在同一平面上。

6.根据权利要求3所述一种大型换热器用自动穿管设备，其特征在于：所述导向管（11）为上端开口大下端开口小的喇叭状结构。

7.根据权利要求3所述一种大型换热器用自动穿管设备，其特征在于：相邻排所述滚轮组件的距离小于所述换热管的长度。

8.根据权利要求1所述一种大型换热器用自动穿管设备，其特征在于：所述导向机构（6）下表面与所述换热器管板上表面的距离小于所述换热管的长度。

9.根据权利要求1所述一种大型换热器用自动穿管设备，其特征在于：所述导向机构（6）上设有压紧机构（7）在穿管结束后对所述换热管进行压齐。

10.根据权利要求3所述一种大型换热器用自动穿管设备，其特征在于：所述腔室内壁设有电机座（37），所述电机座（37）上设有减速电机（36），所述主动滚轮组（28）由多个主动滚轮（33）通过长轴（34）连接组成，所述主动滚轮组（28）通过联轴器（35）连接所述减速电机（36）；所述被动滚轮组（27）由多个被动滚轮（32）组成；所述主动滚轮（33）和被动滚轮（32）设置于所述托架（23）或托板（31）上。

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