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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum mechanischen Aufweiten eines Rohres mittels eines Rohrexpanders gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie einen Rohrexpander gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
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Rohrexpander, auf die im Folgenden Bezug genommen wird, dienen zum Aufweiten von Metallrohren. Die Rohre können beispielsweise einen Durchmesser zwischen 400 mm und 2000 mm und eine Wandstärke zwischen 7 mm und 60 mm aufweisen.
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Bekannte Rohrexpander umfassen in der Regel einen frei auskragenden stabförmigen Auslegerarm, an dessen freiem Ende ein Aufweitkopf angeordnet ist. Der Aufweitkopf besteht aus einer Anzahl kreisförmig angeordneter und in radialer Richtung bewegbarer Segmente, die auf der Außenfläche eines Konus gleitend angeordnet sind. Der Konus wird i.d.R. mittels einer durch den Auslegerarm und den Aufweitkopf hindurch verlaufenden Zugstange betätigt. Durch Aufbringen einer Zugkraft an der Zugstange gleitet der Konus in Längsrichtung innerhalb des Aufweitkopfes, wodurch die einzelnen Segmente des Aufweitkopfes mit hoher Kraft nach außen gegen die Innenwandung eines über den Aufweitkopf gestülpten Rohres gepresst werden und den Rohrdurchmesser vergrößern.
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Während des Bearbeitungsprozesses wird das Rohr schrittweise über den Aufweitkopf bewegt und expandiert, bis es auf seiner gesamten Länge auf den gewünschten Durchmesser aufgeweitet ist. Der Vorschub des Rohres erfolgt üblicherweise mittels eines Klemmwagens, der das Rohr an einem frei tragenden Abschnitt festklemmt und schrittweise über den Auslegerarm schiebt. An dem Abschnitt, der über den Auslegerarm geschoben ist, wird das Rohr in der Regel auf Rollen gelagert, wobei es im Wesentlichen konzentrisch zum Auslegerarm angeordnet ist. Die Lagerung des Rohres auf Rollen hat jedoch den Nachteil, dass das Rohr bereits bei geringsten Ungenauigkeiten das Zentrum zum Werkzeug verliert und es dadurch zu einem Verbiegen des Rohres während des Expandier Prozesses kommt. Gerade bei kleineren Rohren mit geringem Eigengewicht kann durch die Bearbeitung des Rohres eine Biegung entstehen. Für die meisten Einsatzgebiete ist aber die Geradheit des Rohres ein wichtiges Qualitätskriterium.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rohrexpander und ein Verfahren zum mechanischen Aufweiten eines Rohres zu schaffen, bei dem das Rohr nach dem Aufweiten neben der gewünschten Rundheit auch eine hohe Geradheit aufweist.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patenanspruch 1 sowie im Patentanspruch 10 angegebenen Merkmale. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum mechanischen Aufweiten eines Rohres mittels eines Rohrexpanders vorgeschlagen, bei dem das Rohr von wenigstens zwei im Abstand zueinander angeordneten Klemmwägen festgeklemmt und dann durch Antreiben der Klemmwägen schrittweise über den Auslegerarm mit dem Aufweitkopf bewegt wird. Dadurch wird erreicht, dass sich das Rohr bei der Bearbeitung weniger stark verbiegt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Rohr während des gesamten Bearbeitungsprozesses, d.h. vom Aufweiten des Rohranfangs bis zum Aufweiten des Rohrendes, von den Klemmwägen transportiert.
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Das Rohr wird vorzugsweise während des gesamten Bearbeitungsprozesses von den Klemmwägen festgeklemmt gehalten, insbesondere auch dann, wenn sich ein Klemmwagen an der Position des Aufweitkopfes befindet. Hierzu ist der Klemmmechanismus vorzugsweise so ausgebildet, dass die Klemmung automatisch nachgibt, wenn das Rohr durch den Aufweitkopf aufgeweitet wird. Im Falle eines hydraulisch angetriebenen Klemmmechanismus kann z. B. ein hydraulischer Pufferspeicher vorgesehen sein, in den ein Teil des Hydraulikfluids strömt, wenn der hydraulische Druck eine bestimmte Schwelle überschreitet. Im Falle einer mechanischen Ausführung kann z. B. auch ein Federelement vorgesehen sein, das bei zu hoher Krafteinwirkung nachgibt. Alternativ oder zusätzlich kann der Klemmquerschnitt auch mittels Steuerung geöffnet werden, wenn der Aufweitkopf von innen gegen das Rohr drückt. Das Öffnen des Klemmmechanismus kann z. B. synchron zum Aufweiten des Rohres erfolgen. Der Klemmmechanismus wird dabei vorzugsweise so ausgeführt, dass das Rohr stets festgeklemmt bleibt.
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Die Klemmwägen fahren vorzugsweise von beiden Seiten des Rohres, in entgegengesetzter Richtung über das Rohr bis zu einer vorgegebenen Position, an der sie das Rohr dann festklemmen.
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Der erfindungsgemäße Rohrexpander ist vorzugsweise mit einer Sensorik zum Bestimmen der Länge des zu bearbeitenden Rohres ausgestattet. Zu diesem Zweck können die Klemmwägen z. B. einen optischen, kapazitiven oder einen anderen aus dem Stand der Technik bekannten Sensortyp umfassen, mit dem die Rohrenden erkannt werden können. Außerdem sind Positionssensoren zum Ermitteln der Position der Klemmwägen vorgesehen. Aus der Position der Klemmwägen am Ort der Rohrenden kann schließlich die Länge des Rohres bestimmt werden. Alternativ könnte der Abstand der Klemmwägen am Ort der Rohrenden auch mittels einer anderen Sensorik, wie z. B. mittels eines optischen Sensors, gemessen werden. Die Sensordaten werden vorzugsweise an eine Steuereinheit des Rohrexpanders übertragen, in der sich das Bearbeitungsprogramm des Rohrexpanders automatisch auf die aktuelle Rohrlänge einstellt.
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Das Rohr wird vor dem ersten Bearbeitungsschritt vorzugsweise in eine Position gebracht, in der das vordere Rohrende konzentrisch zum Auslegerarm angeordnet ist. Hierzu wird der Klemmmechanismus der Klemmwägen vorzugsweise in horizontaler und/oder vertikaler Richtung entsprechend verstellt, bis sich das Rohrende in der gewünschten konzentrischen Position befindet. Während des Bearbeitungsprozesses, d.h. während der nachfolgenden Vorschub- und Aufweitzyklen, wird das Rohr dann vorzugsweise regelmäßig neu ausgerichtet. Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann die radiale Position des Rohres z. B. mittels einer Sensorik gemessen und die Klemmwägen bzw. der Klemmmechanismus entsprechend nachjustiert werden. Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird das Rohr automatisch nachjustiert, ohne dass hierzu die radiale Position des Rohres gemessen werden müsste. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass die Durchbiegung des Rohres bekannt und in der Steuerung hinterlegt ist.
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Gemäß der zweiten Ausführungsform wird das Rohr vor dem ersten Bearbeitungsschritt vorzugsweise in eine bestimmte Position gedreht, in der die Krümmungsachse z. B. in horizontaler Richtung verläuft, und dann von den Klemmwägen eingespannt. Danach wird das vordere Rohrende mittels der Klemmwägen koaxial um den Aufweitkopf angeordnet. Im Verlauf der weiteren Bearbeitung, d.h. während der nachfolgenden Vorschub- und Aufweitzyklen, wird dann die radiale Position des Rohres mittels der Klemmwägen automatisch nachjustiert, indem die Klemmposition eines der Klemmwagens z. B. schrittweise angehoben und eines anderen Klemmwagens z. B. abgesenkt wird. Wen die Krümmungskurve des Rohres bekannt ist, kann die Klemmposition der einzelnen Klemmwägen mittels der Steuerung automatisch eingestellt werden. Die Krümmung eines Rohres kann mit bekannten Messeinrichtungen vor der Bearbeitung gemessen werden.
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Ein erfindungsgemäßer Rohrexpander umfasst wenigstens zwei Klemmwägen, die jeweils Mittel zum Festklemmen eines Rohres aufweisen und ferner ein Antriebsmittel zum Antreiben der Klemmwägen in Längsrichtung des Auslegerarms.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfasst jeder Klemmwagen einen eigenen Antrieb, wie z. B. einen Elektromotor mit einem Getriebe. Alternativ kann aber auch ein gemeinsamer Antrieb für mehrere Klemmwägen vorgesehen sein. Die Antriebsmittel der Klemmwägen sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Klemmwägen wahlweise individuell oder synchron antreibbar sind.
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Der Klemmmechanismus der Klemmwägen umfasst gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein erstes Teil mit Zentrierflächen (das auch als Prisma bezeichnet werden kann), das das Rohr von einer ersten Seite her angreift, und wenigstens zwei schwenkbare Arme, die das Rohr von einer zweiten Seite festklemmen. Dadurch wird das Rohr von außen umfasst und festgeklemmt. Die genannten Arme sind vorzugsweise um eine horizontale, in Längsrichtung des Auslegerarms verlaufende Achse schwenkbar am Rahmen des Klemmwagens oder eines Schlittens befestigt. Das Prisma ist vorzugsweise oben angeordnet, und die beiden schwenkbaren Arme werden vorzugsweise von unten an das Rohr angelegt, so dass dieses gegen die Zentrierflächen des Prismas gedrückt wird. Der Klemmmechanismus wird vorzugsweise hydraulisch betätigt. Dem Fachmann ist klar, dass auch andere Klemmmechanismen, die das Rohr beispielsweise von der Seite her angreifen, einsetzbar sind.
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Der Klemmmechanismus der Klemmwägen ist vorzugsweise in vertikaler und/oder horizontaler Richtung verstellbar. Zur Verstellung in horizontaler Richtung kann z. B. ein Schlitten vorgesehen sein, der relativ zum Rahmen des Klemmwagens, in Querrichtung bewegt werden kann. Zur Betätigung des Schlittens ist vorzugsweise ein Antrieb, wie z. B. ein Elektromotor oder Hydraulikzylinder, vorgesehen. Die Verstellung des Klemmmechanismus in vertikaler Richtung erfolgt vorzugsweise hydraulisch.
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Der erfindungsgemäße Rohrexpander umfasst vorzugsweise auch einen Beschickungswagen, mit dem ein Rohr vor dem Bearbeiten an die Position des Auslegerarms transportiert wird. Das Rohr wird dann vorzugsweise mittels einer im Beschickungswagen integrierten Hubvorrichtung angehoben, so dass es mit dem Auslegerarm fluchtet. Das Rohr kann vor dem Festklemmen noch gedreht werden, so dass eine in Längsrichtung des Rohrs verlaufende Schweißnaht an einer vorgegebenen Stelle zu liegen kommt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine dreidimensionale Ansicht eines Rohrexpanders von oben;
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2 eine dreidimensionale Ansicht eines Klemmwagens
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine perspektivische Gesamtansicht eines Rohrexpanders 1 zum Aufweiten von Rohren 6 gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Die Rohre 6 können beispielsweise Durchmesser zwischen 400 mm und 2000 mm bei einer Wandstärke zwischen z.B. 7 mm und 60 mm aufweisen.
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Der Rohrexpander 1 umfasst im Wesentlichen eine Maschinenbasis 7 mit einem Hauptzylinder, mittels dessen eine Zugstange betätigt wird, die sich innerhalb eines frei auskragenden Auslegerarms 2 befindet. Der Auslegerarm 2 ist an einem seiner Enden in der Maschinenbasis 7 befestigt und umfasst ein äußeres Rohr, in dem die genannte Zugstange angeordnet ist, wobei das Rohr und die Zugstange im Wesentlichen in horizontaler Richtung angeordnet sind. Der Auslegerarm 2 erstreckt sich in einer Längsrichtung C und hat eine größere Länge als die zu bearbeitenden Rohre 6. Am freien Ende des Auslegerarms 2 ist ein Aufweitkopf 3 vorgesehen, der mehrere in Radialrichtung bewegliche Segmente aufweist, die durch Zug an der Zugstange nach außen gedrückt und mit hoher Kraft gegen die Innenwandung des Rohres 6 gepresst werden, so dass sich das Rohr 6 weitet.
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Die Zugstange kann beispielsweise hydraulisch betätigt werden. Die hierzu erforderliche Kraft wird in diesem Fall mittels eines Hydraulikgenerators erzeugt.
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Das Rohr 6 wird mittels eines Beschickungswagens 5 in den Expander 1 geladen. Davor wurde das Rohr 6 um seine Längsachse gedreht, bis sich eine über die gesamte Länge des Rohres 6 verlaufende Schweißnaht in einer vorgegebenen Position, wie z.B. in der 12-Uhr-Position befindet. Der Beschickungswagen 5 umfasst hierzu angetriebene drehbare Rollen. Ebenfalls wurde das Rohr vertikal auf die Höhe des Auslegers 2 angehoben. Hierzu sind die Drehrollen des Beschickungswagens hydraulisch oder elektromechanisch höhenverstellbar.
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Der Beschickungswagen 5 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel schienengeführt, wobei die Schienen 14 quer zur Längsrichtung C, in Querrichtung A verlaufen. Zum Laden eines Rohres 6 wird der Beschickungswagen 5 mittels eines Antriebs bis an die Position des Auslegerarms 2 gefahren, so dass das Rohr 6, in einer Linie mit dem Auslegerarm 2 ausgerichtet ist.
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In dieser Position wird das Rohr 6 an zwei Klemmwägen 4, die das Rohr 6 in einer Position, in der es mit dem Auslegerarm 2 fluchtet, übergeben. Während des Einfahrens des Rohres 6 mittels des Beschickungswagens 5 befinden sich die beiden Klemmwägen 4 noch außerhalb des Rohres 6 in Warteposition. Sobald die Übergabe-Position des Beschickungswagens 5 erreicht ist, fahren die beiden Klemmwägen 4 in Richtung der Rohrmitte (siehe Pfeile D) über das Rohr 6, bis sie an ihren vorgegebenen Positionen angekommen sind. Dabei erkennt eine nicht dargestellte Sensorik die Rohrenden des Rohres 6 und die entsprechenden Positionen der Klemmwägen 4, aus denen schließlich die Rohrlänge ermittelt werden kann. Die Klemmwägen können z. B. einen optischen, akustischen, kapazitiven oder einen anderen aus dem Stand der Technik bekannten Sensortyp umfassen, mit dem die Rohrenden erkannt werden können. Die Sensordaten werden an eine Steuereinheit übertragen, wo ein Bearbeitungsprogramm des Rohrexpanders auf die aktuelle Rohrlänge eingestellt wird. Die Klemmwägen 4 können somit automatisch angetrieben werden.
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Die beiden Klemmwägen 4 sind hier schienengeführt, wobei die Schienen 11 exakt in Längsrichtung C des Auslegerarms ausgerichtet sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die beiden Klemmwägen 4 elektromotorisch über einen Zahnstangenantrieb entlang der Schienen 11 angetrieben. Alternative Antriebe sind ebenfalls einsetzbar.
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2 zeigt einen Klemmwagen 4, der mittels einer Klemmvorrichtung 12, 13 ein Rohr festklemmen kann. Die Elemente 12, 13 der Klemmvorrichtung sind jeweils beweglich angeordnet und können das Rohr 6 von oben und unten umgreifen und festklemmen. Die Klemmvorrichtung umfasst ein in vertikaler Richtung B bewegliches Element 12 mit Zentrierflächen 16, die mit zunehmendem Abstand zum Rohr 6 konisch aufeinander zu laufen und das Rohr 6 automatisch zentrieren, wenn es in den zwischen den Zentrierflächen 16 gebildeten, keilförmigen Zwischenraum gedrückt wird. Das Element 12 kann somit auch als Zentrierprisma bezeichnet werden. Das Element 12 ist am Traggerüst 9 des Klemmwagens 4 befestigt und kann z.B. hydraulisch in vertikaler Richtung B auf und ab bewegt werden. An der Unterseite des Rohres 6 befinden sich zwei schwenkbare Arme 13, die jeweils am Traggerüst 9 schwenkbar gelagert sind. Die beiden Arme 13 können dabei insbesondere eine Be- bzw. Entladeposition und eine Transportposition einnehmen. In der Be- bzw. Entladeposition sind die freien Enden der Arme 13 so weit voneinander beabstandet, dass ein Rohr 6 in vertikaler Richtung zu- bzw. abgeführt werden kann. Zum Festklemmen des Rohres können die schwenkbaren Arme 13 nach oben geschwenkt werden, bis sie an der Unterseite des Rohres anliegen und dieses festklemmen. In der Transportposition kann das Rohr 6 dann über den Auslegerarm 2 geschoben werden. Die schwenkbaren Arme 13 können beispielsweise hydraulisch betätigt werden.
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Das Zentrierprisma 12 ist hier in vertikaler Richtung B verstellbar. Somit kann die Klemmposition des eingespannten Rohres 6 in vertikaler Richtung B verstellt werden. Darüber hinaus kann auch die Position des Rohres 6 in Querrichtung A verstellt werden. Hierzu umfassen die Klemmwägen 4 jeweils einen Schlitten 15, an dem der Klemmmechanismus 12, 13 befestigt ist und der relativ zum Traggerüst 9 in Querrichtung A verschiebbar ist. Der Schlitten 15 wird mittels eines Antriebs, z. B. hydraulisch oder elektromotorisch, angetrieben. Durch eine entsprechende horizontale und vertikale Einstellung des Klemmmechanismus kann das Rohr exakt konzentrisch zum Auslegerarm 2 ausgerichtet werden.
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Wie vorstehend erwähnt, werden die Klemmwägen 4 hier mittels einer Zahnstange angetrieben. Jeder Klemmwagen 4 umfasst vorzugsweise einen separaten Motor 10, so dass die Klemmwägen unabhängig voneinander in Längsrichtung C bewegt werden können.
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Außerdem ist es möglich, eine gegebenenfalls vorhandene Biegung eines Rohrs 6 zu verringern, indem die Klemmposition eines oder beider Klemmwägen 4 im Verlauf der Bearbeitung verändert wird. Gemäß der Erfindung wird das Rohr zunächst in eine vorgegebene Position gedreht und ein Rohrende konzentrisch zum Auslegerarm angeordnet. Hierzu wird der Klemmmechanismus der Klemmwägen in horizontaler und/oder vertikaler Richtung entsprechend verstellt, bis sich das Rohrende in der gewünschten konzentrischen Position befindet.
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Während der nachfolgenden Vorschub- und Aufweitzyklen wird dann die radiale Position des Rohres mittels der Klemmwägen automatisch nachjustiert, indem die Klemmposition eines Klemmwagens z. B. schrittweise angehoben und eines anderen Klemmwagens z. B. abgesenkt wird. Die Einstellung der jeweiligen Klemmpositionen erfolgt mittels der Steuerung. Somit ist es möglich, die Durchbiegung des Rohres 6 zu verringern.
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Während des Aufweitens des Rohres 6 wird das Rohr von den beiden Klemmwägen 4 schrittweise über den Aufweitkopf 3 gefahren, bis es über seine gesamte Länge aufgeweitet ist. Die beiden Klemmwägen 4 bewegen sich dabei synchron in Richtung C. Das Rohr 6 wird von den Klemmwägen während der gesamten Bearbeitung festgehalten, auch wenn sich einer der Klemmwägen 4 genau an der Position des Aufweitkopfes 3 befindet. Um den Aufweitvorgang nicht zu behindern, sind die Klemmvorrichtungen 12, 13 derart ausgebildet, dass sie einem von innen wirkenden Druck nachgeben. Dadurch kann sich der Klemmquerschnitt während des Aufweitens an den vergrößerten Querschnitt anpassen. Der Anpressdruck, mit dem die Elemente 12, 13 gegen das Rohr gedrückt werden, kann beispielsweise so eingestellt sein, dass sich der Klemmquerschnitt bei ausreichendem Gegendruck automatisch öffnet. Das Prisma 12 kann auch synchron zur Ausdehnung des Rohres 6 angehoben werden, wenn sich ein Klemmwagen 4 unmittelbar an der Position des Aufweitkopfes befindet. Das Rohr 6 bleibt dann stets festgeklemmt.
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Nach erfolgtem Aufweiten wird das fertige Rohr 6 aus der Maschine entladen. Das Rohr 6 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel dann von einem Entladewagen 8 übernommen, von diesem in eine Transportposition abgesenkt und dann in Querrichtung A abtransportiert. Der Entladewagen 8 ist wiederrum schienengeführt und kann mittels eines Antriebs entlang der Schienen 14 bewegt werden. Zum Absenken der Rohre umfasst der Entladewagen eine Hubvorrichtung mit zwei Lagerböcken, die in vertikaler Richtung B auf und ab bewegt werden können. Der Entladewagen 8 kann abgesehen von den nicht benötigten Drehrollen identisch wie der Beschickungswagen 5 aufgebaut sein.
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Der gesamte Bearbeitungsprozess eines Rohres erfolgt vorzugsweise automatisch mittels einer Software-Steuerung.
