ПРОТОТИП УСТАНОВКИ СВАРКИ КОЛЬЦЕВЫХ ШВОВ КОРПУСОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ЦИСТЕРН НЕЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ СЕКЦИОННОЙ СБОРКИ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается проблема автоматизации сварки кольцевых швов автомобильных цистерн нецилиндрической формы, используемых для перевозки нефтепродуктов. Приводится анализ существующей технологии сборки таких цистерн на предприятиях, использующих секционную сборку корпусов. Обсуждаются основные трудности автоматизации, связанные с габаритами, не цилиндрической формой и необходимостью универсальности оборудования. Предложен прототип установки, позволяющий автоматизировать процесс сварки, обеспечивая высокую производительность, компактность и многофункциональность. Установка адаптирована для выполнения сложных пространственных швов и минимизирует деформации конструкции.

ABSTRACT

The article deals with the problem of automating the welding of ring seams of non-cylindrical automobile tanks used for transportation of petroleum products. The analysis of the existing technology of assembly of such tanks at the enterprises using sectional assembly of hulls is given. The main difficulties of automation related to dimensions, non-cylindrical shape and necessity of equipment universality are discussed. A prototype unit is proposed that allows automation of the welding process, providing high productivity, compactness and versatility. The unit is adapted for complex spatial welds and minimizes deformations of the structure.

Ключевые слова: автомобильные цистерны, не цилиндрическая форма, сварка кольцевых швов, автоматизация, секционная сборка, универсальное оборудование, производство.

Keywords: automotive tanks, non-cylindrical shape, annular seam welding, automation, sectional assembly, universal equipment, manufacturing.

1. Введение

В настоящее время автомобильные цистерны нецилиндрической формы (“чемодан” - рис. 1) для перевозки нефтепродуктов получили широкое распространение за счёт своей бОльшей вместительности по сравнению с классическими цистернами цилиндрической формы. 

Рисунок 1. Поперечное сечение цистерны чемоданного типа

Это связано с тем, что “чемоданная” форма цистерны позволяет более эффективно использовать ограниченное нормами ПДД РФ габаритное пространство за счет чего увеличивается объём цистерны и, как следствие, её экономическая эффективность.

Актуальность этого методологического исследования обусловлена тем что, несмотря на более высокую экономическую эффективность, цистерны чемоданного типа более трудоемки в изготовлении, а технология их изготовления, в части сварки кольцевых швов корпуса, сложно поддается автоматизации. Особенно, эта проблема актуальна для производств, которые используют секционную сборку корпусов цистерн и/или изготавливают цистерны переменного сечения, например, такие как муковоз.

Целью данного исследования является анализ существующей технологии сварки кольцевых швов автоцистерн нецилиндрической формы секционной сборки, выявление факторов, препятствующих автоматизации этого процесса и предложение концепции установки для решения проблемы автоматизации. При этом задача сделать установку максимально универсальной, с возможностью использования для сварки иных изделий.

2. Исследование существующей технологии.

Автомобильные цистерны для перевозки нефтепродуктов достаточно крупногабаритные изделия, особенно, если речь идет про многоосные полуприцепы. Длина этих цистерн может доходить до 12 метров. В связи с этим, процесс изготовления корпусов цистерн включает в себя значительную долю участия ручного труда и крановых операций.  Для того, чтобы подойти к вопросу решения автоматизации процесса сварки кольцевых швов необходимо рассмотреть существующий процесс сборки корпуса цистерны, так как во время этого процесса и происходит сварка.

В настоящее время на предприятиях, которые используют секционную сборку, процесс сборки корпуса выглядит, как стыковка секций длиной от 500 до 2000 мм. Количество секций зависит от длины цистерны и количества отсеков. В среднем количество может варьироваться от 2 до 10 секций. Стоит сразу отметить, что количество кольцевых швов будет вычисляться по формуле:

w = s - 1,

где w - количество кольцевых швов; s - количество секций.

В данной работе приведено исследование технологии сборки корпусов цистерн на существующем предприятии в России на условиях анонимности и сохранения коммерческой тайны. По этой причине данные компании не указываются.

В общем виде процесс сборки и сварки корпуса выглядит следующим образом (этапы установки внутренних элементов секции и вспомогательной оснастки для их установки не будут описаны, так как это не влияет на цель исследования):

1. Отвальцованная секция с сваренным продольным швом устанавливается с помощью крана в вертикальное положение - рис. 2

Рисунок 2. Установка секции

2. Внутрь секции с помощью крана устанавливается перегородка и различные дополнительные элементы в зависимости от типа конструкции -   рис. 3.

Рисунок 3. Установка внутренних элементов

3. После из секции извлекается вспомогательная оснастка. Секция готова для стыковки.

4. Аналогичные операции с п.1 по п. 3 выполняются с последующими секциями.

5. Далее секция 1 краном устанавливается на секцию 2. Их выравнивают относительно друг друга и прихватываю между собой точечными швами. Таким образом секции устанавливаются одна на одну - рис. 4. Максимальная высота такой сборки до 6 м и итоге формируется одна из двух частей корпуса (полукорпус).

Рисунок 4. Сборка секций в полукорпус

6. После того, как собран полукорпус цистерны их этих секций, сварщик приступает к сварке кольцевых швов (применяется MIG/MAG сварка), используя лестницу или колесную стремянку - рис. 5.

Рисунок 5. Обварка кольцевых швов полукорпуса

7. После того, как все кольцевые швы сварены, полукорпус цистерны перемещается на стапель, где происходит соединения со второй частью корпуса в горизонтальном положении и конечная сварка последнего кольцевого шва - рис. 6.

Рисунок 6. Стапель сборки полукорпусов

Как видно из описания технологии, сварка кольцевых швов происходит на этапах 6 и 7. Основная часть сварки швов происходит на этапе 6. Этот процесс очень трудоемкий и требует большое количество времени на перемещение сварщика, так как ему необходимо менять своё положение после того, как заварена доступная на расстоянии вытянутой руки часть шва. Особенно много времени занимают перемещения во время сварки, когда производится сварка швов на высоте более 2-х метров от уровня пола. Помимо этого, высотные работы являются небезопасными, поэтому сотрудники имеют повышенный риск получения производственных травм. Завершающий кольцевой шов выполняется на этапе 7. Сложность и неудобство на этом этапе заключается в том, что возникает необходимость выполнения потолочного шва под корпусом цистерны.

Как видно из описанной выше технологии автоматизировать необходимо операции, которые происходят на этапах 6 и 7, так как там и происходит обварка кольцевых швов. Однако, существует ряд причин, препятствующих созданию оптимального решения для автоматизации этих процессов.[1]

3. Факторы, осложняющие процесс автоматизации.

Габариты цистерн - одна из причин препятствующей высокой степени автоматизации процесса. Габариты могут варьироваться в следующих диапазонах - высота до 1725 мм, ширина до 2550 мм, длина до 12000 мм. Соответственно, возможные варианты сварочных установок будут ещё большего размера и, как следствие, могут быть непригодными для размещения в условиях существующих цехов.

Не цилиндрическая форма - главный фактор, осложняющий автоматизацию. Это обусловлено тем, что за счёт своей формы цистерны этого типа сложно вращать и необходимо изготавливать специализированную оснастку. Особенно эта проблема остро стоит для цистерн переменного сечения, таких как муковозы и цементовозы - рис. 7.

Рисунок 7. Пример конструкции цементовоза

Соотношение “стоимость/универсальность” - немаловажный фактор, который сдерживает автоматизацию. В современных рыночных условиях производственным компаниям необходимо всегда искать баланс между стоимостью решения и его возможностями, так как постоянно меняющиеся условия рынка и потребности клиентов могут в значительной мере влиять не только на финансовые показатели, но и на номенклатуру выпускаемой продукции. Таким образом, необходимо подбирать оборудование, которое обеспечивало бы не просто “коробочное” решение определённой задачи (в нашем случае сварки кольцевых швов не цилиндрических ёмкостей), но и было в максимальной степени универсальным, чтобы адаптироваться под иные задачи и постоянно меняющиеся условия рынка.

4. Исследование существующих установок для сварки кольцевых швов цистерн чемоданного типа.

В настоящее время для сварки швов цистерн секционной сборки производители сварочного оборудования используют классический тип установок с двумя позиционерами и сварочным порталом. Пример такой установки приведен на рис. 8. от компании Rowes (Турция).

Рисунок 8. Установка сварки цистерн Rowes (Турция)

Собранная цистерна фиксируется с двух сторон на вращателях. Оператор с помощью пульта управления позиционирует портал на месте начала сварки. После этого оператор позиционирует сварочную головку по вертикали и в поперечном направлении. На блоке управления устанавливается скорость перемещения портала и сварочные параметры и начинается процесс сварки. Позиционирование сварочной горелки по вертикали происходит в автоматическом режиме при помощи специальной системы слежения.

Оборудование такого типа имеет ряд недостатков:

1. Для установки собранной цистерны на вращатели требуется предварительное исполнение довольно протяжённых сварочных прихваток (20-40 мм с шагом 300-350 мм [4]) на всех кольцевых швах для достижения жёсткости конструкции и избегания деформаций шва во время вращения. Следовательно, требуется продолжительная работа сварщика, который заварит значительную часть швов до установки цистерны на оборудование.

2. Коробочность решения. Оборудование такого типа предназначено только для сварки больших ёмкостей и ограничены в своих возможностях для сварки других типов изделий, так как отсутствует сварочный стапель, на который можно разместить изделия.

По мимо этого возможности установки ограничены степенями свободы сварочной горелки см. рис.

Рисунок 9. сварочная головка установки ROWES

Как видно из рисунка она обладает только 3 степеням свободы X, Y и Z. Из этого следует, что сопло сварочной горелки может быть направлено только перпендикулярно уровню пола, что позволяет производит сварку только в нижнем положении без изменения угла поворота.

Учитывая вышеперечисленные недостатки в данном исследовании предлагается прототип более универсальной установки, которая лишена данных недостатков.

5. Прототип установки сварки кольцевых швов корпусов автомобильных цистерн нецилиндрической формы.

На рис. 9 представлен разработанный схематично прототип установки.

Рисунок 10. Прототип установки

Как видно из схемы установка состоит из пяти основных элементов:

1. Передвижной портал.
2. Каретка с рукой и сварочной горелкой.
3. Опорный стапель.
4. Составной трек портала.
5. Корпус цистерны (не входит в установку).

Для оценки возможностей установки необходимо рассмотреть доступные степени свободы, которыми обладает сварочная горелка. Применяемый способ сварки на установке - MIG/MAG процессы. На рис. 10 представлена схема элемента 2 - каретки с рукой и сварочной горелкой.

Рисунок 11. Каретки с рукой и сварочной горелкой

Из схемы (рис. 11) видно, что сварочная горелка имеет 4 степени свободы:

● Вдоль оси X; перемещение в этом направлении обеспечивается за счёт сервопривода, установленного на каретке.

● Вдоль оси Y; перемещение в этом направлении обеспечивается за счёт перемещения всего портала (поз. 1 на рис. 10).

● Вдоль оси Z; перемещение в этом направлении обеспечивается за счёт сервопривода, установленного на сварочной руке.

● Вращение вокруг оси Y - ϕ; обеспечивается за счёт сервопривода установленного на держателе горелки.

Обладая этими степенями свободы сварочная горелка может передвигаться по сложным криволинейным траекториям и выполнять сварку швов не просто в одной плоскости, но и сложных пространственных швов, таких как спиральные, вертикальные и прочие. Таким образом эта установка позволит, в том числе, выполнять сварку кольцевых криволинейных швов корпусов цистерн [5].

Траектория движения горелки задаётся оператором посредством загрузки в систему векторного DXF-файла, в котором имеется внешний контур сечения изготавливаемой цистерны. Оператору установки остаётся спозиционировать сварочную горелку с помощью пульта управления по центру шва и запустить процесс сварки.

Для точного контроля траектории горелки установка оснащается системой лазерного слежения за швом. Лазерный датчик слежения за швом использует лазер для облучения поверхности сварного шва с образованием полосы лазерного излучения, которая принимается и отображается камерой высокой четкости. Путем алгоритмической обработки трехмерные характеристики сварного шва преобразуются в структурированную информацию, включая координаты сварочного шва, смещение, зазоры и т. д. Эта информация передается на контроллер установки, обеспечивая горелку необходимой траекторией и направляя её на шов или исправляя отклонения заготовки в режиме реального времени и добиваясь идеального качества сварочных работ [6].

6. Описание автоматизации технологии сварки кольцевых швов.

Описание технологии будет происходить на примере сварки цистерны формы несимметричного чемодана в поперечном сечении - рис. 10. Размеры R1, R2, R3, R4, R5, L и H задаются производителем или заказчиком. При этом в случае автомобильных цистерн, размеры L и H ограничиваются правилами ПДД [7].

Рисунок 12. Поперечное сечение цистерны чемоданного типа

В общем виде процесс сварки кольцевого шва будет происходить, как поочередная сварка верхней и нижней полусферы цистерны - рис. 13

Рисунок 13. Процесс сварки кольцевого шва

Корпус цистерны мнимо разделяется линией разграничения (проводится через центр масс емкости параллельно уровню пола) на 2 полусферы - верхнюю и нижнюю, ссоответственно, весь кольцевой шов разделяется на 2 части (см. рис. 12). Далее начиная от линии разграничения производится процесс сварки. Сварочная горелка двигается по часовой стрелке, повторяя конкур корпуса, пока не достигнет линии разграничения на противоположной стороне емкости. После того, как 1-я часть шва верхней полусферы выполнена, цистерна кантуется на 180 град. и происходит аналогичный процесс сварки 2-ой части шва нижней полусферы, которая становится верхней после переворота на 180 град..

Таким образом в независимости от количества швов последовательно свариваются все кольцевые швы верхней полусферы и после переворота корпуса выполняются оставшиеся швы нижней полусферы. Также стоить отметить, что процесс переворота цистерны на 180 град. может иметь различные варианты реализации:

● Переворот на отдельно стоящем двухстоечном позиционере.

● Кантовка с помощью ленточного кантователя на цеховом кране.

● Переворот на двухстоечном позиционере, интегрированном в установку сварки.

На основании выше описаного прототипа установки предлагается следующая последовательность операций, которая направлена на автоматизацию процессов, описанных в главе 2, п.6 и п.7:

1. Два полукорпуса цистерны, собранные на прихватках, устанавливается с помощью крана на стапель. Предварительно к концевым секциям привариваются кронштейны для закрепления на позиционере.
2. Полукорпусы выравниваются и прихватываются между собой.
3. Далее портал со сварочной горелкой подводится к первому шву и настраивается программа сварки.
4. Запускается программа и свариваются все швы верхней полусферы в установленном порядке. Швы свариваются на половину корпуса до линии разграничения.
5. После завершения сварки портал отводится за пределы корпуса.
6. Далее цистерна кантуется на 180 град. для сварки оставшихся швов, которые были на нижней полусферы цистерны.
7. Свариваются оставшиеся швы.

Преимущества данной технологии и установки:

● Высокая производительность.

Скорость сварки кольцевых швов сократится на величину до 50%.

● Компактность.

Установка для изготовления цистерн максимальной длины (12 м) занимает не более 15 м в длину. Для функционирования не требует дополнительной громоздкой оснастки.

● Универсальность.

Установка позволяет сваривать емкости любой формы.

● Многофункциональность.

На стапеле установки можно проводить сопутствующие сборочно-сварочные мероприятия. И сварку иных элементов цистерны.

● Минимизация деформаций.

Цистерна опирается всей поверхностью на стапель, тем самым предотвращаются изгибы и поводки.

● Высокая скорость наладки.

Для подготовки ёмкости к сварке требуется только расположить её на стапеле и настроить программу сварки.

● Возможность наращивать производительность.

Если позволяет место, то можно добавлять несколько порталов для ускорения процесса сварки.

6. Заключение.

Предложенный прототип установки для автоматизации сварки кольцевых швов автомобильных цистерн нецилиндрической формы решает основные проблемы, связанные с их производством. Она учитывает уникальные особенности таких конструкций, включая их габариты, не цилиндрическую форму и требование высокой универсальности оборудования. Предложенная установка не только позволяет автоматизировать трудоемкий процесс сварки и обеспечить безопасность сотрудников, но и обладает рядом дополнительных преимуществ, таких как компактность, многофункциональность, минимизация деформаций, высокая скорость наладки и возможность масштабирования производства. Эти качества делают установку перспективным решением для промышленных предприятий, стремящихся повысить эффективность и конкурентоспособность в условиях современного рынка.

Список литературы:

1. Николаев Г.А. Сварные конструкции. Технология изготовления. Автоматизация производства и проектирование сварных конструкций / Николаев Г.А., С.А. Куркин, В.А. Винокуров // Высшая школа, 1983.
2. Лямин Я.В. Основы проектирования сборочно-сварочных приспособлений / Я.В. Лямин // Пермь, ПНИПУ - 2012.
3. Межгосударственный стандарт ГОСТ 33666-2015 “Автомобильные транспортные средства для транспортирования и заправки нефтепродуктов”. / ФГУП «НАМИ» // Стандартинформ, 2016.
4. Копельман Л. А. Основы теории прочности сварных конструкций: Учебноепособие. 2-е изд., испр. — СПб.: Издательство «Лань», 2010. —464 с.: ил. — (Учебники для вузов. Специальная литература)
5. Захаров Д.Н., Куровский Д.М., Ракшин Е.А., Борисов О.И., Громов В.С., Колюбин С.А. Моделирование и управление движением роботов. Учебно-методическое пособие. — СПб.: Университет ИТМО, 2023. — 84 c.
6. https://smd.com.ru/catalog/robotizatsiya_svarki/periferiynye_ustroystva/3038/?ysclid=m18740vppy545018869
7. Постановление Правительства РФ от 21 декабря 2020 г. N 2200 "Об утверждении Правил перевозок грузов автомобильным транспортом и о внесении изменений в пункт 2.1.1 Правил дорожного движения Российской Федерации" - Приложение №1.