焊接滚轮架优化方案

1.焊接滚轮架分类

焊接滚轮架是借助主动滚轮与焊件之间的摩擦力，带动焊件旋转的焊接变位机械。焊接滚轮架按结构形式分为两类。

第一类是长轴式焊接滚轮架（见图 5.16），滚轮沿两平行轴排列，与驱动装置相连的一排为主动滚轮，另一排为从动滚轮，也有两排均为主动滚轮的，主要用于细长薄形焊件的组对与焊接。有的长轴式焊接滚轮架其滚轮为一长形滚柱，直径为0.3～0.4 m、长度为1～5 m。筒体置于其上不易变形，适用于薄壁、小直径、多筒节焊件的组对和环缝的焊接。长轴式焊接滚轮架多是用户根据焊件特点自行设计制造的，市场上可供选用的定型产品很少。

图5.16　长轴式焊接滚轮架

1—电动机；2—联轴器；3—减速器；
4—齿轮副；5—轴承；6—主动滚轮；
7—公共轴；8—从动滚轮。

第二类是组合式焊接滚轮架（见图 5.17），按传动方式不同可分为双主动滚轮架［见图5.17（a）］、从动滚轮架［见图 5.17（b）］、单主动滚轮架［见图 5.17（c）］。它的主动滚轮架、从动滚轮架、混合式滚轮架（即在一个支架上有一个主动滚轮座和一个从动滚轮座）都是独立的，使用时可根据焊件的质量和长度进行任意的组合，其组合的比例也不仅是 1∶1的组合，使用方便灵活。图 5.17（a）中旋转轴与电机轴平行时可实现长距离输送，对焊件的适应性很强，是目前应用最广泛的结构形式。焊接滚轮架通常根据焊件直径、长度、刚性、质量等设计。国内外相关生产厂家，均有各自的系列产品。

若装焊壁厚较小而长度很长的筒形焊件，宜用几台混合式滚轮架的组合，这样，沿筒体长度方向均有主动滚轮的驱动，焊件不致打滑和扭曲。若装焊壁厚较大、刚性较好的筒形焊件时，则常采用主动滚轮架和从动滚轮架的组合，这样即使是主动滚轮架在筒体一端驱动焊件旋转，但因焊件刚性较好，仍能保持匀速，而不发生扭曲变形。

图5.17　组合式滚轮架

为了焊接不同直径的焊件，焊接滚轮架的滚轮间距应能调节。调节方式有两种：一种是自调式，另一种是非自调式。自调式焊接滚轮架可根据焊件的直径自动调节滚轮架的间距（见图5.18）。自调式焊接滚轮架是由差动滚轮组成的滚轮架，当工件直径变化时，在工件重力作用下，滚轮随摆架自动调节滚轮中心距，使工件获得平衡支承。自调式焊接滚轮架可适用于不同直径的工件焊接。当直径为最小值时，每侧只有一个滚轮接触工件。当工件直径大到一定值时，所有滚轮才接触工件。非自调式焊接滚轮架是靠移动支架上的滚轮座来调节滚轮的间距的（见图5.19）。也可将从动轮座设计成如图5.20所示的结构形式，以达到调节便捷的目的，但调节范围有限。

对重型滚轮架，多采用车间起重设备挪动滚轮座进行分段调节；对轻型滚轮架，多采用手动或电动丝杠和螺母机构来移动滚轮座进行连续调节。为了便于调节滚轮架之间的距离，以适应不同长度焊件的装焊需要，有的滚轮架还装有机动或非机动的行走机构，沿轨道移动，以调节相互之间的距离。

图5.18　自调式焊接滚轮架

图5.19　非自调式焊接滚轮架

1—滚轮架；2—支座。

图5.20　从动滚轮调节的焊接滚轮架

1—从动轮；2—主动轮；3—驱动装置。

焊接滚轮架多采用直流电动机驱动，降压调速。但用于装配作业的滚轮架则采用交流电动机驱动，恒速运行。近年来，随着晶闸管变频器性能的完善以及价格的下降，采用交流电动机驱动、变频调速的焊接滚轮架也日趋增多。

2.焊接滚轮架的主要技术要求

焊接滚轮架的行业标准（JB/T 9187—1999）中规定了焊接滚轮架的技术要求。

（1）主动滚轮应采用直流电动机或交流宽调速电动机通过变速箱驱动。

（2）主动滚轮圆周速度应满足焊接工艺的要求，在6～60 m/h无级调速。速度波动量按不同焊接工艺要求划分为A级（小于等于±5%）和B级（小于等于±10%）滚轮转速应平稳、均匀，不允许有爬行现象。

（3）焊接滚轮架的制造和装配精度应符合国家标准中的8级精度要求。滚轮架应采用优质钢制造，如用焊接结构的基座，焊后必须进行消除应力热处理。

（4）滚轮架必须配备可靠的导电装置，不允许焊接电流流经滚轮架的轴承。

（5）滚轮直径、滚轮架的额定载质量以及筒体类工件的最大、最小许用直径应符合表5.3的规定。如果筒体类工件在防轴向窜动滚轮架上焊接时，在整个焊接过程中工件的轴向窜动量应小于等于±3 mm。

（6）焊接滚轮架每对滚轮的中心距必须能根据筒体类工件的直径做相应的调整，保证两滚轮对筒体的包角大于45°，小于110°。

表5.3　焊接滚轮架技术数据

注：符号“＋”表示直径可选择的额定载质量。

3.焊接滚轮架设计选用要点

选用焊接滚轮架时，除使焊接滚轮架满足焊件质量、筒径范围和焊接速度的要求外，还应使滚轮架的驱动力矩大于焊件的偏心阻力矩，但目前国内外生产厂家标示的滚轮架性能参数，均无此项数据。所以，为使焊件转速稳定，避免打滑或因偏重而造成的自行下转，对大偏心矩焊件使用的滚轮架，进行驱动力矩和附着力的校验是非常必要的。

另外，对薄壁大径焊件使用的焊接滚轮架，为防止筒体轴向变形，宜选用多个混合式滚轮架的组合。

当选不到合适的焊接滚轮架而需自行设计时，应充分考虑以下几点：

（1）驱动与调速。

焊接滚轮架的驱动与调速主要有两种方式：一种是直流电动机驱动，降压调速；另一种是交流异步电动机驱动，变频调速。前者沿用已久，技术很成熟，电动机的机械特性较硬，启动力矩较大，是目前滚轮架使用最广的驱动、调速方式。缺点是电动机结构复杂，调速范围较窄，一般恒转矩的调速范围为1∶10左右，低速时的速度不够稳定，有爬行现象。后者则随着电子逆变技术的发展和大电流晶闸管性能的完善，在技术上日趋成熟。其优点是调速范围宽，可达1∶20，转动平滑性好，低速特性硬。缺点是低速段过载倍数降低较大，变频电源的价格也较高，但随着电动机额定功率的增加，价格上升相对平缓。

例如，一台 11 kW 的变频电源和同功率的晶闸管调压直流电源相比，在价格上相差并不很大。所以在重型焊接滚轮架上，采用交流异步电动机驱动和变频调速方式较为适宜。目前，普遍使用的 250 t焊接滚轮架（用4台3 kW的交流电动机驱动）采用了交流变频调速。

（2）电动机的选配。

为使焊接滚轮架的滚轮间距调节更为方便，机动性更强，组合更加便利，采用单独驱动的焊接滚轮架日益增多。但是，每个主动滚轮均由一台电动机驱动时，应解决好各滚轮转速的同步问题。由于制造工艺、材料性能等因素的影响，同一型号规格的电动机，其额定转速实际上并不一致，因此，要把实测数据最相近的一组电动机作为滚轮架的驱动电动机。另外，对重型焊接滚轮架，还应考虑用以测速发电机为核心的速度反馈装置来保证各滚轮转速的同步。

（3）导电装置。

国外生产的焊接滚轮架，若滚轮是全钢结构的，多自带如图 5.13（a）所示的电刷式导电装置。电刷与金属轮毂或轮辋接触，形成焊接电源的二次回路。若是橡胶轮缘，则常采用的导电装置为旋转式，如图5.21所示。

国产焊接滚轮架，即使滚轮是全钢结构的，也很少自带导电装置。使用的导电装置多数是用户自行设计制造的，结构形式较多，其过流能力在500～1 000 A，最大可达 2 000 A。如图5.22（a）、（b）所示的导电装置都是卡在焊件上，前者用电刷导电，后者用铜盘导电，其导电性能可靠，不会在焊件上起弧。如图5.22（c）～（e）所示导电块与焊件接触直接导电，导电块用含铜石墨制作，许用电流密度大，但若焊件表面粗糙或氧化皮等脏物较多时，易在接触处起弧，对焊件表面造成损伤。因此在设计导电装置时需考虑导电性能的可靠度，不会在焊件上起弧，不能对焊件造成损伤。

图5.21　旋转导电装置

图5.22　焊件滚轮架的各种导电装置

1—夹持轴；2—电刷；3—电刷盒；4—接地电缆；5—焊件；6—铜盘；
7—导电块；8—限位螺栓；9—黄铜弹簧板；10—配重。

（4）滚轮结构。

图5.23　滚轮结构

表5.4　滚轮结构的特点和适用范围

焊接滚轮架的滚轮结构主要有四种类型，适用于不同场合。滚轮结构如图5.23所示，结构特点和适用范围见表 5.4。其中，橡胶轮缘的滚轮常因结构不合理、橡胶质量不佳或挂胶 工艺不完善，使用不久就会发生挤裂、脱胶而损坏。为此，设计滚轮时常将橡胶轮缘两侧开出15° 的倒角（见图5.24），以留出承压后橡胶变形的空间，避免挤裂。另外，常在橡胶轮毂与金属的结合部，将金属轮面开出多道沟槽，以增加橡胶与金属的接触面积，强化结合牢度，避免脱胶。其他滚轮结构如图 5.24 所示。

图5.24　15° 倒角橡胶轮

金属滚轮多用铸钢和合金球墨铸铁制作，其表面经热处理后硬度约为 50 HRC，滚轮直径多在 200～800 mm。橡胶轮与同尺寸的钢轮相比，承载能力要小许多。为了提高滚轮的承载能力，常将2个或4个橡胶轮构成一组滚轮，或是钢轮与橡胶轮联合使用。焊接滚轮架行业标准（JB/T 9187—1999）建议滚轮工作面的材料按额定载质量选取。(www.xing528.com)

① 滚轮架额定载质量X1≤10 t ，采用橡胶轮面。

② 滚轮架额定载质量10 t≤X1≤60 t ，采用金属橡胶组合轮面，其中金属轮面承重，橡胶轮面驱动。

③ 滚轮架额定载质量X1>60 t，采用金属轮面。

④ 长轴式焊接滚轮架的滚轮工作面的材料由供需双方商定。

国外焊接滚轮架的品种很多，系列较全，承载量为 1～1 500 t，适用焊件直径为 1～8 m 的标准组合式焊接滚轮架（即两个主动轮座与两个从动轮座的组合）均成系列供应，其滚轮线速度多在6～9 m/h无级可调，有的还有防止焊件轴向窜动的功能。

我国生产的焊接滚轮架，最大承载量已达 500 t，适用焊件直径可达 6 m，滚轮线速度多在6～60 m/h 无级调速。防轴向窜动的焊接滚轮架已有生产，但性能质量尚待提高。

⑤ 联机接口焊接滚轮架往往与焊接操作机配合，进行焊接作业。因此在其控制回路中要留有联机作业的接口以保证两者的运动联锁与协调。

⑥ 标准化要求。我国颁布了焊接滚轮架的行业标准（JB/T 9187—1999）。该标准对滚轮架和滚轮形式进行了分类，并规定主动滚轮的圆周速度应在6～60 m/h无级可调。速度波动量按不同的焊接工艺要求，要低于±5% 和±10%，滚轮速度稳定、均匀，不允许有爬行现象。传动机构中的蜗杆副、齿轮副等传动零件，应符合国标中的8级精度要求。滚轮架的位置精度，标准中也有明确的规定，同时要求焊接滚轮架必须配备可靠的“焊接电缆旋转接地器”（即导电装置）。标准中还规定按GB 150—2011《压力容器》规定制造的筒体类工件在防轴向窜动滚轮架上进行焊接时，在整个焊接过程中允许工件的轴向窜动量为±3 mm。标准中规定了滚轮架额定载质量的数值序列，滚轮直径及许用焊件的最小、最大直径，还推荐了不同额定载质量时的驱动总功率（见表5.5）。在设计焊接滚轮架时，应该严格遵守以上规定。（5）防止轴向窜动的焊接滚轮架设计。

表5.5　焊接滚轮架驱动功率推荐值

注：所列功率值为一台电动机驱动一对主动滚轮时的功率，如果用两台电动机分别驱动两个主动轮，电动机功率值应为表中所列数值的一半。

焊接滚轮架驱动焊件绕其自身轴旋转时，往往伴有轴向窜动，从而影响焊接质量和焊接过程的正常进行，严重时会导致焊接过程中断，甚至发生焊件倾覆等设备、人身事故。因此，国内一些工厂常采用在焊件端头硬顶的方法，强行制止焊件的窜动。这种方法，对小吨位焊件比较有效，但对大吨位焊件或对焊缝位置精度和焊速稳定要求很高的带极堆焊和窄间隙焊等作业时，采用硬性阻挡的办法往往效果不佳。因为焊件质量大，旋转时轴向窜动力也大，强行阻挡，则势必使焊件旋转阻力增大，引起转速不稳定，产生焊件缺陷，并可能使焊件端部已加工好的坡口因挤压而被破坏，有时甚至还会发生电动机过载烧坏事故。国内外开发了防轴向窜动技术，并推出了防止焊件轴向窜动的焊接滚轮架，将焊件的窜动量控制在±2 mm以内（行业标准规定小于或等于±3 mm），满足了各种焊接方法对施焊位置精度的要求。

对焊接滚轮架而言，当滚轮和焊件都是理想的圆柱体，各滚轮尺寸一致，且转动轴线都在同一水平面内并平行于焊件轴线时，主动滚轮驱动焊件作用在焊件上的力，和从动滚轮作用在焊件上的反力，均为圆周力。此时，焊件绕自身轴线旋转，不会产生轴向窜动。但是，当这一条件受到破坏，如滚轮架制造安装存在误差、焊件几何形状不规则等时，使前后排滚轮存在高差和滚轮轴线与焊件轴线不平行，从而导致焊件自重以及主动滚轮、从动滚轮与焊件接触存在轴向分力时，便形成了焊件轴向窜动的条件。但是各轴向力的方向并不完全一致，只有满足下式时，才具备发生轴向窜动的必要条件。

式中　Fzz——焊件重力的轴向分量；

Fzi——各滚轮作用在焊件上轴向力；

n——焊接滚轮架的滚轮数量。

在生产实践中，由于前后排滚轮的高程精度很容易控制，且前后排滚轮间距较大，因此，焊件自重产生的轴向分力很小，不是产生轴向窜动的主要因素。而滚轮架的安装制造误差、焊件几何形状偏离理想圆柱体等综合因素的作用，使滚轮轴线与焊件轴线不平行而形成空间交角，导致各滚轮都有轴向力作用于焊件（见图 5.25），才是发生轴向窜动的主要原因。滚轮各轴线与焊件轴线的平行度应是焊件轴向窜动的主要控制因素。因此，在制造和使用焊接滚轮架时，应注意做到：滚轮轴线都在同一水平面内，并相互平行；滚轮间距应相等；滚轮架都位于同一中心线上。

图5.25　焊接滚轮架的力作用原理

1—主动滚轮；2—从动滚轮；3—筒形焊件；F1—主动轮作用在焊件上的驱动力； Fx1—F1沿轴向的分力；Fy1—F1沿焊件周向的分力；F2—从动轮作用在 焊件上的反力；Fy2—F2沿焊件周向的分力；α1，α2—主动滚轮轴、 从动滚轮轴与焊件轴线的俯视投影角。

放在焊接滚轮架上的焊件，若在旋转过程中伴有轴向窜动（向前或向后），则实际上，焊件是在做螺旋运动（左旋或右旋）。若能采取某种措施，使焊件的左旋运动及时地改为右旋运动，或将右旋运动及时地改为左旋运动，则焊件可返回初始位置。从原理上讲，凡能改变滚轮轴线与焊件轴线螺旋角的一切执行机构，均可实现这一目的。即在不改变焊件转向的前提下，设法使焊件的轴向位移方向发生改变。从此原理出发，目前已有三种结构形式的执行机构可完成此任务。

偏转式执行机构调节原理如图 5.26 所示。液压驱动的偏转式执行机构如图 5.27 所示，其原理是通过液压缸推动转动支座，使从动滚轮偏转。电动机驱动的偏转式执行机构如图5.28所示，其原理是电动机经减速后，通过与小齿轮啮合的扇形齿轮，使从动滚轮偏转。

图5.26　偏转式执行机构的调节原理（俯视图）

1—焊件；2—从动滚轮；3—位移传感器。

图5.27　液压驱动的偏转执行机构

1—液压缸；2—轴承座；3—从动滚轮； 4—转动支座；5—止推轴承。

图5.28　电动机驱动的偏转式执行机构

1—从动滚轮；2—偏转座；3—扇形齿轮；4—摆线针轮减速器； 5—底座；6—电动机。

升降式执行机构调节原理如图 5.29 所示。液压驱动的升降式执行机构如图 5.30 所示，其原理是通过电液伺服阀，控制液压缸活塞杆的伸缩，使从动滚轮升降。电动机驱动的升降式执行机构如图 5.31 所示，其原理通过机电控制使电动机正反转，带动杠杆梁绕支点变向转动，使从动滚轮升降。

图5.29　升降式执行机构的调节原理

1—主动滚轮；2—焊件；3—从动滚轮；4—升降式从动滚轮

图5.30　液压驱动的升降式执行机构

1—杠杆梁；2—从动滚轮；3—举升液压缸；4—支座。

图5.31　电动机驱动的升降式执行机构

1—从动滚轮；2—减速电动机；3—举升丝杠； 4—非标蜗杆减速器；5—非标蜗杆减速器的 铰接支座；6—杠杆梁；7—支座。

平移式执行机构调节原理如图 5.32 所示，当控制位于同一滚轮架上的两个从动滚轮沿垂直于焊件轴线的方向同步水平移动时，如从A点移到B点，则焊件以主动滚轮为支点发生位移。其轴线由OO位置偏至OO1位置，使焊件轴线相对于滚轮轴线偏转α角，从而达到调节轴向位移的目的。

图5.32　平移式执行机构的调节原理（俯视图）

1—主动滚轮；2—从动滚轮；3—焊件。

平移式执行机构如图5.33、图5.34所示。前者控制电动机的正反转，经针轮摆线减速器减速后驱动曲柄在±α角度范围内转动，从而带动连杆使滑块座平移，而滑块座是通过直线轴承与从动滚轮座固结在一起的，直线轴承套装在光杠上。这样从动滚轮座根据位移传感器发生的信号，沿光杠向左或向右移动以调节焊件的窜动方向。后者是液压驱动的平移式执行机构，从动滚轮座沿光杠的移动，是根据位移传感器的信号，由电磁换向阀控制液压缸活塞杆的伸缩来实现的。

图5.33　电动机驱动的平移式执行机构

1—从动滚轮座：2—直线轴承；3—滑块座；4—连杆； 5—曲柄；6—针轮摆线减速器；7—曲柄轴承座； 8—底座；9—光杠。

图5.34　液压驱动的平移式执行机构

1—从动滚轮座；2—直线轴承；3—光杠；
4—底座；5—液压缸；
6—液压缸铰接支座。

上述三种执行机构的性能比较见表5.6。

表5.6　三种防窜执行机构的性能比较