輾環(huán)機(jī)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)研究

單寶德，徐會(huì)彩，龐東平，劉 杰

（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

1 前言

徑軸向輾環(huán)機(jī)用于制造高質(zhì)量的大型無(wú)縫環(huán)形鍛件，如：軸承環(huán)、齒圈、法蘭、輪轂、薄壁桶形等鍛件，可軋制碳鋼、不銹鋼、鈦合金、銅合金、鋁合金以及高溫合金等材質(zhì)環(huán)形件。在機(jī)械工業(yè)、石油化工、紡織、工程機(jī)械及航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

輾環(huán)過(guò)程中，隨著環(huán)件直徑的不斷增大，需要實(shí)時(shí)進(jìn)行測(cè)量，以控制軋制過(guò)程。環(huán)件直徑測(cè)量的準(zhǔn)確與否，影響輾環(huán)過(guò)程的穩(wěn)定性、環(huán)件尺寸精度以及成品率。

2 測(cè)量裝置工作環(huán)境

測(cè)量裝置安裝在對(duì)環(huán)件進(jìn)行軸向軋制的上下錐輥之間。為適應(yīng)軋制扁平環(huán)件的需要，測(cè)量裝置在高度方向要求盡量小。熱軋過(guò)程中，環(huán)件的軋制溫度一般在800℃～1200℃，對(duì)潤(rùn)滑和冷卻要求較高。

測(cè)量方式主要有兩種。一種是采用無(wú)接觸激光測(cè)距傳感器，其典型方法有脈沖法、相位法、干涉法等。脈沖法的測(cè)量范圍從幾十米到上萬(wàn)千米，精度量級(jí)為米；相位法的測(cè)量范圍從幾米到幾千米，精度達(dá)到毫米量級(jí)；干涉法一般測(cè)量厘米左右的距離，精度高達(dá)微米量級(jí)。采用激光相位比較法的激光測(cè)距傳感器，測(cè)量精度可達(dá)±2mm，分辨率0.1mm，重復(fù)性0.5mm，測(cè)量距離0.1m～30m。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是可做到結(jié)構(gòu)緊湊，軸向尺寸小，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸測(cè)量。但在軋環(huán)過(guò)程中因經(jīng)常向工作軋輥噴水冷卻，產(chǎn)生水蒸氣，并且設(shè)備工作時(shí)有振動(dòng)，影響測(cè)量精度。目前較少采用。

另一種測(cè)量方式是機(jī)械式接觸測(cè)量裝置，這種方式被廣泛采用。

3 機(jī)械式測(cè)量裝置

3.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖1 所示，導(dǎo)桿5、前梁3、后梁11 等構(gòu)成移動(dòng)部分，導(dǎo)向座6 和9 構(gòu)成固定部分。固定部分通過(guò)螺釘固定在輾環(huán)機(jī)的軸向機(jī)架上?；顒?dòng)部分沿環(huán)件直徑方向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)桿與固定座之間滑動(dòng)配合。測(cè)量輪固定在前梁上。

軋制過(guò)程中，油缸8 桿腔進(jìn)油，活塞桿向左縮入油缸，移動(dòng)部分帶動(dòng)滾輪壓向環(huán)件。輾環(huán)過(guò)程中環(huán)件帶動(dòng)測(cè)量輪旋轉(zhuǎn)。環(huán)件直徑增大時(shí),推動(dòng)測(cè)量輪右移。

環(huán)件毛坯上料或下料時(shí)，油缸8 塞腔進(jìn)油，測(cè)量輪退回（向右），遠(yuǎn)離主輥。

3.2 位移測(cè)量方式

活動(dòng)部分帶動(dòng)測(cè)量輪移動(dòng)，其位移測(cè)量有兩種方式。

3.2.1 齒輪齒條編碼器方式

在導(dǎo)向桿上安裝齒條，在輾環(huán)機(jī)軸向機(jī)架上安裝編碼器座。齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪通過(guò)轉(zhuǎn)軸和聯(lián)軸器帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)。將移動(dòng)部分的直線位移轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)位移。旋轉(zhuǎn)編碼器可選用絕對(duì)值式或增量式。

增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此其示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。

旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖，通過(guò)計(jì)數(shù)設(shè)備來(lái)得到其位置，當(dāng)編碼器不動(dòng)或停電時(shí)，依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來(lái)記住位置。這樣，當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動(dòng)，當(dāng)來(lái)電工作時(shí)，編碼器輸出脈沖過(guò)程中，也不能有干擾而丟失脈沖，否則計(jì)數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會(huì)偏移，且這種偏移的量是無(wú)從知道的，只有錯(cuò)誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。

解決的方法是增加參考點(diǎn)。編碼器每經(jīng)過(guò)參考點(diǎn)，將參考位置修正進(jìn)計(jì)數(shù)設(shè)備的記憶位置。在參考點(diǎn)以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點(diǎn)，開(kāi)機(jī)找零等方法。

3.2.2 磁滯伸縮位移傳感器方式

磁致伸縮位移傳感器，是利用磁致伸縮原理，通過(guò)兩個(gè)不同磁場(chǎng)相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量位置。在油缸內(nèi)部安裝磁滯位移傳感器。這種方式測(cè)量準(zhǔn)確可靠，并且使檢測(cè)元件遠(yuǎn)離熱源和沖擊，傳感器利用非接觸技術(shù)監(jiān)測(cè)活動(dòng)磁鐵的位移，由于作為確定位置的活動(dòng)磁環(huán)和敏感元件并無(wú)直接接觸，因此傳感器可應(yīng)用在極惡劣的工業(yè)環(huán)境中，不易受油漬、溶液、塵?；蚱渌廴镜挠绊?。傳感器輸出信號(hào)為絕對(duì)位移值，即使電源中斷、重接，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，更無(wú)須重新歸零。這樣就省去開(kāi)機(jī)回參這個(gè)環(huán)節(jié)，避免機(jī)械傳動(dòng)的累積誤差。由于敏感元件都是非接觸式的，即使測(cè)量過(guò)程不斷重復(fù)，也不會(huì)對(duì)傳感器造成磨損，可大大提高檢測(cè)的可靠性和使用壽命。

3.3 環(huán)件直徑計(jì)算

環(huán)件直徑計(jì)算公式如下（圖2）：

式中：d——環(huán)件直徑；

L——錐輥錐尖與主輥中心之間的距離；

x——測(cè)量輪中心與錐輥錐尖之間的距離；

d1——主輥直徑；

d2——測(cè)量輪直徑。

3.4 測(cè)量輪的安裝

測(cè)量輪的安裝要求方便更換，軸向尺寸小，摩擦副的使用壽命長(zhǎng)。在以前的結(jié)構(gòu)中，有采用軸瓦式摩擦副的，有通軸式的多種，但均沒(méi)有把幾個(gè)問(wèn)題同時(shí)解決好。如圖3 所示的結(jié)構(gòu)很好地解決了這些問(wèn)題。

采用剖分式結(jié)構(gòu)，前蓋2 和前梁3 之間采用螺釘連接，把固定軸4 卡在中間，測(cè)量滾輪1 和滾動(dòng)軸承13 安裝在固定軸上。為了軸向定位，固定軸4 帶有臺(tái)階。擋環(huán)15 通過(guò)螺釘固定在測(cè)量滾輪上，將軸承外圈軸向定位。固定軸臺(tái)階和隔套14，將軸承內(nèi)圈軸向定位。因采用剖分式連接使軸向尺寸減小，并且安裝拆卸方便。采用滾動(dòng)軸承使摩擦力減小，有利于提高摩擦副的壽命，同時(shí)，較低的摩擦力又使整個(gè)活動(dòng)部分受到的橫向力減小，測(cè)量桿就不易彎曲，保證了移動(dòng)部分的導(dǎo)向精度，使測(cè)量精度提高

3.5 測(cè)量輪結(jié)構(gòu)

測(cè)量輪工作時(shí)與高溫環(huán)件接觸且高速旋轉(zhuǎn)，要求質(zhì)量小，高溫變形小。材質(zhì)一般選用5CrNiMo 或5CrMnMo。做成輪轂、輪緣、輪輻方式的結(jié)構(gòu)，可以減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使其旋轉(zhuǎn)靈活，同時(shí)便于散熱。輪輻上需要開(kāi)孔，把工作中掉落下的氧化皮等雜物落掉。

3.6 潤(rùn)滑冷卻

輾環(huán)過(guò)程中測(cè)量輪與高溫環(huán)件接觸，并高速旋轉(zhuǎn)，因此其冷卻和潤(rùn)滑尤為重要。

以前的潤(rùn)滑和冷卻方法主要有：①在測(cè)量輪轉(zhuǎn)軸上安裝油杯。這種方法只能在軋環(huán)停止時(shí)人工進(jìn)行，高溫環(huán)境下潤(rùn)滑油流失大，轉(zhuǎn)動(dòng)副得不到良好的冷卻和潤(rùn)滑，測(cè)量輪及軸承（或軸瓦）經(jīng)常損壞。②在測(cè)量裝置導(dǎo)向桿上加工深孔,通過(guò)測(cè)量輪前座引入冷卻水和潤(rùn)滑油。這種方法雖能在輾環(huán)過(guò)程中對(duì)測(cè)量輪進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，但加工深孔在工藝上難以實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種新的潤(rùn)滑、冷卻方法如下：在導(dǎo)向座6 和9 上開(kāi)孔，用金屬管穿過(guò)導(dǎo)向座連接前梁和后梁。開(kāi)孔的尺寸要大于金屬管的直徑，防止加工制造誤差和管子下垂的原因，引起干涉。在前梁上通過(guò)孔道將潤(rùn)滑油引到旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副。在后梁上留有接口與潤(rùn)滑主管路連接。在管口到旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副之間在前蓋2 或前梁3 上開(kāi)連接孔道，孔道通過(guò)銑削加工，拐角處圓滑過(guò)渡，減小介質(zhì)的流動(dòng)阻力。

冷卻方法：管路連接結(jié)構(gòu)類似潤(rùn)滑部分，將冷卻水引到測(cè)量滾輪，在后梁上留有接口與冷卻主管路連接。在管口到測(cè)量滾輪上端開(kāi)連接孔道。

由此實(shí)現(xiàn)了在輾環(huán)過(guò)程中對(duì)測(cè)量輪進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，提高了測(cè)量裝置的壽命，減少了維護(hù)工作量。同時(shí)提高了測(cè)量裝置可靠性，減少?gòu)U品率，降低制造成本。

4 結(jié)語(yǔ)

解決了輾環(huán)過(guò)程中測(cè)量裝置的實(shí)時(shí)潤(rùn)滑和冷卻問(wèn)題，并兼顧了制造成本。新的測(cè)量輪安裝結(jié)構(gòu)既緊湊又安裝拆卸方便。提高了測(cè)量裝置的壽命和可靠性。申請(qǐng)了發(fā)明專利一項(xiàng)，并獲受理。

[1]華 林，黃興高，朱春東，著.環(huán)件軋制理論和技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]趙繼聰，周 盼，秦 魏.激光傳感器原理及其應(yīng)用.科技向?qū)В?011，（9）.

[3]李懷洲，孫海燕，羅祖順，等.磁致伸縮位移傳感器的研究與應(yīng)用.電氣自動(dòng)化，2005，（5）.

[4]劉興海.旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用.新疆鋼鐵，2006，（1）.