不銹鋼管自動停機裝料冷軋管機的研發(fā)*

□ 方 健 □ 顏運強

寧波東重機械有限公司 浙江寧波 315032

不銹鋼管自動停機裝料冷軋管機的研發(fā)*

□ 方 健 □ 顏運強

寧波東重機械有限公司 浙江寧波 315032

自主開發(fā)了不銹鋼自動停機裝料冷軋管機，采用冷軋機的坯管自動測長上料裝置，可在上料階段自動測量坯管長度，通過PLC控制停機、裝料、軋制、管坯內(nèi)壁注入潤滑油，實現(xiàn)了軋制過程的全自動化，可提高生產(chǎn)效率20%以上。同時改變傳統(tǒng)軋機一人一臺的傳統(tǒng)操作模式，實現(xiàn)一個工人操作6臺以上冷軋機，節(jié)省人工成本70%以上。

不銹鋼 自動停機裝料 冷軋管機 自動測長

不銹鋼冷軋管材具有耐蝕、耐熱、耐低溫及良好的加工性等優(yōu)良性能［1］，不銹鋼產(chǎn)品以其卓越的功能性與結(jié)構(gòu)性集于一身［2］，廣泛用于石油化工、港口、汽車及軌道交通等行業(yè)。用冷軋方法可有效軋制包括高合金、塑性差的各種鋼管和有色金屬管，生產(chǎn)薄壁、極薄壁和內(nèi)外表面無劃痕的優(yōu)質(zhì)管材［3］。經(jīng)冷軋后管材具有的優(yōu)點：管材組織晶粒細密，機械性能和物理性能優(yōu)越；冷軋管機對于原始管坯壁厚偏差的糾偏能力強，幾何尺寸精確，表面光滑［4］；每道次變形量可達 70% ～90%；采用冷軋法生產(chǎn)管材可大量減少熱處理、酸洗、打頭、矯直等中間工序，減少了材料、電能及人力的消耗；冷軋工藝可使材料利用率超過95%（冷拔為70%～80%），加工延伸率可達200%～1 000%（冷拔為110%～150%）。我國是無縫管生產(chǎn)大國，2012年無縫管產(chǎn)量已達2 819.7萬噸，占世界無縫管產(chǎn)量的1/2，其中采用冷軋（拔）生產(chǎn)的管材約占無縫管總產(chǎn)量的20%。但目前我國冷軋管機普遍存在效率低、單位產(chǎn)量能耗大、產(chǎn)品質(zhì)量差等不足，且大多采用停機上料模式，即生產(chǎn)一根管子后，須停機、裝料，再開機軋制下一根管子。

隨著電氣技術(shù)的發(fā)展，目前先進的冷軋管機都采用交流伺服電機傳動，軋制過程可實現(xiàn)連續(xù)上料和軋制，軋制過程由計算機程序控制，實現(xiàn)自動化操作。本文開發(fā)的不銹鋼管自動停機裝料冷軋管機采用了光電一體化技術(shù)，是對傳統(tǒng)冷軋管機的技術(shù)升級［5］。

1 自動停機裝料冷軋管機工作流程

該設(shè)備工作流程如下。

（1）主機電源啟動，送進小車頂門自動打開，同時管坯送進小車快速退回至床身后限位位置。

（2）啟動自動推料裝置，將管坯快速送至送進小車前面的床身內(nèi)。

（3）送進小車頂門自動閉合，并快速前進至管坯尾部一段距離 （根據(jù)金屬管端測距儀測定每根管坯的長度計算）。

（4）開啟主機，回轉(zhuǎn)送進機構(gòu)工作，冷軋管機軋制管坯。

（5）通過程序設(shè)定，定時啟動潤滑油泵向管坯內(nèi)壁注入潤滑油。

（6）成品管軋制完畢，自動啟動成品管快速拉出裝置，將成品送到成品料槽。

（7）當(dāng)管坯軋制至床身的前限位位置時，主機停止送進工作，主電機以一定的速度降速，直至完全停止，接著再重復(fù)步序（1）的工作，周而復(fù)始，實現(xiàn)軋制工作的自動化。自動停機裝料冷軋管機工作流程如圖1所示。

▲圖1 自動停機裝料冷軋管機工作流程

2 自動停機裝料冷軋管機主要結(jié)構(gòu)組成

自動停機裝料冷軋管機由上料裝置、回轉(zhuǎn)送進齒輪箱、機頭架、送進床身及管坯送進小車、液壓系統(tǒng)、光電控制系統(tǒng)等組成，其布局如圖2所示。

▲圖2 自動停機裝料冷軋管機布局

（1）上料裝置。它位于軋機回轉(zhuǎn)送進機構(gòu)后部，包括管坯臺架、推管裝置。管坯臺架用于存放一定數(shù)量的待軋管坯，臺架面帶有斜度，可使管坯沿軋制線方向滾動，靠近軋制線處設(shè)有擋板，通過自動翻料機構(gòu)將管坯撥入推管裝置。用減速電機帶動推管裝置，通過頂管把管坯推入床身管坯小車的前端，使管坯小車直接頂著管坯前進。

（2）回轉(zhuǎn)送進齒輪箱。它位于上料裝置與送進床身之間，采用直流或交流伺服電機驅(qū)動。軋管時，當(dāng)套在芯棒外的管坯處于滑道的回轉(zhuǎn)送進段的一瞬間，向前送進一段距離，即送進量，同時與芯棒一起轉(zhuǎn)過一個角度，即回轉(zhuǎn)角。這兩個動作由主傳動系統(tǒng)中的曲柄在一個有限轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)完成，并通過軋機回轉(zhuǎn)、送進電機及齒輪傳動系統(tǒng)實現(xiàn)?？刂齐姍C回轉(zhuǎn)和送進動作的信號來自于偏心齒輪傳動裝置上的高分辨率編碼器。

（3）機頭架。它位于床身前部，由機座箱、機架體及調(diào)整裝置等組成，通過銷軸與連桿的一端相連，偏心齒輪帶動連桿的拉動機架實現(xiàn)往復(fù)運動，機架的上下軋輥軸上各裝一個齒輪，并與主機座上的齒條嚙合，機架移動時，上下軋輥產(chǎn)生同步相反方向的旋轉(zhuǎn)運動，完成管坯的軋制。

（4）送進床身及管坯小車。它的前端與機頭架相連，后端與回轉(zhuǎn)送進齒輪箱連接，中間依托床身，將回轉(zhuǎn)送進齒輪箱所產(chǎn)生的間歇回轉(zhuǎn)運動直接傳到主機頭軋制區(qū)，實現(xiàn)冷軋工藝規(guī)定的軋管生產(chǎn)。送進床身為一槽型焊接構(gòu)件形成的箱型滑軌，傳動絲桿、回轉(zhuǎn)軸、管坯小車都在其內(nèi)運動，并與回轉(zhuǎn)送進齒輪箱組成一體，實現(xiàn)管坯的定量送進和轉(zhuǎn)動。兩根傳動絲桿水平置于送進床身內(nèi)，兩端裝有軸承支座，通過絲桿傳動，帶動管坯小車送進或快速退回，使管坯小車退回到送進床身后的限位位置?；剞D(zhuǎn)軸為一根帶長鍵槽的長軸，其作用是在絲桿送進管坯的同時，將回轉(zhuǎn)運動傳給管坯小車，使管坯實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。

管坯小車為一個帶滑道的小箱型結(jié)構(gòu)，由雙絲桿帶動，車上安裝由液壓控制的頂塊裝置，停機送管坯時，頂塊裝置打開，管坯通過管坯小車送入床身，然后頂塊裝置自動閉合。當(dāng)管坯軋制時，管坯小車通過頂塊間歇地推動管坯進入到主機頭軋制區(qū)進行軋制。

（5）液壓系統(tǒng)。它由油箱、冷卻器、過濾器、回油過濾器、空氣濾清器、加熱器及液位、液溫檢測及顯示元件等組成，主要為保證系統(tǒng)正常工作并提供清潔、符合系統(tǒng)使用要求的工作介質(zhì)。主泵裝置由恒壓變量泵-電機組、壓力繼電器等組成，為系統(tǒng)提供恒定的壓力油源?？刂崎y座由閥塊、各類方向閥、流量閥等組成，滿足冷軋管機的工作及調(diào)節(jié)軋制過程中各液壓缸的動作控制要求。

（6）光電控制系統(tǒng)。該裝置主要由電氣控制系統(tǒng)和高分辨率編碼器組成，它的主要功能為：① 使用直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)主機的無級調(diào)速，并設(shè)有聯(lián)鎖保護，以保證設(shè)備安全正常地運行；②控制回轉(zhuǎn)與送進動作，確保回轉(zhuǎn)送進運動與工作機架往復(fù)運動的耦合；③送進量、回轉(zhuǎn)角度采用全數(shù)字調(diào)節(jié)，直觀、方便；④ 送進小車在前、后極限位置均設(shè)有限位保護，防止小車越程。為了方便操作，在設(shè)備操作處設(shè)置操作臺，布置軋機開動、停止、緊急停止、調(diào)速、工藝潤滑泵啟動及停止、送進小車快速前進及后退按鈕。

▲圖3 主回路原理圖

▲圖4 PLC控制流程圖

3 實現(xiàn)自動循環(huán)的光電控制系統(tǒng)

自動停機裝料冷軋管機是在傳統(tǒng)軋機的基礎(chǔ)上，采用PLC、傳感器、紅外感應(yīng)器、變頻電機、變頻器、編碼器等光電控制系統(tǒng)及編程軟件，使電氣控制系統(tǒng)獲取信號，發(fā)出工作循環(huán)的各項指令，通過液壓系統(tǒng)控制液壓缸完成相應(yīng)的動作，光電控制系統(tǒng)如圖3、4所示。

（1）PLC。它接收傳感器、紅外感應(yīng)器及編碼器發(fā)送的信號，通過運算處理，發(fā)出執(zhí)行指令，控制變頻器、液壓控制閥等元件，使執(zhí)行機構(gòu)（如變頻電機、液壓缸）產(chǎn)生相應(yīng)的動作。

（2）傳感器。它配合PLC檢測坯管卸載到上料裝置的情況，當(dāng)上料裝置沒有坯管時，傳感器發(fā)出信號到PLC，經(jīng)處理后發(fā)指令使管坯從堆放區(qū)翻到上料架中。

（3）電流取樣。它對直流電機（主電機）的電樞電流進行隨機抽取，再通過PLC的分析、對比，從而實現(xiàn)對主電機的速度控制。

（4）由紅外感應(yīng)器、變頻電機、編碼器等組成的管坯長度檢測系統(tǒng)。上料變頻電機驅(qū)動鏈輪、鏈條，帶動坯管前移到紅外感應(yīng)器的位置，紅外感應(yīng)器發(fā)出信號，該信號傳遞給PLC，PLC輸出中斷信號給上料變頻電機并使其停止運行，光電編碼器輸出累計的脈沖信號給PLC，計算出上料變頻電機的動力輸出軸運行距離，由于紅外感應(yīng)器與測長起始點之間的距離為固定值，紅外感應(yīng)器與測長起始點之間的距離減去上料變頻電機的動力輸出軸運行的距離即為坯管的實際長度。

（5）冷軋機的坯管自動測長上料裝置。可在上料階段對坯管長度自動測量，與冷軋機上料裝置連接的送進床身在軋制的送進階段可使坯管連續(xù)送進，從而實現(xiàn)冷軋機的不間斷全自動化生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

該設(shè)備可實現(xiàn)軋制成品不銹鋼管的外徑尺寸為30～60 mm，尺寸公差可達±0.02 mm，壁厚公差±0.05 mm，表面粗糙度0.8μm，冷軋管機軋制速度達到100次/min。通過PLC控制停機、裝料、軋制、管坯內(nèi)壁加潤滑油的全過程，實現(xiàn)了軋制過程的全自動化，提高生產(chǎn)效率20%以上。同時改變傳統(tǒng)軋機一人一臺的傳統(tǒng)操作模式，可實現(xiàn)一個工人操作多臺（6臺以上），節(jié)省人工成本70%以上。

［1］李偉華，閻秋生，高偉強.不銹鋼表面加工的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.機械制造，2009（5）.

［2］王春暉.北侖不銹鋼制品產(chǎn)業(yè)發(fā)展芻議［J］.寧波工程學(xué)院學(xué)報，2005（5）.

［3］朱俊.中國不銹鋼管材的應(yīng)用與市場前景［J］.金屬世界，2011（1）.

［4］魏玉鵬.冷軋帶鋼熱處理工藝的研究與實踐［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（20）.

［5］閻雪峰，閆菲菲，周紅兵，等.我國冷軋管機的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.重型機械，2010（3）.

（編輯 丁 罡）

The independent developed cold reduction mill with auto-stop and auto-loading functions for stainless steel tube is equipped with an auto-loading device that can measure the length of blank tubes at the feeding stage automatically，stop the mill by PLC control，load&roll the tubes and lubricate the internal walls of pipe blanks to realize a fully automated rolling process while improving the productivity by more than 20%.In addition，the traditional operating mode，i.e.one person operates one mill may be enhanced to the new mode i.e.one worker can operates over 6 cold rolling mills，that can save the labor costs by more than 70%.

Stainless SteelAuto-stop&Auto-loading Cold Reduction MillAutomatic Length Measurement

TH122；TG333.8

A

1000-4998（2015）03-0005-04

*科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項目（編號：12C26213313101）

寧波市江北區(qū)工業(yè)科研攻關(guān)項目（編號：2013A0117）

2014年9月