一種鋼管旋轉(zhuǎn)淬火裝置的研制

楊曉卿，劉 威，朱建明，李小鳳

(1.中國聯(lián)合工程有限公司 裝備工程公司，浙江 杭州 310000；2.杭州天驕舞臺科技有限公司，浙江 杭州 310000)

目前，國內(nèi)大型不銹鋼管(包括無縫鋼管和焊管)固溶處理設(shè)備主要采用室式熱處理爐，配淬火水槽及淬火裝鋼機[1]。鋼管被送入固溶爐加熱，達(dá)到設(shè)定要求時，打開爐門，淬火裝鋼機前部叉臂伸入爐膛，從爐膛中取出鋼管，然后將整個鋼管迅速浸入水中，完成固溶處理，或者是加熱的鋼管被直接拋入淬火槽中。然而，在處理大型鋼管時，由于鋼管接觸水時，上部和下部冷卻速度不一樣，很容易造成鋼管變形，增加了后續(xù)矯直的工作量，影響了產(chǎn)品的合格率[2]。

針對上述情況，筆者研制了一種鋼管旋轉(zhuǎn)淬火裝置，鋼管直徑為325～1 620 mm。在鋼管被取出固溶爐的過程中一邊旋轉(zhuǎn)，一邊快速下降浸入水槽的水中，減少了鋼管表面接觸水的時間差，使鋼管表面溫度相對均勻，從而減少了鋼管的變形量，提高了鋼管生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)品率，減少或免去了后續(xù)矯直工序，從而大大降低了生產(chǎn)成本[3]。

該項目研制的載體是獲得國資委單項資助的浙江省重點技術(shù)攻關(guān)項目“年產(chǎn)20000噸石油等輸送用大口徑管道及組件項目”中的核心關(guān)鍵項目，是國內(nèi)第1臺處理鋼管直徑達(dá)到1 620 mm，長度達(dá)到12.5 m的不銹鋼管固溶處理自動生產(chǎn)線，包括罩式爐、淬火水槽和淬火裝鋼機。本文研制的鋼管旋轉(zhuǎn)淬火裝置應(yīng)用于淬火裝鋼機叉臂上。

1 裝置組成

鋼管旋轉(zhuǎn)淬火裝置主要由裝鋼機升降裝置、旋轉(zhuǎn)動力分配裝置、壓緊裝置、旋轉(zhuǎn)輪裝置、壓力傳感器、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成(見圖1)。

圖1 鋼管旋轉(zhuǎn)淬火裝置結(jié)構(gòu)圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 裝鋼機升降裝置

裝鋼機升降裝置由鏈條、叉臂、升降架、升降導(dǎo)輪、升降軌道和升降液壓缸等組成(見圖2)[4]。叉臂與升降架組成升降機架；鏈條一端連接升降架，另一端固定在整個設(shè)備的主梁上；升降架與安裝在軌道內(nèi)的升降導(dǎo)輪相連接；升降液壓缸推出和縮回實現(xiàn)叉臂上升和叉臂上鋼管入水(推升拉降)[5]。

圖2 裝鋼機升降裝置

2.2 旋轉(zhuǎn)動力分配裝置

鋼管邊旋轉(zhuǎn)邊入水，轉(zhuǎn)速與鋼管直徑有關(guān)。鋼管直徑越小，變形越厲害，就要求轉(zhuǎn)速越高；反之，直徑越大，鋼管越不容易變形，轉(zhuǎn)速可以減小。一般要求轉(zhuǎn)速為10～120 r/min。旋轉(zhuǎn)動力分配裝置是由1個變頻調(diào)速電動機帶動減速機集中傳動，電動機的變頻控制可以滿足不同直徑的鋼管淬火時的不同轉(zhuǎn)速。其布置在遠(yuǎn)離淬火水面的叉臂上端，每組旋轉(zhuǎn)動力通過1組圓錐和1組蝸輪蝸桿以及若干傳動軸傳到叉臂上，帶動旋轉(zhuǎn)輪裝置轉(zhuǎn)動，從而使得進(jìn)入淬火液中的鋼管邊旋轉(zhuǎn)邊進(jìn)入液面。

旋轉(zhuǎn)動力分配裝置由電動機減速機、聯(lián)軸器、傳動軸、錐齒輪組成的轉(zhuǎn)向器、蝸輪蝸桿、軸承以及密封件[6]組成(見圖3)。

圖3 旋轉(zhuǎn)動力分配裝置

該裝置的主要技術(shù)參數(shù)如下：1)旋轉(zhuǎn)功率為7.5 kW；2)錐齒輪模數(shù)為5 mm；3)錐齒輪齒數(shù)為19；4)蝸桿頭數(shù)為3；5)蝸輪座間距為800 mm。

2.3 旋轉(zhuǎn)輪裝置

旋轉(zhuǎn)輪裝置的動力來自于叉臂頂部的電動機減速機，通過旋轉(zhuǎn)動力分配裝置傳遞到蝸桿，再通過蝸輪蝸桿傳動，帶動旋轉(zhuǎn)輪軸轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。

旋轉(zhuǎn)輪裝置由蝸輪軸、蝸輪、蝸輪座、軸承、帶密封件的透蓋、旋轉(zhuǎn)輪(直徑為300 mm)及固定板組成(見圖4)。

圖4 旋轉(zhuǎn)輪裝置

由于在水下使用，裝置用部件都采用不銹鋼材質(zhì)。軸承為不銹鋼軸承，其具有很好的耐腐蝕性能，可以在有腐蝕性的水中長時間使用，同時還能提高軸承的承載能力和熱傳導(dǎo)作用。軸承內(nèi)外圈和鋼球材料為9Cr18，軸承保持器和封閉蓋材料為0Cr19Ni9，透蓋采用橡膠密封，透蓋骨架外面包丁腈橡膠。

2.4 壓緊裝置(含壓力傳感器)

為防止淬火鋼管旋轉(zhuǎn)時漂浮被甩出，應(yīng)特別設(shè)計一套壓緊裝置(見圖5)。在鋼管即將入水淬火時，裝在叉臂上部的液壓缸伸出，鋼管上部的壓緊裝置下降到適當(dāng)?shù)奈恢?，液壓缸的伸出距離可調(diào)以適用不同直徑的鋼管；壓緊裝置上的液壓缸伸出使得壓輪組件與鋼管接觸，壓力大小通過壓力傳感器來控制，既可保證鋼管在水中足夠旋轉(zhuǎn)，又不至于將熱態(tài)鋼管壓變形[7]。當(dāng)叉臂要進(jìn)入爐膛取料時，壓輪組件通過液壓缸縮回來翻轉(zhuǎn)，只保證叉臂機構(gòu)進(jìn)入爐膛，而避免壓輪組件進(jìn)入高溫爐膛損壞。

圖5 壓緊裝置

壓緊裝置由液壓缸、壓輪固定架、壓輪組件和平衡輪組件組成。壓緊裝置數(shù)量一般可根據(jù)鋼管的長度來確定，長的鋼管可多設(shè)置幾套，反之，短的鋼管可以少配幾套。

該裝置的主要技術(shù)參數(shù)如下：1)液壓缸1推力為1 t(4組)；2)液壓缸1行程為1 320 mm；3)液壓缸2推力為1 t(4組)；4)液壓缸2行程為535 mm；5)液壓缸間距為2 400/3 200 mm；6)壓輪組件為4套。

2.5 液壓系統(tǒng)

鋼管旋轉(zhuǎn)淬火裝置中的升降、壓緊、旋轉(zhuǎn)都采用液壓驅(qū)動，動力油由安裝在淬火裝鋼機上的液壓泵站專供[8]。液壓泵通過電動機驅(qū)動輸出壓力油，液壓泵壓力由電磁溢流閥調(diào)整[9]。液壓泵出口設(shè)計1臺蓄能器，用來穩(wěn)定泵的壓力脈動，保持恒定的壓力[10]。

針對淬火要求入水時間快、升降液壓缸動作平穩(wěn)的特點，設(shè)計3組換向閥的回路，以實現(xiàn)液壓缸快速下降，平穩(wěn)停止動作；并在每組升降液壓缸處設(shè)計1個液控單向閥，以實現(xiàn)任意位置的停止保壓；設(shè)計1個安全球閥，當(dāng)系統(tǒng)沒有電源或者液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可手動打開安全球閥，讓液壓缸緩慢下降。

針對壓緊裝置壓力可調(diào)的特點，旋轉(zhuǎn)壓緊液壓缸設(shè)計比例減壓閥，通過調(diào)節(jié)進(jìn)入壓緊液壓缸的液壓油壓力，通過壓力傳感器隨時反饋壓力大小，來調(diào)整壓緊輪對鋼管的壓緊力。

3 結(jié)語

本文研制的鋼管旋轉(zhuǎn)淬火裝置實現(xiàn)了鋼管淬火時的旋轉(zhuǎn)功能，并能短時耐熱，可長期防水，旋轉(zhuǎn)速度無級可調(diào)；壓緊裝置中壓輪的壓力通過壓力傳感器和液壓系統(tǒng)的壓力構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)了在計算機中設(shè)定壓力值，可以控制壓輪的壓力，保證鋼管在快速平穩(wěn)下降的過程中，旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)，且在鋼管表面沒有留下可見的壓痕和變形。應(yīng)用實踐表明，該裝置完全滿足大直徑鋼管的淬火要求。

[1] 周敬恩. 熱處理手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2] 王秉銓. 工業(yè)爐設(shè)計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[3] 于程歆，劉林. 淬火冷卻技術(shù)及淬火介質(zhì)[M]. 沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

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[7] Sclater N, Chironis N P. 機械設(shè)計實用機構(gòu)與裝置圖冊[M]. 鄒平，譯. 北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[8] 陸望龍. 液壓系統(tǒng)使用與維護(hù)手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[9] 張利平. 液壓站設(shè)計與使用[M]. 北京：海洋出版社，2004.

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