高速冷軋管機(jī)檢測裝置改進(jìn)

紀(jì)松山，徐生華，凡 明，俞旭東，李鐵揚(yáng)

(1. 中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2. 西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 401326；3. 浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313012；4. 大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司，遼寧 大連 116011)

0 前言

近幾年冷軋管機(jī)發(fā)展迅速[1]，由于其可采用大變形工藝[2]和精密軋制的特點(diǎn)，在無縫管生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用很廣，可軋制不銹鋼、碳鋼、鋁合金、鈦、鋯、銅等金屬無縫管。2007年以前國內(nèi)的高速全自動冷軋管機(jī)全部采用進(jìn)口設(shè)備，主要是德國生產(chǎn)的KPW系列冷軋管機(jī)，我國在2007年也自主研發(fā)了高速全自動無縫冷軋管機(jī)，并經(jīng)過不斷的更新?lián)Q代，在市場中有大量的應(yīng)用?，F(xiàn)在在精密度要求極高的核電領(lǐng)域也能見到國產(chǎn)高速冷軋管機(jī)。但在生產(chǎn)中，軋機(jī)速度高，沖擊負(fù)載大，容易出現(xiàn)機(jī)械疲勞破壞，影響設(shè)備穩(wěn)定性。出現(xiàn)不可預(yù)知的故障時(shí)沒有有效的檢測手段來及時(shí)停機(jī)，也是現(xiàn)有設(shè)備遇到的難以解決的問題。在開發(fā)大規(guī)格自動化設(shè)備時(shí)，國內(nèi)外均找不到穩(wěn)定可靠的檢測元件。本文通過改善冷軋管機(jī)檢測管坯頭尾的特制渦流開關(guān)，增加軋制力檢測設(shè)備，增加管壁厚和外徑檢測設(shè)備，有效地提高了軋機(jī)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，減少軋機(jī)故障發(fā)生的幾率。

1 軋機(jī)組成及存在的問題

1.1 軋機(jī)組成

軋機(jī)組成[3]如圖1所示。軋機(jī)上料裝置用于存儲坯料管，可以在上料時(shí)自動撥料到輥道中，通過喂料輥運(yùn)送到裝料床身。裝料床身[4]有多組夾送輥裝置，檢測到管子時(shí)夾送輥由電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)將管坯運(yùn)往送料床身。送料床身負(fù)責(zé)將坯料夾緊后在機(jī)架前后送進(jìn)回轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)將管坯以給定的送進(jìn)量送往軋制區(qū)。軋機(jī)配有兩套芯棒卡緊裝置[5]，兩套裝置上料時(shí)交替動作，使芯棒桿始終保持在固定位置。另外配有兩套管坯卡盤，卡盤交替送進(jìn)可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)連續(xù)軋制。

圖1 軋機(jī)組成圖

1.2 軋機(jī)檢測存在問題

裝料床身上有多組夾送輥，且前端裝有渦流檢測開關(guān)，用于檢測管子是否到達(dá)相應(yīng)的輥道內(nèi)。整臺軋機(jī)穿有十多米長的芯棒桿，用來固定軋制區(qū)的芯棒。上料時(shí)管坯需穿入芯棒桿才能到達(dá)裝料床身和送料床身，軋制時(shí)芯棒桿及管坯在圓周方向有擺動，檢測管坯到達(dá)的元件用接近開關(guān)或光電開關(guān)均無法實(shí)現(xiàn)，因此現(xiàn)有軋機(jī)檢測均采用特制的渦流開關(guān)。軋制時(shí)芯棒桿間歇旋轉(zhuǎn)和擺動對檢測元件干擾較大，為避免擺動干擾，每次更換軋制規(guī)格都需要調(diào)整渦流檢測元件的靈敏度，同時(shí)更換適合的導(dǎo)套，每次拆卸導(dǎo)向套需將十多米長的芯棒桿拉出才能更換，調(diào)整非常繁瑣。

在軋制區(qū)配有芯棒斷裂檢測裝置，當(dāng)芯棒因疲勞斷裂進(jìn)入檢測開關(guān)時(shí)需及時(shí)停機(jī)，以免模具損壞。但市場中的檢測元件檢測靈敏度低，容易誤報(bào)，使用不理想。

在生產(chǎn)中會經(jīng)常測量外徑和壁厚值，確保產(chǎn)品合格。每次更換產(chǎn)品規(guī)格后需調(diào)整壓下裝置測量成品外徑是否合格，停機(jī)測量時(shí)軋機(jī)內(nèi)部較熱，機(jī)器部件全部都是潤滑油，操作不便，安全性差。測量壁厚時(shí)還需將管子切下一段，從軋機(jī)中取出來測量，而軋機(jī)生產(chǎn)過程中的抽檢量較多，檢驗(yàn)會耗費(fèi)大量時(shí)間?，F(xiàn)有國內(nèi)外軋機(jī)均無法實(shí)現(xiàn)軋機(jī)區(qū)域自動鋸切，切割需要人工完成。

2 檢測裝置改進(jìn)

2.1 裝料檢測裝置新方案

渦流檢測與色彩傳感器檢測裝置安裝方式如圖2所示。渦流檢測開關(guān)需安裝在芯棒桿中間，與芯棒桿中心保持一致，檢測開關(guān)兩邊有導(dǎo)套保護(hù)，當(dāng)渦流檢測開關(guān)檢測到管子時(shí)，夾送輥啟動，將管坯向軋制區(qū)運(yùn)送。色彩傳感器安裝在芯棒桿上方，有效調(diào)節(jié)距離在200 mm，無需保護(hù)套，在檢修時(shí)也不易碰撞損壞。裝料檢測裝置原來采用渦流檢測開關(guān)是通過識別線圈中的磁通量來辨別芯棒桿中是否有管坯通過?，F(xiàn)采用色彩傳感器來檢測，設(shè)定識別芯棒的顏色即可。管坯與芯棒桿顏色有差別，利用色差來發(fā)訊號，傳感器為模擬量輸出，可手動調(diào)節(jié)各開關(guān)，也可以在操作臺工控機(jī)中統(tǒng)一設(shè)定。調(diào)整操作在短時(shí)間內(nèi)完成，無需人工每個(gè)開關(guān)都設(shè)定一次。兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

表1 兩種檢測方式對比

2.2 增配軋制力檢測裝置

如圖3所示，軋制力檢測[6]裝置安裝在機(jī)架中，壓力傳感器[7]和軋機(jī)輥縫調(diào)節(jié)裝置裝配在一起，機(jī)架上裝有信號無線傳輸裝置，檢測元件通過無線傳輸將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳至工控機(jī)。軋制力檢測裝置有助于采集每種鋼管的實(shí)際軋制力，可為孔型設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)，優(yōu)化孔型曲線。由于機(jī)架往復(fù)高速運(yùn)動，如高速LG10軋機(jī)，機(jī)架往復(fù)速度高達(dá)280次/分，軋機(jī)內(nèi)部有霧，采用有線供電易損壞電纜，所以采用KPC滑觸線供電，供電系統(tǒng)中配有電池，防止斷電時(shí)數(shù)據(jù)丟失。軋制力的異常變化都將傳輸?shù)杰垯C(jī)工控機(jī)中，通過分析對比，判斷設(shè)備是否出現(xiàn)故障，如出現(xiàn)沖管、頂頭斷裂等。如果超過設(shè)定報(bào)警值，軋機(jī)會緊急制動，減少零件損壞。

圖3 軋制力檢測裝置

2.3 增配回轉(zhuǎn)丟失檢測

回轉(zhuǎn)送進(jìn)箱是驅(qū)動管坯和芯棒桿回轉(zhuǎn)的動力機(jī)構(gòu)[8]，通過伺服電機(jī)驅(qū)動蝸輪副實(shí)現(xiàn)。伺服電機(jī)連接蝸桿，小型軋機(jī)每分鐘起停最大在560次，伺服電機(jī)聯(lián)軸器易損壞。因此，需要規(guī)定使用時(shí)間，定期更換。如果聯(lián)軸器損壞后，回轉(zhuǎn)丟失，會造成管子軋出飛邊，導(dǎo)致孔型或芯棒損壞，而更換新孔型將耗費(fèi)8～10 h。成品管損壞的成本也很高，尤其是軋制核電管，造成損失非常大。為解決該問題，設(shè)計(jì)了回轉(zhuǎn)丟失檢測裝置，如圖4所示?；剞D(zhuǎn)軸上裝有感應(yīng)套，感應(yīng)套上方裝有檢測開關(guān)，當(dāng)感應(yīng)開關(guān)檢測到感應(yīng)套停止回轉(zhuǎn)或回轉(zhuǎn)不穩(wěn)定后發(fā)訊號至工控機(jī)報(bào)警。該裝置可有效保護(hù)設(shè)備，提高設(shè)備的可靠性。

圖4 回轉(zhuǎn)丟失檢測裝置

2.4 增配成品壁厚檢測裝置

鋼管車間常規(guī)測壁厚一般是先停機(jī)，將成品管頭切下后測量，將潤滑油清理干凈，去毛刺，用壁厚千分尺來測量，時(shí)間長，勞動強(qiáng)度大，環(huán)境差，油污多。為此，在軋機(jī)出口端增設(shè)成品壁厚檢測裝置，如圖5所示。超聲波探頭安裝在調(diào)節(jié)支架上，成品管在超聲波探頭下方。該裝置是通過超聲波原理實(shí)現(xiàn)檢測，不同材料管子的傳播聲速不同，需提前設(shè)定好。軋機(jī)停機(jī)后由定心卡爪將管子自動定心，超聲波測厚探頭自動對準(zhǔn)成品管測量，壁厚值自動上傳至設(shè)備工控機(jī)，超差后有報(bào)警信號，并觸發(fā)停機(jī)。操作人員確認(rèn)尺寸后才可以重新開機(jī)。超聲波測厚探頭在調(diào)節(jié)軌道上可上下運(yùn)動。

管材軋制時(shí)在線測壁厚較難，現(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)軋制中檢測，管軋機(jī)機(jī)架高速往復(fù)運(yùn)動，震動引起的檢測誤差非常大，因此需要停機(jī)檢測。高精度臂厚檢測儀檢測精度[9]可到0.001 mm，一般精密管測量精度達(dá)到0.01 mm 即可滿足使用要求。

圖5 成品壁厚測量裝置

2.5 增配成品外徑檢測裝置

在軋機(jī)曲軸傳動裝置出口和出料臺架之間安裝外徑檢測裝置可實(shí)時(shí)的檢測成品外徑，如圖6所示。激光測徑儀檢測頭安裝在成品管兩邊，通過計(jì)算激光投影面積實(shí)現(xiàn)。檢測直徑需要保持管子表面干凈，管子經(jīng)過冷軋后表面有較多的軋制油，軋機(jī)在出料口位置配有自動除油裝置，使管子表面足夠干凈確保檢測準(zhǔn)確。激光測徑檢測結(jié)果不受成品管震動影響，無需停機(jī)，一般選擇檢測精度為0.01 mm的檢測裝置就可以滿足常規(guī)產(chǎn)品要求。軋機(jī)生產(chǎn)中外徑檢測裝置將直徑數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳至工控機(jī)，發(fā)現(xiàn)超差會報(bào)警提醒，超時(shí)不做處理會自動停機(jī)。在鋼管生產(chǎn)中軋制油溫度、坯料管退火后的抗拉強(qiáng)度、送進(jìn)量變化都會影響成品尺寸的變化，因此配置該裝置十分有用。軋制完成后一般進(jìn)行脫脂、退火、酸洗、鈍化等工序，在前道工序中盡可能多增加檢測環(huán)節(jié)，漏檢產(chǎn)品在后續(xù)流程中會耗費(fèi)大量生產(chǎn)時(shí)間。

圖6 成品外徑檢測裝置

3 結(jié)束語

針對冷軋管機(jī)檢測裝置存在的檢測設(shè)備缺少，檢測設(shè)備安全性差等問題。本文用色彩傳感器代替特制渦流檢測開關(guān)檢測管子，有效解決了檢測信號不穩(wěn)定的問題，也便于安裝和備件更換，降低了設(shè)備成本，解決了大規(guī)格軋機(jī)檢測元件難以選型的問題。增加了軋制力檢測裝置和回轉(zhuǎn)丟失檢測裝置，可檢測到軋機(jī)生產(chǎn)中的故障，確保軋機(jī)安全停機(jī)，減小損失。成品壁厚檢測和外徑檢測裝置可提高成品率，也有助于整個(gè)車間進(jìn)一步提高了軋機(jī)的自動化水平[10]。