復(fù)合管環(huán)形油缸裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉邯濤， 呂 江， 楊 鵬， 葉明強(qiáng)

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032； 2.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313000)

0 引 言

雙金屬復(fù)合管作為一種新型產(chǎn)品，是我國發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中高性能復(fù)合材料制造的不銹鋼與碳鋼復(fù)合的鋼管產(chǎn)品。復(fù)合管在復(fù)合過程中，內(nèi)壁管受壓力作用后直徑增大、長度縮短，引起了密封裝置密封面的相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致復(fù)合過程中密封泄露，我們提出并研發(fā)了環(huán)形油缸裝置[1]，該裝置是復(fù)合管液壓成型設(shè)備領(lǐng)域的一種新型的自動(dòng)跟隨壓力平衡的驅(qū)動(dòng)控制裝置[2]。

此新型的自動(dòng)跟隨壓力平衡的驅(qū)動(dòng)控制裝置主要由機(jī)架、環(huán)形油缸裝置、 閥體、連接板、支撐滾輪、軌道等組成。其中為了將機(jī)架中心的增壓裝置位置預(yù)留出來，設(shè)計(jì)了環(huán)形油缸裝置，該環(huán)形油缸[3]的內(nèi)環(huán)為空心結(jié)構(gòu)，伸出柱塞為整體環(huán)狀結(jié)構(gòu)[4]，應(yīng)用于復(fù)合管機(jī)組增壓自動(dòng)跟隨壓力平衡系統(tǒng)部分[5]。此裝置可以在液壓復(fù)合管裝置復(fù)合過程中，跟隨復(fù)合軸向力的升高自動(dòng)跟隨并平衡由此產(chǎn)生的復(fù)合軸向力。本裝置彌補(bǔ)了傳統(tǒng)幾個(gè)缸同時(shí)運(yùn)動(dòng)帶來的控制精度及結(jié)構(gòu)上同步性的不足[6]。

1 傳統(tǒng)增壓自動(dòng)跟隨壓力平衡系統(tǒng)工作過程

傳統(tǒng)的增壓自動(dòng)跟隨壓力平衡系統(tǒng)有多種，常見的一種為固定式平衡系統(tǒng)，如圖1所示，即增壓器中心和試壓中心通過管路連接起來，不用直連方式，采用U型滑塊上下運(yùn)動(dòng)，U型滑塊受壓后平衡復(fù)合管的軸向力。這種方式一般用于對(duì)小口徑的鋼管增壓方式，它的優(yōu)點(diǎn)是增壓器與密封頭分體，簡化密封頭結(jié)構(gòu)，缺點(diǎn)是管路直徑不會(huì)過大，壓力等級(jí)不會(huì)太高；另一缺點(diǎn)為這種平衡方式只適應(yīng)長度在軸向固定不變的增壓模式，無法實(shí)現(xiàn)長度無極可調(diào)的跟隨模式，在復(fù)合管成型使用過程中容易導(dǎo)致密封泄露[7]。

傳統(tǒng)方式的另外一種形式為增壓器直連式，如圖2所示。增壓器中心和試壓中心完全重合，增壓缸筒和密封頭直接連接，隨著需要增壓復(fù)合的鋼管的直徑增大，直接連接的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來。這種直連的方式可以滿足增壓自動(dòng)跟隨壓力平衡系統(tǒng)。直連式增壓可以增加進(jìn)水口直徑尺寸，提高了單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)水量，進(jìn)水效率高，但缺點(diǎn)是這種直連方式導(dǎo)致機(jī)架中心的密封頭的平衡隨壓系統(tǒng)無法采用傳統(tǒng)的柱塞缸完成，為了避開中心的進(jìn)水增壓缸筒，一般采用多個(gè)小的柱塞油缸均布在在增壓缸筒周邊，當(dāng)需要壓力平衡時(shí)，多個(gè)小直徑的柱塞缸通過一個(gè)比例閥控制回路實(shí)現(xiàn)平衡壓力跟隨。多個(gè)柱塞缸均布的平衡隨壓系統(tǒng)雖然不占用中間的位置，但是多個(gè)柱塞缸在柱塞前進(jìn)過程中同步性不好控制，柱塞前進(jìn)的位移同步精度較難控制，不能滿足復(fù)合管的高精度要求及同步性要求[8]；圓周均布的多個(gè)柱塞油缸在工作過程中易受力不均，導(dǎo)致連接板及機(jī)架均會(huì)承受傾翻力矩，最終引起連接板變形，降低連接板的使用壽命[9]。

圖1 固定式平衡系統(tǒng)

圖2 增壓器直連式平衡系統(tǒng)

2 環(huán)形油缸裝置自動(dòng)跟隨壓力平衡系統(tǒng)工作原理及設(shè)計(jì)

環(huán)形油缸裝置的組成見圖3：環(huán)形油缸由6部件組成，其主要功能為序號(hào)2環(huán)形油缸裝置通過連接裝置和序號(hào)1機(jī)架連接；序號(hào)2環(huán)形油缸另一端推動(dòng)連接板帶動(dòng)閥體依靠支撐滾輪在軌道上移動(dòng)。序號(hào)4連接板和序號(hào)3閥體與序號(hào)2環(huán)形油缸裝置通過連接裝置連接后，一起放置在序號(hào)5支撐滾輪上。序號(hào)2、3、4、通過序號(hào)5支撐滾輪在序號(hào)6軌道上運(yùn)動(dòng)。閥體3的中心尺寸上下精度通過序號(hào)5支撐滾輪和序號(hào)6軌道調(diào)整上下的尺寸，閥體3的中心尺寸左右的精度通過序號(hào)4連接板調(diào)整，序號(hào)2環(huán)形油缸先快進(jìn)至初始要求位置，然后工進(jìn)至工控機(jī)要求位置。

環(huán)形油缸裝置的特征：中心部分為空心裝置，受力面為空心的環(huán)狀。進(jìn)油口為多個(gè)，并成角度布置，環(huán)形驅(qū)動(dòng)裝置壓力通過控制系統(tǒng)能夠可以跟隨管內(nèi)壓力自動(dòng)調(diào)整跟隨。環(huán)形油缸的進(jìn)油口為多個(gè)進(jìn)油口，進(jìn)油口尺寸變小，并且相互間呈現(xiàn)一定的角度。

圖3 環(huán)形油缸裝置平衡系統(tǒng)1.機(jī)架 2.環(huán)形油缸 3.閥體 4.連接板 5.支撐滾輪 6.軌道

環(huán)形油缸裝置的工作原理如圖4所示。環(huán)形油缸有兩種進(jìn)油管，一種為快進(jìn)進(jìn)油口，這種進(jìn)油口共有3、4個(gè)，當(dāng)油缸快進(jìn)時(shí)，多個(gè)油口同時(shí)供油，當(dāng)柱塞快進(jìn)至工控機(jī)要求位置后，截止閥[10]自動(dòng)關(guān)閉。另外一種進(jìn)油口為柱塞工進(jìn)進(jìn)油口，連接油缸工進(jìn)調(diào)整回路，用來控制油缸工進(jìn)精確的位移。復(fù)合管內(nèi)隨著復(fù)合壓力的升高，工控機(jī)根據(jù)油水比例關(guān)系通過自動(dòng)調(diào)整回路的比例伺服閥[11]對(duì)環(huán)形油缸的液壓油壓力進(jìn)行調(diào)整，使得閥體在復(fù)合管內(nèi)成型壓力升壓過程中能夠保持閥體和復(fù)合管內(nèi)壁管的密封在復(fù)合管復(fù)合的過程中隨著鋼管長度發(fā)生變化而能夠自動(dòng)跟隨。當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定要求值時(shí)，工進(jìn)回路關(guān)閉比例閥，進(jìn)行保壓，達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，工控機(jī)自動(dòng)打開快進(jìn)回路的截止閥，對(duì)油缸進(jìn)行卸荷，并快速退回初始位置[12]。

圖4 環(huán)形油缸裝置工作原理

3 環(huán)形油缸的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用效果

(1) 環(huán)形油缸裝置與傳統(tǒng)方式比較各項(xiàng)功能優(yōu)越性明顯。環(huán)形油缸裝置解決了傳統(tǒng)方式無法放置大直徑油缸位置的問題；通過中間的環(huán)孔為增壓裝置留出了位置，彌補(bǔ)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)無法提供放置增壓裝置位置的不足。

環(huán)形油缸裝置解決了放置若干小柱塞缸后多個(gè)缸同時(shí)動(dòng)作時(shí)不能滿足高精度的同步要求的問題。由于環(huán)形油缸采用整體式環(huán)形柱塞的驅(qū)動(dòng)方式，同步跟隨壓力平衡性能良好，彌補(bǔ)多個(gè)柱塞缸均布在圓周的同步性不高的不足。環(huán)形油缸結(jié)構(gòu)緊促，設(shè)計(jì)巧妙，受力面均勻，解決了設(shè)備中心受軸向力集中在機(jī)架中心，連接板、機(jī)架都不會(huì)產(chǎn)生傾翻力矩，機(jī)架受力性能良好。

(2) 環(huán)形油缸整體式驅(qū)動(dòng)裝置解決了進(jìn)油口由于油缸啟動(dòng)瞬時(shí)進(jìn)油量大，引起嘯叫共鳴現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)了多個(gè)進(jìn)油口進(jìn)行同時(shí)進(jìn)油的方案，通過減小進(jìn)油口尺寸，改變進(jìn)油口之間的角度，避免引起擾動(dòng)，降低進(jìn)油噪音[13-15]。圖5為在某現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中所測數(shù)據(jù)，表明多口進(jìn)油噪聲較單口進(jìn)油有明顯下降。

圖5 噪音測試比較

(3) 環(huán)形油缸在控制方面做了提升。在復(fù)合管管內(nèi)壓力升高后，通過伺服比例閥及工控機(jī)的PID控制方式[16]，環(huán)形驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)平衡管內(nèi)壓力，并能夠跟隨管內(nèi)平衡壓力的變化自動(dòng)調(diào)整適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)跟隨，具有了自動(dòng)彌補(bǔ)由于復(fù)合過程中造成鋼管長度變化的功能。圖6為兩種不同類型油缸同步性誤差現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)形油缸同步性誤差有了大幅度的下降。

圖6 同步性誤差檢測

(4) 環(huán)形油缸裝置使用后，應(yīng)用效果明顯。復(fù)合管的密封效果明顯改善，避免了由于密封泄露導(dǎo)致復(fù)合失效，良好的密封效果提高復(fù)合管的成品率10%～20%；環(huán)形油缸的平衡壓力自動(dòng)調(diào)整由于精度跟隨準(zhǔn)確，響應(yīng)率提升了，使得環(huán)形油缸的預(yù)緊力減少5%～15%，減少了復(fù)合管外壁管在復(fù)合過程中承受較高的軸向預(yù)緊力，降低成品復(fù)合管彎曲概率。

4 結(jié) 語

環(huán)形油缸裝置已經(jīng)成功運(yùn)用于復(fù)合管成型設(shè)備，解決了雙金屬管復(fù)合過程中內(nèi)壁管長度變化引起密封泄露的問題，并同時(shí)滿足了密封軸向力隨管內(nèi)復(fù)合壓力變化隨動(dòng)平衡的要求，該裝置成功運(yùn)用在浙江天管久立有限公司復(fù)合管生產(chǎn)線，并實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化生產(chǎn)，使用效果良好，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。