鋼管淬火裝置壓緊機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)研究

杜學(xué)斌，谷瑞杰，邵國棟，馬 輝，高 璐，韓 笑，賈 祥

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032； 2.金屬材料擠壓/鍛造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710032； 3.西安海威工程監(jiān)理有限公司，陜西 西安 710032)

鋼管整體淬火時(shí)旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生一定的慣性力， 勢必會出現(xiàn)鋼管跳出支撐輪的事故。為了防止鋼管在高速旋轉(zhuǎn)過程中跳出支撐輪，且考慮鋼管定尺6～14.63 m，在支撐輪上部設(shè)計(jì)有多組壓緊機(jī)構(gòu)，通過液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)的控制滿足鋼管整體淬火要求。

1 鋼管旋轉(zhuǎn)研究及壓緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

支撐輪上沒有鋼管時(shí)，支撐輪在電機(jī)驅(qū)動下慢速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度小于15 r/min，需要淬火的熾熱鋼管放置在支撐輪上，在摩擦力的驅(qū)動下支撐輪帶動鋼管慢速旋轉(zhuǎn)，這種狀態(tài)可對鋼管進(jìn)行預(yù)矯直，PLC收到支撐輪上有鋼管的信號后，電動機(jī)在變頻器控制下快速旋轉(zhuǎn)，從而帶動鋼管快速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)對鋼管進(jìn)行全長淬火，對鋼管起到一定的矯直作用[2]。

放置在支撐輪上的熾熱鋼管高速旋轉(zhuǎn)，勢必會產(chǎn)生慣性力，慣性力的作用很容易出現(xiàn)跳管現(xiàn)象。

對壓緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求為：快速壓緊、多組同步和不能劃傷鋼管表面。

1.1 壓緊機(jī)構(gòu)的工作原理及結(jié)構(gòu)

鋼管淬火的實(shí)質(zhì)就是對鋼管進(jìn)行快速冷卻，壓緊機(jī)構(gòu)的工作原理為：熾熱的鋼管被放置在成對的慢速旋轉(zhuǎn)的支撐輪上，支撐輪帶動鋼管慢速旋轉(zhuǎn)，電氣控制系統(tǒng)在接收到支撐輪有料信號后，壓緊機(jī)構(gòu)開始工作，高壓回路控制多組油缸一起下降，當(dāng)快接觸到鋼管時(shí)切換為低壓回路，壓緊輪在低壓作用下扶壓在熾熱的鋼管上，支撐輪高速旋轉(zhuǎn)，從而帶動鋼管高速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)對鋼管進(jìn)行整體淬火，保證鋼管淬火后的直線度及橢圓度要求。

為了滿足鋼管在淬火時(shí)的旋轉(zhuǎn)，防止鋼管在高速旋轉(zhuǎn)過程中跳出支撐輪，設(shè)計(jì)有壓緊機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括支撐輪、鋼管、壓緊臂、壓緊輪及油缸等。

支撐輪在旋轉(zhuǎn)，帶動鋼管反向旋轉(zhuǎn)，壓緊臂在油缸驅(qū)動下松開、壓緊鋼管。鋼管長度一般為6000～146300 mm，在鋼管軸向方向布置了多組支撐輪和壓緊機(jī)構(gòu)，壓緊機(jī)構(gòu)打開、壓緊的控制以及多組壓緊機(jī)構(gòu)的同步都會影響鋼管淬火的直線度及橢圓度[3-4]。

操作考核：選擇我院擇期腹部手術(shù)肥胖患者80例作為頸內(nèi)靜脈穿刺置管術(shù)的對象，隨機(jī)分到兩組中，每組40例?；颊叩腁SA分級I～I(xiàn)I級，年齡35～65歲，身體質(zhì)量指數(shù)＞28 kg/m2，無凝血功能障礙，無穿刺部位感染，無頸部活動異常。所有患者入室后進(jìn)行心電圖，血壓，脈搏氧飽和度監(jiān)測?；颊叱Ｒ?guī)全麻誘導(dǎo)插管后，頭低位20°，選取右側(cè)頸內(nèi)靜脈進(jìn)行穿刺。實(shí)驗(yàn)組采用超聲引導(dǎo)下中心靜脈穿刺方法，對照組采用傳統(tǒng)盲探中心靜脈穿刺方法。

(a)松開狀態(tài)；(b)夾緊狀態(tài)圖1 壓緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖(a) release state ；(b) clamping stateFig.1 Structural sketch of pressing mechanism

1.2 壓緊機(jī)構(gòu)油缸參數(shù)的確定

已知條件：1)一般鋼材溫度在1000 ℃時(shí)的變形抗力為35 MPa；2)壓緊輪寬度35 mm。

壓緊狀態(tài)下，壓緊臂的受力如圖2所示。可以看出，單位mm所能承受的壓力：

圖2 壓緊機(jī)構(gòu)受力簡圖Fig.2 Force diagram of pressing mechanism

Ft/35<35

Ft<1225 N

(1)

根據(jù)受力情況：[5]

Fn×a=Ft×b

(2)

a/b≈0.4

(3)

根據(jù)式(1)(2)(3)，得：

Fn<1225/0.4=3062.5 N

(4)

考慮油缸的強(qiáng)度及剛度選型為φ50/28，油缸行程根據(jù)鋼管規(guī)格及壓臂長度確定。

2 液壓控制系統(tǒng)

該液壓控制系統(tǒng)設(shè)置的目的：一是保證鋼管軸向方向布置的多組支撐輪和壓緊機(jī)構(gòu)能有效打開、壓緊控制和同步運(yùn)行，提高淬火鋼管的直線度和橢圓度；二是為了防止熾熱的鋼管在淬火過程中被壓緊輪壓潰，保證淬火鋼管表面質(zhì)量。

2.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖3為液壓控制系統(tǒng)原理圖，主要包括液壓油泵單元、回油單元、高壓減壓單元、低壓減壓單元、壓緊機(jī)構(gòu)控制單元、安全溢流單元、油箱。液壓油泵單元、壓緊機(jī)構(gòu)控制單元和壓緊機(jī)構(gòu)的數(shù)量均為多個(gè)，壓緊機(jī)構(gòu)控制單元和壓緊機(jī)構(gòu)的數(shù)量相同。每個(gè)油泵單元的進(jìn)口通過油管連接油箱的出口，每個(gè)油泵單元的出口通過油管分別連接高壓減壓單元的進(jìn)口和低壓減壓單元的進(jìn)口。高壓減壓單元的出口通過油管分別連接每個(gè)壓緊機(jī)構(gòu)控制單元的進(jìn)口和安全溢流單元的進(jìn)口；低壓減壓單元的出口通過油管分別連接每個(gè)壓緊機(jī)構(gòu)控制單元的進(jìn)口和安全溢流單元的進(jìn)口，每個(gè)壓緊機(jī)構(gòu)控制單元的出口通過油管連接1個(gè)油缸，安全溢流單元的出口通過回油單元連接油箱的進(jìn)口。

圖3 液壓控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of hydraulic control system

該控制系統(tǒng)控制步驟如下：

1)接到PLC系統(tǒng)發(fā)出壓緊指令后，液壓油泵單元的第一電磁閥帶電，油泵從油箱吸油進(jìn)入高壓減壓單元，高壓減壓單元輸出高壓油液通過壓緊機(jī)構(gòu)控制單元進(jìn)入壓緊機(jī)構(gòu)的油缸，油缸使壓緊臂下降從而帶動的壓緊輪使其將接觸到鋼管外表面時(shí)為止，高壓減壓單元關(guān)閉；低壓減壓單元打開，油泵從油箱吸油進(jìn)入低壓減壓單元，低壓減壓單元輸出低壓油液通過壓緊機(jī)構(gòu)控制單元進(jìn)入壓緊機(jī)構(gòu)的油缸，油缸使壓緊輪壓在鋼管上；當(dāng)油壓力超過壓力傳感器設(shè)定值時(shí)，第二電磁閥帶電油依次經(jīng)過第二電磁閥、安全閥和回油單元流入油箱；

2)壓緊完成后PLC系統(tǒng)發(fā)出松開指令，低壓減壓單元關(guān)閉，高壓減壓單元打開，油泵從油箱吸油進(jìn)入高壓減壓單元，高壓減壓單元輸出高壓油液通過壓緊機(jī)構(gòu)控制單元進(jìn)入壓緊機(jī)構(gòu)的油缸，油缸使壓緊的壓緊輪松開鋼管，鋼管自由轉(zhuǎn)動。

2.2 液壓控制系統(tǒng)的壓力確定

高壓運(yùn)行壓力跟油缸本身的靜摩擦力有關(guān)，主要確定低壓保持壓力即可。

Fn=pπd2/4

(5)

式中：p為油源壓力，MPa;d為油缸直徑，mm；Fn為油缸壓緊力，N。

由式(4)、(5)得，油源壓力p<1.56 MPa。即壓緊需要保持壓力時(shí)，油源壓力不超過1.56 MPa。一旦超過此值將會壓潰鋼管，進(jìn)而劃傷鋼管外表面。

2.3 液壓控制系統(tǒng)的有益效果

本系統(tǒng)的有益效果：

1)每個(gè)壓緊機(jī)構(gòu)由單獨(dú)的壓緊機(jī)構(gòu)控制單元控制，通過壓緊機(jī)構(gòu)控制單元的節(jié)流閥，可滿足壓緊機(jī)構(gòu)的壓緊臂同步運(yùn)行，滿足鋼管淬火時(shí)全長同時(shí)壓緊，保證鋼管的直線度。

2)通過高壓減壓單元與低壓減壓單元切換運(yùn)行，滿足壓緊油缸高壓下降，接近鋼管后低壓保持，且返回能夠?qū)崿F(xiàn)高壓返回。

3)在淬火過程中，一旦出現(xiàn)鋼管彎曲，彎曲鋼管在旋轉(zhuǎn)時(shí)將會對油缸產(chǎn)生反作用，油管內(nèi)的壓力將會提高，當(dāng)油源壓力超過壓力傳感器設(shè)定值時(shí)，安全溢流單元工作，第二電磁閥帶電油源經(jīng)過第二電磁閥、安全閥流入油箱，油源壓力降低防止鋼管被壓緊機(jī)構(gòu)壓傷，同時(shí)可對設(shè)備進(jìn)行超壓保護(hù)。

3 工程應(yīng)用

具有“高壓運(yùn)行、低壓保持”運(yùn)行循環(huán)的液壓控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于自主研發(fā)的鋼管淬火設(shè)備中，鋼管淬火后的直線度、橢圓度顯著改善，大大提高了淬火后鋼管的成品率。