多規(guī)格球墨鑄鐵管水壓試驗機的研發(fā)

張國生，張義霖

（1.廣東新興鑄管有限公司，廣東陽春 529600；2.桂林電子科技大學，廣西桂林 541000）

1 水壓試驗機應用情況

水壓試驗機是一種利用油水平衡控制對球墨鑄鐵管性能進行靜水壓試驗的設備。對于不同規(guī)格球墨鑄鐵管，傳統(tǒng)水壓試驗機需要更換不同工裝進行試壓，人員勞動強度大，影響生產(chǎn)時間；球墨鑄鐵管管腔內(nèi)部通過水泵直接供水，供水快慢取決于水泵排量；管腔內(nèi)部水壓直接與給定油壓平衡，不能實現(xiàn)水壓與油壓隨動匹配；充水過程中排氣慢而且經(jīng)常無法排凈。

本研究課題開發(fā)一種多規(guī)格水壓試驗機，可以實現(xiàn)不同規(guī)格球墨鑄鐵管采用一種工裝進行水壓試驗，不用頻繁更換工裝；通過氣液水罐輸送水介質(zhì)，輸水效率高；通過油壓比例控制實現(xiàn)水壓與控制油壓隨動匹配平衡；通過快速切斷閥實現(xiàn)排氣。特別適用于連續(xù)生產(chǎn)，具有勞動強度低，生產(chǎn)效率高，工裝使用壽命長等優(yōu)點。

2 設計方案及部分組成

該水壓試驗機主要由以下幾部分組成：水壓打壓工裝裝置、傳送及托舉裝置、水路系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)。水壓打壓工裝裝置包括擋墻、多規(guī)格承口堵頭、多規(guī)格插口堵頭、密封膠圈等；傳送裝置及托舉裝置包括鏈條輸送裝置、球墨鑄鐵管舉升及橫向移動裝置；水路系統(tǒng)包括水泵部分、水罐部分、水壓傳感器及控制閥門；氣動系統(tǒng)包括氣源、氣動三元件及閥門等；液壓系統(tǒng)包括泵組元件、比例控制閥、油壓傳感器、輔助元件等；電器控制系統(tǒng)包括PLC、PID 控制器、球鐵管測長、測徑控制器、工控機等元件。多規(guī)格水壓試驗機總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 多規(guī)格水壓試驗機總體結(jié)構(gòu)圖

多規(guī)格球墨鑄鐵管水壓機工作流程：球墨鑄鐵管對中后進入鏈條輸送裝置，激光測距器測外徑及長度，然后送入打壓工位，托舉裝置托舉到指定高度，堵頭液壓缸夾緊，依次輸入低壓水、高壓水，保壓，檢測是否泄漏。其工藝流程如圖2。

圖2 多規(guī)格水壓試驗機工藝流程

2.1 技術(shù)性能和設計參數(shù)

多規(guī)格水壓試驗機主要技術(shù)性能及設計參數(shù)見表1。

表1 多規(guī)格水壓試驗機的主要技術(shù)性能及設計參數(shù)

2.2 水壓打壓工裝裝置

水壓打壓工裝裝置如圖3 示，其中多規(guī)格插口堵頭、多規(guī)格承口堵頭分別如圖4、5 所示，其外有多道密封膠圈，可以實現(xiàn)多種規(guī)格球墨鑄鐵管夾緊后密封，其內(nèi)有排氣通道，通過專門排氣機構(gòu)實現(xiàn)快速排氣。插口堵頭后端有球形浮動支撐、多組蝶形彈簧預緊。

圖3 水壓打壓工裝裝置

圖4 多規(guī)格插口堵頭

2.3 球墨鑄鐵管傳送裝置

如圖6、7 所示，球墨鑄鐵管通過鏈條輸送裝置送到指定位置，托舉裝置托舉到指定高度，其高度值有帶位移傳感器液壓缸控制，托舉裝置上液壓馬達控制球鐵管在滾輪上移動。

圖6 鏈條傳送裝置

2.4 水路系統(tǒng)

圖5 多規(guī)格承口堵頭

鑄鐵管16 內(nèi)低壓水首先由低壓水泵4 注入壓力水罐9，然后由壓力水罐9 注入鑄鐵管16；壓力水罐9 上有四個液位計，3FH1、3FH2 屬于低液位報警，用于啟動低壓水泵4 往水罐注水，3FH3、3FH4 屬于高液位報警，用于關(guān)閉低壓水泵4 往水罐注水。水罐上端由氣源通過球閥9.1 預先注入高壓不溶于水介質(zhì)氣體，然后關(guān)閉球閥9.1。高壓氣體驅(qū)動水介質(zhì)經(jīng)過球閥9.2、高低壓進水啟閉閥10 到球墨鑄鐵管內(nèi)部管腔，鑄鐵管內(nèi)部氣體通過12、13 排氣閥快速排除，其結(jié)構(gòu)如圖8；水罐內(nèi)高壓氣壓一般不用補充；鑄鐵管16 內(nèi)高壓水由高壓水泵1 直接注入。

圖8 水路控制系統(tǒng)

2.5 油路系統(tǒng)

圖7 托舉及移動裝置

油路控制系統(tǒng)動作過程見圖9：首先，驅(qū)動缸10 在壓力油1 作用下快速驅(qū)動推頭2 使球墨鑄鐵管4 與插口多功能堵頭3 和承口堵頭5 接觸，普通控制閥關(guān)閉壓力油1；比例壓力閥11 在壓力油2 作用下，給定驅(qū)動缸較低初始壓力值，保證球墨鑄鐵管密封，然后，進水切斷閥8 打開，水充入球墨鑄鐵管內(nèi)，壓力傳感器7 檢測水的壓力值，反饋給PID 控制器，PID 控制器把信號傳遞給比例壓力閥11，控制比例壓力閥壓力值，驅(qū)動缸油壓壓力根據(jù)水壓的變化自動調(diào)節(jié)，如圖10 所示。

圖9 油路控制系統(tǒng)示意圖

2.6 電器控制系統(tǒng)

電器控制系統(tǒng)包括PLC、PID 控制器、球鐵管測長、測徑控制器、工控機等元件，其控制原理：水壓傳感器實時檢測球墨鑄鐵管里的水壓值，傳送到PLC 進行信號分析處理，根據(jù)油水平衡原理，計算出油壓控制信號，輸出到電液比例閥的功率驅(qū)動單元，控制電液比例閥的動作，進而控制管端封頭的油壓值，實現(xiàn)油水平衡，完成球墨鑄鐵管的靜水壓試驗。油壓傳感器和水壓傳感器檢測到的信號同時被實時送到工控機里，操作員通過監(jiān)控畫面實時監(jiān)控試驗過程。控制畫面如圖11，水壓機監(jiān)控系統(tǒng)圖中，上方曲線是油壓曲線，下方曲線是水壓曲線。

圖11 水壓機油壓與水壓實時監(jiān)控系統(tǒng)

3 結(jié)語

該多規(guī)格水壓試驗機采用多規(guī)格集成工裝堵頭進行生產(chǎn)，實現(xiàn)了不同規(guī)格球墨鑄鐵管混合生產(chǎn)，采用氣液水罐進行水的介質(zhì)輸送，極大提高了充水效率，通過比例伺服控制實現(xiàn)水壓與控制油壓隨動匹配平衡，提高了設備的效率和穩(wěn)定性，效率較傳統(tǒng)球墨鑄鐵管水壓試驗機提高30%～40%。該多規(guī)格水壓試驗機集機、電、液、氣控制于一體，設備運行全PLC 控制，自動化程度高，可以實現(xiàn)手動、自動控制，是當今國內(nèi)自主開發(fā)的功能最先進的自動球墨鑄鐵管水壓機之一。

該試壓機自2019 在廣東新興鑄管有限公司投入運行以來，整機運行可靠，機、電、液、氣各系統(tǒng)性能穩(wěn)定，設備各項性能指標均達到或超過設計指標，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟和社會效益。