φ530 mm 六輥管材矯直機(jī)的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

李俊峰，陳 欣，陳學(xué)仁

(1.佛山市亞亮電工設(shè)備有限公司，廣東 佛山，528311;2.廣東冠邦科技有限公司，廣東 佛山，528311)

0 前言

矯直機(jī)是精整生產(chǎn)線的主體設(shè)備，近年來(lái)，隨著管材直徑的不斷加大及產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，矯直技術(shù)也在不斷提升。φ530 mm 六輥管材矯直機(jī)是為某不銹鋼廠研制的大規(guī)格矯直機(jī)，用于對(duì)大直徑、無(wú)縫不銹鋼管進(jìn)行矯直。

1 矯直機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

(1)待矯管材的規(guī)格及材質(zhì)。

管材直徑D Φ100～Φ530 mm

管材壁厚 δ ≤28 mm

管材長(zhǎng)度 3500～15000 mm

材 質(zhì) 不銹鋼管

屈服極限 ≤300 MPa

(2)矯直前的管材參數(shù)。

直徑允許偏差 ±1.25%D

壁厚允許偏差 ±12.5%δ

原始彎曲 ≤10 mm/m(全長(zhǎng)總彎曲≤200 mm)

(3)矯直后的管材參數(shù)。

矯直精度 ≤1 mm/m

不圓度 ≤公稱外徑的0.3%

矯后表面 表面無(wú)劃痕、無(wú)擦傷等

(4)矯直主機(jī)技術(shù)參數(shù)。

矯直輥 φ460 mm×900 mm

輥 距 1400 mm

矯直輥輥系 2－2－2

矯直速度 ≤15 m/min

2 矯直機(jī)組組成及平面布置

φ530 mm 六輥管材矯直機(jī)主要由機(jī)械系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成。其平面布置圖如圖1 所示。機(jī)械部分主要由上料裝置、矯直機(jī)主機(jī)、出料裝置組成。φ530mm 六輥管材矯直機(jī)的來(lái)料有兩種:一是從退火爐出料輥道直接輸送到矯直機(jī)上料輥道;另一種是從拉拔機(jī)或擴(kuò)管機(jī)吊料至上料臺(tái)架。

電氣控制系統(tǒng)采用PLC 可編程序控制器和工控機(jī)進(jìn)行控制，完成矯直機(jī)速度控制、矯直輥輥縫控制、矯直輥角度控制、機(jī)組自動(dòng)化控制等，矯直工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)配方化管理，可以在HMI 人機(jī)界面上進(jìn)行存儲(chǔ)、調(diào)用、修改、刪除等操作。

液壓系統(tǒng)由油箱、機(jī)泵組、閥臺(tái)等組成，主要實(shí)現(xiàn)入口第一個(gè)上輥的快速開(kāi)合、矯直過(guò)程中快開(kāi)油缸和平衡油缸的保壓及完成輔機(jī)其他油缸的動(dòng)作。

圖1 φ530 mm 六輥管材矯直機(jī)組平面布置圖Fig.1 Layout of φ530 mm six roll tube straightener

3 矯直機(jī)組的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 上料自動(dòng)散料裝置

矯直機(jī)上料過(guò)程是待矯料從無(wú)序到有序的過(guò)程，由于來(lái)料存在較大的原始彎曲，機(jī)組工藝中存在成捆吊料上料，考慮管材直徑較大，單根管坯較重，人工散料強(qiáng)度太大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)上料臺(tái)架配備6組自動(dòng)散料機(jī)構(gòu)，通過(guò)電機(jī)、減速機(jī)帶動(dòng)鏈條，鏈條上設(shè)有撥爪，撥爪由油缸控制，可以在任意位置插入到堆放的來(lái)料間。同時(shí)考慮到料可能存在傾斜放置等狀況，所以6組撥爪通過(guò)液壓與電氣控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)集體升降，也可單獨(dú)升降，撥爪單獨(dú)升降通過(guò)后續(xù)實(shí)際使用驗(yàn)證非常有必要。

3.2 上料輸送輥組合結(jié)構(gòu)

該矯直機(jī)既有坯料、半成品矯直，又有成品矯直，成品管坯對(duì)表面質(zhì)量要求非常高，所以上料V 型輸送輥(尺寸為φ200(底徑)mm ×700 mm)采用尼龍輥，保護(hù)管材表面，但是尼龍輥耐磨性很差，尤其是退火出來(lái)很彎的管材，很容易損壞輸送輥，同時(shí)大直徑矯直機(jī)的上料輸送輥也比較大，整體更換成本非常高。本次設(shè)計(jì)采用組合式輥體，即每個(gè)V 型輥由7組100 mm 寬的尼龍環(huán)組成，使用時(shí)只需更換損壞部位的尼龍環(huán)即可，此結(jié)構(gòu)新穎實(shí)用，為后續(xù)生產(chǎn)節(jié)約了成本，組合輥體如圖2 所示。

圖2 上料輸送輥組合結(jié)構(gòu)Fig.2 Combination structure of feeding conveyor roller

3.3 矯直機(jī)上輥滑動(dòng)結(jié)構(gòu)

通常，矯直機(jī)上輥滑動(dòng)有套筒式和立柱滑塊式兩種方式。如圖3 所示，套筒式矯直輥安裝在套筒上，套筒與上橫梁配合，通過(guò)絲桿螺母結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升降，此種方式的穩(wěn)定性取決套筒的直徑與套筒長(zhǎng)度，適用于中小規(guī)格矯直;立柱滑塊式滑動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖4 所示，上矯直輥安裝在活動(dòng)梁上，每個(gè)活動(dòng)梁在兩個(gè)(或四個(gè))立柱中垂直滑動(dòng)，此種方式的定位及穩(wěn)定性均好，適用于大規(guī)格矯直。

圖3 套筒式滑動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.3 Sliding sleeve structure

圖4 立柱滑塊式滑動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.4 Upright sliding structure

3.4 上輥壓下機(jī)構(gòu)及液壓控制

三個(gè)上輥壓下位置電動(dòng)自動(dòng)調(diào)整，壓下速度可調(diào)，輥縫值通過(guò)位移傳感器、電參數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算在操作臺(tái)面顯示屏上自動(dòng)數(shù)顯。操作時(shí)只需輸入管坯直徑，上輥會(huì)自動(dòng)調(diào)整到位，三個(gè)上輥的壓下機(jī)構(gòu)即可單動(dòng)又可聯(lián)動(dòng)，調(diào)整方便、可靠，調(diào)整精度高。

同時(shí)每個(gè)上矯直輥兩側(cè)設(shè)有平衡油缸(簡(jiǎn)稱平衡缸)，起到消除絲桿螺母間隙的作用，提高輥縫精度。平衡缸有桿腔為工作腔，無(wú)桿腔接油箱，當(dāng)矯直輥角度及輥縫調(diào)整時(shí)，平衡缸有桿腔泄壓;調(diào)整結(jié)束后，平衡油缸有桿腔進(jìn)油并一直保壓。同時(shí)入口第一個(gè)上輥串聯(lián)液壓缸(簡(jiǎn)稱快開(kāi)缸)，可以快速開(kāi)合，方便管坯的咬入，快速開(kāi)合功能在后續(xù)使用中得到驗(yàn)證，對(duì)彎料大料的咬入非常方便、實(shí)用?？扉_(kāi)缸及平衡缸控制原理圖(見(jiàn)圖5)及控制思路如下:

圖5 快開(kāi)缸及平衡缸控制原理圖Fig.5 Control principle diagram of quick opening cylinder and balance cylinder

快開(kāi)缸具有直徑、行程大及壓力高(～25 MPa)等特點(diǎn)，為了滿足其快速壓下的要求，設(shè)計(jì)時(shí)快開(kāi)缸采用由系統(tǒng)直接供油及系統(tǒng)直接進(jìn)行壓力調(diào)定的方式;三組平衡缸的工作壓力較低，采用從主油路分一支路，共用一個(gè)減壓閥，各平衡缸可單獨(dú)動(dòng)作。

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)布置，快開(kāi)缸兩側(cè)各布置一個(gè)油缸組成平衡缸組(一)，快開(kāi)缸與平衡缸的動(dòng)作要求:快開(kāi)缸壓下/壓上時(shí)，平衡缸組(一)有桿腔卸荷，如果卸荷不及時(shí)，則導(dǎo)致平衡缸組(一)的活塞桿受拉力，平衡缸組(一)活塞桿連接頭被拉斷，因此，在控制上采用以下流程:

(1)各電磁鐵通電順序。入口檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到料頭后發(fā)訊，電磁鐵YV1 通電(YV4 在上輥位置調(diào)節(jié)完成后已處于通電狀態(tài))，快開(kāi)缸打開(kāi)，根據(jù)進(jìn)料速度，定延時(shí)時(shí)間，延時(shí)完成后，電磁鐵YV3 先通電2S 后YV2 再通電，以保證快開(kāi)缸壓下時(shí)平衡缸液控單向閥打開(kāi)，快開(kāi)缸閉合到位后，YV4 通電，矯直機(jī)工作。

(2)平衡缸壓力檢測(cè)?？扉_(kāi)缸壓下時(shí)，雖控制了電磁閥的通電順序，為了防止出現(xiàn)因液控單向閥的卡阻而使活塞桿連接頭被拉斷的現(xiàn)象，閥站上平衡缸有桿腔設(shè)有壓力檢測(cè)開(kāi)關(guān)，即YV3先通電2S，并檢測(cè)到壓力小于設(shè)定值時(shí)，YV2再通電，快開(kāi)缸壓下，雙重保護(hù)，使系統(tǒng)更安全可靠。上輥位置調(diào)整時(shí)，各壓下執(zhí)行元件的啟停和與相應(yīng)電磁換向閥連鎖，并與位置檢測(cè)信號(hào)閉環(huán)，既保證調(diào)整的位置準(zhǔn)確性，也確保調(diào)節(jié)動(dòng)作的順暢，電機(jī)不會(huì)被悶車。

該液壓控制系統(tǒng)中快開(kāi)缸利用系統(tǒng)大流量、高壓力實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)合，并具有保壓和溢流保護(hù)功能;三個(gè)平衡缸，可單獨(dú)調(diào)節(jié)，也可一起調(diào)節(jié);平衡缸回路具有減壓、溢流、保壓和速度調(diào)節(jié)功能;與電氣控制配合，很容易實(shí)現(xiàn)輥縫自動(dòng)調(diào)節(jié)和快開(kāi)缸的開(kāi)合控制。

3.5 下1#、3#輥升降調(diào)整機(jī)構(gòu)

通常，下1#、3#矯直輥不做升降調(diào)整，為固定輥。但該生產(chǎn)線工況比較差，退火料存在大量黑色氧化皮，拉拔及擴(kuò)管料表面附著一層白色泥狀物，矯直時(shí)經(jīng)工藝潤(rùn)滑后成泥狀沉淀堆積在下橫梁上，如不及時(shí)清理，下1#、3#矯直輥很容易被卡死，無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)角，基于此，下1#、3#矯直輥設(shè)計(jì)時(shí)托盤下方設(shè)有升降機(jī)構(gòu)，角度調(diào)整時(shí)升降機(jī)構(gòu)將托盤頂起，開(kāi)始調(diào)角;角度調(diào)整結(jié)束后升降機(jī)構(gòu)落下，托盤靠自重落下，且升降機(jī)構(gòu)與托盤脫開(kāi)不接觸，保證矯直時(shí)升降機(jī)構(gòu)不承受矯直力。

4 結(jié)束語(yǔ)

φ530 mm 六輥管材矯直機(jī)結(jié)合了以往矯直機(jī)設(shè)計(jì)、制造方面的成熟技術(shù)，同時(shí)又根據(jù)實(shí)際工況等增加了新的創(chuàng)新及改進(jìn)，為更大規(guī)格矯直機(jī)的研發(fā)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。該生產(chǎn)線已投產(chǎn)四年多，經(jīng)驗(yàn)證，設(shè)備具有設(shè)計(jì)合理、性能可靠、輥縫及角度調(diào)整方便、調(diào)整精度高以及整機(jī)自動(dòng)化高等特點(diǎn)，得到用戶的認(rèn)可，設(shè)備自投產(chǎn)以來(lái)為用戶創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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