一種大型龍門自走式壓力矯直機

王仕杰，王紅斌，盧 星，趙西韓，馬 強，劉 磊

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313012;3.陜西省冶金設計研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

長期以來，壓力矯直機的矯直操作多由工人憑借經驗估計矯直行程，反復壓矯，矯直效率很低，所以壓力矯直機在眾多矯直設備中一直處于從屬地位，或者是作為其他矯直方法的預矯直使用。目前國內各大特鋼企業新上的項目中，棒材直徑逐漸增大，同時生產鋼坯的截面形狀也日趨多樣化，要求壓力矯直機的矯直效率更高，適應性更強。為適應我國對大型高效矯直設備的需要，國內各大設計院新設計的壓力矯直機也逐漸配備了在線檢測系統和矯直專家系統等，以期來提高矯直效率。但是目前大部分的測量系統都需要對棒材全長范圍進行多點采集測試，或者利用機械運動機構對全長進行測量。這樣就使得一些超長棒材的檢測和矯直難以在短時間內實現。

由中國重型機械研究院股份公司為國內某廠成功開發了一套大型龍門自走式壓力矯直機，用來矯直鍛后的超長超大直徑棒材、方坯和板坯，成功的解決了超長來料快速檢測和矯直的難題，該套壓力矯直機采用龍門自走式，同時配置了在線直線度快速檢測系統，簡化了上下料系統，實現了超長料快速檢測自動矯直，為鋼廠在超大型鍛材矯直機快速在線矯直設備選型方面提供參考。

1 壓力矯直機組主要工藝參數

1.1 被矯直產品參數

圓形件:Ф80～Ф560 mm，工件長度:2500～18500 mm。

方形件:100～450 mm，工件長度:2500～10000 mm。

扁形件:寬150～420 mm，厚≥70 mm，工件長度:2500～10000 m。

工件材質:合金鋼及高合金鍛材。

1.2 設備關鍵參數計算

整機按照最大直徑d=560 mm 進行計算，砧座的開口度取最大值l=6000 mm，材料屈服極限按照σs=1000 MPa 計算，則

棒材彎曲所需扭矩:

按照簡單三點反彎理論計算矯直力:

式中，T=l/2

由(1)(2)可得:F=1.9 ×107N=19 MN。

確定整個機組的最大矯直力為20 MN，則油缸尺寸及整個橫梁機架的強度均按照此最大矯直力進行校合。

取主油缸最大工作壓力p=28 MPa，則計算油缸直徑φ 如下:

則取主油缸直徑為960 mm，液壓系統設計最高壓力30 MPa，則設備最大的矯直力可達21.7 MN。

1.3 設備基本參數

壓力矯直機驅動液壓缸

主油缸額定工作壓力/MPa 25

額定校直力/MN 15

主油缸行程/mm 800 (油缸行程可控可預設，帶顯示功能)

主缸加壓前進速度/mm/s V=0.5～6

主缸空行程移動速度/mm/s 80

砧座裝置/組 2

砧座調節距離/mm 800～6000

升降翻鋼裝置調節距離/mm 2000～12000

機體移動速度/mm·s－10～70 (無級可調、可控可預設、顯示)

機體移動傳動方式 液壓馬達驅動滾輪轉動式行走

機體移動距離/mm 20000

2 壓力矯直機組主要組成

2.1 機械設備

本機組機械設備包括壓力校直機主機、升降翻鋼裝置、砧座裝置、機內導軌、機體橫移導軌、在線直線度快速檢測系統等(如圖1)。

圖1 壓力矯直機組示意圖Fig.1 The schematic of the gag straightener

2.1.1 主機

主機型式為立式三梁四柱框架，主要由上橫梁、底梁、中間梁、主液壓缸裝置、輔助油缸、壓頭裝置、立柱系統、檢測及限位裝置等組成。上橫梁、底座、中間梁通過四根拉桿聯結形成封閉式機架，承受校直壓力。主液壓缸為活塞缸，最大工作壓力為31.5 MPa，活塞桿頭部與中間梁連接，帶動壓頭沿立柱滑動運行。在主缸的兩側設有輔助油缸，輔助油缸與中間梁聯結，通過輔助油缸的快速動作實現壓頭的空行程快速動作。中間梁和上梁之間安裝有直線位移傳感器，用來精確記錄中間梁的移動行程，便于實現自動壓矯。主機底梁左右兩側分別設置兩個主動滾輪，分別通過兩臺液壓馬達帶動機體沿底部導軌橫向移動，底部導軌埋設在基礎內部。機體行走采用編碼器精確記錄行走行程，編碼器與壓輪聯結，壓輪壓緊在機體底部導軌上，實時檢測行走距離。

2.1.2 機內導軌

為高強度焊接式軌梁，主要用于承受矯直壓力，同時為砧座裝置及升降翻鋼裝置的導向，軌梁側面安裝有齒條，砧座及翻鋼裝置沿齒條橫向移動。

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2.1.3 砧座裝置

V 型支座采用燕尾槽固定在砧座底部，在矯直方扁鋼時可快速更換平型支座。砧座的橫移采用電機減速機驅動小齒輪，帶動砧座整體沿機內導軌上的齒條橫向移動。兩個砧座的減速機分別安裝有編碼器，精確記錄砧座的行走距離。砧座驅動電機通過交流變頻器控制，以實現制動前的減速控制，到達制動位置的精確控制。

2.1.4 升降翻鋼裝置

采用油缸托舉升降的方式，油缸設置在裝置的內部，推舉兩個滾輪升起，將棒材托舉升起。翻鋼采用雙滾輪回轉方式，由一臺電機經減速機、齒輪機構同時傳動兩個滾輪，以達到翻轉圓鋼的目的。行走機構由電機經減速機、齒輪傳動，使升降翻鋼裝置沿機內導軌上的齒條作直線運動。翻鋼裝置的雙滾輪上安裝有編碼器，實時記錄棒材翻轉的角度。在進行直線度檢測的時候，使得棒材每一個時刻的彎曲情況和翻轉的角度一一對應，從而實現了棒材直線度在線實時三維造影。為矯直機確定最大彎曲度以及后續確定矯直方案奠定基礎。

2.1.5 在線直線度快速檢測系統

該系統是基于光學影像技術的彎曲度在線檢測系統，實現對鋼坯的彎曲度及其最大彎曲位置的快速測量，并將測量結果以標準格式輸出。該檢測系統安裝于壓力校直機的側上方，當來料被放置好以后，測量系統工作，檢測來料的整體彎曲度以及最大彎曲度的位置。然后壓力矯直機通過檢測系統反饋的數據自動找到實施壓矯點，由計算機系統采用既定的壓矯方案實施壓矯。完成矯直后，同時對矯直效果進行復檢。本系統擺脫目前測試中人工目視操作和接觸式機械測量的傳統檢測模式，將采用光電數字化技術實現測試過程的集成化、自動化、數字化、客觀化。

在線直線度快速檢測系統的主要技術指標:

測量范圍 非等徑圓柱鋼坯 長度18 m，直徑150～500 mm;

測量精度 0.08% ×長度;

測量時間 單只不大于2 min。

在線直線度快速檢測系統原理如圖2 所示。測量過程中，被矯直工件運送到砧座裝置上，升降翻鋼機構升起，將棒材托起并均勻旋轉，成像鏡頭和CCD組成的成像系統以預先設定的時間間隔進行圖像采集。當工件轉動一周，將采集到工件在不同旋轉角度下(角度可由軟件預先設定)的成像。對采集到的每一幅圖像進行處理，得到工件在每一幅圖像采集時旋轉角度處的撓度值，并給出最大撓度截面所處的位置。數據處理系統給出的最大撓度界面位置信號傳輸到升降翻鋼裝置電機控制器，控制電機使工件將最大撓度運動到給定的位置，完成本工序的操作。在測量過程中，照明系統提供與成像系統相匹配的光場分布，光場的強弱分布可通過采集到的圖像進行自動調節，也可進行手動調節。基準線發生器在測量過程中提供測量基準線。

圖2 在線直線度快速檢測系統原理圖Fig.2 The schematic diagram of linearity detection on-line system

2.2 液壓系統

液壓系統設備由油箱裝置、強制供油泵裝置、主泵裝置、控制泵及蓄能器裝置、主控制閥臺、輔助閥臺、回油過濾及冷卻裝置和液壓配管組成。

該液壓系統采用伺服泵作為主矯直動力源，能根據負載的需要自動調節輸出流量，有效節約系統功率，同時也確保主矯直缸閉環位置的準確性。控制泵具有無負荷啟停功能，有效改善了泵的啟停狀況，有利于提高泵使用的壽命。主矯直泵出口設置有比例調壓閥，能夠根據負載需要設定系統壓力，防止事故過壓，以保護被矯直材料和機械設備。設有獨特的主缸卸壓回路，以減少高壓時的換向沖擊。采用大通徑充液閥，以滿足主缸空載進退時的速度要求。采用伺服泵控制整個校直機的行走，啟停平穩，定位準確。

2.3 電氣系統

該系統采用PLC 對機組的各動作進行控制，并采用計算機人機界面，參數設定、顯示方便，工藝界面清晰。壓力矯直機主操作臺采用手柄式主令開關，操作安全可靠。觸摸屏在操作臺右手，方便操作觀察。左手放置ET200M 分散站，右手放置計算機，觸摸屏放置于臺上，實踐證明，此種操作方式，操作方便、安全可靠。

3 矯直工藝流程及特點

設備運行之前需要對整個壓力矯直機組進行笛卡爾坐標系定位。首先選擇一側初始點作為零點，壓力矯直機主機、升降翻鋼機構和移動砧座都是以此為零點進行標定，建立坐標系統。來料通過天車吊運至砧座上，由升降翻鋼裝置和直線度檢測系統聯合作用快速檢測來料原始彎曲度，根據原始彎曲度制定矯直方案，由壓力矯直機主機自動實施壓矯。整個檢測和矯直過程耗時短、精度高。

4 現場使用情況

該設備自投產以來，設備運行狀態良好，已經累計矯直8 萬t 左右鍛件，大大提升了該廠鍛件的交貨狀態，同時提高了矯直產品的利用率。表1為部分矯直鋼種的現場矯直情況。

整套設備使用3 年來，基本保持自動檢測彎曲度、自動尋找壓矯點、自動實施壓矯，矯直精度達到1‰以內的合格率達到96%，產品矯直精度在2‰以內達到了100%，完全滿足使用要求。在使用中發現棒材直徑越小，棒材的來料彎曲度越大，而矯直以后的精度越差。如果要達到同樣的矯直精度，需翻倍的提高矯直時間。所以針對直徑較小的來料，在上游工藝控制上應該加強，同時在本矯直機中針對矯直效率和矯直精度需要尋找一個平衡點。

表1 生產情況記錄表Tab.1 Data of the production

5 結論

由中國重型機械研究院股份公司研制的該套壓力矯直機組，采用龍門自走式機構和獨特的升降翻鋼裝置，大大簡化了設備結構。同時配備了在線直線度快速檢測系統，使得檢測效率大幅提高，實現了超長料快速檢測自動矯直，使得壓力矯直機成為在線設備，現場使用情況良好，為鋼廠在超大型在線壓力矯直設備選型方面提供參考。

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