單寶德，徐會彩，龐東平，劉 杰

（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250022）

1 前言

徑軸向輾環(huán)機用于制造高質(zhì)量的大型無縫環(huán)形鍛件，如：軸承環(huán)、齒圈、法蘭、輪轂、薄壁桶形等鍛件，可軋制碳鋼、不銹鋼、鈦合金、銅合金、鋁合金以及高溫合金等材質(zhì)環(huán)形件。在機械工業(yè)、石油化工、紡織、工程機械及航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

輾環(huán)過程中，隨著環(huán)件直徑的不斷增大，需要實時進行測量，以控制軋制過程。環(huán)件直徑測量的準確與否，影響輾環(huán)過程的穩(wěn)定性、環(huán)件尺寸精度以及成品率。

2 測量裝置工作環(huán)境

測量裝置安裝在對環(huán)件進行軸向軋制的上下錐輥之間。為適應(yīng)軋制扁平環(huán)件的需要，測量裝置在高度方向要求盡量小。熱軋過程中，環(huán)件的軋制溫度一般在800℃～1200℃，對潤滑和冷卻要求較高。

測量方式主要有兩種。一種是采用無接觸激光測距傳感器，其典型方法有脈沖法、相位法、干涉法等。脈沖法的測量范圍從幾十米到上萬千米，精度量級為米；相位法的測量范圍從幾米到幾千米，精度達到毫米量級；干涉法一般測量厘米左右的距離，精度高達微米量級。采用激光相位比較法的激光測距傳感器，測量精度可達±2mm，分辨率0.1mm，重復(fù)性0.5mm，測量距離0.1m～30m。這種方式的優(yōu)點是可做到結(jié)構(gòu)緊湊，軸向尺寸小，實現(xiàn)無接觸測量。但在軋環(huán)過程中因經(jīng)常向工作軋輥噴水冷卻，產(chǎn)生水蒸氣，并且設(shè)備工作時有振動，影響測量精度。目前較少采用。

另一種測量方式是機械式接觸測量裝置，這種方式被廣泛采用。

3 機械式測量裝置

3.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖1 所示，導(dǎo)桿5、前梁3、后梁11 等構(gòu)成移動部分，導(dǎo)向座6 和9 構(gòu)成固定部分。固定部分通過螺釘固定在輾環(huán)機的軸向機架上?；顒硬糠盅丨h(huán)件直徑方向運動，導(dǎo)桿與固定座之間滑動配合。測量輪固定在前梁上。

軋制過程中，油缸8 桿腔進油，活塞桿向左縮入油缸，移動部分帶動滾輪壓向環(huán)件。輾環(huán)過程中環(huán)件帶動測量輪旋轉(zhuǎn)。環(huán)件直徑增大時,推動測量輪右移。

環(huán)件毛坯上料或下料時，油缸8 塞腔進油，測量輪退回（向右），遠離主輥。

3.2 位移測量方式

活動部分帶動測量輪移動，其位移測量有兩種方式。

3.2.1 齒輪齒條編碼器方式

在導(dǎo)向桿上安裝齒條，在輾環(huán)機軸向機架上安裝編碼器座。齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪通過轉(zhuǎn)軸和聯(lián)軸器帶動編碼器旋轉(zhuǎn)。將移動部分的直線位移轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)位移。旋轉(zhuǎn)編碼器可選用絕對值式或增量式。

增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此其示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。

旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計數(shù)設(shè)備來得到其位置，當(dāng)編碼器不動或停電時，依靠計數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣，當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動，當(dāng)來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，否則計數(shù)設(shè)備記憶的零點就會偏移，且這種偏移的量是無從知道的，只有錯誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。

解決的方法是增加參考點。編碼器每經(jīng)過參考點，將參考位置修正進計數(shù)設(shè)備的記憶位置。在參考點以前，是不能保證位置的準確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點，開機找零等方法。

3.2.2 磁滯伸縮位移傳感器方式

磁致伸縮位移傳感器，是利用磁致伸縮原理，通過兩個不同磁場相交產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號來準確測量位置。在油缸內(nèi)部安裝磁滯位移傳感器。這種方式測量準確可靠，并且使檢測元件遠離熱源和沖擊，傳感器利用非接觸技術(shù)監(jiān)測活動磁鐵的位移，由于作為確定位置的活動磁環(huán)和敏感元件并無直接接觸，因此傳感器可應(yīng)用在極惡劣的工業(yè)環(huán)境中，不易受油漬、溶液、塵?；蚱渌廴镜挠绊憽鞲衅鬏敵鲂盘枮榻^對位移值，即使電源中斷、重接，數(shù)據(jù)也不會丟失，更無須重新歸零。這樣就省去開機回參這個環(huán)節(jié)，避免機械傳動的累積誤差。由于敏感元件都是非接觸式的，即使測量過程不斷重復(fù)，也不會對傳感器造成磨損，可大大提高檢測的可靠性和使用壽命。

3.3 環(huán)件直徑計算

環(huán)件直徑計算公式如下（圖2）：

式中：d——環(huán)件直徑；

L——錐輥錐尖與主輥中心之間的距離；

x——測量輪中心與錐輥錐尖之間的距離；

d1——主輥直徑；

d2——測量輪直徑。

3.4 測量輪的安裝

測量輪的安裝要求方便更換，軸向尺寸小，摩擦副的使用壽命長。在以前的結(jié)構(gòu)中，有采用軸瓦式摩擦副的，有通軸式的多種，但均沒有把幾個問題同時解決好。如圖3 所示的結(jié)構(gòu)很好地解決了這些問題。

采用剖分式結(jié)構(gòu)，前蓋2 和前梁3 之間采用螺釘連接，把固定軸4 卡在中間，測量滾輪1 和滾動軸承13 安裝在固定軸上。為了軸向定位，固定軸4 帶有臺階。擋環(huán)15 通過螺釘固定在測量滾輪上，將軸承外圈軸向定位。固定軸臺階和隔套14，將軸承內(nèi)圈軸向定位。因采用剖分式連接使軸向尺寸減小，并且安裝拆卸方便。采用滾動軸承使摩擦力減小，有利于提高摩擦副的壽命，同時，較低的摩擦力又使整個活動部分受到的橫向力減小，測量桿就不易彎曲，保證了移動部分的導(dǎo)向精度，使測量精度提高

3.5 測量輪結(jié)構(gòu)

測量輪工作時與高溫環(huán)件接觸且高速旋轉(zhuǎn)，要求質(zhì)量小，高溫變形小。材質(zhì)一般選用5CrNiMo 或5CrMnMo。做成輪轂、輪緣、輪輻方式的結(jié)構(gòu)，可以減小轉(zhuǎn)動慣量，使其旋轉(zhuǎn)靈活，同時便于散熱。輪輻上需要開孔，把工作中掉落下的氧化皮等雜物落掉。

3.6 潤滑冷卻

輾環(huán)過程中測量輪與高溫環(huán)件接觸，并高速旋轉(zhuǎn)，因此其冷卻和潤滑尤為重要。

以前的潤滑和冷卻方法主要有：①在測量輪轉(zhuǎn)軸上安裝油杯。這種方法只能在軋環(huán)停止時人工進行，高溫環(huán)境下潤滑油流失大，轉(zhuǎn)動副得不到良好的冷卻和潤滑，測量輪及軸承（或軸瓦）經(jīng)常損壞。②在測量裝置導(dǎo)向桿上加工深孔,通過測量輪前座引入冷卻水和潤滑油。這種方法雖能在輾環(huán)過程中對測量輪進行潤滑和冷卻，但加工深孔在工藝上難以實現(xiàn)。

針對上述問題，提出了一種新的潤滑、冷卻方法如下：在導(dǎo)向座6 和9 上開孔，用金屬管穿過導(dǎo)向座連接前梁和后梁。開孔的尺寸要大于金屬管的直徑，防止加工制造誤差和管子下垂的原因，引起干涉。在前梁上通過孔道將潤滑油引到旋轉(zhuǎn)運動副。在后梁上留有接口與潤滑主管路連接。在管口到旋轉(zhuǎn)運動副之間在前蓋2 或前梁3 上開連接孔道，孔道通過銑削加工，拐角處圓滑過渡，減小介質(zhì)的流動阻力。

冷卻方法：管路連接結(jié)構(gòu)類似潤滑部分，將冷卻水引到測量滾輪，在后梁上留有接口與冷卻主管路連接。在管口到測量滾輪上端開連接孔道。

由此實現(xiàn)了在輾環(huán)過程中對測量輪進行潤滑和冷卻，提高了測量裝置的壽命，減少了維護工作量。同時提高了測量裝置可靠性，減少廢品率，降低制造成本。

4 結(jié)語

解決了輾環(huán)過程中測量裝置的實時潤滑和冷卻問題，并兼顧了制造成本。新的測量輪安裝結(jié)構(gòu)既緊湊又安裝拆卸方便。提高了測量裝置的壽命和可靠性。申請了發(fā)明專利一項，并獲受理。

[1]華 林，黃興高，朱春東，著.環(huán)件軋制理論和技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[2]趙繼聰，周 盼，秦 魏.激光傳感器原理及其應(yīng)用.科技向?qū)В?011，（9）.

[3]李懷洲，孫海燕，羅祖順，等.磁致伸縮位移傳感器的研究與應(yīng)用.電氣自動化，2005，（5）.

[4]劉興海.旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用.新疆鋼鐵，2006，（1）.