曹銳

( 衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司219 分廠，湖南衡陽(yáng)421001)

阿塞爾軋管機(jī)是20 世紀(jì)30 年代由沃爾特·阿塞爾研制成功的，它使用3 個(gè)錐形軋輥，相互距離120°并與軋件軸線斜置，以在芯棒上斜軋為工作原理工作，是一種有效的軋制工藝。由它軋出的產(chǎn)品表面質(zhì)量高，壁厚公差小，可在一臺(tái)軋機(jī)上生產(chǎn)多種直徑的鋼管。它只限于軋制中厚壁管，D/d 值大約為15∶1(荒管外徑與壁厚的比值)，此后不斷進(jìn)行改進(jìn)。某分廠2008 年4 月投產(chǎn)的阿塞爾三輥斜軋管機(jī)具有20世紀(jì)90 年代先進(jìn)技術(shù)水平，軋制荒管的D/d 值可達(dá)到20 左右。但它在生產(chǎn)過(guò)程中也存在著一系列的問(wèn)題:軋制長(zhǎng)薄壁荒管尾部壁厚尺寸超差、調(diào)節(jié)工藝參數(shù)時(shí)2#軋輥易下掉、主機(jī)閥臺(tái)壓力波動(dòng)大易引起系統(tǒng)跳閘，影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重制約著生產(chǎn)。

1 阿塞爾軋管機(jī)設(shè)備組成及工作原理

1.1 阿塞爾軋管機(jī)設(shè)備組成

阿塞爾軋管機(jī)設(shè)備由軋管機(jī)體、軋輥裝配、軋輥調(diào)節(jié)裝置、軋機(jī)傳動(dòng)裝置(圖中未畫(huà)出)、潤(rùn)滑、傳動(dòng)電纜等部件和液壓設(shè)備組成。液壓設(shè)備由軋輥快開(kāi)缸、軋輥平衡缸、軋輥裝配鎖緊缸(圖中未畫(huà)出)及其液壓控制閥臺(tái)組成，如圖1 所示。

1.2 工作原理

圖1 Aseel 軋管機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

阿塞爾軋管機(jī)擁有三臺(tái)軋輥，3 個(gè)軋輥呈“120°”布置在以軋制中心線為中心的等邊三角形的頂點(diǎn)。當(dāng)軋制某種規(guī)格的荒管，首先要將軋管機(jī)喉徑(3 個(gè)軋輥所圍成的圓)調(diào)整到某一數(shù)值，調(diào)節(jié)軋輥時(shí)，1#—3#軋輥對(duì)應(yīng)的快開(kāi)缸活塞桿通壓力油后伸出，喉徑的大小是通過(guò)移動(dòng)軋輥中心線到軋制中心線的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在每一個(gè)軋輥上用兩臺(tái)交流電機(jī)通過(guò)各自的渦輪減速機(jī)分別或同時(shí)驅(qū)動(dòng)軋輥兩端處的絲杠螺旋副，由與電機(jī)軸聯(lián)接的光電編碼器檢測(cè)絲杠的伸縮長(zhǎng)度。調(diào)整數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上顯示出來(lái)，3 個(gè)軋輥的調(diào)整機(jī)構(gòu)和調(diào)整方法完全相同，可以單獨(dú)調(diào)整也可以3 個(gè)軋輥同時(shí)調(diào)整。當(dāng)數(shù)據(jù)被確定后，軋機(jī)喉徑的大小也就由此確定下來(lái)，然后1#—3#軋輥的平衡缸有桿腔通壓力油，活塞桿縮回，將軋輥鎖緊在快開(kāi)缸活塞桿頭部、調(diào)節(jié)裝置頭部，3 臺(tái)軋輥形成一定開(kāi)口度，等待軋制毛管。阿塞爾軋管機(jī)軋制毛管時(shí)(毛管內(nèi)部插著一根芯棒)，毛管在3 臺(tái)旋轉(zhuǎn)軋輥的作用下，在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿著軋制中心線前進(jìn)。當(dāng)軋制過(guò)程接近完成時(shí)，位于軋管機(jī)前的熱探測(cè)器接受到毛管離去的信號(hào)，向PLC 發(fā)信號(hào)，PLC 延時(shí)200 ms 后，控制1#—3#軋輥快開(kāi)缸卸荷，1#—3#軋輥平衡缸拉緊軋輥沿著快開(kāi)缸活塞桿縮回方向擺動(dòng)，使3 臺(tái)軋輥間開(kāi)口度增大，消除荒管的“尾三角”現(xiàn)象。待荒管離開(kāi)軋管機(jī)后，PLC 控制1#—3#軋輥快開(kāi)缸得壓活塞桿伸出，使3 臺(tái)軋輥克服平衡缸的拉緊力擺動(dòng)，它們之間的開(kāi)口度變小，等待軋制下一根毛管。

2 阿塞爾軋管機(jī)存在問(wèn)題及液壓設(shè)備改造

2.1 軋制長(zhǎng)薄壁荒管尾部壁厚尺寸超差

(1)原因分析

式中:s 為荒管的壁厚;D 為軋管機(jī)的喉徑;d 為芯棒直徑。由以上公式分析，造成長(zhǎng)薄壁荒管尾部壁厚尺寸超差是以下兩種原因:

①芯棒尾部表面磨損過(guò)大，直徑d 偏小，導(dǎo)致荒管尾部壁厚尺寸超差。

芯棒是軋管機(jī)組最重要的變形工具之一，軋制過(guò)程中芯棒工作的條件十分惡劣，既承受高溫、高壓，又經(jīng)受相對(duì)滑移磨損和急冷急熱，其表面承受著壓應(yīng)力、摩擦力和冷熱交變應(yīng)力等等，表面經(jīng)常受到磨損。對(duì)使用的芯棒進(jìn)行全長(zhǎng)度測(cè)量，表明芯棒直徑尺寸在公差范圍內(nèi)，符合生產(chǎn)工藝要求，此種原因排除。

②軋管機(jī)的喉徑D 在軋制過(guò)程中增大(即快開(kāi)缸活塞桿受擠壓縮回)，導(dǎo)致荒管尾部壁厚尺寸超差。

在快開(kāi)缸的供油腔裝一只帶顯示屏的EDS400 型電子壓力繼電器，從顯示屏上的讀數(shù)可以看出:阿塞爾軋管機(jī)軋制長(zhǎng)薄壁荒管頭部時(shí)快開(kāi)缸的供油腔壓力為15 MPa，在軋制過(guò)程中快開(kāi)缸的供油腔壓力逐漸增大，當(dāng)軋制長(zhǎng)薄壁荒管尾部時(shí)壓力增大至17.5 MPa。經(jīng)分析認(rèn)為:阿塞爾軋管機(jī)軋制長(zhǎng)薄壁荒管所需時(shí)間長(zhǎng)，外表面又經(jīng)水冷卻，當(dāng)軋至荒管尾部時(shí)荒管溫度下降過(guò)大，荒管剛性增強(qiáng)，產(chǎn)生的軋制力變大，超過(guò)了快開(kāi)缸的輸出力，快開(kāi)缸活塞桿縮回，軋管機(jī)的喉徑D 增大，導(dǎo)致荒管尾部壁厚超差，達(dá)到了0.6 mm。要解決軋制長(zhǎng)薄壁荒管尾部壁厚尺寸超差問(wèn)題，必須提高快開(kāi)缸的輸出力，使其大于軋制力。

(2)確定快開(kāi)缸所需的輸出力

軋管機(jī)液壓設(shè)備的壓力由軋管機(jī)液壓站的PVH180 恒壓變量柱塞泵(二用一備)提供，工作壓力為15 MPa。將軋管機(jī)的液壓控制閥臺(tái)和軋管機(jī)液壓站的液壓管路分離開(kāi)，用一臺(tái)試驗(yàn)液壓泵對(duì)軋管機(jī)的液壓控制閥臺(tái)單獨(dú)供壓，結(jié)果表明當(dāng)壓力調(diào)節(jié)至18 MPa 時(shí)，可以消除軋制長(zhǎng)薄壁荒管尾部壁厚尺寸超差問(wèn)題，此時(shí)快開(kāi)缸輸出力:F = p* S =510.35 kN。

式中:F 為快開(kāi)缸輸出力;p 為試驗(yàn)液壓泵工作壓力，p=18 MPa =1.8 ×107Pa;S 為快開(kāi)缸活塞桿面積。由上可知，消除軋制長(zhǎng)薄壁荒管尾部壁厚尺寸超差問(wèn)題，快開(kāi)缸輸出力必須大于510.35 kN。

(3)快開(kāi)缸結(jié)構(gòu)改進(jìn)

改造前的快開(kāi)缸由缸體、活塞桿、鎖緊螺母、密封圈(見(jiàn)圖2)構(gòu)成?；钊麠U由大、小圓柱體兩段組成，大圓柱體直徑為240 mm，小圓柱體直徑為190 mm，密封裝在小圓柱體圓周面上，高壓液壓油作用在小圓柱體圓周面積上，產(chǎn)生輸出力。

圖2 改造前的快開(kāi)缸

快開(kāi)缸裝在軋輥?zhàn)膬?nèi)孔中，且配合緊密，因此外形尺寸不能改變，只能改造它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。改造采取如下措施:大圓柱體的長(zhǎng)度延長(zhǎng)，并在大圓柱體圓周面上安裝兩只型號(hào)USH02400 的Y 形密封圈，增大作用面積，增大輸出力。大圓柱體圓周面上裝了密封件后，大圓柱體密封件和小圓柱體密封件之間形成封閉腔，快開(kāi)缸活塞桿受力伸出，封閉腔容積變小會(huì)產(chǎn)生背壓擠壞密封件，必須設(shè)法消除封閉腔的背壓。在活塞桿小圓柱體中加工長(zhǎng)孔使封閉腔和外界連通，使產(chǎn)生的背壓消除。改造后的快開(kāi)缸如圖3 所示。

圖3 改造后的快開(kāi)缸

改造后的快開(kāi)缸在軋管機(jī)液壓站提供的壓力(p=15 MPa)下工作，它的輸出壓力:

其中:F 為快開(kāi)缸輸出力;p 為軋管機(jī)液壓站工作壓力，p =15 MPa =1.5 ×107Pa;S 為快開(kāi)缸活塞桿大圓柱體面積;D 為快開(kāi)缸活塞桿大圓柱體直徑，D=240 mm=2.4 ×10－1m。由此可見(jiàn)，改造后的快開(kāi)缸的輸出力滿(mǎn)足了生產(chǎn)工藝要求。

2.2 軋管機(jī)2#軋輥處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)易下掉

(1)原因分析

軋管機(jī)2#軋輥通過(guò)銷(xiāo)軸和軋管機(jī)2#平衡缸活塞桿耳環(huán)連接，其液壓控制回路如圖4。

圖4 改造前的2#平衡缸液壓回路

正常軋制時(shí)，電磁鐵YA2 得電，電磁鐵YA1、YA3 失電，軋管機(jī)2#平衡缸有桿腔得壓，活塞桿縮回的拉力克服2#軋輥的質(zhì)量，將2#軋輥鎖緊在快開(kāi)缸活塞桿頭部、調(diào)節(jié)裝置頭部。2#軋輥處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，電磁鐵YA1、YA2 失電，電磁鐵YA3 得電，2#平衡缸和進(jìn)油管路、回油管路斷開(kāi)，有桿腔內(nèi)液壓油產(chǎn)生的背壓將2#軋輥托起。渦輪減速機(jī)調(diào)節(jié)2#軋輥下行，2#軋輥通過(guò)銷(xiāo)軸把軋管機(jī)2#平衡缸活塞桿往下拉，2#平衡缸有桿腔內(nèi)液壓油產(chǎn)生的背壓增大，當(dāng)背壓超過(guò)減壓閥4 的壓力設(shè)定值5 MPa 時(shí)，有桿腔內(nèi)的液壓油通過(guò)電磁球閥5、減壓閥4 流回油箱，2#軋輥向下運(yùn)動(dòng)直至預(yù)定位置。

分析圖4 可知，軋管機(jī)2#軋輥處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)易下掉有以下3 種原因:

①2#平衡缸有桿腔活塞密封圈壞，在2#軋輥?zhàn)陨碣|(zhì)量作用下液壓油從有桿腔泄漏至無(wú)桿腔，活塞桿向下運(yùn)動(dòng)，引起2#軋輥下掉。

對(duì)2#平衡缸有桿腔通15 MPa 高壓液壓油，發(fā)現(xiàn)有桿腔活塞密封圈無(wú)泄漏現(xiàn)象，此種原因排除。

②2#軋輥?zhàn)陨碣|(zhì)量作用使2#平衡缸有桿腔內(nèi)液壓油產(chǎn)生的背壓超過(guò)減壓閥4 的壓力設(shè)定值5 MPa，有桿腔內(nèi)的液壓油通過(guò)電磁球閥5、減壓閥4 流回油箱，活塞桿向下運(yùn)動(dòng)，引起2#軋輥下掉。

在2#軋輥?zhàn)陨碣|(zhì)量作用下，2#平衡缸有桿腔內(nèi)液壓油產(chǎn)生的背壓:

式中:p 為2#平衡缸有桿腔內(nèi)液壓油的背壓;M 為2#軋輥?zhàn)陨碣|(zhì)量，M =1.8 ×103kg;g 為重力加速度，g=9.83 m/s2;S 為平衡缸有桿腔面積，單位為m2;D 為平衡缸缸徑，D=140 mm=1.4 ×10－1m;d 為平衡缸活塞桿直徑，d=90 mm=9 ×10－2m。由此可見(jiàn)，2#軋輥?zhàn)陨碣|(zhì)量產(chǎn)生的背壓小于減壓閥4 的壓力設(shè)定值5 MPa，不能使平衡缸活塞桿向下運(yùn)動(dòng)，此種原因排除。

③軋管機(jī)2#軋輥處于垂直位置，2#軋輥產(chǎn)生的重力對(duì)2#平衡缸有桿腔內(nèi)的液壓油介質(zhì)產(chǎn)生壓力。2#平衡缸運(yùn)動(dòng)由4WE10E 型電磁換向閥滑閥控制(見(jiàn)圖4)，2#軋輥處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)電磁換向閥1 閥芯處于中位，2#平衡缸有桿腔內(nèi)的液壓油介質(zhì)在軋輥產(chǎn)生的重力下通過(guò)換向閥閥體和閥芯的配合間隙泄漏，導(dǎo)致2#平衡缸活塞桿向下運(yùn)動(dòng)，使2#軋輥下掉。經(jīng)分析，是此種原因。

(2)改進(jìn)措施

2#平衡缸運(yùn)動(dòng)改為由4WE10J 型電磁換向滑閥控制，并在液壓回路上加裝液壓鎖(見(jiàn)圖5)，2#軋輥處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，電磁鐵YA1、YA2 失電，電磁鐵YA3 得電，4WE10J 型電磁換向滑閥閥芯處于中位，液壓鎖關(guān)閉，防止2#平衡缸有桿腔內(nèi)的液壓油介質(zhì)在軋輥產(chǎn)生的重力下泄漏，引起2#軋輥下掉。

圖5 改造后的2#平衡缸液壓回路

2.3 軋管機(jī)的液壓控制閥臺(tái)壓力波動(dòng)大，引起軋管機(jī)跳閘

(1)原因分析

軋管機(jī)軋出的荒管由軋管機(jī)后的7 臺(tái)液壓馬達(dá)輸送走，7 臺(tái)液壓馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)，所需要的供油量大增，兩臺(tái)液壓泵提供不了這么大的供油量，使軋管機(jī)液壓站壓力從15 MPa 降至11 MPa。軋管機(jī)液壓控制閥臺(tái)液壓管路上裝有一只EDS300 型的壓力繼電器，其發(fā)訊值設(shè)定為12 MPa，當(dāng)壓力低于12 MPa 時(shí)，壓力繼電器發(fā)送信號(hào)“0”給PLC (可編程序控制器)，PLC 控制軋管機(jī)跳閘。

(2)改進(jìn)措施

在軋管機(jī)的液壓控制閥臺(tái)進(jìn)油路上加裝一個(gè)單向閥和一臺(tái)蓄能器構(gòu)成保壓回路，當(dāng)7 臺(tái)液壓馬達(dá)同時(shí)工作軋管機(jī)液壓站壓力降低時(shí)，單向閥關(guān)閉將軋管機(jī)液壓控制閥臺(tái)的油路同其他油路隔離開(kāi)，蓄能器儲(chǔ)存的液壓油為快開(kāi)缸動(dòng)作提供動(dòng)力油源，可以使軋管機(jī)的液壓控制閥臺(tái)壓力波動(dòng)大幅減小。

(3)蓄能器選型

蓄能器作為一種儲(chǔ)能元件，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代液壓技術(shù)領(lǐng)域，在液壓回路中起蓄能、保壓、減震、穩(wěn)壓等作用。其原理是存儲(chǔ)液壓系統(tǒng)中的能量，并在需要時(shí)進(jìn)行釋放。按照加載方式可分為彈簧式、重錘式和氣體式等，氣體式按結(jié)構(gòu)可分為隔離式和非隔離式，隔離式主要以活塞式蓄能器、氣囊式蓄能器為代表，氣囊式蓄能器具有響應(yīng)速度快、無(wú)噪聲、吸收脈動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)，適用于軋管機(jī)的液壓控制閥臺(tái)。

氣囊式蓄能器的工作原理是建立在玻義耳定律基礎(chǔ)上的，使用時(shí)首先向蓄能器充以預(yù)定壓力的氮?dú)?，通過(guò)壓縮氣體完成能量的轉(zhuǎn)化。由氣體定律有:

式中:蓄能器的容積V0是充液前充氣壓力為p0時(shí)的容積，V1為氣體在最低工作壓力p1下的體積，V2為氣體在最高工作壓力p2下的體積。n 為指數(shù)，其值由氣體工作條件決定。p0、p1、p2的單位均為MPa;V0、V1、V2的單位均為L(zhǎng)。

當(dāng)蓄能器向系統(tǒng)供出壓力油的體積為ΔV(=V1－V2)時(shí)，蓄能器內(nèi)的壓力將從p2降到p1，稱(chēng)ΔV 為蓄能器的工作容積。由式(1)可推得

理論上可使p0與p1相等，但一般應(yīng)留有一定余量，使p1大于p0。對(duì)折合形氣囊取p0=(0.8 ～0.85)p1;對(duì)波紋形氣囊取p0=(0.6 －0.65)p1。

①參數(shù)ΔV 的確定

當(dāng)蓄能器用來(lái)作為動(dòng)力源大量供油時(shí)，它向系統(tǒng)供出壓力油的體積為3 臺(tái)快開(kāi)缸伸出時(shí)需要的液壓油體積。ΔV=3* S* K=0.82 L。

式中:S 為快開(kāi)缸活塞桿大圓柱體面積，K 為快開(kāi)缸活塞桿行程K=6 mm。

②參數(shù)p1的確定

為了消除軋制長(zhǎng)薄壁荒管尾部壁厚尺寸超差問(wèn)題，快開(kāi)缸輸出力不得低于510.35 kN，此時(shí)軋管機(jī)的液壓控制閥臺(tái)壓力p* 1/4πD2=510.35 kN，由此推出p=11.3 MPa。

式中:p 代表軋管機(jī)的液壓控制閥臺(tái)壓力，D 代表快開(kāi)缸活塞桿大圓柱體直徑D=240 mm=2.4 ×10－1m。

最低工作壓力p1=kp=13 MPa

式中:p1代表蓄能器最低工作壓力(MPa);k 代表余量系數(shù)，k=1.10 ～1.15。

③參數(shù)p0的確定

蓄能器的充氣壓力p0=(0.8 ～0.85)p1，代入以上數(shù)值，計(jì)算可得:

p0=0.85 p1=0.85 ×13 MPa=11.05 MPa

p0取值為p0=11 MPa

④參數(shù)p2的確定

蓄能器的最高工作壓力等于軋管機(jī)液壓站工作壓力p2=15 MPa。

⑤參數(shù)n 的確定

當(dāng)蓄能器用來(lái)作為動(dòng)力源大量供油時(shí)，可認(rèn)為氣體在絕熱條件下工作，n=1.4。

代入以上參數(shù)，得V0=10.17 L。

所以，軋管機(jī)的液壓控制閥臺(tái)進(jìn)油路上蓄能器的體積V0選取為V0=16 L。蓄能器選取型號(hào)為:NXQ-16/31.5-L，壓力等級(jí)31.5 MPa。

(4)單向閥選型

軋管機(jī)的液壓控制閥臺(tái)進(jìn)油路通徑為DN30，單向閥選取型號(hào)為:S30G1.0/2，通徑DN30，壓力等級(jí)31.5 MPa。

軋管機(jī)的液壓控制閥臺(tái)改造前后如圖6 所示。

圖6 軋管機(jī)液壓控制閥臺(tái)改造前后

3 改進(jìn)后效果

(1)快開(kāi)缸改進(jìn)后，阿塞爾軋管機(jī)軋制長(zhǎng)薄壁荒管尾部壁厚尺寸超差由0.6 mm 降至0.2 mm，完全滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝尺寸的公差要求。

(2)在軋管機(jī)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)過(guò)程中，軋管機(jī)2#軋輥?zhàn)允贾两K沒(méi)有下掉，保證了軋管機(jī)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)的順利進(jìn)行。

(3)改進(jìn)后，軋管機(jī)的液壓控制閥臺(tái)壓力穩(wěn)定在13.5 MPa，軋管機(jī)不再跳閘，保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

【1】何存興，張鐵華.液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2000.

【2】張磊.實(shí)用液壓技術(shù)300 題［M］.2 版. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

【3】劉啟增.219 機(jī)組生產(chǎn)技術(shù)裝備及技術(shù)創(chuàng)新［J］.衡鋼科技與管理，2008(2):15 －18.

【4】HYDAC 蓄能器中文樣本.

【5】李江江，龍明福，李志坡.基于邏輯分析法的本田自動(dòng)變速器電液控制策略分析［J］. 機(jī)床與液壓，2010，38(22):121 －122.

【6】王艷.阿塞爾軋管機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)［J］.冶金設(shè)備，2004，3(6):23 －25.

【7】趙剛.液壓系統(tǒng)中蓄能器的選用［J］.液壓與氣動(dòng)，2010(1):64 －65.

【8】張路軍，李繼志，顧心懌，等. 蓄能器類(lèi)型和應(yīng)用綜述［J］.機(jī)床與液壓，2001(6):5 －7.

【9】柴業(yè)森，張中發(fā). 皮囊式蓄能器在管路系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2000(4):14 －16.

【10】范貴喜，劉春峰，任國(guó)龍，等. 氣囊式蓄能器選型計(jì)算［J］.煤礦機(jī)械，2005(7):18 －19.