姚樹楷，賈瑞清

（中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

一種彎管加熱成型回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計

姚樹楷，賈瑞清

（中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

隨著彎管在各個行業(yè)的需求量急劇增加，對彎管成型的工藝以及設(shè)備的研究已漸漸引發(fā)熱潮。論文在北京國電富通公司對彎管成型工藝流程的實驗基礎(chǔ)上，對于彎管成型的自動化工藝進行了研究，設(shè)計了一種流水線回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，為今后彎管成型的自動化設(shè)備的設(shè)計提供參考。

彎管成型；回轉(zhuǎn)系統(tǒng)；自動化設(shè)備；加熱成型

0 引言

2008年1 月，國網(wǎng)公司《關(guān)于轉(zhuǎn)變電網(wǎng)發(fā)展方式、加快電網(wǎng)建設(shè)的意見》中指出，到2020年，建成直流輸電工程38項，輸電容量1.91億千瓦，線路長度5.23萬公里，其中±800kV直流特高壓輸電容量7600萬千瓦。這些線路將主要用于西電東送工程和國內(nèi)幾大區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)，實際配水管路及水冷主機需求總量應在17億元以上[1]。目前國內(nèi)企業(yè)主要采購國外的配水管路，供應能力滿足不了目前市場需求，因此換流閥配水管路彎管技術(shù)研究十分必要。

目前，PVDF管道的彎管成型工藝十分落后，彎曲成型后的PVDF管存在截面形狀畸變、起皺、截面厚度誤差大等缺陷，使用時可能出現(xiàn)滲漏、異常變形和破裂等安全隱患，并且在生產(chǎn)過程中廢品率高，浪費資源。

本文在北京國電富通公司的實驗基礎(chǔ)上，提出了一種新型的針對PVDF材料直管自動化彎管成型的自動化系統(tǒng)方案。

1 彎管成型技術(shù)與流程要求

北京國電富通有限責任公司進行了關(guān)于彎管成型的研究，目前采用的是加熱有模壓彎的方法。

加工原材料是外徑Φ20，內(nèi)徑Φ16的PVDF直管，在加熱到PVDF的熔點173℃之后，再由上下模具合模之后成做需要的U字型，特制的上下模具如圖1所示。

由于需要加熱，為防止PVDF直管在合模壓制的過程中彎曲部分出現(xiàn)增厚或起皺，先在直管中間拉入一段尺寸合適的橡膠棒，起到對直管內(nèi)部的支撐作用。之后將模具與待加工直管放入烘箱中加熱到173℃，加熱半小時之后由工作人員取出，安裝至圖3所示氣動裝置上進行合模操作，完成合模之后再放入烘箱中定型保溫半小時，之后拿出冷卻。等模具冷卻到40℃之后，再放在氣動裝置上將上下模具拔開，并將已成型后的彎管中的橡膠棒抽出，即完成彎管成型的全部流程。

這種彎管工藝降低了廢品率，但在生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率上都差強人意。因此本文在保留彎管技術(shù)工藝流程的前提下，設(shè)計出一個自動化彎管成型的回轉(zhuǎn)流水線平臺。

圖1 彎管壓制模具Fig.1 Bending press mold

2 模具改進與驅(qū)動方式設(shè)計

為了實現(xiàn)自動化以及保證加工工藝流程，須對原本的上下模具進行改進設(shè)計，并對其驅(qū)動方式進行重新設(shè)計。

2.1 單組模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

模具的改進結(jié)構(gòu)如圖2所示，模具由原本的上、下模具倒置工作，上下模具中均開有半圓型槽，當上下模具合并時，放于模具之間的直管即可壓模成為對應形狀的彎管。

將下模具中間挖空，裝入左右兩根導桿，用作上模具上下行進時導向，中間裝入絲杠軸，上模具在對應位置裝入配套的絲杠滑塊，于是當絲杠正反轉(zhuǎn)動時，上模具即可沿著導桿上下行進，完成合模與拔模的流程。

圖2 模具示意圖Fig.2 Sketch map for mold

由之前實驗中得知，在只使用上下模具進行合模壓制的時候，直管在彎曲變形處所受到的應力的力臂非常短因此需要非常大的壓力作用才能夠達到直管彎曲所需彎矩。因此在合模過程中非常容易由于過大的受力而產(chǎn)生一些皺褶，從而導致產(chǎn)品不合格。

為此上模具兩端加裝了預壓輪，可以預先對直管的兩端進行壓合。在使用預壓輪之后，直管在接觸到上模具之前就已經(jīng)受到預壓輪的作用，作用力臂遠長于不加輪時，在達到直管彎曲所需彎矩恒定的情況下，需要的力也相應變小很多，因此在預壓時并不會損傷直管。而等到直管有一定彎曲度的時候，上模具接觸開始壓合，所需應力不會對管身造成損傷。

在絲杠軸頂端裝有離合套，用于驅(qū)動。離合套結(jié)構(gòu)上為一個異形方孔套，當驅(qū)動的異形軸落入離合套中，電機即可驅(qū)動絲杠進行開合模；當驅(qū)動的異形軸上升離開離合套之后，模具可以隨流水線回轉(zhuǎn)系統(tǒng)離開驅(qū)動裝置。

2.2 模具開合模的驅(qū)動裝置設(shè)計

模具的開模與合模用滾珠絲杠來實現(xiàn)如圖3所示。用模具上方的電機帶動，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為上下的直線運動，從而使上模具上下移動，對下方的直管進行壓合，最終與下模具合并，完成合模過程。相似地，開模過程是電機帶動反轉(zhuǎn)，即可實現(xiàn)。同時，下方模具是跟隨托輥在環(huán)形道上移動，因此驅(qū)動裝置需要上下移動，反復與模具卡合，以完成流水線作業(yè)。使用電缸來控制驅(qū)動軸的上下運動，驅(qū)動軸與電機軸用一個間隙配合的聯(lián)軸器相連，可以保證驅(qū)動軸順利向上運動，縮進到聯(lián)軸器中。

圖3 開合模驅(qū)動裝置Fig.3 Drive device for mold opening and closing

3 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

彎管回轉(zhuǎn)系統(tǒng)初步設(shè)計為環(huán)式結(jié)構(gòu)，由兩個完全相同的加工區(qū)組成，每個加工區(qū)又分為準備區(qū)、合模區(qū)區(qū)、保溫區(qū)、抽芯區(qū)與拔模區(qū)五部分，如圖4所示。

模具下方的支撐板隨驅(qū)動托輥繞圓環(huán)軌道行進，模具也隨著之進入烘箱進行加熱、合模、保溫工序，出烘箱后進行冷卻、抽芯、拔模工序，之后準備進入下一個烘箱。模具每沿環(huán)形導軌行進一周，可完成兩次加工循環(huán)。

圖4 系統(tǒng)分區(qū)圖Fig.4 Partition map of the system

支撐板的行進由下方的托輥帶動，托輥在導軌中分為驅(qū)動區(qū)與非驅(qū)動區(qū)兩部分，如圖5所示，兩個電機分別帶動兩個驅(qū)動區(qū)的一個托輥，驅(qū)動區(qū)的其余托輥由齒輪與鏈條相連，組成驅(qū)動托輥組，兩個驅(qū)動區(qū)分別由兩個電機帶動，分開行進。非驅(qū)動組的托輥不與電機相連，托輥分別自由轉(zhuǎn)動，其上的支撐板由驅(qū)動區(qū)帶來的支撐板從后方推動前進。

同時由于支撐板設(shè)計為圓形，則模具在行進中的時候可以自由轉(zhuǎn)動，因此驅(qū)動系統(tǒng)的離合裝置均裝在模具系統(tǒng)的正中心，以保證模具無論在什么方向均可使合模與拔模順利進行。

由于烘箱內(nèi)部需要放置三套模具，每套模具的最大直徑為600mm，因此烘箱內(nèi)部空間的尺寸定為（2000×620×620）mm。

圖5 托輥導軌布置Fig.5 Layout of the roller rail

3.2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)使用行程開關(guān)和延時繼電器進行控制，當支撐板帶著模具到達預定位置時即觸發(fā)行程開關(guān)，通過預先編寫好的延時程序，即可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)控制。

運行步驟如下：①將模具抽芯輪上的橡膠管塞入PVDF直管原料中，放入模具內(nèi)，用直管定位機構(gòu)固定；②時間繼電器控制烘箱門打開，模具由驅(qū)動托輥帶動進入烘箱；③模具觸碰合模區(qū)行程開關(guān)一，電磁繼電器一啟動，模具定位機構(gòu)一將模具定位，加熱區(qū)托輥驅(qū)動電機停機，時間繼電器一開始計時；④時間繼電器一控制驅(qū)動軸進行合模，合模結(jié)束后電磁繼電器一斷開，定位機構(gòu)一與模具分離，加熱區(qū)托輥驅(qū)動電機啟動；⑤模具由托輥與前后模具帶動，在保溫區(qū)內(nèi)行進，最終烘箱門由時間繼電器控制打開，模具離開烘箱；⑥模具在后方模具的推動下在冷卻區(qū)行進進行降溫；⑦模具碰觸拔模區(qū)行程開關(guān)二，電磁繼電器二啟動，模具定位機構(gòu)二將模具定位，拔模區(qū)托輥驅(qū)動電機停機，時間繼電器二開始計時；⑧時間繼電器二控制驅(qū)動軸進行拔模，拔模結(jié)束后電磁繼電器二斷開，定位機構(gòu)二與模具分離；⑨工作人員將成型彎管取出，放入新的直管，進入下一個烘箱，開始下次循環(huán)。

4 模具及驅(qū)動相關(guān)計算

4.1 梯形絲杠與電機的選型計算

合模過程共需移動距離s＝200mm。預計合模時間t＝5s，因此上模具移動速度：

由上下模具的空間限制，擬選用THK公司DCMB 15T型梯形絲杠進行傳動。

絲杠靜態(tài)負載為上模具重量，由上模具尺寸可算得其質(zhì)量為22kg，因此靜態(tài)負荷：

P'＝22×9.8N＝215N＜P

負荷絲杠靜態(tài)容許負荷的要求。

由上模具移動速度與絲杠導程可求出絲杠轉(zhuǎn)速：

根據(jù)轉(zhuǎn)速和許用扭矩T，選出電機型號為通力電機TRF28型。

壓強速度（PV）是計算梯形絲杠強度的重要標準，即絲杠運動時的接觸面壓P與齒面滑動速度v的乘積在一個確定值之下，則絲杠不會有異常磨損。計算公式如下：

式中：P—在施加負荷扭矩的情況下齒面的接觸面壓（N/mm2）；T—動態(tài)容許扭矩（Nm）；PT—承受的扭矩（Nm）。

式中：V—滑動速度（m/min）；D0—有效直徑（mm）；n—轉(zhuǎn)速（r/min）。 帶入數(shù)據(jù)可算得：P＝7.86N/mm2，V＝3.77m/min。查表可得，絲杠在運動時不會有異常磨損。當絲杠在承受26Nm的扭矩時，所產(chǎn)成的推力：

式中：Fa—產(chǎn)生的推力（N）；η—絲杠的效率，此處取80%；PT—承受的扭矩（Nm）；R—絲杠的導程（mm）。帶入數(shù)值，計算得Fa＝2942N。Fa小于絲杠的動態(tài)容許推力F，絲杠在運動中不會受到損害。因此，絲杠在電機全部扭矩的帶動下，對上模具可以產(chǎn)生2942N的推力。在合模時，加上上模具的重力，可達3158N，完全可以將已臨近融化的直管壓塑成型。拔模時，在克服上模具重量之后，尚有2726N的力，可以將上下模具拔離。

4.2 電缸選型計算

電缸的作用是控制從動軸的升降，以便及時進行合模與拔模的動作。由模具結(jié)構(gòu)可知，離合套的嚙合部分高度為15mm，因此需選用的電缸應可以承受地住軸的重量，且可以較快地行進。擬選用型號為LEY25B的出桿式電缸進行控制。

由于電缸在本系統(tǒng)內(nèi)的作用是盡快將離合套嚙合上，一般會盡量選用高速運行，需要保證電缸在高度運動下仍然可以具有一定的搬運質(zhì)量，因此選用裝配有伺服電機的電缸來執(zhí)行。該電缸在最大的速度運行下仍可保持最大的垂直搬運質(zhì)量。電缸帶動的從動軸最大直徑為25mm，長度為150mm，考慮到鋼材的密度為9850kg/ m3，算得軸的質(zhì)量約為0.6kg。

由于電缸在上提時還需克服彈簧的彈力，因此選用垂直搬運質(zhì)量為6kg的電缸LEY25AB來完成動作，最大速度為 vt＝250mm/s。電缸加速度設(shè)為 a＝3000mm/s2，則在運動過程中，加速到最大速度所用時間：

達到最高速度時已行進行程為：

由于總行程s＝15mm，因此伸出桿還要以250mm/s的速度走完剩下的s2＝s－s1＝4.58mm。所用時間：

則電缸行進15mm，所用的總時間：

t＝t1＋t2＝0.101s

考慮到電缸安裝的空間要求，支撐連接件采用桿側(cè)法蘭型，桿前端連接件采用簡易性連接件。最終選用電缸型號為LEY25RAB-150BF，配件接頭YU-03，安裝件YB-03。

5 結(jié)論

隨著國家經(jīng)濟發(fā)展，對于各種特種形狀的管材的需求會越來越大，如果都是使用原始的手工合模加工，生產(chǎn)量遠遠不足以消耗量。因此對彎管成型的自動化設(shè)備的研發(fā)勢必會引發(fā)熱潮，并有很大前景。本文用流水線思路做成的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)提升了彎管成型的自動化程度，并極大地提高了生產(chǎn)效率，且對于操作來說也比傳統(tǒng)方法更加安全，為今后彎管系統(tǒng)的自動化設(shè)備研究提供了參考。

[1]趙藟.國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略研究[D].西南交通大學，2007.

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[3]吳秀林.基于Stewart平臺機構(gòu)的智能彎管機的優(yōu)化設(shè)計與運動控制[D].西南交通大學，2005.

[4]王洪文，左繼承.半自動液壓彎管機及其PLC控制系統(tǒng)[J].新技術(shù)新工藝，2006，3.

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[7]趙春.X100管線彎管的組織—性能研究[D].西安石油大學，2008.

A Rotation System for Elbow Pipe Thermoforming

YAO Shu-Kai，JIA Rui-Qing
(School of Mechanical Electronic&Information Engineering of China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

With the dramatic increase of elbow pipes in demand for various industries,research and equipment of the elbow pipe molding process has gradually lead to boom.In this paper,an automatic equipment for forming elbow pipes was studied,which is based on the experiment made by Beijing Guodian Futong company.And a rotation system has been designed which would provide a reference for the future automated elbow pipe forming equipment.

elbow pipe forming；rotation system；automatic equipment；thermoforming

TH-39

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.016

1002－6673（2014）03－041－04

2014－03－26

姚樹楷 （1989-），男，安徽淮南人，中國礦業(yè)大學（北京）機電學院機械電子專業(yè)在讀碩士研究生。