王仕杰，王紅斌，盧 星，趙西韓，馬 強(qiáng)，劉 磊

(1.中國重型機(jī)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(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

長期以來，壓力矯直機(jī)的矯直操作多由工人憑借經(jīng)驗(yàn)估計(jì)矯直行程，反復(fù)壓矯，矯直效率很低，所以壓力矯直機(jī)在眾多矯直設(shè)備中一直處于從屬地位，或者是作為其他矯直方法的預(yù)矯直使用。目前國內(nèi)各大特鋼企業(yè)新上的項(xiàng)目中，棒材直徑逐漸增大，同時(shí)生產(chǎn)鋼坯的截面形狀也日趨多樣化，要求壓力矯直機(jī)的矯直效率更高，適應(yīng)性更強(qiáng)。為適應(yīng)我國對大型高效矯直設(shè)備的需要，國內(nèi)各大設(shè)計(jì)院新設(shè)計(jì)的壓力矯直機(jī)也逐漸配備了在線檢測系統(tǒng)和矯直專家系統(tǒng)等，以期來提高矯直效率。但是目前大部分的測量系統(tǒng)都需要對棒材全長范圍進(jìn)行多點(diǎn)采集測試，或者利用機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)對全長進(jìn)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(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

由中國重型機(jī)械研究院股份公司為國內(nèi)某廠成功開發(fā)了一套大型龍門自走式壓力矯直機(jī)，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(jī)采用龍門自走式，同時(shí)配置了在線直線度快速檢測系統(tǒng)，簡化了上下料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了超長料快速檢測自動矯直，為鋼廠在超大型鍛材矯直機(jī)快速在線矯直設(shè)備選型方面提供參考。

1 壓力矯直機(jī)組主要工藝參數(shù)

1.1 被矯直產(chǎn)品參數(shù)

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(zhì):合金鋼及高合金鍛材。

1.2 設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

整機(jī)按照最大直徑d=560 mm 進(jìn)行計(jì)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(jì)算，則

棒材彎曲所需扭矩:

按照簡單三點(diǎn)反彎理論計(jì)算矯直力:

式中，T=l/2

由(1)(2)可得:F=1.9 ×107N=19 MN。

確定整個(gè)機(jī)組的最大矯直力為20 MN，則油缸尺寸及整個(gè)橫梁機(jī)架的強(qiáng)度均按照此最大矯直力進(jìn)行校合。

取主油缸最大工作壓力p=28 MPa，則計(jì)算油缸直徑φ 如下:

則取主油缸直徑為960 mm，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)最高壓力30 MPa，則設(shè)備最大的矯直力可達(dá)21.7 MN。

1.3 設(shè)備基本參數(shù)

壓力矯直機(jī)驅(qū)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(yù)設(shè)，帶顯示功能)

主缸加壓前進(jìn)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(diào)節(jié)距離/mm 800～6000

升降翻鋼裝置調(diào)節(jié)距離/mm 2000～12000

機(jī)體移動速度/mm·s－10～70 (無級可調(diào)、可控可預(yù)設(shè)、顯示)

機(jī)體移動傳動方式 液壓馬達(dá)驅(qū)動滾輪轉(zhuǎn)動式行走

機(jī)體移動距離/mm 20000

2 壓力矯直機(jī)組主要組成

2.1 機(jī)械設(shè)備

本機(jī)組機(jī)械設(shè)備包括壓力校直機(jī)主機(jī)、升降翻鋼裝置、砧座裝置、機(jī)內(nèi)導(dǎo)軌、機(jī)體橫移導(dǎo)軌、在線直線度快速檢測系統(tǒng)等(如圖1)。

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

2.1.1 主機(jī)

主機(jī)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(tǒng)、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(lián)結(jié)形成封閉式機(jī)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(yùn)行。在主缸的兩側(cè)設(shè)有輔助油缸，輔助油缸與中間梁聯(lián)結(jié)，通過輔助油缸的快速動作實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)自動壓矯。主機(jī)底梁左右兩側(cè)分別設(shè)置兩個(gè)主動滾輪，分別通過兩臺液壓馬達(dá)帶動機(jī)體沿底部導(dǎo)軌橫向移動，底部導(dǎo)軌埋設(shè)在基礎(chǔ)內(nèi)部。機(jī)體行走采用編碼器精確記錄行走行程，編碼器與壓輪聯(lián)結(jié)，壓輪壓緊在機(jī)體底部導(dǎo)軌上，實(shí)時(shí)檢測行走距離。

2.1.2 機(jī)內(nèi)導(dǎo)軌

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

在農(nóng)村小學(xué)無論是學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)還是任課教師對藝術(shù)課程教學(xué)的重要性認(rèn)識不夠。在他們眼里由于藝術(shù)課程沒有各級各類的考試，也不算作升學(xué)成績，就成了可有可無的課程。這就導(dǎo)致了農(nóng)村小學(xué)藝術(shù)課程出現(xiàn)教學(xué)放松管理、減少投入、開課隨意等情況

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(shí)可快速更換平型支座。砧座的橫移采用電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動小齒輪，帶動砧座整體沿機(jī)內(nèi)導(dǎo)軌上的齒條橫向移動。兩個(gè)砧座的減速機(jī)分別安裝有編碼器，精確記錄砧座的行走距離。砧座驅(qū)動電機(jī)通過交流變頻器控制，以實(shí)現(xiàn)制動前的減速控制，到達(dá)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(shè)置在裝置的內(nèi)部，推舉兩個(gè)滾輪升起，將棒材托舉升起。翻鋼采用雙滾輪回轉(zhuǎn)方式，由一臺電機(jī)經(jīng)減速機(jī)、齒輪機(jī)構(gòu)同時(shí)傳動兩個(gè)滾輪，以達(dá)到翻轉(zhuǎn)圓鋼的目的。行走機(jī)構(gòu)由電機(jī)經(jīng)減速機(jī)、齒輪傳動，使升降翻鋼裝置沿機(jī)內(nèi)導(dǎo)軌上的齒條作直線運(yùn)動。翻鋼裝置的雙滾輪上安裝有編碼器，實(shí)時(shí)記錄棒材翻轉(zhuǎn)的角度。在進(jìn)行直線度檢測的時(shí)候，使得棒材每一個(gè)時(shí)刻的彎曲情況和翻轉(zhuǎn)的角度一一對應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了棒材直線度在線實(shí)時(shí)三維造影。為矯直機(jī)確定最大彎曲度以及后續(xù)確定矯直方案奠定基礎(chǔ)。

2.1.5 在線直線度快速檢測系統(tǒng)

該系統(tǒng)是基于光學(xué)影像技術(shù)的彎曲度在線檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)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(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)格式輸出。該檢測系統(tǒng)安裝于壓力校直機(jī)的側(cè)上方，當(dāng)來料被放置好以后，測量系統(tǒng)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(jī)通過檢測系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)自動找到實(shí)施壓矯點(diǎn)，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用既定的壓矯方案實(shí)施壓矯。完成矯直后，同時(shí)對矯直效果進(jìn)行復(fù)檢。本系統(tǒng)擺脫目前測試中人工目視操作和接觸式機(jī)械測量的傳統(tǒng)檢測模式，將采用光電數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)測試過程的集成化、自動化、數(shù)字化、客觀化。

在線直線度快速檢測系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo):

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(shí)間 單只不大于2 min。

在線直線度快速檢測系統(tǒng)原理如圖2 所示。測量過程中，被矯直工件運(yùn)送到砧座裝置上，升降翻鋼機(jī)構(gòu)升起，將棒材托起并均勻旋轉(zhuǎn)，成像鏡頭和CCD組成的成像系統(tǒng)以預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行圖像采集。當(dāng)工件轉(zhuǎn)動一周，將采集到工件在不同旋轉(zhuǎn)角度下(角度可由軟件預(yù)先設(shè)定)的成像。對采集到的每一幅圖像進(jìn)行處理，得到工件在每一幅圖像采集時(shí)旋轉(zhuǎn)角度處的撓度值，并給出最大撓度截面所處的位置。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)給出的最大撓度界面位置信號傳輸?shù)缴捣撗b置電機(jī)控制器，控制電機(jī)使工件將最大撓度運(yùn)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(tǒng)提供與成像系統(tǒng)相匹配的光場分布，光場的強(qiáng)弱分布可通過采集到的圖像進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，也可進(jìn)行手動調(diào)節(jié)?；鶞?zhǔn)線發(fā)生器在測量過程中提供測量基準(zhǔn)線。

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

2.2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)設(shè)備由油箱裝置、強(qiáng)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(tǒng)采用伺服泵作為主矯直動力源，能根據(jù)負(fù)載的需要自動調(diào)節(jié)輸出流量，有效節(jié)約系統(tǒng)功率，同時(shí)也確保主矯直缸閉環(huán)位置的準(zhǔn)確性?？刂票镁哂袩o負(fù)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(shè)置有比例調(diào)壓閥，能夠根據(jù)負(fù)載需要設(shè)定系統(tǒng)壓力，防止事故過壓，以保護(hù)被矯直材料和機(jī)械設(shè)備。設(shè)有獨(dú)特的主缸卸壓回路，以減少高壓時(shí)的換向沖擊。采用大通徑充液閥，以滿足主缸空載進(jìn)退時(shí)的速度要求。采用伺服泵控制整個(gè)校直機(jī)的行走，啟停平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確。

2.3 電氣系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用PLC 對機(jī)組的各動作進(jìn)行控制，并采用計(jì)算機(jī)人機(jī)界面，參數(shù)設(shè)定、顯示方便，工藝界面清晰。壓力矯直機(jī)主操作臺采用手柄式主令開關(guān)，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(jì)算機(jī)，觸摸屏放置于臺上，實(shí)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(diǎn)

設(shè)備運(yùn)行之前需要對整個(gè)壓力矯直機(jī)組進(jìn)行笛卡爾坐標(biāo)系定位。首先選擇一側(cè)初始點(diǎn)作為零點(diǎn)，壓力矯直機(jī)主機(jī)、升降翻鋼機(jī)構(gòu)和移動砧座都是以此為零點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，建立坐標(biāo)系統(tǒng)。來料通過天車吊運(yùn)至砧座上，由升降翻鋼裝置和直線度檢測系統(tǒng)聯(lián)合作用快速檢測來料原始彎曲度，根據(jù)原始彎曲度制定矯直方案，由壓力矯直機(jī)主機(jī)自動實(shí)施壓矯。整個(gè)檢測和矯直過程耗時(shí)短、精度高。

4 現(xiàn)場使用情況

該設(shè)備自投產(chǎn)以來，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好，已經(jīng)累計(jì)矯直8 萬t 左右鍛件，大大提升了該廠鍛件的交貨狀態(tài)，同時(shí)提高了矯直產(chǎn)品的利用率。表1為部分矯直鋼種的現(xiàn)場矯直情況。

整套設(shè)備使用3 年來，基本保持自動檢測彎曲度、自動尋找壓矯點(diǎn)、自動實(shí)施壓矯，矯直精度達(dá)到1‰以內(nèi)的合格率達(dá)到96%，產(chǎn)品矯直精度在2‰以內(nèi)達(dá)到了100%，完全滿足使用要求。在使用中發(fā)現(xiàn)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(dá)到同樣的矯直精度，需翻倍的提高矯直時(shí)間。所以針對直徑較小的來料，在上游工藝控制上應(yīng)該加強(qiáng)，同時(shí)在本矯直機(jī)中針對矯直效率和矯直精度需要尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。

表1 生產(chǎn)情況記錄表Tab.1 Data of the production

5 結(jié)論

由中國重型機(jī)械研究院股份公司研制的該套壓力矯直機(jī)組，采用龍門自走式機(jī)構(gòu)和獨(dú)特的升降翻鋼裝置，大大簡化了設(shè)備結(jié)構(gòu)。同時(shí)配備了在線直線度快速檢測系統(tǒng)，使得檢測效率大幅提高，實(shí)現(xiàn)了超長料快速檢測自動矯直，使得壓力矯直機(jī)成為在線設(shè)備，現(xiàn)場使用情況良好，為鋼廠在超大型在線壓力矯直設(shè)備選型方面提供參考。

［1］崔甫.矯直原理與矯直機(jī)械［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2002.

［2］王仕杰，盧星，李勤勇，等.棒材矯直機(jī)設(shè)備及工藝論述［J］.冶金設(shè)備，2011(特刊1):50－52.

［3］馬強(qiáng)，趙西韓，劉磊，等.全自動15MN 壓力矯直機(jī)［J］.重型機(jī)械，2014(增刊):35－37.

［4］荊云海，李君芹，董小娟，等.10MN 全自動液壓壓力棒材矯直機(jī)組［J］.制造工程設(shè)計(jì)，2007(5):108－110.

［5］馬強(qiáng)，趙西韓，王文宇，等.光學(xué)成像法檢測棒材彎曲度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.冶金自動化，2014(S2):56－58.

［6］黃慶學(xué).軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2007.

［7］王海文.軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

［8］AM.馬斯基列遜.管材矯直機(jī)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1979.

［9］趙西韓，薛紅衛(wèi)，趙永平.可變恒壓動態(tài)矯直技術(shù)與應(yīng)用［J］.重型機(jī)械，2006，270(增刊):34－36.

［10］王培昌，常治學(xué)，張秀峰.長軸直線度檢測系統(tǒng)［J］.光電工程，2008，35(3):63－67.