鄧發(fā)明，劉積錄，隋 健，王冬梅

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032)

0 引言

通徑機(jī)是鋼管生產(chǎn)線中必不可少的質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備之一，它是鋼管直線度及圓度是否合格的判定者，API 5CT標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定：“每根成品或半成品套管和油管都應(yīng)進(jìn)行全長(zhǎng)通徑試驗(yàn)”。目前國(guó)內(nèi)外常見的通徑機(jī)主要有機(jī)械式和氣動(dòng)式兩種，其中氣動(dòng)式通徑機(jī)因結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、生產(chǎn)效率高、采用潔凈能源等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。但氣動(dòng)通徑機(jī)在設(shè)計(jì)及使用中有幾點(diǎn)必須要特別注意，否則會(huì)因考慮不周或參數(shù)匹配不佳而導(dǎo)致設(shè)備不能正常生產(chǎn)，甚至無法使用。

1 氣動(dòng)通徑機(jī)組成及工作原理

氣動(dòng)通徑機(jī)按照驅(qū)動(dòng)形式的不同分為兩種，一種是氣泵驅(qū)動(dòng)式，即通過氣泵產(chǎn)生的正壓將通徑工具從鋼管前端吹至后端，后端發(fā)訊后，氣泵產(chǎn)生的負(fù)壓再將通徑工具從鋼管后端吸回至前端，完成一次通徑過程；另一種是壓縮空氣驅(qū)動(dòng)式，即通過工廠的壓縮空氣將通徑工具從鋼管前端吹至后端，通徑工具保留在后槍膛內(nèi)，完成一次通徑過程，待下次通徑時(shí)，壓縮空氣將通徑工具從鋼管后端吹至前端，通徑工具保留在前槍膛內(nèi)，完成一次通徑過程，上述過程連續(xù)進(jìn)行。

本文主要就壓縮空氣驅(qū)動(dòng)式通徑機(jī)進(jìn)行討論，其一般由氣罐、前通徑槍、壓緊裝置、固定臺(tái)架、浮動(dòng)臺(tái)架、移動(dòng)小車軌道和后通徑槍等組成，如圖1所示。

前通徑槍包括緩沖氣缸、緩沖墊板、偏心套、槍膛、偏心壓板和檢測(cè)裝置等，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1-緩沖氣缸；2-緩沖墊板；3-通徑棒；4-偏心套；5-槍膛；6-偏心壓板；7-檢測(cè)裝置

槍膛用于放置鋼管通徑工具——通徑棒，并接收從另一端打過來的通徑棒。緩沖氣缸有兩個(gè)作用，一是將要打出去的通徑棒推至槍膛最前端，為壓縮空氣打出通徑棒做好準(zhǔn)備；二是與減壓緩沖閥組配合接收從另一端打來的通徑棒并使之緩沖停止。

后通徑槍結(jié)構(gòu)與前通徑槍基本相同，只是另外增加了一套移動(dòng)小車裝置。這主要是因?yàn)殇摴芮岸嗣婀潭ú蛔?，?dāng)鋼管長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，后通徑槍必須在移動(dòng)小車的驅(qū)動(dòng)下跟隨鋼管長(zhǎng)度變化而貼近鋼管后端面，以便能夠接收和發(fā)射通徑棒。

氣動(dòng)通徑機(jī)工作時(shí)由送料機(jī)構(gòu)先將鋼管送至通徑工位的臺(tái)架上，然后壓緊裝置壓緊鋼管前端，接著前通徑槍前進(jìn)并緊貼鋼管前端面，緩沖氣缸將通徑棒推至槍膛前端，做好打出通徑棒的準(zhǔn)備。后通徑槍在移動(dòng)小車的驅(qū)動(dòng)下靠近鋼管后端面，緩沖氣缸前進(jìn)至最前端，后通徑槍排氣閥打開，做好接收通徑棒的準(zhǔn)備。最后前通徑槍進(jìn)氣閥打開，通徑棒在壓縮空氣作用下由鋼管前端射向鋼管后端并進(jìn)入后通徑槍膛，在緩沖氣缸和緩沖減壓閥組配合下使通徑棒緩沖減速并停留在后通徑槍膛內(nèi)，完成一次通徑過程。待下根鋼管到位后再將通徑棒從后通徑槍吹至前通徑槍，完成一個(gè)循環(huán)。

2 氣動(dòng)通徑機(jī)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)注意點(diǎn)

2.1 槍膛部分設(shè)計(jì)

槍膛用于通徑前存放通徑棒及通徑后接收通徑棒，故槍膛不能太短，否則一旦氣壓高于預(yù)先設(shè)定值，會(huì)使通徑棒進(jìn)入槍膛后的反彈力過大，從而導(dǎo)致通徑棒反彈后卡在槍膛和鋼管之間，嚴(yán)重時(shí)甚至彈回鋼管中，從而生產(chǎn)中斷。同時(shí)槍膛也不能太長(zhǎng)，太長(zhǎng)會(huì)使設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大，槍膛空間得不到充分利用，造成資源浪費(fèi)。一般槍膛長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式為：

H=K×L.

其中：L為通徑棒長(zhǎng)度；K為系數(shù)，一般取1.2～1.5，其選取原則是長(zhǎng)通徑棒(油管)選取較小值，短通徑棒(套管)選取較大值。

2.2 緩沖氣缸氣路設(shè)計(jì)

緩沖氣缸有兩個(gè)作用，一是通徑前將通徑棒推至槍膛最前端，為通徑做好準(zhǔn)備；二是在另一端將通徑棒打過來時(shí)接收通徑棒并使其緩沖減速并停止在槍膛中，以減小通徑棒對(duì)設(shè)備的沖擊。緩沖作用是通過調(diào)節(jié)氣缸后腔一組節(jié)流閥閥門通道的開啟大小來實(shí)現(xiàn)的。閥門開啟通道大，氣壓背壓小，緩沖效果小；反之則緩沖效果大。節(jié)流閥通道的開啟大小、組合數(shù)量可根據(jù)通徑棒的直徑和質(zhì)量大小、通徑氣壓高低、鋼管長(zhǎng)度等調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)原則是使通徑棒打入通徑槍膛中時(shí)能夠緩沖并平穩(wěn)地停止下來為宜。

2.3 通徑氣路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通徑進(jìn)氣系統(tǒng)一般由截止閥、節(jié)流閥、減壓閥、氣動(dòng)球閥、穩(wěn)壓儲(chǔ)氣罐及其附件組成,截止閥用于對(duì)接入的壓縮空氣通斷進(jìn)行手動(dòng)控制，通徑氣量的大小由節(jié)流閥來控制，氣壓的大小由減壓閥控制，氣動(dòng)球閥用于通徑壓縮空氣通斷的自動(dòng)控制，配合PLC來實(shí)現(xiàn)。在通徑前，用節(jié)流閥與減壓閥配合調(diào)節(jié)來進(jìn)行通徑氣體的控制,節(jié)流閥及減壓閥的調(diào)節(jié)由氣路系統(tǒng)的氣壓大小、鋼管內(nèi)徑大小、鋼管長(zhǎng)度、通徑棒質(zhì)量、通徑棒與鋼管摩擦因數(shù)等綜合因素決定。如果鋼管在進(jìn)行水壓試驗(yàn)后緊接著通徑，則通徑氣量大小還與鋼管內(nèi)留存的水量多少有關(guān)，一般小口徑鋼管存水相對(duì)較多，大口徑鋼管存水相對(duì)較少。鋼管內(nèi)徑越大、鋼管越長(zhǎng)、通徑棒越重，則通徑時(shí)所需的氣量越大，除對(duì)氣量大小及壓力控制以外，還應(yīng)對(duì)通氣時(shí)間長(zhǎng)短進(jìn)行控制。通徑棒在鋼管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)初段加速、末段減速過程，最后在槍膛中緩沖并停止。進(jìn)氣閥打開后，應(yīng)在通徑棒還沒有到達(dá)接收端槍膛之前一定距離就提前關(guān)閉進(jìn)氣閥，使通徑棒在慣性作用下逐步減速前行，最終到達(dá)接收端槍膛中經(jīng)過緩沖而停止，以最大程度來減小通徑棒對(duì)設(shè)備的沖擊。

2.4 通徑棒質(zhì)量大小

通徑棒的外徑和長(zhǎng)度在API 5CT標(biāo)準(zhǔn)中已有明確規(guī)定，通徑棒的質(zhì)量大小只有通過其壁厚加以調(diào)整。通徑棒壁厚大，則通徑棒質(zhì)量大，剛性大，易于加工，但質(zhì)量過大，會(huì)使通徑棒與鋼管內(nèi)壁摩擦力加大，通徑所需的氣量及氣壓都會(huì)加大，使氣路控制難度增大；同時(shí)也會(huì)使緩沖氣缸受到較大的慣性沖擊力，緩沖膠墊易損壞，壽命短，需要經(jīng)常更換。通徑棒壁厚太小，則通徑棒質(zhì)量小，剛性差，加工時(shí)不好裝夾，易變形，加工精度難以保證；另外，通徑棒穿過鋼管進(jìn)入槍膛后易反彈，容易卡在槍膛和鋼管之間產(chǎn)生中斷。因此通徑棒的壁厚、質(zhì)量應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮，適當(dāng)選取。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用來看，通徑棒壁厚一般控制在5 mm～7 mm即可，既不會(huì)使通徑棒過于笨重，也能保持良好的剛性。通徑棒在鋼管中運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力狀況如圖3所示，其中Ft為驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)f為通徑棒與鋼管之間的摩擦力。

圖3 通徑棒運(yùn)動(dòng)受力狀況

2.5 檢測(cè)元件位置設(shè)置與控制設(shè)計(jì)

檢測(cè)元件是用于檢測(cè)通徑棒是否射出槍膛及通徑后是否射入槍膛的。檢測(cè)元件的位置應(yīng)設(shè)置在槍膛前端錐口(錐口對(duì)通徑棒進(jìn)入槍膛具有導(dǎo)向作用)部位并緊靠鋼管端面處。檢測(cè)元件的固定應(yīng)可靠，否則在鋼管多次撞擊下容易松動(dòng)，造成檢測(cè)失效。

在通徑棒接收端，檢測(cè)元件應(yīng)能判別出通徑棒在鋼管內(nèi)還是在槍膛內(nèi)，或者介于兩者之間，以便設(shè)備能夠自動(dòng)運(yùn)行或報(bào)警暫停，通徑棒的位置可分為以下幾種情況：①通徑棒在鋼管內(nèi)，檢測(cè)開關(guān)無信號(hào)；②通徑棒一部分在鋼管內(nèi)，一部分在槍膛內(nèi)，檢測(cè)開關(guān)一直保持有信號(hào)；③通徑棒在槍膛內(nèi)，檢測(cè)開關(guān)正常發(fā)訊；④通徑棒進(jìn)入槍膛后又反彈回來卡在鋼管和槍膛之間，此時(shí)檢測(cè)開關(guān)先檢測(cè)到正常發(fā)訊信號(hào)，隨后一直保持有信號(hào)；⑤通徑棒進(jìn)入槍膛后又反彈回鋼管內(nèi)，檢測(cè)開關(guān)檢測(cè)到2個(gè)發(fā)訊信號(hào)。通徑機(jī)在控制設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)上述5種情況分別判斷并采取不同的處理程序。除第3種信號(hào)為正常，通徑機(jī)可自動(dòng)連續(xù)工作外，其余幾種情況都應(yīng)給出故障類別及相應(yīng)的處理方法。

3 結(jié)語

本文探討的幾個(gè)問題均是結(jié)合氣動(dòng)通徑機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行狀況而提出的，并且針對(duì)該問題，利用本文提出的方法進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后取得了比較明顯的效果，提高了氣動(dòng)通徑機(jī)的使用效率及可靠性，減少了故障時(shí)間，為用戶創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。