新型全自動(dòng)氣動(dòng)通徑機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)探究

鄧發(fā)明，隋 健，寇永樂，李培力，王冬梅

(中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 引言

通徑機(jī)是鋼管生產(chǎn)線上常見的設(shè)備，用于檢測鋼管直線度和圓度。經(jīng)過多年的發(fā)展，通徑機(jī)不斷優(yōu)化改進(jìn)，結(jié)構(gòu)變得簡單可靠，自動(dòng)化程度也越來越高。早期的通徑方式主要是機(jī)械通徑，由于該種方式存在設(shè)備占地面積大、節(jié)奏慢、存在通徑盲區(qū)等缺點(diǎn)，后來逐漸被氣動(dòng)通徑的方式取代。氣動(dòng)通徑分為氣泵式、槍膛式等，目前向最新型的全自動(dòng)氣動(dòng)通徑發(fā)展，該種方式因結(jié)構(gòu)緊湊、生產(chǎn)效率高、采用潔凈能源等而被廣泛使用。本文基于對(duì)新型全自動(dòng)氣動(dòng)通徑機(jī)的設(shè)計(jì)研究，對(duì)其設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行探究。

1 新型全自動(dòng)氣動(dòng)通徑機(jī)系統(tǒng)組成及工藝流程

1.1 系統(tǒng)組成

新型全自動(dòng)氣動(dòng)通徑機(jī)從總體上分為機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)四大部分，其中機(jī)械系統(tǒng)又根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同分為6個(gè)部分，如圖1所示。

1-通徑棒吹氣裝置；2-通徑棒提升裝置；3-壓緊裝置；4-通徑棒輸送裝置；5-臺(tái)架裝置；6-通徑棒回收裝置

(1)通徑棒吹氣裝置主要實(shí)現(xiàn)的功能是：通過前端對(duì)齊擋板將通徑棒推入鋼管，同時(shí)使鋼管前端密封嚴(yán)實(shí)，接入壓縮空氣驅(qū)動(dòng)通徑棒在鋼管中運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鋼管全長通徑。

(2)通徑棒提升裝置主要用于實(shí)現(xiàn)通徑棒的升降以及與鋼管的對(duì)中，其上設(shè)置有V型架，該V型架在通徑棒進(jìn)入鋼管前將其托起，以使通徑棒與鋼管對(duì)中并順利推入鋼管前端，通徑結(jié)束后，通徑棒自動(dòng)返回到V型架內(nèi)。

(3)壓緊裝置用于在通徑前壓緊鋼管前端，以防鋼管在通徑棒推入時(shí)以及通徑過程中發(fā)生軸向竄動(dòng)，同時(shí)還起到鋼管輔助對(duì)中的作用。

(4)通徑棒輸送裝置用于通徑后自動(dòng)回收通徑棒，使其從鋼管后端返回到前端的V型架內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)通徑，該裝置是通過皮帶傳動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)的，包括皮帶傳動(dòng)與張緊裝置。

(5)臺(tái)架裝置主要用于通徑時(shí)鋼管的進(jìn)料與出料，其上設(shè)置有V型口，能夠?qū)崿F(xiàn)鋼管的自動(dòng)對(duì)中，為了適應(yīng)不同的鋼管長度，分別設(shè)置有固定臺(tái)架與活動(dòng)臺(tái)架，活動(dòng)臺(tái)架能夠根據(jù)不同管長實(shí)現(xiàn)在線或離線調(diào)節(jié)。

(6)通徑棒回收裝置主要用于接收從鋼管后端射出的通徑棒，防止其飛出通徑區(qū)域，起到安全防護(hù)作用，另外其上還設(shè)置有緩沖裝置，能夠?qū)ν◤桨暨M(jìn)行緩沖，使其速度降為零，以減小通徑棒對(duì)設(shè)備造成的沖擊。

1.2 通徑機(jī)工藝流程

新型全自動(dòng)氣動(dòng)通徑機(jī)工藝流程如圖2所示。

圖2 新型全自動(dòng)氣動(dòng)通徑機(jī)工藝流程

2 新型全自動(dòng)氣動(dòng)通徑機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 通徑棒與鋼管對(duì)中裝置

當(dāng)鋼管直徑或壁厚發(fā)生變化時(shí)，通徑棒外徑尺寸也會(huì)隨之變化，從而使鋼管中心與通徑棒中心不在同一條直線上，此時(shí)就需要一種對(duì)中裝置來實(shí)現(xiàn)鋼管中心與通徑棒中心的對(duì)中。對(duì)中裝置的結(jié)構(gòu)從原理上可分為兩種：一種是鋼管中心固定，通徑棒中心浮動(dòng)；另外一種是鋼管中心浮動(dòng)，通徑棒中心固定。這兩種結(jié)構(gòu)方式中，鋼管中心固定，通徑棒中心浮動(dòng)這種方式優(yōu)于另外一種方式，這是由于鋼管重量大于通徑棒重量，從而改變鋼管中心所消耗的能量要大于改變通徑棒中心的能量；另外鋼管一般通過幾組臺(tái)架來放置，改變鋼管中心要實(shí)現(xiàn)幾組臺(tái)架同時(shí)升降，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，相反，通過改變通徑棒中心來實(shí)現(xiàn)對(duì)中的結(jié)構(gòu)所消耗的能量小，結(jié)構(gòu)簡單便于實(shí)現(xiàn)。

一般來講，當(dāng)鋼管直徑不變，僅壁厚發(fā)生變化時(shí)，通徑棒中心的調(diào)整幅度很小，只需要在幾毫米的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于比較常見的Φ60 mm～Φ180 mm直徑范圍內(nèi)的鋼管，通徑棒中心調(diào)節(jié)范圍在0～10 mm以內(nèi)。由于調(diào)節(jié)范圍較小，該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)：一種是通過斜面導(dǎo)軌式機(jī)構(gòu)來調(diào)整，另一種是通過絲杠螺母式機(jī)構(gòu)來調(diào)整，如圖3所示。在成本允許的情況下，還可以通過增加檢測元件，調(diào)節(jié)油缸行程的方式來實(shí)現(xiàn)通徑棒中心的自動(dòng)調(diào)節(jié)?？傊?，通徑棒與鋼管對(duì)中裝置的設(shè)計(jì)核心在高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上，其設(shè)計(jì)原則是能夠?qū)崿F(xiàn)高度微調(diào)，并且結(jié)構(gòu)簡單可靠，使用方便。

圖3 通徑棒與鋼管對(duì)中裝置

2.2 通徑棒設(shè)計(jì)要點(diǎn)

通徑過程中，通徑棒在鋼管中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)是其在壓縮空氣驅(qū)動(dòng)下貼著鋼管下表面進(jìn)行滑動(dòng)，從鋼管一端運(yùn)動(dòng)到另一端。通過分析其實(shí)際運(yùn)動(dòng)并結(jié)合使用要求，通徑棒的設(shè)計(jì)原則是：保持一定剛度、強(qiáng)度的前提下重量盡量小，并且表面要有足夠的硬度和耐磨性。其設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要有以下3點(diǎn)：①為減小重量，通徑棒通常設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，僅保證一定壁厚，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通徑棒壁厚一般控制在5 mm～7 mm左右即可，這樣既能保持一定的強(qiáng)度、剛度，又能降低通徑棒重量；②通徑棒兩端設(shè)計(jì)為具有一定角度的錐形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能起到導(dǎo)向作用，使通徑棒在進(jìn)入鋼管時(shí)即使中心不完全對(duì)中，也能夠通過該導(dǎo)向段順利進(jìn)入鋼管，在設(shè)計(jì)該種錐形結(jié)構(gòu)時(shí)，一定要保證通徑棒直線段的長度滿足API 5CT規(guī)定的最小長度；③通徑棒表面一般要進(jìn)行表面處理，以增加表面硬度，提高通徑棒的耐磨性，常用的方法有表面鍍硬鉻和表面滲碳并淬火回火處理兩種，當(dāng)采用表面鍍硬鉻方法時(shí)，鍍鉻層深度一般為0.03 mm～0.05 mm，鍍鉻層的硬度可達(dá)900 HV～1 000 HV；當(dāng)采用表面滲碳方法時(shí)，滲碳層深度一般為0.5 mm～0.8 mm，滲碳后經(jīng)過淬火和回火處理后，表面硬度可達(dá)58HRC～62HRC。通徑棒典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 通徑棒典型結(jié)構(gòu)

2.3 通徑棒回收裝置緩沖結(jié)構(gòu)

通徑棒在通徑結(jié)束后以一定的速度飛出鋼管，如果沒有回收裝置來收集通徑棒，將會(huì)對(duì)周邊設(shè)備及人員安全造成一定的危險(xiǎn)?；厥昭b置上還必須設(shè)置有緩沖結(jié)構(gòu)，以能夠吸收通徑棒能量，使其速度降為零，并安全落到通徑棒輸送裝置上。緩沖結(jié)構(gòu)有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一種是設(shè)置數(shù)道緩沖簾，根據(jù)實(shí)際情況一般為3道～4道,緩沖簾的材質(zhì)選用柔軟吸震的聚氨酯材料，當(dāng)通徑棒以一定速度進(jìn)入回收裝置時(shí)，每經(jīng)過一道緩沖簾，速度就下降一定幅度，當(dāng)經(jīng)過3道～4道緩沖簾后，速度基本降為零，然后自由降落到通徑棒輸送裝置上;另一種方式是利用彈簧來緩沖吸收通徑棒的能量，該結(jié)構(gòu)由一個(gè)彈簧與兩個(gè)導(dǎo)向桿組成，當(dāng)通徑棒以一定速度進(jìn)入回收裝置時(shí)，其前端與緩沖裝置接觸，彈簧被壓縮，通徑棒的能量被彈簧吸收，直至速度為零。第二種方式的關(guān)鍵是彈簧的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原則為彈簧吸收的能量要與通徑棒的動(dòng)能相匹配，若彈簧剛度過大，吸收通徑棒動(dòng)能后會(huì)有一定的彈性勢能將通徑棒反彈回去，緩沖效果變差；彈簧過小，則剛度過小，當(dāng)彈簧被完全壓縮后通徑棒還有一定的速度，此時(shí)通徑棒繼續(xù)運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)回收裝置造成一定的沖擊，起不到緩沖作用。

2.4 通徑棒輸送裝置

通徑棒輸送裝置是通徑機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的關(guān)鍵設(shè)備之一，其核心機(jī)構(gòu)是皮帶傳動(dòng)裝置和皮帶張緊裝置。在整體布局上一般將皮帶傳動(dòng)裝置設(shè)置在鋼管前端，皮帶張緊裝置設(shè)置在鋼管尾端。皮帶傳動(dòng)裝置是皮帶運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)端，由減速電機(jī)來驅(qū)動(dòng)皮帶運(yùn)動(dòng)，其在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮減速電機(jī)功率的大小，功率計(jì)算的依據(jù)是皮帶的帶速和通徑棒的質(zhì)量。在實(shí)際設(shè)計(jì)中帶速一般取3 m/s～4 m/s，帶速過大，將使電機(jī)功率增大，成本增加；帶速過小，滿足不了生產(chǎn)節(jié)奏要求。減速電機(jī)一般選為變頻電機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)在有通徑棒時(shí)皮帶運(yùn)動(dòng)，無通徑棒時(shí)皮帶停止或低速運(yùn)轉(zhuǎn)，以達(dá)到節(jié)能的目的。皮帶張緊裝置除了實(shí)現(xiàn)皮帶張緊外，還能夠自由調(diào)節(jié)，以防止皮帶跑偏，在結(jié)構(gòu)上一般設(shè)置成兩端均能夠調(diào)節(jié)的形式。

2.5 通徑氣路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通徑氣路控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)通徑氣路的通斷，以及壓力和流量的調(diào)節(jié)?？梢杂媒刂归y和氣動(dòng)球閥來實(shí)現(xiàn)氣路的通斷以及流量的調(diào)節(jié)，其中截止閥用于手動(dòng)控制氣路的通斷以及流量的調(diào)節(jié)，氣動(dòng)球閥通過PLC的控制來自動(dòng)控制氣路的通斷。壓力的調(diào)節(jié)可以通過減壓閥來實(shí)現(xiàn)，壓力大小要選取適中，壓力過大，通徑棒的推力過大，導(dǎo)致通徑棒運(yùn)動(dòng)速度過快，在飛出鋼管時(shí)對(duì)回收裝置沖擊過大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備；壓力過小，通徑棒推力不足，可能會(huì)停留在鋼管內(nèi)部，導(dǎo)致通徑失敗。從原理上來講，要推動(dòng)通徑棒在鋼管中運(yùn)動(dòng)，僅需要克服通徑棒與鋼管之間的摩擦力，只要通徑棒的推力大于等于摩擦力，通徑棒就能夠在壓縮空氣驅(qū)動(dòng)下在鋼管內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)研究的新型全自動(dòng)氣動(dòng)通徑機(jī)已被國內(nèi)外數(shù)家鋼管企業(yè)所采用，鋼管外徑覆蓋了Φ42 mm～Φ377 mm，管長范圍為6 m～13.5 m。設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過程中充分發(fā)揮了其可靠性高、生產(chǎn)效率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，為企業(yè)節(jié)約了制造成本，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。