復(fù)合管環(huán)形油缸裝置設(shè)計與應(yīng)用

劉邯濤， 呂 江， 楊 鵬， 葉明強

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032； 2.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313000)

0 引 言

雙金屬復(fù)合管作為一種新型產(chǎn)品，是我國發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中高性能復(fù)合材料制造的不銹鋼與碳鋼復(fù)合的鋼管產(chǎn)品。復(fù)合管在復(fù)合過程中，內(nèi)壁管受壓力作用后直徑增大、長度縮短，引起了密封裝置密封面的相對滑動，導(dǎo)致復(fù)合過程中密封泄露，我們提出并研發(fā)了環(huán)形油缸裝置[1]，該裝置是復(fù)合管液壓成型設(shè)備領(lǐng)域的一種新型的自動跟隨壓力平衡的驅(qū)動控制裝置[2]。

此新型的自動跟隨壓力平衡的驅(qū)動控制裝置主要由機架、環(huán)形油缸裝置、 閥體、連接板、支撐滾輪、軌道等組成。其中為了將機架中心的增壓裝置位置預(yù)留出來，設(shè)計了環(huán)形油缸裝置，該環(huán)形油缸[3]的內(nèi)環(huán)為空心結(jié)構(gòu)，伸出柱塞為整體環(huán)狀結(jié)構(gòu)[4]，應(yīng)用于復(fù)合管機組增壓自動跟隨壓力平衡系統(tǒng)部分[5]。此裝置可以在液壓復(fù)合管裝置復(fù)合過程中，跟隨復(fù)合軸向力的升高自動跟隨并平衡由此產(chǎn)生的復(fù)合軸向力。本裝置彌補了傳統(tǒng)幾個缸同時運動帶來的控制精度及結(jié)構(gòu)上同步性的不足[6]。

1 傳統(tǒng)增壓自動跟隨壓力平衡系統(tǒng)工作過程

傳統(tǒng)的增壓自動跟隨壓力平衡系統(tǒng)有多種，常見的一種為固定式平衡系統(tǒng)，如圖1所示，即增壓器中心和試壓中心通過管路連接起來，不用直連方式，采用U型滑塊上下運動，U型滑塊受壓后平衡復(fù)合管的軸向力。這種方式一般用于對小口徑的鋼管增壓方式，它的優(yōu)點是增壓器與密封頭分體，簡化密封頭結(jié)構(gòu)，缺點是管路直徑不會過大，壓力等級不會太高；另一缺點為這種平衡方式只適應(yīng)長度在軸向固定不變的增壓模式，無法實現(xiàn)長度無極可調(diào)的跟隨模式，在復(fù)合管成型使用過程中容易導(dǎo)致密封泄露[7]。

傳統(tǒng)方式的另外一種形式為增壓器直連式，如圖2所示。增壓器中心和試壓中心完全重合，增壓缸筒和密封頭直接連接，隨著需要增壓復(fù)合的鋼管的直徑增大，直接連接的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來。這種直連的方式可以滿足增壓自動跟隨壓力平衡系統(tǒng)。直連式增壓可以增加進水口直徑尺寸，提高了單位時間內(nèi)進水量，進水效率高，但缺點是這種直連方式導(dǎo)致機架中心的密封頭的平衡隨壓系統(tǒng)無法采用傳統(tǒng)的柱塞缸完成，為了避開中心的進水增壓缸筒，一般采用多個小的柱塞油缸均布在在增壓缸筒周邊，當(dāng)需要壓力平衡時，多個小直徑的柱塞缸通過一個比例閥控制回路實現(xiàn)平衡壓力跟隨。多個柱塞缸均布的平衡隨壓系統(tǒng)雖然不占用中間的位置，但是多個柱塞缸在柱塞前進過程中同步性不好控制，柱塞前進的位移同步精度較難控制，不能滿足復(fù)合管的高精度要求及同步性要求[8]；圓周均布的多個柱塞油缸在工作過程中易受力不均，導(dǎo)致連接板及機架均會承受傾翻力矩，最終引起連接板變形，降低連接板的使用壽命[9]。

圖1 固定式平衡系統(tǒng)

圖2 增壓器直連式平衡系統(tǒng)

2 環(huán)形油缸裝置自動跟隨壓力平衡系統(tǒng)工作原理及設(shè)計

環(huán)形油缸裝置的組成見圖3：環(huán)形油缸由6部件組成，其主要功能為序號2環(huán)形油缸裝置通過連接裝置和序號1機架連接；序號2環(huán)形油缸另一端推動連接板帶動閥體依靠支撐滾輪在軌道上移動。序號4連接板和序號3閥體與序號2環(huán)形油缸裝置通過連接裝置連接后，一起放置在序號5支撐滾輪上。序號2、3、4、通過序號5支撐滾輪在序號6軌道上運動。閥體3的中心尺寸上下精度通過序號5支撐滾輪和序號6軌道調(diào)整上下的尺寸，閥體3的中心尺寸左右的精度通過序號4連接板調(diào)整，序號2環(huán)形油缸先快進至初始要求位置，然后工進至工控機要求位置。

環(huán)形油缸裝置的特征：中心部分為空心裝置，受力面為空心的環(huán)狀。進油口為多個，并成角度布置，環(huán)形驅(qū)動裝置壓力通過控制系統(tǒng)能夠可以跟隨管內(nèi)壓力自動調(diào)整跟隨。環(huán)形油缸的進油口為多個進油口，進油口尺寸變小，并且相互間呈現(xiàn)一定的角度。

圖3 環(huán)形油缸裝置平衡系統(tǒng)1.機架 2.環(huán)形油缸 3.閥體 4.連接板 5.支撐滾輪 6.軌道

環(huán)形油缸裝置的工作原理如圖4所示。環(huán)形油缸有兩種進油管，一種為快進進油口，這種進油口共有3、4個，當(dāng)油缸快進時，多個油口同時供油，當(dāng)柱塞快進至工控機要求位置后，截止閥[10]自動關(guān)閉。另外一種進油口為柱塞工進進油口，連接油缸工進調(diào)整回路，用來控制油缸工進精確的位移。復(fù)合管內(nèi)隨著復(fù)合壓力的升高，工控機根據(jù)油水比例關(guān)系通過自動調(diào)整回路的比例伺服閥[11]對環(huán)形油缸的液壓油壓力進行調(diào)整，使得閥體在復(fù)合管內(nèi)成型壓力升壓過程中能夠保持閥體和復(fù)合管內(nèi)壁管的密封在復(fù)合管復(fù)合的過程中隨著鋼管長度發(fā)生變化而能夠自動跟隨。當(dāng)壓力達到設(shè)定要求值時，工進回路關(guān)閉比例閥，進行保壓，達到設(shè)定時間后，工控機自動打開快進回路的截止閥，對油缸進行卸荷，并快速退回初始位置[12]。

圖4 環(huán)形油缸裝置工作原理

3 環(huán)形油缸的技術(shù)優(yōu)點及應(yīng)用效果

(1) 環(huán)形油缸裝置與傳統(tǒng)方式比較各項功能優(yōu)越性明顯。環(huán)形油缸裝置解決了傳統(tǒng)方式無法放置大直徑油缸位置的問題；通過中間的環(huán)孔為增壓裝置留出了位置，彌補傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)無法提供放置增壓裝置位置的不足。

環(huán)形油缸裝置解決了放置若干小柱塞缸后多個缸同時動作時不能滿足高精度的同步要求的問題。由于環(huán)形油缸采用整體式環(huán)形柱塞的驅(qū)動方式，同步跟隨壓力平衡性能良好，彌補多個柱塞缸均布在圓周的同步性不高的不足。環(huán)形油缸結(jié)構(gòu)緊促，設(shè)計巧妙，受力面均勻，解決了設(shè)備中心受軸向力集中在機架中心，連接板、機架都不會產(chǎn)生傾翻力矩，機架受力性能良好。

(2) 環(huán)形油缸整體式驅(qū)動裝置解決了進油口由于油缸啟動瞬時進油量大，引起嘯叫共鳴現(xiàn)象，因此設(shè)計了多個進油口進行同時進油的方案，通過減小進油口尺寸，改變進油口之間的角度，避免引起擾動，降低進油噪音[13-15]。圖5為在某現(xiàn)場實際應(yīng)用中所測數(shù)據(jù)，表明多口進油噪聲較單口進油有明顯下降。

圖5 噪音測試比較

(3) 環(huán)形油缸在控制方面做了提升。在復(fù)合管管內(nèi)壓力升高后，通過伺服比例閥及工控機的PID控制方式[16]，環(huán)形驅(qū)動裝置實現(xiàn)了自動平衡管內(nèi)壓力，并能夠跟隨管內(nèi)平衡壓力的變化自動調(diào)整適應(yīng)，實現(xiàn)了精準(zhǔn)跟隨，具有了自動彌補由于復(fù)合過程中造成鋼管長度變化的功能。圖6為兩種不同類型油缸同步性誤差現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)形油缸同步性誤差有了大幅度的下降。

圖6 同步性誤差檢測

(4) 環(huán)形油缸裝置使用后，應(yīng)用效果明顯。復(fù)合管的密封效果明顯改善，避免了由于密封泄露導(dǎo)致復(fù)合失效，良好的密封效果提高復(fù)合管的成品率10%～20%；環(huán)形油缸的平衡壓力自動調(diào)整由于精度跟隨準(zhǔn)確，響應(yīng)率提升了，使得環(huán)形油缸的預(yù)緊力減少5%～15%，減少了復(fù)合管外壁管在復(fù)合過程中承受較高的軸向預(yù)緊力，降低成品復(fù)合管彎曲概率。

4 結(jié) 語

環(huán)形油缸裝置已經(jīng)成功運用于復(fù)合管成型設(shè)備，解決了雙金屬管復(fù)合過程中內(nèi)壁管長度變化引起密封泄露的問題，并同時滿足了密封軸向力隨管內(nèi)復(fù)合壓力變化隨動平衡的要求，該裝置成功運用在浙江天管久立有限公司復(fù)合管生產(chǎn)線，并實現(xiàn)了全自動化生產(chǎn)，使用效果良好，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。