鋼管淬火裝置壓緊機構液壓控制系統(tǒng)研究

杜學斌，谷瑞杰，邵國棟，馬 輝，高 璐，韓 笑，賈 祥

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032； 2.金屬材料擠壓/鍛造國家重點實驗室， 陜西 西安 710032； 3.西安海威工程監(jiān)理有限公司，陜西 西安 710032)

鋼管整體淬火時旋轉會產生一定的慣性力， 勢必會出現(xiàn)鋼管跳出支撐輪的事故。為了防止鋼管在高速旋轉過程中跳出支撐輪，且考慮鋼管定尺6～14.63 m，在支撐輪上部設計有多組壓緊機構，通過液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)的控制滿足鋼管整體淬火要求。

1 鋼管旋轉研究及壓緊機構設計

支撐輪上沒有鋼管時，支撐輪在電機驅動下慢速旋轉，旋轉速度小于15 r/min，需要淬火的熾熱鋼管放置在支撐輪上，在摩擦力的驅動下支撐輪帶動鋼管慢速旋轉，這種狀態(tài)可對鋼管進行預矯直，PLC收到支撐輪上有鋼管的信號后，電動機在變頻器控制下快速旋轉，從而帶動鋼管快速旋轉，此時對鋼管進行全長淬火，對鋼管起到一定的矯直作用[2]。

放置在支撐輪上的熾熱鋼管高速旋轉，勢必會產生慣性力，慣性力的作用很容易出現(xiàn)跳管現(xiàn)象。

對壓緊機構的設計要求為：快速壓緊、多組同步和不能劃傷鋼管表面。

1.1 壓緊機構的工作原理及結構

鋼管淬火的實質就是對鋼管進行快速冷卻，壓緊機構的工作原理為：熾熱的鋼管被放置在成對的慢速旋轉的支撐輪上，支撐輪帶動鋼管慢速旋轉，電氣控制系統(tǒng)在接收到支撐輪有料信號后，壓緊機構開始工作，高壓回路控制多組油缸一起下降，當快接觸到鋼管時切換為低壓回路，壓緊輪在低壓作用下扶壓在熾熱的鋼管上，支撐輪高速旋轉，從而帶動鋼管高速旋轉，此時對鋼管進行整體淬火，保證鋼管淬火后的直線度及橢圓度要求。

為了滿足鋼管在淬火時的旋轉，防止鋼管在高速旋轉過程中跳出支撐輪，設計有壓緊機構，其結構如圖1所示。主要包括支撐輪、鋼管、壓緊臂、壓緊輪及油缸等。

支撐輪在旋轉，帶動鋼管反向旋轉，壓緊臂在油缸驅動下松開、壓緊鋼管。鋼管長度一般為6000～146300 mm，在鋼管軸向方向布置了多組支撐輪和壓緊機構，壓緊機構打開、壓緊的控制以及多組壓緊機構的同步都會影響鋼管淬火的直線度及橢圓度[3-4]。

操作考核：選擇我院擇期腹部手術肥胖患者80例作為頸內靜脈穿刺置管術的對象，隨機分到兩組中，每組40例。患者的ASA分級I～II級，年齡35～65歲，身體質量指數(shù)＞28 kg/m2，無凝血功能障礙，無穿刺部位感染，無頸部活動異常。所有患者入室后進行心電圖，血壓，脈搏氧飽和度監(jiān)測。患者常規(guī)全麻誘導插管后，頭低位20°，選取右側頸內靜脈進行穿刺。實驗組采用超聲引導下中心靜脈穿刺方法，對照組采用傳統(tǒng)盲探中心靜脈穿刺方法。

(a)松開狀態(tài)；(b)夾緊狀態(tài)圖1 壓緊機構結構示意圖(a) release state ；(b) clamping stateFig.1 Structural sketch of pressing mechanism

1.2 壓緊機構油缸參數(shù)的確定

已知條件：1)一般鋼材溫度在1000 ℃時的變形抗力為35 MPa；2)壓緊輪寬度35 mm。

壓緊狀態(tài)下，壓緊臂的受力如圖2所示。可以看出，單位mm所能承受的壓力：

圖2 壓緊機構受力簡圖Fig.2 Force diagram of pressing mechanism

Ft/35<35

Ft<1225 N

(1)

根據(jù)受力情況：[5]

Fn×a=Ft×b

(2)

a/b≈0.4

(3)

根據(jù)式(1)(2)(3)，得：

Fn<1225/0.4=3062.5 N

(4)

考慮油缸的強度及剛度選型為φ50/28，油缸行程根據(jù)鋼管規(guī)格及壓臂長度確定。

2 液壓控制系統(tǒng)

該液壓控制系統(tǒng)設置的目的：一是保證鋼管軸向方向布置的多組支撐輪和壓緊機構能有效打開、壓緊控制和同步運行，提高淬火鋼管的直線度和橢圓度；二是為了防止熾熱的鋼管在淬火過程中被壓緊輪壓潰，保證淬火鋼管表面質量。

2.1 控制系統(tǒng)的設計

圖3為液壓控制系統(tǒng)原理圖，主要包括液壓油泵單元、回油單元、高壓減壓單元、低壓減壓單元、壓緊機構控制單元、安全溢流單元、油箱。液壓油泵單元、壓緊機構控制單元和壓緊機構的數(shù)量均為多個，壓緊機構控制單元和壓緊機構的數(shù)量相同。每個油泵單元的進口通過油管連接油箱的出口，每個油泵單元的出口通過油管分別連接高壓減壓單元的進口和低壓減壓單元的進口。高壓減壓單元的出口通過油管分別連接每個壓緊機構控制單元的進口和安全溢流單元的進口；低壓減壓單元的出口通過油管分別連接每個壓緊機構控制單元的進口和安全溢流單元的進口，每個壓緊機構控制單元的出口通過油管連接1個油缸，安全溢流單元的出口通過回油單元連接油箱的進口。

圖3 液壓控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of hydraulic control system

該控制系統(tǒng)控制步驟如下：

1)接到PLC系統(tǒng)發(fā)出壓緊指令后，液壓油泵單元的第一電磁閥帶電，油泵從油箱吸油進入高壓減壓單元，高壓減壓單元輸出高壓油液通過壓緊機構控制單元進入壓緊機構的油缸，油缸使壓緊臂下降從而帶動的壓緊輪使其將接觸到鋼管外表面時為止，高壓減壓單元關閉；低壓減壓單元打開，油泵從油箱吸油進入低壓減壓單元，低壓減壓單元輸出低壓油液通過壓緊機構控制單元進入壓緊機構的油缸，油缸使壓緊輪壓在鋼管上；當油壓力超過壓力傳感器設定值時，第二電磁閥帶電油依次經過第二電磁閥、安全閥和回油單元流入油箱；

2)壓緊完成后PLC系統(tǒng)發(fā)出松開指令，低壓減壓單元關閉，高壓減壓單元打開，油泵從油箱吸油進入高壓減壓單元，高壓減壓單元輸出高壓油液通過壓緊機構控制單元進入壓緊機構的油缸，油缸使壓緊的壓緊輪松開鋼管，鋼管自由轉動。

2.2 液壓控制系統(tǒng)的壓力確定

高壓運行壓力跟油缸本身的靜摩擦力有關，主要確定低壓保持壓力即可。

Fn=pπd2/4

(5)

式中：p為油源壓力，MPa;d為油缸直徑，mm；Fn為油缸壓緊力，N。

由式(4)、(5)得，油源壓力p<1.56 MPa。即壓緊需要保持壓力時，油源壓力不超過1.56 MPa。一旦超過此值將會壓潰鋼管，進而劃傷鋼管外表面。

2.3 液壓控制系統(tǒng)的有益效果

本系統(tǒng)的有益效果：

1)每個壓緊機構由單獨的壓緊機構控制單元控制，通過壓緊機構控制單元的節(jié)流閥，可滿足壓緊機構的壓緊臂同步運行，滿足鋼管淬火時全長同時壓緊，保證鋼管的直線度。

2)通過高壓減壓單元與低壓減壓單元切換運行，滿足壓緊油缸高壓下降，接近鋼管后低壓保持，且返回能夠實現(xiàn)高壓返回。

3)在淬火過程中，一旦出現(xiàn)鋼管彎曲，彎曲鋼管在旋轉時將會對油缸產生反作用，油管內的壓力將會提高，當油源壓力超過壓力傳感器設定值時，安全溢流單元工作，第二電磁閥帶電油源經過第二電磁閥、安全閥流入油箱，油源壓力降低防止鋼管被壓緊機構壓傷，同時可對設備進行超壓保護。

3 工程應用

具有“高壓運行、低壓保持”運行循環(huán)的液壓控制系統(tǒng)已經成功應用于自主研發(fā)的鋼管淬火設備中，鋼管淬火后的直線度、橢圓度顯著改善，大大提高了淬火后鋼管的成品率。