多規(guī)格球墨鑄鐵管水壓試驗(yàn)機(jī)的研發(fā)

張國生，張義霖

（1.廣東新興鑄管有限公司，廣東陽春 529600；2.桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林 541000）

1 水壓試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用情況

水壓試驗(yàn)機(jī)是一種利用油水平衡控制對球墨鑄鐵管性能進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)的設(shè)備。對于不同規(guī)格球墨鑄鐵管，傳統(tǒng)水壓試驗(yàn)機(jī)需要更換不同工裝進(jìn)行試壓，人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，影響生產(chǎn)時(shí)間；球墨鑄鐵管管腔內(nèi)部通過水泵直接供水，供水快慢取決于水泵排量；管腔內(nèi)部水壓直接與給定油壓平衡，不能實(shí)現(xiàn)水壓與油壓隨動(dòng)匹配；充水過程中排氣慢而且經(jīng)常無法排凈。

本研究課題開發(fā)一種多規(guī)格水壓試驗(yàn)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格球墨鑄鐵管采用一種工裝進(jìn)行水壓試驗(yàn)，不用頻繁更換工裝；通過氣液水罐輸送水介質(zhì)，輸水效率高；通過油壓比例控制實(shí)現(xiàn)水壓與控制油壓隨動(dòng)匹配平衡；通過快速切斷閥實(shí)現(xiàn)排氣。特別適用于連續(xù)生產(chǎn)，具有勞動(dòng)強(qiáng)度低，生產(chǎn)效率高，工裝使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)方案及部分組成

該水壓試驗(yàn)機(jī)主要由以下幾部分組成：水壓打壓工裝裝置、傳送及托舉裝置、水路系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)。水壓打壓工裝裝置包括擋墻、多規(guī)格承口堵頭、多規(guī)格插口堵頭、密封膠圈等；傳送裝置及托舉裝置包括鏈條輸送裝置、球墨鑄鐵管舉升及橫向移動(dòng)裝置；水路系統(tǒng)包括水泵部分、水罐部分、水壓傳感器及控制閥門；氣動(dòng)系統(tǒng)包括氣源、氣動(dòng)三元件及閥門等；液壓系統(tǒng)包括泵組元件、比例控制閥、油壓傳感器、輔助元件等；電器控制系統(tǒng)包括PLC、PID 控制器、球鐵管測長、測徑控制器、工控機(jī)等元件。多規(guī)格水壓試驗(yàn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 多規(guī)格水壓試驗(yàn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

多規(guī)格球墨鑄鐵管水壓機(jī)工作流程：球墨鑄鐵管對中后進(jìn)入鏈條輸送裝置，激光測距器測外徑及長度，然后送入打壓工位，托舉裝置托舉到指定高度，堵頭液壓缸夾緊，依次輸入低壓水、高壓水，保壓，檢測是否泄漏。其工藝流程如圖2。

圖2 多規(guī)格水壓試驗(yàn)機(jī)工藝流程

2.1 技術(shù)性能和設(shè)計(jì)參數(shù)

多規(guī)格水壓試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)性能及設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 多規(guī)格水壓試驗(yàn)機(jī)的主要技術(shù)性能及設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 水壓打壓工裝裝置

水壓打壓工裝裝置如圖3 示，其中多規(guī)格插口堵頭、多規(guī)格承口堵頭分別如圖4、5 所示，其外有多道密封膠圈，可以實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格球墨鑄鐵管夾緊后密封，其內(nèi)有排氣通道，通過專門排氣機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速排氣。插口堵頭后端有球形浮動(dòng)支撐、多組蝶形彈簧預(yù)緊。

圖3 水壓打壓工裝裝置

圖4 多規(guī)格插口堵頭

2.3 球墨鑄鐵管傳送裝置

如圖6、7 所示，球墨鑄鐵管通過鏈條輸送裝置送到指定位置，托舉裝置托舉到指定高度，其高度值有帶位移傳感器液壓缸控制，托舉裝置上液壓馬達(dá)控制球鐵管在滾輪上移動(dòng)。

圖6 鏈條傳送裝置

2.4 水路系統(tǒng)

圖5 多規(guī)格承口堵頭

鑄鐵管16 內(nèi)低壓水首先由低壓水泵4 注入壓力水罐9，然后由壓力水罐9 注入鑄鐵管16；壓力水罐9 上有四個(gè)液位計(jì)，3FH1、3FH2 屬于低液位報(bào)警，用于啟動(dòng)低壓水泵4 往水罐注水，3FH3、3FH4 屬于高液位報(bào)警，用于關(guān)閉低壓水泵4 往水罐注水。水罐上端由氣源通過球閥9.1 預(yù)先注入高壓不溶于水介質(zhì)氣體，然后關(guān)閉球閥9.1。高壓氣體驅(qū)動(dòng)水介質(zhì)經(jīng)過球閥9.2、高低壓進(jìn)水啟閉閥10 到球墨鑄鐵管內(nèi)部管腔，鑄鐵管內(nèi)部氣體通過12、13 排氣閥快速排除，其結(jié)構(gòu)如圖8；水罐內(nèi)高壓氣壓一般不用補(bǔ)充；鑄鐵管16 內(nèi)高壓水由高壓水泵1 直接注入。

圖8 水路控制系統(tǒng)

2.5 油路系統(tǒng)

圖7 托舉及移動(dòng)裝置

油路控制系統(tǒng)動(dòng)作過程見圖9：首先，驅(qū)動(dòng)缸10 在壓力油1 作用下快速驅(qū)動(dòng)推頭2 使球墨鑄鐵管4 與插口多功能堵頭3 和承口堵頭5 接觸，普通控制閥關(guān)閉壓力油1；比例壓力閥11 在壓力油2 作用下，給定驅(qū)動(dòng)缸較低初始壓力值，保證球墨鑄鐵管密封，然后，進(jìn)水切斷閥8 打開，水充入球墨鑄鐵管內(nèi)，壓力傳感器7 檢測水的壓力值，反饋給PID 控制器，PID 控制器把信號傳遞給比例壓力閥11，控制比例壓力閥壓力值，驅(qū)動(dòng)缸油壓壓力根據(jù)水壓的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，如圖10 所示。

圖9 油路控制系統(tǒng)示意圖

2.6 電器控制系統(tǒng)

電器控制系統(tǒng)包括PLC、PID 控制器、球鐵管測長、測徑控制器、工控機(jī)等元件，其控制原理：水壓傳感器實(shí)時(shí)檢測球墨鑄鐵管里的水壓值，傳送到PLC 進(jìn)行信號分析處理，根據(jù)油水平衡原理，計(jì)算出油壓控制信號，輸出到電液比例閥的功率驅(qū)動(dòng)單元，控制電液比例閥的動(dòng)作，進(jìn)而控制管端封頭的油壓值，實(shí)現(xiàn)油水平衡，完成球墨鑄鐵管的靜水壓試驗(yàn)。油壓傳感器和水壓傳感器檢測到的信號同時(shí)被實(shí)時(shí)送到工控機(jī)里，操作員通過監(jiān)控畫面實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)過程?？刂飘嬅嫒鐖D11，水壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)圖中，上方曲線是油壓曲線，下方曲線是水壓曲線。

圖11 水壓機(jī)油壓與水壓實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

3 結(jié)語

該多規(guī)格水壓試驗(yàn)機(jī)采用多規(guī)格集成工裝堵頭進(jìn)行生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了不同規(guī)格球墨鑄鐵管混合生產(chǎn)，采用氣液水罐進(jìn)行水的介質(zhì)輸送，極大提高了充水效率，通過比例伺服控制實(shí)現(xiàn)水壓與控制油壓隨動(dòng)匹配平衡，提高了設(shè)備的效率和穩(wěn)定性，效率較傳統(tǒng)球墨鑄鐵管水壓試驗(yàn)機(jī)提高30%～40%。該多規(guī)格水壓試驗(yàn)機(jī)集機(jī)、電、液、氣控制于一體，設(shè)備運(yùn)行全PLC 控制，自動(dòng)化程度高，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)控制，是當(dāng)今國內(nèi)自主開發(fā)的功能最先進(jìn)的自動(dòng)球墨鑄鐵管水壓機(jī)之一。

該試壓機(jī)自2019 在廣東新興鑄管有限公司投入運(yùn)行以來，整機(jī)運(yùn)行可靠，機(jī)、電、液、氣各系統(tǒng)性能穩(wěn)定，設(shè)備各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過設(shè)計(jì)指標(biāo)，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。