氣動通徑機設計及使用中應注意的幾個問題

鄧發明，劉積錄，隋 健，王冬梅

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032)

0 引言

通徑機是鋼管生產線中必不可少的質量檢測設備之一，它是鋼管直線度及圓度是否合格的判定者，API 5CT標準中明確規定：“每根成品或半成品套管和油管都應進行全長通徑試驗”。目前國內外常見的通徑機主要有機械式和氣動式兩種，其中氣動式通徑機因結構緊湊、占地面積小、生產效率高、采用潔凈能源等優點而被廣泛使用。但氣動通徑機在設計及使用中有幾點必須要特別注意，否則會因考慮不周或參數匹配不佳而導致設備不能正常生產，甚至無法使用。

1 氣動通徑機組成及工作原理

氣動通徑機按照驅動形式的不同分為兩種，一種是氣泵驅動式，即通過氣泵產生的正壓將通徑工具從鋼管前端吹至后端，后端發訊后，氣泵產生的負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動式，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，完成一次通徑過程，待下次通徑時，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，完成一次通徑過程，上述過程連續進行。

本文主要就壓縮空氣驅動式通徑機進行討論，其一般由氣罐、前通徑槍、壓緊裝置、固定臺架、浮動臺架、移動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、偏心壓板和檢測裝置等，其具體結構如圖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。

后通徑槍結構與前通徑槍基本相同，只是另外增加了一套移動小車裝置。這主要是因為鋼管前端面固定不變，當鋼管長度發生變化時，后通徑槍必須在移動小車的驅動下跟隨鋼管長度變化而貼近鋼管后端面，以便能夠接收和發射通徑棒。

氣動通徑機工作時由送料機構先將鋼管送至通徑工位的臺架上，然后壓緊裝置壓緊鋼管前端，接著前通徑槍前進并緊貼鋼管前端面，緩沖氣缸將通徑棒推至槍膛前端，做好打出通徑棒的準備。后通徑槍在移動小車的驅動下靠近鋼管后端面，緩沖氣缸前進至最前端，后通徑槍排氣閥打開，做好接收通徑棒的準備。最后前通徑槍進氣閥打開，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，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，完成一個循環。

2 氣動通徑機設計中的幾個注意點

2.1 槍膛部分設計

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先設定值，會使通徑棒進入槍膛后的反彈力過大，從而導致通徑棒反彈后卡在槍膛和鋼管之間，嚴重時甚至彈回鋼管中，從而生產中斷。同時槍膛也不能太長，太長會使設備結構龐大，槍膛空間得不到充分利用，造成資源浪費。一般槍膛長度的設計經驗公式為：

H=K×L.

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

2.2 緩沖氣缸氣路設計

緩沖氣缸有兩個作用，一是通徑前將通徑棒推至槍膛最前端，為通徑做好準備；二是在另一端將通徑棒打過來時接收通徑棒并使其緩沖減速并停止在槍膛中，以減小通徑棒對設備的沖擊。緩沖作用是通過調節氣缸后腔一組節流閥閥門通道的開啟大小來實現的。閥門開啟通道大，氣壓背壓小，緩沖效果??；反之則緩沖效果大。節流閥通道的開啟大小、組合數量可根據通徑棒的直徑和質量大小、通徑氣壓高低、鋼管長度等調節，調節原則是使通徑棒打入通徑槍膛中時能夠緩沖并平穩地停止下來為宜。

2.3 通徑氣路控制系統設計

通徑進氣系統一般由截止閥、節流閥、減壓閥、氣動球閥、穩壓儲氣罐及其附件組成,截止閥用于對接入的壓縮空氣通斷進行手動控制，通徑氣量的大小由節流閥來控制，氣壓的大小由減壓閥控制，氣動球閥用于通徑壓縮空氣通斷的自動控制，配合PLC來實現。在通徑前，用節流閥與減壓閥配合調節來進行通徑氣體的控制,節流閥及減壓閥的調節由氣路系統的氣壓大小、鋼管內徑大小、鋼管長度、通徑棒質量、通徑棒與鋼管摩擦因數等綜合因素決定。如果鋼管在進行水壓試驗后緊接著通徑，則通徑氣量大小還與鋼管內留存的水量多少有關，一般小口徑鋼管存水相對較多，大口徑鋼管存水相對較少。鋼管內徑越大、鋼管越長、通徑棒越重，則通徑時所需的氣量越大，除對氣量大小及壓力控制以外，還應對通氣時間長短進行控制。通徑棒在鋼管內的運動是一個初段加速、末段減速過程，最后在槍膛中緩沖并停止。進氣閥打開后，應在通徑棒還沒有到達接收端槍膛之前一定距離就提前關閉進氣閥，使通徑棒在慣性作用下逐步減速前行，最終到達接收端槍膛中經過緩沖而停止，以最大程度來減小通徑棒對設備的沖擊。

2.4 通徑棒質量大小

通徑棒的外徑和長度在API 5CT標準中已有明確規定，通徑棒的質量大小只有通過其壁厚加以調整。通徑棒壁厚大，則通徑棒質量大，剛性大，易于加工，但質量過大，會使通徑棒與鋼管內壁摩擦力加大，通徑所需的氣量及氣壓都會加大，使氣路控制難度增大；同時也會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，需要經常更換。通徑棒壁厚太小，則通徑棒質量小，剛性差，加工時不好裝夾，易變形，加工精度難以保證；另外，通徑棒穿過鋼管進入槍膛后易反彈，容易卡在槍膛和鋼管之間產生中斷。因此通徑棒的壁厚、質量應根據實際情況綜合考慮，適當選取。根據實際生產中的應用來看，通徑棒壁厚一般控制在5 mm～7 mm即可，既不會使通徑棒過于笨重，也能保持良好的剛性。通徑棒在鋼管中運動時的受力狀況如圖3所示，其中Ft為驅動力，Ff為通徑棒與鋼管之間的摩擦力。

圖3 通徑棒運動受力狀況

2.5 檢測元件位置設置與控制設計

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

在通徑棒接收端，檢測元件應能判別出通徑棒在鋼管內還是在槍膛內，或者介于兩者之間，以便設備能夠自動運行或報警暫停，通徑棒的位置可分為以下幾種情況：①通徑棒在鋼管內，檢測開關無信號；②通徑棒一部分在鋼管內，一部分在槍膛內，檢測開關一直保持有信號；③通徑棒在槍膛內，檢測開關正常發訊；④通徑棒進入槍膛后又反彈回來卡在鋼管和槍膛之間，此時檢測開關先檢測到正常發訊信號，隨后一直保持有信號；⑤通徑棒進入槍膛后又反彈回鋼管內，檢測開關檢測到2個發訊信號。通徑機在控制設計時需要對上述5種情況分別判斷并采取不同的處理程序。除第3種信號為正常，通徑機可自動連續工作外，其余幾種情況都應給出故障類別及相應的處理方法。

3 結語

本文探討的幾個問題均是結合氣動通徑機的實際生產運行狀況而提出的，并且針對該問題，利用本文提出的方法進行了改進，改進后取得了比較明顯的效果，提高了氣動通徑機的使用效率及可靠性，減少了故障時間，為用戶創造了巨大的經濟效益。