新型全自動氣動通徑機設計要點探究

鄧發明，隋 健，寇永樂，李培力，王冬梅

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 引言

通徑機是鋼管生產線上常見的設備，用于檢測鋼管直線度和圓度。經過多年的發展，通徑機不斷優化改進，結構變得簡單可靠，自動化程度也越來越高。早期的通徑方式主要是機械通徑，由于該種方式存在設備占地面積大、節奏慢、存在通徑盲區等缺點，后來逐漸被氣動通徑的方式取代。氣動通徑分為氣泵式、槍膛式等，目前向最新型的全自動氣動通徑發展，該種方式因結構緊湊、生產效率高、采用潔凈能源等而被廣泛使用。本文基于對新型全自動氣動通徑機的設計研究，對其設計要點進行探究。

1 新型全自動氣動通徑機系統組成及工藝流程

1.1 系統組成

新型全自動氣動通徑機從總體上分為機械系統、液壓系統、電氣系統和氣動系統四大部分，其中機械系統又根據實現功能的不同分為6個部分，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-臺架裝置；6-通徑棒回收裝置

(1)通徑棒吹氣裝置主要實現的功能是：通過前端對齊擋板將通徑棒推入鋼管，同時使鋼管前端密封嚴實，接入壓縮空氣驅動通徑棒在鋼管中運動，實現鋼管全長通徑。

(2)通徑棒提升裝置主要用于實現通徑棒的升降以及與鋼管的對中，其上設置有V型架，該V型架在通徑棒進入鋼管前將其托起，以使通徑棒與鋼管對中并順利推入鋼管前端，通徑結束后，通徑棒自動返回到V型架內。

(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以及通徑過程中發生軸向竄動，同時還起到鋼管輔助對中的作用。

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

(5)臺架裝置主要用于通徑時鋼管的進料與出料，其上設置有V型口，能夠實現鋼管的自動對中，為了適應不同的鋼管長度，分別設置有固定臺架與活動臺架，活動臺架能夠根據不同管長實現在線或離線調節。

(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，防止其飛出通徑區域，起到安全防護作用，另外其上還設置有緩沖裝置，能夠對通徑棒進行緩沖，使其速度降為零，以減小通徑棒對設備造成的沖擊。

1.2 通徑機工藝流程

新型全自動氣動通徑機工藝流程如圖2所示。

圖2 新型全自動氣動通徑機工藝流程

2 新型全自動氣動通徑機設計要點

2.1 通徑棒與鋼管對中裝置

當鋼管直徑或壁厚發生變化時，通徑棒外徑尺寸也會隨之變化，從而使鋼管中心與通徑棒中心不在同一條直線上，此時就需要一種對中裝置來實現鋼管中心與通徑棒中心的對中。對中裝置的結構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；另外一種是鋼管中心浮動，通徑棒中心固定。這兩種結構方式中，鋼管中心固定，通徑棒中心浮動這種方式優于另外一種方式，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架來放置，改變鋼管中心要實現幾組臺架同時升降，結構實現起來比較復雜，相反，通過改變通徑棒中心來實現對中的結構所消耗的能量小，結構簡單便于實現。

一般來講，當鋼管直徑不變，僅壁厚發生變化時，通徑棒中心的調整幅度很小，只需要在幾毫米的范圍內進行調整。對于比較常見的Φ60 mm～Φ180 mm直徑范圍內的鋼管，通徑棒中心調節范圍在0～10 mm以內。由于調節范圍較小，該調節機構可以通過兩種方式來實現：一種是通過斜面導軌式機構來調整，另一種是通過絲杠螺母式機構來調整，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，調節油缸行程的方式來實現通徑棒中心的自動調節?？傊?，通徑棒與鋼管對中裝置的設計核心在高度調節機構上，其設計原則是能夠實現高度微調，并且結構簡單可靠，使用方便。

圖3 通徑棒與鋼管對中裝置

2.2 通徑棒設計要點

通徑過程中，通徑棒在鋼管中的實際運動是其在壓縮空氣驅動下貼著鋼管下表面進行滑動，從鋼管一端運動到另一端。通過分析其實際運動并結合使用要求，通徑棒的設計原則是：保持一定剛度、強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。其設計要點主要有以下3點：①為減小重量，通徑棒通常設計為中空結構，僅保證一定壁厚，根據實際生產經驗，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度、剛度，又能降低通徑棒重量；②通徑棒兩端設計為具有一定角度的錐形結構，這種結構能起到導向作用，使通徑棒在進入鋼管時即使中心不完全對中，也能夠通過該導向段順利進入鋼管，在設計該種錐形結構時，一定要保證通徑棒直線段的長度滿足API 5CT規定的最小長度；③通徑棒表面一般要進行表面處理，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，當采用表面鍍硬鉻方法時，鍍鉻層深度一般為0.03 mm～0.05 mm，鍍鉻層的硬度可達900 HV～1 000 HV；當采用表面滲碳方法時，滲碳層深度一般為0.5 mm～0.8 mm，滲碳后經過淬火和回火處理后，表面硬度可達58HRC～62HRC。通徑棒典型結構如圖4所示。

圖4 通徑棒典型結構

2.3 通徑棒回收裝置緩沖結構

通徑棒在通徑結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，將會對周邊設備及人員安全造成一定的危險?；厥昭b置上還必須設置有緩沖結構，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。緩沖結構有兩種實現方式：一種是設置數道緩沖簾，根據實際情況一般為3道～4道,緩沖簾的材質選用柔軟吸震的聚氨酯材料，當通徑棒以一定速度進入回收裝置時，每經過一道緩沖簾，速度就下降一定幅度，當經過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，該結構由一個彈簧與兩個導向桿組成，當通徑棒以一定速度進入回收裝置時，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。第二種方式的關鍵是彈簧的設計，設計原則為彈簧吸收的能量要與通徑棒的動能相匹配，若彈簧剛度過大，吸收通徑棒動能后會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，當彈簧被完全壓縮后通徑棒還有一定的速度，此時通徑棒繼續運動會對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實現自動化的關鍵設備之一，其核心機構是皮帶傳動裝置和皮帶張緊裝置。在整體布局上一般將皮帶傳動裝置設置在鋼管前端，皮帶張緊裝置設置在鋼管尾端。皮帶傳動裝置是皮帶運動的主動端，由減速電機來驅動皮帶運動，其在設計時主要考慮減速電機功率的大小，功率計算的依據是皮帶的帶速和通徑棒的質量。在實際設計中帶速一般取3 m/s～4 m/s，帶速過大，將使電機功率增大，成本增加；帶速過小，滿足不了生產節奏要求。減速電機一般選為變頻電機，能夠實現在有通徑棒時皮帶運動，無通徑棒時皮帶停止或低速運轉，以達到節能的目的。皮帶張緊裝置除了實現皮帶張緊外，還能夠自由調節，以防止皮帶跑偏，在結構上一般設置成兩端均能夠調節的形式。

2.5 通徑氣路控制系統設計

通徑氣路控制系統主要實現通徑氣路的通斷，以及壓力和流量的調節?？梢杂媒刂归y和氣動球閥來實現氣路的通斷以及流量的調節，其中截止閥用于手動控制氣路的通斷以及流量的調節，氣動球閥通過PLC的控制來自動控制氣路的通斷。壓力的調節可以通過減壓閥來實現，壓力大小要選取適中，壓力過大，通徑棒的推力過大，導致通徑棒運動速度過快，在飛出鋼管時對回收裝置沖擊過大，嚴重時會損壞設備；壓力過小，通徑棒推力不足，可能會停留在鋼管內部，導致通徑失敗。從原理上來講，要推動通徑棒在鋼管中運動，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動下在鋼管內運動。

3 結語

本文設計研究的新型全自動氣動通徑機已被國內外數家鋼管企業所采用，鋼管外徑覆蓋了Φ42 mm～Φ377 mm，管長范圍為6 m～13.5 m。設備在實際運行過程中充分發揮了其可靠性高、生產效率高、節能環保等優點，為企業節約了制造成本，創造了巨大的經濟效益。