气动通径机设计及使用中应注意的几个问题

2020-12-28邓发明刘积录王冬梅

机械工程与自动化 2020年6期

邓发明，刘积录，隋健，王冬梅

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西西安 710032；2.金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西西安 710032)

0 引言

通径机是钢管生产线中必不可少的质量检测设备之一，它是钢管直线度及圆度是否合格的判定者，API 5CT标准中明确规定：“每根成品或半成品套管和油管都应进行全长通径试验”。目前国内外常见的通径机主要有机械式和气动式两种，其中气动式通径机因结构紧凑、占地面积小、生产效率高、采用洁净能源等优点而被广泛使用。但气动通径机在设计及使用中有几点必须要特别注意，否则会因考虑不周或参数匹配不佳而导致设备不能正常生产，甚至无法使用。

1 气动通径机组成及工作原理

气动通径机按照驱动形式的不同分为两种，一种是气泵驱动式，即通过气泵产生的正压将通径工具从钢管前端吹至后端，后端发讯后，气泵产生的负压再将通径工具从钢管后端吸回至前端，完成一次通径过程；另一种是压缩空气驱动式，即通过工厂的压缩空气将通径工具从钢管前端吹至后端，通径工具保留在后枪膛内，完成一次通径过程，待下次通径时，压缩空气将通径工具从钢管后端吹至前端，通径工具保留在前枪膛内，完成一次通径过程，上述过程连续进行。

本文主要就压缩空气驱动式通径机进行讨论，其一般由气罐、前通径枪、压紧装置、固定台架、浮动台架、移动小车轨道和后通径枪等组成，如图1所示。

前通径枪包括缓冲气缸、缓冲垫板、偏心套、枪膛、偏心压板和检测装置等，其具体结构如图2所示。

1-缓冲气缸；2-缓冲垫板；3-通径棒；4-偏心套；5-枪膛；6-偏心压板；7-检测装置

枪膛用于放置钢管通径工具——通径棒，并接收从另一端打过来的通径棒。缓冲气缸有两个作用，一是将要打出去的通径棒推至枪膛最前端，为压缩空气打出通径棒做好准备；二是与减压缓冲阀组配合接收从另一端打来的通径棒并使之缓冲停止。

后通径枪结构与前通径枪基本相同，只是另外增加了一套移动小车装置。这主要是因为钢管前端面固定不变，当钢管长度发生变化时，后通径枪必须在移动小车的驱动下跟随钢管长度变化而贴近钢管后端面，以便能够接收和发射通径棒。

气动通径机工作时由送料机构先将钢管送至通径工位的台架上，然后压紧装置压紧钢管前端，接着前通径枪前进并紧贴钢管前端面，缓冲气缸将通径棒推至枪膛前端，做好打出通径棒的准备。后通径枪在移动小车的驱动下靠近钢管后端面，缓冲气缸前进至最前端，后通径枪排气阀打开，做好接收通径棒的准备。最后前通径枪进气阀打开，通径棒在压缩空气作用下由钢管前端射向钢管后端并进入后通径枪膛，在缓冲气缸和缓冲减压阀组配合下使通径棒缓冲减速并停留在后通径枪膛内，完成一次通径过程。待下根钢管到位后再将通径棒从后通径枪吹至前通径枪，完成一个循环。

2 气动通径机设计中的几个注意点

2.1 枪膛部分设计

枪膛用于通径前存放通径棒及通径后接收通径棒，故枪膛不能太短，否则一旦气压高于预先设定值，会使通径棒进入枪膛后的反弹力过大，从而导致通径棒反弹后卡在枪膛和钢管之间，严重时甚至弹回钢管中，从而生产中断。同时枪膛也不能太长，太长会使设备结构庞大，枪膛空间得不到充分利用，造成资源浪费。一般枪膛长度的设计经验公式为：

H=K×L.

其中：L为通径棒长度；K为系数，一般取1.2～1.5，其选取原则是长通径棒(油管)选取较小值，短通径棒(套管)选取较大值。

2.2 缓冲气缸气路设计

缓冲气缸有两个作用，一是通径前将通径棒推至枪膛最前端，为通径做好准备；二是在另一端将通径棒打过来时接收通径棒并使其缓冲减速并停止在枪膛中，以减小通径棒对设备的冲击。缓冲作用是通过调节气缸后腔一组节流阀阀门通道的开启大小来实现的。阀门开启通道大，气压背压小，缓冲效果小；反之则缓冲效果大。节流阀通道的开启大小、组合数量可根据通径棒的直径和质量大小、通径气压高低、钢管长度等调节，调节原则是使通径棒打入通径枪膛中时能够缓冲并平稳地停止下来为宜。

2.3 通径气路控制系统设计

通径进气系统一般由截止阀、节流阀、减压阀、气动球阀、稳压储气罐及其附件组成,截止阀用于对接入的压缩空气通断进行手动控制，通径气量的大小由节流阀来控制，气压的大小由减压阀控制，气动球阀用于通径压缩空气通断的自动控制，配合PLC来实现。在通径前，用节流阀与减压阀配合调节来进行通径气体的控制,节流阀及减压阀的调节由气路系统的气压大小、钢管内径大小、钢管长度、通径棒质量、通径棒与钢管摩擦因数等综合因素决定。如果钢管在进行水压试验后紧接着通径，则通径气量大小还与钢管内留存的水量多少有关，一般小口径钢管存水相对较多，大口径钢管存水相对较少。钢管内径越大、钢管越长、通径棒越重，则通径时所需的气量越大，除对气量大小及压力控制以外，还应对通气时间长短进行控制。通径棒在钢管内的运动是一个初段加速、末段减速过程，最后在枪膛中缓冲并停止。进气阀打开后，应在通径棒还没有到达接收端枪膛之前一定距离就提前关闭进气阀，使通径棒在惯性作用下逐步减速前行，最终到达接收端枪膛中经过缓冲而停止，以最大程度来减小通径棒对设备的冲击。

2.4 通径棒质量大小

通径棒的外径和长度在API 5CT标准中已有明确规定，通径棒的质量大小只有通过其壁厚加以调整。通径棒壁厚大，则通径棒质量大，刚性大，易于加工，但质量过大，会使通径棒与钢管内壁摩擦力加大，通径所需的气量及气压都会加大，使气路控制难度增大；同时也会使缓冲气缸受到较大的惯性冲击力，缓冲胶垫易损坏，寿命短，需要经常更换。通径棒壁厚太小，则通径棒质量小，刚性差，加工时不好装夹，易变形，加工精度难以保证；另外，通径棒穿过钢管进入枪膛后易反弹，容易卡在枪膛和钢管之间产生中断。因此通径棒的壁厚、质量应根据实际情况综合考虑，适当选取。根据实际生产中的应用来看，通径棒壁厚一般控制在5 mm～7 mm即可，既不会使通径棒过于笨重，也能保持良好的刚性。通径棒在钢管中运动时的受力状况如图3所示，其中Ft为驱动力，Ff为通径棒与钢管之间的摩擦力。

图3 通径棒运动受力状况

2.5 检测元件位置设置与控制设计

检测元件是用于检测通径棒是否射出枪膛及通径后是否射入枪膛的。检测元件的位置应设置在枪膛前端锥口(锥口对通径棒进入枪膛具有导向作用)部位并紧靠钢管端面处。检测元件的固定应可靠，否则在钢管多次撞击下容易松动，造成检测失效。

在通径棒接收端，检测元件应能判别出通径棒在钢管内还是在枪膛内，或者介于两者之间，以便设备能够自动运行或报警暂停，通径棒的位置可分为以下几种情况：①通径棒在钢管内，检测开关无信号；②通径棒一部分在钢管内，一部分在枪膛内，检测开关一直保持有信号；③通径棒在枪膛内，检测开关正常发讯；④通径棒进入枪膛后又反弹回来卡在钢管和枪膛之间，此时检测开关先检测到正常发讯信号，随后一直保持有信号；⑤通径棒进入枪膛后又反弹回钢管内，检测开关检测到2个发讯信号。通径机在控制设计时需要对上述5种情况分别判断并采取不同的处理程序。除第3种信号为正常，通径机可自动连续工作外，其余几种情况都应给出故障类别及相应的处理方法。