钢管淬火装置压紧机构液压控制系统研究

杜学斌，谷瑞杰，邵国栋，马 辉，高 璐，韩 笑，贾 祥

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032； 2.金属材料挤压/锻造国家重点实验室， 陕西 西安 710032； 3.西安海威工程监理有限公司，陕西 西安 710032)

钢管整体淬火时旋转会产生一定的惯性力， 势必会出现钢管跳出支撑轮的事故。为了防止钢管在高速旋转过程中跳出支撑轮，且考虑钢管定尺6～14.63 m，在支撑轮上部设计有多组压紧机构，通过液压系统、电气系统的控制满足钢管整体淬火要求。

1 钢管旋转研究及压紧机构设计

支撑轮上没有钢管时，支撑轮在电机驱动下慢速旋转，旋转速度小于15 r/min，需要淬火的炽热钢管放置在支撑轮上，在摩擦力的驱动下支撑轮带动钢管慢速旋转，这种状态可对钢管进行预矫直，PLC收到支撑轮上有钢管的信号后，电动机在变频器控制下快速旋转，从而带动钢管快速旋转，此时对钢管进行全长淬火，对钢管起到一定的矫直作用[2]。

放置在支撑轮上的炽热钢管高速旋转，势必会产生惯性力，惯性力的作用很容易出现跳管现象。

对压紧机构的设计要求为：快速压紧、多组同步和不能划伤钢管表面。

1.1 压紧机构的工作原理及结构

钢管淬火的实质就是对钢管进行快速冷却，压紧机构的工作原理为：炽热的钢管被放置在成对的慢速旋转的支撑轮上，支撑轮带动钢管慢速旋转，电气控制系统在接收到支撑轮有料信号后，压紧机构开始工作，高压回路控制多组油缸一起下降，当快接触到钢管时切换为低压回路，压紧轮在低压作用下扶压在炽热的钢管上，支撑轮高速旋转，从而带动钢管高速旋转，此时对钢管进行整体淬火，保证钢管淬火后的直线度及椭圆度要求。

为了满足钢管在淬火时的旋转，防止钢管在高速旋转过程中跳出支撑轮，设计有压紧机构，其结构如图1所示。主要包括支撑轮、钢管、压紧臂、压紧轮及油缸等。

支撑轮在旋转，带动钢管反向旋转，压紧臂在油缸驱动下松开、压紧钢管。钢管长度一般为6000～146300 mm，在钢管轴向方向布置了多组支撑轮和压紧机构，压紧机构打开、压紧的控制以及多组压紧机构的同步都会影响钢管淬火的直线度及椭圆度[3-4]。

操作考核：选择我院择期腹部手术肥胖患者80例作为颈内静脉穿刺置管术的对象，随机分到两组中，每组40例。患者的ASA分级I～II级，年龄35～65岁，身体质量指数＞28 kg/m2，无凝血功能障碍，无穿刺部位感染，无颈部活动异常。所有患者入室后进行心电图，血压，脉搏氧饱和度监测。患者常规全麻诱导插管后，头低位20°，选取右侧颈内静脉进行穿刺。实验组采用超声引导下中心静脉穿刺方法，对照组采用传统盲探中心静脉穿刺方法。

(a)松开状态；(b)夹紧状态图1 压紧机构结构示意图(a) release state ；(b) clamping stateFig.1 Structural sketch of pressing mechanism

1.2 压紧机构油缸参数的确定

已知条件：1)一般钢材温度在1000 ℃时的变形抗力为35 MPa；2)压紧轮宽度35 mm。

压紧状态下，压紧臂的受力如图2所示。可以看出，单位mm所能承受的压力：

图2 压紧机构受力简图Fig.2 Force diagram of pressing mechanism

Ft/35<35

Ft<1225 N

(1)

根据受力情况：[5]

Fn×a=Ft×b

(2)

a/b≈0.4

(3)

根据式(1)(2)(3)，得：

Fn<1225/0.4=3062.5 N

(4)

考虑油缸的强度及刚度选型为φ50/28，油缸行程根据钢管规格及压臂长度确定。

2 液压控制系统

该液压控制系统设置的目的：一是保证钢管轴向方向布置的多组支撑轮和压紧机构能有效打开、压紧控制和同步运行，提高淬火钢管的直线度和椭圆度；二是为了防止炽热的钢管在淬火过程中被压紧轮压溃，保证淬火钢管表面质量。

2.1 控制系统的设计

图3为液压控制系统原理图，主要包括液压油泵单元、回油单元、高压减压单元、低压减压单元、压紧机构控制单元、安全溢流单元、油箱。液压油泵单元、压紧机构控制单元和压紧机构的数量均为多个，压紧机构控制单元和压紧机构的数量相同。每个油泵单元的进口通过油管连接油箱的出口，每个油泵单元的出口通过油管分别连接高压减压单元的进口和低压减压单元的进口。高压减压单元的出口通过油管分别连接每个压紧机构控制单元的进口和安全溢流单元的进口；低压减压单元的出口通过油管分别连接每个压紧机构控制单元的进口和安全溢流单元的进口，每个压紧机构控制单元的出口通过油管连接1个油缸，安全溢流单元的出口通过回油单元连接油箱的进口。

图3 液压控制系统原理图Fig.3 Schematic diagram of hydraulic control system

该控制系统控制步骤如下：

1)接到PLC系统发出压紧指令后，液压油泵单元的第一电磁阀带电，油泵从油箱吸油进入高压减压单元，高压减压单元输出高压油液通过压紧机构控制单元进入压紧机构的油缸，油缸使压紧臂下降从而带动的压紧轮使其将接触到钢管外表面时为止，高压减压单元关闭；低压减压单元打开，油泵从油箱吸油进入低压减压单元，低压减压单元输出低压油液通过压紧机构控制单元进入压紧机构的油缸，油缸使压紧轮压在钢管上；当油压力超过压力传感器设定值时，第二电磁阀带电油依次经过第二电磁阀、安全阀和回油单元流入油箱；

2)压紧完成后PLC系统发出松开指令，低压减压单元关闭，高压减压单元打开，油泵从油箱吸油进入高压减压单元，高压减压单元输出高压油液通过压紧机构控制单元进入压紧机构的油缸，油缸使压紧的压紧轮松开钢管，钢管自由转动。

2.2 液压控制系统的压力确定

高压运行压力跟油缸本身的静摩擦力有关，主要确定低压保持压力即可。

Fn=pπd2/4

(5)

式中：p为油源压力，MPa;d为油缸直径，mm；Fn为油缸压紧力，N。

由式(4)、(5)得，油源压力p<1.56 MPa。即压紧需要保持压力时，油源压力不超过1.56 MPa。一旦超过此值将会压溃钢管，进而划伤钢管外表面。

2.3 液压控制系统的有益效果

本系统的有益效果：

1)每个压紧机构由单独的压紧机构控制单元控制，通过压紧机构控制单元的节流阀，可满足压紧机构的压紧臂同步运行，满足钢管淬火时全长同时压紧，保证钢管的直线度。

2)通过高压减压单元与低压减压单元切换运行，满足压紧油缸高压下降，接近钢管后低压保持，且返回能够实现高压返回。

3)在淬火过程中，一旦出现钢管弯曲，弯曲钢管在旋转时将会对油缸产生反作用，油管内的压力将会提高，当油源压力超过压力传感器设定值时，安全溢流单元工作，第二电磁阀带电油源经过第二电磁阀、安全阀流入油箱，油源压力降低防止钢管被压紧机构压伤，同时可对设备进行超压保护。

3 工程应用

具有“高压运行、低压保持”运行循环的液压控制系统已经成功应用于自主研发的钢管淬火设备中，钢管淬火后的直线度、椭圆度显著改善，大大提高了淬火后钢管的成品率。