阿塞尔轧管机液压设备改造.pdf

2 0 1 3年 5月 第4 1 卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Ma v 2 01 3 Vo 1 ． 4 1 No ． 1 0 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 0 ． 0 5 3 阿塞尔轧管机液压设备改造 曹锐 衡 阳华菱钢管有 限公 司2 1 9分厂，湖南衡 阳 4 2 1 0 0 1 摘要介绍了阿塞尔轧管机的结构和工作原理。通过对阿塞尔轧管机快开缸 、2 平衡缸液压控制回路、轧管机的液压 控制阀台液压回路进行改造，解决了轧制长薄壁荒管尾部壁厚尺寸超差 、调节工艺参数2 轧辊易下掉、轧管机的液压控制 阀台压力波动大易引起系统跳闸等问题，提高了阿塞尔轧管机工作可靠性。 关键词阿塞尔轧管机 ；液压设备；改造 中图分类号T H1 3 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 01 6 3 4 阿塞尔轧管机是 2 0世纪 3 0年代由沃尔特 阿塞 尔研 制 成 功 的 ，它 使 用 3个 锥 形 轧 辊 ，相 互 距 离 1 2 0 。 并与轧件轴线斜置 ，以在芯棒上斜轧为工作 原理 工作 ，是一种有效的轧制工艺 。由它轧出 的产品表面 质量高，壁厚公差小，可在一台轧机上生产多种直径 的钢管 。它只 限于轧制 中厚壁管 ，D ／ d 值 大约为1 5 1 荒管外径与壁厚的比值 ，此后不断进行改进。某 分 厂 2 0 0 8年 4月投产 的阿塞尔 三辊斜轧 管机具有 2 0 世纪 9 0年代先进技术水 平 ，轧制 荒管 的 D ／ d值 可达 到2 0左右。但它在生产过程中也存在着一系列的问 题 轧制长 薄壁荒管尾部壁厚尺 寸超差 、调节工艺参 数时 2 轧辊 易下 掉 、主 机 阀台压力 波 动大 易引起 系 统跳 闸 ，影 响产 品质量 ，严重制约着生产 。 1 阿塞尔轧管机设备组成及工作原理 1 ． 1 阿塞尔轧 管机设备组成 阿塞尔轧管机设备 由轧管机体 、轧辊装配 、轧辊 调节装置 、轧机传动装置 图 中未 画 出 、润 滑 、传 动电缆等部件和液压设备组成。液压设备由轧辊快开 缸 、轧 辊平 衡 缸 、轧辊 装 配 锁 紧缸 图 中未 画 出 及其液压控制阀台组成，如图1 所示。 1 ． 2 工作原 理 阿塞 尔 轧 管 机 拥 有 三 台 轧 辊 ，3个 轧 辊 呈 “ 1 2 0 ’布置在 以轧制 中心线 为中心 的等边三角形 的 顶点 。当轧制某种规格 的荒管 ，首先要将轧管机喉径 3个轧辊所 围成 的圆 调 整到某 一 数值 ，调 节轧 辊 时 ，1 轧辊 对 应 的快开 缸 活塞 杆通 压 力油 后 伸 出 ，喉径的大小是通过移动轧辊 中心线到轧制 中心线 的距离来实现 的，在每一个轧辊上用两 台交流 电机通 过各 自的涡轮减速机分别或 同时驱动轧辊两端处 的丝 杠螺旋副 ，由与 电机轴联接 的光 电编码器检测丝杠 的 伸缩长度。调整数据在计算机上显示出来，3 个轧辊 心 线 J 1 1 轧辊 调节 装 置2 1 轧 辊3 2 轧 辊4 2 平衡 缸 5 2 瞻 L 辊 调节 装 置6 2 快 开缸 图 1 A s e e l 轧管机 的结构 图 的调 整机构 和调整 方法完 全相同 ，可以单独调 整也可 以3个轧辊同时调整。当数据被确定后，轧机喉径的 大小 也就 由此 确定下 来 ，然后 1 _3 轧辊 的平衡 缸 有杆腔通压力油 ，活塞杆缩回，将轧辊锁紧在快开缸 活塞杆头部 、调节装置头部 ，3台轧辊形 成一定 开 口 度 ，等待轧制毛 管 。阿塞 尔轧 管 机轧 制 毛管 时 毛 管 内部插着一根芯棒 ，毛管在 3台旋转轧 辊 的作 用 下 ，在旋转 的同时沿着轧制 中心线前进 。当轧制过程 收稿 日期 2 0 1 2 0 41 6 作者简介曹锐 1 9 7 4 一 ，男，大学本科学历，工程师，主要从事液压设备的维护管理和技改工作。Em a i l h y c a o r u i 1 26． c o rn。 1 6 4 机床与液压 第4 1 卷 接近完成时 ，位于轧管机前的热探测器 接受到毛管离 去的信号 ，向 P L C发信号 ，P L C延时 2 0 0 m s 后，控 制 1 _ _ 3 轧辊快 开缸卸 荷 ，1 3 轧辊平 衡缸 拉 紧 轧辊沿着快开缸活塞杆缩 回方 向摆动 ，使 3台轧辊 间 开 口度增 大 ，消除 荒管 的 “ 尾 三 角 ”现 象 。待 荒 管 离开轧管机后 ，P L C控制 1 一3 轧辊 快 开缸 得压 活 塞杆伸出，使 3台轧辊克服平衡缸的拉紧力摆动，它 们之间的开口度变小，等待轧制下一根毛管。 2 阿塞尔轧管机存在 问题及液压设备改造 2 ． 1 轧制长薄壁荒管尾部壁厚尺寸超差 1 原因分析 n J 荒管 的壁厚 s 式 中 s 为 荒管 的壁厚 ；D为轧 管机 的喉 径 ；d为芯 棒直径。由以上公式分析，造成长薄壁荒管尾部壁厚 尺寸超差是以下两种 原因 ① 芯棒尾部表面磨损过大 ，直径 d偏小，导致 荒管尾 部壁厚 尺寸超 差。 芯棒是轧管机 组最重要 的变形工具之一 ，轧制过 程中芯 棒工作 的条件 十分 恶劣 ，既承受 高温 、高 压 ， 又经受相对滑移磨损和急冷急热，其表面承受着压应 力、摩擦力和冷热交变应力等等，表面经常受到磨损。 对使用的芯棒进行全长度测量，表明芯棒直径尺寸在 公差范围内，符合生产工艺要求，此种原因排除。 ② 轧管机的喉径 D在轧制过程中增大 即快开缸 活塞杆受挤压缩 回 ，导致荒管尾部壁厚尺寸超差 。 在快开缸 的供油腔装 一只带显示 屏 的 E D S 4 0 0型 电子压力继 电器 ，从显示屏上 的读数可 以看 出阿塞 尔轧管机轧制长薄壁荒管头部时快开缸的供油腔压力 为 1 5 M P a ，在轧制过程 中快开缸的供油腔压力逐渐 增大，当轧制长薄壁荒管尾部 时压力 增大至 1 7 ． 5 M P a 。经分析认为 阿塞尔轧管机轧制 长薄壁荒 管所 需时间长 ，外 表面又经水冷却 ，当轧至荒管尾部 时荒 管温度下 降过 大 ，荒 管 刚性 增强 ，产生 的轧 制 力变 大 ，超过 了快开缸 的输 出力 ，快开缸活塞杆缩 回，轧 管机 的喉 径 D增大 ，导致荒 管 尾部 壁厚 超差 ，达到 了0 ． 6 m m。要解决轧制长薄壁荒管尾部壁厚尺寸超 差 问题 ，必 须提 高快 开缸 的输 出力 ，使 其 大于 轧制 力 。 2 确定快开缸所需的输出力 轧管 机 液 压 设 备 的 压 力 由 轧 管 机 液 压 站 的 P V H1 8 0恒压变量柱塞泵 二用一备提供 ，工作 压 力为 1 5 MP a 。将轧 管机 的液 压控制 阀台和轧 管机 液 压站 的液压管路 分离 开 ，用 一 台试 验液压 泵 对轧 管 机 的液 压控制 阀台单 独供 压 ，结 果 表 明当压 力调 节 至 1 8 M P a时 ，可 以消 除 轧制 长薄 壁 荒 管 尾部 壁 厚尺 寸超 差 问题 ，此 时 快开 缸 输 出力 F P l S 51 0． 3 5 kN。 式中 F为快 开 缸 输 出力 ；P为试 验 液 压 泵 工作 压 力 ， P1 8 MP a 1 ． 81 0 P a ；S为快 开缸 活塞杆 面 积 。由上可知 ，消除轧制长薄壁荒管尾部壁厚尺寸超 差 问题 ，快开缸输 出力必须大于 5 1 0 ． 3 5 k N 。 3 快开缸结构改进 改造前的快开缸由缸体、活塞杆、锁紧螺母、密 封圈 见 图 2 构成 。活塞杆 由大 、小圆柱体两段组 成 ，大圆柱体直径为 2 4 0 m m，小圆柱体直径为 1 9 0 m m，密封装在小 圆柱体 圆周 面上 ，高压 液压 油作用 在小圆柱体 圆周 面积上 ，产生输 出力 。 l 缸体2 一活塞杆大l圃 桂体3 锁紧螺母4 一密封圈s 一活塞杆小圆柱体 图 2 改造前的快开缸 快开缸装在轧辊座的内孔中，且配合紧密，因此 外形尺寸不能改变 ，只能改造它的内部结构 。改造采 取如下措施大圆柱体的长度延长，并在大圆柱体圆 周面上 安装两 只型号 U S H 0 2 4 0 0的 Y形密封圈 ，增大 作用面积 ，增大输出力。大圆柱体 圆周 面上装 了密封 件后 ，大圆柱体密封件和小圆柱体密封件之间形成封 闭腔，快开缸活塞杆受力伸出，封闭腔容积变小会产 生背压挤坏密封件 ，必须设 法消除封 闭腔 的背压 。在 活塞杆小 圆柱体 中加工长孔使封闭腔和外界连通 ，使 产生 的背压消除 。改造后 的快开缸如 图3 所示 。 1 一 缸体2 一 活 塞杆 大 圆柱 体3 、s _ _密封 圈4 一 锁 紧螺母 6 一 活塞 杆 小圆柱 体7 一 排 气孔 图 3 改造后 的快 开缸 第 1 O期 曹锐阿塞尔轧管机液压设备改造 1 6 5 改造 后 的 快 开 缸 在 轧 管 机 液 压 站 提 供 的压 力 P1 5 MP a 下工作 ，它的输出压力 FJP Sp 1 T D ／ 46 78 ． 6 k N 5 1 0． 3 5 k N 其 中I F为快开缸输 出力 ； P为轧 管机液 压站工 作压力 ，P1 5 M P a 1 ． 51 0 P a ；S为快开 缸活塞 杆大圆柱体面积；D为快开缸活塞杆大圆柱体直径 ， D 2 4 0 m m 2 ． 41 0 ～ m。由此可 见 ，改 造 后 的快 开缸的输出力满足了生产工艺要求。 2 ． 2 轧 管机 2 轧辊处于调节状态时易下掉 1 原 因分析 轧管机 2 舟 轧辊通过销轴和轧管机 2 平衡缸活塞 杆耳环连接 ，其液压控制 回路如 图 4 。 换 向 阀 向节流 阀 衡缸 阀 球 阀 5 图4 改造前的2 平衡缸液压回路 正 常轧 制 时 ，电磁 铁 Y A 2得 电 ，电 磁 铁 Y A 1 、 Y A 3失 电，轧管机 2 样 平衡 缸有 杆腔 得压 ，活塞 杆缩 回的拉力克服2 轧辊的质量，将 2 轧辊锁紧在快开 缸活塞杆头部、调节装置头部。2 轧辊处于调节状态 时 ，电磁铁 Y A 1 、Y A 2失 电，电磁铁 Y A 3得 电 ，2 平衡缸和进油管路 、回油管路断 开 ，有杆腔 内液压油 产生 的背压将 2 轧辊托起 。涡轮 减速机 调节 2 轧辊 下行 ，2 轧辊通过 销轴把 轧 管机 2 平衡 缸 活塞杆 往 下拉 ，2 平 衡缸有杆腔内液压油产生的背压增大 ，当 背压超过减压 阀 4的压力设定值 5 M P a 时 ，有杆腔 内 的液压油通过 电磁球 阀 5 、减 压 阀 4流 回油箱 ，2 样 轧 辊向下运动直至预定位置 。 分析 图4可 知 ，轧管机 2 轧 辊处 于调 节 状态 时 易下掉有 以下 3 种 原因 ① 2 平衡缸有杆腔活塞密封圈坏 ，在 2 轧辊 自 身质 量作用 下液压油从 有杆腔泄漏至无杆腔 ，活塞杆 向下 运动 ，引起 2 轧辊下掉 。 对 2 平衡 缸有杆腔通 1 5 M P a 高压液 压油 ，发现 有杆腔 活塞 密封 圈无泄漏 现象 ，此种原 因排 除。 ② 2 轧辊 自身质量作用使 2 平衡缸有杆腔 内液 压油 产生的背压超过 减压 阀 4的压力 设 定值 5 M P a ， 有杆 腔 内的液压油通过电磁球 阀 5 、减压 阀 4流 回油 箱 ，活塞杆 向下运 动 ，引起 2 栉 轧辊 下掉。 在2 轧辊 自身质量作用下，2 平衡缸有杆腔内 液压 油产生 的背压 ⋯ M _a 一 一 一 s Dz - d 2 一 竹 D 一d 2 一 4 - 1 ． 9 6 MPa5 MP a 式 中P为 2 平衡缸有杆腔 内液压油的背压 ；M 为2 轧辊 自身质量，M1 ． 8 X 1 0 k g ；g为重力加速度 ， g 9 ． 8 3 m ／ s ；S为平衡缸有杆腔面积，单位为 m ； D为平衡缸缸径 ，D1 4 0 m m1 ． 4 X 1 0 ～m；d为平 衡缸 活塞杆直径 ，d 9 0 m m 9 x 1 0 ～m。由此可见 ， 2 轧辊 自身质量产生 的背压小 于减压 阀 4的压力设定 值 5 MP a ，不能使平衡缸 活塞杆 向下运 动 ，此 种原 因 排 除。 ③ 轧管机 2 轧辊处于垂直位置，2 轧辊产生的 重力对 2 样 平衡 缸 有杆 腔 内的液 压 油介 质产 生 压 力。 2 平衡 缸 运 动 由 4 WE 1 0 E型 电 磁 换 向 阀 滑 阀控 制 见图 4 ，2 轧辊处于调节状态时电磁换 向阀 1阀芯 处于 中位 ，2 样 平衡 缸有杆腔 内的液压 油介质在 轧辊产 生的重力下通过换向阀阀体和阀芯的配合间隙泄漏， 导致 2 平衡缸活 塞杆 向下运 动 ，使 2 轧辊下 掉。经 分析 ，是此种原 因。 2 改进措施 2 平衡缸运动改为 由4 WE 1 0 J 型 电磁换 向滑 阀控 制 ，并在液压 回路上 加装液 压锁 见 图 5 ，2 轧辊 处于调 节 状态 时 ，电磁铁 Y A 1 、Y A 2失 电 ，电磁 铁 Y A 3得 电，4 WE 1 0 J型 电磁换 向滑 阀 阀芯处 于 中位 ， 液压锁关闭 ，防止 2 平衡 缸有杆 腔 内 的液 压油 介质 在轧辊产生的重力下泄漏，引起2 轧辊下掉。 4 图5 改造后的2 平衡缸液压回路 2 ． 3 轧管机的液压控 制阀台压 力波动大，引起 轧 管机跳 闸 1 原因分析 轧管机轧出的荒管由轧管机后的7台液压马达输 送走 ，7台液压 马达 同时工作 时 ，所需要 的供油量 大 增 ，两 台液压泵提供不 了这么大 的供油量 ，使轧管机 液压站压力从 1 5 MP a降至 1 1 M P a 。轧管机液压控制 阀台液压管路 上装 有一 只 E D S 3 0 0型 的压 力继 电器 ， 1 6 6 机床 与液压 第 4 l 卷 其发讯值设定 为 1 2 MP a ，当压 力低 于 1 2 MP a时 ，压 力继电器发送信号 “ 0 ”给 P L C 可编程序控制器 ， P L C控制轧管机跳闸 。 2 改进措施 在轧管机 的液压控制阀 台进油路上加装一个单 向 阀和一 台蓄能器构成保压 回路 ，当 7台液压马达 同时 工作轧管机液压站压力降低时，单向阀关闭将轧管机 液压控 制阀台的油路 同其他油路 隔离开 ，蓄能器储存 的液压油为快开缸动作提供 动力油 源 ，可 以使轧管机 的液压控制 阀台压力波动大幅减小。 3 蓄能器选型 蓄能器作 为一种 储能 元件 ，广 泛应 用 于现 代液 压技 术领 域 ，在 液 压 回路 中起 蓄 能 、保 压 、减 震 、 稳压等作 用 。其 原理是 存储 液 压系 统 中的能 量 ，并 在需要 时进 行 释放 。按 照 加 载 方式 可 分 为 弹 簧式 、 重锤式 和气体式 等 ，气体 式 按结 构 可分 为隔 离式 和 非隔离式，隔离式主要以活塞式蓄能器、气囊式蓄 能 器为代表 ，气囊式 蓄能 器 具有 响应 速度 快 、无 噪 声 、吸收 脉动性能好 等优 点 ，适用 于轧 管机 的液压 控 制 阀台。 气囊 式蓄能器 的工作原理是建立在玻义耳定律基 础上 的，使用时首先 向蓄能器充 以预定 压力 的氮气 ， 通过压缩气体完成能量 的转化 。由气 体定律有 P 。 p p 常数 1 式中蓄能器的容积 是充液前充气压力为P 。 时的 容积， 为气体在最低工作压力 P 下的体积 ， 为 气体在最 高工作 压 力 P 下 的体 积。n为 指数 ，其 值 由气体工作条 件决 定 。P 。 、P 。 、 P 的单 位 均 为 M P a ； 、 、 的单位均为 L 。 当蓄能器向系统供出压力油的体积为 A V V 1 一 时 ，蓄 能器 内 的压力将从 P 降到 P ，称 A V为蓄 能器 的工作容积 。由式 1 可推得 ／ 0 丁 『 f P o 1一 f P o 1 “ 1 ＼pl， ＼P2， J 理论上可使P 。 与 P 相等 ，但一般应留有一定余 量 ，使 P 大于 P 。 。对 折合形气囊取 P 。 0 ． 8～ 0 ． 8 5 P 。 ；对波纹形气囊取 P 。 0 ． 6 0 ． 6 5 P 。 ① 参数 AV的确定 当蓄能器用来作为动力源大量供 油时 ，它 向系统 供 出压力油 的体积为 3台快开缸伸 出时需要 的液压油 体积 。A V 3 S K 0 ． 8 2 L 。 式中J s 为快开缸活塞杆大圆柱体面积 ， 为快开缸 活塞杆行程 K 6 m m。 ② 参数P ， 的确定 为了消除轧制长薄壁荒管尾部壁厚尺寸超差 问 题，快开缸输出力不得低于5 1 0 ． 3 5 k N，此时轧管机 的液压控制 阀 台压力 P 1 ／ 4 r D 5 1 0 ． 3 5 k N，由此 推出 P1 1 ． 3 MP a 。 式 中 P代 表轧 管机的液压控 制 阀台压 力 ，D代表快 开缸活塞杆大圆柱体直径 D 2 4 0 m m 2 ． 41 0 ～m。 最低工作压力 P 。 1 3 MP a 式 中 P 代表 蓄 能器最 低工作 压 力 MP a ；k 代 表 余量 系数 ，k 1 ． 1 0～1 ． 1 5 。 ③ 参 数 P 的确定 蓄能器 的充气压 力 P 。 0 ． 8～0 ． 8 5 P ，代入 以 上数值 ，计算 可得 P 00． 8 5 P10 ． 8 5 X1 3 MPa1 1 ． 0 5 MPa P 。 取值 为 P o 1 1 M P a ④ 参数 P ， 的确定 蓄能器的最高工作压力等于轧管机液压站工作压 力 P ， 1 5 MP a 。 ⑤ 参数 n的确定 当蓄能器用来作为动力源大量供油时 ，可认 为气 体在绝 热条件 下工作 ，n 1 ． 4 。 代入以上参数 ，得 V o 1 0 ． 1 7 L 。 所 以 ，轧管机 的液压控制 阀台进油路上蓄能器 的 体积 选取为 V o 1 6 L 。蓄 能器选取 型号为 N X Q 一 1 6 ／ 3 1 ． 5 - L ，压力等级 3 1 ． 5 M P a 。 4 单 向阀选 型 轧管机的液压控制 阀台进油路通径为 D N 3 0 ，单 向阀选 取 型号 为 3 0 G 1 ． 0 ／ 2 ，通 径 D N 3 0 ，压 力 等 级 3 1 ． 5 MP a 。 轧管机 的液压控制 阀台改造前后如 图 6 所示 。 l 一 油箱2 一液压泵卜 溢流阀 4 一通往其他液压设备油路 s 一高压球 阀6 一压力继电器 7 一通往 轧管机液压设备的油路 a 改造前 l 一油箱2 一液压泵3 一溢流 阀 4 一通往其他液压设备油路 s 一高压球阀 6 一压力继 电器 7 ～通往轧管机液压设备的油路 B _蓄能器9 一单向阀 b l 改造后 图6 轧管机液压控制阀台改造前后 下转第 1 8 1页 第 1 0期 朱武峰 等飞机氟塑料高压软管故障分析与预防 1 8 1 氟塑料软管装机后 ，有使用期限的要求 ，如因 串换件造 成 软管 超 期使 用 ，软 管 的机械 物 理性 能 降 低 ，容 易产生爆 破失效 。 2预防故障的措施 造成氟塑料软管故障的因素众多，需要从生产、 制造 、使用和维护等诸环节做好预防工作。 1 生产 制造 阶段 ，严 格执 行有 效 的工 序 间控 制 和检验 ，避免 聚四氟 乙烯 内管的杂质 、气孔等缺 陷 存在；加强钢丝编织工序的质量控制 ，严格执行金属 芯棒 的保 管和表面光洁度的检查 。对 编织后 的聚四氟 乙烯软管也必须严格检验 。采用光导纤维的 内窥镜和 普通灯光照 明下 目视 检查等 多种方法 进行 综合检 查 ， 确保软管质量。 2 使用维护阶段，要求软管安装必须符合技 术文件 的规定 ，软管弯 曲不得小于最小弯 曲度 ，软管 不允许扭 曲 ，如果发 现有 扭 曲现 象 ，必 须予 以调 整 。 日常维护工作中要加强对故障频率高的氟塑料软管的 检查 ，并 运 用 有 效 的 方 法 预 防 故 障 。 比 如 用 “ 棉纱挂线法” 检查软管金属 编织层有无 断丝 ，即用 棉纱顺抹软管 ，挂线处即为断丝点。用 “ 捆扎隔离 法” 、“ 支架固定法”对间隙小易磨擦的软管进行分 隔。用折镜仔细检查软管难检部位的磨损情况，确保 故障 的及早发现 、及时处理 。如发现软管处或机身下 部有可疑 的油迹时 ，需查 明原 因后才能使用 。软管作 为寿命控制件 ，要严格执行储存期和使用期的寿命控 制 ，必须防止串换件造成的延期使用。 3 结合有关飞机软管爆破造成飞行事故的机 制研究 ，通过共因分析等方法，研究和完善该型飞机 氟塑料软管爆破造成第 1 系统和第 Ⅱ系统失效后的特 情处置措施，并对 飞行人员驾驶守则提出补充 建议 ，以增加特情处置 的有效性 。 3结 论 1 氟塑料高压软管的故障是多种因素造成的， 其 内在的影响因素是内管、钢丝编织层和接头的制造 质量 ，其外 因是软管承受的工作应力 、安装 质量 和局 部环境等 。预防故障 的主要措施是把好软管制造 、安 装质量关 ，加强故障多发部位氟塑料软管的监控，严 格按规定要求对软管进行寿命控制。 2 软管 爆破 是软 管故 障 中最严 重 的一种 ，对 飞机 的飞行安全形成 了严酷 的考验 ，需深入研究 、完 善该故障条件下特情处置的措施和方法，抓好空地勤 人员的故障预防工作。 参考文献 【 1 】国防科学技术工业委员会． G J B 2 8 3 7 - 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