一种大型龙门自走式压力矫直机

2015-04-09王仕杰王红斌赵西韩

重型机械 2015年6期

王仕杰，王红斌，卢星，赵西韩，马强，刘磊

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西西安 710032;2.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江湖州 313012;3.陕西省冶金设计研究院有限公司，陕西西安 710032)

0 前言

长期以来，压力矫直机的矫直操作多由工人凭借经验估计矫直行程，反复压矫，矫直效率很低，所以压力矫直机在众多矫直设备中一直处于从属地位，或者是作为其他矫直方法的预矫直使用。目前国内各大特钢企业新上的项目中，棒材直径逐渐增大，同时生产钢坯的截面形状也日趋多样化，要求压力矫直机的矫直效率更高，适应性更强。为适应我国对大型高效矫直设备的需要，国内各大设计院新设计的压力矫直机也逐渐配备了在线检测系统和矫直专家系统等，以期来提高矫直效率。但是目前大部分的测量系统都需要对棒材全长范围进行多点采集测试，或者利用机械运动机构对全长进行测量。这样就使得一些超长棒材的检测和矫直难以在短时间内实现。

由中国重型机械研究院股份公司为国内某厂成功开发了一套大型龙门自走式压力矫直机，用来矫直锻后的超长超大直径棒材、方坯和板坯，成功的解决了超长来料快速检测和矫直的难题，该套压力矫直机采用龙门自走式，同时配置了在线直线度快速检测系统，简化了上下料系统，实现了超长料快速检测自动矫直，为钢厂在超大型锻材矫直机快速在线矫直设备选型方面提供参考。

1 压力矫直机组主要工艺参数

1.1 被矫直产品参数

圆形件:Ф80～Ф560 mm，工件长度:2500～18500 mm。

方形件:100～450 mm，工件长度:2500～10000 mm。

扁形件:宽150～420 mm，厚≥70 mm，工件长度:2500～10000 m。

工件材质:合金钢及高合金锻材。

1.2 设备关键参数计算

整机按照最大直径d=560 mm 进行计算，砧座的开口度取最大值l=6000 mm，材料屈服极限按照σs=1000 MPa 计算，则

棒材弯曲所需扭矩:

按照简单三点反弯理论计算矫直力:

式中，T=l/2

由(1)(2)可得:F=1.9 ×107N=19 MN。

确定整个机组的最大矫直力为20 MN，则油缸尺寸及整个横梁机架的强度均按照此最大矫直力进行校合。

取主油缸最大工作压力p=28 MPa，则计算油缸直径φ 如下:

则取主油缸直径为960 mm，液压系统设计最高压力30 MPa，则设备最大的矫直力可达21.7 MN。

1.3 设备基本参数

压力矫直机驱动液压缸

主油缸额定工作压力/MPa 25

额定校直力/MN 15

主油缸行程/mm 800 (油缸行程可控可预设，带显示功能)

主缸加压前进速度/mm/s V=0.5～6

主缸空行程移动速度/mm/s 80

砧座装置/组 2

砧座调节距离/mm 800～6000

升降翻钢装置调节距离/mm 2000～12000

机体移动速度/mm·s－10～70 (无级可调、可控可预设、显示)

机体移动传动方式液压马达驱动滚轮转动式行走

机体移动距离/mm 20000

2 压力矫直机组主要组成

2.1 机械设备

本机组机械设备包括压力校直机主机、升降翻钢装置、砧座装置、机内导轨、机体横移导轨、在线直线度快速检测系统等(如图1)。

图1 压力矫直机组示意图Fig.1 The schematic of the gag straightener

2.1.1 主机

主机型式为立式三梁四柱框架，主要由上横梁、底梁、中间梁、主液压缸装置、辅助油缸、压头装置、立柱系统、检测及限位装置等组成。上横梁、底座、中间梁通过四根拉杆联结形成封闭式机架，承受校直压力。主液压缸为活塞缸，最大工作压力为31.5 MPa，活塞杆头部与中间梁连接，带动压头沿立柱滑动运行。在主缸的两侧设有辅助油缸，辅助油缸与中间梁联结，通过辅助油缸的快速动作实现压头的空行程快速动作。中间梁和上梁之间安装有直线位移传感器，用来精确记录中间梁的移动行程，便于实现自动压矫。主机底梁左右两侧分别设置两个主动滚轮，分别通过两台液压马达带动机体沿底部导轨横向移动，底部导轨埋设在基础内部。机体行走采用编码器精确记录行走行程，编码器与压轮联结，压轮压紧在机体底部导轨上，实时检测行走距离。

2.1.2 机内导轨

为高强度焊接式轨梁，主要用于承受矫直压力，同时为砧座装置及升降翻钢装置的导向，轨梁侧面安装有齿条，砧座及翻钢装置沿齿条横向移动。

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2.1.3 砧座装置

V 型支座采用燕尾槽固定在砧座底部，在矫直方扁钢时可快速更换平型支座。砧座的横移采用电机减速机驱动小齿轮，带动砧座整体沿机内导轨上的齿条横向移动。两个砧座的减速机分别安装有编码器，精确记录砧座的行走距离。砧座驱动电机通过交流变频器控制，以实现制动前的减速控制，到达制动位置的精确控制。

2.1.4 升降翻钢装置

采用油缸托举升降的方式，油缸设置在装置的内部，推举两个滚轮升起，将棒材托举升起。翻钢采用双滚轮回转方式，由一台电机经减速机、齿轮机构同时传动两个滚轮，以达到翻转圆钢的目的。行走机构由电机经减速机、齿轮传动，使升降翻钢装置沿机内导轨上的齿条作直线运动。翻钢装置的双滚轮上安装有编码器，实时记录棒材翻转的角度。在进行直线度检测的时候，使得棒材每一个时刻的弯曲情况和翻转的角度一一对应，从而实现了棒材直线度在线实时三维造影。为矫直机确定最大弯曲度以及后续确定矫直方案奠定基础。

2.1.5 在线直线度快速检测系统

该系统是基于光学影像技术的弯曲度在线检测系统，实现对钢坯的弯曲度及其最大弯曲位置的快速测量，并将测量结果以标准格式输出。该检测系统安装于压力校直机的侧上方，当来料被放置好以后，测量系统工作，检测来料的整体弯曲度以及最大弯曲度的位置。然后压力矫直机通过检测系统反馈的数据自动找到实施压矫点，由计算机系统采用既定的压矫方案实施压矫。完成矫直后，同时对矫直效果进行复检。本系统摆脱目前测试中人工目视操作和接触式机械测量的传统检测模式，将采用光电数字化技术实现测试过程的集成化、自动化、数字化、客观化。

在线直线度快速检测系统的主要技术指标:

测量范围非等径圆柱钢坯长度18 m，直径150～500 mm;

测量精度 0.08% ×长度;

测量时间单只不大于2 min。

在线直线度快速检测系统原理如图2 所示。测量过程中，被矫直工件运送到砧座装置上，升降翻钢机构升起，将棒材托起并均匀旋转，成像镜头和CCD组成的成像系统以预先设定的时间间隔进行图像采集。当工件转动一周，将采集到工件在不同旋转角度下(角度可由软件预先设定)的成像。对采集到的每一幅图像进行处理，得到工件在每一幅图像采集时旋转角度处的挠度值，并给出最大挠度截面所处的位置。数据处理系统给出的最大挠度界面位置信号传输到升降翻钢装置电机控制器，控制电机使工件将最大挠度运动到给定的位置，完成本工序的操作。在测量过程中，照明系统提供与成像系统相匹配的光场分布，光场的强弱分布可通过采集到的图像进行自动调节，也可进行手动调节。基准线发生器在测量过程中提供测量基准线。

图2 在线直线度快速检测系统原理图Fig.2 The schematic diagram of linearity detection on-line system

2.2 液压系统

液压系统设备由油箱装置、强制供油泵装置、主泵装置、控制泵及蓄能器装置、主控制阀台、辅助阀台、回油过滤及冷却装置和液压配管组成。

该液压系统采用伺服泵作为主矫直动力源，能根据负载的需要自动调节输出流量，有效节约系统功率，同时也确保主矫直缸闭环位置的准确性。控制泵具有无负荷启停功能，有效改善了泵的启停状况，有利于提高泵使用的寿命。主矫直泵出口设置有比例调压阀，能够根据负载需要设定系统压力，防止事故过压，以保护被矫直材料和机械设备。设有独特的主缸卸压回路，以减少高压时的换向冲击。采用大通径充液阀，以满足主缸空载进退时的速度要求。采用伺服泵控制整个校直机的行走，启停平稳，定位准确。

2.3 电气系统

该系统采用PLC 对机组的各动作进行控制，并采用计算机人机界面，参数设定、显示方便，工艺界面清晰。压力矫直机主操作台采用手柄式主令开关，操作安全可靠。触摸屏在操作台右手，方便操作观察。左手放置ET200M 分散站，右手放置计算机，触摸屏放置于台上，实践证明，此种操作方式，操作方便、安全可靠。

3 矫直工艺流程及特点

设备运行之前需要对整个压力矫直机组进行笛卡尔坐标系定位。首先选择一侧初始点作为零点，压力矫直机主机、升降翻钢机构和移动砧座都是以此为零点进行标定，建立坐标系统。来料通过天车吊运至砧座上，由升降翻钢装置和直线度检测系统联合作用快速检测来料原始弯曲度，根据原始弯曲度制定矫直方案，由压力矫直机主机自动实施压矫。整个检测和矫直过程耗时短、精度高。

4 现场使用情况

该设备自投产以来，设备运行状态良好，已经累计矫直8 万t 左右锻件，大大提升了该厂锻件的交货状态，同时提高了矫直产品的利用率。表1为部分矫直钢种的现场矫直情况。

整套设备使用3 年来，基本保持自动检测弯曲度、自动寻找压矫点、自动实施压矫，矫直精度达到1‰以内的合格率达到96%，产品矫直精度在2‰以内达到了100%，完全满足使用要求。在使用中发现棒材直径越小，棒材的来料弯曲度越大，而矫直以后的精度越差。如果要达到同样的矫直精度，需翻倍的提高矫直时间。所以针对直径较小的来料，在上游工艺控制上应该加强，同时在本矫直机中针对矫直效率和矫直精度需要寻找一个平衡点。