复合管环形油缸装置设计与应用

时间：2024-07-28

刘邯涛，吕江，杨鹏，叶明强

(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 313000)

0 引言

双金属复合管作为一种新型产品，是我国发展战略性新兴产业中高性能复合材料制造的不锈钢与碳钢复合的钢管产品。复合管在复合过程中，内壁管受压力作用后直径增大、长度缩短，引起了密封装置密封面的相对滑动，导致复合过程中密封泄露，我们提出并研发了环形油缸装置[1]，该装置是复合管液压成型设备领域的一种新型的自动跟随压力平衡的驱动控制装置[2]。

此新型的自动跟随压力平衡的驱动控制装置主要由机架、环形油缸装置、阀体、连接板、支撑滚轮、轨道等组成。其中为了将机架中心的增压装置位置预留出来，设计了环形油缸装置，该环形油缸[3]的内环为空心结构，伸出柱塞为整体环状结构[4]，应用于复合管机组增压自动跟随压力平衡系统部分[5]。此装置可以在液压复合管装置复合过程中，跟随复合轴向力的升高自动跟随并平衡由此产生的复合轴向力。本装置弥补了传统几个缸同时运动带来的控制精度及结构上同步性的不足[6]。

1 传统增压自动跟随压力平衡系统工作过程

传统的增压自动跟随压力平衡系统有多种，常见的一种为固定式平衡系统，如图1所示，即增压器中心和试压中心通过管路连接起来，不用直连方式，采用U型滑块上下运动，U型滑块受压后平衡复合管的轴向力。这种方式一般用于对小口径的钢管增压方式，它的优点是增压器与密封头分体，简化密封头结构，缺点是管路直径不会过大，压力等级不会太高；另一缺点为这种平衡方式只适应长度在轴向固定不变的增压模式，无法实现长度无极可调的跟随模式，在复合管成型使用过程中容易导致密封泄露[7]。

传统方式的另外一种形式为增压器直连式，如图2所示。增压器中心和试压中心完全重合，增压缸筒和密封头直接连接，随着需要增压复合的钢管的直径增大，直接连接的优势就显现出来。这种直连的方式可以满足增压自动跟随压力平衡系统。直连式增压可以增加进水口直径尺寸，提高了单位时间内进水量，进水效率高，但缺点是这种直连方式导致机架中心的密封头的平衡随压系统无法采用传统的柱塞缸完成，为了避开中心的进水增压缸筒，一般采用多个小的柱塞油缸均布在在增压缸筒周边，当需要压力平衡时，多个小直径的柱塞缸通过一个比例阀控制回路实现平衡压力跟随。多个柱塞缸均布的平衡随压系统虽然不占用中间的位置，但是多个柱塞缸在柱塞前进过程中同步性不好控制，柱塞前进的位移同步精度较难控制，不能满足复合管的高精度要求及同步性要求[8]；圆周均布的多个柱塞油缸在工作过程中易受力不均，导致连接板及机架均会承受倾翻力矩，最终引起连接板变形，降低连接板的使用寿命[9]。

图1 固定式平衡系统

图2 增压器直连式平衡系统

2 环形油缸装置自动跟随压力平衡系统工作原理及设计

环形油缸装置的组成见图3：环形油缸由6部件组成，其主要功能为序号2环形油缸装置通过连接装置和序号1机架连接；序号2环形油缸另一端推动连接板带动阀体依靠支撑滚轮在轨道上移动。序号4连接板和序号3阀体与序号2环形油缸装置通过连接装置连接后，一起放置在序号5支撑滚轮上。序号2、3、4、通过序号5支撑滚轮在序号6轨道上运动。阀体3的中心尺寸上下精度通过序号5支撑滚轮和序号6轨道调整上下的尺寸，阀体3的中心尺寸左右的精度通过序号4连接板调整，序号2环形油缸先快进至初始要求位置，然后工进至工控机要求位置。

环形油缸装置的特征：中心部分为空心装置，受力面为空心的环状。进油口为多个，并成角度布置，环形驱动装置压力通过控制系统能够可以跟随管内压力自动调整跟随。环形油缸的进油口为多个进油口，进油口尺寸变小，并且相互间呈现一定的角度。

图3 环形油缸装置平衡系统1.机架 2.环形油缸 3.阀体 4.连接板 5.支撑滚轮 6.轨道

环形油缸装置的工作原理如图4所示。环形油缸有两种进油管，一种为快进进油口，这种进油口共有3、4个，当油缸快进时，多个油口同时供油，当柱塞快进至工控机要求位置后，截止阀[10]自动关闭。另外一种进油口为柱塞工进进油口，连接油缸工进调整回路，用来控制油缸工进精确的位移。复合管内随着复合压力的升高，工控机根据油水比例关系通过自动调整回路的比例伺服阀[11]对环形油缸的液压油压力进行调整，使得阀体在复合管内成型压力升压过程中能够保持阀体和复合管内壁管的密封在复合管复合的过程中随着钢管长度发生变化而能够自动跟随。当压力达到设定要求值时，工进回路关闭比例阀，进行保压，达到设定时间后，工控机自动打开快进回路的截止阀，对油缸进行卸荷，并快速退回初始位置[12]。

图4 环形油缸装置工作原理

3 环形油缸的技术优点及应用效果

(1) 环形油缸装置与传统方式比较各项功能优越性明显。环形油缸装置解决了传统方式无法放置大直径油缸位置的问题；通过中间的环孔为增压装置留出了位置，弥补传统结构无法提供放置增压装置位置的不足。

环形油缸装置解决了放置若干小柱塞缸后多个缸同时动作时不能满足高精度的同步要求的问题。由于环形油缸采用整体式环形柱塞的驱动方式，同步跟随压力平衡性能良好，弥补多个柱塞缸均布在圆周的同步性不高的不足。环形油缸结构紧促，设计巧妙，受力面均匀，解决了设备中心受轴向力集中在机架中心，连接板、机架都不会产生倾翻力矩，机架受力性能良好。

(2) 环形油缸整体式驱动装置解决了进油口由于油缸启动瞬时进油量大，引起啸叫共鸣现象，因此设计了多个进油口进行同时进油的方案，通过减小进油口尺寸，改变进油口之间的角度，避免引起扰动，降低进油噪音[13-15]。图5为在某现场实际应用中所测数据，表明多口进油噪声较单口进油有明显下降。

图5 噪音测试比较

(3) 环形油缸在控制方面做了提升。在复合管管内压力升高后，通过伺服比例阀及工控机的PID控制方式[16]，环形驱动装置实现了自动平衡管内压力，并能够跟随管内平衡压力的变化自动调整适应，实现了精准跟随，具有了自动弥补由于复合过程中造成钢管长度变化的功能。图6为两种不同类型油缸同步性误差现场实测数据对比，可以发现环形油缸同步性误差有了大幅度的下降。

图6 同步性误差检测

(4) 环形油缸装置使用后，应用效果明显。复合管的密封效果明显改善，避免了由于密封泄露导致复合失效，良好的密封效果提高复合管的成品率10%～20%；环形油缸的平衡压力自动调整由于精度跟随准确，响应率提升了，使得环形油缸的预紧力减少5%～15%，减少了复合管外壁管在复合过程中承受较高的轴向预紧力，降低成品复合管弯曲概率。