CN104438990A - 一种大型立式复合轧环机及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种大型立式复合轧环机及控制方法。该轧环机包括机架、轧辊机构、左副轧辊机构、右副轧辊机构、芯辊机构和控制装置，控制装置用以控制轧辊机构、左、右副轧辊机构、轧辊机构和芯辊机构的运行，芯辊机构包括芯辊、固定支座、活动支座、芯辊底座、升降驱动装置，活动支座的下端与升降驱动装置相连，使活动支座上下移动，固定支座外侧连接有旋转驱动装置，可带动芯辊自旋转，旋转驱动装置外侧连接有定位挡板机构，并安装位移传感器实现了挡板精确定位。本发明可以用于大型复杂厚壁深槽类环件的自动复合轧制成形，对设备使用者具有显著的经济效益。

Description

一种大型立式复合轧环机及控制方法

技术领域

本发明属于立式热轧环机的技术领域，尤其涉及一种大型立式复合轧环机及控制方法。

背景技术

随着国民经济和国防建设的不断发展，大型复杂环件在工业中的使用比例越来越大，直径1米以上、具有复杂截面形状的大型厚壁深槽类环件，如双边法兰、高压球阀体、石油管道端接头和回转支承等在工程机械、电力、石油化工等领域被广泛应用。复合轧环工艺是成形此类环件的新技术，具有低耗、高效、优质成形等优点，该类环件的成形分为两个阶段：1)普通轧环阶段，环件在主动辊旋转和芯辊进给的作用下壁厚减小，直径扩大，凹槽初步成形，此阶段从动辊不参与环件的轧制成形；2)三辊横轧阶段，随着轧制的进行，从动辊开始与环件接触并参与轧制成形，此时环件直径不再扩大，在从动辊挤压作用下，环坯外表面金属沿径向填充轧辊型腔，逐渐成形凹槽。我国目前有各式小型复合轧环机数千台，然而现有复合轧环机无法满足直径1米以上的厚壁深槽类环件轧制生产的力能和空间尺寸要求，且复合轧环生产机械化、自动化程度较低，轧制过程主要靠人工目测和手动控制热轧环过程，即操作者根据实践经验来决定轧辊闭合速率、轧制力，相关厂家针对该类设备采用了简单的数显技术，但是缺乏控制模型，生产过程仍需要人工操作，不具备自动控制功能，因此亟需设计开发新型大型立式复合热轧环机及相关控制系统和方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种大型立式复合轧环机及控制方法，可实现立式复合轧环机的自动控制功能，生产出形状尺寸合格的大型厚壁深槽类环件。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种大型立式复合轧环机，包括机架、轧辊机构、左副轧辊机构、右副轧辊机构、芯辊机构和控制装置，所述轧辊机构包括辗压轮、滑块、轧辊油缸和轧辊电机，所述轧辊电机的输出轴通过万向联轴器与传动轴一端相连，所述传动轴的另一端与所述辗压轮相连，传动轴另一端端头与所述滑块相连，滑块与轧辊油缸的活塞杆相连，所述轧辊油缸设于所述机架的上横梁，滑块可在轧辊油缸驱动下沿设置于机架上的导轨上下滑动；所述左副轧辊机构包括左副轧辊和左副油缸，左副轧辊机构的径向中心线与所述机架的竖直中心线呈50°～60°夹角，所述左副轧辊与左副油缸的活塞杆相连，左副油缸安装在机架上；所述右副轧辊机构包括右副轧辊和右副油缸，右副轧辊机构的径向中心线与机架的竖直中心线呈60°～70°夹角，右副轧辊与右副油缸的活塞杆相连，右副油缸安装在机架上；所述芯辊机构的轴向中心线与机架的竖直中心线垂直相交，所述辗压轮设于芯辊机构的芯辊的正上方，左副轧辊机构的左副轧辊设于芯辊机构的芯辊的左下方，右副轧辊机构的右副轧辊设于芯辊机构的芯辊的右下方；所述控制装置用以控制所述轧辊机构、左副轧辊机构、右副轧辊机构和芯辊机构的运行，其特征在于，所述芯辊机构包括芯辊、固定支座、活动支座、芯辊底座、升降驱动装置，所述芯辊两端分别与所述固定支座、活动支座的上端相连，固定支座的下端固定于芯辊底座上平面的一端，活动支座的下端位于芯辊底座上平面的另一端，所述升降驱动装置安设于芯辊底座上平面中间位置，活动支座的下端与升降驱动装置相连，所述芯辊底座固定于所述机架的底座上平面；

所述控制装置包括PLC控制器、行程开关、传感器、液压阀组和比例阀，所述传感器包括位移传感器、压力传感器和温度传感器，所述滑块与第一位移传感器的输入端相连，所述左副油缸和右副油缸内分别安设第二位移传感器、第三位移传感器，第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器的输出端分别与PLC控制器的输入端相连；所述轧辊油缸与第一压力传感器的输入端相连，所述左副油缸与第二压力传感器的输入端相连，所述右副油缸与第三压力传感器的输入端相连，第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器的输出端分别与PLC控制器的输入端相连；所述温度传感器用以监测环件温度，温度传感器的输出端与PLC控制器的输入端相连；所述行程开关包括辗压轮行程开关、左副轧辊行程开关、右副轧辊行程开关、活动支座行程开关，所述行程开关分别安设于辗压轮、左副轧辊、右副轧辊和活动支座的行程两端的极限位置上，辗压轮行程开关、左副轧辊行程开关、右副轧辊行程开关、活动支座行程开关的输出端分别与PLC控制器的输入端相连；所述液压阀组分别设于所述轧辊油缸、左副油缸、右副油缸的油路上，液压阀组均与所述PLC控制器的输出端相连；所述比例阀包括安设于所述轧辊油缸油路上的比例调速阀和安设于左副油缸、右副油缸油路上的比例换向阀，所述比例调速阀和比例换向阀分别连接有比例放大器，所述比例放大器的输入端与PLC的输出端相连。

按上述方案，所述活动支座包括支撑锥套、活动支架和顶出装置，所述活动支架包括中间的三角连接板和上下两端的圆筒结构，上端圆筒轴线与所述芯辊轴线平行，下端圆筒轴线与芯辊轴线垂直，下端圆筒外壁连接摆臂，所述摆臂与所述升降驱动装置相连；所述顶出装置与上端圆筒外侧端面相连；所述下端圆筒通过转轴分别于对称设置于芯辊底座上平面两侧的支撑座相铰接；所述支撑锥套为一端开口的内腔为锥形的套筒，安设于所述上端圆筒内腔中心位置，支撑锥套与上端圆筒和顶出装置分别通过轴承相连接，支撑锥套外套于所述芯辊的一端，支撑锥套与芯辊相配置。

按上述方案，所述顶出装置包括顶出油缸、油缸端盖和顶出活塞杆，所述顶出油缸一端与所述油缸端盖相连，另一端与所述上端圆筒外侧端面相连，所述顶出活塞杆安设于顶出油缸内腔，顶出活塞杆依次穿过顶出油缸内侧端面中心位置的通孔及所述支撑锥套内侧端面中心位置的通孔，进入支撑锥套内腔；所述摆臂为相对下端圆筒中心对称安设的两个下端开有通孔的臂板，所述升降驱动装置为活塞式油缸，油缸的活塞杆端头位于所述两个臂板中间并通过转轴相铰接，油缸安装于芯辊底座上平面设置的油缸底座上；所述顶出油缸和活塞式油缸的油路上均设有液压阀组，所述液压阀组均与所述PLC控制器的输出端相连。

按上述方案，所述固定支座包括连接套、固定支架和旋转驱动装置，所述固定支架包括底部固定于所述芯辊底座上平面的三角连接板和三角连接板顶部的圆筒，所述圆筒轴线与所述芯辊轴线平行；所述连接套为内侧一端设有凸缘的圆柱套筒，连接套外套于所述芯辊的另一端，连接套内侧通过芯辊的台阶定位，连接套外侧通过芯辊另一端端头的锁紧螺母定位，连接套设于所述圆筒的中心位置并通过轴承相连；所述旋转驱动装置包括箱体、液压马达、减速器主动齿轮、减速器从动齿轮，所述箱体内侧开口的端面与所述圆筒外侧端面相连，所述液压马达安装于箱体下部外壁上，液压马达的传动轴穿过箱体外壁进入箱体内腔，所述减速器主动轮安装于所述传动轴上，所述减速器从动轮外套于所述连接套外侧圆周面并与减速器主动轮相联动，减速器从动轮内侧通过连接套外侧台阶定位，减速器从动轮外侧通过设于连接套圆周面上的锁紧螺母定位。

按上述方案，还包括定位挡板机构，所述定位挡板机构包括开有中心通孔的定位板、两根导向杆、定位油缸、导向杆支架、第四位移传感器和传感器支架，所述芯辊穿过定位板中心通孔，定位板位于所述活动支座及固定支座之间，定位板两侧开有通孔分别与所述两根导向杆一端相连，导向杆另一端与所述导向杆支架相连，导向杆支架为梯形折弯板，所述折弯板的梯形两边的端部均设有凸边，所述凸边的中心位置开有通孔与所述导向杆另一端相连；所述定位油缸安设于所述箱体外侧的中心位置，定位油缸的活塞杆的端头与所述导向杆支架内侧中心相连，油缸外壁设有向上的安装支座，定位油缸的油路上设有液压阀组，所述液压阀组与所述PLC控制器输出端相连；所述传感器支架设于所述导向杆支架的外侧，所述第四位移传感器一端通过销轴与所述安装支座铰接，第四位移传感器另一端与传感器支架的上部相连，第四位移传感器外侧端面上连接有传感器罩，所述传感器罩外罩于第四位移传感器输出端，第四位移输出端与所述PLC控制器输入端相连。

按上述方案，所述定位板底部设有螺孔，所述螺孔口位于定位板底部端面，螺孔连接“L”型冷却管的竖直管管口，竖直管管口与螺孔之间形成空腔，所述“L”型冷却管的水平管穿过所述固定支架的三角连接板，水平管管口连接冷却液容器，所述螺孔向定位板外侧端面开有数个倾斜向下的孔道。

1.采用上述一种大型立式复合轧环机进行复合轧环的控制方法，其特征在于，一种大型立式复合轧环机的控制方法，其特征在于，首先根据环件和各轧辊的几何参数得到所述左副轧辊、右副轧辊和定位挡板的位置、主轧辊快进和工进的进给量，可根据公式L₁＝L₁₀-(R_mmid+R₀)计算确定所述辗压轮快进的位移量L₁，其中：L₁₀—辗压轮起点到芯辊中心距离，R_mmid—辗压轮凹槽凸台外圆半径；

假设轧制终止时刻环件直径方向刚好与所述辗压轮及芯辊中心连线重合，根据环件与各轧辊的几何关系来确定环件不发生偏心时右副轧辊位移量L₄₁，在实际的轧制过程中，环件会在轧制末期发生轻微偏心，实际的右副轧辊的位移量L₄＝L₄₁+Δ，Δ＝0～30mm，设右副轧辊此刻圆心坐标为(x_R，y_R)有如下关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_R^2+{[y_R-(R_{\mathrm{in}}-R_i)]}^2={(R_{\mathrm{out}}+R_{\mathrm{Pin}})}^2\\ y_R=\tan (\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\β})\·x_R\\ L_{41}=\sqrt{{(x_R-L_{40}\sin \mathrm{\β})}^2+{(y_R+L_{40}\cos \mathrm{\β})}^2}\end{array}\right.,$ 其中：R_in—成形环件内半径，R_i—芯辊半径，R_out—成形环件外半径，R_pin—左副轧辊和右副轧辊内半径，L₄₀—右副轧辊起点到芯辊中心距离，β—右副轧辊中心与芯辊中心连线与竖直方向夹角；

右副轧辊的位移量L4确定后，根据环件与各轧辊的几何位置关系确定环件圆心坐标(x_o，y_o)，有如下关系式： $\left\{\begin{array}{c}{x}_R=L_4\sin \mathrm{\β}\\ y_R=-L_4\cos \mathrm{\β}\\ {(x_o-x_R)}^2+{(y_o+y_R)}^2={(R_{\mathrm{out}}+R_{\mathrm{Pin}})}^2\\ x_o^2+y_o^2={(R_{\mathrm{in}}-R_i)}^2\end{array}\right.,$ 环件圆心坐标(x_o，y_o)确定后，设左副轧辊此刻圆心坐标为(x_L，y_L)，根据如下关系式得出实际的右副轧辊的位移量L₃， $\left\{\begin{array}{c}{(x_L-x_o)}^2+{(y_L-y_o)}^2={(R_{\mathrm{out}}+R_{\mathrm{Pin}})}^2\\ y_L=\tan (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\α})\·x_L\\ L_3=\sqrt{{(x_L+L_{30}\sin \mathrm{\α})}^2+{(y_L+L_{30}\cos \mathrm{\α})}^2}\end{array}\right.,$ 其中：L₃₀—左副轧辊起点到芯辊中心距离，α—左副轧辊中心与芯辊中心连线与竖直方向夹角；

设主辗压轮圆心坐标为(0，y_m)，根据如下关系式确定辗压轮的工进进给量L₂，

$\left\{\begin{array}{c}{x}_o^2+{(y_m-y_o)}^2={(R_{\mathrm{out}}+R_{\min })}^2\\ L_2=(L_{10}-L_1)-y_m=(R_{\mathrm{mmid}}+R_0)-y_m\end{array}\right.,$ 其中：R_min—辗压轮内半径；

其次，预设辗压轮、左副轧辊、右副轧辊和定位板的原点位置值，各轧辊快进转慢速定位位置值，以及各轧辊终轧位置值，在PLC控制器监测到辗压轮和左副轧辊、右副轧辊均在原点位置后，将毛坯环件套在芯辊上，PLC控制器启动轧辊电机，同时向活塞式油缸的液压阀组传达指令，活塞式油缸推动摆臂到达竖直中位，活动支架旋转上升，支撑锥套外套于芯辊端部，PLC控制器向定位油缸的液压阀组传达指令，定位油缸推动定位板移动进而将毛坯环件推至预定位置，PLC控制器向左副油缸、右副油缸的液压阀组传达指令，推动左副轧辊、右副轧辊快速上行至快进转慢速定位位置，PLC控制器向左副油缸、右副油缸油路上的比例放大器传达指令，通过控制左副油缸、右副油缸油路上的比例换向阀，使左副轧辊、右副轧辊慢速移动至预设的终轧位置；

此时，PLC控制器向轧辊油缸的液压阀组发出指令，控制辗压轮快下到达快进转慢速定位位置值时，即进入了普通轧环阶段，PLC发出指令启动液压马达，芯辊旋转，PLC控制器向轧辊油缸油路上的比例放大器传达指令，控制比例调速阀的流量，从而精确控制辗压轮的进给速度和位置，当毛坯环件表面与左副轧辊、右副轧辊接触后，PLC控制器控制辗压轮继续慢速进给至预设的终轧位置，使环件的凹槽成形，PLC控制器向轧辊油缸的液压阀组发出指令，辗压轮停止进给，毛坯环件在三辊作用下整圆，进一步提高其圆度和凹槽轮廓形状质量；

PLC控制器向轧辊油缸的液压阀组发出指令，驱动辗压轮快速返回至原点，PLC控制器驱动活塞式油缸推动摆臂到达倾斜侧位，活动支架旋转下降，同时，PLC控制器向顶出油缸油路上的液压阀组发出指令，驱动顶出活塞杆向芯辊施加推力，使支撑锥套脱离芯辊端部，PLC控制器驱动左副轧辊、右副轧辊回到原点位置，将轧制成形的环件从芯辊上卸下，完成此次环件复合轧制，同时也为下一个环件的复合轧制做好准备；在整个过程中，PLC控制器实时监测压力传感器和温度传感器，测量复合轧环过程中各轧辊的轧制力，一旦发现各轧辊轧制力超过系统所能提供的最大轧制力能范围，或者环件温度超出锻件可锻温度范围，PLC控制器将使各液压阀组失电，进而中断轧制进程，以保护设备。

本发明的有益效果是：1、可以用于大型复杂厚壁深槽类环件的自动复合轧制成形，对设备使用者具有显著的经济效益；2、采用位移传感器精确监测各轧辊的运动，提高了环件精度，节约原材料，降低后续的机加工切削用量，提高大型复杂厚壁深槽类环件的机械性能；3、采用了主动旋转装置，解决了大型立式复合轧环机生产中因环坯过重或环坯内外圆偏心导致的环坯无法顺利咬入孔型的问题，减少废品损失；4、设计了芯辊活动支座，用于防止芯辊在轧制力的作用下产生轴向变形，芯辊活动支座设计有摆臂和脱开装置，为上下料让出了空间，实现了坯料与成品的竖直进出，降低了上下料难度，有利于组成生产线实现自动化的上下料；5、在芯辊轴承座一端设置有环件毛坯定位装置，可保证环件毛坯相对于各轧辊的初始轧制位置以及在轧制过程中不会沿轴向发生窜动。

附图说明

图1为本发明一个实施例的正视图。

图2为本发明一个实施例的侧视图。

图3为本发明一个实施例的芯辊机构结构示意图。

图4为图3的剖视图。

图5为本发明一个实施例的辗压轮快进量确定示意图。

图6为本发明一个实施例的环件不发生偏心时左右副轧辊位置确定示意图。

图7为本发明一个实施例的环件发生偏心时左右副轧辊位置确定示意图。

图8为本发明一个实施例的控制装置流程图。

其中：1.芯辊，2.固定支架，3.活动支架，4.芯辊底座，5.支撑锥套，6.顶出装置，7.摆臂，8.支撑座，9.转轴，10.顶出油缸，11.油缸端盖，12.顶出活塞杆，13.活塞式油缸，14.连接套，15.旋转驱动装置，16.锁紧螺母，17.箱体，18.液压马达，19.减速器主动齿轮，20.减速器从动齿轮，21.定位板，22.导向杆，23.定位油缸，24.导向杆支架，25.传感器支架，26.安装支座，27.传感器罩，28.螺孔，29.冷却管，30.孔道，31.辗压轮，32.环件，33.左副轧辊，34.右副轧辊，35.轧辊油缸，36.机架，37.滑块，38.万向联轴器，39.轧辊电机，40.第一位移传感器，41.第二位移传感器，42.第三位移传感器，43.第四位移传感器，44.左副油缸，45.右副油缸。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1、2所示，一种大型立式复合轧环机，包括机架36、轧辊机构、左副轧辊机构、右副轧辊机构、芯辊机构和控制装置，所述轧辊机构包括辗压轮31、滑块37、轧辊油缸35和轧辊电机39，轧辊电机39的输出轴通过万向联轴器38与传动轴一端相连，传动轴的另一端与辗压轮31相连，传动轴另一端端头与滑块37相连，滑块37与轧辊油缸35的活塞杆相连，轧辊油缸35设于机架36的上横梁，滑块可在轧辊油缸驱动下沿设置于机架上的导轨上下滑动，左副轧辊机构包括左副轧辊33和左副油缸44，左副轧辊机构的径向中心线与机架的竖直中心线呈50°～60°夹角，左副轧辊33与左副油缸44的活塞杆相连，左副油缸44安装在机架36上；右副轧辊机构包括右副轧辊34和右副油缸45，右副轧辊机构的径向中心线与机架的竖直中心线呈60°～70°夹角，右副轧辊34与右副油缸45的活塞杆相连，右副油缸45安装在机架36上；芯辊机构的轴向中心线与机架的竖直中心线垂直相交，辗压轮设于芯辊机构的芯辊1的正上方，左副轧辊33设于芯辊的左下方，右副轧辊34设于芯辊的右下方；控制装置用以控制轧辊机构、左副轧辊机构、右副轧辊机构和芯辊机构的运行；芯辊机构包括芯辊1、固定支座、活动支座、芯辊底座4、升降驱动装置，芯辊1两端分别与固定支座、活动支座的上端相连，固定支座的下端固定于芯辊底座4上平面的一端，活动支座的下端位于芯辊底座4上平面的另一端，升降驱动装置安设于芯辊底座上平面中间位置，活动支座的下端与升降驱动装置相连，芯辊底座固定于机架36的底座上平面；所述控制装置包括PLC控制器、行程开关、传感器、液压阀组和比例阀；传感器包括位移传感器、压力传感器和温度传感器，滑块37与第一位移传感器40的输入端相连，左副油缸44和右副油缸45内分别安设第二位移传感器41、第三位移传感器42，第一位移传感器40、第二位移传感器41、第三位移传感器42的输出端分别与PLC控制器的输入端相连，轧辊油缸35与第一压力传感器的输入端相连，左副油缸44与第二压力传感器的输入端相连，右副油缸45与第三压力传感器的输入端相连，第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器的输出端分别与PLC控制器的输入端相连；温度传感器用以监测环件温度，温度传感器的输出端与PLC控制器的输入端相连；行程开关包括辗压轮行程开关、左副轧辊行程开关、右副轧辊行程开关、活动支座行程开关，行程开关分别安设于辗压轮、左副轧辊、右副轧辊和活动支座的行程两端的极限位置上，辗压轮行程开关、左副轧辊行程开关、右副轧辊行程开关、活动支座行程开关的输出端分别与PLC控制器的输入端相连；液压阀组分别设于轧辊油缸、左副油缸、右副油缸的油路上，液压阀组均与PLC控制器输出端相连；比例阀包括安设于轧辊油缸油路上的比例调速阀和安设于左副油缸油路、右副油缸油路上的比例换向阀，比例调速阀和比例换向阀分别连接有比例放大器，比例放大器的输入端与PLC的输出端相连。

如图3、4所示，活动支座包括支撑锥套5、活动支架3和顶出装置6，活动支架3包括中间的三角连接板和上下两端的圆筒结构，活动支架3的上端圆筒轴线与芯辊1的轴线平行，活动支架3的下端圆筒轴线与芯辊的轴线垂直，下端圆筒外壁连接摆臂7，摆臂7与升降驱动装置相连；顶出装置6与上端圆筒外侧端面连接；下端圆筒通过转轴分别于对称设置于芯辊底座上平面两侧的支撑座8相铰接；支撑锥套5为一端开口的内腔为锥形的套筒，安设于所述上端圆筒内腔中心位置，支撑锥套与上端圆筒和顶出装置分别通过轴承相连接，支撑锥套外套于所述芯辊的一端，支撑锥套与芯辊相配置。

顶出装置6包括顶出油缸10、油缸端盖11和顶出活塞杆12，顶出油缸10一端与油缸端盖11相连，另一端与活动支架3的上端圆筒外侧端面相连，顶出活塞杆12安设于顶出油缸内腔，顶出活塞杆依次穿过顶出油缸内侧端面中心位置的通孔及支撑锥套5内侧端面中心位置的通孔，进入支撑锥套内腔，摆臂7为相对活动支架3的下端圆筒中心对称安设的两个下端开有通孔的臂板，升降驱动装置为活塞式油缸13，活塞式油缸13的活塞杆端头位于两个臂板中间并通过转轴9相铰接，活塞式油缸安装于芯辊底座4上平面设置的油缸底座上。

固定支座包括连接套14、固定支架2和旋转驱动装置15，固定支架2包括底部固定于芯辊底座4上平面的三角连接板和三角连接板顶部的圆筒，圆筒轴线与芯辊1的轴线平行；连接套14为内侧一端设有凸缘的圆柱套筒，连接套外套于芯辊的另一端，连接套内侧通过芯辊的台阶定位，连接套外侧通过芯辊另一端端头的锁紧螺母16定位，连接套设于圆筒的中心位置并通过轴承相连；旋转驱动装置15包括箱体17、液压马达18、减速器主动齿轮19、减速器从动齿轮20，箱体17的内侧开口的端面与圆筒外侧端面相连，液压马达18安装于箱体下部外壁上，液压马达的传动轴穿过箱体外壁进入箱体内腔，减速器主动轮19安装于传动轴上，减速器从动轮20外套于连接套外侧圆周面并与减速器主动轮相联动，减速器从动轮内侧通过连接套外侧台阶定位，减速器从动轮外侧通过设于连接套圆周面上的锁紧螺母16定位。

还包括定位挡板机构，定位挡板机构包括开有中心通孔的定位板21、两根导向杆22、定位油缸23、导向杆支架24、第四位移传感器43和传感器支架25，芯辊1穿过定位板21的中心通孔，定位板位于活动支座及固定支座之间，定位板两侧开有通孔分别与两根导向杆22的一端相连，导向杆另一端与导向杆支架24相连，导向杆支架为梯形折弯板，折弯板的梯形两边的端部均设有凸边，凸边的中心位置开有通孔与导向杆另一端相连；定位油缸23安设于箱体17外侧的中心位置，定位油缸的活塞杆的端头与导向杆支架内侧中心相连，油缸外壁设有向上的安装支座26；传感器支架25设于导向杆支架24的外侧，第四位移传感器43的一端通过销轴与安装支座铰接，第四位移传感器另一端与传感器支架的上部相连，传感器外侧端面上连接有传感器罩27，传感器罩27外罩于传感器输出端，保证信号的输出效果，定位挡板机构可保证环件毛坯相对于各轧辊的初始轧制位置以及在轧制过程中不会沿轴向发生窜动。

定位板21底部设有螺孔28，螺孔口位于定位板底部端面，螺孔连接“L”型冷却管29的竖直管管口，竖直管管口与螺孔之间形成空腔，“L”型冷却管的水平管穿过固定支架2的三角连接板，水平管管口连接冷却液容器，螺孔向定位板外侧端面开有数个倾斜向下的孔道30。

芯辊1的右端插入固定支架2的连接套14内，连接套依次通过轴承、锁紧螺母16安装在固定支架2的圆筒内，液压马达18的输出轴带动连接减速器主动轮19旋转，减速器从动轮20随之发生转动，进而带动连接套及芯辊自旋转，当环件内孔线速度超过液压马达提供的转速时，可通过液压回路释放多余的液压油。在箱体17的外侧段面上安装定位挡板机构，由定位油缸23通过两根导向杆22推动定位板沿与芯辊轴向来回运动，并安装了第四位移传感器43，以实现定位板的精确定位，在定位板上设置有冷却螺孔28，可接入冷却管29，通过孔道30向外喷洒冷却液，用来冷却芯辊。

芯辊1左端插入支撑锥套5中，通过轴承安装在活动支架3的上端圆筒内，活动支架3由安装在芯辊底座4上的活塞式油缸13通过活塞杆推动其绕转轴9转动，实现活动支架的升降，在上下料时，顶出油缸10的顶出活塞杆12将芯辊1与活动支架3脱开，由活塞式油缸推动摆臂7使活动支架下降，在轧制过程中，由活塞式油缸推动摆臂使活动支架上升，活动支架与芯辊的端部闭合，实现了坯料与成品的竖直进出，降低了上下料难度，有利于组成生产线实现自动化的上下料。

如图8所示，采用上述一种大型立式复合轧环机进行复合轧环的控制流程：

1)各轧辊位移量控制的计算，环件产品确定后，根据体积不变原理设计出毛坯环件尺寸，如图5所示，建立以原点为芯辊1中心的直角坐标系，将辗压轮31从起点位置移动至凹槽凸台外圆面接触时环坯的位移量，即可确定辗压轮快进的位移量L₁，

L₁＝L₁₀-(R_mmid+R₀)

式中：L₁—辗压轮快进位移量，L₁₀—辗压轮起点到芯辊中心距离，R_mmid—辗压轮凹槽凸台外圆半径，R₀—环件毛坯外半径；

假设轧制终止时刻环件直径方向刚好与辗压轮及芯辊的中心连线重合，根据环件与各轧辊的几何关系来确定环件不发生偏心时右副轧辊位移量L₄₁，在实际的轧制过程中，环件会在轧制末期发生轻微偏心，实际的右副轧辊的位移量L₄＝L₄₁+Δ，Δ＝0～30mm，具体可根据图6所示的环件与各轧辊的几何关系来确定，设右副轧辊此刻圆心坐标为(x_R，y_R)则有如下关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_R^2+{[y_R-(R_{\mathrm{in}}-R_i)]}^2={(R_{\mathrm{out}}+R_{\mathrm{Pin}})}^2\\ y_R=\tan (\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\β})\·x_R\\ L_{41}=\sqrt{{(x_R-L_{40}\sin \mathrm{\β})}^2+{(y_R+L_{40}\cos \mathrm{\β})}^2}\end{array}\right.,$

式中：R_in—成形环件内半径，R_i—芯辊半径，R_out—成形环件外半径，R_pin—左右副轧辊内半径，L₄₀—右副轧辊起点到芯辊中心距离，β—右副轧辊中心与芯辊中心连线与竖直方向夹角；

实际轧制过程中，右副轧辊的位移量L₄的确定方法：只需要L₄稍大于等于L₄₁即可，此时环件会在轧制末期发生轻微偏心。但是L₄不能太大，否则环件会发生严重偏心，进而影响环件圆度。右副轧辊的位移量L₄确定后，根据图7所示环件与各轧辊的几何位置关系确定环件圆心坐标(x_o，y_o)，有如下关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_R=L_4\sin \mathrm{\β}\\ y_R=-L_4\cos \mathrm{\β}\\ {(x_o-x_R)}^2+{(y_o+y_R)}^2={(R_{\mathrm{out}}+R_{\mathrm{Pin}})}^2\\ x_o^2+y_o^2={(R_{\mathrm{in}}-R_i)}^2\end{array}\right.,$ 环件圆心坐标(x_o，y_o)确定后，设左副轧辊此刻圆心坐标为(x_L，y_L)，根据如下关系式得出实际的右副轧辊的位移量L₃，

$\left\{\begin{array}{c}{(x_L-x_o)}^2+{(y_L-y_o)}^2={(R_{\mathrm{out}}+R_{\mathrm{Pin}})}^2\\ y_L=\tan (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\α})\·x_L\\ L_3=\sqrt{{(x_L+L_{30}\sin \mathrm{\α})}^2+{(y_L+L_{30}\cos \mathrm{\α})}^2}\end{array}\right.,$ 其中：L₃₀—左副轧辊起点到芯辊中心距离，

α—左副轧辊中心与芯辊中心连线与竖直方向夹角；

设主辗压轮圆心坐标为(0，y_m)，根据如下关系式确定辗压轮的工进进给量L₂，

$\left\{\begin{array}{c}{x}_o^2+{(y_m-y_o)}^2={(R_{\mathrm{out}}+R_{\min })}^2\\ L_2=(L_{10}-L_1)-y_m=(R_{\mathrm{mmid}}+R_0)-y_m\end{array}\right.,$ 其中：R_min—辗压轮内半径；

2)复合轧环前的准备阶段，预设辗压轮31、左副轧辊33、右副轧辊34和定位板21的原点位置值，各轧辊快进转慢速定位位置值，以及各轧辊终轧位置值，PLC控制器控制各机构回原位；

3)上料阶段，将预先准备好的环件毛坯加热至可锻温度，PLC控制器监测到辗压轮和左、右副轧辊均在原点位置后，将毛坯环件套在芯辊1上，PLC控制器启动轧辊电机39，同时向活塞式油缸13的液压阀组传达指令，活塞式油缸推动摆臂7到达竖直中位，活动支架3旋转上升，支撑锥套5外套于芯辊1的端部，PLC控制器向定位油缸23的液压阀组传达指令，定位油缸推动定位板移动进而将毛坯环件推至预定位置，使毛坯环件端面与定位板端面贴合，PLC控制器向左、右副油缸的液压阀组传达指令，推动左、右副轧辊快速上行至快进转慢速定位位置，PLC控制器向左、右副油缸油路上的比例放大器传达指令，通过控制左、右副油缸油路上的比例换向阀，使左、右副轧辊慢速移动至预设的终轧位置；

4)普通轧环阶段，PLC控制器向轧辊油缸35的液压阀组发出指令，控制辗压轮31快下到达快进转慢速定位位置值时，PLC控制器发出指令启动液压马达18，芯辊1旋转带动环件毛坯主动转动，使环件毛坯被连续咬入辗压轮与芯辊之间的孔型，产生轧制变形，使得环件壁厚变薄，外径增大，同时初步成形凹槽截面轮廓形状，此阶段左、右副轧辊不参与环件的轧制成形，PLC控制器向轧辊油缸油路上的比例放大器传达指令，控制比例调速阀的流量，从而精确控制辗压轮的进给速度和位置；

5)三辊横轧阶段，当毛坯环件表面与左、右副轧辊接触后，左、右副轧辊开始与环件参与轧制成形，此时环件直径不再扩大，在左、右副轧辊挤压作用下，环坯外表面金属沿径向填充轧辊型腔，PLC控制器控制辗压轮继续慢速进给至预设的终轧位置，使环件的凹槽成形；

6)轧制终止阶段，PLC控制器向轧辊油缸35的液压阀组发出指令，辗压轮31停止进给，毛坯环件在三辊作用下整圆，进一步提高其圆度和凹槽轮廓形状质量；

7)下料阶段，PLC控制器向轧辊油缸35的液压阀组发出指令，驱动辗压轮31快速返回至原点，PLC控制器驱动活塞式油缸13推动摆臂7到达倾斜侧位，活动支架3旋转下降，同时，PLC控制器向顶出油缸10的油路上的液压阀组发出指令，驱动顶出活塞杆12向芯辊1施加推力，使支撑锥套5脱离芯辊端部，PLC控制器驱动左、右副轧辊回到原点位置，将轧制成形的环件从芯辊上卸下，完成此次环件复合轧制，同时也为下一个环件的复合轧制做好准备；在整个过程中，PLC控制器实时监测压力传感器和温度传感器，测量复合轧环过程中各轧辊的轧制力，一旦发现各轧辊轧制力超过系统所能提供的最大轧制力能范围，或者环件温度超出锻件可锻温度范围，PLC控制器将使各液压阀组失电，进而中断轧制进程，以保护设备。

Claims (7)

1.一种大型立式复合轧环机，包括机架、轧辊机构、左副轧辊机构、右副轧辊机构、芯辊机构和控制装置，所述轧辊机构包括辗压轮、滑块、轧辊油缸和轧辊电机，所述轧辊电机的输出轴通过万向联轴器与传动轴一端相连，所述传动轴的另一端与所述辗压轮相连，传动轴另一端端头与所述滑块相连，滑块与轧辊油缸的活塞杆相连，所述轧辊油缸设于所述机架的上横梁，滑块可在轧辊油缸驱动下沿设置于机架上的导轨上下滑动；所述左副轧辊机构包括左副轧辊和左副油缸，左副轧辊机构的径向中心线与所述机架的竖直中心线呈50°～60°夹角，所述左副轧辊与左副油缸的活塞杆相连，左副油缸安装在机架上；所述右副轧辊机构包括右副轧辊和右副油缸，右副轧辊机构的径向中心线与机架的竖直中心线呈60°～70°夹角，右副轧辊与右副油缸的活塞杆相连，右副油缸安装在机架上；所述芯辊机构的轴向中心线与机架的竖直中心线垂直相交，所述辗压轮设于芯辊机构的芯辊的正上方，左副轧辊机构的左副轧辊设于芯辊机构的芯辊的左下方，右副轧辊机构的右副轧辊设于芯辊机构的芯辊的右下方；所述控制装置用以控制所述轧辊机构、左副轧辊机构、右副轧辊机构和芯辊机构的运行，其特征在于，所述芯辊机构包括芯辊、固定支座、活动支座、芯辊底座、升降驱动装置，所述芯辊两端分别与所述固定支座、活动支座的上端相连，固定支座的下端固定于芯辊底座上平面的一端，活动支座的下端位于芯辊底座上平面的另一端，所述升降驱动装置安设于芯辊底座上平面中间位置，活动支座的下端与升降驱动装置相连，所述芯辊底座固定于所述机架的底座上平面；

所述控制装置包括PLC控制器、行程开关、传感器、液压阀组和比例阀，所述传感器包括位移传感器、压力传感器和温度传感器，所述滑块与第一位移传感器的输入端相连，所述左副油缸和右副油缸内分别安设第二位移传感器、第三位移传感器，第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器的输出端分别与PLC控制器的输入端相连；所述轧辊油缸与第一压力传感器的输入端相连，所述左副油缸与第二压力传感器的输入端相连，所述右副油缸与第三压力传感器的输入端相连，第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器的输出端分别与PLC控制器的输入端相连；所述温度传感器用以监测环件温度，温度传感器的输出端与PLC控制器的输入端相连；所述行程开关包括辗压轮行程开关、左副轧辊行程开关、右副轧辊行程开关、活动支座行程开关，所述行程开关分别安设于辗压轮、左副轧辊、右副轧辊和活动支座的行程两端的极限位置上，辗压轮行程开关、左副轧辊行程开关、右副轧辊行程开关、活动支座行程开关的输出端分别与PLC控制器的输入端相连；所述液压阀组分别设于所述轧辊油缸、左副油缸、右副油缸的油路上，液压阀组均与所述PLC控制器的输出端相连；所述比例阀包括安设于所述轧辊油缸油路上的比例调速阀和安设于左副油缸、右副油缸油路上的比例换向阀，所述比例调速阀和比例换向阀分别连接有比例放大器，所述比例放大器的输入端与PLC的输出端相连。

2.根据上述权利要求1所述的一种大型立式复合轧环机，其特征在于，所述活动支座包括支撑锥套、活动支架和顶出装置，所述活动支架包括中间的三角连接板和上下两端的圆筒结构，上端圆筒轴线与所述芯辊轴线平行，下端圆筒轴线与芯辊轴线垂直，下端圆筒外壁连接摆臂，所述摆臂与所述升降驱动装置相连；所述顶出装置与上端圆筒外侧端面相连；所述下端圆筒通过转轴分别于对称设置于芯辊底座上平面两侧的支撑座相铰接；所述支撑锥套为一端开口的内腔为锥形的套筒，安设于所述上端圆筒内腔中心位置，支撑锥套与上端圆筒和顶出装置分别通过轴承相连接，支撑锥套外套于所述芯辊的一端，支撑锥套与芯辊相配置。

3.根据权利要求2所述的一种大型立式复合轧环机，其特征在于，所述顶出装置包括顶出油缸、油缸端盖和顶出活塞杆，所述顶出油缸一端与所述油缸端盖相连，另一端与所述上端圆筒外侧端面相连，所述顶出活塞杆安设于顶出油缸内腔，顶出活塞杆依次穿过顶出油缸内侧端面中心位置的通孔及所述支撑锥套内侧端面中心位置的通孔，进入支撑锥套内腔；所述摆臂为相对下端圆筒中心对称安设的两个下端开有通孔的臂板，所述升降驱动装置为活塞式油缸，油缸的活塞杆端头位于所述两个臂板中间并通过转轴相铰接，油缸安装于芯辊底座上平面设置的油缸底座上；所述顶出油缸和活塞式油缸的油路上均设有液压阀组，所述液压阀组均与所述PLC控制器的输出端相连。

4.根据权利要求1或2所述的一种大型立式复合轧环机，其特征在于，所述固定支座包括连接套、固定支架和旋转驱动装置，所述固定支架包括底部固定于所述芯辊底座上平面的三角连接板和三角连接板顶部的圆筒，所述圆筒轴线与所述芯辊轴线平行；所述连接套为内侧一端设有凸缘的圆柱套筒，连接套外套于所述芯辊的另一端，连接套内侧通过芯辊的台阶定位，连接套外侧通过芯辊另一端端头的锁紧螺母定位，连接套设于所述圆筒的中心位置并通过轴承相连；所述旋转驱动装置包括箱体、液压马达、减速器主动齿轮、减速器从动齿轮，所述箱体内侧开口的端面与所述圆筒外侧端面相连，所述液压马达安装于箱体下部外壁上，液压马达的传动轴穿过箱体外壁进入箱体内腔，所述减速器主动轮安装于所述传动轴上，所述减速器从动轮外套于所述连接套外侧圆周面并与减速器主动轮相联动，减速器从动轮内侧通过连接套外侧台阶定位，减速器从动轮外侧通过设于连接套圆周面上的锁紧螺母定位。

5.根据权利要求4所述的一种大型立式复合轧环机，其特征在于，还包括定位挡板机构，所述定位挡板机构包括开有中心通孔的定位板、两根导向杆、定位油缸、导向杆支架、第四位移传感器和传感器支架，所述芯辊穿过定位板中心通孔，定位板位于所述活动支座及固定支座之间，定位板两侧开有通孔分别与所述两根导向杆一端相连，导向杆另一端与所述导向杆支架相连，导向杆支架为梯形折弯板，所述折弯板的梯形两边的端部均设有凸边，所述凸边的中心位置开有通孔与所述导向杆另一端相连；所述定位油缸安设于所述箱体外侧的中心位置，定位油缸的活塞杆的端头与所述导向杆支架内侧中心相连，油缸外壁设有向上的安装支座，定位油缸的油路上设有液压阀组，所述液压阀组与所述PLC控制器输出端相连；所述传感器支架设于所述导向杆支架的外侧，所述第四位移传感器一端通过销轴与所述安装支座铰接，第四位移传感器另一端与传感器支架的上部相连，第四位移传感器外侧端面上连接有传感器罩，所述传感器罩外罩于第四位移传感器输出端，第四位移输出端与所述PLC控制器输入端相连。

6.根据权利要求5所述的一种大型立式复合轧环机，其特征在于，所述定位板底部设有螺孔，所述螺孔口位于定位板底部端面，螺孔连接“L”型冷却管的竖直管管口，竖直管管口与螺孔之间形成空腔，所述“L”型冷却管的水平管穿过所述固定支架的三角连接板，水平管管口连接冷却液容器，所述螺孔向定位板外侧端面开有数个倾斜向下的孔道。

7.根据权利要求5所述的一种大型立式复合轧环机的控制方法，其特征在于，首先根据环件和各轧辊的几何参数得到所述左副轧辊、右副轧辊和定位挡板的位置、主轧辊快进和工进的进给量，可根据公式L₁＝L₁₀-(R_mmid+R₀)计算确定所述辗压轮快进的位移量L₁，其中：L₁₀—辗压轮起点到芯辊中心距离，R_mmid—辗压轮凹槽凸台外圆半径；

假设轧制终止时刻环件直径方向刚好与所述辗压轮及芯辊中心连线重合，根据环件与各轧辊的几何关系来确定环件不发生偏心时右副轧辊位移量L₄₁，在实际的轧制过程中，环件会在轧制末期发生轻微偏心，实际的右副轧辊的位移量L₄＝L₄₁+Δ，Δ＝0～30mm，设右副轧辊此刻圆心坐标为(x_R，y_R)有如下关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_R^2+{[y_R-(R_{\mathrm{in}}-R_i)]}^2={(R_{\mathrm{out}}+R_{\mathrm{Pin}})}^2\\ y_R=\tan (\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\β})\·x_R\\ L_{41}=\sqrt{{(x_R-L_{40}\sin \mathrm{\β})}^2+{(y_R+L_{40}\cos \mathrm{\β})}^2}\end{array}\right.,$ 其中：R_in—成形环件内半径，R_i—芯辊半径，R_out—成形环件外半径，R_pin—左副轧辊和右副轧辊内半径，L₄₀—右副轧辊起点到芯辊中心距离，β—右副轧辊中心与芯辊中心连线与竖直方向夹角；

右副轧辊的位移量L₄确定后，根据环件与各轧辊的几何位置关系确定环件圆心坐标(x_o，y_o)，有如下关系式： $\left\{\begin{array}{c}{x}_R=L_4\sin \mathrm{\β}\\ y_R=-L_4\cos \mathrm{\β}\\ {(x_o-x_R)}^2+{(y_o+y_R)}^2={(R_{\mathrm{out}}+R_{\mathrm{Pin}})}^2\\ x_o^2+y_o^2={(R_{\mathrm{in}}-R_i)}^2\end{array}\right.,$ 环件圆心坐标(x_o，y_o)确定后，设左副轧辊此刻圆心坐标为(x_L，y_L)，根据如下关系式得出实际的右副轧辊的位移量 $L_3,\left\{\begin{array}{c}{(x_L-x_o)}^2+{(y_L-y_o)}^2={(R_{\mathrm{out}}+R_{\mathrm{Pin}})}^2\\ y_L=\tan (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\α})\·x_L\\ L_3=\sqrt{{(x_L+L_{30}\sin \mathrm{\α})}^2+{(y_L+L_{30}\cos \mathrm{\α})}^2}\end{array}\right.,$ 其中：L₃₀—左副轧辊起点到芯辊中心距离，α—左副轧辊中心与芯辊中心连线与竖直方向夹角；

设主辗压轮圆心坐标为(0，y_m)，根据如下关系式确定辗压轮的工进进给量L₂， $\left\{\begin{array}{c}{x}_o^2+{(y_m-y_o)}^2={(R_{\mathrm{out}}+R_{\min })}^2\\ L_2=(L_{10}-L_1)-y_m=(R_{\mathrm{mmid}}+R_0)-y_m\end{array}\right.,$ 其中：R_min—辗压轮内半径；

其次，预设辗压轮、左副轧辊、右副轧辊和定位板的原点位置值，各轧辊快进转慢速定位位置值，以及各轧辊终轧位置值，在PLC控制器监测到辗压轮和左副轧辊、右副轧辊均在原点位置后，将毛坯环件套在芯辊上，PLC控制器启动轧辊电机，同时向活塞式油缸的液压阀组传达指令，活塞式油缸推动摆臂到达竖直中位，活动支架旋转上升，支撑锥套外套于芯辊端部，PLC控制器向定位油缸的液压阀组传达指令，定位油缸推动定位板移动进而将毛坯环件推至预定位置，PLC控制器向左副油缸、右副油缸的液压阀组传达指令，推动左副轧辊、右副轧辊快速上行至快进转慢速定位位置，PLC控制器向左副油缸、右副油缸油路上的比例放大器传达指令，通过控制左副油缸、右副油缸油路上的比例换向阀，使左副轧辊、右副轧辊慢速移动至预设的终轧位置；

此时，PLC控制器向轧辊油缸的液压阀组发出指令，控制辗压轮快下到达快进转慢速定位位置值时，即进入了普通轧环阶段，PLC发出指令启动液压马达，芯辊旋转，PLC控制器向轧辊油缸油路上的比例放大器传达指令，控制比例调速阀的流量，从而精确控制辗压轮的进给速度和位置，当毛坯环件表面与左副轧辊、右副轧辊接触后，PLC控制器控制辗压轮继续慢速进给至预设的终轧位置，使环件的凹槽成形，PLC控制器向轧辊油缸的液压阀组发出指令，辗压轮停止进给，毛坯环件在三辊作用下整圆，进一步提高其圆度和凹槽轮廓形状质量；

PLC控制器向轧辊油缸的液压阀组发出指令，驱动辗压轮快速返回至原点，PLC控制器驱动活塞式油缸推动摆臂到达倾斜侧位，活动支架旋转下降，同时，PLC控制器向顶出油缸油路上的液压阀组发出指令，驱动顶出活塞杆向芯辊施加推力，使支撑锥套脱离芯辊端部，PLC控制器驱动左副轧辊、右副轧辊回到原点位置，将轧制成形的环件从芯辊上卸下，完成此次环件复合轧制，同时也为下一个环件的复合轧制做好准备；在整个过程中，PLC控制器实时监测压力传感器和温度传感器，测量复合轧环过程中各轧辊的轧制力，一旦发现各轧辊轧制力超过系统所能提供的最大轧制力能范围，或者环件温度超出锻件可锻温度范围，PLC控制器将使各液压阀组失电，进而中断轧制进程，以保护设备。