CN117102245A - 冷轧管机芯棒断裂检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种冷轧管机芯棒断裂检测装置及方法，装置包括第一轧辊和第一轧辊、第一角度传感器、第二角度传感器、工作棒、电机、卡盘座、断裂处理机构、检测通行装置、驱动装置和用于控制所述装置运行的单片机；单片机控制第一轧辊和第一轧辊以最优速度vx,best在每个轧制子周期的一个水平子周期T1内水平移动，判断工作棒是否断裂，进而控制是否间歇性开启或不开启检测通行装置并启动驱动装置。本发明可以控制在多个轧制子周期内在限定每个子周期内轧制面积相等条件下的管坯的水平送给速度达到最优，并通过断裂处理装置检测工作棒是否断裂，并为断裂后的工作棒提供动力完成后续冷轧管的制备。
Description
技术领域
本发明涉及冷轧管机技术领域，具体为冷轧管机芯棒断裂检测装置及方法。
背景技术
近年来冷轧无缝钢管的市场需求量比较大，随着机械精密化与高速化的发展，对冷轧管机组设备精度的要求也越来越高。在轧制的过程中，芯棒作为为管坯提供轧制过程中被带动回转运动以及水平方向上的送给移动和制备冷轧管成品模具的三重作用，其承受着由轴向轧制力、机架往复惯性力及机架的摩擦力引起的交变载荷，因此，芯棒是限动芯棒连轧管机组重要的变形工具，通过轧辊与芯棒共同作用，毛管管坯被轧成所要求的尺寸。芯棒由尾柄、延伸杆、工作棒通过螺纹方式连接而成，由于轧管过程中受到纵向轧制压力、横向水平送给速度以及回转等影响，将电机与芯棒连接的延伸杆与芯棒棒连接处为薄弱点，易断裂。其后果轻则影响成型金属管的质量，重则导致冷轧管机各零部件的损坏、轧管机堆钢、脱管机架损坏等恶性事故；
但在实际使用过程中，现有的冷轧管机芯棒断裂检测装置，一般只具备芯棒断裂触发报警，但对于断裂后芯棒的运行状态以及造成的影响，不能很好的处理，且在整个冷轧过程中无法控制在多个轧制子周期内在限定每个子周期内轧制面积相等条件下的管坯的水平送给速度达到最优，使得上述冷轧管机芯棒断裂的不利影响依旧突出。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种冷轧管机芯棒断裂检测装置及方法。通过实时监测断裂处理机构中的第二锥齿轮转速是否为零而有效判断芯棒是否断裂，同时可以在冷轧管坯的每个轧制子周期内在限定每个子周期内轧制面积相等条件下，以最优的管坯的水平送给速度完成管坯的一个轧制子周期的轧制，经过多个轧制子周期的轧制能够有效避免竹节状缺陷的发生；此外，通过断裂处理机构与检测通行装置的配合，单片机接收到断裂处理机构处第一角速度传感器间接体现的工作棒的运转状态信号，便于及时了解工作棒的运行状态，并为工作棒重新提供一个驱动力，使其再次运转，降低了工作棒突然断裂带来的不利影响。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：冷轧管机芯棒断裂检测装置，包括在待冷轧形成冷轧管的管坯上下两侧分别设置的处于同一垂直平面的第一轧辊和第一轧辊，所述第一轧辊和所述第一轧辊沿管坯轴线所在水平方向周期性往复运动，所述装置还包括：
用于实时监测所述第一轧辊和第一轧辊在一个水平子周期T2内旋转时与管坯切点的实时角度的第一角度传感器、用于实时监测所述管坯与所述工作棒在一个回转子周期T2内绕其自身轴线进行旋转的实时角度β的第二角度传感器、工作棒、用于驱动所述管坯与所述工作棒在一个回转子周期T2内绕其自身轴线进行旋转的电机、用于所述工作棒与电机的限位卡接的卡盘座、断裂处理机构、检测通行装置、驱动装置和用于控制所述装置运行的单片机；
所述断裂处理装置包括第一锥齿轮和第二锥齿轮，所述装置还包括实时监测所述第二锥齿轮的旋转的第三角速度ωc的第一角速度传感器；单片机控制第一轧辊和第二轧辊以最优速度vx,best在每个轧制子周期的一个水平子周期T1内水平移动，并通过实时监测得到所述断裂处理装置中所述第二锥齿轮的旋转的第三角速度ωc检测工作棒是否断裂，根据所述断裂处理装置的检测结果控制检测通行装置是否阻碍管坯通行至轧制出口卸下并在每个轧制子周期内控制是否启动所述驱动装置带动已经断裂的与所述断裂处理装置连接的部分工作棒继续以所述电机驱动旋转的角速度ωb旋转。
作为对本发明的进一步限定，所述单片机控制第一轧辊和第二轧辊以最优速度vx,best在每个轧制子周期的一个水平子周期T1内水平移动，包括以下步骤：
S1：根据第一角度传感器监测得到的第一轧辊或第二轧辊在一个水平子周期T1内旋转时与管坯切点的实时转角计算第一轧辊和第二轧辊在一个水平子周期T1内实时转动的第一角速度ωa：
其中，θ为工作棒(的锥形截面倾斜外壁夹角；μ为的第一轧辊或第二轧辊与管坯切点与水平线的实时夹角；
S2：根据所述第一角度传感器监测得到的第一轧辊或第二轧辊在一个水平子周期T1内旋转时与管坯切点的实时转角计算所述第一轧辊和第二轧辊(沿管坯轴线所在水平方向的速度vx：
其中，r为第一轧辊或第二轧辊的半径长度；
S3：根据所述S2步骤结果，计算在一个水平子周期T1后的t时刻第一轧辊或第二轧辊与管坯切点所在位置处管坯的圆形截面半径R(t)：
此时，t1≤t≤t2，T1为从时刻1开始至t1时刻的一个水平子周期的时隙，T2为从时刻t1至t2的一个回转子周期的时隙，Rmax为初始轧制所在位置管坯的圆形截面外半径；560mm≤Rmax≤590mm，N个轧制子周期结束后得到的轧制成品冷轧管的圆形截面外半径为Rmin，505mm≤Rmin≤530mm；
S4：根据第二角度传感器实时监测得到所述管坯与所述工作棒在一个回转子周期T2内绕其自身轴线进行旋转的实时角度β，计算工作棒被电机带动而实时转动的第二角速度ωb：
其中，α为经过一个水平子周期T1后第一轧辊或第二轧辊与管坯切点与水平线的夹角，l为管坯内表面与工作棒外表面形成的环形缝隙的缝隙距离；
S5：计算在一个回转子周期T2内的所述管坯旋转经过的弧形路径的弧长A：
S6：构建一个轧制子周期内最优速度vx,best求取模型：
其中，S为一个水平子周期T1内进行移动的长度乘以一个回转子周期T2内旋转过的弧长A形成的面积；R2(t)为在一个水平子周期T1后的t时刻第一轧辊或第二轧辊与管坯切点所在位置处竖直方向上工作棒圆形截面的半径，R2,max为初始轧制所在位置工作棒的圆形截面外半径，450mm≤R2,max≤470mm；ΔH为经过一个轧制周期后管坯的壁厚减少量；0.5mm≤ΔH≤1.5mm；
作为对本发明的进一步限定，所述S3步骤中计算据所述计算所述第一轧辊和第二轧辊沿管坯轴线所在水平方向的速度vx的计算公式中：
因此，根据的计算结果进行反向求取计算得到在所述S1步骤中的
作为对本发明的进一步限定，所述卡盘座包括设置在所述电机右端的安装框，所述安装框内部四周均开设有安装槽，且位于所述安装框的每个边上的安装槽均连有一个传动块，安装框前侧竖向内壁上设置有第一电动伸缩杆，用于位于安装框底部的首位传动块向所述装置后侧移动，位于安装框内的两个竖向侧壁内以及水平侧壁的三个相邻的所述传动块端部之间设置有斜面，位于安装框的末端设置有固定块，所述固定块上部以及位于安装框前部内壁的末位传动块底端之间设置有弹簧；
所述卡盘座还包括设置在每个所述传动块向靠近所述管坯轴线方向的延伸的连接块，每个所述连接块在穿过安装框开设的通槽内同步靠近或远离所述管坯轴线限位滑动，每个所述连接块靠近所述管坯轴线方向均固定有一卡块，所述卡接盘还包括与四个卡块限位卡接的插块，所述插块外壁均匀分布有渐开线齿廓，所述插块远离所述电机的端部固定连接有一延伸杆，所述电机的输出端穿过所述插块与所述延伸杆固定连接；所述延伸杆远离电机的端部固定有工作棒；当所述卡块聚拢时，可用于插块的夹紧卡合。
作为对本发明的进一步限定，每个所述卡块的内侧设置有由右侧视角逆时针由高到低变化的弧形部，所述弧形部的凹陷方向朝向所述管坯轴线所在处，且每个弧形部分布有与所述插块的渐开线齿廓凹陷处相契合的齿牙。
作为对本发明的进一步限定，在安装框前侧并与其装配的连接框，设置在所述延伸杆上的盖板，且所述盖板可与连接框装配。
作为对本发明的进一步限定，所述断裂处理机构包括安装架，以及分别设置在所述安装架上限位转动的第一转动套和第二转动套，所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮分别固定连接在第一转动套与第二转动套的相对端，在所述安装架朝向所述管坯方向的内壁花键连接有限位杆，所述限位杆朝向所述管坯方向端部设置有一连接杆，所述连接杆由左至右依次穿过第二转动套、第二锥齿轮上开设的通孔并在另一侧端部固定有一安装件，所述安装件以右侧视角H形截面设置，所述安装件H形的上下部镂空处分别固定有以连接点为固定点左右两端依次上下偏转的一安装套，每个所述安装套上转动安装有传动杆，每个所述传动杆的左侧端设置有第一传动轮，右侧端设置有第二传动轮，两个所述第一传动轮均与第一锥齿轮啮合传动，两个所述第二传动轮均与第二锥齿轮啮合；
所述安装件远离连接杆的侧壁转动安装有花键轴，且花键轴穿过第一锥齿轮开设的花键槽并在靠近所述管坯一侧端部固定有尾杆，所述尾杆远离花键轴的一端与工作棒末端固定连接。
作为对本发明的进一步限定，所述驱动装置包括设置在安装架上的电机，所述电机的输出轴固定有第二皮带轮，以及固定在第一转动套外壁的第一皮带轮，所述第一皮带轮与第二皮带轮之间传动连接有传动皮带。
作为对本发明的进一步限定，所述检测通行装置包括设置在安装架端部的横杆，所述横杆的远端固定有支撑块，以及设置在机架上两组第二电动伸缩杆，两组所述第二电动伸缩杆以工作棒轴心相对设置，用于支撑块的间歇性夹紧固定。
本发明还提供采用如上所述装置的冷轧管机芯棒断裂检测方法，包括以下步骤：
1)所述单片机控制所述第一轧辊和第二轧辊沿管坯轴线所在水平方向以速度vx在一个水平子周期T1内向轧制出口方向水平移动，在水平移动的过程中所述单片机控制第一轧辊(和第二轧辊以相同的第一角速度ωa在管坯外壁在一个水平子周期T1内进行相向方向的旋转；
2)然后所述单片机控制开启所述电机，带动所述管坯与和其同轴设置的工作棒在一个回转子周期T2内绕其自身轴线进行旋转，一个所述水平子周期T1与一个所述回转子周期T2形成一个轧制子周期；
3)所述单片机控制重复所述步骤1)-2)N次，经过N个所述轧制子周期后完成一个所述管坯(4)的轧制，完成轧制的所述管坯被控制从轧制出口卸下；
4)所述单片机控制所述第一轧辊和所述第二轧辊由左至右水平移动，回到左侧初始轧制位置；
5)在每个轧制子周期过程中，当所述单片机接收到所述第四角速度和第四角速度传感器为0时，则判断此时工作棒发生断裂，并启动所述检测通行装置阻碍管坯通行至轧制出口卸下，同时启动驱动装置带动已经断裂的与所述断裂处理装置连接的部分工作棒继续以所述电机驱动旋转的角速度ωb旋转，完成一个管坯的轧制。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明通过断裂处理机构与检测通行装置的配合，在检测通行装置脱离断裂处理机构时，其形成的通道，用于成型后的管坯通过，若工作棒断裂发生断裂，即断裂处理机构检测异常状态，此时检测通行装置保持对断裂处理机构的夹持状态并停止运行，在该支撑力的作用下，断裂处理机构传递工作棒的状态信号，便于及时了解工作棒的运行状态，并同时运行，为工作棒重新提供一个驱动力，使其再次运转，降低了工作棒突然断裂带来的不利影响，并阻碍异常情况下管坯的通行，降低了轧管机堆钢、脱管机架损坏等恶性事故的发生。
2、本发明通过卡盘座结构的设置，实现与芯棒的装配过程，通过设置的弧形部以及压力传感条，在工作棒前后窜动、使压下量猛增、轧制力聚大等情况下，压力传感条初始压力也会相应变化，即通过压力传感条的压力值变化反应得出延伸杆的运行状态，便于实时监测工作棒的运行状态。
3、作为本发明的其他实施方式，断裂处理机构的结构设置，通过两端的第一传动轮和第二传动轮分别与第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合传动，当工作棒带动第一锥齿轮转动时，两侧第一传动轮转动，进而带动第二传动轮转动，最终带动第二锥齿轮转动，当工作棒正常运行时，第二锥齿轮传递的转速为通过工作棒在一个回转子周期内的实时转速计算得到的ωc，即为正常情况下的转速，一旦工作棒发生断裂时，第一角速度传感器监测得到的第二锥齿轮的实时转速为0，单片机控制检测通行装置不开启进而避免未正常轧制的管坯被卸下，避免了降低成品率的现象发生，同时开启驱动装置，是管坯在驱动装置带动工作棒以同样的一个回转子周期内的转速旋转，完成后续管坯的轧制，极大地提高了冷轧管机的生产效率和成品率。
4、本发明通过第一角度传感器实时监测得到的第一轧辊或第一轧辊在一个水平子周期T1内旋转时与管坯(切点的实时转角计算第一轧辊和第一轧辊在一个水平子周期T1内实时转动的第一角速度ωa，以及所述第一轧辊和第一轧辊沿管坯轴线所在水平方向的速度vx，进而根据计算得到的vx计算在一个水平子周期T1后的t时刻第一轧辊或第一轧辊与管坯切点所在位置处管坯的圆形截面半径R(t)，再通过第二角度传感器实时监测得到所述管坯与所述工作棒在一个回转子周期T2内绕其自身轴线进行旋转的实时角度β，计算工作棒被电机带动而实时转动的第二角速度ωb；计算在一个回转子周期T2内的所述管坯(4)旋转经过的弧形路径的弧长A；构建在/>和/>两个条件限制下的一个轧制子周期内最优速度vx,best求取模型：/> 单片机控制第一轧辊和第一轧辊以最优速度vx,best在每个轧制子周期的一个水平子周期T1内水平移动，能够有效保证在冷轧管坯的每个轧制子周期内在限定每个子周期内轧制面积相等条件下，以最优的管坯的水平送给速度完成管坯的一个轧制子周期的轧制，经过多个轧制子周期的轧制能够有效避免竹节状缺陷的发生。
附图说明
图1为本发明的提供的冷轧管机机芯棒断裂检测装置整体结构示意图；
图2为本发明提供的管坯、工作棒以及第一轧辊和第二轧辊在水平子周期内的侧视图；
图3为本发明的断裂处理机构平面结构示意图；
图4为本发明的断裂处理机构立体结构示意图；
图5为图1的第一视角立体结构示意图；
图6为图1的第二视角立体结构示意图；
图7为本发明的卡盘座内部结构示意图；
图8为本发明的卡盘座拆解结构示意图；
图9为图8的第二视角立体结构示意图。
图中：1、电机；21、第一轧辊；22、第二轧辊；3、延伸杆；4、管坯；5、工作棒；6、尾杆；7、花键轴；8、第一锥齿轮；9、第二锥齿轮；10、安装架；11、第一角速度传感器；12、第一转动套；13、第一皮带轮；14、电机；15、第二皮带轮；16、传动皮带；17、传动杆；18、传动轮；19、安装件；20、第二转动套；21、限位杆；22、安装套；23、连接杆；24、安装框；25、传动块；26、通槽；27、弹簧；28、第一电动伸缩杆；29、斜面；30、卡块；31、压力传感条；32、连接块；34、盖板；35、连接框；36、插块；37、固定块；38、横杆；39、第二电动伸缩杆；40、机架；41、支撑块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合。
实施例1
如图1-9所示，为本发明提供的冷轧管机芯棒断裂检测装置，包括在待冷轧形成冷轧管的管坯4上下两侧分别设置的处于同一垂直平面的第一轧辊21和第二轧辊22，第一轧辊21和第二轧辊22在如公开号为CN208583814U的专利公开的曲柄连杆机构的带动下，重复多个上述步骤完成一个沿管坯4轴线所在水平方向周期性往复运动，即完成管坯4的轧制后由右向左回复到初始轧制位置，并再次由左向右移动，其特征在于，装置还包括：
用于实时监测第一轧辊21和第二轧辊22在一个水平子周期T2内旋转时与管坯4切点的实时角度的第一角度传感器、用于实时监测管坯4与工作棒5在一个回转子周期T2内绕其自身轴线进行旋转的实时角度β的第二角度传感器、工作棒5、用于驱动管坯4与工作棒5在一个回转子周期T2内绕其自身轴线进行旋转的电机1、用于工作棒5与电机1的限位卡接的卡盘座、断裂处理机构、检测通行装置、驱动装置和用于控制装置运行的单片机；
断裂处理装置包括第一锥齿轮8和第二锥齿轮9，装置还包括实时监测第二锥齿轮9的旋转的第三角速度ωc的第一角速度传感器；单片机控制第一轧辊21和第二轧辊22以最优速度vx,best在每个轧制子周期的一个水平子周期T1内水平移动，并通过实时监测得到断裂处理装置中第二锥齿轮9的旋转的第三角速度ωc检测工作棒5是否断裂，根据断裂处理装置的检测结果控制检测通行装置是否阻碍管坯4通行至轧制出口卸下并在每个轧制子周期内控制是否启动驱动装置带动已经断裂的与断裂处理装置连接的部分工作棒5继续以电机1驱动旋转的角速度ωb旋转。
在该实施例中，通过卡盘座以及其内的卡位组件，即可实现对工作棒5进行连接装夹，如图1、2所示，管坯4套设在工作棒5的外壁上，配合工作棒5外侧上部的第一轧辊21和第二轧辊22左右方向上的周期性往复运动，实现多个管坯4的依次轧制，完成一个管坯的轧制需经历多个轧制子周期，每个轧制子周期包括一个水平子周期T1和一个回转子周期T2，在一个水平子周期T1内第一轧辊21和第二轧辊22被开启由左至右对管坯4进行轧制，轧制后在一个回旋子周期T2内第一轧辊21和第二轧辊22被关闭，同时开启电机1首先带动管坯4和工作棒5由左至右送给一定长度，该长度为下一个水平子周期T1内轧制的长度，然后电机1带动管坯4和工作棒5绕其自身轴进行旋转一定角度后，完成该轧制子周期；管坯4在第一轧辊21和第二轧辊22与工作棒5之间形成的环形空间中，在未轧制初始状态，管坯4的内表面与工作棒5外表面之间由左至右在每个截面上留有等距离的环形缝隙，在水平子周期T1内管坯4承受第一轧辊21和第二轧辊22施加的轧制压力而贴合至工作表5外表面上，同时环形缝隙随着第一轧辊21和第二轧辊22由左至右运动而消失，管坯4产生塑性变形而逐渐轧制为成品管，断裂处理机构一端连接在工作棒5的末端，另一端设置在检测通行装置的中部，冷轧管机运行时，当断裂处理机构中的第一角速度传感器监测到的第一锥齿轮9的转速为正常状态时，单片机根据单个管坯4的加工长度，单片机控制检测通行装置并设定频率伸缩移动，实现对断裂处理机构进行间歇性夹持，当对断裂处理机构进行夹持时，可为断裂处理机构提供一个端部的支撑力而阻碍管坯4的通过，此时完成管坯4的轧制过程；在检测通行装置不夹持断裂处理机构而与其脱离时，形成用于成型后的管坯4通过的通道；若工作棒5断裂发生断裂，即当断裂处理机构中的第一角速度传感器监测到的第一锥齿轮9的转速为0的异常状态，此时单片机控制检测通行装置保持对断裂处理机构的夹持状态并停止运行，在检测通行装置为断裂处理机构提供的阻碍管坯4通过的支撑力的作用下，不会使已经断裂的工作棒5加工的这个属于不合格品的管坯4通过，进而避免了次品率增加的情况发生。通过单片机实时接收断裂处理机构中第一角速度传感器所间接代表的传递工作棒5的状态信号，便于及时了解工作棒5的运行状态，并在检测到工作棒5断裂后控制驱动装置开启运行，为工作棒5重新提供一个驱动力，使其再次以电机1带动其运转的相同角速度在每个轧制子周期的回转子周期内进行旋转，降低了工作棒5突然断裂带来的不利影响，完成该个以及后续的管坯4的继续轧制，并通过检测通行装置阻碍异常情况下管坯4的通行，方便人员及时查看并检测异常情况下管坯4轧制是否合格。
实施例2
作为本发明的另一个优选实施例，为了保证在冷轧管坯的每个轧制子周期内在限定每个子周期内轧制面积相等条件下，以最优的管坯的水平送给速度完成管坯的一个轧制子周期的轧制，经过多个轧制子周期的轧制能够有效避免竹节状缺陷的发生，单片机控制第一轧辊21和第二轧辊22以最优速度vx,best在每个轧制子周期的一个水平子周期T1内水平移动，包括以下步骤：
S1：根据第一角度传感器监测得到的第一轧辊21或第二轧辊22在一个水平子周期T1内旋转时与管坯4切点的实时转角计算第一轧辊21和第二轧辊22在一个水平子周期T1内实时转动的第一角速度ωa：
其中，θ为工作棒5的锥形截面倾斜外壁夹角；μ为的第一轧辊21或第二轧辊22与管坯4切点与水平线的实时夹角；
S2：根据第一角度传感器监测得到的第一轧辊21或第二轧辊22在一个水平子周期T1内旋转时与管坯4切点的实时转角计算第一轧辊21和第二轧辊22沿管坯4轴线所在水平方向的速度vx：
其中，r为第一轧辊21或第二轧辊22的半径长度；第一轧辊21的半径长度与第二轧辊22的半径长度相同，均为r；
S3：根据S2步骤结果，计算在一个水平子周期T1后的t时刻第一轧辊21或第二轧辊22与管坯4切点所在位置处管坯的圆形截面半径R(t)：
此时，t1≤t≤t2，T1为从时刻1开始至t1时刻的一个水平子周期的时隙，T2为从时刻t1至t2的一个回转子周期的时隙，Rmax为初始轧制所在位置管坯4的圆形截面外半径；560mm≤Rmax≤590mm，N个轧制子周期结束后得到的轧制成品冷轧管的圆形截面外半径(即管外径)为Rmin，505mm≤Rmin≤530mm；
S4：根据第二角度传感器实时监测得到管坯4与工作棒5在一个回转子周期T2内绕其自身轴线进行旋转的实时角度β，计算工作棒5被电机1带动而实时转动的第二角速度ωb：
其中，α为经过一个水平子周期T1后第一轧辊21或第二轧辊22与管坯4切点与水平线的夹角，l为管坯4内表面与工作棒5外表面形成的环形缝隙的缝隙距离；
S5：计算在一个回转子周期T2内的管坯4旋转经过的弧形路径的弧长A：
S56：构建一个轧制子周期内最优速度vx,best求取模型：
其中，S为一个水平子周期T1内进行移动的长度乘以一个回转子周期T2内旋转过的弧长A形成的面积；R2(t)为在一个水平子周期T1后的t时刻第一轧辊21或第二轧辊22管坯切点所在位置处竖直方向上工作棒5圆形截面的半径，R2,max为初始轧制所在位置工作棒5的圆形截面半径，450mm≤R2,max≤470mm；0.5mm≤ΔH≤1.5mm；S的值固定，即通过/>的限定，能够保证在求取得到的每个水平子周期T1内最优vx,best指在N个轧制子周期内每个轧制子周期轧制的面积固定且相同的限定条件下。
进一步地，S3步骤中计算据计算第一轧辊21和第二轧辊22沿管坯4轴线所在水平方向的速度vx的计算公式中：
因此，根据的计算结果进行反向求取计算得到在S1步骤中的
实施例3
作为本发明的另一个优选实施例，卡盘座包括设置在电机1右端的安装框24，安装框24内部四周均开设有安装槽，且位于安装框24的每个边上的安装槽均连有一个传动块25，安装框24前侧竖向内壁上设置有第一电动伸缩杆28，用于位于安装框24底部的首位传动块25向装置后侧移动，以首位传动块25开始以右侧视角逆时针依次相邻设置，位于安装框24内的两个竖向侧壁内以及水平侧壁的三个相邻的传动块25端部之间设置有斜面29，当首位传动块25移动时，斜面29用于传动相邻传动块25运行，位于安装框24的末端设置有固定块37，固定块37上部以及位于安装框24前部内壁的末位传动块25底端之间设置有弹簧27；
卡盘座还包括设置在每个传动块25向靠近管坯4轴线方向的延伸的连接块32，每个连接块32在穿过安装框24开设的通槽26内同步靠近或远离管坯4轴线限位滑动，每个连接块32靠近管坯4轴线方向均固定有一卡块30，卡接盘还包括与四个卡块30限位卡接的插块36，插块36外壁均匀分布有渐开线齿廓，插块36远离电机1的端部固定连接有一延伸杆3，电机1的输出端穿过插块36与延伸杆3固定连接；延伸杆3远离电机1的端部固定有工作棒5；当卡块30聚拢时，可用于插块36的夹紧卡合。
进一步地，每个卡块30的内侧设置有由右侧视角逆时针由高到低变化的弧形部，弧形部的凹陷方向朝向管坯4轴线所在处，且每个弧形部分布有与插块36的渐开线齿廓凹陷处相契合的齿牙31，用于保证电机1通过延伸杆3带动工作棒5以及管坯4旋转时由于第一轧辊21和第二轧辊22的抵压而前后左右晃动，进而导致第一轧辊21和第二轧辊22对管坯4在每个轧制子周期内水平轧制的区域不一致，进而避免了经过多个轧制子周期轧制形成的冷轧管出现竹节状形态的次品的现象发生。
通过卡盘座结构的设置，如图7、8和9所示，使用时，将延伸杆3所在的插块36插入安装框24所在的区域内，此时插块36置于四个卡块30区域内，当驱动第一电动伸缩杆28伸长工作时，即可带动首个传动块25移动，在斜面29的作用下，即可继续推动相邻的传动块25移动，从而实现四个传动块25顺时针移动的同时使连接块32在穿过安装框24开设的通槽26内同步靠近管坯4轴线限位滑动，进而压缩安装框24端部的弹簧27，此时传动块25的移动作用，可带动卡块30移动，由于卡块30的形状设置，在其移动的过程中使得中部区域减小，即卡块30的弧形部逐渐靠近插块36的外壁直至通过齿牙31夹紧插块36的外壁，即可实现二者的装配。并且在多个管坯4的依次被轧制过程中，始终保持第二伸缩杆28伸出抵触首位传动块25的状态，直至单片机控制检测通行装置开启放行最后一个轧制好的管坯4时，单片机控制第二伸缩杆28回缩，在被压缩的弹簧27的回缩力作用下依次在右侧视角的图7中弹簧27的回缩力依次顺时针带动末位传动块25至首位传动块25回复至初始状态，进而多个卡块30均朝着远离管坯4的方向移动，此时多个卡块20不在夹紧插块36，电机1的输出端可以实现与工作棒5的脱离。
进一步优选地，在安装框24前侧并与其装配的连接框35，设置在延伸杆3上的盖板34，且盖板34可与连接框35装配。
如图8所示，连接框35与安装框24装配后，再将盖板34与连接框35装配，即可实现安装框24形成一个封闭的装配空间，避免灰尘杂质的进入，且该装配方式，可进一步提高延伸杆3与卡盘座的连接稳定性。
实施例3
作为本发明的另一个优选实施方式，断裂处理机构包括安装架10，以及分别设置在安装架10上限位转动的第一转动套12和第二转动套20，第一锥齿轮8和第二锥齿轮9分别固定连接在第一转动套12与第二转动套20的相对端，在安装架10朝向管坯4方向的内壁花键连接有限位杆21，限位杆21朝向管坯4方向端部设置有一连接杆23，连接杆23由左至右依次穿过第二转动套20、第二锥齿轮9上开设的通孔并在另一侧端部固定有一安装件19，安装件19以右侧视角H形截面设置，安装件19H形的上下部镂空处分别固定有以连接点为固定点左右两端依次上下偏转的一安装套22，即以固定点为支点安装套22左端向上偏转的同时其右端向下偏转，安装套22左端向下偏转的同时其右端向上偏转，每个安装套22上转动安装有传动杆17，每个传动杆17的左侧端设置有第一传动轮181，右侧端设置有第二传动轮182，两个第一传动轮181均与第一锥齿轮8啮合传动，两个第二传动轮182均与第二锥齿轮9啮合，需要说明的是，第一锥齿轮8、第二锥齿轮9、两个第一传动轮181和两个第二传动轮182均开有相应的渐开线齿廓，附图图中未画出上述开有的渐开线齿廓，上述开有的渐开线齿廓用于第一锥齿轮8带动两个第一传动轮181转动，进而带动与其相应同轴的两个第二传动轮182转动，最终带动与两个第二传动轮182啮合的第二锥齿轮9传动；
安装件19远离连接杆23的侧壁转动安装有花键轴7，且花键轴7穿过第一锥齿轮8开设的花键槽并在靠近管坯4一侧端部固定有尾杆6，尾杆6远离花键轴7的一端与工作棒5末端固定连接。
在该实施例下，通过设置的断裂处理机构，如图1至6所示，通过设置的断裂处理机构，首先，由于安装件19的安装位置设置，其端部的限位杆21与安装架10花键连接，安装件19在周向方向限位，在水平方向可伸缩移动，而花键轴7可相对于安装件19转动，且花键轴7与第一锥齿轮8所在的第一转动套12花键连接，当工作棒5转动时，在尾杆6的连接作用下，可进一步实现第一锥齿轮8的转动，由于传动杆17相对于安装件19转动设置，且传动杆17的两端均设置有传动轮18，且两端的传动轮18分别与第一锥齿轮8与第二锥齿轮9的锥形面相切，当工作棒5带动第一锥齿轮8转动时，两侧传动杆17所在的传动轮18因摩擦传动发生自转，进而带动另一侧的第二锥齿轮9转动，当工作棒5正常运行时，第一角速度传感器实时监测得到的转速其中n1为第一锥齿轮8的齿数，n2为第而锥齿轮9的齿数，由于工作棒5通过尾杆6、花键轴7与第一锥齿轮8的连接，因此工作棒5在每个回转子周期T2内进行回转过程中带动第一锥齿轮8进行转动的转速相同，因此第一锥齿轮8在每个回转子周期T2内的实时转速也为ωb，为定值，即正常情况下第二锥齿轮9的转速为ωc，一旦工作棒5发生断裂时，第一角速度传感器监测到第二锥齿轮9的转速ωc为0。
第一角速度传感器为设置在安装架10上的第一角速度传感器11，第一角速度传感器11套设在第二转动套20的外壁，通过设置的第一角速度传感器11，可用于检测第二锥齿轮9的转动速率，并将信号传递至单片机，单片机接受信号并进一步识别判断发出指令，在控制检测通行装置不开启的同时，开启驱动装置，并可进一步进行初步的预报警，报警模块可为警示灯。
实施例4
作为本发明的另一个优选实施例，驱动装置包括设置在安装架10上的电机14，电机14的输出轴固定有第二皮带轮15，以及固定在第一转动套12外壁的第一皮带轮13，第一皮带轮13与第二皮带轮15之间传动连接有传动皮带16。
通过设置的驱动装置，当单片机接受到实时监测第二锥齿轮9转速的第一角速度传感器11传递的信号为0时，控制电机14开启，带动工作棒5以其断裂前的转速在每个回转子周期T2内进行旋转，在第二皮带轮15、传动皮带16与第一皮带轮13的传动作用下，可进一步带动第一转动套12转动，进而第一锥齿轮8发生转动，此时进一步带动花键轴7所在的尾杆6转动，从而实现工作棒5的重新转动，作为驱动装置，为断裂后工作棒5提供了一个动力，便于工作棒5配合扎辊模继续完成对管坯4的轧制，降低了工作棒5断裂后带来的不利影响，同时，也极大提高了管坯4轧制成功率。
实施例5
作为本发明的另一个优选实施例，检测通行装置包括设置在安装架10端部的横杆38，横杆38的远端固定有支撑块41，以及设置在机架40上两组第二电动伸缩杆39，两组第二电动伸缩杆39以工作棒5轴心相对设置，用于支撑块41的间歇性夹紧固定。
如图3所示，当第一角速度传感器11监测得到的第二锥齿轮的转速为正常状态时，单片机控制第二电动伸缩杆39以设定频率伸缩移动，伸缩移动频率以管坯4的长度进行设定，即当成型的管坯4完成轧制并接近支撑块41位置时，第二电动伸缩杆39收缩并脱离支撑块41，实现管坯4的通过，通过后，第二电动伸缩杆39复位继续保持对支撑块41的夹持，下个管坯4接着轧制，依次循环，当工作棒5断裂后，第一角速度传感器11发送至单片机的第二锥齿轮9的实时转速信号为0，此时单片机控制第二电动伸缩杆39继续保持对支撑块41进行夹持并停止上述间歇性运行，在第二电动伸缩杆39的夹持作用下，可为安装架10提供一个支撑力，同时可以阻碍此状态下成型管坯4的通过，方便后续人员的进一步查看。
本发明还供一种采用如权利要求上装置的冷轧管机芯棒断裂检测方法，包括以下步骤：
1)单片机控制第一轧辊21和第二轧辊22沿管坯4轴线所在水平方向以速度vx在一个水平子周期T1内向轧制出口方向水平移动，在水平移动的过程中单片机控制第一轧辊21和第二轧辊22以相同的第一角速度ωa在管坯外壁在一个水平子周期T1内进行相向方向的旋转；
2)然后单片机控制开启电机1，带动管坯4与和其同轴设置的工作棒5在一个回转子周期T2内绕其自身轴线进行旋转，一个水平子周期T1与一个回转子周期T2形成一个轧制子周期；
3)单片机控制重复步骤1)-2)N次，经过N个轧制子周期(即经过了N×(T1+T2)时间的轧制)后完成一个管坯4的轧制，完成轧制的管坯4被控制从轧制出口卸下；
4)单片机控制第一轧辊21和第二轧辊22由左至右水平移动，回到左侧初始轧制位置；
5)在每个轧制子周期过程中，当单片机接收到第四角速度和第四角速度传感器为0时，则判断此时工作棒5发生断裂，并启动检测通行装置阻碍管坯4通行至轧制出口卸下，同时启动驱动装置带动已经断裂的与断裂处理装置连接的部分工作棒5继续以电机1驱动旋转的角速度ωb旋转，完成一个管坯4的轧制。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、替换及改进，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求为准。
Claims (10)
1.冷轧管机芯棒断裂检测装置，包括在待冷轧形成冷轧管的管坯(4)上下两侧分别设置的处于同一垂直平面的第一轧辊(21)和第二轧辊(22)，所述第一轧辊(21)和所述第二轧辊(22)沿管坯(4)轴线所在水平方向周期性往复运动，其特征在于，所述装置还包括：
用于实时监测所述第一轧辊(21)和第二轧辊(22)在一个水平子周期T2内旋转时与管坯(4)切点的实时角度的第一角度传感器、用于实时监测所述管坯(4)与所述工作棒(5)在一个回转子周期T2内绕其自身轴线进行旋转的实时角度β的第二角度传感器、工作棒(5)、用于驱动所述管坯(4)与所述工作棒(5)在一个回转子周期T2内绕其自身轴线进行旋转的电机(1)、用于所述工作棒(5)与电机(1)的限位卡接的卡盘座、断裂处理机构、检测通行装置、驱动装置和用于控制所述装置运行的单片机；
所述断裂处理装置包括第一锥齿轮(8)和第二锥齿轮(9)，所述装置还包括实时监测所述第二锥齿轮(9)的旋转的第三角速度ωc的第一角速度传感器；单片机控制第一轧辊(21)和第二轧辊(22)以最优速度vx,best在每个轧制子周期的一个水平子周期T1内水平移动，并通过实时监测得到所述断裂处理装置中所述第二锥齿轮(9)的旋转的第三角速度ωc检测工作棒(5)是否断裂，根据所述断裂处理装置的检测结果控制检测通行装置是否阻碍管坯(4)通行至轧制出口卸下并在每个轧制子周期内控制是否启动所述驱动装置带动已经断裂的与所述断裂处理装置连接的部分工作棒(5)继续以所述电机(1)驱动旋转的角速度ωb旋转。
2.根据权利要求1所述的冷轧管机芯棒断裂检测装置，其特征在于，所述单片机控制第一轧辊(21)和第二轧辊(22)以最优速度vx,best在每个轧制子周期的一个水平子周期T1内水平移动，包括以下步骤：
S1：根据第一角度传感器监测得到的第一轧辊(21)或第二轧辊(22)在一个水平子周期T1内旋转时与管坯(4)切点的实时转角计算第一轧辊(21)和第二轧辊(22)在一个水平子周期T1内实时转动的第一角速度ωa：
其中，θ为工作棒(5)的锥形截面倾斜外壁夹角；μ为的第一轧辊(21)或第二轧辊(22)与管坯(4)切点与水平线的实时夹角；
S2：根据所述第一角度传感器监测得到的第一轧辊(21)或第二轧辊(22)在一个水平子周期T1内旋转时与管坯(4)切点的实时转角计算所述第一轧辊(21)和第二轧辊(22)沿管坯(4)轴线所在水平方向的速度vx：
其中，r为第一轧辊(21)或第二轧辊(22)的半径长度；
S3：根据所述S2步骤结果，计算在一个水平子周期T1后的t时刻第一轧辊(21)或第二轧辊(22)与管坯(4)切点所在位置处管坯的圆形截面半径R(t)：
此时，t1≤t≤t2，T1为从时刻1开始至t1时刻的一个水平子周期的时隙，T2为从时刻t1至t2的一个回转子周期的时隙，Rmax为初始轧制所在位置管坯(4)的圆形截面外半径；560mm≤Rmax≤590mm，N个轧制子周期结束后得到的轧制成品冷轧管的圆形截面外半径为Rmin，505mm≤Rmin≤530mm；
S4：根据第二角度传感器实时监测得到所述管坯(4)与所述工作棒(5)在一个回转子周期T2内绕其自身轴线进行旋转的实时角度β，计算工作棒(5)被电机(1)带动而实时转动的第二角速度ωb：
其中，α为经过一个水平子周期T1后第一轧辊(21)或第二轧辊(22)与管坯(4)切点与水平线的夹角，l为管坯(4)内表面与工作棒(5)外表面形成的环形缝隙的缝隙距离；
S5：计算在一个回转子周期T2内的所述管坯(4)旋转经过的弧形路径的弧长A：
S6：构建一个轧制子周期内最优速度vx,best求取模型：
其中，S为一个水平子周期T1内进行移动的长度乘以一个回转子周期T2内旋转过的弧长A形成的面积；R2(t)为在一个水平子周期T1后的t时刻第一轧辊(21)或第二轧辊(22)管坯切点所在位置处竖直方向上工作棒(5)圆形截面的半径，R2,max为初始轧制所在位置工作棒(5)的圆形截面半径，450mm≤R2,max≤470mm；ΔH为经过一个轧制周期后管坯(4)的壁厚减少量；0.5mm≤ΔH≤1.5mm。
3.根据权利要求2所述的冷轧管机芯棒断裂检测装置，其特征在于，所述S3步骤中计算据所述计算所述第一轧辊(21)和第二轧辊(22)沿管坯(4)轴线所在水平方向的速度vx的计算公式中：
因此，根据的计算结果进行反向求取计算得到在所述S1步骤中的/>
4.根据权利要求1所述的冷轧管机芯棒断裂检测装置，其特征在于，所述卡盘座包括设置在所述电机(1)右端的安装框(24)，所述安装框(24)内部四周均开设有安装槽，且位于所述安装框(24)的每个边上的安装槽均连有一个传动块(25)，安装框(24)前侧竖向内壁上设置有第一电动伸缩杆(28)，用于位于安装框(24)底部的首位传动块(25)向所述装置后侧移动，位于安装框(24)内的两个竖向侧壁内以及水平侧壁的三个相邻的所述传动块(25)端部之间设置有斜面(29)，位于安装框(24)的末端设置有固定块(37)，所述固定块(37)上部以及位于安装框(24)前部内壁的末位传动块(25)底端之间设置有弹簧(27)；
所述卡盘座还包括设置在每个所述传动块(25)向靠近所述管坯(4)轴线方向的延伸的连接块(32)，每个所述连接块(32)在穿过安装框(24)开设的通槽(26)内同步靠近或远离所述管坯(4)轴线限位滑动，每个所述连接块(32)靠近所述管坯(4)轴线方向均固定有一卡块(30)，所述卡接盘还包括与四个卡块(30)限位卡接的插块(36)，所述插块(36)外壁均匀分布有渐开线齿廓，所述插块(36)远离所述电机(1)的端部固定连接有一延伸杆(3)，所述电机(1)的输出端穿过所述插块(36)与所述延伸杆(3)固定连接；所述延伸杆(3)远离电机(1)的端部固定有工作棒(5)；当所述卡块(30)聚拢时，可用于插块(36)的夹紧卡合。
5.根据权利要求4所述的冷轧管机芯棒断裂检测装置，其特征在于，每个所述卡块(30)的内侧设置有由右侧视角逆时针由高到低变化的弧形部，所述弧形部的凹陷方向朝向所述管坯(4)轴线所在处，且每个弧形部分布有与所述插块(36)的渐开线齿廓凹陷处相契合的齿牙(31)。
6.根据权利要求5所述的冷轧管机芯棒断裂检测装置，其特征在于，在安装框(24)前侧并与其装配的连接框(35)，设置在所述延伸杆(3)上的盖板(34)，且所述盖板(34)可与连接框(35)装配。
7.根据权利要求1所述的冷轧管机芯棒断裂检测装置，其特征在于，所述断裂处理机构包括安装架(10)，以及分别设置在所述安装架(10)上限位转动的第一转动套(12)和第二转动套(20)，所述第一锥齿轮(8)和所述第二锥齿轮(9)分别固定连接在第一转动套(12)与第二转动套(20)的相对端，在所述安装架(10)朝向所述管坯(4)方向的内壁花键连接有限位杆(21)，所述限位杆(21)朝向所述管坯(4)方向端部设置有一连接杆(23)，所述连接杆(23)由左至右依次穿过第二转动套(20)、第二锥齿轮(9)上开设的通孔并在另一侧端部固定有一安装件(19)，所述安装件(19)以右侧视角H形截面设置，所述安装件(19)H形的上下部镂空处分别固定有以连接点为固定点左右两端依次上下偏转的一安装套(22)，每个所述安装套(22)上转动安装有传动杆(17)，每个所述传动杆(17)的左侧端设置有第一传动轮(181)，右侧端设置有第二传动轮(182)，两个所述第一传动轮(181)均与第一锥齿轮(8)啮合传动，两个所述第二传动轮(182)均与第二锥齿轮(9)啮合；
所述安装件(19)远离连接杆(23)的侧壁转动安装有花键轴(7)，且花键轴(7)穿过第一锥齿轮(8)开设的花键槽并在靠近所述管坯(4)一侧端部固定有尾杆(6)，所述尾杆(6)远离花键轴(7)的一端与工作棒(5)末端固定连接。
8.根据权利要求7所述的冷轧管机芯棒断裂检测装置，其特征在于，所述驱动装置包括设置在安装架(10)上的电机(14)，所述电机(14)的输出轴固定有第二皮带轮(15)，以及固定在第一转动套(12)外壁的第一皮带轮(13)，所述第一皮带轮(13)与第二皮带轮(15)之间传动连接有传动皮带(16)。
9.根据权利要求7所述的冷轧管机芯棒断裂检测装置，其特征在于，所述检测通行装置包括设置在安装架(10)端部的横杆(38)，所述横杆(38)的远端固定有支撑块(41)，以及设置在机架(40)上两组第二电动伸缩杆(39)，两组所述第二电动伸缩杆(39)以工作棒(5)轴心相对设置，用于支撑块(41)的间歇性夹紧固定。
10.采用如权利要求1-9任一所述装置的冷轧管机芯棒断裂检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)所述单片机控制所述第一轧辊(21)和第二轧辊(22)沿所述管坯(4)轴线所在水平方向以速度vx在一个水平子周期T1内向轧制出口方向水平移动，在水平移动的过程中所述单片机控制第一轧辊(21)和第二轧辊(22)以相同的第一角速度ωa在管坯外壁在一个水平子周期T1内进行相向方向的旋转；
2)然后所述单片机控制开启所述电机(1)，带动所述管坯(4)与和其同轴设置的工作棒(5)在一个回转子周期T2内绕其自身轴线进行旋转，一个所述水平子周期T1与一个所述回转子周期T2形成一个轧制子周期；
3)所述单片机控制重复所述步骤1)-2)N次，经过N个所述轧制子周期后完成一个所述管坯(4)的轧制，完成轧制的所述管坯(4)被控制从轧制出口卸下；
4)所述单片机控制所述第一轧辊(21)和所述第二轧辊(22)由左至右水平移动，回到左侧初始轧制位置；
5)在每个轧制子周期过程中，当所述单片机接收到所述第四角速度和第四角速度传感器为0时，则判断此时工作棒(5)发生断裂，并启动所述检测通行装置阻碍管坯(4)通行至轧制出口卸下，同时启动驱动装置带动已经断裂的与所述断裂处理装置连接的部分工作棒(5)继续以所述电机(1)驱动旋转的角速度ωb旋转，完成一个管坯(4)的轧制。
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