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管拧机浮动抱钳液压控制系统的研究 摘要 近年来，随着企业对套管需求的提高，对套管的质量要求也越来越高。在石 油钢管生产过程中，拧套管是一道重要的工序，而管拧机夹紧装置的夹紧效果直 接影响钢管管端的连接情况和生产效率。由于钢管较长，并且有一定的挠度，故 在拧接过程中要产生多余的扭矩和径向跳动力，造成管拧机的抱钳体变形，夹爪 上的偏心轴断裂等严重的不良后果。该论文针对传统的管拧机夹紧装置所存在的 缺点和不足进行了分析，开展了管拧机结构的改进、液压系统的改造设计和液压 控制系统仿真等方面的研究，以期实现系统安全可靠地运行。 首先，本文分析了原有管拧机系统结构上的不足，在满足生产要求的前提下， 对管拧机的整体结构进行了重新改造设计，使其能够浮动，并确保改造后能提高 系统的工作可靠性和可操作性，从而实现安全高效的生产。 其次，本文针对该液压系统对压力连续可调的要求，将原有的液压系统改造 成比例阀控缸的压力控制系统，建立了管拧机液压控制系统的数学模型。并在此 基础上对液压系统进行了计算机仿真，根据仿真结果对管拧机液压控制系统进行 了时域、频域的分析和稳定性的分析。 最后，本文对管拧机液压控制系统进行了常规p i d 控制器、基本模糊控制器 和两种f u z z y - p i d 控制器的设计与仿真。在常规p i d 控制器的设计与仿真的基础 上，针对其响应过程的不足，对p i d 控制的响应状态进行了详细的分析，并将各 种方法的控制结果进行了比较分析，找出能够较好地满足“快速无超调”要求 的控制方法，以实现液压夹紧装置的准确控制。 关键词：管拧机浮动抱钳夹紧装置比例阀控缸液压系统p i d 控制器模 糊控制器f u z z y - p i d 控制器 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo fp i p e - - w r e n c h i n gm a c h i n ew i t hf l o a t i n gc l a m p i n g - - c l a w a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e m a n do fs t e e lp i p e sq u a l i t yb e c o m e sm o r ea n dm o r eh i g h a l o n g 、) l r i 也t h em o r ed e m a n do fs t e e lp i p e sq u a n t i t y i ns t e e lp i p ep r o d u c t i o nl i n e ，t h e p e t r o l e u mp i p e - w r e n c h i n gp r o c e s s i sa ni m p o r t a n tu n i t 伤口c l a m p i n ge f f e c to f p i p e - w r e n c h i n g m a c h i n e sc l a m p i n gd e v i c e d e r e e t l y i n f l u e n c et h e c o n j u n c t i o n c i r c u m s t a n c ea n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y o na c c o u n to ft h es t e e lp i p ei sl o n g e ra n dh a s c e r t a i nw r a p p i n gd e g r e e ，t h em a c h i n ew i l lp r o d u c es u p e r f l u o u st o r q u ea n dd i r e c t p a l p i t a t i n g - p o w e ri nw r e n c h i n gp r o c e s s t h a tw i l l r e s u l ti nt h ed e f o r m a t i o no f p i p e - w r e n c h i n gm a c h i n e sc l a m p i n g c l a wb o d ya n dt h ed e v i a t i n g - c e n t e ra x l eo nt h e c l a m p i n g - c l a wb r e a ka n ds p l i to p e n a tt h es a l v et i m ei tw i l lc a u s es o m eo t h e rs e r i o u s l y b a dr e s u l t s t h i st h e s i sa n a l y z e st h ef a u l t sa n di m p e r f e c t i o n si nt r a d i t i o n a lc l a m p i n g d e v i c eo fp i p e - w r e n c h i n gm a c h i n e ，s t u d i e st h es t r u c t u r e si m p r o v e m e n t ，h y d r a u l i c s y s t e m sr e b u i l d i n ga n ds i m u l a t i o ni no r d e r t oe n s u r et h es y s t e ms a f ew o r k f i r s t l y ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h ef o r m e rp i p e - w r e n c h i n gm a c h i n es y s t e m sh a n d i c a p s a tt h ep r e m i s eo fs a r i s l y i n gt h ep r o d u c t i o nr e q u e s t ，t h et h e s i sr e f o r m sa n dd e s i g n st h e w h o l es t r u c t u r et om a k ei tf l o a ta n di n c r e a s et h er e l i a b i l i t ya n dm a n e u v e r a b i l i t y , a n d t h e nr e a l i z et h es a f ea n de f f i c i e n tp r o d u c t i o n s e e o n d l y ，t h i st h e s i sd e s i g n sap r o p o r t i o n a lv a l v ec o n t r o lc y l i n d e rp r e s s u r ec o n t r o l s y s t e ma l r n m i n ga tt h er e q u e s to fc o n t i n u o u sa d j u s t a b l ep r e s s u r e a n dw ee s t a b l i s ht h e m a t hm o d e lo f t h ec o n t r o ls y s t e m o nt h eb a s eo f t h e s e ，w em a k eas t u d yo f t h e s y s t e m m o d e l s s i m u l a t i o n ，a n a l y z e t h et i m e f i e l d , f r e q u e n c y f i e l da n d s t a b i l i t y o f p i p e - w r e n c h i n gm a c h i n eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m f i n a l l y ，t h i st h e s i sd e s i g n sa n ds i m u l a t e st h eg e n e r a lp i dc o n t r o l l e ro fh y d r a u l i c s y s t e m a n dw ep a r t i c u l a r l ya n a l y z et h er e s p o n do fp 1 dc o n t r o l l e ra l m m i n ga tt h e s h o r t a g eo fr e s p o n dp r o c e s s a tt h e $ a n l et i m e ，w ed e s i g nt h eb a s i cf u z z yc o n t r o l l e r c o m p a r i n gw i t ht h ep i dc o n t r o l l e r , i th a st h eg o o dc o n t r o lr e s u l t t h e n ，a p p l y i n gt h e t e c h n i q u eo ff i 正z z yc o n t r o l ，w ed e s i g nt w ok i n d so ff u z z y - p i dc o n t r o l l e r s ，w h i c hc a n b e t t e rs a t i s f yt h ec o n t r o lr e q u e s t t h r o u g ht h em i x e d u s a g eo ff u z z yc o n t r o l l e ra n dp i d c o n t r o l l e r ，w ec a nw e l la c h i e v ee a c ha d v a n t a g eo ft r a d i t i o n a lc o n t r o la n df u z z yc o n t r 0 1 t h er e s u l t so fs i m u l a t i n g 啪o b v i o u s l yi m p r o v et h i sp o i n t t h r o u g hc o m p a r i n gt h e d i f f e r e n tw a y s ，w ec a l lf m dt h eb e s tw a yt oc o n t r o lt h es y s t e mi no r d e rt or e a l i z et h e e x a c tc o n t r o lo f t h eh y d r a u l i cs y s t e m i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t k e yw o r d s ：p i p e - w r e n c h i n gm a c h i n e ，f l o a t i n gc l a m p i n g - c l a w , c l a m p i n gd e v i c e ， p r o p o r t i o n a lv a l v ec o n t r o lc y l i n d e rh y d r a u l i cs y s t e m , p i dc o n t r o l l e r , f u z z yc o n t r o l l e r , f u z z y - p i dc o n t r o l l e r - 特创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师宋锦春教授的指导下完成 的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：拟 日 期： 彬，垆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学项士学位论文 第一章辩论 1 1 引言2 ，2 踟 第一章绪论 近年来，随着企业对套管需求的提高，对套管的质量要求也越来越高。在石 油钢管生产过程中，拧套管是一道重要的工序，而管拧机夹紧装置的夹紧效果直 接影响钢管管端的连接情况和生产效率。石油套管的加工工艺过程如图1 1 所示。 钢管从中间仓库成排地装到套管加工线的上料台架上。钢管经过一个链式缓 冲台架进入钢级鉴别装置前的辊道。钢管沿辊道以o 7 6 m s 的速度通过涡流钢级鉴 别装置进行钢级鉴别。检查合格的钢管被拨到加工线上；而钢级不合格的钢管则 沿辊道继续运到一端，被拨到废料收集台架上。 管壁厚度差也会引起钢管导电率的变化，以致钢管被误判为钢级不合格。因 此，在这个收集台架上要用手提超声波测厚仪对涡流钢级鉴别装置判废的钢管重 测一次壁厚，最后确定报废的原因。 钢级合格的钢管由带v 形托槽的链式移送机向前送进。每次移送两根钢管， 以便用双工位磁粉探伤装置检查钢管的两端。检查中发现有缺陷时由工人做出标 记，以便在切管机上予以切除。 管端有缺陷、端面不齐及车丝不合格钢管要在切管机上进行切头。钢管先在 定位辊道上定位，然后在1 号切管机切去一端；接着在另一定位辊道上移送到另 一端定位，并在2 号切管机切去另外一端。 切头或不经切头的钢管经链式缓冲台架送到1 号车丝机上进行钢管一端的丝 扣加工，包括铣端面、倒内外棱、扒皮和车丝，在一个冲程中完成。 车丝以后钢管由带v 形托槽的链式移送机送进，通过三个检查工位。钢管由 回转托辊托起可以自由转动。在第一个检查工位上，人工检查丝扣，用单项仪检 查丝扣的螺距、齿高和尾扣；在第二个检查工位上检查丝扣的锥度；在第三个工 位上用工作环规检查紧密距。丝扣不合格的钢管被收集在废料箱中，随后用切管 机切去废丝扣部分再重新加工丝扣和检查。 检查合格的钢管经链式缓冲台架送到接箍预拧机前。钢管在定位辊道上定位 以后，先在预拧机上将已涂上a p i 丝扣油脂的接箍拧到管端上，拧接力矩达到手 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 丝扣不合格 图1 1 石油套管的加工工艺过程 t h ep r o d u c i n gc r a f tp r o c e s s o f p e t r o l e u mc o v e r i n g - p i p e 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 紧的程度。接着钢管被送到接箍拧接机上将接箍拧到规定的拧紧程度。接箍拧接 时既控制力矩又控制圈数，二者必须同时符合要求。任何一项不合格都是废品， 被收集到废料箱中。 接着，钢管被拨到冲水装置的台架上，在此用1 0 3 4 k p “1 5 0 l b ，岔) 的高压水冲 洗钢管，将管内的铁皮等杂物冲走，然后再进行钢管全长通径试验。这样既可防 止铁皮杂物妨碍通径头顺利通过而引起误判废，同时也可减少通径头的磨损，延 长使用寿命。通径不合格的钢管收集在随后的废料箱中。 通径后的钢管进行水压试验。在水压试验机上，钢管先由定位推杆定位并确 定充水端的位置，然后拨入水压试验机中按a p i 规定的压力进行试压，并保持一 定的时间。整个水压试验机由一个大罩封闭起来，以保证操作安全。试压以后钢 管被拨出，在一个倾斜装置上空水，使管内的水迅速流出。在这以后有废料箱用 来收集水压试验的废品。 钢管经辊道和链式缓冲台架运送到2 号车丝机上进行钢管另一端的丝扣加工， 接着进行丝扣检查。操作过程同l 号车丝机。 车丝并经检查的钢管由链式缓冲台架送到保护环拧接机前的台架上。钢管先 在定位辊道上定位，然后被放到回转托辊上，在钢管回转的时候将a p i 丝扣油脂 涂到裸露的丝扣上，同时用两个喷嘴在管端喷上色环。接着在l 号拧接机上将外 保护环拧到钢管一端。以后，钢管沿定位辊道移送到另一端，然后在2 号拧接机 上将内保护环拧到已涂上a p i 丝扣油脂的接箍上。保护环拧接机的拧紧力矩可以 按钢管规格和扣型调整。 钢管经链式缓冲台送到测长、称重和打印设备前，依次地进行测长、称重和 打钢印。随后，钢管在沿辊道送往涂漆机的途中进行喷印，把测长、称重的数据 连同钢管尺寸、钢管级、标准号、厂标等喷印在钢管表面上。测长的精度为2 5 r m n ， 称重的精度为i 1 0 0 0 ，并可通过微机把保护环的长度和重量自动减去。 钢管沿辊道通过连续涂漆机喷涂水溶性漆，涂层的厚度可通过调节辊道速度、 喷嘴大小和喷涂压力来加以控制，一般为o 0 7 6 u m ( 3 n f i l ) ，干燥后约为 0 0 2 5 u m ( 1 m i l ) 。 为了加快水溶性漆的干燥，在涂漆以后钢管通过一座干燥炉的下方用热风将 漆层吹千。钢管通过干燥炉后表面涂层已完全干燥，于是沿辊道送到成品仓库的 收集和打捆台架上。钢管可以收集成排也可收集成捆，然后用吊车运到成品仓库 中存放或发货。 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 管拧机的研究现状与发展n 2 ，1 0 3 1 2 1 管拧机的现状 p m c 公司设计制造接箍预拧机、拧接机和通径机的历史悠久，在世界上也享 有盛誉。从1 9 4 5 年到现在已经制造了9 5 台接箍预拧机和7 4 台接箍拧接机，其中 包括向中国提供的7 套。钢管规格从3 3 4 r a m ( 1 3 1 5 ”) 到5 0 8 m m ( 2 0 ”) ，其型号及拧 接力矩列在表1 1 中。 表1 1 接箍预拧机、拧接机和通径机型号、规格和拧接力矩 t a b l e1 1 t h em o d e ln u m b e r , s p e c i f i c a t i o na n dt o r q u eo f p r e 。w r e n c h i n gp i p em a c h i n e ， p i p e - w r e n c h i n gm a c h i n ea n de l a p s i n gd i a m e t e rm a c h i n e 钢管规格范围 拧接力矩 型号 m mi nk n m1 b f t 6 6 2 7 3 1 8 4 03 3 4 1 3 9 71 3 1 5 5 1 ，2 1 07 5 0 0 6 7 0 7 7 0 8 7 04 8 3 1 7 7 8 1 9 02 01 5 0 0 0 6 5 3 ，7 3 7 8 6 86 0 3 2 4 4 52 3 馏9 5 ，8 2 0 3 4 1 5 0 0 n 2 5 0 0 0 6 6 8 广7 4 6 8 5 11 1 4 3 3 4 04 1 伽1 3 3 8 3 4 3 4 2 5 0 0 0 6 6 9 i 7 4 7 ，8 5 211 4 3 - 4 0 64 1 尼1 63 42 5 0 0 0 胡4 毽| 1 7 7 8 5 0 87 2 0 3 4 2 5 0 0 0 石油管加工线在设备布置、产品品种和产量等方面有各种不同的情况和要求， 因此接箍预拧机、拧接机和通径机的配置和组成也不同，以适应生产的需要。尽 管情况可以千变万化，用户要求各异，但归纳起来不外以下几种。 ( 1 ) 接箍预拧机、拧接机和通径机装在一起，共用步进梁运送台架。这样布 置可以共用一个步迸梁台架，由同一个液压站和电气控制系统进行控制。因此， 设备费用较低，布置紧凑，占地面积较少。以6 6 2 7 3 l 8 4 0 型接箍预拧机、拧接机 和通径机为例，可以全部自动化操作，从接箍内涂丝扣油脂、预拧到手紧程度、 拧紧到规定力矩，一直到全长通径均可自动进行。这套设备用于 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 3 3 4 - - 1 3 9 7 m m ( 1 3 1 5 ”o l 彪”) 钢管，小时产量可达到5 0 0 根以上。 ( 2 ) 在接箍拧接机和通径机之间设置水冲装置。在加工作业上配备有水压试 验机的情况下，往往希望在水压试验以前用水冲去钢管内的铁皮和杂物，以免污 染水压试验用的乳化液，损伤水压密封。如果将这一冲水装置设在通径机前面， 那么不仅对水压试验机有上述好处，对于通径也有不小的裨益。首先，可以防止 管内的铁皮杂物卡住通径棒，引起误判废，同时由于有水在管内可以起到润滑作 用，减少通径棒的磨耗，有利于提高其使用寿命。因此，在新建的现代化钢管加 工线上一般都将水压试验前的冲水装置移到全长通径机的前面。 ( 3 ) 要求通径机能力不低于接箍拧接机。一般情况下，全长通径机的能力低 于接箍拧接机，限制了这一设备的生产能力。有的用户不希望受到通径机能力的 限制( 多数是在直径较小的油管加工时) 。因此，需要配置双头通径机。于是，接 箍预拧机和拧接机安装在一个共用的工作台上，而将双头通径机安装在单独一个 工作台上。这样一来，整个加工线不再受通径机能力的限制，这对提高生产效率 显然是有利的。 ( 4 ) 车丝以前和拧接箍以后都要进行通径试验。有的用户要求在车丝加工以 前进行全长通径，将通径不合格的钢管剔除，以免浪费车丝能力。同时，在接箍 拧紧以后还要进行通径试验，以保证钢管拧接箍后没有产生变形。在这种情况下， 要在车丝机前面设置一台自带拨入拨出装置的全长通径机，而在车丝以后布置接 箍预拧机、拧接机和一台短行程的通径机。这三台设备安装在一起采用步进梁台 架。 ( 5 ) 先上接箍拧接机，以后再加预拧机和通径机。为了节约建设费用，减少 一次投资，有的用户希望先上一台接箍拧接机先行生产，以后再增加接箍预拧机 和通径机。在设计上这是可以做到的，随着生产的需要和允许条件，再逐步进行 扩建。 近几年来，p m c 公司又开发了一种具有三个卡爪的新型保护环拧接机。在这 种拧接机上用三个镶有碳化钨镶块的卡爪取代了原来的三个人造橡胶辊子，从而 能够更好地将保护环卡住，克服了过去辊子和保护环之间的打滑现象。 1 2 2 国内外的研究动态 美国p m c 公司口i p em a c h i n ec o m p a a y ) 是世界上一家专门以生产管加工 5 东北大学硕士学位论文 第一辛绪论 设备为主的工厂，成立于1 9 1 2 年，其总部设在美国俄亥俄州的克利夫兰市。该公 司早期以生产石油专用管用的量规量具和刀具为主，后来开始生产管加工机床等。 5 0 年代后期，p m c 公司在世界上首先研制成功了钢管固定不动、刀具旋转进给的 管子车丝机，并使用硬质合金刀具加工管端螺纹，使油套管加工的生产效率和产 品质量都有了显著提高。随着现代科学技术的发展，该公司坚持不懈地应用科技 新成果来进行自己管加工设备的改进和创新，从而使该公司设计制造的管加工设 备在国际上具有较强的竞争力，并占有较为突出的地位。 近几年来，我国天津钢管公司、宝鸡石油钢管厂和上海宝山集团公司无缝钢 管厂等相继引进了美国p m c 公司的管加工机床及其它设备，用以生产我国石油工 业急需而以前需要大量进口的石油套管和油管。目前，这几条主要由p m c 管加工 机床组成的管加工生产线都已陆续建成投产。 1 3 液压控制系统中智能控制的应用h ，7 t 9 1 9 t2 门 随着液压控制系统应用领域的不断扩大和应用场合的复杂化，客观条件对电 液控制系统的动态品质、控制精度要求不断提高，对控制策略的研究也越来越深 入。 以经典控制理论为基础的p i d 控制，因其具有结构简单易于实现的特点，至 今在电液控制系统中仍有广泛的应用，但传统的p i d 用线性定常组合方式，难于 协调解决快速性和稳态性之间的矛盾，在具有参数变化和外干扰情况下其鲁棒性 也不够好。吸取自适应控制和智能控制的基本思想并利用计算机的优势，对传统 的p i d 进行改造后，形成了智能p i d 控制。它具有不依赖系统精确数学模型的特 点，对系统的参数变化具有较好的鲁棒性。 对于复杂的不确定性的系统来说，由于其清晰度低，变量多，要列出其微分 方程组并求解是非常困难的，甚至是不可能的。因此，对于那些难以获得数学模 型的工业过程，仍然是以人的操作经验为基础进行人工控制。而在人的思维、语 言以及信息的处理中，表现出许多模糊概念，可见对一些不清晰系统，就是要把 模糊信息综合起来加以分析，用模糊数学理论与计算机技术相结合的方法，设计 成模糊控制器，来代替有经验的操作者的人工控制，以实现工业过程智能化控制。 模糊控制具有智能控制所具有的一系列优点，在液压控制系统中已经开始获 得应用。模糊控制特别适用于被控参量无精确的表示方法和被控对象各参数间无 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 精确的相互关系情况，以及非线性系统，此时模糊控制往往获得比精确控制更理 想的效果，而电液控制系统正是此类情况。 1 4 课题的来源和意义 1 4 1 课题的来源 本课题是针对上海宝山集团公司钢管厂现有的管拧机设备而言，它已不能满 足日益发展的生产的需要，因此为了提高系统的性能，对原有设备进行了大量的 改进和优化，研究开发出一套全新的管拧机夹紧装置动拧抱钳液压浮动夹紧 装置。本装置与传统管拧机夹紧装置的最大区别是：该系统可以实现浮动，即在 垂直和水平方向可以容许士2 咖的移动量。其主要实现办法是将管拧机抱钳夹爪与 箱体连接成一个整体，且这个整体在水平和垂直方向都设计成有滑动结构，通过 传动轴连接，再通过机械连杆机构将拧管时产生的多余力和扭矩都转化到一个液 压阻尼器上充分吸收。这就是本课题的来源。本课题的发明为国内首创，它填补 了我国钢管加工业的一个空白。 1 4 2 课题的意义 研制一种行之有效、合适的管拧机液压浮动夹紧装置可以为我国的钢管加工 工程带来新鲜的活力，并为浮动夹紧理论带来全新的理念，同时为我国钢管加工 业带来新的生机。本课题研究的动拧抱钳液压浮动夹紧装置就是为了良好的解决 生产中出现的设备部件经常损坏的问题，从而为我国的钢管加工业做出贡献。因 此，本课题的研究具有理论意义和社会经济意义。 1 5 课题研究的主要内容及工作 本课题主要是对原系统进行整机的改造，包括设备的结构和液压控制系统的 设计。建立管拧机竖直液压夹紧系统的模型并进行仿真，为以后进一步深入研究 作铺垫。本课题的研究内容及工作具体包括以下几部分： ( 1 ) 管拧机夹紧装置的整机结构改造 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ) 通过对浮动式夹紧装置的机理分析，绘制出管拧机的整体装配图。 2 ) 设计管拧机的各零部件并绘制其零件图。 3 ) 液压阻尼器的分析。 4 ) 浮动机构的设计方案。 ( 2 ) 管拧机竖直液压夹紧系统的改进 针对原系统压力不可调的缺点改进了系统，采用了电液比例减压阀，设计了 电液比例控制系统，使系统压力连续可调。 ( 3 ) 管拧机竖直液压夹紧系统的建模与分析 本文采用了比例阀控缸液压系统，建立了接个控制系统的数学模型，并对整 个系统模型应用m a t l a b 进行计算机仿真实验研究，根据仿真结果对管拧机液压控 制系统进行时域分析和稳定性分析。 ( 4 ) 利用p i d 和模糊控制理论对液压系统进行仿真研究 本文在对管拧机的液压系统进行p i d 控制器设计与仿真的基础上，针对其响 应过程的不足，对p i d 控制的响应状态进行了详细的分析，应用模糊控制技术， 对系统进行模糊控制器和模糊p i d 控制器的设计。比较各种控制方法的结果，找 出能够较好地满足“快速一无超调”要求的控制方法，以实现液压夹紧装置的准 确控制。 8 东北大学硕士学位论文第二章管拧机整体结构的改造 第二章管拧机整体结构的改造 2 1 管拧机夹紧装置概述 钢管分厂管拧机原设计能力为适合5 ”钢管拧丝，现为了生产7 ”钢管，需提高 其动拧夹持能力至2 0 0 0 0 n m ，比5 ”钢管夹持扭矩提高3 0 多，因此需在机械、液 压及电控方面进行综合研究。 拧接的钢管夹爪体的设计是独特的。这一液压驱动的夹爪体将预先定位的钢 管卡紧，并使它沿接箍夹爪的中心线作轴向移动，在接箍拧紧的过程中，夹爪将 钢管卡住不放。为了提高套管的生产效率，需对传统的管拧机抱钳夹紧装置进行 技术改进，保证套管生产过程的连续性。 图2 1 管拧机固定夹紧装置结构图 f i g 2 1 t h e5 t 1 - u c t u r ed i a g r a mo f p i p e - w r e n c h i n gm a c h i n e ss o l i dc l a m p i n gd e v i c e 原管拧机夹紧装置采用传统的固定夹紧装置，其结构如图2 1 所示。工作时， - 9 东北大学硕士学位论文 第二章管拧机整体结构的改造 在竖直液压缸的控制下，抱钳夹紧或者松开，同时在水平液压缸的作用下，夹爪 体机架在滑道上沿径向滑动，实现管拧机接管的功用。在夹紧过程中，套管一旦 被夹紧就固定不动了。 2 管拧机夹紧装置的改造口羽 2 2 1 固定式夹紧装置改进的理由 管拧机的这种夹紧装置在过去基本上能够满足生产的需要，但随着企业对套 管质量标准的进一步提高，这种装置越来越暴露出其本身所存在的缺点和不足。 由于套管较长，并且有一定的挠度，故在拧接过程中要产生多余的扭矩和径向跳 动力，造成管拧机的抱钳体变形，夹爪上的偏心轴断裂等严重的不良后果，具体 如下： ( 1 ) 夹紧抱钳上安装了偏心轴，轴的材质为4 0 c r ，它起到抱钳力臂杆铰链轴 作用，但偏心轴受力经常断裂。 ( 2 ) 原抱钳夹爪体为4 5 号钢板焊接，在使用中存在受力变形问题，严重时 有筋板撕裂开焊情况。 ( 3 ) 抱钳装置由水平移动的液压缸带动在滑道中移动，钢管拧丝时所受扭矩 力则由四个滚轮承受，在运动中存在滚轮轴变形的问题。 ( 4 ) 抱钳夹紧力由竖直液压缸提供，原液压系统压力在调定后不能够随着各 种规格大小的钢管而改变，即夹持力固定，这就存在一个问题，即对小规格钢管 夹持力大，对大规格钢管夹持力不足。 ( 5 ) 抱钳体在调整定位以后，其钳口轴心即为固定不动。因此，在钢管轴心 存在一定偏心的情况下拧管时会产生很大的变形力，作用在抱钳体及机身与主轴 之间。 2 2 2 浮动式夹紧装置的机理分析 针对上述存在的问题，综合国内外的生产经验和资料，对原管拧机的夹紧装 置进行技术改造，增添了径向和横向的浮动机构，液压阻尼器等，保证了钢管生 产过程的连续性。研制出一种新型抱钳夹紧装置，改造后的液压浮动夹紧装置的 1 0 系统结构图如2 2 所示。 1 液压阻尼器2 一水平滑动机构3 一竖直滑动机构 图2 。2 管拧机液压浮动夹紧装置的系统结构图 f i g 2 2t h es t r u c t u r ed i a g r a mo f p i p e - w r e n c h i n gm a c h i n e sf l o a t i n gc l a m p i n gd e v i c e 2 2 3 液压阻尼器的分析口钉 2 2 3 1 液压阻尼器的作用 液压阻尼器是利用充满液压油的液压缸，通过阻尼控制阀的作用，在液压缸 两腔产生压力差，从而对负载产生阻尼力，该阻尼力的大小与负载速度有关。液 压阻尼器可以吸收负载振动、冲击，限制负载速度、位移，防止设备共振，补偿 设备的热膨胀位移，保护设备安全可靠。 2 2 3 2 液压阻尼器的结构及工作原理 液压阻尼器的结构如图2 3 所示。它主要由球铰、液压缸、阻尼阀组、补油器 等组成。为了结构紧凑，阻尼阀组和补油器均安装在活塞杆内部。安装时，球铰 一端安装于固定基础，球铰的另一端安装于浮动设备或管道。目前国内液压阻尼 东北大学硕士学位论文第二章管拧机整体结构的改造 器有两种结构形式：一种是无关闭速度的液压阻尼器；另一种是有关闭速度的液 压阻尼器。对于要求冲击位移小、质量较大的设备，后者较为适合。两种阻尼器 的结构形式基本相同，只是控制阀的结构形式不同。 1 一大球铰2 一缸体3 一阻尼阀4 一活塞5 一放气阀组 6 一卡环7 一端盖8 一补油组件9 一插座1 0 一小球铰 图2 3 液压阻尼器的结构 f i g 2 3 t h es t r u c t u r eo f h y d r a u l i cs t o p p a g em a c h i n e ( 1 ) 无关闭速度液压阻尼器的工作原理 无关闭速度液压阻尼器的工作原理如图2 4 所示。 1 一补油器2 一控制阀组3 一阻尼缸 图2 4 无关闭速度液压阻尼器的工作原理图 f g 2 4 t h ew o r k i n gp r i n c i p l ed i a g r a mo f h y d r a u l i cs t o p p a g em a c h i n ew i t hn o - c l o s i n gs p e e d - 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章管拧机整体结构的改造 液压缸左右两腔分别与单向阀、孔板阀组相连，当阻尼器受到向左外力作用 时，左边孔板阀组起阻尼作用，右边单向阀打开吸油，补油器补足阻尼器受瞬时 冲击时造成右腔油量不足。采用孔板阀组结构，主要目的是增加阻尼效果，以避 免单阻尼孔通孔面积太小，容易造成阻塞。图中6 1 为阻尼孔面积，以为孔直径，z 为单侧孔板数。为了获得有效阻尼，孔板上小孔位置偏心，相邻孔板上小孔错开1 8 0 。 安装。 液压阻尼器阻尼力与液压缸活塞杆速度间呈抛物线关系( 见图2 5 ) 。图中k 为 低速热位移速度，为低速热位移时的液压阻尼力，毛。为阻尼器最大冲击载荷。 f 一一一一_ f 夕 | v 图2 5 无关闭速度液压阻尼器的f 一矿特性曲线 f i g 2 5 t h ef yc h a r a c t e r i s t i cc l i r v co f h y d r a u l i cs t o p p a g em a c h i n ew i t h n o - c l o s i n gs p e e d ( 2 ) 有关闭速度液压阻尼器的工作原理 l 一补油器2 一控制阀组3 一阻尼缸 图2 6 有关闭速度液压阻尼器的工作原理图 f i g 2 6 t h ew o r k i n g p r i n c i p l ed i a g r a mo f h y d r a u l i cs t o p p a g em a c h i n ew i t hc l o s i n gs p e e d 1 3 东北大学硕士学位论文第二章管拧机整体结构的改造 有关闭速度液压阻尼器的工作原理如图2 6 所示。该阻尼器阻尼阀采用带正开 1 ：3u 的圆柱滑阀，滑阀直径为西，滑阀上开有带矩形横截面的螺旋槽，槽边长为 b ，螺距为t ，阀芯与阀套密封长度为b 。阀芯两端装有对中弹簧，弹簧刚度为k ， 预压缩量为，液压阻尼器的f 一矿特性曲线见图2 7 。 当液压缸活塞以速度y 巧向左移动时，在滑阀节流边上产生的压力不足以克 服滑阀弹簧预压力，阀芯不动，活塞可以在较小阻力下自由移动。当活塞速度达 到关闭速度砖时，在滑阀节流边上产生的压力克服弹簧力使阀芯关闭通道，阻尼 器将活塞杆锁定，可以承受很大的外力。但由于滑阀上开有螺旋槽，使液压缸左 右两腔还有很小通道，活塞杆仍可以以很低速度移动，该速度称为液压阻尼器挤 压速度巧，曲线中圪为阻尼器低速热位移速度。 图2 7 有关闭速度液压阻尼器的f 一矿特性曲线 f i g 2 7 t h ef 一矿c h a e t e r i s t i cc u r v eo f h y d r a u l i cs t o p p a g em a c h i n ew i t hc l o s i n gs p e e d 2 2 3 3 液压阻尼器的主要性能指标 液压阻尼器在机械设备中是一关键部件，根据工况要求，液压阻尼器应满足 如下主要性能指标： ( 1 ) 阻尼器最大冲击负载e 。； ( 2 ) 阻尼器活塞杆以管道热膨胀速度珞运动时，热位移阻力最 【最】 ( 【b 】- o 0 5 匠) ； ( 3 ) 阻尼器受到最大冲击负载力e 鲫作用时间a t = 0 0 5 秒时，活塞杆冲击位 移量s 应满足s 【s 】； ( 4 ) 阻尼器结构应满足最大热位移量： ( 5 ) 阻尼器结构尺寸小； 1 4 东北大学硕士学位论文第二章管拧机整体结构的改造 ( 6 ) 对有关闭速度液压阻尼器，应满足关闭速度和挤压速度巧指标，一般 v r 巧 珞。 2 2 4 浮动机构的设计 由于套管较长，并且有一定的挠度，故在拧接过程中要产生多余的扭矩和径 向跳动力，造成管拧机的抱钳体变形，夹爪上的偏心轴断裂等严重的不良后果。 经研究对原设备进行了大量的改进，增添了径向和横向的浮动机构，保证了钢管 生产过程的连续性。 2 2 4 1 浮动机构的设想 抱钳夹爪与箱体连接成一个整体，且这个整体在水平和竖赢方向都设计成有 滑动结构，通过机械连杆机构使拧管时产生的竖直和水平方向合成的径向力传递 到一个液压阻尼器上进行吸收。这样使得抱钳即可抱紧钢管，又可在拧管的同时 对偏心管有一定的容忍度。 2 2 4 2 浮动机构的设计方案 将抱钳夹爪连接到箱体上，且在水平和竖直方向都有滑动结构，再通过传动 轴连接，构成了机械连杆机构，其结构示意图如2 8 所示。 图2 8 机械连杆机构示意图 f i g 2 8 t h es k e t c hm a po f m e c h a n i c a lc o n n e c t i n gp o l em a c h i n e r y 用管拧机夹紧拧接套管过程中，当套管存在偏心时，钢管将必然对抱钳体产 生额外的变形力和多余的扭矩。其中，钢管产生的水平方向的变形力由图2 2 中的 1 5 东北大学硕士学位论文第二章管拧机整体结构的改造 竖直滑动机构3 转化为竖直方向的力；而钢管产生的竖直方向的变形力又通过键 传递给图2 2 中的水平滑动机构2 ，然后，再通过机械连杆将这些多余的力和扭矩 转化到液压阻尼器上充分吸收。 将抱钳爪体设置在主机上来实现浮动，浮动量可以由左、右摇杆在箱体两侧 的左、右限位块中的运动来控制。 1 6 东北大学硕士学位论文 第三章管拧机液压夹紧系统的改进 第三章管拧机液压夹紧系统的改进 3 1 引言 钢管分厂管拧机( 动拧抱钳) 原设计能力为适合5 ”钢管拧丝，现为了生产7 ” 钢管，需提高其动拧夹持能力至2 0 0 0 0 n m ，比5 ”钢管夹持扭矩提高3 0 多。抱钳 夹紧力由液压缸提供，原液压系统压力在调定后不能随各种规格大小的钢管而改 变，即夹持力固定，这就存在这样一个问题，即对小规格钢管夹持力大，而对大 管径钢管夹持力不足。为了使夹持力可以根据不同规格钢管而改变，则采用在原 液压系统中设置一个电液比例减压阀来调定系统压力，使夹持力能连续变化以获 得最佳夹持效果。 3 2 电液比例控制系统简介口1 1 ，1 2 ，1 3 ，3 0 蚓 在液压传动与控制中，能够接受模拟或数字式信号，使输出的流量或压力连 续成比例地受到控制，都可以被称为电液比例控制系统。电液比例控制技术作为 连结现代微电子技术和大功率工程控制设备之间的桥梁，已经成为现代控制工程 的基本技术构成之一。它与传统的电液伺服技术相比，具有可靠、节能和廉价等 明显特点，已经赢得相当广泛的应用领域，形成了颇具特色的技术分支。 3 2 1 系统组成 一个典型的电液比例控制系统的结构框图如图3 1 所示。由图可见，一个比例 控制系统包括以下各部分： ( 1 ) 编程器 编程器是指控制信号的产生和处理单元，其作用是产生给定值，在开环控制 下，该给定值直接送到电控器处理，在闭环下，该给定值与实际反馈值比较后得 出差值，作为系统的真正的控制信号，然后送到放大器处理。有时它也是比例放 大器的内电路的一部分。 1 7 东北大学硕士学位论文第三章管拧机液压夹紧系统的改进 奠_ 量_ 冒舅奠- 量冒量_ _ 图3 1电液比例控制系统的组成框图 f i g 3 1 t h ef h m ed i a g r a mo f e l e c t r l c - l i q u i dp r o p o r t i o n a lc o n t r o ls y s t e m ( 2 ) 比例放大器 比例放大器又被称为电控器。由于含在比例阀内的电磁铁需要的控制电流较 大( 0 - 8 0 0 m a ) 而偏差控制电流较小，不足以推动电磁铁工作。所以要对控制信 号进行功率放大，且偏差信号的类型或形状都不一定能满足高性能控制的要求。 比例放大器的作用是对输入的信号进行加工、整形和放大，使达到电一机械转换 装置的控制要求。 ( 3 ) 液压比例元件 液压比例元件内部又可分为两大部分，即电一机械转换器及液压放大元件， 还可能带有阀内的检测反馈元件。电一机械转换器是电液的接口元件，它把经过 电控器放大后的电信号转换成与其电学量成比例的力或位移。这个输出力或位移 改变了液压放大级的控制液阻，经液压放大作用，把不大的电气控制信号放大到 足以驱动系统负载。这是整个系统的功率放大部分。 ( 4 ) 液压执行器 通常指液压缸或液压马达，它是系统的输出装置，用于驱动负载。 ( 5 ) 检测反馈传感器 对于闭环控制需要加入检测反馈元件。它检测被控量或中间变量