雙金屬復(fù)合管離心機的改進設(shè)計

摘要：介紹了雙金屬復(fù)合管離心機的工作原理、結(jié)構(gòu)組成及主要特點，討論了目前制備雙金屬復(fù)合管存在的一些問題， 提出了在設(shè)計制造中改進的具體方法以及主要的工藝參數(shù)。介紹的離心機可方便地制備外徑為Φ１０８～１９４ｍｍ，長度為 ３０００ｍｍ的雙金屬復(fù)合管。
　　關(guān)鍵詞： 雙金屬復(fù)合管； 離心機； 改進設(shè)計
　　中圖分類號： ＴＧ２３３．３    文獻標(biāo)識碼： Ａ    文章編號： １００１－３８１４（２００８）１３－００２６－０２
　　雙金屬耐磨復(fù)合管由于其耐磨性和韌性的良好匹配， 整體性能優(yōu)異，在礦山、冶金、煤炭、電力等行業(yè)的物料輸送工況中，取得了良好的使用效果。目前常用的制造工藝是采用消失模真空吸鑄和離心鑄造。消失模真空吸鑄由于澆注工藝的局限，一次性復(fù)合直管的長度受到限制，同時復(fù)合層較厚，整體質(zhì)量大，致使復(fù)合直管的性價比優(yōu)勢不明顯，因此主要用于制作復(fù)合彎管［１］。離心鑄造工藝是在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下， 將金屬液澆注入鋼管內(nèi)，使其在離心力作用下， 均勻分布到鋼管內(nèi)壁，最后冷卻凝固成形。由于離心鑄造提高了澆注過程中金屬液的利用率和充型性， 因此特別適用于管、筒、套等具有旋轉(zhuǎn)中心的鑄件生產(chǎn)［２］。利用離心鑄造澆注雙金屬復(fù)合管，可實現(xiàn)加長、減薄復(fù)合，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟優(yōu)勢。
　?。?nbsp;常用雙金屬復(fù)合管離心機的工作原理及存在問題
　　目前雙金屬復(fù)合管大多采用托輪式離心鑄造機［３］，其結(jié)構(gòu)如圖１所示。其主要由管模、托輪、電機、皮帶、機座等組成。電機通過皮帶的傳動，帶動托輪旋轉(zhuǎn)，然后依靠摩擦力帶動管模旋轉(zhuǎn)，管模內(nèi)安裝有普通鋼管，并用專用卡具和緊定螺釘固定，從而使普通鋼管隨同管模一起旋轉(zhuǎn)，金屬液通過流槽澆注入普通鋼管內(nèi)，在離心力作用下，在普通鋼管內(nèi)壁凝固，形成一層復(fù)合層。
                
     依靠托輪式離心機制作雙金屬復(fù)合管主要存在問題：①為防止在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，管模發(fā)生劇烈振動或跳動，管模必須具有足夠的質(zhì)量，同時對管模的強度和動平衡要求較高，通常采用高合金鋼制作，加工難度較大，成本費用很高；②實際運行中，托輪與管模發(fā)生摩擦磨損，易造成失圓，從而產(chǎn)生偏心振動，造成復(fù)合管變形，復(fù)合的壁厚不均勻；③裝夾復(fù)雜，管模兩端的專用卡具裝卸頻繁，易造成變形報廢，且不同的管徑必須配備不同的卡具，通用性差，材料浪費嚴(yán)重。
    ２ 雙金屬復(fù)合管離心機的改進設(shè)計
    針對托輪式離心機存在的問題，依照離心鑄造原理以及復(fù)合管工藝技術(shù)要求，自行改進設(shè)計了一種新型的雙金屬復(fù)合管離心機。離心機設(shè)計的轉(zhuǎn)速 ０￣１５００ｒ／ｍｉｎ，可生產(chǎn)的復(fù)合管外徑Φ１０８￣１９４ｍｍ，長度 ３０００ｍｍ。該離心機主要由下列幾部分組成： 管模、調(diào)速電機、傳動皮帶、軸承座、水冷系統(tǒng)、稀油潤滑系統(tǒng)等，其結(jié)構(gòu)如圖２所示。本設(shè)計采用了軸承內(nèi)裝管模的方式，管模安裝于軸承座內(nèi)，通過軸承定位緊固，控制了管模的徑向跳動，保證了高速旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)。
                
     ２．１ 管模的設(shè)計
    在離心機的設(shè)計制造上，管模結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，直接關(guān)系到離心機高速運行的平穩(wěn)性與可靠性，因此要求管模具有較高的強度、剛度。選擇合適的管模支點位置， 能減少管模自重和復(fù)合管重量使管模產(chǎn)生的最大撓度值， 避免管模發(fā)生振動。按照彈性變形理論推導(dǎo)［４］，當(dāng) ａ１：Ｌ：ａ２＝１：２．５：１
時（Ｌ為管模兩支點間距離，ａ１、ａ２為管模懸臂長度），管模最大撓度值最小，支點位置最合理。
    管模兩端安裝了同步可調(diào)的三爪卡盤，通過調(diào)整卡爪運動，可實現(xiàn)復(fù)合管的自動對中，減少了人為對中失誤；對于Φ１０８￣１９４ｍｍ范圍內(nèi)不同直徑的復(fù)合管可以通用， 無需配備專用卡具。
    此外，對管模的機械加工精度要求較高。管模轉(zhuǎn)動時，引起不平衡的機械加工的因素有：同心度、直線度、圓度、端面垂直度等。其中同心度在較高精度加工時的誤差所帶來的離心力較直線度、圓度、端面垂直度為大， 其值約占允許對軸心線偏移值的 ２／３［４］， 因此在機械加工中應(yīng)保證管模的同心度。
    ２．２ 轉(zhuǎn)速的確定
     轉(zhuǎn)速是離心鑄造時的重要工藝參數(shù)。離心轉(zhuǎn)速必須保證能產(chǎn)生足夠的離心力使金屬液緊貼鋼管內(nèi)壁，不產(chǎn)生淋落現(xiàn)象。但是轉(zhuǎn)速過高，金屬液在凝固時易出現(xiàn)偏析，且剛凝固的金屬在高溫時強度很低，會引起鑄件開裂［５］。此外，太高的轉(zhuǎn)速也會使離心機出現(xiàn)大的震動，磨損加劇，功率消耗過大。在生產(chǎn)實踐中可采用各種經(jīng)驗公式和圖表來確定離心轉(zhuǎn)速，并根據(jù)所生產(chǎn)出的鑄件實際情況進行調(diào)整。一般較為常用的是以重力系數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)驗公式［２］：
                
    式中： ｎ 為離心轉(zhuǎn)速（ｒ／ｍｉｎ）； Ｒ 為鑄件內(nèi)表面半徑（ｃｍ）； Ｇ 為重力系數(shù)。
    理論上 ２０Ｇ 就能使筒、管形鑄件成形， 但實際選用值要高于此數(shù)。生產(chǎn)實踐證明， 離心鑄管的重力系數(shù)通常取為 ５０￣８０。因此按照重力系數(shù)經(jīng)驗公式， 可計算離心轉(zhuǎn)速， 對于 !１０８ｍｍ￣１９４ｍｍ復(fù)合管， 其轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)在 ７００￣１２００ｒ／ｍｉｎ。
    ２．３ 電機的選擇
     電機的選擇應(yīng)以所需的離心轉(zhuǎn)速為主要依據(jù)，不同直徑的復(fù)合管需要不同的轉(zhuǎn)速，這就要求電機在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速可調(diào)。為此可選用變頻調(diào)速電機，與變頻器配合使用，可使振動小、起動力矩大、結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、使用可靠， 實現(xiàn)平滑無級調(diào)速。
     電動機的功率大小與離心力、管徑、壁厚等因素有關(guān)，其他參數(shù)恒定時， 電機功率隨離心力的增大而增大；當(dāng)離心力恒定時，電機功率隨管徑、壁厚、管長的增大而增大。電機功率可按以下公式確定［６］：
                 
     式中：Ｐ 為電機功率 （ｋｗ）；Ｇｉ為某一轉(zhuǎn)動件 （如三爪、帶輪、鋼管、軸承等）的質(zhì)量（ｋｇ）；Ｄｉ為為某一轉(zhuǎn)動件的最大旋轉(zhuǎn)半徑（ｍ）；ｎｉ 為某一轉(zhuǎn)動件在啟動后的最大轉(zhuǎn)速（ｒ／ｍｉｎ）；ｔ 為啟動時間， 一般取 ｔ＝４￣８ｓ；ｋ 為電動機容量附加值， ｋ＝５％￣１０％；η為傳動效率系數(shù)， 一般取 η＝０．７￣０．８。
     ２．４ 冷卻與潤滑
     由于金屬液的高溫輻射作用，管模在工作過程中會吸收熱量，溫度升高，導(dǎo)致強度降低，容易變形損壞設(shè)備。為了防止管模溫度升高，保證管模運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，在管模上方均勻布置圓弧形雨淋式噴頭，及時冷卻管模，并用防護罩隔開，防止外濺。
    管模依靠滾動軸承支撐并進行旋轉(zhuǎn)，在運轉(zhuǎn)過程中，軸承內(nèi)部各元件間， 均存在不同程度的相對滑動，從而導(dǎo)致摩擦發(fā)熱和元件的磨損，同時又受到鐵液高溫輻射的作用，軸承吸收的熱量較多，容易造成高溫，影響軸承的使用壽命。因此必須對軸承進行可靠的潤滑和冷卻。采用集中稀油循環(huán)潤滑，既可以有效的冷卻和清洗軸承，又可以起到良好潤滑作用，減輕摩擦、降低磨損，延長軸承的使用壽命。
    ３ 結(jié)語
    （１）采用了軸承內(nèi)裝管模的形式，并通過皮帶傳動，直接帶動管模旋轉(zhuǎn)，可以極大地減緩對管模的沖擊，有效抑制了可能發(fā)生的偏心振動和跳動，
使運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。
    （２）采用了同步可調(diào)的三爪卡盤對中定位， 對中效果好， 減少了人為誤差， 又可適應(yīng)多種直徑復(fù)合管的制作。
    （３）通過雨淋式冷卻和稀油潤滑冷卻， 延長了管模和滾動軸承的使用壽命， 保證了設(shè)備在高溫、高速狀態(tài)下的穩(wěn)定運行。