双金属复合管离心机的改进设计

摘要：介绍了双金属复合管离心机的工作原理、结构组成及主要特点，讨论了目前制备双金属复合管存在的一些问题， 提出了在设计制造中改进的具体方法以及主要的工艺参数。介绍的离心机可方便地制备外径为Φ１０８～１９４ｍｍ，长度为 ３０００ｍｍ的双金属复合管。
　　关键词： 双金属复合管； 离心机； 改进设计
　　中图分类号： ＴＧ２３３．３    文献标识码： Ａ    文章编号： １００１－３８１４（２００８）１３－００２６－０２
　　双金属耐磨复合管由于其耐磨性和韧性的良好匹配， 整体性能优异，在矿山、冶金、煤炭、电力等行业的物料输送工况中，取得了良好的使用效果。目前常用的制造工艺是采用消失模真空吸铸和离心铸造。消失模真空吸铸由于浇注工艺的局限，一次性复合直管的长度受到限制，同时复合层较厚，整体质量大，致使复合直管的性价比优势不明显，因此主要用于制作复合弯管［１］。离心铸造工艺是在高速旋转状态下， 将金属液浇注入钢管内，使其在离心力作用下， 均匀分布到钢管内壁，最后冷却凝固成形。由于离心铸造提高了浇注过程中金属液的利用率和充型性， 因此特别适用于管、筒、套等具有旋转中心的铸件生产［２］。利用离心铸造浇注双金属复合管，可实现加长、减薄复合，具有明显的技术优势和经济优势。
　　１ 常用双金属复合管离心机的工作原理及存在问题
　　目前双金属复合管大多采用托轮式离心铸造机［３］，其结构如图１所示。其主要由管模、托轮、电机、皮带、机座等组成。电机通过皮带的传动，带动托轮旋转，然后依靠摩擦力带动管模旋转，管模内安装有普通钢管，并用专用卡具和紧定螺钉固定，从而使普通钢管随同管模一起旋转，金属液通过流槽浇注入普通钢管内，在离心力作用下，在普通钢管内壁凝固，形成一层复合层。
                
     依靠托轮式离心机制作双金属复合管主要存在问题：①为防止在高速旋转状态下，管模发生剧烈振动或跳动，管模必须具有足够的质量，同时对管模的强度和动平衡要求较高，通常采用高合金钢制作，加工难度较大，成本费用很高；②实际运行中，托轮与管模发生摩擦磨损，易造成失圆，从而产生偏心振动，造成复合管变形，复合的壁厚不均匀；③装夹复杂，管模两端的专用卡具装卸频繁，易造成变形报废，且不同的管径必须配备不同的卡具，通用性差，材料浪费严重。
    ２ 双金属复合管离心机的改进设计
    针对托轮式离心机存在的问题，依照离心铸造原理以及复合管工艺技术要求，自行改进设计了一种新型的双金属复合管离心机。离心机设计的转速 ０￣１５００ｒ／ｍｉｎ，可生产的复合管外径Φ１０８￣１９４ｍｍ，长度 ３０００ｍｍ。该离心机主要由下列几部分组成： 管模、调速电机、传动皮带、轴承座、水冷系统、稀油润滑系统等，其结构如图２所示。本设计采用了轴承内装管模的方式，管模安装于轴承座内，通过轴承定位紧固，控制了管模的径向跳动，保证了高速旋转平稳。
                
     ２．１ 管模的设计
    在离心机的设计制造上，管模结构设计的合理性，直接关系到离心机高速运行的平稳性与可靠性，因此要求管模具有较高的强度、刚度。选择合适的管模支点位置， 能减少管模自重和复合管重量使管模产生的最大挠度值， 避免管模发生振动。按照弹性变形理论推导［４］，当 ａ１：Ｌ：ａ２＝１：２．５：１
时（Ｌ为管模两支点间距离，ａ１、ａ２为管模悬臂长度），管模最大挠度值最小，支点位置最合理。
    管模两端安装了同步可调的三爪卡盘，通过调整卡爪运动，可实现复合管的自动对中，减少了人为对中失误；对于Φ１０８￣１９４ｍｍ范围内不同直径的复合管可以通用， 无需配备专用卡具。
    此外，对管模的机械加工精度要求较高。管模转动时，引起不平衡的机械加工的因素有：同心度、直线度、圆度、端面垂直度等。其中同心度在较高精度加工时的误差所带来的离心力较直线度、圆度、端面垂直度为大， 其值约占允许对轴心线偏移值的 ２／３［４］， 因此在机械加工中应保证管模的同心度。
    ２．２ 转速的确定
     转速是离心铸造时的重要工艺参数。离心转速必须保证能产生足够的离心力使金属液紧贴钢管内壁，不产生淋落现象。但是转速过高，金属液在凝固时易出现偏析，且刚凝固的金属在高温时强度很低，会引起铸件开裂［５］。此外，太高的转速也会使离心机出现大的震动，磨损加剧，功率消耗过大。在生产实践中可采用各种经验公式和图表来确定离心转速，并根据所生产出的铸件实际情况进行调整。一般较为常用的是以重力系数为基础的经验公式［２］：
                
    式中： ｎ 为离心转速（ｒ／ｍｉｎ）； Ｒ 为铸件内表面半径（ｃｍ）； Ｇ 为重力系数。
    理论上 ２０Ｇ 就能使筒、管形铸件成形， 但实际选用值要高于此数。生产实践证明， 离心铸管的重力系数通常取为 ５０￣８０。因此按照重力系数经验公式， 可计算离心转速， 对于 !１０８ｍｍ￣１９４ｍｍ复合管， 其转速范围应在 ７００￣１２００ｒ／ｍｉｎ。
    ２．３ 电机的选择
     电机的选择应以所需的离心转速为主要依据，不同直径的复合管需要不同的转速，这就要求电机在一定范围内转速可调。为此可选用变频调速电机，与变频器配合使用，可使振动小、起动力矩大、结构简单、运行稳定、使用可靠， 实现平滑无级调速。
     电动机的功率大小与离心力、管径、壁厚等因素有关，其他参数恒定时， 电机功率随离心力的增大而增大；当离心力恒定时，电机功率随管径、壁厚、管长的增大而增大。电机功率可按以下公式确定［６］：
                 
     式中：Ｐ 为电机功率 （ｋｗ）；Ｇｉ为某一转动件 （如三爪、带轮、钢管、轴承等）的质量（ｋｇ）；Ｄｉ为为某一转动件的最大旋转半径（ｍ）；ｎｉ 为某一转动件在启动后的最大转速（ｒ／ｍｉｎ）；ｔ 为启动时间， 一般取 ｔ＝４￣８ｓ；ｋ 为电动机容量附加值， ｋ＝５％￣１０％；η为传动效率系数， 一般取 η＝０．７￣０．８。
     ２．４ 冷却与润滑
     由于金属液的高温辐射作用，管模在工作过程中会吸收热量，温度升高，导致强度降低，容易变形损坏设备。为了防止管模温度升高，保证管模运转平稳，在管模上方均匀布置圆弧形雨淋式喷头，及时冷却管模，并用防护罩隔开，防止外溅。
    管模依靠滚动轴承支撑并进行旋转，在运转过程中，轴承内部各元件间， 均存在不同程度的相对滑动，从而导致摩擦发热和元件的磨损，同时又受到铁液高温辐射的作用，轴承吸收的热量较多，容易造成高温，影响轴承的使用寿命。因此必须对轴承进行可靠的润滑和冷却。采用集中稀油循环润滑，既可以有效的冷却和清洗轴承，又可以起到良好润滑作用，减轻摩擦、降低磨损，延长轴承的使用寿命。
    ３ 结语
    （１）采用了轴承内装管模的形式，并通过皮带传动，直接带动管模旋转，可以极大地减缓对管模的冲击，有效抑制了可能发生的偏心振动和跳动，
使运转更加平稳。
    （２）采用了同步可调的三爪卡盘对中定位， 对中效果好， 减少了人为误差， 又可适应多种直径复合管的制作。
    （３）通过雨淋式冷却和稀油润滑冷却， 延长了管模和滚动轴承的使用寿命， 保证了设备在高温、高速状态下的稳定运行。