連軋管機軋制機架校準站的設計及應用

柳林，覃宣，陳碧楠，王建輝

（中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶401122）

連軋管機軋制機架校準站的設計及應用

柳林，覃宣，陳碧楠，王建輝

（中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶401122）

介紹了針對Φ76 mm小直徑少機架三輥連軋管機設計的機架校準裝置。通過分別對軋制機架和零位機架進行受力分析以及對校準站對中頭進行有限元分析，得到校準站測量液壓缸的壓力值。經過在制造廠的集成測試以及現場的實際應用，驗證了校準站的設計以及測量液壓缸的壓力選擇的合理性。

連軋管機；軋制機架；校準站；測量液壓缸；壓力選擇；集成測試

中冶賽迪工程技術股份有限公司為某鋼管廠設計、供貨的Φ76 mm少機架連軋管生產線于2012年底順利投產。該機組采用當今世界先進的三輥連軋管技術，連軋管機架采用側向換輥、側擺式輥縫調整方式［1-4］。同時為該廠提供了1套線外設備，即機架校準站。其主要用途是檢驗軋制機架的裝配尺寸，并以測量的實際尺寸作為軋輥輥縫零位調整的依據［5-7］。本文主要介紹該機架校準站的設計及應用情況。

1 校準站設計

1.1 校準站結構

校準站主要由對中頭安裝架、測量圓框架、對中頭、機架存放小車、小車軌道等5部分組成，如圖1所示。在測量圓框架上均勻布置有6個測量液壓缸，每個液壓缸對應1個編號，如圖2所示。其中，1號、3號、5號測量液壓缸用于奇數機架的檢測，2號、4號、6號測量液壓缸用于偶數機架的檢測［8］。

1.2 測量液壓缸壓力選擇

1.2.1 軋制機架

校準站工作時，對應的測量液壓缸伸出，壓力作用于軋輥擺臂，分別將3個軋輥壓緊在對中頭上。

軋制機架進入校準站后，軋輥擺臂受力情況如圖3所示。為提高精度，消除由于對中頭彎曲所帶來的誤差，須保證3個軋輥作用在對中頭上的合力為零，即N1+N3+N5=0，由于N1、N3、N5兩兩之間呈120°夾角，因此N1=N3=N5，平衡時，根據軋輥擺臂相對鉸點的合力矩M合=0，可得：

式中Fi——測量液壓缸對軋輥擺臂施加的作用力，N；

L——作用力到鉸點的距離，m；

Ni——對中頭給軋輥擺臂的反作用力，N；

mi——軋輥擺臂的質量，kg；

Xi——軋輥擺臂重心相對于鉸點的橫坐標，m；

g——重力加速度，m/s2。

圖1 校準站示意

圖2 測量液壓缸編號

圖3 軋制機架在校準站中的軋輥擺臂受力情況

在實際操作過程中，3個測量液壓缸并非同時動作，而是按照一定的順序依次動作；因此，為防止損壞對中頭，單個液壓缸作用時，應保證對中頭的彎曲變形在彈性變形范圍內。同時，對中頭的變形量不能太大，以保證測量精度。利用SolidWorks Simulation軟件［9］，設定考察點的位移為S，可以計算出此時對應的作用力為Nmax，由此可得N1=N3= N5≤Nmax。對測量液壓缸，則：

式中Pi——測量液壓缸壓力，Pa；

D——測量液壓缸缸徑，m。

根據式（1）～（4），可得出1號、3號、5號液壓缸的合適壓力分別為P1、P3、P5，將得到的結果代入SolidWorks Simulation軟件中進行分析驗證，可以看到對中頭的受力（圖4）及位移（圖5）均能滿足要求。

圖4 對中頭應力分析

圖5 對中頭位移分析

考慮到奇數機架和偶數機架測量時對中頭的受力狀態相似，取N1=N2，可以計算得到P1=P6，P2= P5，P3=P4［10］。

1.2.2 零位機架

為了提高校準站的測量精度，需保證軋制機架測量時和零位機架校中時機架存放小車對圓框架的壓力相等。以奇數機架為例，將軋制機架和小車視為一個整體，其受力情況如圖6所示。由于測量時軋制機架和小車處于平衡狀態，可得：

式中N支反——小車軌道給機架和小車的反作用力，N；M機架+小車——機架和小車的重力，N。

圖6 軋制機架和小車的整體受力情況

校中時，零位機架和小車受力情況如圖7所示，可得：

圖7 零位機架和小車的整體受力情況

由于N支反′=N支反，F1′=F6′，F2′=F5′，F3′=F4′；因此可確定最終的測量液壓缸壓力，具體見表1。

表1 各機架測量液壓缸壓力MPa

2 校準站的應用

2.1 校準站的集成測試

校準站雖然是離線設備，但其設備制造、安裝、調試的精度將直接影響軋制機架的測量精度，從而影響到成品鋼管的壁厚精度［11-12］；因此，需要在設備制造廠對校準站進行集成測試。測試的目的是驗證并優化設備設計，避免在生產現場出現問題，影響安裝和調試進度。另外，在制造廠經過集成測試的連軋管機試軋用軋制機架，可以在生產現場直接使用，不影響熱試進度。

使用實際裝機的校準站和軋制機架等機械設備、液壓控制系統（實際使用的壓力、流量、控制回路、液壓缸等）、電氣控制系統（實際使用的電氣控制柜、PLC、控制程序等）進行組裝集成，對生產現場試軋所需使用的軋制機架進行測量，通過數據采集系統和顯示屏幕讀取實際測量的數據，并進行記錄、分析。對不理想數據對應的相關尺寸進行調整，然后重新測量，直到滿足要求為止。

首先對校準站進行標定（測量液壓缸的壓力按照表1中零位機架的參數進行設定），然后分別測量每一個試軋孔型軋制機架（測量液壓缸的壓力按照表1中軋制機架的參數進行設定）。

2.1.1 校準站的標定

實際標定過程中，在一段時間內對每個液壓缸的位移傳感器讀取10組數據，并記錄最大值、最小值和平均值（利用電腦程序）。為了檢驗重復測量精度，用同樣的方法進行4次測量。校準站測量液壓缸標定值見表2，其中平均值為最終的標定值，差值為最大值與最小值之差，最大差值為0.040 mm，標定結果滿足精度要求。

2.1.2 軋制機架的測量

實際測量過程中，在一段時間內對每個液壓缸的位移傳感器讀取10組數據，并記錄最大值、最小值和平均值（利用電腦程序）。為了檢驗重復測量精度，將對中頭旋轉180°安裝后再進行一次測量，并將兩次測量數據的平均值進行對比分析，結果見表3。最大值與最小值差值基本在0.10 mm以內，只有2個軋輥超過0.10 mm，但不大于0.12 mm，測量結果滿足要求。

表2 校準站測量液壓缸標定值mm

表3 軋制機架測量值mm

2.1.3 集成測試的結果

經過集成測試的校準站及軋制機架（試軋孔型），發往生產現場后，軋制機架直接上線試軋（采用在制造廠集成測試測量的數據），成功試軋出2根鋼管。軋制的Φ76 mm×8.5 mm鋼管質量良好，外徑偏差±0.5%，壁厚偏差±5.5%（鋼管切頭50 mm）。

2.2 校準站的現場應用

2.2.1 現場安裝調試

在生產現場對校準站的機械、液壓、電氣設備重新安裝、調試。由于集成測試期間積累了經驗，并對出現的問題進行了整改，該部分工作進行得較為順利。

2.2.2 現場校準站的標定

實際標定過程中，為了檢驗重復測量精度，用同樣的方法進行10次測量，并將每次測量數據進行對比分析。現場校準站測量液壓缸標定值見表4，表中的平均值為最終的標定值，差值為最大值與最小值之差，最大差值為0.044 mm，標定結果滿足精度要求。

表4 現場校準站測量液壓缸標定值mm

2.2.3 現場軋制機架的測量

校準站標定完成后，對另一套孔型的軋制機架進行上線前測量—上線軋制—下線測量的過程，軋制前后測量值對比結果見表5。軋制前后的差值為-0.080～0.114 mm，最大值發生在2號機架的水平傳動輥。該套孔型的軋制機架的中心定位尺寸是經過機床檢測合格的，從測量結果看，各項數據比較理想。

表5 另一套孔型軋制機架軋制前后測量值對比mm

3 結論

（1）軋制設備的制造、裝配精度非常重要，設備制造廠必須保證設計要求，嚴格按照設計施工；零位機架必須經過機床檢測。

（2）連軋管機的軋輥加工是非常重要的環節，軋輥定位尺寸在軋輥精加工時必須保證。

（3）軋制機架校準站的標定只需讀取一次數據，將重復精度偏差控制在一定范圍內，對鋼管壁厚的影響很小。

（4）在滿足上述前提下，軋制機架的測量只需讀取一次數據，重復精度偏差小于0.15 mm，對鋼管壁厚的影響不大。如果每一個環節都做到精益求精，重復精度偏差可更小。

（5）經過1年多的實際應用，該連軋管機軋制機架校準站的設計及測量液壓缸壓力的選擇合理，能夠滿足實際生產的需要。

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Design and Application of Calibration Stand for Mandrel Pipe Mill

LIU Lin，QIN Xuan，CHEN Binan，WANG Jianhui
（MCC CISDI Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 401122，China）

Described in the article is a calibration device that is especially designed for the Ф76 mm less stand 3-roll mandrel mill employed for producing small-sized pipes.Pressure of the calibration cylinders is obtained based on stress state analysis of the cartridge and the zeroing stand，and a finite element analysis（FEA）of the centering piece.Thanks to the ex-works integration testing and the on-the-site application，the design of the calibration stand is verified，and the reasonability of pressure determination of the hydraulic cylinders proved.

mandrel pipe mill；cartridge；calibration stand；calibration hydraulic cylinder；pressure determination；integration testing

TG839

B

1001-2311（2014）06-0038-05

2013-08-26；修定日期：2014-11-06）

柳林（1982-），男，工程師，主要從事無縫鋼管設備的設計開發工作。