連軋管機輥縫調(diào)整機構(gòu)設(shè)計分析

金 強，覃 宣，穆 東，陳碧楠

（1.重慶賽迪冶煉裝備系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心有限公司，重慶 401122；2.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122）

連軋管機以其優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效率、低消耗等特點，成為世界無縫鋼管主要生產(chǎn)企業(yè)的首選機型之一。而近些年發(fā)展起來的三輥連軋管機，以其在變形應(yīng)力、軋管機結(jié)構(gòu)、軋管機剛性、負荷分配及軋輥受力等方面的優(yōu)勢，成為新建無縫鋼管生產(chǎn)線的主力機型之一［1-2］。

在連軋管機孔型的設(shè)計中，當用同一孔型軋制不同壁厚的鋼管時，理論上需要配置所有與壁厚規(guī)格對應(yīng)的芯棒。但在實際生產(chǎn)中，由于芯棒成本的原因，采取了一組芯棒軋制多種壁厚規(guī)格鋼管的方式，并輔以連軋管機的孔型調(diào)整功能，可以在合理的公差范圍內(nèi)實現(xiàn)芯棒數(shù)量的大幅度減少［3-7］。

輥縫調(diào)整機構(gòu)的設(shè)計是實現(xiàn)連軋管機組芯棒數(shù)量大幅度減少的核心技術(shù)。該機構(gòu)的各項指標是否先進，直接關(guān)系著產(chǎn)品壁厚精度高低、設(shè)備壽命長短和維護是否方便等問題。現(xiàn)有的研究多側(cè)重于對已經(jīng)出現(xiàn)的輥縫調(diào)整機構(gòu)進行定性描述，未對其各種性能進行全面研究。本文擬對3種調(diào)整方式下輥縫調(diào)整機構(gòu)的綜合性能進行分析研究。

1 連軋管機的輥縫調(diào)整方式

連軋管機經(jīng)過一百多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了二輥和三輥連軋管機共存的局面，各自的孔型如圖1所示，分別由2個或3個軋輥構(gòu)成一個機架的孔型，軋輥與軋輥之間存在輥縫間隙，用于孔型調(diào)整和金屬流動等工藝方面的需要。相鄰機架之間錯開一定的角度，使得相鄰機架之間的輥縫和輥底相對應(yīng)，鋼管經(jīng)過5~6個機架后，周向各處都得到很好的軋制，從而形成壁厚均勻的荒管。

圖1 兩種典型連軋管機孔型示意

在連軋管機每個機架的基本孔型確定后，孔型的調(diào)整即通過改變輥縫的大小來實現(xiàn)。輥縫調(diào)整的本質(zhì)就是改變軋輥相對于芯棒之間的垂直距離，以實現(xiàn)不同壁厚規(guī)格鋼管的軋制。現(xiàn)有的二輥連軋管機普遍采用徑向壓下的方式調(diào)整輥縫，而在三輥連軋管機的輥縫調(diào)整機構(gòu)中，既有徑向壓下的調(diào)整方式，也有擺動壓下的調(diào)整方式。

輥縫調(diào)整機構(gòu)的功能就是改變軋輥和芯棒之間的相對位置，描述一個剛體的相對位置，需要6個自由度，即3個平動和3個轉(zhuǎn)動。軋輥裝配的6個自由度分析如圖2所示。

圖2 軋輥裝配的6自由度分析

將圖2坐標系與圖1中的坐標系重合，分析軋輥在上述坐標系下，沿哪個自由度調(diào)整，可以實現(xiàn)有效的輥縫調(diào)整功能。容易看出，軋輥沿X軸移動、Y軸移動、Z軸轉(zhuǎn)動（自由度），均無法實現(xiàn)輥縫調(diào)整功能，會導(dǎo)致如孔型封閉性大大降低等問題，屬于輥縫調(diào)整的無效自由度；軋輥沿Z軸移動、X軸轉(zhuǎn)動（自由度）、Y軸轉(zhuǎn)動（自由度），可以實現(xiàn)有效的輥縫調(diào)整功能。在現(xiàn)有的連軋管機輥縫調(diào)整機構(gòu)中，PQF連軋管機的側(cè)擺式輥縫調(diào)整設(shè)計采取了繞X軸轉(zhuǎn)動（自由度）的輥縫調(diào)整方式，為了降低調(diào)整誤差，采取擺動軸線遠離軋制中心線的設(shè)計；FQM連軋管機的徑向式輥縫調(diào)整設(shè)計，采取了沿Z軸移動的輥縫調(diào)整方式；本文還將介紹采取繞Y軸轉(zhuǎn)動（自由度）的方式進行輥縫調(diào)整的優(yōu)劣。三輥連軋管機3種自由度的輥縫調(diào)整方式如圖3所示。

2 各輥縫調(diào)整機構(gòu)性能分析

連軋管機配置輥縫調(diào)整機構(gòu)，可以實現(xiàn)用較少芯棒軋制更多壁厚規(guī)格的鋼管，實現(xiàn)軋管機牌坊彈跳量的補償，實現(xiàn)鋼管頭尾削尖軋制等功能。其性能的好壞不但直接影響上述3個方面的功能實現(xiàn)，還直接影響連軋管機出口荒管的尺寸精度［8］。以下將從調(diào)整精度、靈活性、耐用性、使用維護的方便性等方面對輥縫調(diào)整機構(gòu)的性能優(yōu)劣進行研究。

2.1 對荒管壁厚精度的影響

上述3種輥縫調(diào)整方式中，徑向式和順擺式輥縫調(diào)整具有類似的特點，其在輥縫調(diào)整過程中，圓心僅在孔型面內(nèi)的一個方向產(chǎn)生偏心距，且在調(diào)整后每個軋輥對應(yīng)的孔型仍是對稱的；而側(cè)擺式輥縫調(diào)整中的圓心在垂直和水平方向均發(fā)生位移，且孔型在調(diào)整后每個軋輥對應(yīng)的孔型由原來的對稱變?yōu)椴粚ΨQ的結(jié)構(gòu)。雖然這3種輥縫調(diào)整方式中孔型偏心的方向不同，但不論采用哪種方式調(diào)整孔型后，其頂部與輥縫處到芯棒表面垂直距離的變化都是不一致的，輥縫調(diào)整都會增大軋件的壁厚偏差；因此，輥縫調(diào)整值是受到限制的，否則會出現(xiàn)壁厚精度超差的問題。

文獻［9］對比了側(cè)擺式和徑向式兩種輥縫調(diào)整方式帶來的調(diào)整誤差區(qū)別，如圖4所示，當側(cè)擺式軋輥壓下值為2.5 mm時，通過計算可知：B點和C點位移后與芯棒的距離變化值分別為5.778 9 mm和5.772 4 mm。徑向式輥縫調(diào)整方式中，當軋輥徑向壓下2.5 mm且B、C點與芯棒表面的垂直距離變?yōu)?.75 mm時，比側(cè)擺式分別少移動了0.028 9 mm和0.022 4 mm；將這2個數(shù)值與徑向調(diào)整的目標值5.75 mm相比，得到的位移偏差分別為0.503%和0.389%；如果將該偏差視為鋼管的壁厚偏差，則可以認為徑向式輥縫調(diào)整方式中，鋼管的壁厚精度比側(cè)擺式輥縫調(diào)整方式高，但差值較小［9-10］。順擺式與徑向式輥縫調(diào)整方式的調(diào)整誤差原理相似。

2.2 機構(gòu)靈敏性分析

在正常軋制過程中，軋輥主要承受3種類型的力：一是為了克服金屬變形而產(chǎn)生的軋制力T軋，二是由于限動軋制工藝所產(chǎn)生單輥限動力F限，三是由于可能的來料壁厚不均或者輥縫不對稱產(chǎn)生的沿軋輥軸線方向的軸向力F軸。

圖3 三輥連軋管機3種自由度的輥縫調(diào)整方式示意

圖4 三輥連軋管機輥縫調(diào)整示意

根據(jù)力學(xué)原理，得出3種輥縫調(diào)整機構(gòu)的力學(xué)平衡方程如下。

1） 側(cè)擺式

式中T壓——壓下缸的壓靠力，kN；

μ——摩擦因數(shù)；

n——擺動式輥縫調(diào)整機構(gòu)銷軸轉(zhuǎn)動摩擦副半徑，mm；

L——擺動式輥縫調(diào)整機構(gòu)的轉(zhuǎn)動中心到孔

型中心的垂直距離，mm。

由于 n＜＜L，因此可化簡公式（1）得：T壓=T軋+μF限，由此可知，側(cè)擺式輥縫調(diào)整機構(gòu)在運動中，壓下缸除了需要克服軋制力外，還需要克服限動力導(dǎo)致的摩擦阻力。

2） 順擺式

式中m——孔型中心面到順擺式擺動中心線的垂

直距離，mm。

由于 n＜＜m，因此可化簡公式（2）得：T壓=T軋，由此可知，順擺式輥縫調(diào)整機構(gòu)中，壓下缸只需要克服鋼管變形所產(chǎn)生的軋制力。

3） 徑向式

式中F合——徑向壓下式滑動副接觸表面的正壓力，kN。

一般情況下，F(xiàn)合∧F限+F軸；但在導(dǎo)向不好、偏載嚴重的情況下，F(xiàn)合＞＞F限+F軸，從而大幅度降低了導(dǎo)向機構(gòu)的靈活性，出現(xiàn)卡阻的情況。

為了進一步分析上述3種輥縫調(diào)整機構(gòu)的動態(tài)性能，利用多體動力學(xué)分析軟件對其動態(tài)響應(yīng)進行了分析。圖5所示為軋制狀態(tài)下上述3種輥縫調(diào)整機構(gòu)的動力學(xué)仿真模型；圖6所示為在3種模型上施加的沿鋼管徑向的沖擊力隨時間的變化曲線；圖7所示為3種輥縫調(diào)整機構(gòu)對沖擊的響應(yīng)曲線。

圖5 軋制狀態(tài)下3種輥縫調(diào)整機構(gòu)的動力學(xué)仿真模型

圖6 在3種模型上施加的沿鋼管徑向的沖擊力隨時間的變化曲線

從圖7可以看出：遇到?jīng)_擊載荷時，側(cè)擺式和順擺式波動的時間較長，時間持續(xù)到1.3 s左右；而徑向式波動時間較短，時間持續(xù)到1.1 s左右，力值即達到平衡。由此可知：順擺式和側(cè)擺式輥縫調(diào)整機構(gòu)在動態(tài)輥縫調(diào)整過程中，遇到的阻力較小，系統(tǒng)阻尼也較小，系統(tǒng)較為靈活，動態(tài)響應(yīng)可以更快，這對于提高連軋管機的動態(tài)響應(yīng)特性是有利的；而徑向式輥縫調(diào)整機構(gòu)的系統(tǒng)阻尼大，動態(tài)響應(yīng)特性較差，不利于保證連軋管機的高速度和高精度。從圖7還可以看出：在相同的條件下（載荷相同、接觸條件相同等），側(cè)擺式和徑向式產(chǎn)生的沖擊力比順擺式的大，尤其是徑向式輥縫調(diào)整機構(gòu)，其最大沖擊力甚至達到輸入載荷的2倍多，說明徑向式輥縫調(diào)整機構(gòu)系統(tǒng)的載荷放大系數(shù)較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

2.3 機構(gòu)耐用性分析

在輥縫調(diào)整機構(gòu)的磨損量方面，對于擺臂式（側(cè)擺式或者順擺式），由于擺臂在設(shè)計時進行了特殊考慮，一般都設(shè)計得較長，因此輥縫調(diào)整的位移量轉(zhuǎn)化到轉(zhuǎn)軸處，只有微小的轉(zhuǎn)動。以某廠的側(cè)擺式軋管機為例（擺臂長度650 mm），若輥縫調(diào)整2 mm，擺臂只轉(zhuǎn)動0.17°；而連軋管機的輥縫調(diào)整量一般也只有±2 mm左右，由此可見，擺臂式輥縫調(diào)整機構(gòu)的磨損量非常小，可以長時間保持較高的精度，這對于提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性具有重要意義［11］。

對于徑向式輥縫調(diào)整機構(gòu)，其導(dǎo)向機構(gòu)為矩形滑動導(dǎo)軌。雖然滑動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，承載能力和接觸剛度高，阻尼大和抗振性好，但起動摩擦力大，低速運動時易爬行，兩導(dǎo)軌面間的摩擦是滑動摩擦，接觸面大，導(dǎo)軌表面易磨損，且磨損后間隙不可調(diào)，導(dǎo)向精度較差且不穩(wěn)定，這對于產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性是一個非常不利的影響因素［12］。

2.4 機構(gòu)拆裝難易分析

當軋輥磨損量過大，或者更換軋管機軋制產(chǎn)品規(guī)格的時候，需要對軋輥進行更換。上述3種輥縫調(diào)整機構(gòu)中，由于軋輥裝配被不同的機構(gòu)限制，因此具體拆裝方式也區(qū)別較大。

側(cè)擺式軋制機架更換軋輥裝配模擬如圖8所示。從圖8中可以看出：拆裝前，需要先將其中唯一個可以完全擺出的擺臂擺開，拆除其上的軋輥裝配，讓出空間；然后再通過微調(diào)的方式，拆除另外兩個無法完全擺出的擺臂上的軋輥裝配，由于空間有限，拆裝過程較為麻煩。

圖7 3種輥縫調(diào)整機構(gòu)對沖擊的響應(yīng)曲線

圖8 側(cè)擺式軋制機架更換軋輥裝配模擬示意

順擺式的軋輥裝配拆裝過程需要先將軋制機架拆開，然后拆除軋輥裝配，拆裝過程較為復(fù)雜。

徑向式軋制機架的軋輥裝配由于直接卡在機架上面的導(dǎo)向槽內(nèi)，因此拆裝較為容易，可以通過行車將各個軋輥裝配直接抽出，抽出順序無先后要求，彼此互不干擾。

2.5 軋卡故障處理分析

常見的三輥連軋管機軋卡堆鋼事故如圖9所示，由于金屬流動受阻，鋼首先堆積在空間相對狹小的設(shè)備孔洞中，形成類似手風琴的堆鋼形貌。對于此類軋卡故障處理，不同的換輥方式有不同的處理辦法。換輥方式主要有側(cè)向換輥和軸向換輥兩種方式，表1是3種輥縫調(diào)整機構(gòu)不同換輥方式軋卡故障處理對比。

圖9 三輥連軋管機軋卡堆鋼事故

表1 3種輥縫調(diào)整機構(gòu)不同換輥方式軋卡故障處理對比

由表1可以看出：3種輥縫調(diào)整機構(gòu)均有合適的解決方案來處理軋卡事故，其難易程度大體相當，均需要較長處理時間。相對來說，側(cè)擺式可以在線處理故障，但是當故障點較大時，由于無法將芯棒和故障管拉出連軋管機處理，在有限的空間內(nèi)進行切割作業(yè)，也相當費事。

三輥連軋管機的3種輥縫調(diào)整機構(gòu)的性能對比及應(yīng)用情況見表2。

表2 三輥連軋管機3種輥縫調(diào)整機構(gòu)的性能對比及應(yīng)用情況

3 結(jié) 論

（1）順擺式和徑向式輥縫調(diào)整機構(gòu)的理論輥縫調(diào)整精度較高，高于側(cè)擺式，但由于輥縫調(diào)整量不大，因此這種精度差別不大，均在合理的范圍內(nèi)。

（2）從動態(tài)特性來推斷，順擺式的動態(tài)特性最好。順擺式對沖擊的響應(yīng)時間和側(cè)擺式基本相同，靈敏性都高于徑向式；而順擺式?jīng)_擊放大系數(shù)低于側(cè)擺式，徑向式的沖擊放大系數(shù)最高。良好的動態(tài)特性對削尖軋制等實時調(diào)整功能的實現(xiàn)較為有利。

（3）由于徑向式輥縫調(diào)整機構(gòu)在拆裝時容易損傷導(dǎo)向滑軌，動態(tài)放大特性較差導(dǎo)致滑軌表面應(yīng)力增大，磨損使得軋輥裝配導(dǎo)向精度降低，因此徑向式輥縫調(diào)整機構(gòu)精度較難保證。

（4）徑向式輥縫調(diào)整機構(gòu)在軋制機架拆裝、機加工、校準等方面，具有明顯優(yōu)勢。由于側(cè)擺式和順擺式輥縫調(diào)整機構(gòu)中擺臂的存在，增加了其制造和使用維護成本。

（5）側(cè)擺式輥縫調(diào)整機構(gòu)最先被發(fā)明，市場占有率也最高。順擺式尚未應(yīng)用在連軋管機輥縫調(diào)整機構(gòu)方面，能否被市場接受，還有待檢驗。

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