曼式穿孔機能力校核

黃貴秋 謝光健

摘 要：本文主要根據生產過程中的軋制力是否滿足大規格產品生產能力進行能力校核與理論計算相對比，而且根據測得軋制力對傳動齒輪安全系數進行評定，是否在能力范圍之內。并針對實際情況進行分析，為生產大規格產品提供理論依據。

關鍵詞：測試 能力校核、軋制力

中圖分類號：TG333.17 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（b）-0103-02

公司為開發新產品，充分挖掘軋機機組的生產潛力，提升企業競爭力。擬在φ100機組采用φ130管坯生產新規格的無縫鋼管，因目前該穿孔機的最大管坯直徑為φ120，為判斷用φ130管坯生產新規格無縫鋼管的可能性及驗證其理論計算結果。主要的具體工作由兩部分組成

（1）對穿孔機齒輪座輸入軸和一根輸出軸兩個部位進行扭矩測試，測點選擇如圖1所示，測試過程要求：在安裝好測試設備后，穿孔機生產運行，其間穿軋φ120管坯無縫鋼管，具體包括兩處傳動軸3～5工況的扭矩測試，測試數據9～15組，在測試結束后乙方提供相應的測試分析報告。

（2）在φ120mm管坯測試結束后，根據測試結果，決定是否進行φ130mm管坯穿軋無縫鋼管作業，若試生產再對以上兩處傳動軸進行3～5個工況的扭矩測試。

1 測試原理

實驗應力分析，是用實驗方法分析受力構件的應變和應力的一門科學，是一門與工程實際密切聯系的學科。

研究力學問題有兩種途徑，即理論分析和實驗分析，兩者相輔相成。實驗的結果常常為新理論的建立提供依據，新理論的提出要求實驗的發展與之相適應；理論計算的結果需要實驗驗證；實驗的設計和實施需要理論分析的結論做指導。

實驗應力分析可以檢驗和提高設計質量、工程結構的安全性和可靠性，可以達到減少材料消耗、降低生產成本和節約能源的要求。它還可以為發展新理論、設計新型結構以及新材料的應用提供依據。實驗應力分析不僅可以推動理論分析的發展，而且能有效地解決許多理論上尚不能解決的工程實際問題。因此它和應力分析理論一樣，是解決工程強度問題的一個重要手段，在航空、機械、土木等工程領域得到廣泛的應用。

實驗應力分析方法很多，主要有：應變電測法、光測法、脆性涂層法和應變機械測量法等，應變電測法是其中最廣泛應用的兩種方法之一。

2 被測軸參數

本次穿孔機測試包括齒輪箱的輸入和輸出軸（上軸）兩個測點，兩軸參數如下。

輸入軸：材質為34CrNi3Mo；彈性模量為206000MPa；泊松比為0.3；外徑為0.19m。

輸出軸：材質為20鋼；彈性模量為198000MPa；泊松比為0.3；外徑為0.245m。

3 軋制Φ120管坯實測結果

3.1 軋制規格Φ120×5.8的實測扭矩

輸入軸扭矩最大值為-30.53～-46.11kN·m，均值為-26.56～-42.14kN·m；輸出軸扭矩52.16～60.97kN·m，均值為40.45～49.26kN·m。

3.2 軋制規格Φ120×11的實測扭矩

輸入軸扭矩最大值為-43.77～-47.49kN·m，均值為-39.8～-43.52kN·m；輸出軸扭矩56.94～64.41kN·m，均值為45.23～52.7kN·m。

3.3 軋制規格Φ138×14的實測扭矩

輸入軸扭矩最大值為-53.18～-63.5kN·m，均值為-42.25～-47.24kN·m；輸出軸扭矩65.17～75.64kN·m，均值為46.42～54.18kN·m。

（說明：輸入軸扭矩中的負號代表與輸出軸的受力方向相反。）

4 理論與實際比較

4.1 穿孔機的計算

經驗公式計算軋制力：

P=P平×F （1）

式中，P平為軋輥對金屬的單位壓力，kg/mm2；

F為金屬與軋輥的接觸面積，mm2。

取F=6800mm2；P平=9.5kg/mm2；

P=6800×9.5=64.6t=633.08kN （2）

其中，穿孔機設計最大軋制力Pmax=637.43kN；

因為P

4.2 軋制力矩的計算

熱軋摩擦系數一般為0.2～0.4，取摩擦系數f=0.4；

軋輥傾角8°～10°，取a=10°。

4.2.1 導板對軋件的旋轉阻力矩

Mb=Pb·f·cosa·（Lck/2）=3.1678kN·m （3）

導板軸向摩擦阻力：

Ex=Pb·f·sina=8.7946kN·m （4）

4.2.2 頂頭軸向力Q

Q=（0.3～0.4）P=0.35P=221.578kN （5）

4.2.3 軋制力矩的計算

軸向滑移系數：

Sx=0.68·[ln100+0.05·（Dm/Dx）·εdq]·f·n1/2=1.076 （6）

得：Sxx=Sx，Syx=1。

軋制帶處接觸寬bx，bx=15.397mm；Z=P·cosωp；

由tgwp=2a1/Bck=0.1，得：ωp=5.710，a1=0.45b平=5.5mm。

Z=633.08kN （7）

a2=（R2-a12）1/2=299.95mm （8）

Y`=P·sinωp·cosa+（0.5·Q+Ex）·sina=88.901kN （9）

MZh=Mb+Za1+Y`·a2=33.266kN·m（一個軋輥的軋制力矩） （10）

則穿孔機總軋制力矩為：M=2·MZh=66.532kN·m；

穿孔機設計最大軋制力矩：Mmax=67.74kN·m；

由M

4.3 齒輪的受力分析

經過計算，穿孔機的軋制力為633.08kN，軋制力矩為66.532kN·m；根據設備參數，穿孔機電機轉速為n=300r/min，齒數比為：u=2.5862；根據設計圖紙可知：z1=29，m=12mm，α=20°，β=26.9467。

則穿孔機的電機輸出扭矩為：M=65.32/u=25.725kN·m；

主動輪扭矩：T=M=25.725kN·m；

主動輪分度圓直徑：d=mz1/cos（β）=390.3847mm；

主動輪輪齒切向力：Ft=2000T/d=131797.047N。

4.4 齒輪的強度計算

從以上計算我們可以知道，計算所得到的軋制力矩為66.532kN·m。

4.4.1 小輪和大輪的接觸強度的計算安全系數

SH1=1.152，SH2=1.084 （11）

4.4.2 齒輪箱齒輪齒根彎曲強度計算

齒輪的彎曲極限應力為：σFG1=631.2417N/mm2，σFG2=606.2235N/mm2；

彎曲強度計算的安全系數：SF1=3.3346，SF2=3.1923。

5 結語

經過理論計算和實測數據，并將其結果應用至生產中，無論是實測情況或計算均可保證在100機組中生產φ130管坯系列的無縫鋼管。

參考文獻

[1] 李國禎.現代鋼管軋制與工具設計原理[M].北京：冶金工業出版社，2006.

[2] 東北工學院軋鋼教研室.軋鋼工藝學[M].北京：中國工業出版社，1962.

[3] 韓觀昌，李連詩.小型無縫鋼管生產[M].北京：冶金工業出版社，1990.