周期軋管機(jī)喂料裝置的設(shè)計(jì)

任雁梅 趙泊淞

(二重集團(tuán)重型裝備股份有限公司設(shè)計(jì)研究院，四川 618000)

周期軋管機(jī)主要用于生產(chǎn)大口徑厚壁高合金鋼管、不銹鋼管、熱軋無(wú)縫鋼管、結(jié)構(gòu)用無(wú)縫鋼管等特種管材。喂料裝置是周期軋管機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，它的工作狀態(tài)對(duì)周期軋管機(jī)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量起著決定性的影響。

1 周期軋管機(jī)喂料裝置的工作原理及基本要求

1.1 周期軋管機(jī)軋制過(guò)程工作原理

皮爾格軋管機(jī)軋輥孔型縱截面圖見圖1。周期軋管機(jī)軋制過(guò)程示意圖見圖2。

圖1 皮爾格軋管機(jī)軋輥孔型縱截面圖Figure 1 Longitudinal section of roll hole shape of piliger mill

圖2 周期軋管機(jī)軋制過(guò)程示意圖Figure 2 Schematic sketch of rotary forging mill operation

當(dāng)軋輥旋轉(zhuǎn)到軋槽的空軋帶時(shí)，由于孔型空軋部分的尺寸比毛管外徑大，喂料器將帶有芯棒的毛管送進(jìn)軋輥孔型中去，送進(jìn)距離約等于一個(gè)喂入量。送進(jìn)過(guò)程結(jié)束后軋輥剛好轉(zhuǎn)到軋槽孔型尺寸較小的鍛軋帶，此時(shí)毛管被咬入。隨著鍛軋帶的孔型半徑的減小，毛管的壁厚逐漸被碾軋薄，與此同時(shí)，毛管和芯棒將隨著軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)而朝著與送進(jìn)方向相反的方向后退，直到軋輥又轉(zhuǎn)到空軋帶與毛管脫離接觸為止。第一個(gè)工作循環(huán)結(jié)束后，喂料器除了將上一個(gè)工作循環(huán)中得到延伸的那部分鋼管送回外，還要把一段未經(jīng)加工過(guò)的毛管送進(jìn)，同時(shí)將毛管翻轉(zhuǎn)90°，然后重復(fù)上述的工作循環(huán)。

1.2 喂料器工作性能的基本要求

(1)喂料器的運(yùn)動(dòng)應(yīng)嚴(yán)格符合軋輥運(yùn)動(dòng)，即應(yīng)是同步的和同向的。

(2)毛管應(yīng)在軋輥形成開口時(shí)完全喂進(jìn)并回轉(zhuǎn)一定角度。

(3)制動(dòng)裝置應(yīng)能快而平穩(wěn)地控制喂料器的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，把它停在前端位置上。

2 喂料器運(yùn)動(dòng)規(guī)律的初步分析

喂料器壓縮腔和制動(dòng)腔示意圖見圖3。

2.1 喂料器工作循環(huán)分解

圖3 喂料器壓縮腔和制動(dòng)腔示意圖Figure 3 Schematic sketch of feeder compress chamber and brake chamber

喂料器的工作循環(huán)可分解為下列各運(yùn)動(dòng)相位:

(1)在軋制時(shí)活塞與毛管一起向右方移動(dòng)(以下稱退行運(yùn)動(dòng))，移動(dòng)速度即等于在軋制直徑上的軋輥圓周速度。

(2)軋制終了時(shí)，喂料器各移動(dòng)部件向右方做減速運(yùn)動(dòng)，直到完全停止為止。其行程為退行制動(dòng)行程。

(3)在壓縮腔內(nèi)空氣壓力P1的作用下，喂料器各移動(dòng)部件向左方做加速運(yùn)動(dòng)(以下稱前行)。

(4)當(dāng)活塞進(jìn)入制動(dòng)腔的瞬間，在壓縮腔內(nèi)空氣壓力P1和制動(dòng)腔內(nèi)液壓油壓力P2的合力之間的壓力差的作用下，喂料器各移動(dòng)部件向左向做減速運(yùn)動(dòng)，直至活塞桿行程終點(diǎn)。

(5)活塞桿向左方運(yùn)動(dòng)同時(shí)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

上述4 個(gè)運(yùn)動(dòng)階段在不同時(shí)期各有其不同特點(diǎn)，通常軋制過(guò)程分為3 個(gè)階段。周期頭軋制:毛管端頭形成外形與軋輥鍛軋帶孔型曲線相對(duì)應(yīng)的一段軋制過(guò)程。過(guò)渡段:周期頭雖已形成，但轉(zhuǎn)變?yōu)檎＼堉朴幸贿^(guò)渡段。正常軋制:活塞行程達(dá)到軋輥孔型有效全行程的運(yùn)動(dòng)，對(duì)一定的孔型直徑來(lái)說(shuō)它為恒量。

2.2 空氣壓縮腔的壓力曲線

理論上，空氣壓縮腔的壓力曲線如圖4 所示。曲線1 為退行運(yùn)動(dòng)壓力曲線。在整個(gè)軋制段(圖4 中a-b)空氣壓縮腔保持著較低氣壓，但在制動(dòng)段(圖4 中b-d)壓力就升高。曲線2 為前行運(yùn)動(dòng)壓力曲線，圖4 中d-c 段有較高氣壓，這時(shí)活塞快速起動(dòng)并加速前進(jìn)。在圖4c-e 段氣壓下降，在圖4e-f 段氣壓更低，以利于制動(dòng)。從圖4 可以看出，前行運(yùn)動(dòng)氣壓曲線與退行運(yùn)動(dòng)氣壓曲線有著某種差異，在選擇壓力曲線時(shí)應(yīng)考慮軋管質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)快速性及設(shè)備結(jié)構(gòu)等因素。

圖4 空氣壓縮腔的壓力曲線Figure 4 Pressure curve of air compressing chamber

2.3 制動(dòng)力的計(jì)算

制動(dòng)裝置的要求:

(1)制動(dòng)行程負(fù)加速度a 不大于允許值;

(2)制動(dòng)行程末活塞桿末速度接近于零;

(3)制動(dòng)力應(yīng)便于調(diào)節(jié)。

制動(dòng)力的計(jì)算，即是制動(dòng)腔內(nèi)制動(dòng)液壓力的計(jì)算。下面研究以液壓油作為制動(dòng)液，如圖5 所示，制動(dòng)腔為圓筒形，周圍有若干排油孔以調(diào)節(jié)制動(dòng)力。

圖5 制動(dòng)腔內(nèi)液壓調(diào)節(jié)孔Figure 5 Hydraulic press regulating hole inside brake chamber

制動(dòng)力的產(chǎn)生是由于活塞以一定速度進(jìn)入制動(dòng)腔，腔中制動(dòng)油受擠壓，分別從排油孔及活塞環(huán)縫中溜出，腔中油壓升高，阻礙活塞運(yùn)動(dòng)。

從流體力學(xué)可知，排油孔出油流速是:

式中，g 為重力加速度;PT為制動(dòng)腔中油壓;φ 為孔口流速系數(shù)。

式中，ξ1為突縮阻力系數(shù);λ 為阻力系數(shù);l 為孔口長(zhǎng)度;d 為孔口直徑;ε 為孔口收縮系數(shù)。

λ 的計(jì)算有多種經(jīng)驗(yàn)公式，它是雷諾數(shù)Re及管內(nèi)壁相對(duì)粗糙度△/R 的函數(shù)(可參考流體力學(xué))。

排油口流量:

式中，σ 為排油孔斷面積。

在排油口排出油流充滿全部周界時(shí)，ε=1，流速系數(shù)φ 與流量系數(shù)μ 相等，公式(3)可寫成

公式(4)中略去制動(dòng)腔中一定高度制動(dòng)液所產(chǎn)生的靜壓影響。

環(huán)縫中排出油流，可近似地看作流經(jīng)二平行平面。當(dāng)環(huán)縫甚小時(shí)，其流量略去不計(jì)，則制動(dòng)液壓力經(jīng)過(guò)公式推導(dǎo)可得:

2.4 周期頭軋制運(yùn)動(dòng)

周期頭軋制(簡(jiǎn)稱打頭)是順利完成軋制過(guò)程的主要環(huán)節(jié)。打頭開始，滑臺(tái)快速前移，使管端與軋輥孔型接觸?；_(tái)連續(xù)前移過(guò)程中，毛管連同活塞后退，當(dāng)管端沿軋輥孔型滑行至孔型開口度稍大于毛管外徑時(shí)，在腔內(nèi)氣壓的推動(dòng)下，活塞帶動(dòng)毛管不受阻于軋輥而前行，直到毛管端部與軋輥鍛軋點(diǎn)相遇，端部產(chǎn)生一定變形，然后在軋輥?zhàn)饔孟伦鐾诵羞\(yùn)動(dòng)。重復(fù)此種過(guò)程，周期頭就逐漸形成。

從圖6 中可知，打頭開始，毛管后退行程應(yīng)為式(6):

圖6 周期頭形成圖Figure 6 Primary rotary milling formation

式中，L 為軋輥中心距;D 為毛管外徑;R 為軋輥半徑;α 為鍛軋點(diǎn)與軋輥中心線間夾角。

軋制后，毛管端頭變形后的行程為式(7):

式中，D'為軋制中毛管端頭與軋輥接觸處的毛管外徑，SB為軋制后毛管端頭延伸長(zhǎng)度。

打頭過(guò)程中周期頭逐漸形成，式中D'最后等于荒管外徑d。SB周期頭水平投影長(zhǎng)度;當(dāng)SB等于鍛軋起點(diǎn)至末軋終點(diǎn)時(shí)軋輥孔型在毛管柱體上展開長(zhǎng)度水平投影長(zhǎng)度時(shí)，軋制轉(zhuǎn)入正常軋制。

3 周期軋管機(jī)喂料裝置的結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

喂料裝置安裝在周期軋管機(jī)前，將上一道工序運(yùn)送來(lái)的毛管輸送到周期軋管機(jī)并保證軋管機(jī)的喂料需要，同時(shí)，在軋制后將芯棒退出。它由滑臺(tái)底座、滑臺(tái)、喂料器、行駛液壓缸、托鏈裝置、升降臺(tái)、絲桿傳動(dòng)裝置及支撐裝置等組成。

滑臺(tái)底座安裝在基礎(chǔ)上，用以支撐滑臺(tái)和絲桿傳動(dòng)裝置中的蝸輪減速機(jī)?；_(tái)的用途是支撐喂料器，并沿軋制中心進(jìn)行喂料以及軋制前后使芯棒進(jìn)入毛管和退出荒管。

喂料器安裝在滑臺(tái)上，且隨滑臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)，主要用途是保證軋管時(shí)每一個(gè)道次之前將所軋毛管翻轉(zhuǎn)90°，以達(dá)到軋制工藝的要求。主要由芯棒卡頭鎖緊裝置、喂料器回轉(zhuǎn)腔、喂料器制動(dòng)腔、喂料器壓縮腔、油壓調(diào)整閥及轉(zhuǎn)角補(bǔ)償機(jī)構(gòu)等裝置組成。

芯棒卡頭鎖緊裝置位于喂料器活塞桿的頭部，并用插銷鎖定。芯棒更換時(shí)通過(guò)液壓缸推動(dòng)導(dǎo)板來(lái)打開芯棒鎖緊裝置;芯棒頭部插入芯棒鎖緊裝置中，液壓缸回退，芯棒鎖緊裝置通過(guò)彈簧彈力上鎖。

喂料器回轉(zhuǎn)腔位于喂料器的前端，通過(guò)螺栓與喂料器制動(dòng)腔體連接，支撐活塞桿并在活塞桿做回轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)中起導(dǎo)向作用。主要由回轉(zhuǎn)腔體、上、下軸瓦、軸套、襯套、調(diào)整環(huán)、芯棒卡頭鎖緊液壓缸、連桿、支架等組成。

喂料器制動(dòng)腔位于喂料器回轉(zhuǎn)腔和喂料器壓縮腔之間，當(dāng)活塞桿停止在最前位置時(shí)，保證移動(dòng)的質(zhì)量能迅速而平滑地制動(dòng)至零速。主要由制動(dòng)腔體、活塞桿、活塞套、襯套、擋環(huán)、定距環(huán)、制動(dòng)套、調(diào)節(jié)套、帶制動(dòng)盤的液壓馬達(dá)、萬(wàn)向接軸、連桿、連接板、單向閥等組成。

在被前推的質(zhì)量因液壓制動(dòng)而在極短的距離內(nèi)被停止，其制動(dòng)力能使所推進(jìn)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)速度與軋輥轉(zhuǎn)速同步，可以通過(guò)帶制動(dòng)盤的液壓馬達(dá)傳動(dòng)萬(wàn)向接軸、連桿、連接板調(diào)整制動(dòng)套與調(diào)節(jié)套之間的泄油孔大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。在制動(dòng)階段單向閥被關(guān)閉，泄漏油液由制動(dòng)套泄漏孔流入制動(dòng)油腔，以達(dá)到制動(dòng)目的，當(dāng)活塞桿回退時(shí)，為了吸油，單向閥打開。

喂料器壓縮腔位于喂料器制動(dòng)腔之后，是推進(jìn)活塞桿和軋制重量的動(dòng)力腔。在壓縮腔體內(nèi)裝有回轉(zhuǎn)螺桿、回轉(zhuǎn)螺母、襯套、擋環(huán)、法蘭軸承座、花鍵軸等。壓縮腔體由鋼板卷焊而成，空氣由回轉(zhuǎn)螺桿上的小孔進(jìn)入回轉(zhuǎn)螺桿空心管推動(dòng)套在回轉(zhuǎn)螺桿上的活塞桿前進(jìn)。在活塞桿的大端尾部裝有與回轉(zhuǎn)螺桿相配的回轉(zhuǎn)螺母，使活塞桿沿回轉(zhuǎn)螺桿作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，保證在軋制過(guò)程中毛管翻轉(zhuǎn)90°。當(dāng)活塞桿返回時(shí)，靠裝在活塞桿的回轉(zhuǎn)螺母導(dǎo)向，回轉(zhuǎn)螺桿旋轉(zhuǎn)，使活塞桿回退，從而完成一個(gè)軋制道次。

轉(zhuǎn)角補(bǔ)償機(jī)構(gòu)位于喂料器的后部，隨著軋制孔型的變化，以及制動(dòng)距離的長(zhǎng)短，活塞桿的行程也隨之而變，為保證軋制時(shí)毛管翻轉(zhuǎn)90°，當(dāng)活塞桿行程未達(dá)到要求時(shí)，通過(guò)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，對(duì)活塞桿的轉(zhuǎn)角進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證軋制鋼管的理想轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)角補(bǔ)償機(jī)構(gòu)主要由帶齒輪箱的液壓馬達(dá)、超越離合器、萬(wàn)向接軸等組成。液壓馬達(dá)安裝在滑臺(tái)上，通過(guò)萬(wàn)向接軸與回轉(zhuǎn)螺桿尾部的花鍵軸相連，當(dāng)行駛液壓缸推動(dòng)喂料器前進(jìn)時(shí)，回轉(zhuǎn)螺母帶動(dòng)活塞桿沿回轉(zhuǎn)螺桿旋轉(zhuǎn)，而液壓馬達(dá)在工作過(guò)程中始終以等速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)回轉(zhuǎn)螺桿又給回轉(zhuǎn)螺母以補(bǔ)充的轉(zhuǎn)動(dòng)，這兩種轉(zhuǎn)動(dòng)相疊加形成總的轉(zhuǎn)角。

行駛液壓缸的用途是驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)和喂料器沿軋制中心前進(jìn)和后退，數(shù)量為兩個(gè)，安裝在滑臺(tái)底座的兩側(cè)，液壓缸柱塞的一端通過(guò)固定座架與滑臺(tái)尾部的止擋連接，當(dāng)液壓缸沖壓時(shí)，柱塞帶動(dòng)喂料器和滑臺(tái)移動(dòng)，而液壓缸缸體不動(dòng)。

升降臺(tái)為兩臺(tái)，分別是毛管升降臺(tái)和芯棒升降臺(tái)。升降臺(tái)主要由帶位移傳感器的升降液壓缸、焊接結(jié)構(gòu)件的臺(tái)架、長(zhǎng)軸、銅滑板、擺桿、擺動(dòng)液壓缸等組成。

絲桿傳動(dòng)裝置主要作用是在軋制過(guò)程中使其喂料器滑臺(tái)在正常軋制時(shí)保證均勻的喂入量。主要由交流電機(jī)、萬(wàn)向接軸、蝸輪減速機(jī)、絲桿、聯(lián)軸器、連接桿、T 形頭等組成。蝸輪減速機(jī)安裝在滑臺(tái)底座的尾部，絲桿安裝在蝸輪減速機(jī)中，位于滑臺(tái)正下方，由電機(jī)帶動(dòng)蝸輪減速機(jī)并使絲桿螺母旋轉(zhuǎn)使絲桿作直線運(yùn)動(dòng)。絲桿移動(dòng)的速度通過(guò)蝸桿軸一端的主令控制器調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證其在軋制中與滑臺(tái)前進(jìn)同步。

4 結(jié)束語(yǔ)

喂料裝置采用了可調(diào)節(jié)的油壓制動(dòng)裝置，保證迅速而平穩(wěn)的制動(dòng);采用了可調(diào)節(jié)空間大小的空氣推進(jìn)裝置，使軋輥與喂料器實(shí)現(xiàn)同步;采用了轉(zhuǎn)角補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，保證毛管能準(zhǔn)確翻轉(zhuǎn)90°;采用了絲桿傳動(dòng)裝置，在正常軋制時(shí)保證均勻的喂入量。

周期軋管機(jī)采用現(xiàn)代化的喂料裝置既提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，又保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

［1］雙遠(yuǎn)華.現(xiàn)代無(wú)縫鋼管生產(chǎn)技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］雙遠(yuǎn)華，梁愛生.鋼管生產(chǎn)技術(shù)問(wèn)答.化學(xué)工業(yè)出版社，2008.