?630 mm皮爾格熱軋周期軋管機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

羅 濤 謝 貽

中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618000)

?630mm皮爾格熱軋周期軋管機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

羅 濤 謝 貽

中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618000)

?630 mm皮爾格熱軋周期軋管機(jī)是周期軋管生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備。其生產(chǎn)的管材規(guī)格范圍大、品種多，既可生產(chǎn)管材，也可生產(chǎn)棒材。根據(jù)周期軋管機(jī)的工作特性，對(duì)軋管機(jī)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)提出了特殊要求。本文主要闡述了在設(shè)計(jì)過程中對(duì)周期軋管機(jī)各個(gè)部分進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅滿足了現(xiàn)場使用要求，也使整臺(tái)軋管機(jī)的整體設(shè)計(jì)具有最佳性價(jià)比。

皮爾格熱軋周期軋管機(jī)；有限元分析及計(jì)算；沖擊載荷；優(yōu)化設(shè)計(jì)

?630mm皮爾格熱軋周期軋管機(jī)組為某特種鋼管有限公司新上生產(chǎn)線，主要是為滿足市場對(duì)高強(qiáng)度、高壓力、大口徑合金鋼、不銹鋼等特種無縫管材的需求。其中的關(guān)鍵設(shè)備“?630 mm皮爾格熱軋周期軋管機(jī)”是目前國內(nèi)最大的周期熱軋管軋機(jī)，屬國內(nèi)首次自主設(shè)計(jì)。 該機(jī)組產(chǎn)品為外徑?273 mm～?720 mm，壁厚10 mm～80 mm，長度3 mm～12 m的不銹鋼及合金鋼熱軋無縫鋼管，及外徑為?250 mm～?500 mm的不銹鋼及合金鋼鍛造棒材。

由于熱軋周期軋管機(jī)生產(chǎn)管材時(shí)是以周期鍛軋的方式進(jìn)行，具有鍛軋的特性，所以在生產(chǎn)過程中會(huì)周期性產(chǎn)生較大的沖擊力，這對(duì)軋管機(jī)的設(shè)計(jì)提出了特殊要求。為了滿足設(shè)備的實(shí)際需要，在設(shè)計(jì)過程中不斷對(duì)軋管機(jī)的各個(gè)部分進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)主要零部件采用有限元分析計(jì)算，使其既滿足強(qiáng)度需要，也符合結(jié)構(gòu)與尺寸的雙重限制，力求達(dá)到最佳性價(jià)比。實(shí)踐證明，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的軋管機(jī)在現(xiàn)場使用良好，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

以下是對(duì)部分主要零件、主要設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程。

1 對(duì)主要零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1軋輥

由于皮爾格熱軋管軋機(jī)生產(chǎn)的管材規(guī)格范圍大，相對(duì)應(yīng)的軋輥尺寸品種繁多，軋輥消耗大。在軋輥設(shè)計(jì)中，既要軋輥滿足強(qiáng)度的要求，還要盡量減小軋輥重量，提高軋輥的使用壽命，以降低生產(chǎn)成本。

初步設(shè)計(jì)時(shí)確定了軋輥輥徑尺寸，并初定輥徑部分結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過有限元計(jì)算，此時(shí)最大等效應(yīng)力值已經(jīng)超過了材料的屈服極限，同時(shí)在扁頭與輥頸銜接處的倒圓上產(chǎn)生應(yīng)力集中，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在使用中會(huì)出現(xiàn)問題。通過對(duì)輥頸及倒圓部分的尺寸及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使最大等效應(yīng)力降至許用范圍。見圖1。

1.2軌座

軌座是承受設(shè)備靜載荷的主要零件，在軋制狀況異常時(shí)還要承受軋制力的沖擊。

初步設(shè)計(jì)后，將軌座進(jìn)行有限元分析，顯現(xiàn)部分點(diǎn)應(yīng)力偏高，通過分析應(yīng)力偏高點(diǎn)的分布，發(fā)現(xiàn)主要集中在中間的筋板及地腳螺栓孔附近。通過對(duì)筋板及地腳螺栓孔布置重新優(yōu)化，并將部分應(yīng)力值極低的部分去除后，成功地降低了最大等效應(yīng)力值。見圖2。

輥頸分析圖 優(yōu)化后的分析圖圖1 軋輥輥頸有限元分析圖Figure 1 Finite element analysis drawing of roll neck

優(yōu)化前 優(yōu)化后圖2 軌座有限元分析圖Figure 2 Finite element analysis drawing of rail support

圖3 機(jī)架初始方案圖Figure 3 Primary project drawing of housing

1.3機(jī)架

初步設(shè)計(jì)時(shí)，確定皮爾格熱軋管軋機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)見圖3。

初步設(shè)計(jì)的機(jī)架重量超過了當(dāng)初確定的重量。經(jīng)過對(duì)機(jī)架的有限元應(yīng)力點(diǎn)分析，壓下螺母孔頂部的應(yīng)力值較高，圖3中箭頭所示陰影部分應(yīng)力值較低，故而優(yōu)化方案為改進(jìn)壓下螺母孔頂部結(jié)構(gòu)，削除應(yīng)力點(diǎn)較低部位的體積。在滿足機(jī)架的實(shí)際使用要求情況下，單個(gè)機(jī)架的重量減少30t。優(yōu)化后的機(jī)架應(yīng)力分析見圖4。

圖4 機(jī)架有限元分析圖Figure 4 Finite element analysis drawing of housing

圖5 脫管叉裝置結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Structural sketch of mandrel stripper fork device

2 脫管叉裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)毛管裹著芯棒被送入軋管機(jī)進(jìn)行軋制時(shí)，在入口側(cè)設(shè)有脫芯棒裝置將芯棒逆向回拉，使軋件、軋管機(jī)和芯棒均要承受巨大的軸向力，此時(shí)芯棒的重量及軸向力要完全由脫管叉裝置來平衡及承載；但在實(shí)際工作中，脫管叉裝置只能布置在軋管機(jī)及導(dǎo)槽升降裝置之間，空間的位置狹小，工作條件惡劣，這給該裝置的布置及設(shè)計(jì)帶來了更多的約束和難度。

脫管叉裝置由提升液壓缸、托管叉、托管架、連接梁及導(dǎo)槽固定梁組成，見圖5。經(jīng)過對(duì)整個(gè)裝置各零部件的強(qiáng)度計(jì)算分析，最終該裝置所承受的復(fù)合力通過固定梁、導(dǎo)槽及固定鍵傳遞至機(jī)架，較好地解決了承受脫棒時(shí)沖擊力的問題。

3 軋輥軸向鎖緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于周期軋管機(jī)的工作特性，軋管機(jī)在工作中要承受極大的軸向載荷和沖擊載荷，所以防止軋輥軸向串動(dòng)的鎖緊裝置就不能采用傳統(tǒng)方式的結(jié)構(gòu)。

解決方案是：

(1)在軋機(jī)傳動(dòng)側(cè)和操作側(cè)均設(shè)有軸向鎖緊裝置；

(2)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將鎖臂液壓缸固定在機(jī)架上；

(3)鎖緊臂板鉸接在固定于機(jī)架上的旋轉(zhuǎn)銷軸上，由柱塞缸推動(dòng)進(jìn)行鎖緊。鎖緊臂板與軋輥軸承座接觸面、液壓缸柱塞面均設(shè)計(jì)為球面，具有良好的自位性；

(4)鎖臂液壓缸為雙向柱塞缸；

(5)在鎖臂液壓缸的液壓回路上進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，使軸向鎖緊裝置工作更平穩(wěn)。

鎖緊缸結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。

4 壓下裝置設(shè)計(jì)

周期軋管機(jī)的來料品種繁多，規(guī)格范圍大，有連鑄圓坯、鍛坯、多邊形圓鋼錠、離心澆注空心坯等，因此對(duì)軋管機(jī)的壓下裝置設(shè)計(jì)也提出了新的要求。

對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)方案為：

(1)提高壓下電機(jī)功率，增大壓下能力；

(2)在壓下減速機(jī)側(cè)端設(shè)計(jì)了回松出軸及回松扳手，有效解決了座輥或卡鋼現(xiàn)象。

壓下裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。

圖6 鎖緊缸結(jié)構(gòu)示意圖Figure 6 Structural sketch of lock hydraulic cylinder

圖7 壓下裝置結(jié)構(gòu)示意圖Figure 7 Structural sketch of screwdown device

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)過程中，在滿足用戶要求的同時(shí)，對(duì)主要件進(jìn)行了有限元分析。根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整個(gè)軋機(jī)結(jié)構(gòu)更加合理，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定軋制，保證了軋制質(zhì)量，還可以擴(kuò)大軋機(jī)的生產(chǎn)能力和規(guī)格品種，有效的降低制造和軋機(jī)運(yùn)行成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

編輯 傅冬梅

Optimization and Design of ?630 mm Piliger Hot Rolling Rotary Forging Mill

LuoTao,XieYi

?630 mm piliger hot rolling rotary forging mill is the vital device for rotary forging mill production line, the mill could produce both tubes and bars possessed of large extents of size specification and various types. According to performance characteristic of rotary forging mill, special demands on components design have been put forward. The paper described mainly the optimization and design regarding to sections of rotary forging mill, which satisfied operation requirement at work site, and provided optimization for integrity design of complete set of forging mill as well.

piliger hot rolling rotary forging mill; finite element analysis and calculation; impact load; optimization and design

TF302

A

2012—09—26