連軋管機(jī)軋制機(jī)架校準(zhǔn)站的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

柳林，覃宣，陳碧楠，王建輝

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶401122）

連軋管機(jī)軋制機(jī)架校準(zhǔn)站的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

柳林，覃宣，陳碧楠，王建輝

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶401122）

介紹了針對Φ76 mm小直徑少機(jī)架三輥連軋管機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)架校準(zhǔn)裝置。通過分別對軋制機(jī)架和零位機(jī)架進(jìn)行受力分析以及對校準(zhǔn)站對中頭進(jìn)行有限元分析，得到校準(zhǔn)站測量液壓缸的壓力值。經(jīng)過在制造廠的集成測試以及現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了校準(zhǔn)站的設(shè)計(jì)以及測量液壓缸的壓力選擇的合理性。

連軋管機(jī)；軋制機(jī)架；校準(zhǔn)站；測量液壓缸；壓力選擇；集成測試

中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司為某鋼管廠設(shè)計(jì)、供貨的Φ76 mm少機(jī)架連軋管生產(chǎn)線于2012年底順利投產(chǎn)。該機(jī)組采用當(dāng)今世界先進(jìn)的三輥連軋管技術(shù)，連軋管機(jī)架采用側(cè)向換輥、側(cè)擺式輥縫調(diào)整方式［1-4］。同時(shí)為該廠提供了1套線外設(shè)備，即機(jī)架校準(zhǔn)站。其主要用途是檢驗(yàn)軋制機(jī)架的裝配尺寸，并以測量的實(shí)際尺寸作為軋輥輥縫零位調(diào)整的依據(jù)［5-7］。本文主要介紹該機(jī)架校準(zhǔn)站的設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況。

1 校準(zhǔn)站設(shè)計(jì)

1.1 校準(zhǔn)站結(jié)構(gòu)

校準(zhǔn)站主要由對中頭安裝架、測量圓框架、對中頭、機(jī)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(gè)測量液壓缸，每個(gè)液壓缸對應(yīng)1個(gè)編號，如圖2所示。其中，1號、3號、5號測量液壓缸用于奇數(shù)機(jī)架的檢測，2號、4號、6號測量液壓缸用于偶數(shù)機(jī)架的檢測［8］。

1.2 測量液壓缸壓力選擇

1.2.1 軋制機(jī)架

校準(zhǔn)站工作時(shí)，對應(yīng)的測量液壓缸伸出，壓力作用于軋輥擺臂，分別將3個(gè)軋輥壓緊在對中頭上。

軋制機(jī)架進(jìn)入校準(zhǔn)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(gè)軋輥?zhàn)饔迷趯χ蓄^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(shí)，根據(jù)軋輥擺臂相對鉸點(diǎn)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(diǎn)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(zhì)量，kg；

Xi——軋輥擺臂重心相對于鉸點(diǎn)的橫坐標(biāo)，m；

g——重力加速度，m/s2。

圖1 校準(zhǔn)站示意

圖2 測量液壓缸編號

圖3 軋制機(jī)架在校準(zhǔn)站中的軋輥擺臂受力情況

在實(shí)際操作過程中，3個(gè)測量液壓缸并非同時(shí)動(dòng)作，而是按照一定的順序依次動(dòng)作；因此，為防止損壞對中頭，單個(gè)液壓缸作用時(shí)，應(yīng)保證對中頭的彎曲變形在彈性變形范圍內(nèi)。同時(shí)，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(shè)定考察點(diǎn)的位移為S，可以計(jì)算出此時(shí)對應(yīng)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(jù)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(jié)果代入SolidWorks Simulation軟件中進(jìn)行分析驗(yàn)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(yīng)力分析

圖5 對中頭位移分析

考慮到奇數(shù)機(jī)架和偶數(shù)機(jī)架測量時(shí)對中頭的受力狀態(tài)相似，取N1=N2，可以計(jì)算得到P1=P6，P2= P5，P3=P4［10］。

1.2.2 零位機(jī)架

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

式中N支反——小車軌道給機(jī)架和小車的反作用力，N；M機(jī)架+小車——機(jī)架和小車的重力，N。

圖6 軋制機(jī)架和小車的整體受力情況

校中時(shí)，零位機(jī)架和小車受力情況如圖7所示，可得：

圖7 零位機(jī)架和小車的整體受力情況

由于N支反′=N支反，F(xiàn)1′=F6′，F(xiàn)2′=F5′，F(xiàn)3′=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(jī)架測量液壓缸壓力MPa

2 校準(zhǔn)站的應(yīng)用

2.1 校準(zhǔn)站的集成測試

校準(zhǔn)站雖然是離線設(shè)備，但其設(shè)備制造、安裝、調(diào)試的精度將直接影響軋制機(jī)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(shè)備制造廠對校準(zhǔn)站進(jìn)行集成測試。測試的目的是驗(yàn)證并優(yōu)化設(shè)備設(shè)計(jì)，避免在生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)問題，影響安裝和調(diào)試進(jìn)度。另外，在制造廠經(jīng)過集成測試的連軋管機(jī)試軋用軋制機(jī)架，可以在生產(chǎn)現(xiàn)場直接使用，不影響熱試進(jìn)度。

使用實(shí)際裝機(jī)的校準(zhǔn)站和軋制機(jī)架等機(jī)械設(shè)備、液壓控制系統(tǒng)（實(shí)際使用的壓力、流量、控制回路、液壓缸等）、電氣控制系統(tǒng)（實(shí)際使用的電氣控制柜、PLC、控制程序等）進(jìn)行組裝集成，對生產(chǎn)現(xiàn)場試軋所需使用的軋制機(jī)架進(jìn)行測量，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和顯示屏幕讀取實(shí)際測量的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行記錄、分析。對不理想數(shù)據(jù)對應(yīng)的相關(guān)尺寸進(jìn)行調(diào)整，然后重新測量，直到滿足要求為止。

首先對校準(zhǔn)站進(jìn)行標(biāo)定（測量液壓缸的壓力按照表1中零位機(jī)架的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定），然后分別測量每一個(gè)試軋孔型軋制機(jī)架（測量液壓缸的壓力按照表1中軋制機(jī)架的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定）。

2.1.1 校準(zhǔn)站的標(biāo)定

實(shí)際標(biāo)定過程中，在一段時(shí)間內(nèi)對每個(gè)液壓缸的位移傳感器讀取10組數(shù)據(jù)，并記錄最大值、最小值和平均值（利用電腦程序）。為了檢驗(yàn)重復(fù)測量精度，用同樣的方法進(jìn)行4次測量。校準(zhǔn)站測量液壓缸標(biāo)定值見表2，其中平均值為最終的標(biāo)定值，差值為最大值與最小值之差，最大差值為0.040 mm，標(biāo)定結(jié)果滿足精度要求。

2.1.2 軋制機(jī)架的測量

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

表2 校準(zhǔn)站測量液壓缸標(biāo)定值mm

表3 軋制機(jī)架測量值mm

2.1.3 集成測試的結(jié)果

經(jīng)過集成測試的校準(zhǔn)站及軋制機(jī)架（試軋孔型），發(fā)往生產(chǎn)現(xiàn)場后，軋制機(jī)架直接上線試軋（采用在制造廠集成測試測量的數(shù)據(jù)），成功試軋出2根鋼管。軋制的Φ76 mm×8.5 mm鋼管質(zhì)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(zhǔn)站的現(xiàn)場應(yīng)用

2.2.1 現(xiàn)場安裝調(diào)試

在生產(chǎn)現(xiàn)場對校準(zhǔn)站的機(jī)械、液壓、電氣設(shè)備重新安裝、調(diào)試。由于集成測試期間積累了經(jīng)驗(yàn)，并對出現(xiàn)的問題進(jìn)行了整改，該部分工作進(jìn)行得較為順利。

2.2.2 現(xiàn)場校準(zhǔn)站的標(biāo)定

實(shí)際標(biāo)定過程中，為了檢驗(yàn)重復(fù)測量精度，用同樣的方法進(jìn)行10次測量，并將每次測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析?，F(xiàn)場校準(zhǔn)站測量液壓缸標(biāo)定值見表4，表中的平均值為最終的標(biāo)定值，差值為最大值與最小值之差，最大差值為0.044 mm，標(biāo)定結(jié)果滿足精度要求。

表4 現(xiàn)場校準(zhǔn)站測量液壓缸標(biāo)定值mm

2.2.3 現(xiàn)場軋制機(jī)架的測量

校準(zhǔn)站標(biāo)定完成后，對另一套孔型的軋制機(jī)架進(jìn)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(jié)果見表5。軋制前后的差值為-0.080～0.114 mm，最大值發(fā)生在2號機(jī)架的水平傳動(dòng)輥。該套孔型的軋制機(jī)架的中心定位尺寸是經(jīng)過機(jī)床檢測合格的，從測量結(jié)果看，各項(xiàng)數(shù)據(jù)比較理想。

表5 另一套孔型軋制機(jī)架軋制前后測量值對比mm

3 結(jié)論

（1）軋制設(shè)備的制造、裝配精度非常重要，設(shè)備制造廠必須保證設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工；零位機(jī)架必須經(jīng)過機(jī)床檢測。

（2）連軋管機(jī)的軋輥加工是非常重要的環(huán)節(jié)，軋輥定位尺寸在軋輥精加工時(shí)必須保證。

（3）軋制機(jī)架校準(zhǔn)站的標(biāo)定只需讀取一次數(shù)據(jù)，將重復(fù)精度偏差控制在一定范圍內(nèi)，對鋼管壁厚的影響很小。

（4）在滿足上述前提下，軋制機(jī)架的測量只需讀取一次數(shù)據(jù)，重復(fù)精度偏差小于0.15 mm，對鋼管壁厚的影響不大。如果每一個(gè)環(huán)節(jié)都做到精益求精，重復(fù)精度偏差可更小。

（5）經(jīng)過1年多的實(shí)際應(yīng)用，該連軋管機(jī)軋制機(jī)架校準(zhǔn)站的設(shè)計(jì)及測量液壓缸壓力的選擇合理，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)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(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)工作。