新型穿孔機(jī)預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)

程 波 朱旭甫 李聰杰

(洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽471039)

我國無縫鋼管現(xiàn)在仍以中小規(guī)格為主，各種規(guī)格的管材消費(fèi)比例為:≤φ140mm占60% ～63%，φ140～273mm 占 24% ～27%，φ273～426mm占8% ～10%，＞φ426mm占2% ～4%。根據(jù)市場(chǎng)需求，聯(lián)合開發(fā)了中型穿孔機(jī)——φ300穿孔機(jī)，管坯直徑φ100～300mm。

1 預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置的功能分析

穿孔過程中，僅靠軋件在軋制過程中對(duì)頂頭的摩擦力使其轉(zhuǎn)動(dòng)起來，容易造成管坯難以咬入，毛管內(nèi)表面出現(xiàn)折疊以及由于軋制力增加而使穿孔過程難以順利進(jìn)行，嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生毛管撕裂事故。預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置是一種能夠在管坯咬入并接觸到頂頭的瞬間提供給頂桿一定的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置根據(jù)摩擦力能夠瞬間產(chǎn)生和瞬間消失的特點(diǎn)，把摩擦力作為力矩傳遞的主要方式，在管坯被咬入孔型并接觸到頂頭瞬間，三支頂輥抱緊頂桿并對(duì)頂桿的轉(zhuǎn)動(dòng)提供啟動(dòng)摩擦力矩。

穿孔過程中，預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置不僅能給頂桿提供一定的旋轉(zhuǎn)扭矩，而且對(duì)提高頂桿剛性具有很大作用，同時(shí)能提高無縫管質(zhì)量，所以φ300穿孔機(jī)的設(shè)計(jì)中含預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置。鑒于以往預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置的使用情況，φ300穿孔機(jī)的預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，使預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置更好地發(fā)揮作用，且自動(dòng)化水平有了很大提高。

2 現(xiàn)有預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置及存在的主要問題

圖1為文獻(xiàn)［3］中提到的穿孔機(jī)頂桿預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置，包括上壓輥機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輥機(jī)構(gòu)兩部分。穿孔過程中的頂桿輔助轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)無縫鋼管穿孔設(shè)備和穿孔工藝來說都是創(chuàng)新，所以預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置在實(shí)際使用過程中難免會(huì)出現(xiàn)一些問題，如下所述:

1)預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置上壓輥機(jī)構(gòu)存在的主要問題:

(1)采用兩根螺桿同時(shí)壓下，實(shí)現(xiàn)上壓輥的上下運(yùn)動(dòng)。若不同步很容易造成螺桿卡死;頂桿給上壓輥的壓力偏離頂輥中心時(shí)，也會(huì)造成螺桿卡死，給正常生產(chǎn)帶來很多不便。

(2)兩個(gè)螺桿下端都安裝有碟簧，作用是消除螺紋間隙，緩沖載荷對(duì)螺紋的沖擊。上壓輥位置固定后，碟簧可吸收載荷沖擊。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況，三個(gè)頂輥定心后，頂桿在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)饔孟麻_始旋轉(zhuǎn)，圓周方向的波動(dòng)對(duì)上壓輥產(chǎn)生一定的沖擊載荷，碟簧不能完全吸收該沖擊載荷，安裝碟簧效果不明顯。

(3)頂桿在管坯摩擦力矩作用下開始旋轉(zhuǎn)后，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)兩螺桿實(shí)現(xiàn)上壓輥被抬起，手動(dòng)操作完全達(dá)不到生產(chǎn)要求，不利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。

圖1 穿孔機(jī)頂輥預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)示意

2)文獻(xiàn)［3］中提到的預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置驅(qū)動(dòng)輥機(jī)構(gòu)存在以下問題:

(1)鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)瞬時(shí)速度不均勻，平穩(wěn)性差，有噪聲。

(2)液壓缸位于頂輥?zhàn)鶅?nèi)部，其行程受到空間限制;電機(jī)與頂輥?zhàn)鶠橐惑w結(jié)構(gòu)并在液壓缸作用下沿滑板斜向運(yùn)動(dòng)，增大了液壓缸的負(fù)載。

(3)該驅(qū)動(dòng)輥機(jī)構(gòu)受空間布置限制，要求整體尺寸小、實(shí)用性強(qiáng)，這就極大限制了驅(qū)動(dòng)輥機(jī)構(gòu)的形式。

3 新型預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)分析

新型穿孔機(jī)預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置如圖2所示。從圖2(a)可以看出，三頂輥成120°夾角，抱緊頂桿1后，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輥10主動(dòng)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)頂桿1實(shí)現(xiàn)預(yù)旋轉(zhuǎn)，上壓輥5為從動(dòng)輥。從圖2(b)可以看出，上壓輥機(jī)構(gòu)中通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪2帶動(dòng)螺桿3、液壓缸a 4及上壓輥5上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)頂桿1初定位。從圖2(c)可以看出，液壓缸b12推動(dòng)頂輥?zhàn)?1帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輥10沿斜槽滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開口度調(diào)整;電機(jī)6通過萬向聯(lián)軸器7、錐齒輪軸8與錐齒輪9帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輥10主動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

圖2 新型預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)示意

4 新型預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置的創(chuàng)新點(diǎn)

由圖2可知，從實(shí)際使用情況出發(fā)，新型預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置中的上壓輥機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輥機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了改進(jìn)，兩結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新點(diǎn)分別如下所述:

1)上壓輥機(jī)構(gòu)有以下創(chuàng)新點(diǎn):

(1)采用一根螺桿傳遞扭矩，避免了兩根螺桿轉(zhuǎn)速不同步造成螺桿卡死;螺桿半球形端部與液壓缸相連，允許豎直方向的載荷有一定傾角，不容易造成螺桿卡死。

(2)在螺桿兩側(cè)的長螺釘上套有兩個(gè)提供預(yù)緊力的彈簧，可減小螺桿螺紋間隙造成的載荷沖擊。

(3)頂桿與管坯接觸瞬間，在摩擦力作用下頂桿開始旋轉(zhuǎn)，液壓缸動(dòng)作，快速提升上壓輥，使上壓輥與頂桿快速分離，以防在穿孔過程中頂桿圓周方向巨大的振動(dòng)載荷對(duì)上壓輥機(jī)構(gòu)造成破壞，該操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化;同時(shí)液壓缸可以吸收頂桿在預(yù)旋轉(zhuǎn)過程中圓周方向的小幅波動(dòng)對(duì)上壓輥垂直方向的沖擊載荷。

2)新型預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置驅(qū)動(dòng)輥機(jī)構(gòu)有以下創(chuàng)新點(diǎn):

(1)液壓缸與減速電機(jī)固定在同一個(gè)底座上，合理利用空間，能有效提供并傳遞動(dòng)力;液壓缸行程不受空間布局限制，推動(dòng)頂輥?zhàn)鶎?shí)現(xiàn)位置精確調(diào)整和固定頂輥位置的作用。

(2)萬向聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)減速電機(jī)輸出的扭矩長距離傳遞，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輥主動(dòng)旋轉(zhuǎn);隨頂輥?zhàn)幕瑒?dòng)萬向聯(lián)軸器沿軸向可以伸縮。

(3)錐齒輪與錐齒輪軸呈90°嚙合，使減速電機(jī)輸出的扭矩直角傳遞;錐齒輪采用格里森弧形齒，傳遞動(dòng)力穩(wěn)定、噪音低。

5 結(jié)語

該新型預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置安裝在后臺(tái)二段前端，提供給頂桿一定的旋轉(zhuǎn)力矩，對(duì)于提高頂桿剛度也具有重要作用。通過以上分析可知，φ300穿孔機(jī)預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置經(jīng)過改造后，結(jié)構(gòu)更合理、操作更簡單、傳動(dòng)更平穩(wěn)。

［1］許立忠等.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］李曉紅.我國無縫鋼管供需市場(chǎng)分析與前景展望［J］.鋼管，2006，Vol.35(2):46 －49.

［3］楊德照.大型穿孔機(jī)頂桿預(yù)旋轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)與研究［J］.鋼管，2012，Vol.41(1):55 －57.