機(jī)架鎖緊方式對(duì)三輥連軋管機(jī)軋制精度的影響分析

陳碧楠，金 強(qiáng)，覃 宣，穆 東

（1.重慶賽迪冶煉裝備系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心有限公司，重慶 401122；2.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122）

機(jī)架鎖緊方式對(duì)三輥連軋管機(jī)軋制精度的影響分析

陳碧楠1，金 強(qiáng)1，覃 宣1，穆 東2

（1.重慶賽迪冶煉裝備系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心有限公司，重慶 401122；2.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122）

介紹了側(cè)向換輥式三輥連軋管機(jī)中兩種常用的機(jī)架鎖緊方式（上下鎖緊和斜向鎖緊），分析了兩種鎖緊方式對(duì)軋輥定位精度的影響及對(duì)軋輥軸向力的承受能力等。分析認(rèn)為：上下鎖緊方式對(duì)于三輥連軋管機(jī)軋輥定位精度的提高具有積極效果；斜向鎖緊方式雖然降低了軋輥的定位精度，但是能承受更大的軋輥軸向力，軋制機(jī)架定位更加穩(wěn)定，是一種更為可靠的機(jī)架鎖緊方式。

三輥連軋管機(jī)；側(cè)向換輥；機(jī)架鎖緊；上下鎖緊；斜向鎖緊；軋制精度

連軋管機(jī)以其優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效率、低消耗等特點(diǎn)，成為世界無(wú)縫鋼管主要生產(chǎn)企業(yè)的首選機(jī)型之一［1-10］。軋制機(jī)架是連軋管機(jī)設(shè)備中的重要組成部分，在三輥連軋管機(jī)中，軋制機(jī)架安裝有軋輥裝配、輥縫調(diào)整機(jī)構(gòu)等組件［11］。軋制機(jī)架安裝在主機(jī)座中，可以更換；當(dāng)需要換輥時(shí)，首先需將軋制機(jī)架從主機(jī)座中抽出；因此，需要在主機(jī)座上設(shè)置軋制機(jī)架鎖緊裝置。

由于軋制孔型的形成主要由軋輥的位置來(lái)確定，而軋輥安裝在軋制機(jī)架中，因此軋制機(jī)架的鎖緊定位是否準(zhǔn)確，影響著軋制孔型的精確性（機(jī)架的對(duì)中性），進(jìn)而影響鋼管的軋制精度。機(jī)架鎖緊是高精度連軋管機(jī)生產(chǎn)中，保證軋制精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

1 機(jī)架鎖緊方式

在側(cè)向換輥的連軋管機(jī)當(dāng)中，有兩種常用的機(jī)架鎖緊方式：上下鎖緊和斜向鎖緊［12］。兩種機(jī)架鎖緊方式的鎖緊機(jī)構(gòu)如圖1～2所示。

圖1 軋制機(jī)架上下鎖緊機(jī)構(gòu)示意

圖2 軋制機(jī)架斜向鎖緊機(jī)構(gòu)示意

在上下鎖緊方式中，軋制機(jī)架的一側(cè)設(shè)置有上下共4個(gè)斜面和4個(gè)豎直定位面，當(dāng)軋制機(jī)架推入到主機(jī)座內(nèi)，豎直定位面定位到位后，上下布置的4個(gè)鎖緊液壓缸分別將軋制機(jī)架的4個(gè)鎖緊斜面壓緊，鎖緊機(jī)構(gòu)的斜面保證軋制機(jī)架能夠壓緊在牌坊內(nèi)的定位面上，完成對(duì)軋制機(jī)架的鎖緊工作。

在斜向鎖緊方式中，軋制機(jī)架的一側(cè)布置有和上下鎖緊方式一樣的4個(gè)豎直定位面，但是斜面只有2個(gè)，布置在軋制機(jī)架另外一側(cè)的上面部分，下面則沒(méi)有鎖緊斜面；當(dāng)軋制機(jī)架推入牌坊定位后，只需斜向鎖緊上面的兩個(gè)斜面即可完成軋制機(jī)架的鎖緊工作。

2 兩種鎖緊方式性能分析

鋼管在軋制過(guò)程中，軋輥會(huì)受到各種載荷的作用，大部分載荷會(huì)通過(guò)軋輥軸承座傳遞到主機(jī)座上，而由于來(lái)料壁厚和溫度不均導(dǎo)致的軋輥軸向載荷會(huì)傳遞到軋制機(jī)架上，影響著軋制機(jī)架鎖緊的穩(wěn)定性；因此，軋制機(jī)架的鎖緊精度和鎖緊穩(wěn)定性是衡量機(jī)架鎖緊機(jī)構(gòu)性能優(yōu)劣的兩個(gè)重要指標(biāo)。

2.1 對(duì)定位精度的影響分析

鎖緊液壓缸出力的不同，會(huì)帶來(lái)不同的鎖緊效果以及機(jī)架的不同受力和變形。在實(shí)際確定鎖緊液壓缸出力時(shí)，希望在保證鎖緊效果的前提下，鎖緊力越小越好；因?yàn)殒i緊力越小，機(jī)架的受力和變形則越小，鎖緊力對(duì)最終軋制精度的影響也越小。

2.1.1 上下鎖緊方式

上下鎖緊方式中，軋制機(jī)架的應(yīng)力分布如圖3所示，其最大應(yīng)力達(dá)到86.3 MPa，集中在上下鎖緊斜面和豎直定位面之間，其余大部分區(qū)域應(yīng)力值非常小；上下鎖緊方式軋制機(jī)架的位移分布如圖4所示，其最大位移達(dá)0.162 mm，同應(yīng)力較大區(qū)域的分布規(guī)律相似，最大位移集中在上下鎖緊斜面和豎直定位面之間，其余大部分區(qū)域位移非常小。

圖3 上下鎖緊方式的軋制機(jī)架應(yīng)力分布

通過(guò)對(duì)上下鎖緊方式軋制機(jī)架的有限元分析，可以認(rèn)為這種鎖緊方式對(duì)軋制機(jī)架的影響區(qū)域很小，軋制機(jī)架的大部分區(qū)域沒(méi)有因?yàn)殒i緊力的影響而承受額外的應(yīng)力和發(fā)生對(duì)軋制機(jī)架定位精度不利的變形。

上下鎖緊方式中，軋制機(jī)架安裝輥縫調(diào)整擺臂的3個(gè)定位銷(xiāo)軸孔的位移變化曲線如圖5所示。其中，左銷(xiāo)軸孔由于位于軋制機(jī)架的中心線上，上下鎖緊力對(duì)稱擠壓，因此變形沿軋制機(jī)架中心線對(duì)稱變化，沿圓周展開(kāi)即表現(xiàn)為類似三角函數(shù)的變化規(guī)律。從左銷(xiāo)軸孔位移變化曲線可以看出：左銷(xiāo)軸孔的最大位移不到0.004 6 mm，非常小，基本可以認(rèn)為沒(méi)有發(fā)現(xiàn)變形。

圖4 上下鎖緊方式的軋制機(jī)架位移分布

對(duì)于圖5中的上銷(xiāo)軸孔和下銷(xiāo)軸孔位移變化曲線，由于這兩個(gè)銷(xiāo)軸孔遠(yuǎn)離鎖緊力施加的區(qū)域，因此受到的變形影響也很小，上銷(xiāo)軸孔最大位移不到0.018 mm，下銷(xiāo)軸孔最大位移不到0.013 mm。上、下銷(xiāo)軸孔的位移均大于左銷(xiāo)軸孔，主要是由于上、下銷(xiāo)軸孔遠(yuǎn)離鎖緊力影響區(qū)，在變形傳遞過(guò)程中應(yīng)變的累積效應(yīng)，使得上、下銷(xiāo)軸孔的位移值變大，但其實(shí)際應(yīng)變值很小。

2.1.2 斜向鎖緊方式

斜向鎖緊方式中，軋制機(jī)架的應(yīng)力分布如圖6所示，其最大應(yīng)力達(dá)到92.7 MPa，位于某些局部應(yīng)力集中區(qū)域，其余大部分區(qū)域應(yīng)力值低于50 MPa。相對(duì)于上下鎖緊方式，斜向鎖緊軋制機(jī)架的應(yīng)力較大區(qū)域分布較廣，鎖緊力對(duì)機(jī)架的影響較大。

斜向鎖緊方式中，軋制機(jī)架的位移分布如圖7所示，其最大位移達(dá)到0.255 mm，軋制機(jī)架的大部分區(qū)域發(fā)生了變形，有2/3以上的區(qū)域位移大于0.1 mm。相對(duì)于上下鎖緊方式，斜向鎖緊方式的軋制機(jī)架整體變形位移較大，對(duì)于軋制機(jī)架上輥縫調(diào)整機(jī)構(gòu)定位精度的保證較為不利。

斜向鎖緊方式中，軋制機(jī)架安裝輥縫調(diào)整擺臂的3個(gè)定位銷(xiāo)軸孔的位移變化曲線如圖8所示。其中的左銷(xiāo)軸孔位移變化曲線，最大位移達(dá)到0.127 mm，相對(duì)于上下鎖緊方式中左銷(xiāo)軸孔的最大位移0.004 6 mm，增加了0.122 4 mm，增幅較大。

圖5 上下鎖緊方式的軋制機(jī)架銷(xiāo)軸孔位移變化曲線

對(duì)于圖8中的上銷(xiāo)軸孔和下銷(xiāo)軸孔位移變化曲線，上銷(xiāo)軸孔最大位移為0.240 mm，下銷(xiāo)軸孔最大位移為0.019 mm，相對(duì)于上下鎖緊方式中的上、下銷(xiāo)軸孔位移，分別增加了0.222 mm和0.006 mm，其中上銷(xiāo)軸孔位移增幅較大，下銷(xiāo)軸孔位移基本相同。

圖6 斜向鎖緊方式的軋制機(jī)架應(yīng)力分布

圖7 斜向鎖緊方式的軋制機(jī)架位移分布

兩種鎖緊方式中，軋制機(jī)架各銷(xiāo)軸孔位移對(duì)比見(jiàn)表1?？梢钥闯?，上下鎖緊方式在3個(gè)銷(xiāo)軸孔處的定位精度均比斜向鎖緊方式高，其中在左銷(xiāo)軸孔處的差別最為明顯，達(dá)到27.6倍。由此可見(jiàn)，上下鎖緊方式在定位精度方面具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，有利于提高軋管機(jī)的軋制精度。

2.2 鎖緊機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性分析

在正常軋制過(guò)程中，軋輥會(huì)承受軋制時(shí)的軸向力，由于軋輥軸向力的方向沿著軋輥中心線，因此會(huì)傳遞到軋制機(jī)架相應(yīng)的銷(xiāo)軸處，最后由軋制機(jī)架傳遞到主機(jī)座上［13］。機(jī)架和主機(jī)座之間僅依靠機(jī)架鎖緊力保證正常結(jié)合，在三輥連軋管機(jī)中，軋輥軸向力可能有6個(gè)方向施加在軋制機(jī)架上，不可避免會(huì)有向上或者向右的分力，導(dǎo)致軋制機(jī)架脫離定位；因此，軋輥軸向力的存在，會(huì)干擾機(jī)架和主機(jī)座之間結(jié)合的緊密度，從而降低軋制機(jī)架的定位精度，最終影響鋼管的軋制質(zhì)量。

不考慮支反力情況下軋制機(jī)架的受力狀況如圖9所示。上下鎖緊方式中，軋制機(jī)架主要承受上、下鎖緊力以及機(jī)架重力；斜向鎖緊方式中，軋制機(jī)架主要承受斜向鎖緊力以及機(jī)架重力。

圖8 斜向鎖緊方式的軋制機(jī)架銷(xiāo)軸孔位移變化曲線

表1 兩種鎖緊方式軋制機(jī)架銷(xiāo)軸孔位移對(duì)比 mm

圖9 不考慮支反力情況下軋制機(jī)架的受力狀況

圖9（a）所示的上下鎖緊方式中，上、下鎖緊液壓缸將軋制機(jī)架緊緊壓靠在主機(jī)座側(cè)面的定位面上，但是在豎直方向，上、下鎖緊液壓缸的鎖緊力相互抵消，無(wú)法將軋制機(jī)架壓緊在主機(jī)座的水平定位面上，當(dāng)有豎直向上的軋輥軸向力分力，且克服了軋制機(jī)架重力時(shí)，軋制機(jī)架將向上發(fā)生偏斜，會(huì)大大降低軋制機(jī)架的定位精度，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法進(jìn)行正常的軋制；因此上下鎖緊方式的軋制機(jī)架鎖緊穩(wěn)定性較低，容易受外力的影響發(fā)生偏斜，從而降低軋制精度。

圖9（b）所示的斜向鎖緊方式中，鎖緊力既有向左的分量，又有向下的分量，可以保證軋制機(jī)架很好地貼合在主機(jī)座的側(cè)面和底面定位面上，即使軋輥軸向力有向上或者向左的分力，軋制機(jī)架也不會(huì)輕易脫離定位面；因此斜向鎖緊方式的軋制機(jī)架鎖緊穩(wěn)定性較高，可以保證軋制機(jī)架的定位精度。

3 結(jié) 論

（1）由于上下鎖緊方式鎖緊力傳遞到軋制機(jī)架約束支撐處的路線較短，因此上下鎖緊方式具有更好的定位精度，能夠最大程度降低機(jī)架鎖緊力對(duì)軋輥定位精度的影響，利于提高鋼管的軋制精度。

（2）從軋制機(jī)架鎖緊的穩(wěn)定性方面來(lái)分析，上下鎖緊方式中，鎖緊力在豎直方向的分量相抵消，導(dǎo)致上下鎖緊方式?jīng)]有有效將軋制機(jī)架壓靠在主機(jī)座的水平定位面上，在豎直方向的鎖緊穩(wěn)定性較差；而在斜向鎖緊方式中，鎖緊力既有水平方向的分量，也有豎直方向的分量，因此能夠有效克服豎直和水平兩個(gè)方向的軋輥軸向力干擾，在兩個(gè)方向均有較高的鎖緊穩(wěn)定性。

（3）雖然上下鎖緊方式具有較短的應(yīng)力應(yīng)變傳遞路線和較高的軋輥定位精度，但是其豎直方向的機(jī)架鎖緊穩(wěn)定性較差，不確定性增多，一旦機(jī)架發(fā)生偏斜，機(jī)架定位精度將大幅度降低；而在斜向鎖緊方式中，雖然機(jī)架鎖緊力會(huì)帶來(lái)機(jī)架變形的增大，但是其變形都在可以接受的范圍內(nèi)，且鎖緊穩(wěn)定性高，不確定性較少，是一種值得推薦的軋制機(jī)架鎖緊方式。

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Analysis of Influence of Stand Locking Method on Rolling Accuracy of Three-roll Mandrel Pipe Mill

CHEN Binan1，JIN Qiang1，QIN Xuan1，MU Dong2
（1.Chongqing CISDI Metallurgical Equipment System Integration Engineering Research Center Co.，Ltd.，Chongqing 401122，China；2.MCC CISDI Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 401122，China）

Studied are two commonly used stand locking methods for the lateral roll-changing 3-roll mandrel pipe mill，namely the vertical locking method and the oblique locking method.Analyzed are the influences of these two locking methods on the roll positioning accuracy and their capability of bearing the axial roll forces.Based on the analysis，it is concluded that the vertical locking method has positive influence on the roll positioning accuracy of the 3-roll mandrel pipe mill；and although the oblique locking method decreases the roll positioning accuracy，it can endure bigger axial roll forces and stabilize the positioning of rolling stand，which makes it a more reliable mechanism of stand locking.

3-roll mandrel pipe mill；lateral roll changing；stand locking；vertical locking；oblique locking；rolling accuracy

TG333.8

B

1001-2311（2014）03-0070-05

陳碧楠（1965-），女，教授級(jí)高級(jí)工程師，主任工程師，從事鋼管生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)工作。

2013-08-26；修定日期：2014-04-28）