三輥連軋管機(jī)軋制機(jī)架擴(kuò)大產(chǎn)品規(guī)格改造設(shè)計(jì)

覃 宣，王 飛，金 強(qiáng)，穆 東

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122）

三輥連軋管機(jī)組因其具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效率、低消耗等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)得到迅猛發(fā)展和應(yīng)用［1-7］。同時(shí)隨著國(guó)內(nèi)無(wú)縫鋼管產(chǎn)能的擴(kuò)大［8-9］，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，用戶對(duì)無(wú)縫鋼管產(chǎn)品的需求也趨于多樣化。為了在激烈競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)中獲得一定的市場(chǎng)份額，越來(lái)越多的無(wú)縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)希望在低成本投入的條件下，對(duì)現(xiàn)有三輥連軋管機(jī)進(jìn)行擴(kuò)大產(chǎn)品規(guī)格（簡(jiǎn)稱擴(kuò)規(guī)）改造，以達(dá)到在一定范圍內(nèi)生產(chǎn)更多規(guī)格的鋼管適應(yīng)市場(chǎng)需求的目的。軋制機(jī)架作為三輥連軋管機(jī)的核心部件［7］，是擴(kuò)規(guī)改造的重點(diǎn)，直接影響改造的可行性、經(jīng)濟(jì)性以及最終產(chǎn)品的質(zhì)量。本文以Φ258 mm三輥連軋管機(jī)擴(kuò)規(guī)到Φ340 mm為例，提出一種改造投入低、改造工作簡(jiǎn)單可行的軋制機(jī)架改造思路。

1 軋制機(jī)架設(shè)備結(jié)構(gòu)

軋制機(jī)架作為三輥連軋管機(jī)的核心部件，主要由機(jī)架本體、軋輥裝配、擺臂裝配和軋輥平衡裝置等組成［10-11］，其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。軋輥裝配主要包括軋輥、軋輥軸承、軋輥軸承座、鎖緊螺母、軸套、端蓋和密封件等零部件，軋輥和軋輥軸承通過(guò)鎖緊螺母、軸套等軸向定位在軸承座中，密封件和端蓋起到密封防塵的保護(hù)作用；擺臂裝配的作用是通過(guò)預(yù)應(yīng)力螺柱固定安裝軋輥裝配，擺臂自身通過(guò)銷軸安裝在機(jī)架本體上；軋輥平衡裝置通過(guò)平衡缸頭部的滾輪或鉸接裝置連接擺臂，在軋制過(guò)程中，起到使擺臂始終緊靠壓下缸保持設(shè)定孔型的作用。

圖1 三輥連軋管機(jī)軋制機(jī)架的三維結(jié)構(gòu)

2 軋制機(jī)架改造的制約因素

由于原有設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制，三輥連軋管機(jī)的擴(kuò)規(guī)改造不可能大幅度增加鋼管產(chǎn)品規(guī)格范圍；并且，如果規(guī)格范圍擴(kuò)大過(guò)多，即使能通過(guò)改造滿足工藝要求，但改造項(xiàng)目會(huì)增多，導(dǎo)致改造成本激增，這是鋼管生產(chǎn)企業(yè)不愿意看到的；因此，在滿足改造工藝要求的前提下，減少改造項(xiàng)目，降低改造成本成為改造設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

基于上述改造原則，在制定通過(guò)擴(kuò)規(guī)改造增加三輥連軋管機(jī)軋制產(chǎn)品規(guī)格的方案時(shí)，考慮在不增加連軋管機(jī)軋制力的前提下，盡量減少改造項(xiàng)目，增加軋制鋼管規(guī)格。

3 軋制機(jī)架的優(yōu)化改造設(shè)計(jì)

根據(jù)軋制機(jī)架的結(jié)構(gòu)，Φ258 mm連軋管機(jī)擴(kuò)規(guī)到Φ340 mm，軋制機(jī)架主要部件均需要進(jìn)行力能參數(shù)和設(shè)備空間位置的校核。

在軋制力不變的方案中，軋制機(jī)架的機(jī)架本體、平衡缸力能參數(shù)經(jīng)過(guò)校核能滿足要求，并且設(shè)備空間位置不存在干涉，因此機(jī)架本體、平衡缸不需要進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。對(duì)于軋輥裝配，由于連軋管機(jī)擴(kuò)規(guī)，軋輥尺寸增大，主要是軋輥輥寬、長(zhǎng)度和軋輥名義直徑增大，因此為了保證軋制中心線維持不變，需要重新設(shè)計(jì)定位軋輥軸承座。由于軋輥軸承座和擺臂相連接，軋輥軸承座位置發(fā)生變化，因此擺臂也需要重新設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有軋輥裝配的設(shè)計(jì)中，軋輥軸承相對(duì)軋輥中心線兩端對(duì)稱，軸承固定端在非傳動(dòng)側(cè)，浮動(dòng)端在傳動(dòng)側(cè)。由于軋輥軸向尺寸的增大，軸承座位置需要向兩端對(duì)稱移動(dòng)，相應(yīng)的擺臂上軸承座的定位銷孔和安裝孔位置向兩端對(duì)稱移動(dòng)（初步改造方案）。將軸承座位置移動(dòng)后的軋輥裝配進(jìn)行有限元校核，校核結(jié)果如圖2所示。由分析結(jié)果可知：按照這種對(duì)稱移動(dòng)的方案，擺臂上軸承固定端定位銷孔處應(yīng)力達(dá)300 MPa，位移達(dá)1.2 mm，完全不能滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度、剛度要求。分析原因?yàn)閿[臂上安裝固定端軸承座處空間位置較小，在軸承座向兩側(cè)對(duì)稱移動(dòng)過(guò)程中，定位銷孔位置也相應(yīng)向外移動(dòng)，造成該處強(qiáng)度薄弱，同時(shí)軸承固定端相對(duì)于浮動(dòng)端承受更大的軸向力，從而不能滿足強(qiáng)度、剛度要求；而軸承浮動(dòng)端處擺臂上空間位置較為寬裕，同時(shí)由于浮動(dòng)端承受軸向力較小，因此浮動(dòng)端能夠滿足力學(xué)要求。

圖2 三輥連軋管機(jī)軋制機(jī)架軸承座位置對(duì)稱移動(dòng)后的軋輥裝配有限元校核結(jié)果

基于上述分析結(jié)果，重新設(shè)計(jì)了改造方案。將原設(shè)計(jì)中軋輥軸承的浮動(dòng)端、固定端位置相互對(duì)調(diào)，并將軸承座定位銷孔和安裝孔的對(duì)稱布置改為非對(duì)稱布置，浮動(dòng)端軸承座定位銷孔和安裝孔位置距離軋輥中心線的位置小于固定端軸承座定位銷孔和安裝孔距離軋輥中心線位置。在此基礎(chǔ)上由于浮動(dòng)端承受軸向力小，將該處軸承座定位銷直徑減小，進(jìn)一步保證擺臂上定位銷孔位置距離擺臂邊緣的尺寸，以滿足力學(xué)強(qiáng)度、剛度要求。三輥連軋管機(jī)軋制機(jī)架軸承座位置非對(duì)稱移動(dòng)后的軋輥裝配設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 三輥連軋管機(jī)軋制機(jī)架軸承座位置非對(duì)稱移動(dòng)后的軋輥裝配設(shè)計(jì)方案

三輥連軋管機(jī)軋制機(jī)架軸承座位置非對(duì)稱移動(dòng)后擺臂的有限元校核結(jié)果如圖4所示。結(jié)果顯示：擺臂上固定端、浮動(dòng)端軸承座定位銷孔外應(yīng)力均滿足力學(xué)強(qiáng)度、剛度要求。除此之外，由于軋輥名義直徑的增大，為了保證擺臂位置不變，需要將軸承座中心高度降低，因此軸承座需要重新設(shè)計(jì)。因?yàn)檩S承座浮動(dòng)端、固定端位置的變化，端蓋也需要重新設(shè)計(jì)制造，而軋輥裝配中的軸承、密封件等則利用現(xiàn)有設(shè)計(jì)，可以減少備品備件的數(shù)量。

根據(jù)上述的改造設(shè)計(jì)方案，軸承座需要重新調(diào)整中心高、定位銷和螺柱安裝孔位置，擺臂需要重新調(diào)整定位銷和螺柱安裝孔位置，端蓋需要重新設(shè)計(jì)滿足浮動(dòng)端和固定端位置互調(diào)的需求，較大的改造零件僅5件，其余部分均可利用現(xiàn)有設(shè)備零部件。

4 結(jié) 論

三輥連軋管機(jī)軋制機(jī)架的擴(kuò)規(guī)改造設(shè)計(jì)，可通過(guò)將軋制機(jī)架中軋輥裝配的軸承座浮動(dòng)端和固定端位置互調(diào)，并減小浮動(dòng)端定位銷直徑的方案，在保證擺臂安裝軸承座定位銷處力能參數(shù)、剛度要求的同時(shí)，達(dá)到僅需改造設(shè)計(jì)軸承座、擺臂、端蓋和定位銷共7件零件，就能滿足Φ258 mm連軋管機(jī)擴(kuò)規(guī)到Φ340 mm的要求，改造經(jīng)濟(jì)合理。

圖4 三輥連軋管機(jī)軋制機(jī)架軸承座位置非對(duì)稱移動(dòng)后擺臂的有限元校核結(jié)果

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