無(wú)縫鋼管芯棒限動(dòng)機(jī)構(gòu)改造

蘇志強(qiáng)，宗福強(qiáng)，葉友華（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司軋管二部，天津300300）

無(wú)縫鋼管芯棒限動(dòng)機(jī)構(gòu)改造

蘇志強(qiáng)，宗福強(qiáng)，葉友華
（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司軋管二部，天津300300）

[摘要]為提高產(chǎn)品精度，確保平穩(wěn)生產(chǎn)，通過(guò)對(duì)無(wú)縫鋼管套芯棒限動(dòng)軋制機(jī)構(gòu)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改造，對(duì)限動(dòng)齒輪齒條、限動(dòng)夾持頭及床身支承方式進(jìn)行改造，有效地提高了設(shè)備的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了限動(dòng)機(jī)構(gòu)高精度平穩(wěn)生產(chǎn)，降低了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。

[關(guān)鍵詞]芯棒；限動(dòng)機(jī)構(gòu)；改造

1　引言

芯棒限動(dòng)系統(tǒng)是鋼管生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵設(shè)備，芯棒限動(dòng)軋制機(jī)構(gòu)主要用于軋管時(shí)控制芯棒的運(yùn)行速度，以提高管子內(nèi)表面質(zhì)量，屬機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域。

我公司選用世界第一套PQF軋機(jī)，芯棒限動(dòng)軋制機(jī)構(gòu)是該機(jī)組設(shè)備的主要組成部分。該機(jī)構(gòu)的執(zhí)行元件是限動(dòng)夾持頭，依靠齒輪驅(qū)動(dòng)限動(dòng)齒條帶動(dòng)夾持頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)，限動(dòng)夾持頭由一套五連桿機(jī)構(gòu)組成。限動(dòng)齒條位于PQF軋制線的側(cè)位，而夾持頭側(cè)裝在限動(dòng)齒條上沿PQF軋制中心線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，用于夾持芯棒控制芯棒運(yùn)行速度。齒條與夾持頭運(yùn)行中心線相距650 mm，齒條的工作周期分為3個(gè)階段：齒條帶動(dòng)夾持頭實(shí)現(xiàn)芯棒預(yù)穿并快速插入軋機(jī)；軋制過(guò)程中齒條帶動(dòng)夾持頭實(shí)現(xiàn)芯棒的限動(dòng)過(guò)程；軋制結(jié)束時(shí)，齒條帶動(dòng)的夾持頭將芯棒釋放后快速返回到起始位置。

2　改造前情況

由5連桿機(jī)構(gòu)組成的限動(dòng)夾持頭機(jī)械原理圖如圖1所示。5連桿機(jī)構(gòu)工作時(shí)在初始位置連桿2和連桿3都為向兩邊升起狀態(tài)，當(dāng)芯棒到位后，芯棒夾持裝置由準(zhǔn)備位向前運(yùn)動(dòng)至夾持位，然后液壓缸驅(qū)動(dòng)桿13轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)方軸10轉(zhuǎn)動(dòng)，方軸10帶動(dòng)連桿6轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿6推動(dòng)連桿5，連桿5推動(dòng)連桿2和拉動(dòng)連桿4，連桿4推動(dòng)連桿3，這樣連桿2和連桿3共同完成對(duì)芯棒的夾持。

芯棒夾持裝置向前運(yùn)動(dòng)至軋鋼位，受到巨大的向前的軋制力，同時(shí)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)至鋼管軋制完成。之后，當(dāng)液壓缸驅(qū)動(dòng)桿13轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)方軸10轉(zhuǎn)動(dòng)，方軸10帶動(dòng)連桿6轉(zhuǎn)動(dòng)，然后連桿6向上拉連桿5，連桿5拉動(dòng)連桿2和推動(dòng)連桿4，連桿4拉動(dòng)連桿3，這樣連桿2和連桿3共同回到起始位置，芯棒得以釋放而脫離，芯棒夾持裝置向后快速運(yùn)動(dòng)返回至起始位置。

圖1　 5連桿機(jī)構(gòu)機(jī)械原理圖

限動(dòng)齒條是由4臺(tái)交流電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器、連接軸、齒輪減速機(jī)及在限動(dòng)力矩裝置的聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)齒輪軸，并通過(guò)這4個(gè)齒輪軸傳動(dòng)限動(dòng)齒條。該限動(dòng)齒條是從德國(guó)MEER公司進(jìn)口設(shè)備，在建廠初期訂購(gòu)過(guò)一件備件，價(jià)格148.5萬(wàn)元。該備件重量達(dá)9 055 kg，長(zhǎng)9 745.215 mm，尺寸比較長(zhǎng)，精度高，使用過(guò)程中受力大。自2003年投入運(yùn)行以來(lái)，隨著齒條與齒輪的磨損，其與限動(dòng)齒條驅(qū)動(dòng)齒輪軸工作時(shí)嚙合間隙越來(lái)越大，導(dǎo)致限動(dòng)齒條的運(yùn)行越來(lái)越不穩(wěn)定，造成芯棒在軋制限動(dòng)過(guò)程中限動(dòng)力波動(dòng)較大，影響了鋼管的軋制質(zhì)量，設(shè)備故障日趨頻繁。準(zhǔn)備齒條和齒輪備件的問(wèn)題列入日程，進(jìn)口備件價(jià)格昂貴且供貨周期長(zhǎng)。根據(jù)掌握的技術(shù)資料，我們認(rèn)為已經(jīng)具備了該備件國(guó)產(chǎn)化的能力，并可針對(duì)幾年來(lái)設(shè)備運(yùn)行中發(fā)生的情況，對(duì)限動(dòng)齒條做相應(yīng)的改進(jìn)，減少設(shè)備故障，增加限動(dòng)齒條壽命；為有效降低備件成本提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，決定進(jìn)行限動(dòng)齒條國(guó)產(chǎn)化改造，以恢復(fù)限動(dòng)設(shè)備精度，達(dá)到生產(chǎn)要求。

3　存在問(wèn)題

在2010年，限動(dòng)2段床身后部和3段床身前部因長(zhǎng)期高溫下承受大負(fù)荷而出現(xiàn)變形塌腰，齒條在該區(qū)域運(yùn)行軌跡發(fā)生變化，對(duì)齒條支撐輪產(chǎn)生沖擊，支撐輪軸承頻繁損壞；同時(shí)因5連桿前擺臂軸彎、齒條與U型座連接螺栓松動(dòng)。這些問(wèn)題發(fā)生的故障都造成長(zhǎng)時(shí)間臨時(shí)停機(jī)，并且為處理這些問(wèn)題（更換5連桿、更換支撐輪、緊固床身螺栓等），每月都要安排長(zhǎng)時(shí)間檢修，這些都增加了檢修維護(hù)成本。

經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為主要原因是設(shè)計(jì)人員對(duì)側(cè)掛式夾持頭在運(yùn)行中與軋制中心線偏移考慮不充分，受力分析不當(dāng)（齒條在運(yùn)行過(guò)程中偏重），設(shè)計(jì)上存在一定缺陷。

4　改造方案

4.1對(duì)限動(dòng)四大齒輪軸進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改造

4.1.1選材

根據(jù)國(guó)外資料，該限動(dòng)齒輪軸采用的材質(zhì)為30NiCrMo12，我們考慮關(guān)鍵備件受力比較大時(shí)國(guó)產(chǎn)化一般選用材料應(yīng)比國(guó)外材質(zhì)高一個(gè)等級(jí)，以消除國(guó)內(nèi)材質(zhì)及熱處理水平相比國(guó)外材質(zhì)及熱處理水平上的差距。

通過(guò)對(duì)我國(guó)幾種常用的低合金超高強(qiáng)度鋼的性能對(duì)比，選用淬透性比較好并且抗拉輕度最好的國(guó)內(nèi)牌號(hào)40CrNi2MoA的合金鋼，該牌號(hào)鋼為低合金超高強(qiáng)度鋼的一種，含碳量適中，調(diào)質(zhì)性能好，熱處理可獲得較好的綜合性能[1]。坯料采用鍛件，以避免鑄件可能產(chǎn)生的裂紋砂眼等缺陷。根據(jù)材質(zhì)的力學(xué)性能及材質(zhì)特點(diǎn)制定相應(yīng)的工藝路線。

4.1.2制定工藝

鍛→正火→粗加工→探傷→半精加工→粗滾齒→調(diào)質(zhì)→探傷→精加工→半精滾齒→磨齒。

4.1.3檢驗(yàn)

備件加工完畢后進(jìn)行出廠檢驗(yàn)和到貨檢驗(yàn)，確認(rèn)加工后各加工尺寸應(yīng)符合圖紙要求，齒面硬度應(yīng)在HB300-330[2]。

4.1.4后續(xù)措施

針對(duì)國(guó)內(nèi)熱處理水平相比國(guó)外落后的現(xiàn)狀，經(jīng)檢驗(yàn)部分齒面硬度達(dá)不到圖紙要求的制定了補(bǔ)救措施，來(lái)解決使用過(guò)程中齒面磨損不均的問(wèn)題，采取激光表面淬火的熱處理工藝提高部分硬度比較低的齒輪齒面。

4.2對(duì)限動(dòng)齒條國(guó)產(chǎn)化改造

限動(dòng)齒條全長(zhǎng)19 740.43 mm，分為兩段。兩段齒條之間通過(guò)加熱型預(yù)緊螺栓連接在一起。齒條側(cè)面導(dǎo)向輪共計(jì)6件分別分布在齒條的兩側(cè)，齒條的支撐輪共計(jì)24對(duì)，分為上下支撐輪，上下支撐輪的中心高度相差5 mm。其中上支撐輪16對(duì)，下支撐輪8對(duì)，兩者結(jié)構(gòu)形式相同。

在限動(dòng)齒條選才上，采用國(guó)產(chǎn)的40CrNi2MoA代替國(guó)外材42CrMo4V，并編制了熱處理工藝，最終合理的熱處理工藝保證限動(dòng)齒條熱處理的均勻性及變形量。另外，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行情況，對(duì)限動(dòng)齒條做相應(yīng)改造，在安裝限動(dòng)五連桿U型座的一端，增加了1根限動(dòng)齒條支撐軸，這樣可增加2個(gè)齒條支撐輪來(lái)提高設(shè)備可靠性，可以獲得很好的使用效果。

4.3對(duì)第4段床身拆裝方法的改造

第4段床身為限動(dòng)齒條齒輪安裝箱體，原北側(cè)床身設(shè)計(jì)齒輪軸軸承座為整體件，不能從床身拆除。通過(guò)對(duì)第4段床身北側(cè)齒輪軸軸承座的改造，實(shí)現(xiàn)北側(cè)軸承座打開(kāi)后，齒輪軸能從北側(cè)全部拆除，從而實(shí)現(xiàn)第4段床身從北側(cè)拆裝。

4.4對(duì)限動(dòng)夾持頭5連桿改造

4.4.1將5連桿前擺臂軸改為鍛件加工并選用特殊鋼材

根據(jù)連桿對(duì)材料的強(qiáng)度性能指標(biāo)要求比較高，對(duì)比下面幾種常見(jiàn)材料性能指標(biāo)對(duì)照表（見(jiàn)表1）進(jìn)行選材。在原始設(shè)計(jì)上使用了優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼35＃鋼，前擺臂變形的主要原因是受周期性壓力，而35＃鋼抗壓疲勞極限值過(guò)低，為此選用熱處理后有較高疲勞極限值、韌性良好的合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo，從而使連桿力學(xué)性能達(dá)到比較高的標(biāo)準(zhǔn)，滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

表1　幾種常見(jiàn)材料的強(qiáng)度性能指標(biāo)對(duì)照表[3]

4.4.2將前擺臂軸注油孔由軸心孔改在外部加油，以提高軸的抗彎能力

4.4.3對(duì)5連桿安裝座進(jìn)行改造

原設(shè)計(jì)限動(dòng)夾持頭為下開(kāi)口式，判斷故障更換零件都比較困難，經(jīng)過(guò)多方面考慮決定改為U形平躺敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，主要是將夾持頭連桿機(jī)構(gòu)支撐在U形座上，利用U形座上部的兩個(gè)壓蓋和前部的兩個(gè)側(cè)瓦蓋固定連桿機(jī)構(gòu)。U形座的設(shè)計(jì)根據(jù)國(guó)內(nèi)備件的加工條件和水平，設(shè)計(jì)了備件的加工工藝，采取鍛件加工的工藝，確保國(guó)產(chǎn)化備件的質(zhì)量達(dá)到要求。

4.5對(duì)1~5段床身支承方式改造

由于限動(dòng)2段床身后部和3段床身前部在使用過(guò)程中出現(xiàn)塌腰，決定對(duì)2、3、4段床身進(jìn)行更換，1段、5段下線修復(fù)，同時(shí)為避免再次出現(xiàn)塌腰現(xiàn)象，增加床身滑板底座支撐梁，增強(qiáng)了受壓能力；并在床身中部增加了支撐地腳，提高了床身平穩(wěn)度。對(duì)床身蓋板螺栓加粗，由M16改為M24，避免了蓋板掀起；部分床身加粗了床身端面連接螺栓，由M39鉸制孔螺栓改為M42,避免床身間出現(xiàn)間隙，狀態(tài)劣化。

5　實(shí)際應(yīng)用效果

通過(guò)一系列對(duì)限動(dòng)機(jī)構(gòu)的改造，實(shí)際應(yīng)用中顯現(xiàn)出良好的效果。

通過(guò)限動(dòng)四大齒輪軸及限動(dòng)齒條國(guó)產(chǎn)化改造，大大降低了備件成本，實(shí)現(xiàn)當(dāng)齒條齒輪磨損超差后能及時(shí)更換，避免了因齒輪齒條間隙過(guò)大帶來(lái)的限動(dòng)齒條的運(yùn)行不穩(wěn)定故障，保證生產(chǎn)設(shè)備的精度。

因南側(cè)有電機(jī)減速機(jī)等設(shè)備，給拆裝齒輪軸帶來(lái)諸多不便。將第4段床身的拆裝方式更改為從北側(cè)拆裝，避開(kāi)了第4段床身更換齒輪軸空間狹小，造成多方面的困難，4個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪軸原為從南側(cè)拆裝，改為從北側(cè)拆裝，方便了更換限動(dòng)齒輪軸，降低更換難度，也可節(jié)省設(shè)備更換時(shí)間。

通過(guò)對(duì)限動(dòng)五連桿的改造，不再經(jīng)常出現(xiàn)前擺臂螺栓斷、軸彎等惡劣等故障，避免了長(zhǎng)時(shí)間故障停機(jī)，5連桿使用壽命的從之前的1個(gè)月延長(zhǎng)到3個(gè)月以上，在確保平穩(wěn)生產(chǎn)的同時(shí)降低了維護(hù)成本。

6　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述改造，降低了支撐輥、軸、支撐輪、水管等備件成本，避免了齒條嚙合的劣化趨勢(shì)，減少了芯棒斷裂頻次，5連桿使用由原來(lái)的7天或15天不定性周期延長(zhǎng)為至少使用35天，故障時(shí)間和備件成本得以降低，保證了限動(dòng)扭矩從14 000 N· m左右降低到8 000 N·m以下。同時(shí)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了對(duì)連軋輥的沖擊，減少了堆鋼等惡性故障的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

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[3]吳承建.金屬材料學(xué)[M].2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2009：63，83.

Modification of Mandrel Retaining Mechanism for Seamless Pipe

SU Zhi-qiang, ZONG Fu-qiang and YE You-hua
(Pipe Rolling Department 2 of Tianjin Pipe Group Corporation, Tianjin 300300, China)

AbstractIn order to improve product precision and ensure stable production, localization modification was carried out on the rolling retaining mechanism of mandrel for seamless pipe. Retaining gear, rack and holder and bed supporting method were modified. The stability of equipment was effectively improved and high precise and smooth production achieved with less equipment maintenance cost.

Key wordsmandrel; retaining mechanism; modification

作者簡(jiǎn)介：蘇志強(qiáng)（1963—），男，高級(jí)工程師，主要從事軋管方面的研究工作。

收稿日期：2014- 11- 28修回日期：2014- 12- 15

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.02.011