自動(dòng)軋管機(jī)熱鋼翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳 強(qiáng)，張振玉，英玉振，王 彬

（山東金寶誠(chéng)管業(yè)有限公司，山東 臨沂 276715）

由于傳統(tǒng)軋管機(jī)的橢圓孔型特征，在第一次軋制完成后，荒管截面存在壁厚不均，需退回前臺(tái)翻轉(zhuǎn)一定角度進(jìn)行第二次軋制?；墓艿男D(zhuǎn)常用搓板式和棱錐旋轉(zhuǎn)頂頭式實(shí)現(xiàn)［1-4］。搓板式是用氣缸推動(dòng)搓板，通過(guò)搓板和荒管外壁間的摩擦促使荒管旋轉(zhuǎn)。棱錐旋轉(zhuǎn)頂頭式是在推入氣缸頂部安裝帶棱角的頂頭，推入荒管時(shí)頂頭插入管內(nèi)，電機(jī)帶動(dòng)氣缸旋轉(zhuǎn)，從而使得荒管旋轉(zhuǎn)。以上兩種結(jié)構(gòu)在使用一段時(shí)間后，搓板和棱錐頂頭會(huì)出現(xiàn)磨損，翻轉(zhuǎn)過(guò)程會(huì)變得極不穩(wěn)定，同時(shí)氣缸密封圈也容易損壞，這時(shí)需工人用夾緊桿撬動(dòng)管件翻轉(zhuǎn)，但大直徑厚壁鋼管質(zhì)量大，對(duì)翻轉(zhuǎn)工的體能是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，而且管件溫度高、熱輻射強(qiáng)，對(duì)身體傷害也不容忽視，軋制過(guò)程氧化皮布滿整個(gè)軋管機(jī)區(qū)域，對(duì)工人的呼吸也是大的考驗(yàn)。

1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 荒管翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)原理

荒管翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)原理如圖1 所示。制作兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓柱托輥，使用電機(jī)分別帶動(dòng)托輥旋轉(zhuǎn)，然后將電機(jī)和旋轉(zhuǎn)托輥?zhàn)鳛橐粋€(gè)整體分別安裝在各自擺臂上，再將整個(gè)裝置安裝在軋管機(jī)前的入料槽底部，使用氣缸推動(dòng)擺臂，通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)使擺臂抬高，致使兩個(gè)旋轉(zhuǎn)托輥托起管件，帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。根據(jù)翻轉(zhuǎn)管件直徑和旋轉(zhuǎn)托輥的線速度，可以由操作工控制翻轉(zhuǎn)角度，也可以設(shè)定相應(yīng)時(shí)間控制氣缸起落，從而達(dá)到需要角度的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作［5-15］。

圖1 荒管翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)原理示意

1.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程

（1） 旋轉(zhuǎn)托輥尺寸選取。兩旋轉(zhuǎn)托輥水平貼合后，最大生產(chǎn)鋼管直徑與旋轉(zhuǎn)托輥相交的兩點(diǎn)和荒管中心所夾角度需大于120°，可得出旋轉(zhuǎn)托輥半徑R。

（2） 減速電機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇。由（1）確定的軋輥直徑及所需的荒管轉(zhuǎn)速，通過(guò)兩者線速度相等可確定旋轉(zhuǎn)托輥的轉(zhuǎn)速n。

（3） 減速電機(jī)功率的選擇。假設(shè)選用兩組托輥托起荒管，由荒管重量G 和旋轉(zhuǎn)托輥與荒管接觸點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)托輥上的夾角α 及鋼-鋼的摩擦因數(shù)（0.15）可得單個(gè)旋轉(zhuǎn)托輥所受摩擦力為：

式中 f —— 旋轉(zhuǎn)托輥摩擦力，N。

單個(gè)托輥摩擦力所做的功為：

式中 Q —— 摩擦力產(chǎn)生的熱量，J；

v —— 荒管最終轉(zhuǎn)速，m/s；

t —— 旋轉(zhuǎn)90°所需時(shí)間，s。

單個(gè)托輥所做的功W（整個(gè)荒管由4 個(gè)旋轉(zhuǎn)托輥對(duì)其做功，忽略其他摩擦損耗）為：

最終可得出單個(gè)托輥對(duì)荒管的平均功率P 為：

因減速電機(jī)僅驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)輥，可知減速電機(jī)功率大致與P 相等。減速電機(jī)與旋轉(zhuǎn)托輥選用相同規(guī)格鏈輪連接，即減速電機(jī)轉(zhuǎn)速N 與旋轉(zhuǎn)托輥轉(zhuǎn)速n相等，進(jìn)而得出電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式：

式中 P′ —— 減速電機(jī)功率，kW；

T —— 減速電機(jī)扭矩，N·m；

F —— 旋轉(zhuǎn)托輥的旋轉(zhuǎn)力，N；

R —— 托輥半徑，m。

對(duì)比旋轉(zhuǎn)托輥的旋轉(zhuǎn)力F 與摩擦力f，確定減速電機(jī)參數(shù)的合理性。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，選取適當(dāng)安全保護(hù)系數(shù)μ，從而得出減速電機(jī)的功率P0：

（4） 氣缸規(guī)格的選擇。根據(jù)所定設(shè)備重量、氣壓選定氣缸直徑。

1.3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作

單個(gè)托輥機(jī)構(gòu)如圖2 所示，機(jī)構(gòu)由此類單輥個(gè)體組成，根據(jù)荒管長(zhǎng)度在前臺(tái)下方設(shè)定托起點(diǎn)，每個(gè)托起點(diǎn)對(duì)稱安裝兩套單個(gè)托輥機(jī)構(gòu)，整體使用同一控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起落同步?；墓芊D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。機(jī)構(gòu)頂部安裝有調(diào)節(jié)螺栓，可根據(jù)不同鋼管直徑所需的抬起高度進(jìn)行自由調(diào)節(jié)；同時(shí)托輥位置安裝冷卻水管，防止托輥過(guò)熱損壞。

圖2 單個(gè)托輥機(jī)構(gòu)示意

圖3 荒管翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的使用效果

目前，自動(dòng)軋管機(jī)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)已在幾條大直徑及厚壁管生產(chǎn)線上正常安裝使用，由軋管機(jī)操作工控制其作業(yè)動(dòng)作，使用效果主要如下：

（1） 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可正常代替人工翻轉(zhuǎn)荒管，降低了用工成本；

（2） 實(shí)現(xiàn)鋼管軋制過(guò)程軋管機(jī)附近無(wú)人員作業(yè)，杜絕了機(jī)械傷人，提高了安全系數(shù)；

（3） 軋管機(jī)工作時(shí)高溫度、高濕度、高噪音，并有大量氧化皮和油煙產(chǎn)生，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)降低了工人在此環(huán)境下工作對(duì)其身體造成的傷害；

（4） 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、不易損壞并且安裝方便，不占用過(guò)多的空間和維修時(shí)間即可正常使用；

（5） 實(shí)現(xiàn)管件托起后旋轉(zhuǎn)，減少了管件對(duì)軋管機(jī)前臺(tái)的磨損，延長(zhǎng)前臺(tái)料槽使用壽命；同時(shí)，使用平輥托起，不會(huì)對(duì)荒管造成損傷。

（6） 調(diào)節(jié)角度可隨意控制，可翻轉(zhuǎn)90°及其他任意角度，提高了軋制質(zhì)量。

3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使用中存在的問(wèn)題

在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)了以下幾點(diǎn)問(wèn)題，隨后制定相應(yīng)措施，均得到較好的解決。

（1） 托輥托起高度調(diào)節(jié)不當(dāng)或調(diào)節(jié)絲損壞的時(shí)候，會(huì)發(fā)生荒管撞擊托輥端面的情況。將托輥兩端面進(jìn)行倒角處理，此問(wèn)題得到解決。

（2） 軋制過(guò)程中荒管氧化皮掉落，導(dǎo)致托輥與軸承盒之間堵塞無(wú)法正常旋轉(zhuǎn)。將托輥軸加長(zhǎng)，增加托輥與軸承盒之間的間隙，此問(wèn)題得到解決。

（3） 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)高溫致使托輥旋轉(zhuǎn)阻力增大，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)載損壞。將普通軸承更換為高溫軸承，并加大冷卻水流量，問(wèn)題得到解決。

（4） 驅(qū)動(dòng)氣缸電磁閥安裝在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旁，因高溫度、高濕度、粉塵等，造成電磁閥頻繁損壞，此外空間狹窄，不易維修更換。因翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的幾組單輥個(gè)體為同一動(dòng)作，將原單個(gè)小電磁閥控制單個(gè)托輥改為一個(gè)大電磁閥控制整個(gè)翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，更改氣管管路后，將此大電磁閥安裝在低溫、干燥、方便維修的地方，解決了電磁閥易損壞的問(wèn)題。