Φ50 mm 桶形輥穿孔機設備改造實踐

王華山，張艷軍，成金永

（1. 天津鋼管制造有限公司，天津 300301；2. 河北金奧精工制造股份有限公司，河北 保定 071504）

錐形輥穿孔機相比桶形輥穿孔機的設備性能優(yōu)勢，體現(xiàn)在軋制速度變化與金屬流動速度變化適應性、改善毛管內(nèi)外表面質(zhì)量、壁厚的均勻度、減少軋件打滑等方面，并得到公認。臥式桶形輥穿孔機改造成為錐形輥穿孔機，結(jié)構(gòu)上不進行大的改動，改造難度相對較大［1-24］。本文詳細介紹Φ50 mm 穿孔機桶形輥改造成錐形輥的過程和注意點。

1 現(xiàn)有穿孔機參數(shù)及改造要求

某廠Φ50 mm 穿孔機組現(xiàn)為前臺驅(qū)動的曼式加強型臥式桶形輥穿孔機，在原有設備改動盡量小的前提下，實現(xiàn)按照原有臥式軋輥左右布置方式進行錐形輥穿孔機改造，達到如下要求：

（1） 錐形輥穿孔機所具有的扭轉(zhuǎn)小、均勻、質(zhì)量好的優(yōu)點，明顯減輕變形不均，抑制內(nèi)折缺陷的暴露，為工廠產(chǎn)品提高效率、質(zhì)量和后續(xù)升級做準備。

（2） Φ50 mm 機組產(chǎn)品跨距較大，管坯的規(guī)格從Φ50～85 mm，每5 mm 為一個組距，壁厚跨度區(qū)間從3.3 mm 到20 mm。受穿孔機前臺驅(qū)動（一臺電機經(jīng)減速機傳動兩輥）的空間限制，錐形輥穿孔機輾軋角不易過大，一般以3°～7°為宜；根據(jù)測算，設計成5°的輾軋角。

（3） 在主機結(jié)構(gòu)基本不動的條件下，通過改造軸承箱（也稱轉(zhuǎn)鼓）、聯(lián)接軸、軋輥輥型成為錐形輥，實現(xiàn)銜接緊密，投資少，周期短的特點。

（4） 現(xiàn)有頂頭和導板等軋制工具能夠充分利用。

（5） 如出現(xiàn)問題，能夠快速換回原桶形輥穿孔機形式，減少改造帶來的風險和損失。

2 改造需要解決的問題

為了達到這些目標，需要重點解決以下幾個方面的設備問題。

（1） 軋輥輥型變化，軋輥的工藝外形尺寸確定后在設備空間位置的確認。

（2） 與軸承箱相關：調(diào)整絲杠，因管坯直徑?jīng)]有變化，軋輥距離幾乎不變，確定錐形輥與原桶形輥相比軸線傾斜5°，壓下絲杠需后退一些距離，需要空間驗證；確認設備空間能夠滿足新增加的5°輾軋角。

（3） 連接軸方面，因軋輥入口要向中心線方向偏移5°，需檢查萬向軸和半聯(lián)軸器空間占用是否合適。

3 改造方案的驗證

3.1 關于輥型相應變化

3.1.1 關于入、出口錐角確認

原桶形輥的設計中，入口錐角和出口錐角都是3.0°；輥型改變后的錐形輥，通過軸承箱安裝面的變化，保證孔型中入口錐角和出口錐角仍為3.0°。

3.1.2 入、出口錐長度的確定

原桶形輥輥身長度為330 mm，軋制帶10 mm，中分；改造后的輥身長度330 mm 不變，但不再中分，修改的目的是加大出口錐的長度，增加輾軋長度，由原來的入口和出口長度各160 mm，修改成入口錐長度140 mm，軋制帶長度10 mm，出口錐長度為180 mm；入口錐角8°，出口錐角2°。新輥型設計方案如圖1 所示。

圖1 新輥型設計方案示意

經(jīng)對比，入口錐角和出口錐角都是3°，輥型改變后仍為3°；軋制帶位置基本上保持在原軋制中心位置，錐形輥軋制帶前移13.5 mm 左右，依靠調(diào)整頂前量和導板位置完全可以使用和消化現(xiàn)有頂頭和導板，如圖2 所示。

圖2 新舊輥型空間和軋制帶位置對比

3.2 關于軸承座

按照原軸承座利舊設計。受入口空間制約入口端軸承座外側(cè)弧面減薄5 mm，原R135 mm，變?yōu)镽130 mm，不影響整體強度，如圖3 所示。

圖3 新舊軸承座基本不變

3.3 關于軸承箱

原則上保持原軸承箱結(jié)構(gòu)強度，保持箱體底面厚度，安裝角度的變化只相應增加相應位置的厚度，目前新設計軸承箱的空間滿足最大Φ450 mm輥徑的安裝要求，但大徑輥緣與箱底間隙僅5.4 mm 左右。

3.4 萬向軸及連接半法蘭變化

由于增加輾軋角，入口水平方向出現(xiàn)5°內(nèi)收角度變化，穿孔機入口空間受到一定擠占，萬向軸需要由回轉(zhuǎn)直徑285 mm 變更為250 mm 標準型。改變后需要驗算萬向軸強度降低幅度，能否滿足生產(chǎn)要求。

原設計，萬向軸為按JB/T 5513—2006《SWC型整體叉頭十字軸式萬向聯(lián)軸器》生產(chǎn)的SWC285BF重載萬向軸，參考機械設計手冊，新萬向軸為SWC250BF 重載萬向軸，萬向軸的理論轉(zhuǎn)矩按照電機額定功率進行驗算。

（1） 根據(jù)機械設計手冊，SWC285BF 的公稱轉(zhuǎn)矩將從90 kN·m 降為SWC250BF 的63 kN·m，疲勞轉(zhuǎn)矩也從45 kN·m 降為31.5 kN·m。

（2） 按疲勞強度選型。根據(jù)工作狀況，萬向軸的承受理論轉(zhuǎn)矩T 為：

式中 Pw—— 驅(qū)動功率，kW；

n —— 額定轉(zhuǎn)速，r/min。

作為萬向軸選型依據(jù)的計算轉(zhuǎn)矩Tc為：

式中 K —— 萬向軸工況系數(shù)，此值系反映工作機械沖擊程度的安全系數(shù)。按照包括小型型鋼軋機的沖擊載荷系數(shù)1.3～1.8選取，取1.6。

此Φ50 mm 機組電機額定功率480 kW，額定轉(zhuǎn)速960 r/min，減速機速比1：8，則由公式（1）和（2）可計算出T=38.2 kN·m，Tc=61.12 kN·m?？梢?，理論轉(zhuǎn)矩38.2 kN·m 和交變負荷61.12 kN·m 均滿足改后萬向軸公稱轉(zhuǎn)矩小于63 kN·m 的要求。

3.5 入口空間變化情況

3.5.1 最小輥徑最小管坯情況

舊桶形輥（圖4）最小輥徑390 mm 時，空間已基本無余量，改造成為錐形輥后，萬向軸回轉(zhuǎn)直徑由285 mm 需要變更為250 mm，生產(chǎn)Φ50 mm 管坯在最小輥徑390 mm 時，相關位置空間仍然存在干涉（圖5）。

圖4 桶形輥軋制帶Φ390 mm 軋制Φ50 mm 管坯入口空間情況

圖5 錐形輥Φ390 mm 最小輥徑軋制Φ50 mm 管坯入口空間位置

錐形輥Φ390 mm 軋制Φ50 mm 管坯的狀態(tài)，單邊5 mm 間隙，如果最小輥徑用到400 mm 就是7～8 mm 間隙。因此最小輥徑用到400 mm 后，爭取不再安排Φ50 mm 以下管坯生產(chǎn)。目前Φ50 mm毛管長度超過4.2 m 的規(guī)格不能在Φ40 mm 機組生產(chǎn)，需要進一步從工藝排產(chǎn)方面解決。

3.5.2 最大輥徑最大管坯情況

正常生產(chǎn)時輥縫調(diào)整一般是管坯直徑的84%～91%的范圍，薄壁管時取84%，厚壁管取91%。新設計的軸承箱滿足軋輥直徑430 mm 的軋輥，在牌坊內(nèi)的安裝空間，軋輥距只能保證70 mm，理論上生產(chǎn)厚壁時最大輥距是管坯直徑的91%，達到77.4 mm。

如果滿足生產(chǎn)Φ85 mm 管坯的空間要求，達到更經(jīng)濟的Φ450 mm 的初始輥徑，如圖6 所示，需要進一步討論和核對現(xiàn)場空間，初步調(diào)整方案為減薄壓下絲杠壓蓋厚度，將壓蓋原厚度20 mm 左右減薄至10 mm，如果絲杠初始位置長度不滿足，可以在蝸桿箱底面加10 mm 墊片。

圖6 新輥徑Φ430 mm 軋制Φ85 mm 管坯空間位置

3.6 軋輥側(cè)半法蘭

軋輥側(cè)半法蘭需要從外徑190 mm 減為180 mm，軸套厚度由35 mm 變?yōu)?0 mm，螺栓孔分度圓Φ245 mm 改為Φ215 mm，螺栓直徑M20 變?yōu)镸18。減速機側(cè)可以同時改為一致連接，也可以訂購非標異型萬向軸（減速機側(cè)維持原連接尺寸不變，萬向軸一端適應改造后的軋輥連接，另一端依舊滿足原設計，換回原桶形輥時，可以不必更換減速機側(cè)半法蘭）。半法蘭與萬向軸連接如圖7 所示。

圖7 半法蘭與萬向軸連接示意

3.7 喂鋼筒和喂鋼槽

由于入口空間發(fā)生變化，原喂鋼筒外套110 mm 長度變?yōu)?0 mm 且有雙向倒角，安裝位置需要重新確定。Φ60 mm 管坯的喂鋼筒內(nèi)側(cè)外露部分內(nèi)徑70 mm 不變，外徑由原來的110 mm 減小到90 mm；Φ70 mm 管坯的喂鋼筒內(nèi)側(cè)外露部分內(nèi)徑80 mm 不變，外徑由原來的110 mm 減小到100 mm。

喂鋼槽需要部分切割確保萬向軸回裝空間不干涉（圖8）。

圖8 喂鋼筒外形修改、喂鋼槽干涉部分切割示意

4 改造效果驗證

（1） 改造后實現(xiàn)了主機不做大的改動，在現(xiàn)有設備基礎上，僅僅訂購新軋輥、軸承座、軸承箱、萬向軸及半連接法蘭等即可，實現(xiàn)投入最少，見效最快。

（2） 充分利舊，包括現(xiàn)有導板、頂頭等工具可以直接使用。

（3） 軋制速度提高5%，相應產(chǎn)量得到提高。壁厚精度可提高2%～3%。