Φ159mm熱軋無縫鋼管廠穿孔機頂桿脫出裝置的設計

尹俊杰，焦栓栓，崔海清

（包鋼鋼聯股份有限責任公司 無縫鋼管廠，內蒙古 包頭 014010）

目前，國際最先進的Φ159 mm熱軋無縫鋼管生產線已投入生產，其年設計生產能力為40萬t，主要產品規格為直徑Φ 38～168 mm、壁厚2.9～25 mm、長度6～12 m的各類無縫鋼管，主要用于石油石化、電站鍋爐、管線敷設、船舶制造用管等。該生產線的軋制節奏為1支/24 s，穿孔機在軋制完成后，需要脫出頂桿進行循環冷卻。針對工藝的要求，設計一種工作穩定的頂桿脫出夾送輥裝置，以期達到平穩、快速脫出頂桿的目標。

1 頂桿脫出夾送鏈裝置及存在問題

1.1 頂桿脫出夾送裝置主要構成及作用

頂桿脫出夾送裝置，主要是由電動機通過減速機和傳動軸，帶動夾送鏈抽出頂桿。下夾送鏈由液壓缸作用到水平位置，上夾送輥由液壓缸推動做閉合、分離動作，從而在啟動工作制度下完成頂桿的抽出。

頂桿脫出夾送裝置，是CTP頂桿循環冷卻系統的一部分，主要用來在CTP軋制完成后，從毛管中抽出頂桿。

1.2 頂桿脫出夾送裝置存在問題

在日常生產中，頂桿脫出夾送裝置的主要問題，是鏈條裝置斷裂頻繁。

鏈條裝置斷裂，主要是因為兩方面的原因：

（1）設計選型的問題。鏈條裝置傳動的準確性較差，穩定性不好，對運行工況的要求高。

（2）所使用鏈條裝置的品質問題。包括鏈輪的軸承研死、軸孔磨損等。

2 頂桿脫出裝置設計方案

2.1 設計的基本要求

本次設計基本要求是：

（1）頂桿脫出夾送裝置的基本結構及參數不變。

（2）全部的安裝可以利用檢修日完成，不占用生產時間。

2.2 設計的基本思路

本次設計的基本思路是：頂桿脫出裝置的上下夾送鏈裝置，改換成整體夾送輥的形式，對夾送輥增加輥槽，其中上夾送輥做成偏心輥槽。

改為夾送輥的形式，使得結構比較緊湊，運行較穩定。夾送輥的脫出形式，是一種在冶金行業很成熟的輸送方式。

本次設計的一個亮點，就是最大可能地利用了原有設備。

3 夾送輥的力能參數計算

通過分析，本次設計需要解決兩個主要問題：

（1）夾送輥所需的空間。

（2）原有電動機是否可以滿足設計后的需要。

3.1 夾送輥所需空間的問題

查閱已有圖紙可知，頂桿共有 Φ102 mm、Φ130 mm、Φ140 mm。

原夾送鏈工作時最大半徑為

原夾送鏈工作時最小半徑為

設計后的夾送輥，取消了夾送鏈、張緊裝置、滑板，再拆除張緊裝置的臺座或把臺座切割一部分，即可滿足設計后所需的空間。

3.2 夾送輥的受力分析

在頂桿達到規定速度平穩抽出時，上下兩個夾送輥都驅動，作用在上夾送輥上的力如圖1所示。

圖1 夾送輥受力分析圖

在工作過程中，輥子壓緊頂桿，頂桿受拉力T的作用。頂桿對上下輥的水平方向摩擦力可按下式計算

式中，

P為作用于上輥上的壓緊力，，N；

G1為上輥的總質量，N；

μ為輥子與頂桿之間的靜摩擦系數。

頂桿對上下輥的垂直作用力均為P+G1，實際上，這一垂直作用力的方向并不嚴格和兩輥中心的連線重合；下輥軸承座對下輥的垂直支撐力為P+G1+G2，其中G2為下輥的總質量。

3.3 夾送輥的驅動力矩

頂桿脫出夾送裝置的工作制度，是啟動工作制。

啟動工作制夾送輥，是在加速情況下運送頂桿，除了靜力矩M1外，還要考慮夾送輥和頂桿所產生的動力矩M2，夾送輥在啟動時所需的力矩M為

（1）夾送輥的靜力矩M1。上下夾送輥軸徑處的摩擦阻力矩分別為

式中，

f為軸徑處的摩擦系數

d為軸徑的回轉直徑，對于滾動軸承就是滾珠處的直徑。

水平摩擦力T1、T2所產生的力矩

此外，由于頂桿的垂直作用力偏離輥子中心所產生的力矩（又稱為滾動摩擦力矩）

式中，μk為滾動摩擦因數（鋼對鋼時，約為0.05）。

所以，傳動一對夾送輥所需的靜力矩為

其中，

μ取為0.15；

f軸徑處得摩擦系數取為0.001 0；

μk取為 0.05。

P=Pm×A×ηm=49 235.2 N；

輥子直徑為405 mm；

G1=G2=1 498.8 kg。

（2）夾送輥的動力矩M2。動力矩M2的初步計算，可根據夾送輥和頂桿在加速時的動力矩來計算，即

其中，

Q為該夾送輥上作用的頂桿的重力，N；

N、D為夾送輥的直徑，m；

ε為夾送輥的角加速度，如果以頂桿的加速度a來表示，則

M2如用加速度a來表示，則

式中，加速度a受到一定限制。

如果加速度太大，當頂桿慣性力T0大于夾送輥與頂桿間的滑動摩擦力F時，頂桿在啟動時會打滑。因此，最大加速度amax應由下式確定

或

則

代入上面的已知值，得到

amax≤7.3 m/s2（在圖紙上查的原夾送鏈的加速度為4.8 m/s2，遠小于許允的加速度。）

而

Q=0.75(P+G1+mg)=47 050.5 N

同時可算出

則，動力矩M2為

所以，由M=M1+M2可得啟動力矩:

3.4 電動機的功率

原電機的額定轉矩為

電機的啟動力矩與額定轉矩之比在1.2～2.0之間，所以原電機的啟動力矩為630.3～1 050.5 N·m。

在電機啟動的時候，為保證頂桿能在輥子上移動，所用電機的啟動力矩Mp應該滿足

其中，

η為傳動系統效率,

i為傳動比（由圖紙查的）。

原電機的啟動力矩遠遠小于許允啟動力矩（Mp=630.3 N·m～1 050.5 N·m＜9.63 kN·m），所以原電動機仍符合使用要求。

4 結束語

利用原有的傳動系統和控制系統情況下，將夾送鏈改為夾送輥形式的頂桿脫出裝置，滿足了實際生產的需要，而且運行穩定、噪音小。在實際實施后，減少了備件的消耗，節約了小停時間，取得良好的經濟效益。

[1]安 寧，俞鵬飛.夾送輥的力能參數計算[J].有色金屬加工，2007，36（6）：50-51.

[2]王 哲，趙文才.棒材生產用夾送輥的研究[J].重型機械，1995，（3）：32-35.

[3]萬 飛.夾送輥接觸應力分析計算[J].重型機械科技，2001，（1.2）：39-43.

[4]鄒家祥.軋鋼機械[M].北京：冶金工業出版社，2000.