無縫鋼管芯棒限動機構改造

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

無縫鋼管芯棒限動機構改造

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

[摘要]為提高產品精度，確保平穩生產，通過對無縫鋼管套芯棒限動軋制機構進行國產化改造，對限動齒輪齒條、限動夾持頭及床身支承方式進行改造，有效地提高了設備的穩定性，實現了限動機構高精度平穩生產，降低了設備的維護費用。

[關鍵詞]芯棒；限動機構；改造

1　引言

芯棒限動系統是鋼管生產工藝的關鍵設備，芯棒限動軋制機構主要用于軋管時控制芯棒的運行速度，以提高管子內表面質量，屬機械設計制造領域。

我公司選用世界第一套PQF軋機，芯棒限動軋制機構是該機組設備的主要組成部分。該機構的執行元件是限動夾持頭，依靠齒輪驅動限動齒條帶動夾持頭往復運動，限動夾持頭由一套五連桿機構組成。限動齒條位于PQF軋制線的側位，而夾持頭側裝在限動齒條上沿PQF軋制中心線往復運動，用于夾持芯棒控制芯棒運行速度。齒條與夾持頭運行中心線相距650 mm，齒條的工作周期分為3個階段：齒條帶動夾持頭實現芯棒預穿并快速插入軋機；軋制過程中齒條帶動夾持頭實現芯棒的限動過程；軋制結束時，齒條帶動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連桿機構組成的限動夾持頭機械原理圖如圖1所示。5連桿機構工作時在初始位置連桿2和連桿3都為向兩邊升起狀態，當芯棒到位后，芯棒夾持裝置由準備位向前運動至夾持位，然后液壓缸驅動桿13轉動帶動方軸10轉動，方軸10帶動連桿6轉動，連桿6推動連桿5，連桿5推動連桿2和拉動連桿4，連桿4推動連桿3，這樣連桿2和連桿3共同完成對芯棒的夾持。

芯棒夾持裝置向前運動至軋鋼位，受到巨大的向前的軋制力，同時繼續向前運動至鋼管軋制完成。之后，當液壓缸驅動桿13轉動帶動方軸10轉動，方軸10帶動連桿6轉動，然后連桿6向上拉連桿5，連桿5拉動連桿2和推動連桿4，連桿4拉動連桿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動返回至起始位置。

圖1　 5連桿機構機械原理圖

限動齒條是由4臺交流電機經聯軸器、連接軸、齒輪減速機及在限動力矩裝置的聯軸器驅動齒輪軸，并通過這4個齒輪軸傳動限動齒條。該限動齒條是從德國MEER公司進口設備，在建廠初期訂購過一件備件，價格148.5萬元。該備件重量達9 055 kg，長9 745.215 mm，尺寸比較長，精度高，使用過程中受力大。自2003年投入運行以來，隨著齒條與齒輪的磨損，其與限動齒條驅動齒輪軸工作時嚙合間隙越來越大，導致限動齒條的運行越來越不穩定，造成芯棒在軋制限動過程中限動力波動較大，影響了鋼管的軋制質量，設備故障日趨頻繁。準備齒條和齒輪備件的問題列入日程，進口備件價格昂貴且供貨周期長。根據掌握的技術資料，我們認為已經具備了該備件國產化的能力，并可針對幾年來設備運行中發生的情況，對限動齒條做相應的改進，減少設備故障，增加限動齒條壽命；為有效降低備件成本提高企業競爭力，決定進行限動齒條國產化改造，以恢復限動設備精度，達到生產要求。

3　存在問題

在2010年，限動2段床身后部和3段床身前部因長期高溫下承受大負荷而出現變形塌腰，齒條在該區域運行軌跡發生變化，對齒條支撐輪產生沖擊，支撐輪軸承頻繁損壞；同時因5連桿前擺臂軸彎、齒條與U型座連接螺栓松動。這些問題發生的故障都造成長時間臨時停機，并且為處理這些問題（更換5連桿、更換支撐輪、緊固床身螺栓等），每月都要安排長時間檢修，這些都增加了檢修維護成本。

經過分析，認為主要原因是設計人員對側掛式夾持頭在運行中與軋制中心線偏移考慮不充分，受力分析不當（齒條在運行過程中偏重），設計上存在一定缺陷。

4　改造方案

4.1對限動四大齒輪軸進行國產化改造

4.1.1選材

根據國外資料，該限動齒輪軸采用的材質為30NiCrMo12，我們考慮關鍵備件受力比較大時國產化一般選用材料應比國外材質高一個等級，以消除國內材質及熱處理水平相比國外材質及熱處理水平上的差距。

通過對我國幾種常用的低合金超高強度鋼的性能對比，選用淬透性比較好并且抗拉輕度最好的國內牌號40CrNi2MoA的合金鋼，該牌號鋼為低合金超高強度鋼的一種，含碳量適中，調質性能好，熱處理可獲得較好的綜合性能[1]。坯料采用鍛件，以避免鑄件可能產生的裂紋砂眼等缺陷。根據材質的力學性能及材質特點制定相應的工藝路線。

4.1.2制定工藝

鍛→正火→粗加工→探傷→半精加工→粗滾齒→調質→探傷→精加工→半精滾齒→磨齒。

4.1.3檢驗

備件加工完畢后進行出廠檢驗和到貨檢驗，確認加工后各加工尺寸應符合圖紙要求，齒面硬度應在HB300-330[2]。

4.1.4后續措施

針對國內熱處理水平相比國外落后的現狀，經檢驗部分齒面硬度達不到圖紙要求的制定了補救措施，來解決使用過程中齒面磨損不均的問題，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對限動齒條國產化改造

限動齒條全長19 740.43 mm，分為兩段。兩段齒條之間通過加熱型預緊螺栓連接在一起。齒條側面導向輪共計6件分別分布在齒條的兩側，齒條的支撐輪共計24對，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，下支撐輪8對，兩者結構形式相同。

在限動齒條選才上，采用國產的40CrNi2MoA代替國外材42CrMo4V，并編制了熱處理工藝，最終合理的熱處理工藝保證限動齒條熱處理的均勻性及變形量。另外，根據設備的運行情況，對限動齒條做相應改造，在安裝限動五連桿U型座的一端，增加了1根限動齒條支撐軸，這樣可增加2個齒條支撐輪來提高設備可靠性，可以獲得很好的使用效果。

4.3對第4段床身拆裝方法的改造

第4段床身為限動齒條齒輪安裝箱體，原北側床身設計齒輪軸軸承座為整體件，不能從床身拆除。通過對第4段床身北側齒輪軸軸承座的改造，實現北側軸承座打開后，齒輪軸能從北側全部拆除，從而實現第4段床身從北側拆裝。

4.4對限動夾持頭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

根據連桿對材料的強度性能指標要求比較高，對比下面幾種常見材料性能指標對照表（見表1）進行選材。在原始設計上使用了優質碳素結構鋼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、韌性良好的合金結構鋼42CrMo，從而使連桿力學性能達到比較高的標準，滿足現場需求。

表1　幾種常見材料的強度性能指標對照表[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5連桿安裝座進行改造

原設計限動夾持頭為下開口式，判斷故障更換零件都比較困難，經過多方面考慮決定改為U形平躺敞開式結構，主要是將夾持頭連桿機構支撐在U形座上，利用U形座上部的兩個壓蓋和前部的兩個側瓦蓋固定連桿機構。U形座的設計根據國內備件的加工條件和水平，設計了備件的加工工藝，采取鍛件加工的工藝，確保國產化備件的質量達到要求。

4.5對1~5段床身支承方式改造

由于限動2段床身后部和3段床身前部在使用過程中出現塌腰，決定對2、3、4段床身進行更換，1段、5段下線修復，同時為避免再次出現塌腰現象，增加床身滑板底座支撐梁，增強了受壓能力；并在床身中部增加了支撐地腳，提高了床身平穩度。對床身蓋板螺栓加粗，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,避免床身間出現間隙，狀態劣化。

5　實際應用效果

通過一系列對限動機構的改造，實際應用中顯現出良好的效果。

通過限動四大齒輪軸及限動齒條國產化改造，大大降低了備件成本，實現當齒條齒輪磨損超差后能及時更換，避免了因齒輪齒條間隙過大帶來的限動齒條的運行不穩定故障，保證生產設備的精度。

因南側有電機減速機等設備，給拆裝齒輪軸帶來諸多不便。將第4段床身的拆裝方式更改為從北側拆裝，避開了第4段床身更換齒輪軸空間狹小，造成多方面的困難，4個驅動齒輪軸原為從南側拆裝，改為從北側拆裝，方便了更換限動齒輪軸，降低更換難度，也可節省設備更換時間。

通過對限動五連桿的改造，不再經常出現前擺臂螺栓斷、軸彎等惡劣等故障，避免了長時間故障停機，5連桿使用壽命的從之前的1個月延長到3個月以上，在確保平穩生產的同時降低了維護成本。

6　結語

通過上述改造，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，減少了芯棒斷裂頻次，5連桿使用由原來的7天或15天不定性周期延長為至少使用35天，故障時間和備件成本得以降低，保證了限動扭矩從14 000 N· m左右降低到8 000 N·m以下。同時，提高了產品質量，減少了對連軋輥的沖擊，減少了堆鋼等惡性故障的發生。

參考文獻

[1]陳立德.機械設計基礎[M].南京：高等教育出版社，2000：245.

[2]廖漢元，孔建益，鈕國輝.機械原理[M].北京：機械工業出版社，1998：156.

[3]吳承建.金屬材料學[M].2版.北京：冶金工業出版社，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

作者簡介：蘇志強（1963—），男，高級工程師，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